人教版高中生物选修一课件：第四章 酶的研究与应用 4.3酵母细胞的固定化

二、实验操作
（一）制备固定化酵母细胞
1.酵母细胞的活化：
（1）活化是指什么？ 在缺水状态下，微生物处于休眠状态。活化是指让处于休眠 状态的微生物重新恢复正常生活状态的过程。
（2）活化过程 1g干酵母＋10mL蒸馏水→50mL烧杯→搅拌均匀→放置1h，使之活化。
（3）操作提示 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体积大的细胞难以被吸附或结合而体积小的酶容易 从包埋的材料中漏出
一、基பைடு நூலகம்知识
（二）固定化细胞技术
包埋法
将酶包埋在细微网格里
化学结合法 将酶与载体相互连接起来
物理吸附法 将酶吸附在载体表面上
一、基础知识
（二）固定化细胞技术
包埋法固定细胞 1.包埋法固定细胞：
即将微生物细胞均匀地包埋在不溶于水的多孔性载体中。 2.包埋时常用的载体包括：
洗去凝胶珠表面多余的CaCl2溶液。以免对实验造成影响。 2.葡萄糖在这里有什么用？
既可以作为发酵底物，也作为酵母菌细胞的营养物质。
特别注意：
1.海藻酸钠的浓度涉及到固定化细胞的质量。
如果浓度过高：
将很难形成凝胶珠。高浓度海藻酸钠只能用粗针头注射， 针头粗也会粘着，难促使形成液滴。且高浓度海藻酸钠不易 形成滴状下落，形成条状，不是圆形或是椭圆形，品相极差， 并且凝胶珠容易破裂。
明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等。
海藻酸钠：
一种天然多糖，是由海带中提取的天然多糖碳水化合物， 可作为食用的食品添加剂，也可作为支架材料用于医学用途， 其温和的溶胶凝胶过程、良好的生物相容性使其适于作为释 放或包埋药物。
二、实验操作

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【解析】 该题以制备固定化酵母细胞的过程为载体，考查实验的操作程序、关键步 骤、注意事项及有关试剂的作用。
(1)酵母菌在干燥时，处于休眠状态，需加水活化，否则制成的固定化酵母在发酵时酶 活性较低且酵母菌增殖缓慢。
(2)该实验的关键是海藻酸钠溶液的配制。 (3)如果海藻酸钠的浓度过低，形成的凝胶珠所包埋的酵母细胞的数目少，影响实验效 果。 (4)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。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。 (5)由于酵母细胞个体较大，不易从包埋材料中漏出，故细胞的固定化一般采用包埋 法。 (6)海藻酸钠胶体在 CaCl2 电解质溶液中发生聚沉，形成凝胶珠。
B．糖化酶
C．葡萄糖异构酶
D．纤维素酶
【解析】 因为酶具有专一性，在使用酶将淀粉经一系列转化形成高果糖浆的过程中， 没有分解纤维素的过程，因此，不需要纤维素酶。
【答案】 D
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知识点二 固定化酶及固定化细胞 1．概念 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。 2．固定化技术的优势 固定化酶和固定化细胞，将酶或细胞固定在不溶于水的载体上，使酶或细胞可以直接 与反应物接触，充分发挥其催化功能，又能与产物分离，被反复利用，还能在一定程度上 避免高温、强酸、强碱和有机溶剂对酶活性的影响，以提高催化效率，降低生产成本，提 高产品质量。 3．固定化技术的固定方法 固定方法有包埋法、化学结合法和物理吸附法。
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课前导学
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1．能将葡萄糖转化为果糖的酶是______________。 2．固定化酶技术使用的反应柱上的孔应满足酶颗粒________通过，反应溶液________ 通过，若反应颗粒过大则不能通过。 3．固定化酶和固定化细胞技术是利用________或________方法将酶或细胞固定在一 定空间内的技术，包括________、______________和______________。其中细胞多采用 __________固定化，而酶多采用__________和________固定化。 4．用包埋法固定化细胞，即将微生物细胞均匀地包埋于____________________中。 常用的包埋微生物的载体有________、________、________、________和__________等。 5．活化就是让处于______状态的微生物重新恢复正常的生活状态。 6．制备固定化酵母细胞需要的试剂是________、__________和__________。 7．固定化酶和一般酶制剂的主要区别是_____________________________________。

