1、专题4 酶的研究与应用课题4.3 酵母细胞的固定化庖丁巧解牛知识巧学 一、固定化酶的应用实例1.高果糖浆的生产葡萄糖异构酶：能催化葡萄糖转化为果糖。误区警示 并不是所有的葡萄糖经异构化后都转化成果糖。这是因为葡萄糖异构酶催化效率最高时（温度为6070 ），葡萄糖转化成果糖的比例也只有53.5%56.5%，并且要使这一催化反应达到平衡，需要很长的时间，因此生产上葡萄糖转化为果糖的比率实际上只有42%45%,其余的是葡萄糖，也就是说，这样的产品实际上是葡萄糖与果糖的混合物，叫做果葡糖浆。直接使用酶生产的优点是：稳定性好，可以持续发挥作用。不足是：葡萄糖异构酶溶解于葡萄糖溶液后，无法从糖浆中回收，造
2、成很大的浪费。2.通过使用固定化酶技术，能将酶固定在颗粒状的载体上，催化反应完毕后能回收，从而大大降低了生产成本。知识拓展 果葡糖浆简称HFCS，是一种新发展的淀粉糖品，因为糖分组成主要是果糖和葡萄糖，故称为果葡糖浆。工业上生产这种糖浆是用淀粉，经糖化生成葡萄糖，再经葡萄糖异构酶作用于葡萄糖溶液，使一部分葡萄糖发生异构化反应转变成果糖所以叫“异构”糖浆，也有的将42和55的糖浆叫做高果糖浆。果葡糖浆的甜度与蔗糖相等，适于各种食品中应用的甜味剂，与甘蔗糖和甜菜糖比较，果葡糖浆具有很多优点，果萄糖浆具有溶解度高，发酵速度快，化学稳定性和热稳定性好、渗透压大、吸潮性和保湿性强等特点。果葡糖浆生产可用
3、任何一种淀粉为原料，在任何地区几乎都有适当的原料生产淀粉，因此生产不受地区限制，淀粉来源充足，不受季节限制。本工艺采用酶法工艺，生产条件温和、设备简单、投资费用较低，并节能。二、固定化细胞技术固定化酶和固定化细胞是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，包括包埋法、化学结合法（将酶分子或细胞相互结合，或将其结合到载体上）和物理吸附法。一般来说，酶更适合采用化学结合和物理吸附法固定化，而细胞多采用包埋法固定化。辨析比较类型优点不足直接使用酶催化效率高，低耗能、低污染等。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
4、质量。固定化酶酶既能与反应物接触，又能与产物分离，同时，固定在载体上的酶还可以被反复利用。一种酶只能催化一种化学反应，而在生产实践中，很多产物的形成都通过一系列的酶促反应才能得到的。固定化细胞成本低，操作更容易。固定后的酶或细胞与反应物不容易接近，可能导致反应效果下降等。三、实验操作1.制备固定化酵母细胞（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。酵母细胞所需要的活化时间较短，一般需要0.51 h，需要提前做好准备。此外，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容器外。（2）配制
5、物质的量浓度为0.05 mol/L的CaCl2溶液。CaCl2在这里是作为凝胶化剂，其中Ca2+与海藻酸根离子螯合形成不溶于水的海藻酸钙凝胶。（3）配制海藻酸钠溶液加热使海藻酸钠溶化是操作中最重要的一环，涉及到实验的成败。海藻酸钠的浓度涉及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目少，影响实验效果。要点提示 海藻酸钠在水中溶解的速度较慢，需要通过加热促进其溶解，溶解海藻酸钠，最好用小火间断加热的方法。加热太快，海藻酸钠会发生焦煳。（4）海藻酸钠溶液与酵母细胞混合一定要冷却至室温，否则可能将活化的酵母细胞杀死。在已冷却至室温的海藻
6、酸钠溶液，加入已活化的酵母细胞，充分搅拌，混合均匀。（5）固定化酵母细胞将海藻酸钠溶液与酵母细胞的混合液转移至注射器中，以恒定速度缓慢将注射器中的溶液滴加到CaCl2溶液中，液滴会逐渐形成凝胶珠。刚形成的凝胶珠应在CaCl2溶液中浸泡一段时间，以便形成稳定的结构。方法点拨 检验凝胶珠的质量是否合格，可以使用下列方法：一是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。二是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。2.用固定化酵母细胞发酵（1）将固定好的酵母细胞（凝胶珠）用蒸馏水冲洗23次，以去除上面附着的
7、电解质。（2）将150 mL质量分数为10的葡萄糖溶液转移到200 mL的锥形瓶中，再加入固定好的酵母细胞，置于25 下发酵24 h。问题探究 问题1 如何验证实验中用海藻酸钠凝胶固定的酵母细胞（凝胶珠）能发酵产生酒精？思路:能否产生酒精可以通过重铬酸钾检测，是否是凝胶珠的作用可通过设置对照实验得出结论。探究:分别取150 mL质量分数为10的葡萄糖溶液转移到200 mL的锥形瓶中，标记为A、B，然后向其中分别加入等量含有酵母菌的凝胶珠和不含有酵母菌的凝胶珠，置于25 下发酵24 h。最后各取发酵液2 mL，先滴加3 mol/l的H2SO43滴，震荡混匀，最后滴加常温下饱和的重铬酸钾溶液3滴，
8、震荡试管，如A中呈现灰绿色，B中不呈现灰绿色，则可证明凝胶珠能发酵产生酒精。问题2 是否可以利用固定化酵母细胞制作果酒和果醋？思路:固定化细胞和细胞本身相比，在功能上没有根本的改变，只是固定化细胞能更好地脱离发酵产物和用于连续生产。探究:将酵母细胞和醋酸杆菌吸附到多孔性塑料的表面或包埋在琼脂中，制成的固定化酵母细胞和固定化醋酸菌能够用于酒类和醋的生产，并且可以达到连续生产的目的。典题热题例1下列关于固定化细胞的说法错误的是（）A.固定化细胞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.酶固定化技术是固定化细胞技术的基础C.一般来说，细胞常采用物理吸附法固定D.包埋法常用的载体有明胶、琼脂
9、糖、海藻酸钠、醋酸纤维素和酰胺等解析：一般来说，酶更适合采用化学结合和物理吸附法固定化，而细胞多采用包埋法固定化。答案：C 辨析比较 细胞个大，而酶分子很小；个大的细胞难以被吸附或结合，而个小的酶容易从包埋材料中漏出，所以酶更适合采用化学结合和物理吸附法固定化，而细胞多采用包埋法固定化。例2在制定固定化酵母细胞的实验中，CaCl2溶液的作用是（）A.用于调节溶液的pHB.用于进行离子交换C.用于胶体聚沉D.用于为酵母菌提供Ca2+解析：海藻酸钠胶体在CaCl2溶液，发生聚沉形成凝胶珠，其作用机理是由于盐离子的电荷与胶体微粒相互吸引，形成更大的胶体颗粒，类似于人体红细胞与抗凝集素之间的凝集反应。答案：C
