学年同步备课套餐之生物人教版选修1讲义专题4 酶的研究与应用 第12课时 Word版含答案Word格式文档下载.docx

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（2）固定化细胞多采用哪种方法？

该方法的原理与优点是什么？

答案　包埋法。

包埋法的原理是：

将微生物细胞包埋在不溶于水的多孔性载体中。

与固定化酶技术相比较，该方法成本更低，操作更容易。

2.固定化酶和固定化细胞的特点分析

（1）一种酶只能催化一种或一类化学反应，而在实际生产中很多产物的形成都需要通过一系列的酶促反应才能进行，怎样解决这一问题？

答案　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。

（2）固定化细胞与固定化酶所固定的酶种类有何区别？

答案　固定化细胞中含有多种酶，能催化一系列生化反应，而固定化酶中只含有一种酶，只能催化一种生化反应。

（3）如果反应物是大分子，能否采用固定化细胞技术？

为什么？

答案　不能。

因为大分子难以通过细胞膜进入细胞，不能与细胞内的酶接触而发生反应，因此不能用固定化细胞技术，应该用固定化酶技术。

（4）固定化酶和固定化细胞活性的维持需要的条件有何异同？

答案　都需要适宜的温度和pH等影响酶活性的条件，但固定化细胞还需要提供溶解氧和营养物质。

归纳总结　固定化酶和固定化细胞的两个区别

1固定方法的区别

①在实际应用中，酶更适用化学结合法和物理吸附法固定，原因是酶分子小，容易被多孔性物质吸附，更适合与化学物质结合，但容易从包埋材料中漏出。

②细胞体积大难以吸附或结合，因而多采用包埋法固定。

2催化作用的区别

固定化细胞操作更容易，对酶活性的影响更小，可以催化一系列反应，但是，由于大分子物质难以自由通过细胞膜，因此固定化细胞的应用也受到限制。

所以，催化的反应物为大分子物质时，最好选用固定化酶技术。

1.下列关于固定化酶和固定化细胞的说法，不正确的是（　　）

A.固定化酶和固定化细胞的技术方法包括包埋法、化学结合法和物理吸附法

B.固定化酶更适合采用化学结合法和物理吸附法

C.由于细胞体积大，而酶分子很小，因此细胞多采用物理吸附法固定化

D.反应物是大分子物质应采用固定化酶

答案　C

解析　由于细胞体积大，酶分子很小，体积大的细胞难以被吸附或结合，而较小的酶容易从包埋材料中漏出。

因此，细胞多采用包埋法固定化，酶更适合采用化学结合法和物理吸附法固定化。

一题多变

果汁的生产需要果胶酶，用酶固定法可以提高果胶酶的利用率（如下图）。

图中果胶酶的固定化适合采用哪种方法？

答案　酶分子较小，不适合采用包埋法固定化，可采用化学结合法和物理吸附法固定化。

2.如今，固定化酶与固定化细胞技术已经大规模地应用于各个生产领域。

（1）在实际生产中，固定化酶技术能节约成本的原因是

。

与固定化酶技术相比，固定化细胞固定的是。

（2）填写下列三种固定化酶的方法：

①是，②是，③是。

（3）制备固定化酵母细胞时，常用的包埋材料是，该载体的特点是。

答案　

（1）固定化酶能被反复利用　多酶系统（或一系列酶或多种酶）

（2）化学结合法　物理吸附法　包埋法　（3）海藻酸钠　不溶于水、多孔

解析　

（1）将酶固定化后，能使酶在催化反应之后与产物分离，可反复使用；

将细胞固定化后，即可以将一种细胞内的多种酶同时进行固定。

（2）图示①将酶相互连接起来，是化学结合法；

②将酶吸附在载体表面上，是物理吸附法；

③将酶包埋在细微网格里，是包埋法。

（3）海藻酸钠不溶于水，容易与发酵液分离，在高温时容易熔化，温度降低时又可以形成多孔性固体颗粒，是包埋酵母菌的好材料。

（1）题中图①和②方法是否适于固定化酵母细胞？

答案　不适合。

因为细胞体积大，难以被吸附或结合。

（2）题中图③方法用于固定化酶时有何缺点？

答案　酶分子很小，容易从包埋材料中漏出。

方法链接

　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。

（2）根据反应液中加入物质选择

①在固定化酶应用过程中，反应溶液中只需要加入酶的底物。

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。

（3）根据反应的特点选择

①固定化酶可以催化的反应物是小分子或大分子。

②固定化细胞则只能催化小分子反应物。

二、实验操作

1.制备固定化酵母细胞

（1）固定方法：

包埋法。

（2）常用载体：

一些不溶于水的多孔性载体，如明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等。

（3）实验操作

酵母细胞的活化

配制物质的量浓度为0.05mol/L的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.用固定化酵母细胞发酵

