專題四 課題3 酵母細(xì)胞的固定化課件 【新教材備課精研】 高中生物選修一

課題3酵母細(xì)胞的固定化專題四酶的研究與應(yīng)用課題背景閱讀課題背景并思考：1、直接使用酶制劑在應(yīng)用中各有什么優(yōu)、缺點(diǎn)？如何解決使用酶制劑時(shí)的缺陷？2、固定化酶技術(shù)在應(yīng)用中各有什么優(yōu)、缺點(diǎn)？如何解決使用固定化酶技術(shù)在應(yīng)用時(shí)的缺陷？3、固定化細(xì)胞在應(yīng)用中各有什么優(yōu)、缺點(diǎn)？1、直接使用酶制劑①天然酶通常對(duì)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫和有機(jī)溶劑等條件非常敏感，容易失活②溶液中酶很難回收，不能再次利用，提高了生產(chǎn)成本③反應(yīng)后，酶會(huì)混在產(chǎn)物中，影響產(chǎn)品質(zhì)量，難以在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用（1）優(yōu)點(diǎn)（2）缺點(diǎn)催化效率高、低耗能、低污染，大規(guī)模地應(yīng)用于食品、化工等各個(gè)領(lǐng)域如何解決這些問題？1、直接使用酶制劑（3）解決方案固定化酶技術(shù)2、固定化酶（1）含義：將酶固定在不溶于水的載體上。（3）優(yōu)點(diǎn)：酶既能與反應(yīng)物接觸，又能與產(chǎn)物分離，同時(shí)，固定在載體上的酶還可以被反復(fù)利用。（4）缺點(diǎn)：一種酶只能催化一種化學(xué)反應(yīng)，而在實(shí)際生產(chǎn)中，很多產(chǎn)物的形成是通過一系列的酶促反應(yīng)才能得到。（5）解決方案：固定化細(xì)胞技術(shù)（2）實(shí)例：利用固定化酶技術(shù)生產(chǎn)“高果糖漿”。實(shí)例：固定化酶的反應(yīng)柱示意圖【教材P49】反應(yīng)柱能連續(xù)使用半年（可反復(fù)使用，但也不是可以一直使用），大大降低了生產(chǎn)成本，提高果糖的產(chǎn)量和質(zhì)量。體現(xiàn)了固定化酶技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：①酶的穩(wěn)定性好、可以持續(xù)發(fā)揮作用；②酶與產(chǎn)物易于分離，提高了產(chǎn)品質(zhì)量③使得酶可以被反復(fù)利用，降低了生產(chǎn)成本返回（二）固定化細(xì)胞技術(shù)1.概念：利用物理或化學(xué)方法將細(xì)胞固定在一定空間的技術(shù)。細(xì)胞中含有一系列酶，在細(xì)胞正常生命活動(dòng)的過程中，通過代謝產(chǎn)生所需要的代謝產(chǎn)物。2.將酶或細(xì)胞固定化的方法（1）包埋法：（2）化學(xué)結(jié)合法（3）吸附法將酶（或細(xì)胞）包埋在細(xì)微網(wǎng)格里將酶（或細(xì)胞）相互連接起來將酶（或細(xì)胞）吸附在載體表面上分為凝膠包埋法和微囊化法3、酶和細(xì)胞固定方法的選擇及原因？①酶適合采用化學(xué)結(jié)合和物理吸附法固定②細(xì)胞適合采用包埋法固定（1）方法（2）原因①細(xì)胞體積大，酶分子很?、隗w積大的細(xì)胞難以被吸附或結(jié)合，而體積小的酶容易從包埋的材料中漏出（1）．從操作角度來考慮，你認(rèn)為固定化酶技術(shù)與固定化細(xì)胞技術(shù)哪一種方法更容易？哪一種方法對(duì)酶活性的影響更??？固定化細(xì)胞技術(shù)固定化細(xì)胞固定的是一系列酶（2）．固定化細(xì)胞固定的是一種酶還是一系列酶？