苏教版选修1 第三章 第二节 固定化酶的制备和应用 学案.doc

第二节固定化酶的制备和应用1固定化酶常采用化学结合法和物理吸附法，而固定化细胞则常采用包埋法。2固定化细胞发挥作用除了需要适宜的温度、ph外，还需要有机营养的供应。3改变海藻酸钠溶液的浓度可以改变凝胶的孔径，适合于多种细胞的固定化。4配制海藻酸钠溶液应小火加热或间断加热。5在制备固定化酵母细胞的过程中，溶化好的海藻酸钠溶液要冷却至45 ，才能加入已活化的酵母细胞。6固定化酶和固定化细胞技术既实现了对酶的重复利用，降低了成本，又可使酶与产物分离，提高了产品质量。 固定化酶和固定化细胞技术1制备固定化酶的方法(1)固定化酶：指用物理学或化学的方法将酶与固相载体结合在一起形成的仍具有酶活性的酶复合物。(2)制备固定化酶的方法：种类制备方法物理吸附法将酶吸附在纤维素、琼脂糖等多糖类或多孔玻璃、离子交换树脂等载体上化学结合法利用多功能试剂进行酶与载体之间的交联，在酶和多功能试剂之间形成共价键，从而得到三维的交联网架结构包埋法将酶包埋在能固化的载体中。常用的载体有聚丙烯酰胺凝胶和硝酸纤维素等(3)固定化酶的优点：在催化反应中，它以固相状态作用于底物，反应完成后容易与水溶性反应物和产物分离，可被反复使用。2固定化细胞技术的应用(1)应用：固定化细胞可以取代游离的细胞进行发酵，生产各种物质。(2)优点：固定化细胞技术无须进行酶的分离和纯化，减少了酶的活力损失，同时大大降低了生产成本。固定化细胞不仅可以作为单一的酶发挥作用，而且可以利用细胞中所含的复合酶系完成一系列的催化反应。对于活细胞来说，保持了酶的原始状态，酶的稳定性更高。细胞生长停滞时间短，反应快等。(3)缺点：固定化细胞只能用于生产细胞外酶和其他能够分泌到细胞外的产物。由于载体的影响，营养物质和产物的扩散受到一定的限制。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。1固定化酶和固定化细胞一般采用什么方法？为什么？提示：固定化酶常用化学结合法或物理吸附法。因酶分子小，易从包埋材料中漏出，故一般不用包埋法进行固定。固定化细胞常用包埋法，因个大的细胞难以被吸附或结合。2(1)你认为固定化酶技术与固定化细胞技术哪一种方法对酶活性的影响更小？(2)如果想将微生物的发酵过程变成连续的酶反应，应该选择哪种方法？提示：(1)固定化细胞由于保证了细胞的完整性，酶的环境改变小，所以对酶的活性影响最小。(2)选固定化细胞技术，因固定化细胞固定的不是一种酶而是一系列酶，故可催化连续的酶反应。3如果反应物是大分子物质，应该采用哪种方法？提示：因为大分子物质不容易进入细胞内，因此不宜采用固定化细胞技术，应采用固定化酶技术。1直接使用酶、固定化酶、固定化细胞的比较项目直接使用酶固定化酶固定化细胞酶的种类一种或几种一种一系列酶常用载体纤维素、琼脂糖、硝酸纤维素、聚丙烯酰胺凝胶明胶、琼脂、海藻酸钠凝胶、角叉菜胶制作方法物理吸附法、化学结合法、包埋法包埋法、物理吸附法是否需要营养否否是催化反应单一或多种单一一系列反应底物各种物质(大分子、小分子)各种物质(大分子、小分子)小分子物质缺点对环境条件非常敏感，易失活难回收，成本高，影响产品质量不利于催化一系列的酶促反应反应物不易与酶接近，尤其是大分子物质，反应效率下降酵母菌细胞的固定化技术1酵母细胞固定前要活化，原因是什么？提示：在缺水状态，微生物处于休眠状态。活化就是让处于休眠状态的酵母细胞恢复正常的生活状态。2为什么麦芽汁可以被质量分数为10%的葡萄糖溶液替代？提示：酵母菌也可以利用葡萄糖作为营养物质。3为什么说海藻酸钠适用于多种细胞的固定化？提示：用海藻酸钠凝胶包埋法制备固定化细胞，除对细胞无毒性外，还具有操作简便、条件温和等特性。通过改变海藻酸钠的浓度可以改变凝胶的孔径，适合于多种细胞的固定化。1制备固定化酵母细胞的注意事项(1)酵母菌细胞活化时体积会变大，因此活化前应选择体积足够大的容器，防止酵母菌细胞的活化液溢出。