2016届高三一轮总复习高中生物选修一课件专题4酶的研究与应用-课题3.ppt_图文

新课标生物· 选修1 生物技术实践
自 主 学 习 · 基 础 知 识

课题3

酵母细胞的固定化

课 时 作 业

合 作 探 究 · 重 难 疑 点

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[学习目标]

1.说明固定化细胞和固定化酶的作用和原理。

2.掌握制备固定化酵母细胞和利用其进行酒精发酵的方法。(重 难点)

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一、固定化酶的应用实例 1.普通酶应用中的缺点 (1)酶通常对强酸、强碱、 高温 和 有机溶剂 等条件非常敏 感,容易失活。 (2)溶液中的酶很难回收,不能被再次利用,提高了生产成 本。 (3)反应后酶会混在产物中,可能影响 产品质量 。

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2.固定化酶的应用实例——高果糖浆的生产 葡萄糖异构酶 (1)反应原理:葡萄糖―――――――――――→果糖。 (2)葡萄糖异构酶的优缺点 ①优点: 稳定性 好,能持续发挥作用。

②缺点:酶溶解于葡萄糖溶液后,无法从糖浆中回收,造 成很大的浪费。

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(3)使用固定化酶的生产原理:将葡萄糖异构酶固定在颗粒状 的载体 上,再将这些酶颗粒装入 反应柱 中,柱子底端装上分布 着许多小孔的筛板。 酶颗粒 无法通过筛板上的小孔,而 反应

溶液 可以自由出入。
(4)生产操作 ①将 葡萄糖 溶液从反应柱的上端注入。 ②使葡萄糖溶液流过反应柱,与 固定化葡萄糖异构酶 触。 ③转化成的果糖,从反应柱的下端流出。
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二、酶和细胞的固定化技术 1.概念 利用物理或 化学 方法将酶或细胞固定在一定空间内的技 术。 ? 包埋法 :多适于 细胞 的固定化 ? 2.方法? 化学结合法 ? ? 多适于 酶 的固定化 ? 物理吸附法 ? ? ? ?

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3.载体 包埋法固定化细胞常用的是 不溶于水的多孔性 载体,如明 胶、琼脂糖、 海藻酸钠 4.优点 (1)固定化酶既能与反应物 接触,又能与 产物 分离,可 以 反复 作用。 (2)固定化细胞技术制备的 成本低,操作容易 。 、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等。

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三、酵母细胞的固定化 1.制备固定化酵母细胞

CaCl2

海藻
酸钠
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小火间断
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2.用固定化酵母细胞发酵 (1)操作步骤: 固定好的酵母细胞( 凝胶珠 )―→用蒸馏水 冲洗 2~3次

加入到 ――→ 用于发酵的 葡萄糖 溶液中。
? ?有 气泡 产生 (2)现象? 酒精味 ? 散发 ?有

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1.从操作角度考虑,固定化酶和固定化细胞哪一种方法对 酶活性的影响更小?固定化细胞固定的是一种酶还是一系列 酶?

【提示】

固定化细胞操作更容易,对酶活性影响更小。

固定化细胞可以催化一系列反应,故固定的是一系列酶。比如 固定化酵母细胞将葡萄糖转化形成酒精的过程就是一系列酶催 化反应的结果。

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2.如果反应物是大分子物质,应该采用哪种方法固定化?

【提示】

应采用固定化酶技术。大分子物质难以自由通

过细胞膜,因此固定化细胞不能使反应物充分反应。 3.在进行酵母细胞的活化操作时,为什么要选择容积很大 的容器? 【提示】 在酵母细胞活化时,体积会变大,因此要选择

体积足够大的容器,以避免酵母细胞的活化液溢出容器。

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1.固定化酶操作比固定化细胞操作简单、成本更低。(×)

【提示】 单、成本低。

酶一般是从细胞中获得的,固定化细胞操作简

2.固定化酶可催化一系列的反应。(×) 【提示】 固定化酶只能催化一种或一类化学反应。

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3.配制的海藻酸钠溶液的浓度越低,越难形成凝胶珠。 (× )
【提示】 浓度越高,越难形成凝胶珠。

4.用不含酵母菌的凝胶珠作对照实验时,则不产生气泡, 同时也闻不到酒味。(√)

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预习完成后,请把你认为难以解决的问题记录在下面的表格中 问题 1 问题 2 问题 3 问题 4

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学生分组探究一

直接使用酶、固定化酶及固定化细胞的 比较

第1步 探究——问题引入,诱思导学 情景材料:

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1.如何才能获得固定化技术所需要的酶?

【提示】

酶的生产方式主要有两种:(1)提取法,采用一

定的技术直接从动植物或微生物的组织、细胞中将酶提取出 来;(2)发酵法,通过微生物发酵获得所需要的酶。

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2.一种酶只能催化一种或者一类化学反应,而在生产实际 中很多产物的形成,都需通过一系列的酶促反应才能进行,怎 样解决这一问题?

