1、专题4酶的研究与应用 一、影响果汁产量的物质及处理方法1.影响果汁产量的物质纤维素和果胶是组成水果的重要物质,这两种物质的存在使制作果汁时存在两个问题:一是果肉的出汁率低,耗时长;二是榨取的果汁浑浊、黏度高、容易发生沉淀。2.处理方法酶解法常用的酶及其作用特点如下:专题4酶的研究与应用 组成本质作用果胶酶多聚半乳糖醛酸酶、果胶分解酶、果胶酯酶蛋白质催化果胶水解成为可溶性半乳糖醛酸纤维素酶C1酶Cx酶葡萄糖苷酶蛋白质纤维素纤维二糖葡萄糖专题4酶的研究与应用果胶酶和纤维素酶都是复合酶,并不特指某一种酶,而是一类酶的总称。二、探究酶活性最适条件和用量的实验设计1.探究酶活性最适条件的实验设计(1)思
2、路方法探究不同温度(或pH)对果胶酶活性的影响时,温度(或pH)作为自变量,有效地控制其他无关变量,通过设置合理的温度(或pH)梯度来确定最专题4酶的研究与应用适值。(2)注意事项在苹果泥和果胶酶混合之前,一定要保证底物和酶达到相应的条件(温度或pH),避免混合后条件变化,确保实验结果的准确性。(3)衡量实验结果的指标在相同时间内,滤出苹果汁的体积;观察苹果汁的澄清度。2.探究果胶酶的用量(1)原理提示专题4酶的研究与应用本实验是一个探究性的定量实验,所测出的最适用量是在本实验的温度、pH条件下测出的,因而果胶酶的最适用量应标明温度和pH。(2)确定最适用量的方法如果随酶浓度的增加,过滤到的果
3、汁的体积也增加,说明酶的用量不足;当酶的浓度增加到某个值后,再增加酶的用量,过滤到的果汁的体积不再改变,说明酶的用量已经足够,那么,这个值就是酶的最适用量.实验的自变量和无关变量是由实验目的决定的,如探究果胶酶的用量,则果胶酶的用量为自变量,其他如果汁的体积、温度、pH等都是专题4酶的研究与应用无关变量。控制自变量要遵守单一变量原则,控制无关变量要遵守等量原则。在工业生产果汁时,常常利用果胶酶破除果肉细胞壁以提高出汁率,为了研究温度对果胶酶活性的影响,某同学设计了如下实验:1例专题4酶的研究与应用.将果胶酶与苹果泥分装于不同试管,在10 水浴中恒温处理10分钟(如图甲)。.将果胶酶与苹果泥混合
4、,再次在10 水浴中恒温处理10分钟(如图乙)。.将步骤处理后的混合物过滤,收集滤液,测果汁量(如图丙)。.在不同温度条件下重复以上实验步骤,并记录果汁量,结果如下表:温度/10 203040506070果汁量/mL8131525151211专题4酶的研究与应用根据上述实验,请分析回答下列问题。(1)果胶酶能破除细胞壁,是因为果胶酶可以促进细胞壁中 的水解。(2)实验结果表明,当温度为 时果汁量最多,此时果胶酶的活性 。(3)为什么此实验可以通过测量滤出的苹果汁的体积大小来判断果胶酶活性的高低?。(4)下列A、B、C图依次表示果胶酶浓度一定时,果胶酶的反应速率与反应物浓度、温度、pH之间的关系
5、。专题4酶的研究与应用 图A中,反应物达到某一浓度时反应速率不再上升的原因是 。图B中,曲线ab段表明 ,曲线bc段表明 。将装有果胶酶与反应物的甲、乙两支试管分别放入12 和90 水浴锅中,20分钟后取出转入40 的水浴锅中保温,两支试管内的反专题4酶的研究与应用应是:甲 ,乙 。图C表示果胶酶浓度、反应物浓度、温度等一定时,果胶酶催化反应的速率随pH变化的曲线,实验时可根据 来判定果胶酶的最适pH。解析:(1)果胶酶能够把果胶分解成可溶性的半乳糖醛酸。(2)根据表格可知,40 时果汁量最多,则此温度时酶活性最大。(3)果胶酶将果胶分解为小分子物质,这些物质可以通过滤纸,苹果汁体积越大,表明
