苏教版选修一 固定化酶的制备和应用 学案.doc

固定化酶的制备和应用学案张建尚 江苏省赣榆高级中学【情景导学】 高果糖浆是指果糖含量为42%左右的糖浆。作为蔗糖的替代品，高果糖浆不会像蔗糖那样诱发肥胖、糖尿病、心血管病，对人类健康更有益。右图是高果糖浆生产车间示意图，高果糖浆的生产需要使用葡萄糖异构酶，但葡萄糖异构酶价格较高，且葡萄糖异构酶溶解于葡萄糖溶液后很难回收，不能再次利用，提高了生产成本。那么，如何减少葡萄糖异构酶的使用量，降低生产成本呢？【重点和难点】固定化酶与固定化细胞的制备方法及优缺点。【课前预习】1.固定化酶是指用 的方法将酶与 结合在一起形成的酶复合物。其在催化反应中，以 作用于与底物，反应完成后，容易与 分离，可被 使用。答案1.物理学或化学固相载体固相状态水溶性反应物和产物反复2.物理吸附法是将酶固定在 等多糖类或多孔玻璃、离子交换树脂等载体上的固定方式，其显著特点是 ，在生产实践中应用广泛；化学结合法是利用 进行酶与载体之间的交联，在酶和多功能试剂之间形成 ，从而得到三维的交进行联网架结构；包埋法是将酶包埋在 中。由于酶分子小，而细胞个体大，因此固定化酶常用 法，固定化细胞常采用 。2.纤维素、琼脂糖工艺简便且条件温和多功能试剂共价键能固化的载体物理吸附法和化学结合法包埋法3.固定化细胞技术无须进行酶的 ，减少了酶的活力损失，同时大大降低了生产成本；利用细胞中所含的复合酶系可以完成 的催化反应；对于活细胞来说，保持了酶的原始状态，酶的 更高；细胞生长停滞 ，反应快。虽然具有许多优点，但也有缺点。如，固定化细胞只能用于生产 和其他能够 的产物；由于载体的影响， 的扩散受到一定限制；尤其在好氧性发酵中，溶解氧的传递和输送成为关键的限制因素。3.分离和纯化一系列稳定性时间短细胞外酶分泌到细胞外营养物质和产物4.制备麦芽汁时，称取一定质量的干酵母，加入质量 倍的蒸馏水，在 下放置34h。每隔一定时间用 测定，直至不显色为止。麦芽汁经过 后用纱布过滤，再调节ph至 ，在 下灭菌15min，制成无菌麦芽汁。4.45865碘液煮沸、冷却6.01215.活化酵母菌细胞是将1g 放入10ml蒸馏水中1h。称取无水氯化钙0.83g加入150ml蒸馏水，可得到物质的量浓度为 的氯化钙溶液。制备固定化细胞时，称取4g 和0.2g ，加入40ml蒸馏水， 至完全溶化，冷却后加入 培养液，混匀后在 中制成凝胶珠。5.干酵母0.05mol/l聚乙烯醇海藻酸钠小火间断加热已活化的酵母菌氯化钙溶液【课堂探究】一、固定化酶技术的应用1.思考与直接使用酶有关的问题：（1）加酶洗衣粉中常用的酶有哪些？这些酶能直接加入洗衣粉么？为什么？ 。（2）加酶洗衣粉在使用后溶液中的酶能够回收再利用吗？ 。（3）使用酶制剂生产药品，反应完成后产物与酶混合在一起，这样能直接做成药品出售吗？ 。（4）由上可知，直接使用酶的缺点有 、 和 等。答案一、1.（1）蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶和纤维素酶；不能，需要做成酶制剂；因为酶对环境条件非常敏感，容易失活（2）不能（3）不能（4）对环境条件非常敏感，容易失活溶液中的酶很难回收，不能被再次利用，提高了生产成本反应后酶会混在产物中，可能影响产品质量2.资料分析：高果糖浆的生产需要使用葡萄糖异构酶，它能将葡萄糖转化为果糖。使用固定化酶技术，将这种酶固定于一种颗粒状的载体上，再将这些酶颗粒装到一个反应柱内，柱子底端装上分布有许多小孔的筛板。酶颗粒无法筛板上的小孔，而反应溶液却可以自由出入。生产过程中，将葡萄糖溶液从反应柱的上端注入，使葡萄糖溶液流过反应柱，与固定化葡萄糖异构酶接触，转化成果糖，从反应柱的下端流出。反应柱能连续使用半年，大大降低了生产成本，提高了果糖的产量和质量。（1）固定化酶的方法有多种，下图中的a、b、c、d分别是 。小分子物质不宜使用c、d方法固定的原因是 。a b c d（2）与直接使用酶相比，固定化酶技术的优点有： 、 等。（3）在生产实际中使用固定化酶技术有无不足之处? 。可能在哪些方面存在不足？ 