1、课题3 酵母细胞的固定化学 习 目 标知 识 体 系1.说出固定化酶和固定化细胞的作用和原理。2.列举固定化技术的常用方法。3.简述固定化细胞的制备过程。4.尝试制备固定化酵母细胞，并利用固定化酵母细胞进行酒精发酵。(重点、难点)01 探新知 自主梳理02 破重难 讲练互动03 固双基 当堂达标04 课后 巩固提升一、固定化酶的应用实例生产高果糖浆1生产高果糖浆的原理葡萄糖 果糖。葡萄糖异构酶2传统生产方法的优缺点(1)优点：好，能持续发挥作用。(2)缺点酶通常对强酸、强碱、高温和有机溶剂等条件非常，容易。溶液中的酶很难回收，不能，提高了生产成本。反应后会混在中，可能影响产品质量。稳定性敏感失
2、活被再次利用产物3使用固定化酶的生产原理(1)制备固定化酶：将葡萄糖异构酶固定在颗粒状的上。(2)制备固定化酶反应柱：将这些酶颗粒装入中，柱子底端装上分布着许多小孔的筛板。(3)酶与反应液分离的原理：无法通过筛板上的小孔，而可以自由出入。载体反应柱酶颗粒反应溶液4生产操作(1)将葡萄糖溶液从反应柱的注入。(2)使葡萄糖溶液流过反应柱，与接触。(3)转化成的果糖从反应柱的流出。上端固定化葡萄糖异构酶下端二、固定化酶和固定化细胞技术1概念：利用或方法将酶或细胞固定在一定空间内的技术。2常用方法物理化学序号固定方法固定对象图例法固定化法固定化法固定化包埋细胞化学结合酶物理吸附酶3.优点(1)固定化酶
3、既能与接触，又能与分离，可反复使用。(2)固定化细胞制备成本，操作。反应物产物低容易三、实验操作1制备固定化酵母细胞(1)固定方法：。(2)常用载体：一些不溶于水的载体，如、琼脂糖、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等。包埋法多孔性明胶海藻酸钠(3)实验操作酵母细胞的配制溶液配制溶液海藻酸钠溶液与混合固定化酵母细胞活化CaCl2海藻酸钠酵母细胞2用固定化酵母细胞发酵将固定好的酵母细胞(凝胶珠)用冲洗 23 次将 150 mL 质量分数为 10%的溶液转移到锥形瓶中加入固定好的酵母细胞(凝胶珠)置于 25 下发酵 24 h发现有产生，同时有酒味散发蒸馏水葡萄糖气泡预习小测1想一想固定化酶为什么不适合采用包埋
4、法？提示：因为酶分子较小。2判一判(1)固定化细胞相当于固定了一系列酶()(2)生产高果糖浆时所固定的葡萄糖异构酶可以无休止重复使用下去()(3)配制海藻酸钠溶液时，加热要间断加热或用小火加热()(4)用固定化细胞进行酒精发酵时，不受温度的影响()(5)固定化酶反应柱可重复使用，极大地降低了生产成本()探究主体 1 固定化酶和固定化细胞技术问题情境 如图为利用固定化酶生产高果糖浆的反应柱示意图，请据图回答：(1)请在横线上填出各标号的名称。_；_；_。(2)的作用是_。(3)制作固定化葡萄糖异构酶所用的方式有_和_。(4)一般常采用_法固定细胞。常用的载体有_、_、_、_和_等。提示：(1)反
5、应柱 固定化酶 分布着小孔的筛板(2)使酶颗粒无法通过，而反应溶液却可以自由出入(3)化学结合法 物理吸附法(4)包埋 明胶 琼脂糖 海藻酸钠 醋酸纤维素 聚丙烯酰胺 直接使用酶、固定化酶和固定化细胞的比较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制作方法化学结合法物理吸附法包埋法是否需要营养物质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)小分子比较项目直接使用酶固定化酶固定化细胞优点催化效率高、低耗能、低污染等被固定的酶可重复使用成本低，操作更容易，可以催化一系列化学反应缺点酶不能回收利用，增加了生产成本酶混在产物中影