6、果胶酶活性越高。(4)酶是生物体内具有催化能力的有机物,绝大多数是蛋白质,其催化解析解析专题4酶的研究与应用效率受反应物浓度、温度、pH等的影响。图A中,当反应物在低浓度范围内增加时,反应速率迅速上升;当反应物达到一定浓度时,随反应物浓度增加,反应速率不再增加。这是因为酶虽然有高效性,但催化能力也有一定限度,当所有酶都发挥了最高效能后,反应物浓度再增加,反应速率也不增加,这时受酶浓度限制。图B中,从a点到b点曲线上升,这是因为温度升高,酶活性升高。曲线bc段下降,因为温度超过最适温度,酶活性降低。由于甲试管温度较低,所以酶活性较低,反应速率很慢,当转入40(酶反应的适宜温度)的水浴锅中加热时,
7、其反应速率迅速增加。乙试专题4酶的研究与应用管在90 高温下,酶结构被破坏,酶变性失活,当转入40 的水浴锅中保温时,酶活性也不再恢复,故无催化反应。图C表示当果胶酶浓度、反应物浓度、温度等一定时,果胶酶催化反应的速率随pH变化的曲线,实验时可根据果汁的量来判定果胶酶的最适pH。答案:(1)果胶(2)40 最高(3)单位时间内得到的果汁越多,说明此反应速率越快,即酶的活性越高,反之,则酶的活性越低专题4酶的研究与应用(4)受反应物中酶浓度的限制果胶酶的活性随温度升高而增大超过最适温度,酶的活性随着温度升高而降低反应速率加快无催化反应果汁的量三、酶在洗涤方面的应用1.加酶洗衣粉和酶制剂加酶洗衣粉
8、是指含有酶制剂的洗衣粉,常用酶制剂有四类:蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶和纤维素酶。2.加酶洗衣粉的去污机理专题4酶的研究与应用种类洗涤原理洗涤实例蛋白酶蛋白质小分子肽+氨基酸血渍、奶渍及各种食品类的蛋白质污垢脂肪酶脂肪甘油+脂肪酸油渍、人体皮脂、口红淀粉酶淀粉麦芽糖+葡萄糖来自面条、巧克力等的污垢专题4酶的研究与应用纤维素酶使纤维的结构变得蓬松,从而使渗入到纤维深处的尘土和污垢能够与洗衣粉充分接触,达到更好的去污效果3.探究不同种类的洗衣粉的洗涤效果(1)实验原理:酶的作用有专一性,复合酶洗衣粉加入的酶制剂较多,与单一酶相比,对各种污渍都有较好的洗涤效果。专题4酶的研究与应用(2)实验变量自变量:加
9、酶洗衣粉。无关变量:其他条件相同且适宜(如温度、pH等)。(3)实验步骤专题4酶的研究与应用步骤烧杯编号注入自来水500 mL500 mL500 mL加入物质(等量)奶渍布奶渍布奶渍布控制水温37 37 37 加入洗衣粉(等量)蛋白酶洗衣粉 复合酶洗衣粉脂肪酶洗衣粉用玻璃棒搅拌5 min5 min5 min观察实验现象颜色浅已消失颜色浅专题4酶的研究与应用(2012长沙模拟)加酶洗衣粉是指含有酶制剂的洗衣粉。请回答下列问题:(1)为了探究某加酶洗衣粉中碱性蛋白酶含量与洗涤效果的关系,某同学通过实验获得如图所示的结果。由图可知,加酶洗衣粉中碱性蛋白酶的最适含量是%,本实验的自变量是 。2例专题4
