1、课题3酵母细胞的固定化一、固定化酶的应用实例一、固定化酶的应用实例生产高果糖浆生产高果糖浆1.1.反应原理反应原理: :葡萄糖葡萄糖 果糖。果糖。2.2.葡萄糖异构酶的优缺点葡萄糖异构酶的优缺点: :(1)(1)优点优点: :这种酶的这种酶的_较好较好, ,能持续发挥作用。能持续发挥作用。(2)(2)缺点缺点: :酶溶解于葡萄糖溶液后酶溶解于葡萄糖溶液后, ,无法从糖浆中回收无法从糖浆中回收, ,造成很大造成很大的浪费。的浪费。_葡萄糖异构酶葡萄糖异构酶稳定性稳定性3.3.使用固定化酶的生产原理使用固定化酶的生产原理: :将葡萄糖异构酶固定在颗粒状的将葡萄糖异构酶固定在颗粒状的_上上, ,再将
2、这些酶颗粒装入再将这些酶颗粒装入_中中, ,柱子底端装上分布着柱子底端装上分布着许多小孔的筛板。许多小孔的筛板。_无法通过筛板上的小孔无法通过筛板上的小孔, ,而而_可以自由出入。可以自由出入。4.4.生产操作生产操作: :(1)(1)将将_溶液从反应柱的上端注入。溶液从反应柱的上端注入。(2)(2)使葡萄糖溶液流过反应柱使葡萄糖溶液流过反应柱, ,与与_接触。接触。(3)(3)转化成的果糖转化成的果糖, ,从反应柱的下端流出。从反应柱的下端流出。载体载体反应柱反应柱酶颗粒酶颗粒反应溶反应溶液液葡萄糖葡萄糖固定化葡萄糖异构酶固定化葡萄糖异构酶二、固定化技术的方法二、固定化技术的方法1.1.固定
3、化酶和固定化细胞技术的概念固定化酶和固定化细胞技术的概念: :是指利用物理或是指利用物理或_将酶或细胞固定在一定空间内的技术。将酶或细胞固定在一定空间内的技术。2.2.常用的方法常用的方法: :包埋法、包埋法、_和物理吸附法。和物理吸附法。(1)(1)酶适合采用化学结合法和酶适合采用化学结合法和_固定化固定化, ,而细胞多采而细胞多采用用_固定化。固定化。(2)(2)包埋法固定化细胞是将微生物细胞均匀地包埋在不溶于水包埋法固定化细胞是将微生物细胞均匀地包埋在不溶于水的的_中。常用的载体有明胶、琼脂糖、海藻酸钠、中。常用的载体有明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等。醋酸纤维素和聚丙烯
4、酰胺等。化学化学方法方法化学结合法化学结合法物理吸附法物理吸附法包埋法包埋法多孔性载体多孔性载体三、固定化酵母细胞实验操作三、固定化酵母细胞实验操作1.1.酵母细胞的活化酵母细胞的活化: :向盛有干酵母的小烧杯中加入向盛有干酵母的小烧杯中加入_,_,让让处于处于_状态的酵母菌恢复正常的生活状态。状态的酵母菌恢复正常的生活状态。2.2.配制配制CaClCaCl2 2溶液溶液: :配制物质的量浓度为配制物质的量浓度为0.05 mol0.05 molL L-1-1的的_溶液。溶液。3.3.配制海藻酸钠溶液配制海藻酸钠溶液: :用酒精灯加热时用酒精灯加热时, ,边加热边边加热边_,_,要用小要用小火火
5、, ,或者或者_,_,直至完全溶化。直至完全溶化。蒸馏水蒸馏水休眠休眠CaClCaCl2 2搅拌搅拌间断加热间断加热4.4.海藻酸钠溶液与酵母细胞混合海藻酸钠溶液与酵母细胞混合: :将溶化好的海藻酸钠溶液冷将溶化好的海藻酸钠溶液冷却至室温却至室温, ,加入已活化的酵母细胞加入已活化的酵母细胞, ,进行充分搅拌进行充分搅拌, ,使其混合均使其混合均匀匀, ,再转移至再转移至_中。中。5.5.固定化酵母细胞固定化酵母细胞: :以以_的速度缓慢地将注射器中的溶液滴的速度缓慢地将注射器中的溶液滴加到配制好的加到配制好的_中中, ,浸泡浸泡_min_min左右。左右。6.6.用固定化酵母细胞发酵用固定化
