高中生物 第1部分 專題4 課題3 酵母細胞的固定化課件 新人教版選修1

第第1部部分分專專題題4課課題題3理解教材理解教材新知新知把握熱點把握熱點考向考向應(yīng)用創(chuàng)新應(yīng)用創(chuàng)新演練演練知識點一知識點一知識點二知識點二考向一考向一考向二考向二 1.固定化酶常采用化學結(jié)合法和物理吸附法，固定化酶常采用化學結(jié)合法和物理吸附法， 而固定化細胞則常采用包埋法。而固定化細胞則常采用包埋法。 2固定化細胞發(fā)揮作用除了需要適宜的溫度、固定化細胞發(fā)揮作用除了需要適宜的溫度、 pH外，還需要有機營養(yǎng)的供應(yīng)。外，還需要有機營養(yǎng)的供應(yīng)。3配制海藻酸鈉溶液濃度過高，則難以形成凝膠珠；若濃度配制海藻酸鈉溶液濃度過高，則難以形成凝膠珠；若濃度過低，則固定的酵母細胞少，影響實驗效果。過低，則固定的酵母細胞少，影響實驗效果。4配制海藻酸鈉溶液應(yīng)小火加熱或間斷加熱。配制海藻酸鈉溶液應(yīng)小火加熱或間斷加熱。5固定化酶和固定化細胞技術(shù)既實現(xiàn)了對酶的重復(fù)利用，降固定化酶和固定化細胞技術(shù)既實現(xiàn)了對酶的重復(fù)利用，降低了成本，又提高了產(chǎn)品質(zhì)量。低了成本，又提高了產(chǎn)品質(zhì)量。 自讀教材自讀教材夯基礎(chǔ)夯基礎(chǔ) 1概念概念 利用利用 方法將酶或細胞固定在一定空間內(nèi)方法將酶或細胞固定在一定空間內(nèi)的技術(shù)。的技術(shù)。 2方法方法 (1) ：多適于：多適于 的固定化；的固定化；物理或化學物理或化學包埋法包埋法細胞細胞物理吸附法物理吸附法酶酶 3載體載體 包埋法固定化細胞常用的是不溶于水的多孔性載體材包埋法固定化細胞常用的是不溶于水的多孔性載體材料，如明膠、瓊脂糖、料，如明膠、瓊脂糖、 、醋酸纖維素和聚丙烯酰、醋酸纖維素和聚丙烯酰胺等。胺等。 4優(yōu)點優(yōu)點 (1)固定化酶既能與反應(yīng)物接觸，又能與產(chǎn)物分離，可固定化酶既能與反應(yīng)物接觸，又能與產(chǎn)物分離，可以以 。 (2)固定化細胞技術(shù)制備的固定化細胞技術(shù)制備的 低，操作容易。低，操作容易。 5實例實例 用固定化用固定化 酶生產(chǎn)高果糖漿。酶生產(chǎn)高果糖漿。海藻酸鈉海藻酸鈉反復(fù)利用反復(fù)利用成本成本葡萄糖異構(gòu)葡萄糖異構(gòu) 1酶能加快化學反應(yīng)速率，但溶液中的酶難以回收，酶能加快化學反應(yīng)速率，但溶液中的酶難以回收，不能利用。要想既降低生產(chǎn)成本，又不影響產(chǎn)品質(zhì)量，該不能利用。要想既降低生產(chǎn)成本，又不影響產(chǎn)品質(zhì)量，該如何解決這一問題？如何解決這一問題？ 提示：提示：將酶固定于不溶于水的載體上，使酶既能與反將酶固定于不溶于水的載體上，使酶既能與反應(yīng)物接觸，又能與反應(yīng)物分離，還可重復(fù)利用。應(yīng)物接觸，又能與反應(yīng)物分離，還可重復(fù)利用。 