32 制备和应用固定化酶教案苏教版选修1.docx
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32制备和应用固定化酶教案苏教版选修1
3.2制备和应用固定化酶教案（苏教版选修1）
●课标要求
1．结合酶固定化技术的相关介绍理解固定化酶的概念、特点及制备固定化酶的方法。
2．结合固定化细胞技术的相关介绍理解其方法、优点、缺点。
●课标解读
1．掌握制备固定化酶的常用方法。
2．掌握酵母菌细胞的固定化技术。
●教学地位
本节内容涉及固定化酶和固定化细胞的相关知识，特点是制备技术及相关的优缺点，是高考中的常考点。
●教法指导
1．可利用实例分析固定化酶和固定化细胞技术。
2．可利用多媒体方法展示、酵母菌细胞固定化技术的操作流程。
●新课导入建议
可利用固定化酶技术生产高果糖浆的实例引入本课。
●教学流程设计
学生课前预习：
阅读教材P58－62，填写【课前自主导学】，完成“思考交流1、2”。
⇒步骤1：
情景导课：
以【新课导入建议】引出本节课题。
⇒步骤2：
根据创设的情景，引出基因工程的概念，并通过【课堂互动探究】探究1分析、理解固定酶技术。
通过例1巩固、提高。
⇒步骤3：
结合固定化酶技术的缺点过渡至酵母菌细胞的固定化技术的教学。
⇓
步骤7：
通过【当堂双基达标】进行当堂检测验收。
⇐步骤6：
引导学生通过合作，整理本节重点、难点内容，利用【本课知识小结】进行总结，建立知识网络。
理解并记忆【结论语句】。
⇐步骤5：
回扣基础知识，将检查、批阅【课前自主导学】时学生出错较多的部分进行强化，重点对【正误判断】部分进行辨析。
⇐步骤4：
通过【课堂互动探究】探究2帮助学生认识酵母菌细胞固定化技术的操作流程。
利用例2验收、巩固。
课 标 解 读
重 点 难 点
1.掌握制备固定化酶的常用方法。
2.掌握酵母菌细胞的固定化技术。
1.制备固定化酶的常用方法。
（重点）
2.酵母菌细胞的固定化技术。
（重难点）
固定化酶技术
1.固定化酶
固定化酶是指用物理学或化学的方法将酶与固相载体结合在一起形成的仍具有酶活性的酶复合物。
在催化反应中，它以固相状态作用于底物，反应完成后，容易与水溶性反应物和产物分离，可被反复使用。
2．制备固定化酶的方法
（1）吸附法的显著特点是工艺简便且条件温和，在生产实践中应用广泛。
（2）交联法是利用多功能试剂进行酶与载体之间的交联，在酶和多功能试剂之间形成共价键，从而得到三维的交联网架结构。
（3）包埋法是将酶包埋在能固化的载体中。
1．对固定酶的作用影响最小的固定方法是哪一种？
【提示】 吸附法。
固定化细胞技术
1.最广泛的细胞固定化方法
凝胶包埋法是应用最广泛的细胞固定化方法，适用于各种微生物、动物和植物细胞的固定化。
所使用的载体主要有琼脂、海藻酸钠凝胶、角叉菜胶、明胶等。
2．优点
（1）无须进行酶的分离和纯化，减少了酶的活力损失，降低了生产成本。
（2）不仅可以作为单一的酶发挥作用，且可以利用细胞中所含的复合酶完成一系列的催化反应。
（3）对于活细胞来说，保持了酶的原始状态，酶的稳定性更高。
3．缺点
（1）固定化细胞只能用于生产细胞外酶和其他能够分泌到细胞外的产物。
（2）由于载体的影响，使营养物质和产物的扩散受到一定的限制。
（3）在好氧性发酵中，溶解氧的传递和输送成为关键性的限制因素。
2．固定化细胞为什么只能用于生产胞外酶和其他能分泌到细胞外的产物？
【提示】 因为固定化细胞固定的是活细胞，细胞膜具有选择透过性，细胞内有用的物质（如胞内酶）是不能自由进出细胞的。
1．酶在催化时会发生变化，不可反复利用。
（×）
【提示】 在催化反应前后性质不变，可反复利用。
2．固定化酶技术所用的固定载体一般为液相的。
（×）
【提示】 固定载体一般为固相的。
3．固定化植物细胞可以生产各种色素、香精、药物、酶等。
（√）
4．活化酵母菌细胞的方法是高温加热后冷却至45℃。
（×）
【提示】 加入蒸馏水用玻璃棒搅拌，活化1h。
固定化酶技术
【问题导思】
①酶的固定方法有哪些？
优点分别是什么？
②固定化酶只能催化一种或一类生化反应吗？
1．制备固定化酶的常用方法可用下图所示：
2．常用的制备固定化酶的方法
固定化酶方法
原理
固定载体
优点
吸附法