10、酶的研究与应用(2)下表是围绕加酶洗衣粉的一项研究结果:温度/203040455060普通洗衣粉去污力/%1518202121.522加酶洗衣粉去污力/%304048504837专题4酶的研究与应用上述实验结果可以得出的结论有:;。(3)在使用加酶洗衣粉过程中,对于特别脏的衣服或较大的洗衣量,写出两项提高洗涤效果的措施:;。解析:(1)分析曲线,在碱性蛋白酶含量达到0.6%时去污力达到最高,再增加其含量去污力也不再增加,反而造成资源的浪费。自变量为坐标曲线的横坐标:碱性蛋白酶含量。(2)表中的结果纵向分析得出的结解析解析专题4酶的研究与应用论为:在相同温度条件下加酶洗衣粉的去污力比普通洗衣粉高
11、;横向分析加酶洗衣粉的去污力,则可知:45 左右(或4050)加酶洗衣粉的去污力最强。(3)加酶洗衣粉的洗涤效果还受水温、浸泡时间、洗衣粉用量等方面的影响。因此可通过用温水浸泡,适当延长浸泡的时间,增加洗衣粉的用量等措施来提高洗涤效果。答案:(1)0.6%碱性蛋白酶含量(2)在相同温度条件下加酶洗衣粉的去污力比普通洗衣粉高使用加酶洗衣粉时的适宜温度为45 左右(或4050)(3)用温水浸泡延长浸泡时间增加洗衣粉的用量等(任写两项)四、制备和应用固定化酶专题4酶的研究与应用1.固定化酶的应用实例:如用葡萄糖异构酶,将葡萄糖转化为果糖。固定化酶技术在反应柱上的孔应该满足酶颗粒无法通过,反应溶液可以
12、自由出入。2.固定化细胞技术(1)概念:固定化酶和固定化细胞技术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:包埋法、化学结合法和物理吸附法。(3)实验操作酵母细胞的活化专题4酶的研究与应用 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 固定化酵母细胞专题4酶的研究与应用(1)海藻酸钠溶液的配制是固定化酵母细胞的关键,因为如果海藻酸钠溶液浓度过高,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量少,都会影响实验效果。(2)CaCl2溶液的作用:使海藻酸钠胶体发生聚沉,形成凝胶珠。3.直接使用酶、固定化
13、酶、固定化细胞的比较专题4酶的研究与应用 直接使用酶固定化酶固定化细胞酶的种数一种或几种一种一系列酶制作方法化学结合固定化、物理吸附固定化包埋法固定化是否需要营养物质否否是反应底物各种物质(大分子、小分子)各种物质(大分子、小分子)小分子物质专题4酶的研究与应用缺点对环境条件非常敏感,易失活难回收,成本高,影响产品质量不利于催化一系列的酶促反应反应物不易与酶接近,尤其是大分子物质,反应效率下降优点催化效率高、耗能低、污染低既能与反应物接触,又能与产物分离可以反复利用成本低、操作容易专题4酶的研究与应用(2010江苏单科)如图1表示制备固定化酵母细胞的有关操作,图2是利用固定化酵母细胞进行酒精发
14、酵的示意图,下列叙述不正确的是()3例专题4酶的研究与应用 A.刚溶化的海藻酸钠应迅速与活化的酵母菌混合制备混合液B.图1中X溶液为CaCl2溶液,其作用是使海藻酸钠形成凝胶珠答案:AC.图2发酵过程中搅拌的目的是为了使培养液与酵母菌充分接触D.图1中制备的凝胶珠用蒸馏水洗涤后再转移到图2装置中解析:刚溶化的海藻酸钠应冷却至室温后与活化的酵母细胞混合,A项错误;图1中CaCl2溶液可使海藻酸钠形成凝胶珠,B项正确;图2中要进行搅拌以使培养液与细胞充分接触,C项正确;图1中制备的凝胶珠要经过洗涤再移到图2 装置中,D项正确。解析解析专题4酶的研究与应用1.酶是生物体内细胞合成的生物催化剂,没有酶
