高中生物 第1部分 专题4 课题3 酵母细胞的固定化课件 新人教版选修1

第第1部部分分专专题题4课课题题3理解教材理解教材新知新知把握热点把握热点考向考向应用创新应用创新演练演练知识点一知识点一知识点二知识点二考向一考向一考向二考向二 1.固定化酶常采用化学结合法和物理吸附法，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。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、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。外，还需要有机营养的供应。3配制海藻酸钠溶液浓度过高，则难以形成凝胶珠；若浓度配制海藻酸钠溶液浓度过高，则难以形成凝胶珠；若浓度过低，则固定的酵母细胞少，影响实验效果。过低，则固定的酵母细胞少，影响实验效果。4配制海藻酸钠溶液应小火加热或间断加热。配制海藻酸钠溶液应小火加热或间断加热。5固定化酶和固定化细胞技术既实现了对酶的重复利用，降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，又提高了产品质量。低了成本，又提高了产品质量。 自读教材自读教材夯基础夯基础 1概念概念 利用利用 方法将酶或细胞固定在一定空间内方法将酶或细胞固定在一定空间内的技术。的技术。 2方法方法 (1) ：多适于：多适于 的固定化；的固定化；物理或化学物理或化学包埋法包埋法细胞细胞物理吸附法物理吸附法酶酶 3载体载体 包埋法固定化细胞常用的是不溶于水的多孔性载体材包埋法固定化细胞常用的是不溶于水的多孔性载体材料，如明胶、琼脂糖、料，如明胶、琼脂糖、 、醋酸纤维素和聚丙烯酰、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等。胺等。 4优点优点 (1)固定化酶既能与反应物接触，又能与产物分离，可固定化酶既能与反应物接触，又能与产物分离，可以以 。 (2)固定化细胞技术制备的固定化细胞技术制备的 低，操作容易。低，操作容易。 5实例实例 用固定化用固定化 酶生产高果糖浆。酶生产高果糖浆。海藻酸钠海藻酸钠反复利用反复利用成本成本葡萄糖异构葡萄糖异构 1酶能加快化学反应速率，但溶液中的酶难以回收，酶能加快化学反应速率，但溶液中的酶难以回收，不能利用。要想既降低生产成本，又不影响产品质量，该不能利用。要想既降低生产成本，又不影响产品质量，该如何解决这一问题？如何解决这一问题？ 提示：提示：将酶固定于不溶于水的载体上，使酶既能与反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。应物接触，又能与反应物分离，还可重复利用。 2一种酶只能催化一种化学反应，而在生产实践中一种酶只能催化一种化学反应，而在生产实践中很多产物的形成都是通过一系列酶促反应才获得的。如何很多产物的形成都是通过一系列酶促反应才获得的。如何解决这一问题？解决这一问题？ 提示：提示：将合成酶的细胞直接固定。将合成酶的细胞直接固定。 3固定化酶和固定化细胞一般采用什么方法？为什么？固定化酶和固定化细胞一般采用什么方法？为什么？ 提示：提示：固定化酶常用化学结合法或物理吸附法。因酶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。结合。 跟随名师跟随名师解疑难解疑难 直接使用酶、固定化酶和固定化细胞的比较直接使用酶、固定化酶和固定化细胞的比较直接直接使用酶使用酶固定化酶固定化酶固定化细胞固定化细胞酶的种类酶的种类一种或一种或几种几种一种一种一系列酶一系列酶常用载体常用载体无无高岭土、皂土、高岭土、皂土、硅胶、凝胶硅胶、凝胶明胶、琼脂糖、海藻明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素、酸钠、醋酸纤维素、聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺制作方法制作方法无无化学结合固定化学结合固定化、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营养物质营养物质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细胞固定化细胞催化反应催化反应单一或多种单一或多种单一单一一系列一系列反应底物反应底物各种物质各种物质(大分子、大分子、小分子小分子)各种物质各种物质(大分大分子、小分子子、小分子)小分子物质小分子物质优点优点催化效率高，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复使用重复使用成本低，操作成本低，操作更容易更容易缺点缺点对环境条件非对环境条件非常敏感，易失活；常敏感，易失活；难回收，成本难回收，成本高，影响产品质高，影响产品质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应应反应物不易与反应物不易与酶接近，尤其酶接近，尤其是大分子物质，是大分子物质，反应效率下降反应效率下降 