离子键作用、物理吸附
纤维素、琼脂糖等多糖类或多孔玻璃、离子交换树脂等载体
交联法
酶和多功能试剂之间形成共价键
利用多功能试剂进行酶与载体之间的交联，从而得到三维的交联网架结构
工艺简便且条件温和，在生产上应用广泛，而且稳定性能好
包埋法
将酶包埋能固化的载体中
酶包裹在聚丙烯酰胺凝胶等高分子凝胶中，或包裹在硝酸纤维素等半透性高分子膜中，前者包埋成格子型，后者包埋成微胶囊型
固定化酶可循环反复使用，在生产中，可通过离心法或过滤法把酶与反应液相互分开，在大规模的生产中所需工艺设备比较简单易行，而且稳定性能好。
（2013·平顶山高二期末）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．固定化酶是将酶固定在一定空间的技术
【审题导析】
（1）回顾固定化酶技术的概念。
（2）比较直接使用酶和固定化酶的异同点
【精讲精析】
选项
分析判断
A
固定化酶技术固定的是酶而不是反应物
B
只能催化单一的化学反应
C
可重复利用
D
是将酶固定在一定空间的技术
【答案】 D
1．关于固定化酶和一般酶制剂在应用效果上的说法，错误的是（ ）
A．固定化酶生物活性可长久使用
B．一般酶制剂应用后和产物混在一起，产物的纯度不高
C．一般酶制剂参加反应后不能重复利用
D．固定化酶可以反复利用，降低生产成本，提高产量和质量
【解析】 固定化酶是将酶固定在不溶于水的载体上，使酶既能与底物接触，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，降低成本，产物中也不含酶，提高了产品的纯度。
固定化酶虽可以多次利用，但不可长久使用。
【答案】 A
酵母菌细胞的固定化技术
【问题导思】
①为什么要等海藻酸钠溶液冷却后才能加入酵母细胞？
②制备过程为什么需要无菌操作？
凝胶珠检测有哪些指标？
1．操作流程
准备各种实验药品和器具
↓
制备麦芽汁
↓
活化酵母菌细胞
↓
制备固定化细胞
↓
浸泡凝胶珠，用蒸馏水洗涤
↓
发酵麦芽汁
2．注意事项
（1）选用的干酵母要具有较强的活性，而且物种单一。
（2）酵母菌细胞活化时体积会变大，因此活化前应选择体积足够大的容器，防止酵母菌细胞的活化液溢出。
（3）将溶化后的海藻酸钠先冷却至室温，再与酵母菌细胞混合，避免高温杀死酵母菌。
（4）固定化酵母菌细胞时，应将海藻酸钠与酵母菌细胞的混合液用注射器缓慢滴加到饱和硼酸氯化钙溶液中，而不是注射，以免影响凝胶珠的形成。
1．凝胶珠的检测。
刚形成的凝胶珠应在饱和硼酸氯化钙溶液中浸泡一段时间，以便形成稳定的结构。
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，且没有液体流出，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．观察凝胶珠的颜色和形状。
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，固定的酵母菌细胞数目较少；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，需要重新尝试。
某一实验小组的同学，欲通过制备固定化酵母细胞进行葡萄糖溶液发酵实验，实验材料及用具齐全。
（1）酵母细胞的固定常用的方法是。
（2）该实验小组的同学制备固定化酵母细胞的过程为：
①使干酵母与蒸馏水混合并搅拌，使酵母细胞活化。
②称取4g聚乙烯醇和0.2g海藻酸钠，并加入无菌水40mL。
③用酒精灯大火连续加热配制海藻酸钠溶液。
④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。
⑤将与酵母细胞混匀的海藻酸钠溶液滴加到饱和硼酸氯化钙溶液中，观察凝胶珠的形成。
请你改正其中错误的操作：
。
（3）该实验小组用如图所示的装置来进行葡萄糖发酵。
①图中a为；b是反应柱。
②从上端漏斗中加入反应液的浓度不能过高的原因是：
。
③为使该实验中所用到的固定化酵母细胞可以反复使用，实验过程一定要在条件下进行。
④加入反应液后的操作是关闭活塞1和活塞2。
⑤装置的长导管主要起到什么作用？
。
【审题导析】
（1）回顾制备固定化酵母细胞的方法。