15、,生物体内的几乎所有代谢反应都不能进行。随着生物科学技术的发展,酶已经走出实验室走进人们的生产和生活。果胶酶能够分解果胶,瓦解植物的细胞壁及胞间层,使榨取果汁更容易,也使得浑浊的果汁变得更加澄清。请回答下列有关酶的问题:(1)每当到了丰收的季节,苹果堆满了仓库,如果交通不便,就会有很多苹果因保存不当或不能及时运出,而渐渐腐烂变质,苹果腐烂的原因是 ;专题4酶的研究与应用 。其中能使苹果腐烂的微生物的同化作用类型是 ,为了减少损失,提高产品的经济效益,人们想到了榨取果汁,要想使果汁尽可能多地榨出来,应加入果胶酶,在该物质的作用下,果胶分解成可溶性的 。(2)探究温度对果胶酶活性影响的实验步骤:a
16、.用搅拌器制苹果泥,并适量且等量地注入到6支试管中;同时另取6支试管各注入适量且等量的果胶酶溶液;b.取6个烧杯分别编号1、2、3、4、5、6,依次注入适量30、35、40、45、50、55 的水,恒温水浴;专题4酶的研究与应用c.每一烧杯中分别放入装有等量苹果泥和果胶酶的试管,保温3 min;d.将各组烧杯中试管内的苹果泥和果胶酶混合均匀,振荡试管,反应一段时间;e.过滤,比较获得苹果汁的体积。c中将分别装在不同试管中的苹果泥和果胶酶恒温处理的目的是 。有人认为该实验缺乏对照,应补充一组苹果泥和蒸馏水相混合的实验,你认为有没有必要?。专题4酶的研究与应用若继续探究果胶酶的最适用量,则在实验过
17、程中温度、等因素应保持不变。(列举两个)(3)由霉菌发酵生产的果胶酶是食品加工业中使用量较大的酶制剂之一,若通过固定化霉菌细胞生产果胶酶,则在配制海藻酸钠溶液时,要注意 ,否则可能出现焦糊。固定化细胞技术一般采用包埋法固定化,原因是 。(4)加酶洗衣粉中应用最广泛、效果最明显的是 酶和 酶,其中前者能将血渍、奶渍等含有的 水解成 使污渍容易脱落,后者可将脂肪水解成 和 。专题4酶的研究与应用解析:(1)苹果堆满仓,由于空气不通畅,易使其进行无氧呼吸产生酒精而使之腐烂,除此之外,还寄生有微生物,以腐烂的苹果为有机物的来源,其同化作用类型为异养型,果胶酶瓦解细胞壁及胞间层使果胶分解成半乳糖醛酸。(
18、2)探究温度对酶活性影响的实验中,温度是自变量,但为了保证实验的正常进行,必须预先达到实验要求条件,该实验利用温度梯度作为相互对照,因此也就没必要补充苹果泥和蒸馏水相混合的实验作对照了。(3)固定化细胞技术操作时,为了避免海藻酸钠溶液出现焦糊,要注意用小火加热或间断加热,由于细胞体积大,不易从包埋材料中漏出,所以固定化细胞技术一般采用包埋法固定化。(4)由于生活用水多呈弱碱性,所以碱性酶制剂的使用效果更佳。专题4酶的研究与应用答案:(1)无氧呼吸产生酒精使细胞死亡微生物侵染异养型半乳糖醛酸(2)保证底物和酶在混合时的温度是相同的没有pH、苹果泥含量(3)加热时用小火或间断加热细胞体积大,不易从
19、包埋材料中漏出(4)碱性蛋白碱性脂肪蛋白质氨基酸或小分子的肽甘油脂肪酸专题4酶的研究与应用2.(2012陕西咸阳)某工厂生产了一种加酶洗衣粉,其包装袋上印有如下说明:成分:含碱性蛋白酶等。用法:洗涤前先将衣服浸于洗衣粉水内数小时。使用温水效果最佳。注意:切勿用于丝质及羊毛衣料。用后彻底清洗双手。请回答下列问题:(1)质检局针对该洗衣粉设计了如下装置进行实验:专题4酶的研究与应用 该实验的目的是 。(2)一学生为探索该洗衣粉中酶催化作用的最适温度,参考上述(1)的实验材料及方法进行了如下实验,并把结果用曲线图A、B表示。专题4酶的研究与应用 由图可知,使用该加酶洗衣粉的最适温度约为 。在0 和7