6、酵母细胞发酵: :将固定好的酵母细胞将固定好的酵母细胞( (凝胶珠凝胶珠) )用用_冲洗冲洗2 23 3次次, ,放入用于发酵的葡萄糖溶液中放入用于发酵的葡萄糖溶液中, ,再置于再置于2525下发酵下发酵24 h24 h后后, ,会发现有会发现有_产生产生, ,同时有酒味散发。同时有酒味散发。 注射器注射器恒定恒定CaClCaCl2 2溶液溶液3030蒸馏水蒸馏水气泡气泡【思考辨析思考辨析】1.1.判断正误判断正误(1)(1)酶的固定化提高了酶的催化效率。酶的固定化提高了酶的催化效率。( ( ) )【分析分析】酶的固定化使酶能够反复利用酶的固定化使酶能够反复利用, ,提高了酶的利用率提高了酶的
7、利用率, ,但并未提高酶的催化效率。但并未提高酶的催化效率。(2)(2)柱子底端分布着许多小孔的筛板属于半透膜。柱子底端分布着许多小孔的筛板属于半透膜。( ( ) )【分析分析】半透膜是只允许离子和小分子自由通过的膜结构。半透膜是只允许离子和小分子自由通过的膜结构。葡萄糖异构酶已经被固定在载体上葡萄糖异构酶已经被固定在载体上, ,与反应溶液的分离属于与反应溶液的分离属于较大固体颗粒与液体的分离较大固体颗粒与液体的分离, ,已超出半透膜分离溶质分子的已超出半透膜分离溶质分子的范畴。范畴。(3)(3)固定化酵母常采用化学结合法和物理吸附法。固定化酵母常采用化学结合法和物理吸附法。( ( ) )【分
8、析分析】化学结合法和物理吸附法是固定化酶常采用的方法化学结合法和物理吸附法是固定化酶常采用的方法, ,固定化酵母一般采用包埋法。固定化酵母一般采用包埋法。(4)(4)酵母细胞的固定化可提高发酵产品的质量。酵母细胞的固定化可提高发酵产品的质量。( )( )2.2.问题思考问题思考(1)(1)固定化酶和固定化酵母在营养物质提供方面有何差别固定化酶和固定化酵母在营养物质提供方面有何差别? ?提示：提示：固定化酶不需要提供营养物质固定化酶不需要提供营养物质, ,固定化酵母需要提供营固定化酵母需要提供营养物质以保证酵母菌存活。养物质以保证酵母菌存活。(2)(2)如果制作的凝胶柱颜色过浅如果制作的凝胶柱颜
9、色过浅, ,呈白色呈白色, ,则说明了什么则说明了什么? ?提示：提示：说明海藻酸钠浓度偏低说明海藻酸钠浓度偏低, ,固定的细胞数目少。固定的细胞数目少。一、直接使用酶、固定化酶、固定化细胞催化的比较一、直接使用酶、固定化酶、固定化细胞催化的比较直接使用酶直接使用酶固定化酶固定化酶固定化细胞固定化细胞酶的酶的种类种类一种或几种一种或几种一种一种一系列酶一系列酶制作制作方法方法化学结合法、化学结合法、物理吸附法物理吸附法包埋法包埋法是否是否需要需要营养营养物质物质否否否否是是直接使用酶直接使用酶固定化酶固定化酶固定化细胞固定化细胞催化催化反应反应单一或多种单一或多种单一单一一系列一系列反应反应底
