課題3

酵母細胞的固定化二一三一、固定化酶的應用實例——高果糖漿的生產

二一三二一三

二、固定化酶和固定化細胞

二一三二一三三、實驗操作

二一三二一三探究點問題導引制備固定化酵母細胞的關鍵是什么?剛形成的凝膠珠應該怎么處理?據(jù)教材P50~51制備固定化酵母細胞的實驗步驟,思考下列問題。(1)本實驗固定酵母細胞采用的是什么方法?海藻酸鈉起什么作用?答案:包埋法。海藻酸鈉作為載體(或包埋材料)包埋酵母細胞。探究點

(2)在用海藻酸鈉包埋酵母細胞形成凝膠珠的過程中,加熱溶解海藻酸鈉時需注意用小火或間斷加熱,然后將溶化好的海藻酸鈉溶液冷卻至室溫后,加入已活化的酵母細胞充分攪拌混合均勻。

(3)右圖為某同學利用海藻酸鈉固定化酵母細胞的實驗結果,出現(xiàn)此結果的可能原因包括①③④。①海藻酸鈉濃度過高

②酵母細胞已經死亡③注射器中的溶液推進速度過快④注射器距離CaCl2溶液液面太近探究點

(4)下圖1表示制備固定化酵母細胞的有關操作,圖2是利用固定化酵母細胞進行酒精發(fā)酵的示意圖。請回答下列問題。①圖1中X溶液為CaCl2溶液,其作用是使海藻酸鈉形成凝膠珠。②圖1中剛制備的凝膠珠應在CaCl2溶液中浸泡一段時間,然后用蒸餾水洗滌后再轉移到圖2裝置中。圖2發(fā)酵過程中攪拌的目的是使葡萄糖溶液與固定化酵母細胞充分接觸。探究點歸納提升1.制備固定化酵母細胞的注意事項(1)酵母細胞活化時體積會變大,因此活化前應該選擇體積足夠大的容器,以避免酵母細胞的活化液溢出容器外。(2)加熱海藻酸鈉使其溶化的過程中,需使用小火,或者間斷加熱,防止加熱過快,使海藻酸鈉焦糊。(3)定容和最后沖洗凝膠珠時,不用自來水,防止自來水中的離子對固定好的酵母細胞產生影響。(4)剛形成的凝膠珠應在CaCl2溶液中浸泡一段時間,以便形成穩(wěn)定的結構。探究點特別提示

(1)海藻酸鈉溶液必須冷卻至室溫,才能加入活化的酵母細胞,以免溫度過高殺死酵母菌。(2)制作符合要求的凝膠珠應選擇合適濃度的海藻酸鈉溶液;若濃度偏低,則制作的凝膠珠顏色過淺,顯白色,固定的酵母菌數(shù)目較少;若海藻酸鈉溶液濃度過高,則形成的凝膠珠不為圓形或橢圓形,制作失敗。(3)細胞的固定要在嚴格無菌條件下進行;反復使用固定化酵母細胞時,需要避免微生物的污染。探究點2.檢驗凝膠珠的質量是否合格,可以使用下列方法(1)機械法:用鑷子夾起一個凝膠珠放在實驗桌上用手擠壓,如果凝膠珠不容易破裂,沒有液體流出,就表明凝膠珠的制作成功;也可以在實驗桌上用力摔打凝膠珠,如果凝膠珠很容易彈起,也能表明制備的凝膠珠是成功的。(2)目測法:合格的凝膠珠應是淡黃色、圓形或橢圓形。類型一類型二類型一

固定化酶和固定化細胞的比較【例1】

下列有關固定化酶和固定化細胞的說法,正確的是(

)A.某種固定化酶的優(yōu)勢在于能催化一系列生化反應B.固定化細胞技術一次只能固定一種酶C.固定化酶和固定化細胞的共同點是都可以反復使用D.固定化酶和固定化細胞都能反復使用,但酶的活性迅速下降解析:酶具有專一性,一種酶固定后不能催化一系列生化反應;固定化細胞技術實際上固定的是一系列酶;固定化酶和固定化細胞都能反復使用,若條件適宜,一般不會出現(xiàn)酶的活性迅速下降的問題。答案:C類型一類型二反思總結直接使用酶、固定化酶和固定化細胞的比較