20、5 时,酶的催化效率基本都降为零,但温度再回到45,后者的催化作用已不能恢复,这是因为 。该学生在实验过程中可通过观察 专题4酶的研究与应用现象判断酶的催化效率。(3)该加酶洗衣粉的去污原理是 。(4)大力推广使用加酶洗衣粉代替含磷洗衣粉,有利于生态环境保护,这是因为 。解析:(1)比较两组装置知自变量为洗衣粉中是否含有蛋白酶(未煮沸的洗衣粉与煮沸的洗衣粉、蛋白膜的胶片);(2)0 时酶的活性受到抑制,适宜温度下能够恢复;高温时酶变性失活且不能恢复;分析曲线,该酶的最适温度为45 左右,可通过观察蛋白膜消失时间的长短来判断催化效率的高低;(3)洗衣粉中蛋白酶的作用原理是将污物中的蛋白质分解为小
21、分子的肽和氨基酸,从而容易从衣物上脱落;(4)加酶解析解析专题4酶的研究与应用洗衣粉中的酶本身无毒且能降解,而且降低了磷的含量,不会引起水体富营养化等环境污染。答案:(1)检查该洗衣粉是否含蛋白酶(2)45 酶的活性已丧失胶片上的蛋白膜消失时间的长短(3)用蛋白酶分解衣服中的污垢,所含的蛋白质变为易分解的小分子,使之洗去(4)酶本身无毒,含量少,又能被微生物分解,不会引起富营养化,对环境无污染专题4酶的研究与应用3.酿造工业中经常使用酵母菌,某科研小组对固定化技术在酿酒酵母上的应用做了一些研究。下表是海藻酸钠浓度和氯化钙浓度对固定化酵母的影响实验数据表,下图是在相同的发酵条件下,固定化酵母与游
22、离酵母3次循环发酵的糖度变化比较曲线图,请分析回答下列问题。海藻酸钠与氯化钙浓度对固定化酵母的影响专题4酶的研究与应用海藻酸钠(%)22.5322.5322.53CaCl2(%)222333444固定化强度(g/30个)9309509901 030 1 100 1 140 1 170 1 170 1 160专题4酶的研究与应用酒精量(%)6.76.56.56.76.46.26.76.46.2残糖量(%)2.52.752.752.602.652.652.652.752.75专题4酶的研究与应用(1)固定酵母细胞的方法常用 法,实验中要注意将刚溶化好的海藻酸钠溶液 后,加入已活化的酵母细胞,进行充
23、分搅拌.专题4酶的研究与应用(2)Ca2+是决定海藻酸钠固定化酵母机械强度的重要因素,根据表中数据分析,随着Ca2+浓度的增加,固定化酵母的强度 ,最终选择海藻酸钠与氯化钙的浓度分别为 时固定化效果好。海藻酸钠是一种多孔性载体,在一定浓度范围内选择较低的海藻酸钠的浓度进行固定化酵母,产生酒精量较高的原因是 。(3)由曲线图可以看出,发酵速度较快,游离酵母在重复使用 次后,其活性完全丧失,由此也可见固定化酵母细胞的优点是 。专题4酶的研究与应用解析:(1)细胞常用包埋法固定,刚溶化好的海藻酸钠要冷却到室温后再加入酵母细胞,防止高温杀死细胞。(2)由表中数据可见,随着Ca2+浓度的增加,固定化酵母