10、物底物各种物质各种物质( (大分子、大分子、小分子小分子) )各种物质各种物质( (大大分子、小分子分子、小分子) )小分子小分子优点优点催化效率高、低耗催化效率高、低耗能、低污染等能、低污染等被固定的酶可被固定的酶可重复使用重复使用成本低成本低, ,操作操作更容易更容易直接使用酶直接使用酶固定化酶固定化酶固定化细胞固定化细胞缺点缺点溶液中的酶不能溶液中的酶不能回收利用回收利用, ,增加了增加了生产成本生产成本反应后酶会混在反应后酶会混在产物中产物中, ,可能影响可能影响产品质量产品质量一种酶只能催一种酶只能催化一种化学反化一种化学反应应, ,而在生产实而在生产实践中践中, ,很多产物很多产物
11、的形成都是通的形成都是通过一系列的酶过一系列的酶促反应才能得促反应才能得到的到的固定后的细胞固定后的细胞与反应物不容与反应物不容易接近易接近, ,尤其尤其是大分子物质是大分子物质, ,可能导致反应可能导致反应效率下降等效率下降等【易错提醒易错提醒】有关固定化细胞与固定化酶的两点提醒有关固定化细胞与固定化酶的两点提醒(1)(1)固定化细胞使用的都是活细胞固定化细胞使用的都是活细胞, ,应该为其提供一定的营养物应该为其提供一定的营养物质质, ,而固定化酶不需要。而固定化酶不需要。(2)(2)固定化细胞由于固定的是完整的细胞固定化细胞由于固定的是完整的细胞, ,因而酶的环境较稳定因而酶的环境较稳定,
12、 ,所以对酶的活性影响较小所以对酶的活性影响较小, ,更能抵抗外界环境的变化。更能抵抗外界环境的变化。【典例训练典例训练1 1】(2013(2013江苏高考江苏高考) )下列有关固定化酶和固定化下列有关固定化酶和固定化细胞的叙述细胞的叙述, ,正确的是正确的是( ( ) )A.A.可用包埋法制备固定化酵母细胞可用包埋法制备固定化酵母细胞B.B.反应产物对固定化酶的活性没有影响反应产物对固定化酶的活性没有影响C.C.葡萄糖异构酶固定前后专一性不同葡萄糖异构酶固定前后专一性不同D.D.固定化细胞可以催化各种反应底物的一系列反应固定化细胞可以催化各种反应底物的一系列反应【解题关键解题关键】解答本题，
13、需要注意以下两点：解答本题，需要注意以下两点：(1)(1)明确固定化的对象是细胞还是酶，不同的对象，固定化的明确固定化的对象是细胞还是酶，不同的对象，固定化的方法不同。方法不同。(2)(2)明确酶促反应中存在反馈调节，其产物可以和酶结合。明确酶促反应中存在反馈调节，其产物可以和酶结合。【解析解析】选选A A。本题考查固定化酶和固定化细胞技术。本题考查固定化酶和固定化细胞技术。A A项中，项中，固定化酵母细胞使用包埋法，固定化酶适合采用化学结合法和固定化酵母细胞使用包埋法，固定化酶适合采用化学结合法和物理吸附法，故正确。物理吸附法，故正确。B B项中，酶促反应的产物积累如项中，酶促反应的产物积累
14、如pHpH变化变化会影响酶的活性，故错误。会影响酶的活性，故错误。C C项中，酶固定前后专一性不变，项中，酶固定前后专一性不变，故错误。故错误。D D项中，固定化细胞固定的是一系列酶，可以催化一项中，固定化细胞固定的是一系列酶，可以催化一系列反应，但不能催化各种反应底物的反应，故错误。系列反应，但不能催化各种反应底物的反应，故错误。【变式训练变式训练】下列关于固定化细胞的说法错误的是下列关于固定化细胞的说法错误的是( () )A.A.固定化细胞技术是利用物理或化学方法将细胞固定在一定空固定化细胞技术是利用物理或化学方法将细胞固定在一定空间内的技术间内的技术B.B.酶固定化技术是固定化细胞技术的