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2.制备固定化酵母细胞 (1)酵母细胞的活化：称取 1 g 干酵母，放入 50 mL 的小烧 杯中，加入蒸馏水 10 mL。用玻璃棒搅拌，使酵母细胞混合均 匀，成糊状，放置 1 h 左右，使其活化。 (2)配制物质的量浓度为 0.05 mol/L 的 CaCl2 溶液：称取无 水 CaCl2 0.83 g，放入 200 mL 的烧杯中，加入 150 mL 蒸馏水， 使其充分溶解，待用。 注意：溶解物质要彻底，勿用自来水溶解，以防自来水中 的各种离子影响实验结果。
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知识点二固定化细胞技术与固定化酵母细胞的制备
1．固定化酶和固定化细胞技术 (1)概念：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。 (2)方法：通常采用包埋法、化学结合法和物理吸附法。 ①化学结合法：将酶或细胞相互连接起来，或将其结合到 载体上。 ②物理吸附法：将酶或细胞吸附在载体的表面上。 ③包埋法：将酶或细胞包埋在细微网格里。
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(2)优点：固定在载体上的酶既能与反应物接触，又容易与 产物分离，同时，固定在载体上的酶还可以被反复利用。
注意：固定化酶可以被反复利用，但不等于能被永久利用。
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2．固定化酶的应用实例——高果糖浆的生产 (1)反应机理： 葡萄糖葡萄―糖―异→构酶果糖。 (2)固定化酶的反应柱：如右图所示。 ①葡萄糖异构酶固定在一种颗粒状载体上； ②酶颗粒无法通过筛板上的小孔，而反应溶液十二页，共四十八页。
4．酶固定化技术与细胞固定化技术的关系是( A ) A．酶固定化技术是细胞固定化技术的基础 B．细胞固定化技术是酶固定化技术的基础 C．酶固定化技术与细胞固定化技术是同时发展起来的 D．细胞固定化技术先于酶固定化技术

如果用海藻酸钠固 定小球藻，凝胶珠 的颜色为 绿色
结果分析与评价
2、观察发酵的葡萄糖溶液；
利用固定的酵母细胞发酵产生酒 精，可以看到产生了很多气泡， 同时会闻到酒味。
还有其他方法鉴定产物吗？
酒精鉴定：酸性的重铬酸钾+酒精——橙色变成灰绿色 CO2鉴定： 澄清石灰水——变浑浊
溴麝香草酚蓝水溶液——由蓝变绿再变黄
例1. 下图是几种固定方法，其中适合固定酵 母细胞的是( D )
【连一连】 固定化酶 固定化细胞
操作容易 对酶活性影响小 固定一系列酶 微生物发酵过程变 成连续的酶反应 反应物是大分子 需要考虑营养条件 需要考虑适宜的温度和pH
三、固定化酵母细胞
酵母细胞在生产中的广泛应用
• 工业生产酒精，解决能源问题 • 酒精在食品行业中应用广泛
配制海藻酸钠溶液
使之溶化→蒸馏水定容到 10mL。
海藻酸钠溶液与酵母细胞的混合
将溶化的海藻酸钠溶液冷却至室温， 加入活化酵母细胞液，搅拌后吸到 注射器中。
固定化酵母细胞
CaCl2的作用：使海藻酸钠胶 体发生聚沉，形成凝胶珠
以恒定速度缓慢地将注射器中的溶液滴加 到 CaCl2 溶液中，形成凝胶珠，使其在溶 液中浸泡30min.
检验凝胶珠的质量是否合格，也可以使用下列方法： 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。
〖思考〗
1、加热溶化海藻酸钠时，要小火间断加热并不断搅拌
的目的是什么？ 防止海藻酸钠焦糊
果糖
1、注意反应柱的各 部分名称。
2、你能说出固定化 酶的优点吗？