特别提醒特别提醒 固定化细胞使用的都是活细胞，在反应时需要适宜固定化细胞使用的都是活细胞，在反应时需要适宜的生存条件。的生存条件。 由于被固定的细胞保证了完整性，酶的环境改变较由于被固定的细胞保证了完整性，酶的环境改变较小，所以对酶活性影响不大。小，所以对酶活性影响不大。 自读教材自读教材夯基础夯基础1制备固定化酵母细胞制备固定化酵母细胞蒸馏水蒸馏水正常生活正常生活小火小火间断加热间断加热已活化已活化CaCl2溶液溶液 2用固定化酵母细胞发酵用固定化酵母细胞发酵 (1)操作步骤：将用蒸馏水冲洗过的固定好的酵母细胞操作步骤：将用蒸馏水冲洗过的固定好的酵母细胞( ) 用于发酵的用于发酵的 溶液中。溶液中。葡萄糖葡萄糖凝胶珠凝胶珠气泡气泡酒精味酒精味 在配制海藻酸钠溶液时，小火加热并不断搅拌的目的在配制海藻酸钠溶液时，小火加热并不断搅拌的目的是什么？是什么？ 提示：提示：防止海藻酸钠焦糊。防止海藻酸钠焦糊。 跟随名师跟随名师解疑难解疑难 1制备固定化酵母细胞的注意事项制备固定化酵母细胞的注意事项 (1)在缺水状态下，微生物处于休眠状态。活化就是让在缺水状态下，微生物处于休眠状态。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。酵母细处于休眠状态的微生物重新恢复正常的生活状态。酵母细胞需要的活化时间较短，一般为胞需要的活化时间较短，一般为0.51 h，但实验时需要，但实验时需要提前做好准备。提前做好准备。 (2)酵母细胞活化时体积会变大，因此活化前应该选择酵母细胞活化时体积会变大，因此活化前应该选择体积足够大的容器，以避免酵母细胞的活化液溢出。体积足够大的容器，以避免酵母细胞的活化液溢出。 (3)加热使海藻酸钠溶化是操作中最重要的一环，关加热使海藻酸钠溶化是操作中最重要的一环，关系到实验的成败，一定要按照教材的提示进行操作。加热系到实验的成败，一定要按照教材的提示进行操作。加热时要用小火，或者间断加热，反复几次，直到海藻酸钠溶时要用小火，或者间断加热，反复几次，直到海藻酸钠溶化为止。化为止。 (4)海藻酸钠的浓度关系到固定化细胞的质量。如果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，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目少，影响实验效果。形成的凝胶珠所包埋的酵母细胞的数目少，影响实验效果。 (5)溶化好的海藻酸钠溶液必须冷却至室温，否则会因溶化好的海藻酸钠溶液必须冷却至室温，否则会因温度过高而导致酵母菌死亡。温度过高而导致酵母菌死亡。 (6)可利用海藻酸钠制成不含酵母菌的凝胶珠，用作对可利用海藻酸钠制成不含酵母菌的凝胶珠，用作对照。照。 (7)海藻酸钠胶体在海藻酸钠胶体在CaCl2这种电解质的作用下，发生这种电解质的作用下，发生聚沉，形成凝胶珠，需稳定聚沉，形成凝胶珠，需稳定30 min左右。左右。 2实验结果分析与评价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。作失败，需要再做尝试。 (2)利用固定的酵母细胞发酵产生酒精利用固定的酵母细胞发酵产生酒精C6H12O6 2C2H5OH(酒精酒精)2CO2能量能量，可以看到产生了很多气，可以看到产生了很多气泡，同时会闻到酒味，而不含酵母菌的凝胶珠所做的对照泡，同时会闻到酒味，而不含酵母菌的凝胶珠所做的对照实验则无此现象。实验则无此现象。 例例1 (2009江苏高考江苏高考)下列关于固定化酶和固定化细胞的下列关于固定化酶和固定化细胞的叙述，正确的是叙述，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固定化细胞技术在多步连续催化反应方面优势明显 B在固定化酶的应用中，要控制好在固定化酶的应用中，要控制好pH、温度和溶解氧、温度和溶解氧 C利用固定化酶降解水体中有机磷农药，需提供适宜的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反应底物 解析解析固定化酶不像普通酶那样对环境要求那么高，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，糖类不仅是反应底物，同时也作为碳酵母细胞进行发酵，糖类不仅是反应底物，同时也作为碳源来提供能量和营养。