24、的强度逐渐增大并趋于稳定;固定化效果最好的除看固定化强度还要看产酒精量;一定范围内海藻酸钠浓度较低,则凝胶珠的相对渗透性较强,利于底物的进入和产物的排出。(3)比较a、b、c图,可见固定化酵母作用下残糖量较低,而游离酵母在使用2次后则失去作用,即固定化酵母可以重复使用。答案:(1)包埋冷却专题4酶的研究与应用(2)增加2%、4%凝胶珠的相对渗透性较强,利于底物的进入和产物的排出(3)固定化酵母2可以重复使用专题4酶的研究与应用4.下面是制备固定化酵母细胞的实验步骤,请回答: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
25、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 两种方法。(3)影响实验成败的关键步骤是 。专题4酶的研究与应用(4)海藻酸钠溶化过程的注意事项是 。(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 。(6)该实验中CaCl2溶液的作用是 。解析:本题考查固定化的方法及酵母细胞固定化的步骤,要注意酵母细胞活化的概念、选择较大容器的原因;操作步骤中关键是配置海藻酸钠溶液,既要注意浓度,又要注意小火间断加热;CaCl2溶液能使胶体聚沉,使海
26、藻酸钠形成凝胶珠。解析解析专题4酶的研究与应用答案:(1)缺水正常(生活)体积会增大(增多)(2)化学结合法物理吸附法(3)配制海藻酸钠溶液(4)小火加热(小火间断加热)不断搅拌(5)较少 (海藻酸钠浓度偏高)制作失败(6)使胶体聚沉(或形成稳定的结构)专题4酶的研究与应用5.(2012江西景德镇)“葡萄美酒夜光杯,欲饮琵琶马上催。醉卧沙场君莫笑,古来征战几人回。”人类利用微生物发酵制作果酒、果醋的历史源远流长。请回答以下与发酵有关的问题:(1)喝剩的葡萄酒放置一段时间后变酸的原因是 。(2)酵母菌进行酒精发酵一般将温度控制在 。传统葡萄酒发酵技术所使用的酵母菌的来源是 。葡萄酒呈现深红色的原
27、因是 。专题4酶的研究与应用(3)某研究性学习小组用固定化的酵母细胞发酵无菌麦芽汁制酒,发酵条件符合操作要求,10天后检查发酵瓶发现麦芽汁几乎无酒味,请分析发酵失败可能的原因:;。(4)该小组同学用琼脂作载体,用包埋法固定淀粉酶来探究固定化酶催化效果。实验结果如下:(注:假设加入试管中的固定化淀粉酶量与普通淀粉酶量相同)专题4酶的研究与应用 1号试管2号试管固定化淀粉酶 普通淀粉酶 淀粉溶液60 保温5分钟,取出冷却至室温,滴加碘液现象变蓝不变蓝1号试管变蓝的原因是 。(5)加酶洗衣粉一般不能用于洗涤丝质及羊毛衣料,原因是 。专题4酶的研究与应用解析:(1)乙醇在醋酸菌在作用下能生成醋酸;(2
28、)酒精发酵的适宜温度是1825,传统酒精发酵技术中菌种来自附着在葡萄皮上的野生型酵母菌;葡萄酒呈红色是因为随着酒精浓度的增高,红葡萄皮的色素进入发酵液;(3)因题目强调发酵条件符合操作要求,故几乎无酒味只能从固定化酵母细胞的制作中找原因;(4)淀粉遇碘变蓝色,可见淀粉未被分解,因为淀粉分子太大难以通过琼脂扩散与淀粉酶接触而导致反应无法进行;(5)丝质及羊毛衣料的主要成分是蛋白质,会被洗衣粉中蛋白酶催化分解。答案:(1)醋酸菌发酵产生醋酸专题4酶的研究与应用(2)1825 附着在葡萄皮上的野生型酵母菌红葡萄皮的色素进入发酵液(3)海藻酸钠浓度太低,固定的酵母菌数量太少将海藻酸钠溶化时未等冷却就将活化的酵母菌液倒入(4)因为淀粉分子太大,难以通过琼脂扩散与淀粉酶接触而导致反应无法进行(5)洗衣粉中蛋白酶会将丝绸及羊毛衣物中的蛋白质成分水解,损坏衣物