（2）回顾固定化酵母细胞的制备步骤。
【精讲精析】
（1）制备固定化酵母细胞的方法通常用包埋法。
（2）海藻酸钠溶解应用小火或间断加热，以免海藻酸钠焦糊；为了防止刚溶化好的海藻酸钠溶液杀死酵母细胞，应冷却至45℃后再加入活化的酵母细胞。
（3）通过图可知，a为固定化酵母细胞，c为分布着小孔的筛板；浓度过高，酵母细胞会因失水过多最终导致死亡；实验过程应保证无菌操作，以免受其他微生物的影响；因为进行的是发酵，所以酵母菌进行的是无氧呼吸，长导管的主要作用就是防止氧气进入并且把无氧呼吸产生的CO2释放出去。
【答案】
（1）包埋法
（2）③中海藻酸钠溶解应用小火或间断加热；④中海藻酸钠溶液冷却至45℃再加入酵母细胞
（3）①固定化酵母细胞
②浓度过高，酵母细胞会因失水过多而死亡
③无菌
⑤释放CO2，防止空气进入反应柱
2．常用的包埋法固定化细胞，需用到不溶于水的多孔性载体，下列不能当做载体的是（ ）
A．琼脂 B．蔗糖
C．海藻酸钠凝胶D．明胶
【解析】 可用做固定载体的物质必须具备的条件是：
不溶于水的多孔性物质，在所给四个选项中，只有B选项的蔗糖不符合条件，它属于可溶性物质。
【答案】 B
本课知识小结
网络构建
结论语句
1．固定化酶是指用物理学或化学的方法将酶与固相载体结合在一起形成的仍具酶活性的酶复合物。
2．制备固定化酶的方法主要有吸附法、交联法、包埋法等。
3．固定化细胞是通过各种方法将细胞与一定的载体结合，使细胞仍保持原有的生物活性。
4．固定化细胞技术能充分利用细胞内的酶，能催化多步的连续反应。
1．（2013·连云港高二测试）关于固定化酶中的酶，说法正确的是（ ）
A．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的酶促反应，因此A项错误；固定化酶被固定在不溶于水的载体上，可以重复利用，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，但固定化酶仍有高效性和专一性的特点，即C、D项错误，只有B项正确。
【答案】 B
2．试分析下图中，哪一种与用海藻酸钠作载体制备的固定化酵母细胞相似（ ）
【解析】 A、B选项适合于酶的固定化，C选项既用于酶固定，也可用于细胞固定。
制备固定化酵母细胞用的是包埋法，即将酵母菌包埋在海藻酸钠制成的凝胶珠中，所以与D选项最相似。
【答案】 D
3．（2012·南京高二测试）下列在制备固定化酵母细胞的操作中，正确的是（ ）
A．制备好海藻酸钠后，需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过程应用注射器
C．以恒定的速度把混合液注射到CaSO4溶液内
D．凝胶珠在CaCl2溶液中应浸泡10min左右
【解析】 海藻酸钠应先冷却至45℃，否则会把酵母细胞杀死。
凝胶珠应在CaCl2溶液中浸泡30min左右。
【答案】 B
4．下列说法中不正确的是（ ）
A．固定化酶和固定化细胞在应用上的主要区别是后者需要一定的营养
B．固定化酶技术一次只能固定一种酶
C．固定化酶和固定化细胞的共同点之一是酶都是在细胞外起作用
D．固定化酶和固定化细胞都能反复使用
【解析】 固定化酶是在细胞外起作用，而固定化细胞产生的酶还可以在细胞内起作用。
【答案】 C
5．下列叙述正确的是（ ）
A．一种固定化酶能催化一系列的化学反应
B．固定化细胞能产生一系列酶
C．固定化细胞产生的酶，其活性更容易受影响
D．固定化酶更适合大分子反应物
【解析】 固定化酶一般只能催化一种化学反应；而固定化细胞则能产生一系列酶，故能催化一系列化学反应；固定化细胞和固定化酶在作用上的原理是相同的，且固定化细胞能不断地产生酶和催化所需要的辅助因子，效果更好。
固定化酶不能从固定的材料中漏出，因此用于固定的材料所设计的孔不能大，若催化的反应物过大，酶和反应物不能接触，故达不到催化的目的。
【答案】 B
6．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，其中适合细胞固定的方法是（ ）
A．包埋法 B．物理吸附法
C．化学结合法D．高温冷却法
【解析】 固定化酶常用物理吸附法和化学结合法，因为酶分子较小；而固定化细胞常用包埋法，因为细胞较大，难以被吸附或结合。
