《制备和应用固定化酶》教案

7/7第二节制备和应用固定化酶●学习目标1．结合酶固定化技术的相关介绍理解固定化酶的概念、特点及制备固定化酶的方法。2．结合固定化细胞技术的相关介绍理解其方法、优点、缺点。●课标解读1．掌握制备固定化酶的常用方法。2．掌握酵母菌细胞的固定化技术。●教学地位本节内容涉及固定化酶和固定化细胞的相关知识，特点是制备技术及相关的优缺点，是高考中的常考点。●教法指导1．可利用实例分析固定化酶和固定化细胞技术。2．可利用多媒体方法展示、酵母菌细胞固定化技术的操作流程。●新课导入建议可利用固定化酶技术生产高果糖浆的实例引入本课。课标解读重点难点1.掌握制备固定化酶的常用方法。2.掌握酵母菌细胞的固定化技术。1.制备固定化酶的常用方法。(重点)2.酵母菌细胞的固定化技术。(重难点)一固定化酶技术1.固定化酶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。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。2．制备固定化酶的方法(1)吸附法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)交联法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。思考交流1．对固定酶的作用影响最小的固定方法是哪一种？【提示】吸附法。二固定化细胞技术1.最广泛的细胞固定化方法凝胶包埋法是应用最广泛的细胞固定化方法，适用于各种微生物、动物和植物细胞的固定化。所使用的载体主要有琼脂、海藻酸钠凝胶、角叉菜胶、明胶等。2．优点(1)无须进行酶的分离和纯化，减少了酶的活力损失，降低了生产成本。(2)不仅可以作为单一的酶发挥作用，且可以利用细胞中所含的复合酶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。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，使营养物质和产物的扩散受到一定的限制。(3)在好氧性发酵中，溶解氧的传递和输送成为关键性的限制因素。思考交流2．固定化细胞为什么只能用于生产胞外酶和其他能分泌到细胞外的产物？【提示】因为固定化细胞固定的是活细胞，细胞膜具有选择透过性，细胞内有用的物质(如胞内酶)是不能自由进出细胞的。正误判断1．酶在催化时会发生变化，不可反复利用。(×)【提示】在催化反应前后性质不变，可反复利用。2．固定化酶技术所用的固定载体一般为液相的。(×)【提示】固定载体一般为固相的。3．固定化植物细胞可以生产各种色素、香精、药物、酶等。(√)4．活化酵母菌细胞的方法是高温加热后冷却至45℃。(×)【提示】加入蒸馏水用玻璃棒搅拌，活化1h。一固定化酶技术【问题导思】①酶的固定方法有哪些？优点分别是什么？②固定化酶只能催化一种或一类生化反应吗？1．制备固定化酶的常用方法可用下图所示：2．常用的制备固定化酶的方法固定化酶法原理固定载体优点吸附法离子键作用、物理吸附纤维素、琼脂糖等多糖类或多孔玻璃、离子交换树脂等载体交联法酶和多功能试剂之间形成共价键利用多功能试剂进行酶与载体之间的交联，从而得到三维的交联网架结构工艺简便且条件温和，在生产上应用广泛，而且稳定性能好包埋法将酶包埋能固化的载体中酶包裹在聚丙烯酰胺凝胶等高分子凝胶中，或包裹在硝酸纤维素等半透性高分子膜中，前者包埋成格子型，后者包埋成微胶囊型名师点拨固定化酶可循环反复使用，在生产中，可通过离心法或过滤法把酶与反应液相互分开，在大规模的生产中所需工艺设备比较简单易行，而且稳定性能好。二酵母菌细胞的固定化技术【问题导思】①为什么要等海藻酸钠溶液冷却后才能加入酵母细胞？②制备过程为什么需要无菌操作？凝胶珠检测有哪些指标？1．操作流程准备各种实验药品和器具↓制备麦芽汁↓活化酵母菌细胞↓制备固定化细胞↓浸泡凝胶珠，用蒸馏水洗涤↓发酵麦芽汁2．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)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。(4)固定化酵母菌细胞时，应将海藻酸钠与酵母菌细胞的混合液用注射器缓慢滴加到饱和硼酸氯化钙溶液中，而不是注射，以免影响凝胶珠的形成。