源来提供能量和营养。 答案答案A (1)固定化酶是指限制或固定于特定空间位置的酶，固定化酶是指限制或固定于特定空间位置的酶，具体来说，是指经物理或化学方法处理，使酶变成不易具体来说，是指经物理或化学方法处理，使酶变成不易随水流失即运动受到限制，而又能发挥催化作用的酶制随水流失即运动受到限制，而又能发挥催化作用的酶制剂，不会比一般酶制剂的生物活性更强。剂，不会比一般酶制剂的生物活性更强。 (2)固定化细胞仍能进行正常的生长、繁殖和代谢，固定化细胞仍能进行正常的生长、繁殖和代谢，可以像游离的细胞一样用于发酵生产。可以像游离的细胞一样用于发酵生产。 例例2 根据下面制备固定化酵母细胞实验的流程回答问根据下面制备固定化酵母细胞实验的流程回答问题：题： 酵母细胞活化酵母细胞活化配制配制CaCl2溶液溶液配制海藻酸钠溶液配制海藻酸钠溶液海藻酸钠溶液与酵母细胞混合海藻酸钠溶液与酵母细胞混合固定化酵母细胞固定化酵母细胞 (1)在在_状态下，微生物处于休眠状态。活化就是状态下，微生物处于休眠状态。活化就是让处于休眠状态的微生物恢复让处于休眠状态的微生物恢复_状态。活化前应选择状态。活化前应选择足够大的容器，因为酵母细胞活化时足够大的容器，因为酵母细胞活化时_。 (2)影响实验成败的关键步骤是影响实验成败的关键步骤是_。 (3)如果海藻酸钠浓度过低，形成的凝胶珠所包埋的酵母如果海藻酸钠浓度过低，形成的凝胶珠所包埋的酵母细胞数目细胞数目_。 (4)观察形成的凝胶珠的颜色和形状：如果颜色过浅，说观察形成的凝胶珠的颜色和形状：如果颜色过浅，说明明_；如果形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形，说；如果形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形，说明明_。 (5)制备固定化酶不宜用包埋法，为什么？制备固定化酶不宜用包埋法，为什么？ 解析解析(1)酵母菌在干燥时，处于休眠状态，需加水酵母菌在干燥时，处于休眠状态，需加水活化，否则制成的固定化酵母菌在发酵时酶活性较低且酵活化，否则制成的固定化酵母菌在发酵时酶活性较低且酵母菌增殖缓慢。母菌增殖缓慢。(2)该实验的关键是海藻酸钠溶液的配制。该实验的关键是海藻酸钠溶液的配制。(3)如果海藻酸钠的浓度过低，形成的凝胶珠所包埋的酵母如果海藻酸钠的浓度过低，形成的凝胶珠所包埋的酵母菌细胞的数目减少，影响实验效果。菌细胞的数目减少，影响实验效果。(4)如果制作的凝胶珠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，固定的酵颜色过浅、呈白色，说明海藻酸钠的浓度偏低，固定的酵母菌数目较少；如果形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形，则母菌数目较少；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。说明海藻酸钠的浓度偏高，制作失败，需要再做尝试。(5)由于酵母菌细胞个体较大，不易从包埋材料中漏出，故细由于酵母菌细胞个体较大，不易从包埋材料中漏出，故细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)缺水正常的生活体积增大缺水正常的生活体积增大(2)配制海配制海藻酸钠溶液藻酸钠溶液(3)减少减少(4)固定的酵母细胞数目较少海固定的酵母细胞数目较少海藻酸钠浓度偏高，制作失败藻酸钠浓度偏高，制作失败(5)因为酶分子很小，容易从因为酶分子很小，容易从包埋材料中漏出。包埋材料中漏出。 (1)选用的干酵母要具有较强的活性，而且物种要单一。选用的干酵母要具有较强的活性，而且物种要单一。 (2)溶解溶解CaCl2时勿用自来水，以免杂质离子影响实验结时勿用自来水，以免杂质离子影响实验结果。果。 (3)固定化酵母细胞时，应将海藻酸钠与酵母细胞的混合固定化酵母细胞时，应将海藻酸钠与酵母细胞的混合液用注射器缓慢滴加到液用注射器缓慢滴加到CaCl2溶液中，而不是注射，以免影响溶液中，而不是注射，以免影响凝胶珠的形成。凝胶珠的形成。