将固定好的酵母细胞（凝胶珠）用蒸馏水冲洗2～3次

将150mL质量分数为10%的葡萄糖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24h

观察是否有气泡产生，闻闻是否有酒味

1.实验过程分析

（1）用于固定酵母细胞的载体是什么？

载体的浓度越高固定效果越好吗？

答案　海藻酸钠。

海藻酸钠浓度过高不易形成凝胶珠；

浓度过低形成的凝胶珠内包埋的细胞过少。

（2）配制海藻酸钠时小火或间断加热并不断搅拌的目的是什么？

答案　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，用小火或间断加热并不断搅拌的目的是防止加热过程中海藻酸钠焦糊。

（3）为什么要等海藻酸钠溶液冷却后才能加入酵母细胞？

答案　固定的酵母细胞必须保持活性才能发挥作用，冷却后加入酵母细胞的原因是防止高温杀死酵母细胞。

2.实验结果分析

（1）若凝胶珠颜色过浅、呈白色，你知道是什么原因造成的吗？

答案　海藻酸钠浓度偏低，固定的酵母细胞数目较少。

（2）若凝胶珠不呈圆形或椭圆形，你知道是什么原因造成的吗？

答案　海藻酸钠浓度偏高。

（3）利用固定的酵母细胞发酵产生酒精时，当观察到哪些现象时，则可以说明实验获得成功？

答案　如果看到产生很多气泡，同时闻到酒味，则证明实验获得成功。

归纳总结　固定化酵母细胞的三个注意事项

1溶化海藻酸钠，应采用小火或间断加热，直到海藻酸钠完全溶化，以防加热过快，导致海藻酸钠焦糊。

2制备固定化酵母细胞时，加入酵母细胞的海藻酸钠溶液不能直接“注入”而应缓慢“滴入”CaCl2溶液中，使刚形成的凝胶珠在CaCl2溶液中浸泡一段时间，以便形成稳定的结构。

3要控制好海藻酸钠的浓度。

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。

3.关于固定化酵母细胞制备过程的叙述，正确的是（　　）

A.为使酵母菌活化，应让干酵母与自来水混合并搅拌

B.用小火或间断加热可防止海藻酸钠溶液焦糊

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倒入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