思考【P50】固定化細(xì)胞技術(shù)固定化酶技術(shù)（3）．如果想將微生物的發(fā)酵過程變成連續(xù)的酶反應(yīng)，應(yīng)該選擇哪種方法？（4）．如果反應(yīng)物是大分子物質(zhì)，又應(yīng)該選擇哪種方法？（大分子物質(zhì)不能或不易進(jìn)入細(xì)胞，體現(xiàn)細(xì)胞膜的選擇透過性）〖思考1〗對(duì)固定酶的作用影響較小的固定方法是什么？〖思考2〗酵母菌酒精發(fā)酵是個(gè)連續(xù)的酶反應(yīng)，應(yīng)當(dāng)固定（酶、細(xì)胞）。吸附法【小結(jié)】固定化酶和固定化細(xì)胞的聯(lián)系與區(qū)別（1）聯(lián)系：（2）區(qū)別：①固定化細(xì)胞技術(shù)操作容易，成本低，容易回收；②固定化細(xì)胞技術(shù)對(duì)酶活性影響更??；③固定化細(xì)胞固定的是一系列酶；④由于大分子難以通過細(xì)胞膜，固定化細(xì)胞的應(yīng)用有一定的限制。應(yīng)用相同，都能催化某些反應(yīng)4.固定化酶和固定化細(xì)胞常用的載體材料明膠、瓊脂糖、海藻酸鈉、醋酸纖維素和聚丙烯酰胺等其共同的特點(diǎn)是不溶于水的多孔性載體。（一）制備固定化酵母細(xì)胞實(shí)驗(yàn)操作1．酵母細(xì)胞的活化活化：讓處于休眠狀態(tài)的微生物重新恢復(fù)正常的生活狀態(tài)；本質(zhì)：加快新陳代謝；方法：加入適量的水。步驟：取1g干酵母，放入50ml的小燒杯中，加入蒸餾水10ml，用玻璃棒攪拌，使酵母細(xì)胞混合均勻，成糊狀，放置1h左右使其活化袋裝干酵母活化的酵母2、配制物質(zhì)的量濃度為0.05mol/L的CaCl2溶液稱取無水CaCl20.83g，放入200ml的燒杯中，加入150ml的蒸餾水，使其充分溶解，待用。(1)溶解物質(zhì)要徹底，勿用自來水溶解，以防自來水中各種離子影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。操作過程：注意事項(xiàng)：3.配制海藻酸鈉溶液稱取0.7g海藻酸鈉，放入50mL小燒杯中.加人10mL水，用酒精燈加熱，邊加熱邊攪拌，將海藻酸鈉調(diào)成糊狀，直至完全溶化，用蒸餾水定容至10mL。【注意】加熱時(shí)要用小火，或者間斷加熱（避免焦糊），反復(fù)幾次，直到海藻酸鈉溶化為止。包埋酶或細(xì)胞防止焦糊①配制的海藻酸鈉溶液具體作用是什么？②在加熱的過程中，為什么要用小火，或者間斷加熱？思考①加熱使海藻酸鈉溶化是操作中最重要的一環(huán)，涉及到實(shí)驗(yàn)的成敗，一定要按照教材的提示進(jìn)行操作。

②海藻酸鈉的濃度涉及到固定化細(xì)胞的質(zhì)量。如果海藻酸鈉濃度過高，將很難形成凝膠珠；如果海藻酸鈉濃度過低，形成的凝膠珠所包埋的酵母細(xì)胞的數(shù)目少，影響實(shí)驗(yàn)效果。特別提醒【練習(xí)】將溶化好的海藻酸鈉溶液冷卻至室溫，加入已活化的酵母細(xì)胞，進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，使其混合均勻，再轉(zhuǎn)移至注射器中。操作過程：注意事項(xiàng)：①溶化好的海藻酸鈉溶液必須冷卻至室溫，否則會(huì)因溫度過高殺死酵母菌。②攪拌要徹底充分，使兩者混合均勻，以免影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察。4、海藻酸鈉溶液與酵母細(xì)胞混合5、固定化酵母細(xì)胞以恒定的速度緩慢地將注射器中的溶液滴加到配制好的CaCl2溶液中，將形成的凝膠珠在CaCl2溶液中浸泡30min左右。