(2)海藻酸钠的浓度关系到固定化细胞的质量。如果海藻酸钠浓度过高，将很难形成凝胶珠；如果浓度过低，形成的凝胶珠所包埋的酵母细胞的数量少，也会影响实验效果。(3)溶化海藻酸钠时要用小火或间断加热，避免海藻酸钠发生焦糊。(4)将溶化后的聚乙烯醇海藻酸钠溶液先冷却至45 ，再与预热至35 的酵母菌培养液混合，避免高温杀死酵母菌细胞。(5)固定化酵母菌细胞时，应将酵母菌聚乙烯醇海藻酸钠胶液用注射器以恒定速度缓慢滴入饱和硼酸氯化钙溶液中，而不是注射，以免影响凝胶珠的形成。(6)海藻酸钠胶体在cacl2这种电解质的作用下，发生聚沉，形成凝胶珠，需稳定30 min左右。2实验结果分析与评价(1)如果制作的凝胶珠颜色过浅、呈白色，说明海藻酸钠的浓度偏低，固定的酵母细胞数目较少；如果形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形，则说明海藻酸钠的浓度偏高，制作失败，需要再做尝试。(2)用镊子夹起一个凝胶珠放在实验桌上用手挤压，如果凝胶珠不容易破裂，没有液体流出，就表明凝胶珠的制作成功。在实验桌上用力摔打凝胶珠，如果凝胶珠很容易弹起，也能表明制备的凝胶珠是成功的。 固定化酶和固定化细胞的原理、作用例1(江苏高考)下列有关固定化酶和固定化细胞的叙述，正确的是 ()a可用包埋法制备固定化酵母细胞b反应产物对固定化酶的活性没有影响c葡萄糖异构酶固定前后专一性不同d固定化细胞可以催化各种反应底物的一系列反应思路点拨精讲精析本题考查酶或细胞的固定化技术，意在考查对固定化酶和固定化细胞在方法选择和催化反应等方面异同的比较辨别能力。细胞难以被吸附或结合，固定化细胞多采用包埋法，a项正确；反应产物积累能影响酶的结构，从而使酶的活性下降，b项错误；葡萄糖异构酶在固定前后专一性不变，c项错误；固定化细胞固定的是一系列的酶，可以催化一系列的反应，但不能催化各种反应底物的一系列反应，d项错误。答案a固定化酵母细胞的制作及其发酵过程例2(江苏高考改编)下图1表示制备固定化酵母细胞的有关操作，图2是利用固定化酵母细胞进行酒精发酵的示意图。下列叙述不正确的是()a刚溶化的海藻酸钠应迅速与活化的酵母细胞混合制备混合液b图1中x溶液为cacl2溶液，其作用是使海藻酸钠形成凝胶珠c图2发酵过程中搅拌的目的是使培养液与酵母细胞充分接触d图1中制备的凝胶珠用蒸馏水洗涤后再转移到图2装置中思路点拨精讲精析刚溶化的海藻酸钠溶液要冷却后，才能与活化的酵母细胞混合制备混合液，以免高温使酵母细胞失活；混合液加入cacl2溶液进行固定化酵母细胞，cacl2溶液的作用是使海藻酸钠形成凝胶珠；发酵过程中搅拌的目的是使培养液与酵母细胞充分接触，以利于发酵过程的顺利进行；制备的凝胶珠用蒸馏水洗涤(去除残留的cacl2)后再转移到图2装置中进行发酵。答案a 课堂回扣练习1下列有关固定化酶和固定化细胞的说法错误的是()a固定化酶的不足之处是不能催化一系列反应b固定化酶可再次利用，降低了生产成本c固定化细胞技术在多步连续催化反应方面优势明显d固定化细胞需要进行酶的分离和纯化解析：选d固定化酶固定的是一种具体的酶，不能催化一系列化学反应；与直接使用酶相比，固定化酶实现了酶的反复利用，降低了生产成本；固定化细胞主要应用在一些需要活体细胞进行持续性处理的生产过程中，可多步连续催化反应；固定化细胞不需要进行酶的分离和纯化。2关于固定化酶和一般酶制剂应用效果的说法，错误的是()a固定化酶生物活性强，可长久使用b一般酶制剂应用后和产物混在一起，产物的纯度不高c一般酶制剂参加反应后不能重复利用d固定化酶可以反复利用，降低生产成本，并能提高产品的产量和质量解析：选a固定化酶是因为可回收重新利用而可以较长时间使用的，并不是因为生物活性强而长久使用。单纯从生物活性方面分析，固定化酶与一般酶制剂的活性差别不大。