6、响产品质量一种酶只能催化一种化学反应固定后的细胞与反应物不容易接近，尤其是大分子物质，可能导致反应效率下降等易错警示有关固定化细胞与固定化酶的两点提醒(1)固定化细胞使用的都是活细胞，应该为其提供一定的营养物质，而固定化酶不需要。(2)由于固定化细胞固定的是完整的细胞，因而酶的环境较稳定，所以对酶的活性影响较小，更能抵抗外界环境的变化。1下列关于固定化酶技术的说法，正确的是()A固定化酶技术就是固定反应物，将酶依附着载体围绕反应物旋转的技术B固定化酶的优势在于能催化一系列的酶促反应C固定化酶中的酶无法重复利用D固定化酶技术是将酶固定在一定空间内的技术解析：固定化酶技术是利用物理或化学方法将酶固
7、定在一定空间内的技术，而不是固定反应物，A错误，D正确；固定化酶技术一般固定的是一种酶，只能催化一种或一类化学反应，但固定的酶可以重复利用，B、C错误。答案：D2固定化单宁酶应用于茶饮料加工，可消除其中的苦涩味。下列有关叙述正确的是()A溶解氧交换受阻是固定化单宁酶应用的重要限制因素B化学结合法比吸附法对单宁酶活性影响更小C温度、pH和重金属离子都可能影响固定化单宁酶活性D酶的高效性决定固定化单宁酶不会降解茶饮料中的有益成分解析：固定化酶发挥作用时不需要溶解氧和营养等条件。A项错误；吸附法固定单宁酶不会影响其活性，而化学结合法会影响酶的结构，肯定会影响其活性，B项错误；温度、pH过高或过低都会
8、影响酶的活性，重金属离子会破坏蛋白质分子的空间结构从而影响单宁酶的活性，C项正确；酶的高效性指的是酶能显著降低化学反应所需的活化能，加快反应速率，与单宁酶是否会降解茶饮料中的有益成分无关，D项错误。答案：C方法技巧选择固定化酶与固定化细胞的方法(1)根据固定方法选择固定化酶技术：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。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。(2)根据反应液中加入物质选择在固定化酶应用过程中，反应溶液中只需要加入酶的底物。固定化细胞在应用过程中，要保持细胞的正常
9、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。(3)根据反应的特点选择固定化酶可以催化的反应物是小分子或大分子。固定化细胞则只能催化小分子反应物。(1)什么叫作酵母细胞的活化？提示：酵母细胞在缺水的状态下休眠。活化是加入水使酵母细胞恢复到生活状态。(2)固定酵母细胞的过程中三次使用到蒸馏水，请说出是哪三个环节？提示：酵母细胞的活化、配制CaCl2溶液以及配制海藻酸钠溶液定容时需要使用蒸馏水。探究主体 2 制备固定化酵母细胞并发酵问题情境 下面是制备固定化酵母细胞的实验步骤，请回答下列问题：酵母细胞的活化配制 CaCl2 溶液配制海藻酸钠溶液海藻酸钠溶液
10、与酵母细胞混合固定化酵母细胞(3)海藻酸钠溶化过程中的注意事项是什么？提示：要用小火或间断加热，避免海藻酸钠发生焦糊。(4)制备好的固定化酵母细胞可以用于酒精发酵，如果酵母细胞没有活化或溶化好的海藻酸钠溶液没有冷却就加入了酵母细胞，则对酒精发酵会产生怎样的影响？提示：如果酵母细胞没有活化，则仍处于休眠状态；如果溶化好的海藻酸钠溶液没有冷却就加入了酵母细胞，则酵母细胞会被高温杀死。以上两种情况都会导致酒精发酵失败，而最终无酒精产生。1制备固定化酵母细胞步骤操作注意事项向小烧杯中加入 1 g 干酵母、10 mL 蒸馏水 选用较大的烧杯，避免活化液溢出容器称取 0.83 g 无水 CaCl2，放入2
11、00 mL烧杯中，加入 150 mL 蒸馏水称取 0.7 g 海藻酸钠，加入 10 mL 水，溶化后，用蒸馏水定容至 10 mL小火或间断加热，防止海藻酸钠焦糊溶化好的海藻酸钠冷却至室温后，加入已活化的酵母细胞，并搅拌，移至注射器中溶化好的海藻酸钠若未冷却，会杀死酵母细胞酵母细胞的活化配制 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将注射器中的混合液缓慢地滴加到 CaCl2 溶液中缓慢匀速地推进注射器2.凝胶珠质量的鉴别(1)挤压法：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，表明凝胶珠制作成功。(2)摔打法：在实验桌上用力摔打凝