（5）一般来说，酶更适合用吸附法和交联法固定，而细 胞多采用包埋法固定，想想看为什么？
思考：直接使用酶、固定化酶与固定化细胞各有什么优缺点？
类型
优点
不足
直接使用酶
对环境条件非常敏感，
容易失活；溶液中的
催化效率高，低耗能、 低污染等。
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
实地听完整堂课。
•
3、课前预习
•
课前预习新课内容，找出不理解的地方标记下来。预习后尝试做课后练习题，不要怕出错，因为老师还没有讲，出错也是正常的。
•
关键是，出错了你就知道上课时应该重点听哪里，注意力自然就能集中了。
•
4、即便上课时不理解也不要放弃
•
有些同学觉得老师讲的听不懂，就干脆不再听讲，按照自己的方法去学习。其实这样做真的很傻，因为不听讲就非常容易和同学们的学习进度脱节，这就会直接导致考试时成绩下降。原因是，老师讲的内容不一定都在教材中体现，有相当一部分重点内容
响产品质量。
固定化酶 固定化细胞
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。
固定后的酶或细胞与
成本低，操作更容易。
反应物不容易接近， 可能导致反应效果下
降等。
课堂讨论： 1．从操作角度来考虑，你认为固定化酶技术与固定化细 胞技术哪一种方法更容易？哪一种方法对酶活性的影响 更小？
■高中生物课件（人教课标版）
课题2： 酵母细胞的固定化
思考：通过课题背景分析，你有何体会？
酶： 优点：摧化效率高，低耗能，低污染

（3）优点(yōudiǎn)：
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。
（4）缺点：
一种酶只能催化一种化学反应，而在实际生产中，很 多产物的形成是通过一系列的酶促反应才能得到。
（5）解决方案：
固定化细胞技术
第十二页，共四十页。
固定化酶的应用(yìngyòng)实例：生产高果糖浆 1、什么是高果糖浆？使用(shǐyòng)它有何好处？ 高果糖浆是果糖含量为42%左右的糖浆。作为蔗糖(zhètáng)的替
1.酵母(jiàomǔ)细胞的 活化 2.配置物质的量浓度(nóngdù)为0.05mol/L的CaCl2溶液 3.配置海藻酸钠溶液 4.海藻酸钠与酵母细胞混合 5.固定化酵母细胞
第八页，共四十页。
一、课题(kètí)背景
阅读课题背景并思考： 1、直接使用酶制剂在应用中各有什么优、缺点？如何 (rúhé)解决使用酶制剂时的缺陷？ 2、固定化酶技术在应用中各有什么优、缺点？如何解决 使用固定化酶技术在应用时的缺陷？ 3、固定化细胞在应用中各有什么优、缺点？
〖思考〗 1、为什么要用蒸馏水冲洗凝胶珠？
洗去凝胶珠表面多余的CaCl2溶液。以免对实验造成影响。 〖思考〗 2、葡萄糖在这里有什么用？
既可以作为发酵底物，也作为酵母菌细胞的营养物质。
第三十四页，共四十页。
429572439gao 第三十五页，共四十页。
四、特别(tèbié)注意：
1、海藻酸钠的浓度涉及(shèjí)到固定化细胞的质量。
第九页，共四十页。
1、直接(zhíjiē)使用酶制剂 （1）优点
如何解决这 些问题？
催化效率高、低耗能、低污染，大规模地应用于食品、 化工等各个领域