3下列说法不正确的是()a固定化酶和固定化细胞的技术方法包括包埋法、化学结合法和物理吸附法b固定化酶更适合采用化学结合法和物理吸附法c由于细胞个大，而酶分子很小，因此细胞多采用物理吸附法d反应物是大分子物质时应采用固定化细胞技术解析：选c酶和细胞的固定化技术通常有包埋法、化学结合法和物理吸附法。由于酶分子小，又多带有电荷，易从多孔性物质中漏出，因此多使用化学结合法与物理吸附法。而细胞个体大，难以被多孔性物质吸附或结合，因而多用包埋法。若反应物过大，需要一系列酶催化，应采用固定化细胞技术。4关于固定化酵母细胞制备过程的叙述，正确的是()a为使酵母菌活化，应让干酵母与自来水混合并搅拌b用小火或间断加热可防止海藻酸钠溶液焦糊c向刚溶化好的海藻酸钠溶液中加入已活化的酵母细胞，充分搅拌并混合均匀d将与酵母细胞混匀的海藻酸钠溶液倒入硼酸氯化钙溶液中，会观察到溶液中有球形或椭圆形的凝胶珠形成解析：选b由于在缺水状态下，微生物处于休眠状态，为了加速酵母细胞的活化，将干酵母与蒸馏水混合后应用玻璃棒充分搅拌。为避免海藻酸钠发生焦糊，溶化时要用小火间断加热。如果将刚溶化好的海藻酸钠与已活化的酵母细胞混合，有可能会因温度过高而杀死酵母细胞。应将与酵母细胞混匀的海藻酸钠用注射器缓慢滴加到硼酸氯化钙溶液中，而不是倒入。5下面为固定化酵母细胞及其应用的相关图解，请据图回答问题：(1)某生物小组利用海藻酸钠制备固定化酵母细胞，应使用图甲中方法_(填号码及名称)，而制备固定化酶则不宜用此方法，原因是_。(2)部分同学制得的凝胶珠如图乙所示，其原因可能是_、_等。观察形成的凝胶珠的颜色和形状，如果颜色过浅，说明_；如果形成的凝胶珠不是_，说明实验操作失败。(3)某同学用图丙所示的装置来进行葡萄糖发酵。a代表_，b代表_。从上端漏斗中加入反应液的浓度不能过高的原因是_。为使该实验中所用到的固定化酵母细胞可以反复利用，实验过程一定要在_条件下进行。装置中的长导管起的作用是_。解析：固定化酶适宜用化学结合法、物理吸附法；固定化酵母细胞适宜用包埋法。如果形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形，则说明海藻酸钠溶液的浓度偏高或注射器推进速度过快(或针筒口离硼酸氯化钙液面附近)。答案：(1)包埋法酶分子很小，容易从包埋材料中漏出(2)海藻酸钠溶液的浓度过高注射器推进速度过快(或针筒口离液面附近)固定化酵母细胞数目较少圆形或椭圆形(3)固定化酵母细胞反应柱葡萄糖溶液的浓度过高会使酵母细胞因失水过多而死亡无菌释放反应产生的co2和防止空气中的杂菌进入反应柱课下综合检测一、选择题1下列叙述不属于固定化酶特点的是()a酶固定化后，活性提高b酶对酸、碱、温度敏感，易失活c在溶液中直接使用酶，难以回收，成本高d固定化酶使酶既可催化反应物，又易与产物分离解析：选a固定化酶可提高酶的稳定性，防止酶失活，使酶既可催化反应物，又易与产物分离，催化后的酶易回收，降低生产成本，但并未提高酶的活性。2下列关于固定化技术的叙述，不正确的是()a从操作角度来考虑，固定化细胞比固定化酶更容易b固定化细胞比固定化酶对酶活性影响更小c固定化细胞固定的是一种酶d将微生物的发酵过程变成连续的酶反应应选择固定化细胞解析：选c在应用操作过程中，固定化细胞比固定化酶更容易、更便捷，对酶活性影响更小；固定化细胞固定的是一系列酶，可使发酵过程变成连续反应过程。3下图所示的固定化方式中，适宜固定化酶的是()abc d解析：选d图中、分别表示化学结合法、包埋法和物理吸附法。固定化酶适宜用化学结合法、物理吸附法。4下列关于固定化细胞的说法错误的是()a固定化细胞技术是利用物理或化学方法将细胞固定在一定空间内的技术b固定化酶和固定化细胞的共同点是所固定的酶都可在细胞外起作用c固定化酶和固定化细胞都能反复使用，但酶的活性迅速下降d包埋法常用的载体有明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等解析：选c固定化酶和固定化细胞都能反复使用，但不会出现酶的活性迅速下降的情况。