2一種酶只能催化一種化學反應(yīng)，而在生產(chǎn)實踐中一種酶只能催化一種化學反應(yīng)，而在生產(chǎn)實踐中很多產(chǎn)物的形成都是通過一系列酶促反應(yīng)才獲得的。如何很多產(chǎn)物的形成都是通過一系列酶促反應(yīng)才獲得的。如何解決這一問題？解決這一問題？ 提示：提示：將合成酶的細胞直接固定。將合成酶的細胞直接固定。 3固定化酶和固定化細胞一般采用什么方法？為什么？固定化酶和固定化細胞一般采用什么方法？為什么？ 提示：提示：固定化酶常用化學結(jié)合法或物理吸附法。因酶固定化酶常用化學結(jié)合法或物理吸附法。因酶分子小，易從包埋材料中漏出，故一般不用包埋法進行固分子小，易從包埋材料中漏出，故一般不用包埋法進行固定。固定化細胞常用包埋法，因個大的細胞難以被吸附或定。固定化細胞常用包埋法，因個大的細胞難以被吸附或結(jié)合。結(jié)合。 跟隨名師跟隨名師解疑難解疑難 直接使用酶、固定化酶和固定化細胞的比較直接使用酶、固定化酶和固定化細胞的比較直接直接使用酶使用酶固定化酶固定化酶固定化細胞固定化細胞酶的種類酶的種類一種或一種或幾種幾種一種一種一系列酶一系列酶常用載體常用載體無無高嶺土、皂土、高嶺土、皂土、硅膠、凝膠硅膠、凝膠明膠、瓊脂糖、海藻明膠、瓊脂糖、海藻酸鈉、醋酸纖維素、酸鈉、醋酸纖維素、聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺制作方法制作方法無無化學結(jié)合固定化學結(jié)合固定化、物理吸附化、物理吸附固定化固定化包埋法固定化包埋法固定化是否需要是否需要營養(yǎng)物質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì)否否否否是是直接使用酶直接使用酶固定化酶固定化酶固定化細胞固定化細胞催化反應(yīng)催化反應(yīng)單一或多種單一或多種單一單一一系列一系列反應(yīng)底物反應(yīng)底物各種物質(zhì)各種物質(zhì)(大分子、大分子、小分子小分子)各種物質(zhì)各種物質(zhì)(大分大分子、小分子子、小分子)小分子物質(zhì)小分子物質(zhì)優(yōu)點優(yōu)點催化效率高，低催化效率高，低耗能、低污染等耗能、低污染等被固定的酶可被固定的酶可重復(fù)使用重復(fù)使用成本低，操作成本低，操作更容易更容易缺點缺點對環(huán)境條件非對環(huán)境條件非常敏感，易失活；常敏感，易失活；難回收，成本難回收，成本高，影響產(chǎn)品質(zhì)高，影響產(chǎn)品質(zhì)量量不利于催化一不利于催化一系列的酶促反系列的酶促反應(yīng)應(yīng)反應(yīng)物不易與反應(yīng)物不易與酶接近，尤其酶接近，尤其是大分子物質(zhì)，是大分子物質(zhì)，反應(yīng)效率下降反應(yīng)效率下降 特別提醒特別提醒 固定化細胞使用的都是活細胞，在反應(yīng)時需要適宜固定化細胞使用的都是活細胞，在反應(yīng)時需要適宜的生存條件。的生存條件。 由于被固定的細胞保證了完整性，酶的環(huán)境改變較由于被固定的細胞保證了完整性，酶的環(huán)境改變較小，所以對酶活性影響不大。