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(5)固定化酵母细胞 以恒定的速度缓慢地将注射器中的溶液滴加到配制好的 CaCl2 溶 液中,浸泡 30 min 左右。 2.用固定化酵母细胞发酵 (1)将固定好的酵母细胞用蒸馏水冲洗 2~3 次。 (2)发酵时的温度为 25 ℃,时间为 24 h。
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预习交流 2
——何时向海藻酸钠溶液中加入酵母细胞? 用接种环对微生物进行接种操作时,需要使灼烧灭菌的接种环先 冷却再使用,由该操作你能设想一下何时向海藻酸钠溶液中加入酵母 细胞吗?请给予适当的解释。 提示:应等到海藻酸钠溶液冷却至室温后才能向其内加入酵母细 胞,因为温度过高的海藻酸钠溶液和温度过高的接种环一样,都可能杀 死菌种。
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二、实验操作
1.制备固定化酵母细胞 (1)酵母细胞的活化 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。 (2)配制物质的量浓度为 0.05 mol/L 的 CaCl2 溶液。 (3)配制海藻酸钠溶液 加热溶化海藻酸钠时要注意:加热时要用小火,或者间断加热,反复 几次,直到海藻酸钠溶化为止。 (4)海藻酸钠溶液与酵母细胞混合。
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2.固定化酶的应用实例 (1)高果糖浆 高果糖浆是指果糖含量为 42%左右的糖浆。 (2)固定化酶反应的过程
将葡萄糖异构酶固定在颗粒状载体上 ↓
放入底部有许多小孔的反应柱 (酶颗粒不能通过,反应液能通过)
↓ 葡萄糖溶液从反应柱的上端注入
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↓ 流经反应柱
↓ 与固定化葡萄糖异构酶接触,转化成果糖
催化 反应 反应 底物
缺点
优点
单一或多种
单一
各种物质(大分子、小 各种物质(大分子、小
分子)
分子)
①对环境条件非常敏 感 , 易 失 活 ;② 难 回 收 , 成本高,影响产品质量

固定化酵母细胞 利用固定化酵母细胞发酵
实验中最关键的是哪步？ 答：配置海藻酸钠溶液（操作） 需注意：小火加热或间断加热 海藻酸钠冷却至室温再加入已 活化的酵母菌。 海藻酸钠的浓度不能过高也不 能过低
课堂学习明白卡： 1.比较高浓度的海藻酸钠和标准浓度的海藻酸 钠的实验效果
单一 变量
海藻酸钠溶液的浓度
4.3酵母细胞的固定化
1.学习目标：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。 2.课题重点：制备固定化酵母 细胞 3.课题难点：制备固定化酵母 细胞。
固定化酵母细胞的实验过程
酵母细胞的活化 配置物质的量浓度为0.05mol/L的CaCl2溶
配制海藻酸钠溶液 海藻酸钠溶液与酵母细胞混合
三.达标检测【答案】（1）脱分化、再 分化（2）小火间断 冷却（至室温） （3）形成稳定的结构（4）不易形成凝 胶珠 颜色和形状（5）酶分子很小， 容易从化好的海藻酸钠溶液冷却至室温才 能加入活化的酵母菌 (5)固定化酵母细胞时要用注射器缓慢地 将混合溶液滴加到配置好的CacL2溶液 中，而非注射 (6)凝胶珠在CacL2溶液中需浸泡30分钟 左右，并用蒸馏水冲洗后才能进行酵母 细胞的发酵 (7)海藻酸钠溶液浓度过低，固定的酵母 细胞数目较少；浓度过高不易形成圆形 或椭圆形的凝胶珠。
（6）海藻酸钠浓度过高时不容易形成圆形或椭圆 形的凝胶珠（ 对 ）
5.实验重点内容再总结：
（1）CacL2溶液的作用：使海藻酸钠胶 体发生聚沉，形成凝胶珠 （2）酵母细胞的活化，配置CacL2溶液， 配置海藻酸钠溶液，冲洗凝胶珠均用蒸
馏水而不是自来水 (3)海藻酸钠加热时要用小火或者间断加 热的方法
无 关 加入的酵母菌溶液的浓度和量，使用的 变 量 氯化钙溶液的浓度和量，海藻酸钠加热的