操作過程：①可利用海藻酸鈉制成不含酵母菌的凝膠珠，用作對(duì)照。②海藻酸鈉膠體在CaCl2這種電解質(zhì)的作用下，發(fā)生聚沉，形成凝膠珠，需穩(wěn)定30min左右。注意事項(xiàng)：①剛形成的凝膠珠應(yīng)在CaCl2溶液中浸泡一段時(shí)間，以便形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。②檢驗(yàn)?zāi)z珠的質(zhì)量是否合格，可以使用下列方法：一是用鑷子夾起一個(gè)凝膠珠放在實(shí)驗(yàn)桌上用手?jǐn)D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。二是在實(shí)驗(yàn)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。特別提醒【結(jié)果分析與評(píng)價(jià)】觀察凝膠珠的顏色和形狀【淺黃色圓形或者橢圓形】如果制作的凝膠珠顏色過淺、呈白色，說明海藻酸鈉的濃度偏低，固定的酵母細(xì)胞數(shù)目較少；如果形成的凝膠珠不是圓形或橢圓形，則說明海藻酸鈉的濃度偏高，制作失敗，需要再作嘗試。（二）用固定化酵母細(xì)胞發(fā)酵①將固定化酵母細(xì)胞（凝膠珠）用蒸餾水沖洗2－3次。②將150ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％的葡萄糖溶液轉(zhuǎn)移至200ml的錐形瓶中，再加入固定好的酵母細(xì)胞，置于25°C下發(fā)酵24h〖思考〗1、為什么要用蒸餾水沖洗凝膠珠？洗去凝膠珠表面多余的CaCl2溶液。以免對(duì)實(shí)驗(yàn)造成影響?！妓伎肌?、葡萄糖在這里有什么用？既可以作為發(fā)酵底物，也作為酵母菌細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)?！咎崾尽靠捎貌缓湍傅哪z珠做相同的處理，

對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果。觀察發(fā)酵的葡萄糖溶液；利用固定的酵母細(xì)胞發(fā)酵產(chǎn)生酒精，可以看到產(chǎn)生了很多氣泡，同時(shí)會(huì)聞到酒味?！窘Y(jié)果分析與評(píng)價(jià)】【課題延伸】希望反復(fù)使用固定化酵母細(xì)胞，就需要避免雜菌污染，在操作時(shí)需要注意無菌操作。如在工業(yè)生產(chǎn)中就是嚴(yán)格無菌條件下進(jìn)行的。固定化酵母細(xì)胞與傳統(tǒng)發(fā)酵制作果酒的區(qū)別小分子物質(zhì)各種物質(zhì)(大分子、小分子)各種物質(zhì)(大分子、小分子)反應(yīng)底物一系列單一單一或多種催化反應(yīng)是否否是否需要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)包埋法固定化化學(xué)結(jié)合固定化、物理吸附固定化無制作方法一系列酶一種一種或幾種酶的種類固定化細(xì)胞固定化酶直接使用酶比較項(xiàng)目固定化酵母細(xì)胞固定化葡萄糖異構(gòu)酶果膠酶實(shí)例反應(yīng)物不易與酶接觸，尤其是大分子物質(zhì)，可能導(dǎo)致反應(yīng)效率下降不利于催化一系列的酶促反應(yīng)①對(duì)環(huán)境條件非常敏感，易失活；②酶難回收，成本高，影響產(chǎn)品質(zhì)量缺點(diǎn)成本更低，操作更容易①既能與反應(yīng)物接觸，又能與產(chǎn)物分離，提高了產(chǎn)品質(zhì)量；②可重復(fù)使用，降低了成本催化效率高，低耗能、低污染等優(yōu)點(diǎn)固定化細(xì)胞固定化酶直接使用酶比較項(xiàng)目固定化技術(shù)應(yīng)用水精靈玩具固定化技術(shù)應(yīng)用人工種子固定化技術(shù)應(yīng)用例1.