答案　B

解析　酵母细胞活化时，应让干酵母与蒸馏水混合并搅拌，A项错误；

配制海藻酸钠溶液时要用小火或间断加热的方法，否则海藻酸钠会发生焦糊，B项正确；

刚溶化的海藻酸钠应冷却后再与酵母细胞混合，否则温度过高会导致酵母细胞死亡，C项错误；

将与酵母细胞混匀的海藻酸钠溶液匀速滴入CaCl2溶液中，D项错误。

4.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→海藻酸钠溶液与酵母细胞混合→固定化酵母细胞

（1）在状态下，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状态。

活化前应选择足够大的容器，因为酵母细胞活化时。

（2）固定化细胞技术一般采用包埋法，而固定化酶常用和。

（3）影响实验成败的关键步骤是。

（4）海藻酸钠溶化过程中的注意事项是

（5）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。

如果形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形，说明。

（6）该实验中CaCl2溶液的作用是

答案　

（1）缺水　正常的生活　体积增大

（2）化学结合法　物理吸附法

（3）配制海藻酸钠溶液

（4）要用小火或间断加热，避免海藻酸钠发生焦糊

（5）过少　海藻酸钠浓度偏高，制作失败

（6）用于海藻酸钠聚沉

解析　

（1）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。

酵母细胞活化后体积会增大。

（2）固定化酶常用化学结合法和物理吸附法固定化。

（3）实验的关键是配制海藻酸钠溶液，得到凝胶珠。

（4）海藻酸钠溶化过程要小火加热（小火间断加热）并不断搅拌，使海藻酸钠完全溶化，又不会焦糊。

（5）海藻酸钠浓度过低，包埋的酵母细胞就过少；

海藻酸钠浓度过高，不易与酵母细胞混合均匀。

（6）氯化钙溶液能使海藻酸钠聚沉。

（1）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？

答案　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。

（2）本题中固定酵母细胞使用了海藻酸钠，固定化细胞还可以使用哪些固定化材料？

答案　明胶、琼脂糖、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等。

（3）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？

答案　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.下列属于固定化酶应用特点的是（　　）

①可以被反复利用　②有利于酶与产物分离　③能自由出入载体　④一种固定化酶只催化一种酶促反应　⑤酶多用包埋法固定化

A.①②③B.③⑤C.①②④D.①②⑤

解析　酶被固定后可与产物分离，故可反复使用，但不能自由出入依附的载体。

通常情况下固定化酶种类单一，所以不能催化一系列酶促反应，只催化一种或一类酶促反应。

酶分子较小，不适合采用包埋法进行固定化。

2.下列关于使用固定化酶技术生产高果糖浆的说法，正确的是（　　）

A.高果糖浆的生产需要使用果糖异构酶

B.在反应柱内的顶端装上分布着许多小孔的筛板，防止异物进入

C.将葡萄糖溶液从反应柱的上端注入，果糖从反应柱下端流出

D.固定化酶技术复杂，成本较高

解析　生产高果糖浆时所用的酶应为葡萄糖异构酶，将这种酶固定在一种颗粒状的载体上，再将这些酶颗粒装到一个反应柱内，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，而反应溶液却可以自由出入。

生产过程中，将葡萄糖溶液从反应柱的上端注入，使葡萄糖溶液流过反应柱，与固定化葡萄糖异构酶接触，转化成果糖，从反应柱的下端流出。

反应柱能连续使用半年，大大降低了生产成本。

3.下图所示的几种固定方式中属于包埋法的一组是（　　）

A.①②B.①③④C.①④D.③④

答案　D

解析　①为吸附法，②为化学结合法，③④为包埋法，③包埋于网格中，④包埋于微胶囊中。

4.在制备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这种电解质溶液的作用下，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电荷相互吸引，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。

5.如图所示，图甲为人工种子生产过程示意图，图乙为图甲中③过程的相关操作。

请据图回答问题：

（1）图甲中，过程①、②分别称为、。

（2）图乙中，包埋形成人工种子的过程中，先适当加热使海藻酸钠溶化，然后将溶化的海藻酸钠溶液，再加入充分搅拌混合均匀。

（3）若用图乙的方法“制备固定化酵母细胞”，海藻酸钠溶液的浓度对实验结果影响较大，若浓度过高，则，通常评价该实验结果主要是观察凝胶珠的。

答案　

（1）脱分化　再分化

（2）冷却至室温　胚状体

（3）不易形成凝胶珠　颜色和形状

解析　题图是利用植物组织培养技术生产人工种子及用海藻酸钠包埋人工种子的过程。

过程①、②分别称为脱分化、再分化；

海藻酸钠溶液的配制是固定化酵母细胞的关键，如果海藻酸钠溶液浓度过高，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量较少，都会影响实验效果。

课时作业

[学考达标]