[解析]
固定化酶不像普通酶那样对环境要求那么
高，耐受性也比较好，和溶解氧没什么关系；利用固定化 酶降解水体中有机磷农药，不需要提供营养条件；利用固 定化酵母细胞进行发酵，糖类不仅是反应底物，同时也作 为碳源来提供能量和营养。 [答案] A
(1)固定化酶是指限制或固定于特定空间位置的酶， 具 体来说，是指经物理或化学方法处理，使酶变成不易随液 体流失即运动受到限制，而又能发挥催化作用的酶制剂， 不会比一般酶制剂的生物活性更强。 (2)固定化细胞仍能进行正常的生长、繁殖和代谢，可 以像游离的细胞一样用于发酵生产。
4．(江苏高考)下列有关固定化酶和固定化细胞的叙述，正 确的是 A．可用包埋法制备固定化酵母细胞 B．反应产物对固定化酶的活性没有影响 C．葡萄糖异构酶固定前后专一性不同 D．固定化细胞可以催化各种反应底物的一系列反应 ( )
解析：细胞难以被吸附或结合，固定化细胞多采用包埋法； 反应产物积累能影响酶的结构，从而使酶的活性下降；葡萄 糖异构酶在固定前后专一性不变；固定化细胞固定的是一系 列的酶，可以催化一系列的反应，但不能催化各种反应底物 的一系列反应。 答案：A
3．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时应采用固定化酶
解析：由于细胞个大，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。 因此，细胞多采用包埋法固定，酶更适合采用化学结 合法和物理吸附法固定。 答案：C
有 气泡 产生 (2)现象 酒精味 散发 有
1．在配制海藻酸钠溶液时，小火加热并不断搅拌的目的 是什么？

固定化酵母 细 (jiàomǔ) 胞
第一页，共十六页。
❖ 下面(xià mian)是利用固定化酵母细胞发酵生产啤酒的 实验过程：
❖ 步骤1：酵母细胞的活化。称取lg干酵母置于50mL 烧杯中，加l0mL蒸馏水，搅拌，静置1h。
❖ 步骤2：配制物质的量浓度为0．05mol／L的氯化 钙(CaCl2)溶液。
溶液中，会观察到CaCl2溶液中有球形或椭球形的 凝胶珠形成
第十二页，共十六页。
❖ 常用的包埋法固定化细胞，需用到不溶于水的多 孔性载体，下列能作载体的是（ACD ）多
❖ A．琼脂糖
B．蔗糖(zhètáng)
❖ C．海藻酸钠
D．明胶
第十三页，共十六页。
❖ 下列有关固定化酶技术和固定化细胞技术的 说法不正确的是 B
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❖ 步骤6：固定化酵母细胞(凝胶珠)用蒸馏水冲洗2 ～3次。
❖ 步骤7：将适量的凝胶珠放人500mL锥形瓶中，加 300mL已消毒的麦芽汁，封口(fēng kǒu)于25℃下发酵 。
❖ (1)(步1)在骤冷4的却至正常确温操的是海藻：酸钠溶液中加入(jiārù)活化 。
的酵母细胞，充分混合后转入注射器
No 充分混合后转入注射器。下列固定化酵母细胞的制备步骤中不恰当的是C。C．向刚溶化好的海
藻酸钠溶液中加入(jiārù)已活化的酵母菌细胞，充分搅拌并混合均匀。下列关于固定化酶的说法， 错误的是D。D.固定化酶易溶于水
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❖ 欲通过制备固定化酵母细胞进行葡萄糖溶液发酵 实验
该实验小组用如图所示的装置(zhuāngzhì)来进
行葡萄糖发酵。 a 是 b 是