【提示】

可采用固定化细胞技术。因为固定化细胞固定

的是活细胞,而细胞中有多种酶,因此可以催化一系列反应。 3.为什么说将酶固定在不溶于水的载体上,便解决了生产 成本及产品质量问题? 【提示】 将酶固定于不溶于水的载体上,使酶既能与反

应物接触,又能与反应物分离,还可重复利用。
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第2步 提炼——要点归纳,整合提升 1.直接使用酶、固定化酶、固定化细胞的比较
直接使用酶 固定化酶 固定化细胞

酶的种数
常用载体

一种或几种

一种

一系列酶

明胶、琼脂糖、海 高岭土、皂土、 藻酸钠、醋酸纤维 硅胶、凝胶 素、聚丙烯酰胺

制作方法 是否需要 营养物质
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化学结合固定 化、物理吸附 固定化 否
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包埋法固定化




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催化反应

单一或多种

单一

一系列 小分子物质

各种物质(大分 各种物质(大分 反应底物 子、小分子) 子、小分子) ①对环境条件 非常敏感,易 失活 ②难回收,成 本高,影响产 品质量 催化效率高、 耗能低、低污 染
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缺点

反应物不易 与酶直接接 不利于催化一系 触,尤其是 列的酶促反应 大分子物质, 反应效率下 降 ①既能与反应物 接触,又能与产 成本低、操 作容易 物分离 ②可以反复利用
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优点

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2.固定化技术的比较

方 法

定义

适用 范围

模型

包 埋 法

将酶包裹在多孔的 载体中。常见的载 多用于 体有明胶、琼脂糖、 细胞的 海藻酸钠、醋酸纤 固定 维素和聚丙烯酰胺 等

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化学 将酶分子或细胞 结合 相互结合,或将 法 其结合到载体上 将酶吸附到固体 物理 吸附剂的表面。 吸附 固体吸附剂多为 法 活性炭、多孔玻 璃等

多用于 酶的固 定

酶连接

多用于 酶的固 定

酶吸附在载体表面

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选择固定化酶与固定化细胞的方法 1.根据固定方法选择。 (1)固定化酶技术:由于酶分子较小,可以采用物理吸附法 和化学结合法进行固定,它催化的是单一的化学反应。 (2)固定化细胞技术:细胞一般体积较大,适合应用包埋法 固定,而且细胞能够产生多种酶,因此固定化细胞可以催化一 系列化学反应。

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2.根据反应液中加入物质选择 (1)固定化酶在应用过程中,反应溶液中只需要加入酶的底 物即可。 (2)固定化细胞在应用过程中,要保持细胞的正常生命活 动,反应溶液中除需要加入反应的底物外,还应加入满足细胞 生命活动所需要的营养物质等。

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第3步 例证——典例印证,思维深化 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

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【思路点拨】

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【解析】

解答本题时要注意区分固定化酶与固定化细胞

在固定的方法、催化的反应等方面的不同。体积大的细胞难以 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 积累会影响酶的活性,B项错误;葡萄糖异构酶在固定前后都是 催化葡萄糖转化成果糖,故专一性相同,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,但不是催化各 种反应底物的反应,D项错误。

【答案】

A

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第4步 巧练——精选习题,落实强化 1.(2015· 青岛高三调研)下列关于固定化酶和固定化细胞的 叙述,正确的是( )

A.固定化细胞技术在多步连续催化反应方面优势明显 B.固定化酶的应用中,要控制好pH、温度和溶解氧 C.利用固定化酶降解水体中的有机磷农药,需提供适宜的 营养条件 D.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
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【解析】

本题考查固定化酶和固定化细胞技术的优点。

固定化细胞可连续催化多步反应;应用固定化酶需控制好温度 和pH,无氧参与的反应不需控制溶解氧;利用固定化酶降解有 机磷农药,农药是反应底物,不需另外提供营养;利用固定化 酵母细胞发酵,糖类既作为反应底物,又作为酵母细胞生命活 动的能源物质。

【答案】

A

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2.(2015· 青岛高二检测)下列关于固定化酶和一般酶制剂在 应用效果上的说法,错误的是( )

A.固定化酶生物活性高,可长久使用 B.一般酶制剂应用后和产物混在一起,产物纯度不高 C.一般酶制剂参加反应后不能重复使用 D.固定化酶可以反复利用,降低生产成本

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【解析】

一般酶制剂使用后,混在溶液中的酶不能回收

利用,增加了生产成本;同时反应后酶会混在产物中,可能影 响产品质量。固定化酶可重复使用,降低了生产成本,但是固 定化酶使用多次后,催化效果也会下降,并不能长久使用。
【答案】 A

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学生分组探究二

固定化酵母细胞的制备与应用

第1步 探究——问题引入,诱思导学 情景材料:以下是制备固定化酵母细胞的实验流程图: 酵母细胞活化―→配制CaCl2溶液―→配制海藻酸钠溶 液―→海藻酸钠溶液与酵母细胞混合―→固定化酵母细胞 1.影响实验成败的关键步骤是什么?