15、基础酶固定化技术是固定化细胞技术的基础C.C.一般来说一般来说, ,细胞常采用物理吸附法固定细胞常采用物理吸附法固定D.D.包埋法常用的载体有明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素包埋法常用的载体有明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等和聚丙烯酰胺等【解析解析】选选C C。细胞体积大。细胞体积大, ,酶分子体积很小酶分子体积很小; ;体积大的细胞难体积大的细胞难以被吸附或结合以被吸附或结合, ,而体积小的酶容易从包埋材料中漏出而体积小的酶容易从包埋材料中漏出, ,所以酶所以酶更适合采用化学结合法和物理吸附法固定化更适合采用化学结合法和物理吸附法固定化, ,而细胞多采用包而细胞多采用包埋法
16、固定化。埋法固定化。二、固定化酵母细胞的制备与应用二、固定化酵母细胞的制备与应用1.1.固定化酵母细胞的制备固定化酵母细胞的制备: :(1)(1)酵母细胞的活化酵母细胞的活化: :在缺水的状态下在缺水的状态下, ,微生物会处于休眠状态。微生物会处于休眠状态。活化就是让处于休眠状态的微生物恢复正常的生活状态。活化就是让处于休眠状态的微生物恢复正常的生活状态。(2)(2)配制配制CaClCaCl2 2溶液溶液:0.83 g:0.83 g无水无水CaClCaCl2 2+150 mL+150 mL蒸馏水蒸馏水200 mL200 mL烧杯烧杯溶解备用。溶解备用。(3)(3)配制海藻酸钠溶液配制海藻酸钠溶
17、液:0.7 g:0.7 g海藻酸钠海藻酸钠+10 mL+10 mL水水50 mL50 mL烧杯烧杯酒精灯小火酒精灯小火( (或间断或间断) )加热加热, ,并不断搅拌并不断搅拌, ,使之溶化使之溶化蒸馏水定容蒸馏水定容至至10 mL10 mL。(4)(4)海藻酸钠溶液与酵母细胞的混合海藻酸钠溶液与酵母细胞的混合: :将溶化好的海藻酸钠溶液将溶化好的海藻酸钠溶液冷却至室温冷却至室温, ,加入已活化的酵母细胞加入已活化的酵母细胞, ,充分搅拌后吸入注射器中。充分搅拌后吸入注射器中。(5)(5)固定化酵母细胞固定化酵母细胞: :以恒定速度缓慢地将注射器中的溶液滴加以恒定速度缓慢地将注射器中的溶液滴加
18、到到CaClCaCl2 2溶液中溶液中, ,形成凝胶珠。形成凝胶珠。2.2.用固定化酵母细胞发酵用固定化酵母细胞发酵: :(1)(1)冲洗冲洗: :将固定好的酵母细胞将固定好的酵母细胞( (凝胶珠凝胶珠) )用蒸馏水冲洗用蒸馏水冲洗2 23 3次次, ,刚形成的凝胶珠应在刚形成的凝胶珠应在CaClCaCl2 2溶液中浸泡溶液中浸泡30 min30 min左右左右, ,形成稳定结形成稳定结构。构。(2)(2)发酵发酵:150 mL:150 mL质量分数为质量分数为10%10%的葡萄糖的葡萄糖200 mL200 mL锥形瓶锥形瓶加加入固定化酵母细胞入固定化酵母细胞2525发酵发酵24 h24 h。