為了探索海藻酸鈉固定化對(duì)綠球藻生長(zhǎng)的影響，以及固定化藻對(duì)含Zn2+污水的凈化作用，科研人員用篩選到的一株綠球藻進(jìn)行試驗(yàn)，流程及結(jié)果如下。請(qǐng)回答下列問題：（1）實(shí)驗(yàn)中的海藻酸鈉作用是_______，CaCl2的作用是___________。（2）圖1中1.0%海藻酸鈉組培養(yǎng)24h后，移去凝膠球，溶液呈綠色，原因是________________________________________________。包埋綠球藻與海藻酸鈉反應(yīng)形成穩(wěn)定凝膠球海藻酸鈉濃度過低或（凝膠球孔徑過大）（3）為探索固定化藻對(duì)含Zn2+污水的凈化作用，應(yīng)選用濃度為________海藻酸鈉制備凝膠球。（4）圖2中空白凝膠球組Zn2+濃度下降的原因是___________________。結(jié)合圖1和圖2分析，固定化藻的實(shí)驗(yàn)組24～48h間Zn2+濃度下降速度較快的1主要原因是________________________；72～96h間Zn2+濃度下降速度較慢的原因有__________________________。2.0%凝膠球吸附Zn2+綠球藻生長(zhǎng)（增殖）速度快綠球藻生長(zhǎng)（增殖）速度減慢，溶液中Zn2+濃度較低例2.櫻桃番茄富含多種天然有機(jī)酸、人體必需氨基酸、維生素和多種礦物質(zhì)，但因其含糖量不高，影響酒精發(fā)酵效果，經(jīng)實(shí)踐摸索，調(diào)整發(fā)酵工藝，櫻桃番茄成為釀造保健酒的好原料。下圖1是利用固定化酵母或游離酵母發(fā)酵櫻桃番茄果酒的工藝流程，請(qǐng)分析回答：

圖2圖3(1)圖2是固定化酵母發(fā)酵與游離酵母發(fā)酵的對(duì)比結(jié)果，從圖中可以看出，兩者發(fā)酵速率相近，但發(fā)酵前期游離發(fā)酵比固定發(fā)酵產(chǎn)生的酒精量多，主要原因是________________；后期游離酵母發(fā)酵速度減慢，除了底物濃度降低外，還可能是因?yàn)開____________________。(2)為探究固定化酵母重復(fù)使用的效果，對(duì)固定化酵母進(jìn)行了2次連續(xù)的重復(fù)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，圖3是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，試分析在第2次發(fā)酵前期，酵母降糖速度明顯加快的原因__________。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明固定化細(xì)胞具有________的優(yōu)點(diǎn)。游離酵母和營(yíng)養(yǎng)液的接觸更充分，酒精排出更快酒精對(duì)游離酵母的抑制作用更強(qiáng)固定化材料中的活酵母細(xì)胞數(shù)量比第一次多可反復(fù)利用1.下列關(guān)于固定化酶和固定化細(xì)胞的敘述,錯(cuò)誤的是（

）A.固定化酶的主要目的是實(shí)現(xiàn)酶的重復(fù)利用B.溶解氧交換受阻是固定化酶應(yīng)用的重要限制因素C.固定化細(xì)胞用于生產(chǎn)能分泌到細(xì)胞外的產(chǎn)物D.凝膠與被包埋細(xì)胞之間不是通過共價(jià)鍵結(jié)合B變式訓(xùn)練2．相對(duì)固定化酶而言，固定化細(xì)胞對(duì)酶的活性影響較小，