1.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

答案　A

解析　A项中，固定化细胞技术由于保留了细胞内原有的多酶系统，多步连续催化反应的优势非常明显；

B项中，酶的催化受温度、pH的影响，不受氧浓度的影响；

C项中，酶的降解作用不需各种营养条件；

D项中，糖类的作用不只是作为反应底物，还能维持酵母细胞的渗透压，防止酵母细胞过多地吸水或失水。

2.细胞固定化技术与酶固定化技术相比，所具备的特点是（　　）

A.成本更低、操作更容易、不能连续性生产

B.成本更高、操作更难、不能连续性生产

C.成本更低、操作更容易、能连续性生产

D.成本更低、操作更难、能连续性生产

解析　固定化细胞技术操作更容易，对酶活性影响更小，且能更新，容易回收，可连续性生产，成本自然更低。

3.制备好的凝胶珠是否符合要求，常用的检验方法有（　　）

①挤压法　②摔打法　③观察法　④培养法

A.①②③B.②③④C.①③④D.①②④

解析　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。

此外，还可以通过观察凝胶珠的颜色和形状来判断。

4.下面是制备固定化酵母细胞的步骤，正确的是（　　）

①配制CaCl2溶液　②海藻酸钠溶化　③海藻酸钠溶液与酵母细胞混合　④酵母细胞的活化　⑤固定化酵母细胞

A.①②③④⑤B.④①③②⑤

C.④⑤②①③D.④①②③⑤

解析　制备固定化酵母细胞的基本步骤是：

酵母细胞的活化→配制物质的量浓度为0.05mol/L的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。

5.下列关于制备固定化酵母细胞的操作，正确的是（　　）

A.制备好海藻酸钠溶液后，要立即将其与酵母细胞混合以防凝固

B.制备固定化酵母细胞的过程中需用到注射器

C.以恒定的速度把混合液注射到CaSO4溶液中

D.凝胶珠在CaCl2溶液中应浸泡10min左右

解析　应将海藻酸钠溶液冷却至室温，再加入已活化的酵母细胞，否则会把酵母细胞杀死，A错误；

应以恒定的速度把混合液滴加到CaCl2溶液中，而不是CaSO4溶液中，C错误；

凝胶珠在CaCl2溶液中应浸泡30min左右，D错误。

6.下列关于配制海藻酸钠溶液的叙述中，不正确的是（　　）

A.加热使海藻酸钠溶化是操作中最重要的一环

B.海藻酸钠溶液的浓度关系到固定化细胞的质量

C.海藻酸钠溶液的浓度过高时，易形成凝胶珠

D.海藻酸钠溶液的浓度过低时，形成的凝胶珠内包埋的酵母细胞过少

解析　海藻酸钠溶液的浓度关系到固定化细胞的质量。

如果海藻酸钠溶液浓度过高，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过少，影响实验效果。

[高考提能]

7.固定化酵母细胞在发酵生产中得到了广泛应用，下列有关叙述正确的是（　　）

A.利用固定化酵母细胞发酵，发酵液浓度不宜过高

B.制备固定化酵母细胞时，形成的凝胶珠越大越好，越硬越好

C.固定化的酵母细胞不能繁殖，性状较为稳定

D.酵母细胞固定化是为了提高发酵速度

解析　若发酵液浓度过高，会导致酵母细胞失水过多而死亡。

8.关于固定化酶的说法中，正确的是（　　）

A.固定化酶的种类多样，可催化一系列的酶促反应

B.酶被固定在不溶于水的载体上，可反复利用

C.酶作为催化剂，反应前后结构不改变，所以固定化酶可永远利用下去

D.固定化酶由于被固定在载体上，所以丧失了酶的高效性和专一性特点

解析　固定化酶不能催化一系列酶促反应的进行；

固定化酶被固定在不溶于水的载体上，可以反复利用，但是随着利用次数的增加，受到外界因素的影响，其活性会逐渐降低；

固定化酶具有高效性和专一性的特点。

9.如图表示某同学进行的澄清苹果汁生产实验，下列相关叙述正确的是（　　）

A.实验中所用的固定化果胶酶由海藻酸钠直接包埋获得

B.为防止杂菌污染，图示装置制作完毕后应瞬间高温灭菌

C.通过控制阀调节苹果汁流出的速率，保证反应充分进行

D.固定化果胶酶不可重复使用，每次生产前应重新填装反应柱

10.如图甲表示制备固定化酵母细胞的有关操作，图乙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（　　）

