高中生物第三章酶的应用技术实践第二节固定化酶的制备和应用学案苏教版选修1

⾼中⽣物第三章酶的应⽤技术实践第⼆节固定化酶的制备

和应⽤学案苏教版选修1

第⼆节固定化酶的制备和应⽤

学习导航明⽬标、知重点难点

固定化酶和固定化细胞的应⽤。(重点)

固定化酶与固定化细胞的制备⽅法。(难点)

[学⽣⽤书P43]

⼀、阅读教材P63分析固定化酶1．概念：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。

2．优点：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，且保持了酶的催化性能，可实现酶促反应的连续化和⾃动化。3．制备固定化酶的常⽤⽅法

⽬前，制备固定化酶的⽅法主要有物理吸附法、化学结合法、包埋法等。

⼆、阅读教材P64～65分析固定化细胞技术的应⽤1．应⽤：固定化细胞可以取代游离的细胞进⾏发酵，⽣产各种物质。

2．优点

(1)固定化细胞技术⽆须进⾏酶的分离和纯化，减少了酶的活⼒损失，同时⼤⼤降低了⽣产成本。

(2)固定化细胞不仅可以作为单⼀的酶发挥作⽤，⽽且可以利⽤细胞中所含的复合酶系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。

(4)细胞⽣长停滞时间短，反应快等。

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，营养物质和产物的扩散受到⼀定限制。

(3)在好氧性发酵中，溶解氧的传递和输送成为关键的限制因素。

4．酵母菌细胞的固定化技术的主要流程

准备各种实验药品和器材↓

制备麦芽汁↓

活化酵母菌细胞↓

配制物质的量浓度为0.05 mol/L的氯化钙溶液↓

制备固定化细胞↓

浸泡凝胶珠，⽤蒸馏⽔洗涤↓

发酵麦芽汁

判⼀判(1)酶在催化时会发⽣变化，不可反复利⽤。(×)

(2)某种固定化酶的优势在于能催化⼀系列⽣化反应。(×)

(3)固定化细胞所固定的酶都在细胞外起作⽤。(×)

(4)制备固定化细胞的⽅法主要有包埋法、化学结合法和物理吸附法。(×)连⼀连

固定化酶技术[学⽣⽤书P44]

由于酶的分离与提纯有许多技术性难题，造成酶制剂来源有限、成本⾼、不利于⼤规模使⽤。⼈们针对酶的这种不⾜寻着改善的⽅法之⼀是固定化酶技术的应⽤。结合教材P63内容完成以下探究。(1)图A为物理吸附法，它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)图B为化学结合法，它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。将酶包裹在聚丙烯酰胺凝胶等⾼分⼦凝胶中(如图C)，包埋成格⼦型；或包裹在硝酸纤维素等半透性⾼分⼦膜中(如图D)，包埋成微胶囊型。

各种固定化酶⽅法的⽐较

物理吸附法包埋法

化学结

合法

制备易较难较难结合程度弱强强

活⼒回收率⾼，但酶

易流失

⾼中等

再⽣可能不可能不可能

固定化成本低低中等

底物专⼀性不变不变可变

突破1 固定化酶的各种固定⽅法1．下图是酶的⼏种固定⽅式⽰意图，其所采⽤的固定⽅法依次是( )

A．物理吸附法、化学结合法、包埋法

B．化学结合法、物理吸附法、包埋法

C．包埋法、物理吸附法、化学结合法

D．包埋法、化学结合法、物理吸附法解析：选D。①图表⽰酶包埋在细微⽹格⾥，应属包埋法；②图表⽰许多酶分⼦通过特殊载体连接起来，成交联⽹状结构，应属化学结合法；③图表⽰将酶固定在⼀定的⽀持物上，可⽤物理吸附法。

突破2 固定化酶特征2．下图中符合固定化酶特征的是( )