【答案】 A
7．下列说法不正确的是（ ）
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．由于细胞个大，而酶分子很小，因此细胞多采用物理吸附法固定
D．反应物是大分子物质应采用固定化酶
【解析】 在酶和细胞的固定化技术中通常有包埋法、化学结合法和物理吸附法，其中由于酶分子小，又多带有电荷，易从多孔性物质中漏出，因此多使用化学结合法与物理吸附法，而细胞个体大，难以被多孔性物质吸附或结合，因而应用包埋法。
【答案】 C
8．许多病原菌对青霉素产生了抗药性，科学家用青霉素酰化酶研制出了氨苄青霉素。
利用固定化青霉素酰化酶反应器除严格控制温度和pH外，还必须严格要求的条件是（ ）
A．高压B．无菌
C．搅拌D．光照
【解析】 固定化青霉素酰化酶反应器，同一般的化工容器一样，对温度和pH等条件进行严格控制，但不需要光照、高压、搅拌等条件，为防止杂菌感染，酶反应器必须无菌。
【答案】 B
9．下列说法中，哪项不是在应用酶的过程中，常遇见的一些实际问题（ ）
A．酶在强酸、强碱、高温等条件下易失活
B．酶在生物化学反应中往往难以回收
C．酶与反应物混合，产品难以提纯
D．酶作为催化剂，绝大多数酶是蛋白质
【解析】 酶的作用条件比较温和，易受温度、酸碱度的影响；酶在生物化学反应中与反应物、产物混合在一起，很难回收，影响产品质量。
这些都是酶应用过程中常遇见的一些问题。
【答案】 D
10．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。
如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），分析回答：
甲 乙 丙
（1）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。
（2）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，酶活力低的原因是
。
（3）固定化酶的活力随使用次数的增多而下降，由丙图可知，固定化酯酶一般可重复使用次，之后酶活力明显下降。
（4）固定小麦酯酶采用双重固定法，这是因为。
【解析】 通过分析图甲可知，固定化酶与游离酶相比，对温度变化的适应性更强且应用范围较广。
乙图曲线表明浓度为3%的海藻酸钠包埋效果最好，此时的酶活力最高，当海藻酸钠浓度较低时包埋不紧密，酶分子容易漏出，数量不足，因此酶活力较低。
由于小麦酶分子很小，很容易从包埋材料中漏出，因此固定小麦酯酶不采用海藻酸钠直接包埋，而是采用双重固定法。
【答案】
（1）固定化酶比游离酶对温度变化的适应性更强且应用范围较广
（2）3% 海藻酸钠浓度较低时包埋不紧密，酶分子容易漏出，数量不足 （3）3 （4）酶分子很小，容易从包埋材料中漏出
11．在上个世纪50年代，酶已经大规模地应用于各个生产领域，到了70年代又发明了固定化酶与固定化细胞技术。
（1）在实际生产中，固定化酶技术的优点是。
与固定化酶技术相比，固定化细胞固定的是。
（2）制备固定化酵母细胞，常用的包埋材料是，使用了下图中方法[ ]（填出号码及名称）。
（3）制作固定化酵母菌细胞时，充分混合均匀的酵母细胞胶液可在饱和溶液中形成凝胶珠。
部分同学实验制得的凝胶珠不是圆形或椭圆形，其主要原因是。
【解析】
（1）固定化酶使酶与反应物易接触，与产物易分离，并且能反复利用，降低了生产成本。
固定化酶固定的是纯净的酶，否则酶会失活。
固定化细胞能固定一系列酶。
（2）制备固定化酵母细胞，由于细胞比酶分子体积大，难以被吸附或结合，多采用包埋法，常用的载体是海藻酸钠。
（3）酵母细胞胶液能在饱和的CaCl2溶液中形成凝胶珠。
若海藻酸钠浓度过高或针筒距离液面过近，得到的凝胶珠可能不是圆形。
【答案】
（1）酶既能与反应物接触，又容易与产物分离，固定在载体上的酶能反复利用 多酶系统（一系列酶、多种酶）
（2）海藻酸钠 ③ 包埋法
（3）CaCl2 海藻酸钠浓度过高（或针筒口离液面距离过近，高度不够）
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