最新高中生物同步讲义选修一专题4 第12课时 酵母细胞的固定化

第12课时 酵母细胞的固定化

[学习导航] 1.阅读教材P49“课题背景”，认识在应用酶的过程中，存在的实际问题及解决办法。2.通过阅读教材P49“(一)”，了解高果糖浆及生产高果糖浆的固定化酶技术。3.结合教材P50“(二)”，掌握固定化技术的方法及适合不同固定方法的材料。4.阅读教材P50“实验操作”，掌握固定化酵母细胞的实验操作过程，达到能够进行实际操作的目的。

[重难点击] 1.说出固定化酶和固定化细胞的作用和原理。2.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。

一、固定化酶和固定化细胞技术

1.固定化酶的应用实例——生产高果糖浆

(1)反应原理：葡萄糖――――――→葡萄糖异构酶果糖。

(2)生产过程

将葡萄糖异构酶固定在颗粒状载体上

↓

放入底端装有分布着许多小孔的筛板的反应柱内(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

↓

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

↓

果糖从反应柱的下端流出

2.固定化酶和固定化细胞技术

(1)概念：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)常用的几种固定方式

①是包埋法，能将酶或者细胞包埋在不溶于水的多孔性载体中。

②是化学结合法，能将酶或者细胞相互连接或者结合到载体上。

③是物理吸附法，能将酶或者细胞吸附到载体表面。

(3)优点

①固定化酶：酶既能与反应物接触，又能与产物分离，可以反复利用。

②固定化细胞：与固定化酶技术相比，固定化细胞制备的成本更低，操作更容易。

(4)固定化酶和固定化细胞的比较

比较项目 固定化酶 固定化细胞

固定对象 酶 细胞

适宜固定法 化学结合法、物理吸附法 包埋法

特点 体积小，固定一种酶。使用包埋法容易从包埋材料中漏出 体积大，固定一系列酶。难用化学结合法和物理吸附法

1.固定化酶和固定化细胞的原理

(1)根据教材“高果糖浆的生产”分析固定化酶依据的原理与其优点分别是什么？

答案 将酶固定在不溶于水的载体上，使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。

(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)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，容易从包埋材料中漏出。

②细胞体积大难以吸附或结合，因而细胞多采用包埋法固定。

(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。

一题多变

(1)题中图①和②方法是否适于固定化酵母细胞？为什么？

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0.05 mol/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150 mL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24 h

↓

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___________________________________________________。