12、胶珠，如果凝胶珠很容易弹起，表明制备的凝胶珠是成功的。(3)根据凝胶珠的颜色鉴别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，需要再作尝试。3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23次。(2)发酵：150 mL质量分数为10%的葡萄糖溶液200 mL锥形瓶加入固定化酵母细胞25 发酵24 h。易错警示制备固定化酵母细胞的三点提醒(1)选用的干酵母要具有较强的活性，而且不能含有其他杂菌。(2)溶化好的海藻酸钠溶液必须冷却至室温，否则会因温度过高杀死酵母菌。
13、(3)海藻酸钠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少。1下列关于固定化酵母细胞的制备步骤的说法中，不恰当的是()A应使干酵母与水混合并搅拌，以利于酵母细胞活化B配制海藻酸钠溶液时要用小火间断加热的方法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注入CaCl2溶液中，会观察到CaCl2溶液中有球形或椭球形的凝胶珠形成解析：在制备固定化酵母细胞的过程中，刚溶化好的海藻酸钠溶液温度较高，需等其冷却至室温后才能加入已活化的酵母细胞，否则细胞会在高温下死亡。答案：C2下列
14、有关用海藻酸钠作为载体固定酵母细胞实验的叙述，错误的是()A溶化海藻酸钠应采用酒精灯小火或间断加热B海藻酸钠的浓度过低，形成的凝胶珠内包埋的细胞过少C在酵母细胞的活化或配制CaCl2溶液时，可使用自来水D利用固定化酵母细胞进行发酵，糖类的作用不只是作为反应底物解析：溶化海藻酸钠时，将其调成糊状，用酒精灯小火或间断加热，促进溶化，若加热太快，海藻酸钠会发生焦糊，A正确；如果海藻酸钠浓度过低，形成的凝胶珠颜色过浅，所包埋的酵母细胞数目较少，B正确；在酵母细胞的活化或配制CaCl2溶液时，为避免杂菌污染，应使用蒸馏水，C错误；利用固定化酵母细胞进行发酵，糖类的作用不只是反应底物，同时也为酵母细胞提供
15、碳源和能量，D正确。答案：C夯实生命观念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若配制的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。4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，降低了成本，又提高了产品质量。注重语言表达1固定化酶适于采用化学结合和物理吸附法，固定化细胞适于采用包埋法，原因是什么？提示：细胞个大，而酶分子很小；个大的细胞难于被吸附或结合，而个小的酶容易从包埋材料中漏出。2发酵过程中锥形瓶为什么要
16、密封？锥形瓶中的气泡和酒精是怎样形成的？提示：酵母菌的酒精发酵需要无氧条件；无氧条件下，酵母菌进行无氧呼吸产生二氧化碳和酒精。1下列关于固定化技术的说法，正确的是()A物理吸附法的优点是操作简单，吸附牢固B包埋法的优点是操作复杂，条件温和，对细胞无毒性C物理吸附法容易对酶活性产生影响D包埋法常用的载体有琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素、明胶和聚丙烯酰胺等解析：固定化技术的主要方法有化学结合法、物理吸附法和包埋法。它们各有利弊，物理吸附法的主要优点是酶活性不受影响，但吸附过程相当复杂，这一过程与酶的性质、载体的性质以及两者之间的相互作用等有关，且吸附力较弱，吸附不牢固，酶容易脱落。包埋法操作简便，条