類型一類型二類型一類型二特別提示

固定化酶能充分和反應物接觸,充分發(fā)揮其催化作用,并且可以回收和反復利用。固定化酶只能催化一種或一類生化反應,固定化細胞能催化一系列生化反應。固定化細胞成本更低,操作更容易,通?？蓪我坏拿复俜磻?yōu)檫B續(xù)的酶促反應過程。類型一類型二變式訓練1下列有關固定化酶技術和固定化細胞技術的敘述,不正確的是(

)A.固定化酶和固定化細胞的技術方法包括包埋法、化學結合法和物理吸附法B.因為酶分子比較大,所以固定化酶技術更適合采用包埋法C.與固定化酶技術相比,固定化細胞制備的成本低,操作更容易D.反應物如果是大分子物質應采用固定化酶技術解析:固定化酶和固定化細胞的技術方法包括包埋法、化學結合法和物理吸附法,A項正確;因為細胞體積比較大,所以固定化細胞技術更適合采用包埋法,B項錯誤;與固定化酶技術相比,固定化細胞制備的成本低,操作更容易,C項正確;反應物如果是大分子物質,應采用固定化酶技術,D項正確。答案:B類型一類型二類型二

制備固定化酵母細胞【例2】為了探究啤酒酵母固定化的最佳條件,科研人員研究了CaCl2濃度對固定化酵母發(fā)酵性能的影響,結果如下圖。請回答下列問題。類型一類型二(1)與利用游離酵母生產啤酒相比,利用固定化酵母的優(yōu)點有

。(2)實驗結果表明,隨CaCl2濃度的增大,凝膠珠機械強度增大,完整率

。

(3)結合發(fā)酵性能分析,制備凝膠珠適宜的CaCl2濃度為

。當CaCl2濃度過高時,發(fā)酵液中的糖度升高,酒精度下降,發(fā)酵受到影響,原因是

。

(4)用海藻酸鈉作為載體包埋酵母細胞,溶化海藻酸鈉時最好采用

的方法,以防發(fā)生焦糊。溶化好的海藻酸鈉溶液應

后,再與已活化的酵母細胞充分混合。若海藻酸鈉濃度過低,會導致

,固定效果大大降低。

類型一類型二解析:(2)由題圖可知,隨著CaCl2濃度的增大,凝膠珠的完整率增大。(3)由題圖可知,當CaCl2濃度為2.0

mol/L時,發(fā)酵產生的酒精度最高;CaCl2濃度過高會使凝膠珠機械強度過大,影響凝膠珠的通透性從而影響糖進入其內部。(4)為防止發(fā)生焦糊,溶化海藻酸鈉時最好采用小火或間斷加熱的方法;為保護活化的酵母細胞的活性,溶化好的海藻酸鈉溶液必須冷卻到室溫后再與酵母細胞混合。答案:(1)可重復使用、便于產物分離、提高產品質量等(2)增加(3)2.0mol/L凝膠珠機械強度過大,通透性降低,影響糖進入其內部(4)小火或間斷加熱冷卻至室溫酵母細胞從顆粒中漏出類型一類型二變式訓練2某實驗小組的同學制備固定化酵母細胞的過程如下。①活化酵母細胞:稱取定量干酵母與定量蒸餾水混合并攪拌,使酵母細胞活化。②配制CaCl2溶液:將無水CaCl2溶解在定量蒸餾水中,配制成一定濃度的CaCl2溶液。③配制海藻酸鈉溶液:將定量的海藻酸鈉直接溶解在定量的蒸餾水中,配制成溶液。④海藻酸鈉溶液和酵母細胞混合:將活化的酵母細胞迅速加入剛配制成的海藻酸鈉溶液中,充分攪拌混合均勻。⑤固定化酵母細胞:用注射器以恒定的速度緩慢將海藻酸鈉和酵母細胞混合液滴加到配制好的CaCl2溶液中,觀察凝膠珠的形成。類型一類型二(1)請你改正其中兩處錯誤的操作。第一處:

;

第二處:

。

(2)剛形成的凝膠珠要在CaCl2溶液中浸泡30min左右,目的是

。

(3)如果制作的凝膠珠顏色過淺,呈白色,則說明海藻酸鈉溶液濃度

(填“過低”或“過高”)。

(4)研究發(fā)現(xiàn),固定化強度高的酵母顆粒發(fā)酵效果好,且穩(wěn)定性高、使用壽命長。某科研機構利用上述裝置,將質量分數(shù)為2%、2.5%、3%的已配制好的海藻酸鈉溶液分別與等量的已活化的酵母細胞混合均勻后,分別用質量分數(shù)為2%、3%、4%的X溶液進行凝膠處理,所得到的固定化酵母顆粒的強度及在28℃下發(fā)酵48h后的酒精產量見下表。類型一類型二由表中數(shù)據(jù)可以看出,隨著X溶液濃度的增加,

逐漸增加;凝膠固定化效果較好的海藻酸鈉溶液與X溶液的質量分數(shù)分別是

、

。

類型一類型二解析:(1)海藻酸鈉的溶化應用小火或間斷加熱至完全溶化。溶化后冷卻至室溫再加入酵母細胞,否則高溫會殺死酵母細胞。(2)剛形成的凝膠珠要在CaCl2溶液中浸泡30

min左右,目的是讓凝膠珠形成穩(wěn)定的結構。(3)凝膠珠顏色過淺,呈白色,說明海藻酸鈉溶液濃度過低。(4)從表中可以看出,隨X溶液濃度的增加,酵母顆粒的固定化強度增加,且固定化效果較好的海藻酸鈉溶液的質量分數(shù)是2%,X溶液的質量分數(shù)是4%。答案:(1)③海藻酸鈉的溶解應用小火或間斷加熱至完全溶化④海藻酸鈉溶液應冷卻至室溫再加入酵母細胞(2)讓凝膠珠形成穩(wěn)定的結構(3)過低(4)固定化強度2%

4%12341.下列不屬于固定化酶在利用時的特點的是(

)A.有利于酶與產物分離B.可以被反復利用C.能自由出入依附的載體D.一種固定化酶一般情況下不能催化一系列酶促反應解析:固定化酶是將酶固定在一種載體上,因此它不能自由出入依附的載體。答案:C12342.如果反應物是大分子物質,采用下列哪種方法時催化反應效率最差?(

)A.直接使用酶B.使用化學方法結合的酶C.使用固定化細胞

D.使用物理吸附法固定的酶解析:大分子物質因不能通過細胞膜而不易與細胞產生的酶接觸,從而使反應受抑制。答案:C12343.在使用包埋法固定細胞時,下列哪一項不是常用的載體?(

)A.明膠

B.瓊脂糖C.海藻酸鈉

D.纖維素解析:包埋法固定細胞常用的載體有明膠、瓊脂糖、海藻酸鈉、醋酸纖維素和聚丙烯酰胺等。答案:D12344.在20世紀50年代,酶已經大規(guī)模地應用于各個生產領域,到了70年代又出現(xiàn)了固定化酶與固定化細胞的技術。(1)在實際生產中,固定化酶技術的優(yōu)點是

。與固定化酶技術相比,固定化細胞固定的是

。

(2)制備固定化酵母細胞,最常用的載體是

,使用了下圖中的[

]

(填出標號與名稱)。

(3)制作固定化酵母細胞時,配制好的海藻酸鈉溶液與活化的酵母細胞混合后,可在飽和

溶液中形成凝膠珠。

1234解析:將酶固定化后,可使酶在催化反應之后不隨產物流走,可以反復利用;將細胞固定化后,實際上是將細胞產生的多種酶同時進行固定。海藻酸鈉一般不能參與化學反應,同時,在高溫下容易溶化,溫度降低時又形成多孔性固體顆粒,是包埋酵母細胞的好材料。圖①為化學結合法,圖②為物理吸附法,圖③為包埋法。凝膠珠是溶化好的海藻酸鈉溶液與活化的酵母細胞混合后在CaCl2溶液中形成的。答案:(1)酶既能與反應物接觸,又容易與產物分離,固定在載體上的酶能反復利用多酶系統(tǒng)(或一系列酶、多種酶)

(2)海藻酸鈉③包埋法(3)CaCl2必背語句1.酶通常對強酸、強堿、高溫和有機溶劑等條件非常敏感,容易失活。