。2.（1）a吸附法b交联法c包埋法d包埋法（2）酶既能与反应物接触，又能与产物分离，可以被反复利用（3）有一种酶只能催化一种化学反应，不能催化一系列的酶促反应二、固定化细胞技术1.讨论以下问题：（1）与固定化酶相比，固定化细胞技术有哪些优势？ 。（2）动物细胞主要用吸附法固定的原因是 ；而多数细胞采用包埋法的原因是 。（3）为什么固定化细胞只能生产分泌到细胞外的产物？ 。固定化细胞需要营养吗？ 。包埋剂对营养物质和产物的运输有无影响？ 。如果反应物是大分子物质，还能采用固定化细胞的方法吗？ 。二、1.（1）不需要破碎细胞提取酶、对酶的活性影响小、可以催化一系列的生化反应、能够反复使用（2）动物细胞大多数具有附着特性，能够很好地附着在容器壁、微载体和中空纤维等载体上细胞个体较大不易被吸附（3）细胞内的产物需要破碎细胞进行提取需要有不能2.以下是利用固定化酵母细胞发酵麦芽汁的流程，请分析：准备各种实验药品和器具制备麦芽汁活化酵母细胞制备固定化细胞处理凝胶珠发酵麦芽汁（1）制备麦芽汁过程中，用碘液对取样进行测定的目的是 ，麦芽汁调节ph后要进行 处理。（2）活化酵母菌细胞是指 。（3）制备固定化细胞所用的包埋剂是 ，包埋剂加热融化后要冷却至45才能加入酵母菌液，其原因 。酵母菌-海藻酸钠溶液用针筒恒速滴入氯化钙溶液中，氯化钙溶液的作用是 。如果包埋剂的浓度过小，凝胶珠包埋的酵母细胞数量 ，浓度过大，凝胶珠的形状 。（4）检测凝胶珠制作是否成功的方法有 ，用蒸馏水洗涤凝胶珠的目的是 。（5）发酵时麦芽汁的作用是 ，麦芽汁浓度不能过高的原因是 。2.（1）检测糖化是否完全灭菌（2）酵母菌细胞由休眠状态转变为正常的生活状态（3）海藻酸钠高温会杀死酵母细胞使海藻酸钠胶体发生聚沉，形成凝胶珠少不规则（4）用手挤压、摔打、肉眼观察洗去氯化钙溶液和微生物（5）作为反应物和为酵母细胞提供营养浓度过高，酵母细胞会失水死亡【课堂巩固】1.下列有关固定化酶技术的叙述,正确的是( ) a.固定化酶只是在细胞内才能发挥作用b.固定化酶能提高酶的利用率c.酶的固定是酶分离纯化的常用方法d.固定化酶的固定化方式就是吸附在固体表面上1.b【解析】酶在条件适宜时，既能在细胞内起作用，也能在细胞外起作用，制成的固定化酶，主要是在细胞外发挥作用，a项错误；固定化酶能重复利用，从而提高了酶的利用率，b项正确；制成固定化酶的步骤是酶的生产、提取、酶的分离纯化、酶的固定化，酶分离纯化是酶固定化的前提，c项错误；固定化酶有的是吸附在固体表面，有的是包埋在细微的网格里等，d项错误。2.（2015江苏）下列关于固定化酶和固定化细胞的叙述,错误的是（ ）a.固定化酶的主要目的是实现酶的重复利用b.溶解氧交换受阻是固定化酶应用的重要限制因素c.固定化细胞用于生产能分泌到细胞外的产物d.凝胶与被包埋细胞之间不是通过共价键结合2.b【解析】固定化酶实现了酶和底物的分离，酶可重复利用，a项正确；酶的催化作用不需要氧气，故固定化酶的应用不需要氧气，与溶解氧交换受阻没有影响，b项错误；固定化细胞可用于生产分泌到细胞外的产物，如分泌蛋白等，c项正确；凝胶与被包埋细胞之间没有化学键，不通过共价键结合，d项正确。3.有如图所示的探究性实验装置6个，6个装置中分别加入葡萄糖饱和溶液和凝胶珠，实验开始时，小液滴都在c点（刻度管足够长，瓶内氧气充足）。6个装置分别置于0、15、25、35、45、55温度下，10分钟后记录各个装置中的小液滴位置，并描绘出坐标曲线图（如甲曲线）。实验装置固定化醋酸菌a b c刻度管小液滴naoh葡萄糖溶液o 15 25 35 45 55小液滴移动的距离温度/（1）实验的目的是 ，自变量是 。（2）瓶中氢氧化钠溶液的作用是 ，小液滴移动的距离表示 。（3）实践上如果通过固定化醋酸菌生产醋酸，那么制备的凝胶珠大小与固定化酵母菌生产酒精相比，应该注意什么问题？为什么？ 。（4）如果制备固定化醋酸菌细胞实验中，海藻酸钠浓度过低，请在坐标图中画出实验开始10分钟后的曲线乙。（5）工业生产中利用固定化细胞技术进行生产，从哪些方面可以达到延长利用固定化细胞的时间（至少两点）？