【提示】

配制海藻酸钠溶液。

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2.如何根据凝胶珠的颜色和形状确定是否制备成功?

【提示】

可以制备不含酵母细胞的凝胶珠作对照。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。
3.酵母细胞固定前要活化的原因是什么?

【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。

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第2步 提炼——要点归纳,整合提升 1.固定化酵母细胞的制备 (1)酵母细胞的活化:在缺水的状态下,微生物会处于休眠 状态。活化就是让处于休眠状态的微生物重新恢复正常的生活 状态。 (2)配制CaCl2溶液:0.83 g无水CaCl2+150 mL蒸馏水→200 mL烧杯→溶解备用。

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(3)配制海藻酸钠溶液:0.7 g海藻酸钠+10 mL水→50 mL烧 杯→酒精灯小火(或间断)加热,并不断搅拌,使之溶化→蒸馏水 定容到10 mL。 (4)海藻酸钠溶液与酵母细胞的混合:将溶化好的海藻酸钠 溶液冷却至室温,加入已活化的酵母细胞,充分搅拌后吸入到 注射器中。 (5)固定化酵母细胞:以恒定速度缓慢地将注射器中的溶液 滴加到CaCl2溶液中,形成凝胶珠。

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2.用固定化酵母细胞发酵 (1)冲洗:将固定好的酵母细胞凝胶珠用蒸馏水冲洗2~3 次,刚形成的凝胶珠应在CaCl2溶液中浸泡30 min左右,形成稳 定结构。 (2)发酵:150 mL质量分数为10%葡萄糖溶液+固定化酵母 细胞→200 mL锥形瓶→密封→250 ℃下发酵24 h。

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1.CaCl2要称量准确,不能用自来水配制溶液,防止自来 水中各种离子影响实验效果,应用蒸馏水。 2.加入活化酵母细胞时,海藻酸钠溶液必须冷却至室温, 以免温度过高而杀死酵母菌。 3.制备过程严格要求无菌操作,防止微生物污染。 4.海藻酸钠溶液的浓度涉及固定化细胞的质量,如果海藻 酸钠浓度过高,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目就少,影响实验效果。
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第 3 步 例证——典例印证,思维深化 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( )

图1
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图2
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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

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【思路点拨】

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【解析】

刚溶化的海藻酸钠溶液要冷却至室温,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
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第4步 巧练——精选习题,落实强化 1.下列有关固定化酵母细胞及使用过程中,错误的是 ( A.干酵母活化的时间大约为1小时 B.将溶化好的海藻酸钠溶液冷却至室温,加入已活化的酵 母细胞 C.检测是否有酒精发酵的有效指标之一为是否有气泡发生 D.将海藻酸钠与酵母菌的混合液缓缓滴加到氯化钙溶液 中,即形成固定化细胞颗粒
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)

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【解析】

检测是否有酒精发酵的有效指标之一是闻闻是

否有酒味,因为酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸均可产生气体 ——CO2。
【答案】 C

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2.有关制备固定化酵母细胞的叙述,正确的是(

)

A.首先用蒸馏水把干酵母、CaCl2、海藻酸钠配制成溶 液,但配制CaCl2溶液需要加热 B.配制海藻酸钠的溶液成糊状 C.海藻酸钠溶液与酵母细胞混合时,要用玻璃棒搅拌,使 酵母细胞混合均匀 D.酵母细胞溶液首先要和CaCl2溶液混合

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【解析】

配制CaCl2溶液不需要加热;配制海藻酸钠溶液

需要加热,直至将海藻酸钠完全溶化;溶化好的海藻酸钠冷却 至室温加入活化的酵母细胞,进行充分搅拌,使其混合均匀。
【答案】 C

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学生合作绘制知识网络

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师生归纳必记答题术语 1.酶更适合采用化学结合法和物理吸附法固定化,而

细胞多采用包埋法固定化。
2.制备固定化酵母细胞的基本步骤是:酵母细胞的活 化→配制CaCl2溶液→配制海藻酸钠溶液→海藻酸钠

与酵母细胞混合→固定化酵母细胞。
3.配制海藻酸钠溶液要用小火或间断加热。

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师生归纳必记答题术语

4.海藻酸钠溶液浓度过高,很难形成凝胶珠;过低,凝胶
珠包埋的酵母菌少。 5.固定化酶固定的是一种酶,固定化细胞固定的是一系列

酶。
6.在制备固定化酵母细胞的过程中,溶化好的海藻酸钠溶 液要冷却至室温,才能加入已活化的酵母细胞。 7.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。
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课时作业(十一)

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