解析：选D。固定化酶技术是利⽤物理或化学的⽅法将酶或细胞固定在⼀定空间内的技术，包括包埋法、化学结合法和物理吸附法。固定化酶优点是使酶既能与反应物接触，⼜能与产物分离，还可以被反复利⽤，在装置中酶是固定不动的，反应物是动的。

判断固定化酶的⽅法

固定化酶技术是利⽤物理或化学的⽅法将酶或细胞固定在⼀定空间内的技术。所以识别固定化酶的⽅法是观察酶是否固定不动，若是则属于固定化酶，否则不属于固定化酶。

固定化细胞技术及酵母菌细胞的固定化技术[学⽣⽤书P45]

固定化细胞在环境保护、能源开发等领域都有重要的应⽤。结合教材P64～65内容完成下⾯酵母菌细胞的固定化操作流程，理解细胞固定化过程。

准备各种实验药品和器材

主要药品有：⼲麦芽粉、⼲酵母、聚⼄烯醇 ↓(PVA)、海藻酸钠、⽆⽔氯化钙、蒸馏⽔、葡萄糖溶液、碘液

制备麦芽汁⼲麦芽粉＋蒸馏⽔――→58～65 ℃放置3～4 h 麦芽汁――→煮沸、冷却、调pH 灭菌

⽆菌麦芽汁 ↓ 活化酵母菌细胞⼲酵母＋蒸馏⽔→活化的酵母菌↓

↓ 制备固定化细胞

聚⼄烯醇(PVA)＋海藻酸钠＋蒸馏⽔ ――→加热、冷却加⼊酵母菌培养液酵母菌—聚⼄烯醇—海藻酸钠溶液――→滴⼊氯化钙溶液中

凝胶珠 ↓ 浸泡凝胶珠，⽤蒸馏⽔洗涤

待凝胶珠在溶液中浸泡30 min 后，取出 ↓

并⽤蒸馏⽔洗涤3次备⽤

发酵麦芽汁将凝胶珠加⼊⽆菌麦芽汁中1．制备固定化酵母菌细胞的注意事项

(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)海藻酸钠溶液的配制是固定化酵母菌细胞的关键，因为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菌细胞的数量少，也会影响实验效果。(4)溶化海藻酸钠时要⽤⼩⽕间断加热，避免海藻酸钠发⽣焦糊。

(5)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。

(6)固定化酵母菌细胞时，应将酵母菌—聚⼄烯醇—海藻酸钠溶液⽤注射器缓慢滴加到氯化钙溶液中，⽽不是注射，以免影响凝胶珠的形成。2．直接使⽤酶、固定化酶、固定化细胞的⽐较

突破1 制备固定化酵母菌细胞1．下⾯的流程图表⽰制备固定化酵母菌细胞的过程，请据图回答：

(2)影响此实验成败的关键步骤是________________。此步的操作应采⽤________________。

(3)如果海藻酸钠浓度过低，形成的凝胶珠所包埋的酵母菌细胞数⽬________________。

(4)观察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________________，说明海藻酸钠的浓度偏⾼，实验操作失败。(5)本实验所⽤的固定化技术是________，⽽制备固定化酶则不宜⽤此⽅法，原因是______________________。

解析：(1)酵母菌在⼲燥时，处于休眠状态，需加⽔活化，活化后的酵母菌细胞体积增加。(2)该实验的关键是海藻酸钠溶液的配置。(3)如果海藻酸钠的浓度过低，形成的凝胶珠所包埋的酵母菌细胞的数量过少，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球形或椭圆形，则说明海藻酸钠的浓度偏⾼，制作失败，需要再作尝试。(5)由于酵母菌细胞个体较⼤，不易从包埋材料中漏出，故细胞的固定化⼀般采⽤包埋法，⽽固定化酶不宜⽤此⽅法。