名师点拨1．凝胶珠的检测。刚形成的凝胶珠应在饱和硼酸氯化钙溶液中浸泡一段时间，以便形成稳定的结构。检验凝胶珠的质量是否合格可以使用下列方法：一是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；二是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。2．观察凝胶珠的颜色和形状。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，固定的酵母菌细胞数目较少；如果形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形，则说明海藻酸钠的浓度偏高，制作失败，需要重新尝试。1．关于固定化酶中的酶，说法正确的是()A．酶的种类多样，可催化一系列的酶促反应B．酶被固定在不溶于水的载体上，可反复利用C．酶作为催化剂，反应前后结构不改变，所以固定化酶可永远利用下去D．固定化酶由于被固定在载体上，所以丧失了酶的高效性和专一性特点【解析】固定化酶不能催化一系列的酶促反应，因此A项错误；固定化酶被固定在不溶于水的载体上，可以重复利用，但是随着利用次数的增加，受到外界因素的影响，其活性会逐渐降低，但固定化酶仍有高效性和专一性的特点，即C、D项错误，只有B项正确。【答案】B2．试分析下图中，哪一种与用海藻酸钠作载体制备的固定化酵母细胞相似()【解析】A、B选项适合于酶的固定化，C选项既用于酶固定，也可用于细胞固定。制备固定化酵母细胞用的是包埋法，即将酵母菌包埋在海藻酸钠制成的凝胶珠中，所以与D选项最相似。【答案】D3．下列在制备固定化酵母细胞的操作中，正确的是()A．制备好海藻酸钠后，需立即将其与酵母细胞混合以防凝固B．制备固定化酵母细胞过程应用注射器C．以恒定的速度把混合液注射到CaSO4溶液内D．凝胶珠在CaCl2溶液中应浸泡10min左右【解析】海藻酸钠应先冷却至45℃，否则会把酵母细胞杀死。凝胶珠应在CaCl2溶液中浸泡30min左右。【答案】B4．下列说法中不正确的是()A．固定化酶和固定化细胞在应用上的主要区别是后者需要一定的营养B．固定化酶技术一次只能固定一种酶C．固定化酶和固定化细胞的共同点之一是酶都是在细胞外起作用D．固定化酶和固定化细胞都能反复使用【解析】固定化酶是在细胞外起作用，而固定化细胞产生的酶还可以在细胞内起作用。【答案】C5．下列叙述正确的是()A．一种固定化酶能催化一系列的化学反应B．固定化细胞能产生一系列酶C．固定化细胞产生的酶，其活性更容易受影响D．固定化酶更适合大分子反应物【解析】固定化酶一般只能催化一种化学反应；而固定化细胞则能产生一系列酶，故能催化一系列化学反应；固定化细胞和固定化酶在作用上的原理是相同的，且固定化细胞能不断地产生酶和催化所需要的辅助因子，效果更好。固定化酶不能从固定的材料中漏出，因此用于固定的材料所设计的孔不能大，若催化的反应物过大，酶和反应物不能接触，故达不到催化的目的。【答案】B6．固定化酶和固定化细胞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，其中适合细胞固定的方法是()A．包埋法 B．物理吸附法C．化学结合法 D．高温冷却法【解析】固定化酶常用物理吸附法和化学结合法，因为酶分子较小；而固定化细胞常用包埋法，因为细胞较大，难以被吸附或结合。【答案】A7．下列说法不正确的是()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．由于细胞个大，而酶分子很小，因此细胞多采用物理吸附法固定D．反应物是大分子物质应采用固定化酶【解析】在酶和细胞的固定化技术中通常有包埋法、化学结合法和物理吸附法，其中由于酶分子小，又多带有电荷，易从多孔性物质中漏出，因此多使用化学结合法与物理吸附法，而细胞个体大，难以被多孔性物质吸附或结合，因而应用包埋法。【答案】C8．许多病原菌对青霉素产生了抗药性，科学家用青霉素酰化酶研制出了氨苄青霉素。利用固定化青霉素酰化酶反应器除严格控制温度和pH外，还必须严格要求的条件是()A．高压 B．无菌C．搅拌 D．光照【解析】固定化青霉素酰化酶反应器，同一般的化工容器一样，对温度和pH等条件进行严格控制，但不需要光照、高压、搅拌等条件，为防止杂菌感染，酶反应器必须无菌。【答案】B9