小，所以對酶活性影響不大。 自讀教材自讀教材夯基礎(chǔ)夯基礎(chǔ)1制備固定化酵母細胞制備固定化酵母細胞蒸餾水蒸餾水正常生活正常生活小火小火間斷加熱間斷加熱已活化已活化CaCl2溶液溶液 2用固定化酵母細胞發(fā)酵用固定化酵母細胞發(fā)酵 (1)操作步驟：將用蒸餾水沖洗過的固定好的酵母細胞操作步驟：將用蒸餾水沖洗過的固定好的酵母細胞( ) 用于發(fā)酵的用于發(fā)酵的 溶液中。溶液中。葡萄糖葡萄糖凝膠珠凝膠珠氣泡氣泡酒精味酒精味 在配制海藻酸鈉溶液時，小火加熱并不斷攪拌的目的在配制海藻酸鈉溶液時，小火加熱并不斷攪拌的目的是什么？是什么？ 提示：提示：防止海藻酸鈉焦糊。防止海藻酸鈉焦糊。 跟隨名師跟隨名師解疑難解疑難 1制備固定化酵母細胞的注意事項制備固定化酵母細胞的注意事項 (1)在缺水狀態(tài)下，微生物處于休眠狀態(tài)?；罨褪亲屧谌彼疇顟B(tài)下，微生物處于休眠狀態(tài)。活化就是讓處于休眠狀態(tài)的微生物重新恢復(fù)正常的生活狀態(tài)。酵母細處于休眠狀態(tài)的微生物重新恢復(fù)正常的生活狀態(tài)。酵母細胞需要的活化時間較短，一般為胞需要的活化時間較短，一般為0.51 h，但實驗時需要，但實驗時需要提前做好準備。提前做好準備。 (2)酵母細胞活化時體積會變大，因此活化前應(yīng)該選擇酵母細胞活化時體積會變大，因此活化前應(yīng)該選擇體積足夠大的容器，以避免酵母細胞的活化液溢出。體積足夠大的容器，以避免酵母細胞的活化液溢出。 (3)加熱使海藻酸鈉溶化是操作中最重要的一環(huán)，關(guān)加熱使海藻酸鈉溶化是操作中最重要的一環(huán)，關(guān)系到實驗的成敗，一定要按照教材的提示進行操作。加熱系到實驗的成敗，一定要按照教材的提示進行操作。加熱時要用小火，或者間斷加熱，反復(fù)幾次，直到海藻酸鈉溶時要用小火，或者間斷加熱，反復(fù)幾次，直到海藻酸鈉溶化為止?；癁橹?。 (4)海藻酸鈉的濃度關(guān)系到固定化細胞的質(zhì)量。如果海藻酸鈉的濃度關(guān)系到固定化細胞的質(zhì)量。如果海藻酸鈉濃度過高，將很難形成凝膠珠；如果濃度過低，海藻酸鈉濃度過高，將很難形成凝膠珠；如果濃度過低，形成的凝膠珠所包埋的酵母細胞的數(shù)目少，影響實驗效果。形成的凝膠珠所包埋的酵母細胞的數(shù)目少，影響實驗效果。 (5)溶化好的海藻酸鈉溶液必須冷卻至室溫，否則會因溶化好的海藻酸鈉溶液必須冷卻至室溫，否則會因溫度過高而導(dǎo)致酵母菌死亡。溫度過高而導(dǎo)致酵母菌死亡。 (6)可利用海藻酸鈉制成不含酵母菌的凝膠珠，用作對可利用海藻酸鈉制成不含酵母菌的凝膠珠，用作對照。照。 (7)海藻酸鈉膠體在海藻酸鈉膠體在CaCl2這種電解質(zhì)的作用下，發(fā)生這種電解質(zhì)的作用下，發(fā)生聚沉，形成凝膠珠，需穩(wěn)定聚沉，形成凝膠珠，需穩(wěn)定30 min左右。左右。 2實驗結(jié)果分析與評價實驗結(jié)果分析與評價 (1)如果制作的凝膠珠顏色過淺、呈白色，說明海藻酸如果制作的凝膠珠顏色過淺、呈白色，說明海藻酸鈉的濃度偏低，固定的酵母細胞數(shù)目較少；如果形成的凝鈉的濃度偏低，固定的酵母細胞數(shù)目較少；如果形成的凝膠珠不是圓形或橢圓形，則說明海藻酸鈉的濃度偏高，制膠珠不是圓形或橢圓形，則說明海藻酸鈉的濃度偏高，制作失敗，需要再做嘗試。