A.刚溶化的海藻酸钠应迅速与活化的酵母菌混合制备混合液

B.图甲中X溶液为CaCl2溶液，其作用是使海藻酸钠形成凝胶珠

C.图乙发酵过程中搅拌的目的是使培养液与酵母菌充分接触

D.图甲中制备的凝胶珠用蒸馏水洗涤后再转移到图乙装置中

解析　在该实验中，应将溶化好的海藻酸钠溶液冷却至室温，再加入已活化的酵母细胞，否则高温会导致酵母细胞死亡；

实验中CaCl2溶液的作用是使海藻酸钠形成凝胶珠；

固定好的酵母细胞（凝胶珠）用蒸馏水冲洗2～3次，再将其转移至10%的葡萄糖溶液中，并用搅拌器搅拌，目的是使培养液与固定化酵母细胞充分接触，有利于发酵的正常进行。

11.根据下列材料，回答下列问题：

材料　科学家发现，几乎所有的酶都可以在各种不同的微生物中找到，而微生物有繁殖快、产量高等优点，所以微生物成了酶制剂的主要原料。

从20世纪70年代开始，人们找到了一种方法可以设计连续操作的生物反应系统，即固定化酶。

科学家将酶或生产酶的细菌以一定的方法固定在某种载体上，这样生产原料从载体的一头流入，产品就从载体的另一头流出，而酶可以重复使用。

酶工程具有简便易行、见效迅速、耗能低、废物少等优点。

（1）以上材料体现了科学技术的发展是不断提出问题和解决问题的动态过程，介绍了从到，再到的发展过程。

（2）请列举利用固定化酶技术的应用实例。

（3）固定化酶在生产实践中的优点有

（4）固定化酶和固定化细胞通常采用的方法有、、。

答案　

（1）酶　固定化酶　固定化细胞

（2）利用固定化葡萄糖异构酶技术生产高果糖浆（答案合理即可）

（3）可反复使用；

既能与反应物接触，又能与产物分离

（4）包埋法　化学结合法　物理吸附法

12.如图为固定化酵母细胞及其应用的相关图解，请据图回答下列问题：

（1）某生物小组利用海藻酸钠制备固定化酵母细胞，应使用图甲中方法[　　]（填号码及名称），而制备固定化酶则不宜用此方法，原因是。

（2）部分同学制得的凝胶珠如图乙所示，其原因可能是、等。

观察形成的凝胶珠的颜色和形状，如果颜色过浅，说明；

如果形成的凝胶珠不是，说明实验操作失败。

（3）某同学用图丙所示的装置来进行葡萄糖发酵。

a代表，b代表。

从上端漏斗中加入反应液的浓度不能过高的原因是

为使该实验中所用到的固定化酵母细胞可以反复利用，实验过程一定要在条件下进行。

装置中的长导管起的作用是

答案　

（1）③　包埋法　酶分子很小，容易从包埋材料中漏出　

（2）海藻酸钠溶液的浓度过高　注射器推进速度过快（或针筒口离CaCl2液面过近）　海藻酸钠溶液的浓度过低，固定化酵母细胞数目较少　圆形或椭圆形　

（3）固定化酵母细胞　反应柱　若葡萄糖溶液的浓度过高会使酵母细胞因失水过多而死亡　无菌　释放反应产生的CO2和防止空气中的杂菌进入反应柱

解析　固定化酶适宜用化学结合法、物理吸附法；

固定化酵母细胞适宜用包埋法。

如果形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形，则说明海藻酸钠溶液的浓度偏高或注射器推进速度过快（或针筒口离CaCl2液面过近）。

13.回答下列有关酶工程的问题：

固定化酶是从20世纪60年代迅速发展起来的一种技术。

东北农业大学科研人员利用双重固定法，即采用戊二醛作交联剂（使酶相互连接），海藻酸钠作为包埋剂来固定小麦酯酶，研究固定化酶的性质，并对其最佳固定条件进行了探究。

下图显示的是部分研究结果（注：

酶活力为固定化酶催化化学反应的总效率，包括酶活性和酶的数量）。

（1）酶的固定化技术的应用最主要的目的是。

（2）从对温度变化适应性和应用范围的角度分析，甲图所示结果可以得出的结论是

（3）乙图曲线表明浓度为的海藻酸钠包埋效果最好，当海藻酸钠浓度较低时，酶活力较低的原因可能是。

（4）固定化酯酶的活力随使用次数的增多而下降，由丙图可知，固定化酯酶一般重复使用次后酶活力明显下降。

（5）研究人员固定小麦酯酶不采用海藻酸钠直接包埋，而是同时用戊二醛作为交联剂，这是因为。

（6）根据介绍，科研人员所采用的固定化技术可用下图中的表示。

答案　

（1）解决酶的回收和再利用的困难　

（2）