19、【易错提醒易错提醒】制备固定化酵母细胞的三点提醒制备固定化酵母细胞的三点提醒(1)CaCl(1)CaCl2 2要称量准确要称量准确, ,不能用自来水配制溶液不能用自来水配制溶液, ,防止自来水中各防止自来水中各种离子影响实验效果种离子影响实验效果, ,应用蒸馏水。应用蒸馏水。(2)(2)制备过程严格要求无菌操作制备过程严格要求无菌操作, ,防止微生物污染。防止微生物污染。(3)(3)海藻酸钠溶液的浓度影响固定化细胞的质量海藻酸钠溶液的浓度影响固定化细胞的质量, ,如果海藻酸钠如果海藻酸钠浓度过高浓度过高, ,很难形成凝胶珠很难形成凝胶珠; ;如果浓度过低如果浓度过低, ,形成的凝胶珠所包形成的
20、凝胶珠所包埋的酵母细胞的数目就少埋的酵母细胞的数目就少, ,影响实验效果。影响实验效果。【典例训练典例训练2 2】(2010(2010江苏高考改编江苏高考改编) )如图如图1 1表示制备固定化酵表示制备固定化酵母细胞的有关操作母细胞的有关操作, ,图图2 2是利用固定化酵母细胞进行酒精发酵的是利用固定化酵母细胞进行酒精发酵的示意图。下列叙述不正确的是示意图。下列叙述不正确的是( () )A.A.刚溶化的海藻酸钠应迅速与活化的酵母细胞混合制备混合液刚溶化的海藻酸钠应迅速与活化的酵母细胞混合制备混合液B.B.图图1 1中中X X溶液为溶液为CaClCaCl2 2溶液溶液, ,其作用是使海藻酸钠形成
21、凝胶珠其作用是使海藻酸钠形成凝胶珠C.C.图图2 2发酵过程中搅拌的目的是使培养液与酵母细胞充分接触发酵过程中搅拌的目的是使培养液与酵母细胞充分接触D.D.图图1 1中制备的凝胶珠用蒸馏水洗涤后再转移到图中制备的凝胶珠用蒸馏水洗涤后再转移到图2 2装置中装置中【解题关键解题关键】解题关键是了解制备固定化酵母细胞的过程解题关键是了解制备固定化酵母细胞的过程, ,明明确各种溶液的作用和每个步骤的意义。溶化海藻酸钠时需要加确各种溶液的作用和每个步骤的意义。溶化海藻酸钠时需要加热热, ,图图1 1为凝胶珠的形成过程为凝胶珠的形成过程, ,图图2 2为酵母细胞发酵的过程。为酵母细胞发酵的过程。【解析解析
22、】选选A A。刚溶化的海藻酸钠溶液要冷却至室温。刚溶化的海藻酸钠溶液要冷却至室温, ,才能与才能与活化的酵母细胞混合制备混合液活化的酵母细胞混合制备混合液, ,以免高温使酵母细胞失活以免高温使酵母细胞失活; ;混合液加入混合液加入CaClCaCl2 2溶液进行固定化酵母细胞溶液进行固定化酵母细胞,CaCl,CaCl2 2溶液的作用溶液的作用是使海藻酸钠形成凝胶珠是使海藻酸钠形成凝胶珠; ;发酵过程中搅拌的目的是使培养液发酵过程中搅拌的目的是使培养液与酵母细胞充分接触与酵母细胞充分接触, ,以利于发酵过程的顺利进行以利于发酵过程的顺利进行; ;制备的凝制备的凝胶珠用蒸馏水洗涤胶珠用蒸馏水洗涤( (去除残留的去除残留的CaClCaCl2 2) )后再转移到图后再转移到图2 2装置中装置中进行发酵。进行发酵。【互动探究互动探究】(1)(1)酵母细胞固定前要活化酵母细胞固定前要活化, ,原因是什么原因是什么? ?提示：提示：让处于休眠状态的酵母细胞恢复正常的生活状态。让处于休眠状态的酵母细胞恢复正常的生活状态。(2)(2)图图2 2容器中的气泡和酒精是怎样形成的容器中的气泡和酒精是怎样形成的? ?提示：提示：酵母菌进行无氧呼吸产生酵母菌进行无氧呼吸产生COCO2 2( (形成气泡形成气泡) )和酒精。和酒精。