作失敗，需要再做嘗試。 (2)利用固定的酵母細胞發(fā)酵產(chǎn)生酒精利用固定的酵母細胞發(fā)酵產(chǎn)生酒精C6H12O6 2C2H5OH(酒精酒精)2CO2能量能量，可以看到產(chǎn)生了很多氣，可以看到產(chǎn)生了很多氣泡，同時會聞到酒味，而不含酵母菌的凝膠珠所做的對照泡，同時會聞到酒味，而不含酵母菌的凝膠珠所做的對照實驗則無此現(xiàn)象。實驗則無此現(xiàn)象。 例例1 (2009江蘇高考江蘇高考)下列關(guān)于固定化酶和固定化細胞的下列關(guān)于固定化酶和固定化細胞的敘述，正確的是敘述，正確的是 () A固定化細胞技術(shù)在多步連續(xù)催化反應(yīng)方面優(yōu)勢明顯固定化細胞技術(shù)在多步連續(xù)催化反應(yīng)方面優(yōu)勢明顯 B在固定化酶的應(yīng)用中，要控制好在固定化酶的應(yīng)用中，要控制好pH、溫度和溶解氧、溫度和溶解氧 C利用固定化酶降解水體中有機磷農(nóng)藥，需提供適宜的利用固定化酶降解水體中有機磷農(nóng)藥，需提供適宜的營養(yǎng)條件營養(yǎng)條件 D利用固定化酵母細胞進行發(fā)酵，糖類的作用只是作為利用固定化酵母細胞進行發(fā)酵，糖類的作用只是作為反應(yīng)底物反應(yīng)底物 解析解析固定化酶不像普通酶那樣對環(huán)境要求那么高，固定化酶不像普通酶那樣對環(huán)境要求那么高，耐受性也比較好，和溶解氧沒什么關(guān)系；利用固定化酶降耐受性也比較好，和溶解氧沒什么關(guān)系；利用固定化酶降解水體中有機磷農(nóng)藥，不需要提供營養(yǎng)條件；利用固定化解水體中有機磷農(nóng)藥，不需要提供營養(yǎng)條件；利用固定化酵母細胞進行發(fā)酵，糖類不僅是反應(yīng)底物，同時也作為碳酵母細胞進行發(fā)酵，糖類不僅是反應(yīng)底物，同時也作為碳源來提供能量和營養(yǎng)。源來提供能量和營養(yǎng)。 答案答案A (1)固定化酶是指限制或固定于特定空間位置的酶，固定化酶是指限制或固定于特定空間位置的酶，具體來說，是指經(jīng)物理或化學方法處理，使酶變成不易具體來說，是指經(jīng)物理或化學方法處理，使酶變成不易隨水流失即運動受到限制，而又能發(fā)揮催化作用的酶制隨水流失即運動受到限制，而又能發(fā)揮催化作用的酶制劑，不會比一般酶制劑的生物活性更強。劑，不會比一般酶制劑的生物活性更強。 (2)固定化細胞仍能進行正常的生長、繁殖和代謝，固定化細胞仍能進行正常的生長、繁殖和代謝，可以像游離的細胞一樣用于發(fā)酵生產(chǎn)?？梢韵裼坞x的細胞一樣用于發(fā)酵生產(chǎn)。 例例2 根據(jù)下面制備固定化酵母細胞實驗的流程回答問根據(jù)下面制備固定化酵母細胞實驗的流程回答問題：題： 酵母細胞活化酵母細胞活化配制配制CaCl2溶液溶液配制海藻酸鈉溶液配制海藻酸鈉溶液海藻酸鈉溶液與酵母細胞混合海藻酸鈉溶液與酵母細胞混合固定化酵母細胞固定化酵母細胞 (1)在在_狀態(tài)下，微生物處于休眠狀態(tài)?