答案：(1)体积增加较⼤(多)(2)配制海藻酸钠溶液⼩⽕间断加热

(3)较少

(4)固定的酵母菌细胞数⽬较少球形或椭圆形

(5)包埋法酶分⼦很⼩，容易从包埋材料中漏出

检验凝胶珠的质量是否合格的⽅法(1)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。

(2)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。突破2 固定化技术的⽐较2．下列叙述不正确的是( )

A．从操作⾓度来考虑，固定化细胞⽐固定化酶更容易

B．固定化细胞⽐固定化酶对酶活性的影响更⼩

C．固定化细胞固定的是⼀种酶

D．将微⽣物的发酵过程变成连续的酶反应，应选择固定化细胞技术

解析：选C。固定化细胞内酶的活性基本没有损失，保留了细胞内原有的多酶系统，所以固定化细胞不同于固定化酶，它能固定多种酶。

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。

核⼼知识⼩结[⽹络构建]

[关键语句]

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。

制备固定化酶的⽅法主要有物

理吸附法、化学结合法

．．．．．、包埋法

．．．

等。

在固定化细胞技术中，从操作⾓度考虑，包埋

．．法更容易；固定化

细胞对酶活性的影响⼩；如果想

将微⽣物的发酵过程变成连续

的酶反应，应选择固定化细胞的

⽅法；如果反应物是⼤分⼦，应

选择固定化酶

．．．．⽅法。[随堂检测] [学⽣⽤书P47]

知识点⼀固定化酶技术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，让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：选D。固定化酶是指通过物理或化学的⽅法，将⽔溶性的酶与不溶性的载体结合，使酶固定在载体上，并在⼀定的空间范围内进⾏反应的酶。因此，固定化酶技术固定的不是反应物⽽是酶。因为被固定的只是⼀种酶，所以不能催化⼀系列的酶促反应，但固定的酶可以重复利⽤。2．固定化酶与普通酶制剂相⽐较，主要优点是( )

A．可以反复使⽤，降低成本

B．固定化酶不受酸碱度、温度等的影响

C．酶的制备更简单容易

D．酶能够催化的反应类型⼤⼤增加

解析：选A。固定化酶与普通酶制剂相⽐较主要优点是可以反复使⽤，降低成本，固定化酶仍具有酶的特性。

知识点⼆固定化细胞技术3．下列关于“酵母细胞的固定化技术”实验的叙述，正确的是( )

A．活化酵母时，将适量⼲酵母与蒸馏⽔混合并搅拌成糊状

B．配制CaCl2溶液时，需要边⼩⽕加热边搅拌

C．将海藻酸钠溶液滴加到CaCl2溶液时，凝胶珠成形后应即刻取出

D．海藻酸钠溶液浓度过⾼时凝胶珠呈⽩⾊，过低时凝胶珠易呈蝌蚪状

解析：选A。将适量⼲酵母与蒸馏⽔混合并搅拌成糊状，可以活化酵母，A项正确；配制海藻酸钠溶液时需⽤⼩⽕间断加热，配制CaCl2溶液时不需加热，B项错误；凝胶珠成形后应在CaCl2溶液中浸泡30分钟左右，以便形成稳定的结构，C项错误；海藻酸钠溶液浓度过低时固定的酵母细胞数⽬少，凝胶珠呈⽩⾊，过⾼时凝胶珠易呈蝌蚪状，D项错误。4．⼩球藻可⽤于污⽔净化，其繁殖能⼒(⽣长量)在⼀定程度上可以反映⼩球藻细胞消耗N、P等的能⼒。科研⼈员⽐较游离⼩球藻和⽤海藻酸钠固定化后的⼩球藻⽣长量变化，结果如图所⽰。下列相关叙述错误的是( )A．本研究中固定化⼩球藻采⽤的⽅法是包埋法

B．实验中可⽤CaCl2浸泡凝胶珠使其形成稳定结构

C．结果表明固定化⼩球藻的⽣长期较短、⽣长速率低