固定化酶是在细胞外发挥作用，固定化细胞中的部分酶在细胞内发挥作用，也有部分酶可在细胞外发挥作用，所以固定化酶和固定化细胞的共同点是所固定的酶都可在细胞外起作用。5下列关于制备固定化酵母细胞的操作，正确的是()a制备好海藻酸钠溶液后，要立即将其与酵母细胞混合以防凝固b制备固定化酵母细胞的过程中可能用到注射器c以恒定的速度把混合液注射到caso4溶液中d凝胶珠在硼酸氯化钙溶液中应浸泡10 min左右解析：选b应将制备好的海藻酸钠溶液冷却后，再加入已活化的酵母细胞，否则会因温度过高杀死酵母细胞。应以恒定的速度把混合液滴加到硼酸氯化钙溶液中而不是caso4溶液中。凝胶珠在硼酸氯化钙溶液中应浸泡30 min左右。6(江苏高考)下列关于酶和固定化酵母细胞的研究与应用的叙述，错误的是()a从酶的固定方式看，吸附法比化学结合法对酶活性影响小b作为消化酶使用时，蛋白酶制剂以口服方式给药c尿糖试纸含有固定化的葡萄糖酶和过氧化氢酶，可以反复使用d将海藻酸钠凝胶珠用无菌水冲洗，目的是洗去cacl2和杂菌解析：选c酶的固定方式有包埋法、化学结合法和物理吸附法，物理吸附法是利用吸附剂本身的表面张力对附近的分子产生吸附，与化学结合法相比，不会使被吸附物质的性质发生改变，所以吸附法对酶活性影响较小；消化酶在人体消化道内发挥作用，蛋白酶制剂一般在最外面加上糖衣后通过口服方式给药；尿糖试纸是一种由葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶和某种无色的化合物固定于滤纸上制成的酶试纸，不能反复利用；制备固定化酵母细胞时，将海藻酸钠凝胶珠用无菌水冲洗的目的是洗去cacl2和杂菌，防止凝胶珠硬度过大和杂菌污染。7下列关于固定化酶和固定化细胞的叙述，正确的是()a在固定化酶的应用中，要控制好ph、温度和溶解氧b利用固定化酶降解水体中有机磷农药，需提供适宜的营养条件c利用固定化酵母细胞进行发酵，糖类的作用只是作为反应底物d固定化酵母细胞时，如果海藻酸钠浓度过低，形成的凝胶珠所包埋的酵母菌细胞数目少解析：选d固定化酶不像普通酶那样对环境要求那么高，耐受性也比较好，和溶解氧没什么关系；利用固定化酶降解水体中有机磷农药，不需要提供营养条件；利用固定化酵母细胞进行发酵时，糖类不仅是反应底物，同时也作为碳源为酵母菌提供能量和营养；如果海藻酸钠浓度过低，则形成的凝胶珠所包埋的酵母菌细胞数目少。8下列有关固定化酶技术和固定化细胞技术的叙述正确的是()a固定化酶和固定化细胞的目的是限制酶与反应物接触，控制反应速率b酶更适合包埋法固定化，细胞更适合吸附法固定化c加酶洗衣粉是含有固定化酶制剂的洗衣粉d固定化细胞对酶的活性影响小，与固定化酶相比应用更广泛解析：选d固定化酶和固定化细胞的目的都是使酶在一定的空间范围内起催化作用，并能反复和连续使用；对于体积比较大的细胞适合用包埋法固定，酶适合用吸附法固定；加酶洗衣粉中添加的多种酶制剂，如碱性蛋白酶制剂和碱性脂肪酶制剂等不能重复利用，不属于固定化酶。二、非选择题9固定化酶是从20世纪60年代迅速发展起来的一种技术。东北农业大学科研人员利用双重固定法，即采用戊二醛作交联剂(使酶相互连接)，海藻酸钠作为包埋剂来固定小麦酯酶，研究固定化酶的性质，并对其最佳固定条件进行了探究。下图显示的是部分研究结果(注：酶活力为固定化酶催化化学反应的总效率，包括酶活性和酶的数量)，分析回答下列问题：(1)从对温度变化适应性和应用范围的角度分析，甲图所示结果可以得出的结论是_。(2)乙图曲线表明浓度为_的海藻酸钠包埋效果最好，当海藻酸钠浓度较低时，酶活力较低的原因是_。(3)固定化酶的活力随使用次数的增多而下降，由丙图可知，固定化酯酶重复使用_次后，酶活力明显下降。(4)固定小麦酯酶不仅采用海藻酸钠直接包埋，同时用戊二醛作交联剂，这是因为_。解析：由甲图可知，固