17、件温和，对细胞无毒性，适合于细胞的固定化，包埋法常用的载体有琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素、明胶和聚丙烯酰胺等。答案：D2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在固定化酶的应用中，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物解析：固定化酶的使用要控制好pH、温度，但与溶解氧无关。固定化酶的使用不需要适宜的营养条件。葡萄糖在固定化酵母细胞发酵中不仅作为反应物，还可以为酵母细胞提供营养物质和能量。答案：A3酶制剂、固定化酶、固定化细胞已经广泛应用于各
18、个领域，下列叙述正确的是()A用于治疗消化不良症的肠溶多酶片含有多种消化酶，但嚼服后会失去疗效B固定化酵母细胞的常用方法是物理吸附法，这种方法对酵母细胞活性影响最小C凝胶与包埋细胞之间通过共价键相连D利用固定化酵母细胞发酵，发酵液浓度越高越好解析：消化酶的本质是蛋白质，能被消化道中的水解酶水解，A正确；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，固定化细胞常用包埋法，B错误；包埋法固定细胞是将细胞均匀地包埋于载体中，凝胶与被包埋的细胞之间不形成共价键，C错误；发酵液浓度过高，会导致酵母细胞因失水过多而死亡，D错误。答案：A4下列关于酵母细胞固定化实验的叙述，正确的
19、是()A用温水使海藻酸钠迅速溶解，待其冷却到室温后用于包埋细胞B进行包埋时，用于悬浮细胞的CaCl2溶液浓度要适宜C注射器(或滴管)出口应尽量贴近液面以保证凝胶珠成为球状D包埋酵母细胞的凝胶珠为淡黄色半透明状，并具有一定的弹性解析：在酵母细胞固定化实验中，应该用小火、间断加热的方式使海藻酸钠缓慢溶解，A错误；将混合液用注射器缓慢滴加到CaCl2溶液进行固定化酵母细胞，CaCl2的作用是使海藻酸钠形成凝胶珠，B错误；注射器(或滴管)出口应与液面保持适当的距离，以保证凝胶珠成为球状，C错误；包埋酵母细胞的凝胶珠为淡黄色半透明状，并具有一定的弹性，D正确。答案：D5某实验小组进行固定化酵母细胞的制备
20、，并进行了游离酵母细胞和固定化酵母细胞发酵产酒酒精度的比较，结果如下表所示。产酒酒精度的比较(单位：度)时间(d)游离酵母细胞固定化酵母细胞00021.02.542.14.263.25.083.95.4104.36.0124.66.4(1)制备固定化酵母细胞的实验步骤：酵母细胞的活化_配制海藻酸钠溶液_固定化酵母细胞。(2)影响实验成败的关键步骤是_。(3)海藻酸钠起_的作用。(4)该小组将制备好的固定化酵母细胞与游离酵母细胞分别放在一定的相同条件下发酵，定时记录发酵液中酒精度的变化。实验过程中的“在一定的相同条件下发酵”中的条件是_，要求条件相同是为了确保_。由表格可知，固定化酵母细胞和游离
21、酵母细胞发酵都能产生酒精，但固定化酵母细胞在发酵前期的延迟期的时间比游离酵母细胞发酵前期的延迟期的时间要_。解析：(1)制备固定化酵母细胞的实验步骤：酵母细胞的活化配制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。(2)该实验的关键是海藻酸钠溶液的配制。(3)海藻酸钠起载体作用，用于包埋酵母细胞。(4)酵母菌酒精发酵过程是细胞内酶的催化过程，需要在适宜的温度、pH下进行。两组实验的条件相同，能够确保无关变量相同，遵循单一变量原则。从表中数据可以看出，在12 d的发酵时间里，固定化酵母细胞发酵产酒精的酒精度从0度到6.4，游离酵母细胞发酵产酒精的酒精度从0度到4.6度。而且固定化酵母细胞在第4 d即达到4.2度，表明其延迟期短。答案：(1)配制CaCl2溶液 海藻酸钠溶液与酵母细胞混合(2)海藻酸钠溶液的配制(3)载体(4)适宜的温度和pH 无关变量相同 短04 课后 巩固提升