；罨褪菭顟B(tài)下，微生物處于休眠狀態(tài)。活化就是讓處于休眠狀態(tài)的微生物恢復(fù)讓處于休眠狀態(tài)的微生物恢復(fù)_狀態(tài)?；罨皯?yīng)選擇狀態(tài)?；罨皯?yīng)選擇足夠大的容器，因為酵母細胞活化時足夠大的容器，因為酵母細胞活化時_。 (2)影響實驗成敗的關(guān)鍵步驟是影響實驗成敗的關(guān)鍵步驟是_。 (3)如果海藻酸鈉濃度過低，形成的凝膠珠所包埋的酵母如果海藻酸鈉濃度過低，形成的凝膠珠所包埋的酵母細胞數(shù)目細胞數(shù)目_。 (4)觀察形成的凝膠珠的顏色和形狀：如果顏色過淺，說觀察形成的凝膠珠的顏色和形狀：如果顏色過淺，說明明_；如果形成的凝膠珠不是圓形或橢圓形，說；如果形成的凝膠珠不是圓形或橢圓形，說明明_。 (5)制備固定化酶不宜用包埋法，為什么？制備固定化酶不宜用包埋法，為什么？ 解析解析(1)酵母菌在干燥時，處于休眠狀態(tài)，需加水酵母菌在干燥時，處于休眠狀態(tài)，需加水活化，否則制成的固定化酵母菌在發(fā)酵時酶活性較低且酵活化，否則制成的固定化酵母菌在發(fā)酵時酶活性較低且酵母菌增殖緩慢。母菌增殖緩慢。(2)該實驗的關(guān)鍵是海藻酸鈉溶液的配制。該實驗的關(guān)鍵是海藻酸鈉溶液的配制。(3)如果海藻酸鈉的濃度過低，形成的凝膠珠所包埋的酵母如果海藻酸鈉的濃度過低，形成的凝膠珠所包埋的酵母菌細胞的數(shù)目減少，影響實驗效果。菌細胞的數(shù)目減少，影響實驗效果。(4)如果制作的凝膠珠如果制作的凝膠珠顏色過淺、呈白色，說明海藻酸鈉的濃度偏低，固定的酵顏色過淺、呈白色，說明海藻酸鈉的濃度偏低，固定的酵母菌數(shù)目較少；如果形成的凝膠珠不是圓形或橢圓形，則母菌數(shù)目較少；如果形成的凝膠珠不是圓形或橢圓形，則說明海藻酸鈉的濃度偏高，制作失敗，需要再做嘗試。說明海藻酸鈉的濃度偏高，制作失敗，需要再做嘗試。(5)由于酵母菌細胞個體較大，不易從包埋材料中漏出，故細由于酵母菌細胞個體較大，不易從包埋材料中漏出，故細胞的固定化一般采用包埋法。胞的固定化一般采用包埋法。 答案答案(1)缺水正常的生活體積增大缺水正常的生活體積增大(2)配制海配制海藻酸鈉溶液藻酸鈉溶液(3)減少減少(4)固定的酵母細胞數(shù)目較少海固定的酵母細胞數(shù)目較少海藻酸鈉濃度偏高，制作失敗藻酸鈉濃度偏高，制作失敗(5)因為酶分子很小，容易從因為酶分子很小，容易從包埋材料中漏出。包埋材料中漏出。 (1)選用的干酵母要具有較強的活性，而且物種要單一。選用的干酵母要具有較強的活性，而且物種要單一。 (2)溶解溶解CaCl2時勿用自來水，以免雜質(zhì)離子影響實驗結(jié)時勿用自來水，以免雜質(zhì)離子影響實驗結(jié)果。果。 (3)固定化酵母細胞時，應(yīng)將海藻酸鈉與酵母細胞的混合固定化酵母細胞時，應(yīng)將海藻酸鈉與酵母細胞的混合液用注射器緩慢滴加到液用注射器緩慢滴加到CaCl2溶液中，而不是注射，以免影響溶液中，而不是注射，以免影響凝膠珠的形成。凝膠珠的形成。