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1、课题课题3酵母细胞的固定化酵母细胞的固定化课标领航课标领航1说说出出固固定定化化细细胞胞和和固固定定化化酶酶的的作作用用和和原原理。理。2尝尝试试制制备备固固定定化化酵酵母母细细胞胞，并并利利用用固固定定化酵母细胞进行酒精发酵。化酵母细胞进行酒精发酵。3结结合合必必修修教教材材有有关关酶酶的的性性质质及及作作用用特特点点等等分分析析固固定定化化酶酶和和固固定定化化细细胞胞在在生生产产实实践践中中的优越性。的优越性。【重重点点】固固定定化化细细胞胞和和固固定定化化酶酶的的作作用用及及原理。原理。【难点】【难点】固定化酵母细胞的制备。固定化酵母细胞的制备。情境导引情境导引20世世纪纪70年年代代后
2、后期期出出现现了了固固定定化化细细,胞胞技技术术。通通过过各各种种方方法法将将细细胞胞与与一一定定的的载载,体体结结合合，使使细细胞胞仍仍保保持持原原有有的的生生物物活活性性，这这,一一过过程程称称为为细细胞胞的的固固定定化化。固固定定化化细细胞胞仍仍,能能进进行行正正常常的的生生长长、繁繁殖殖和和代代谢谢，可可以以像像游游,离离的的细细胞胞一一样样用用于于发发酵酵生生产产。1976年年，法法国国科科学学家家首首次次用用固固定定化化酵酵母母菌菌细细胞生产啤酒和酒精。胞生产啤酒和酒精。基基础自主梳理自主梳理一、固定化酶的应用实例一、固定化酶的应用实例1能将葡萄糖转化为果糖的酶是能将葡萄糖转化为果
3、糖的酶是_，该酶稳定性好。，该酶稳定性好。2反应柱上的孔应满足反应柱上的孔应满足_无法通过，反无法通过，反应溶液可以自由通过。应溶液可以自由通过。二、固定化酶和固定化细胞技术二、固定化酶和固定化细胞技术1概念：利用概念：利用_或或_方法将酶或细方法将酶或细胞固定在一定空间内的技术。胞固定在一定空间内的技术。葡萄糖异构酶葡萄糖异构酶酶颗粒酶颗粒物理物理化学化学2方法：包括方法：包括_、化学结合法和、化学结合法和_。细胞多采用。细胞多采用_固定化，而酶固定化，而酶多采用多采用_和物理吸附法固定化。和物理吸附法固定化。3载体：包埋法固定化细胞常用的是载体：包埋法固定化细胞常用的是_载载体材料，如明胶
4、、琼脂糖、体材料，如明胶、琼脂糖、_、醋酸纤维素、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺。和聚丙烯酰胺。4优点优点(1)固定化酶既能与固定化酶既能与_接触，又能与接触，又能与_分分离，可以反复利用。离，可以反复利用。(2)固定化细胞技术制备的成本更低，操作更容易。固定化细胞技术制备的成本更低，操作更容易。包埋法包埋法物理吸附法物理吸附法包埋法包埋法化学结合化学结合海藻酸钠海藻酸钠反应物反应物产物产物微生物细胞微生物细胞思考感悟思考感悟为为什什么么酶酶适适合合采采用用化化学学结结合合法法和和物物理理吸吸附附法法固固定定化，而细胞多采用包埋法固定化？化，而细胞多采用包埋法固定化？【提示】【提示】细胞体积大，而酶分
5、子很小，个大的细胞体积大，而酶分子很小，个大的细胞难以被吸附或结合，而个小的酶容易从包埋细胞难以被吸附或结合，而个小的酶容易从包埋材料中漏出。材料中漏出。三、实验操作程序三、实验操作程序1酵酵母母细细胞胞的的活活化化：向向干干酵酵母母中中加加入入_，使其恢复正常的使其恢复正常的_。2配制配制CaCl2溶液。溶液。3配配制制海海藻藻酸酸钠钠溶溶液液。在在加加热热时时要要用用小小火火或或_。4海藻酸钠溶液与海藻酸钠溶液与_混合。混合。5固定化酵母细胞。固定化酵母细胞。6用固定化酵母细胞发酵：将凝胶珠加入用于发用固定化酵母细胞发酵：将凝胶珠加入用于发酵的酵的_溶液后，发现有溶液后，发现有_产生，同时
6、有产生，同时有酒味散发。酒味散发。蒸馏水蒸馏水生活状态生活状态间断加热间断加热酵母细胞酵母细胞葡萄糖葡萄糖气泡气泡核心要点突破核心要点突破要点一要点一直接使用酶、固定化酶、固定化细胞直接使用酶、固定化酶、固定化细胞的比较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种数酶的种数一种或几种一种或几种一种一种一系列酶一系列酶常用载体常用载体高岭土、皂土、高岭土、皂土、硅胶、凝胶硅胶、凝胶明胶、琼脂糖、明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸海藻酸钠、醋酸纤维素、聚丙烯纤维素、聚丙烯酰胺酰胺制作方法制作方法化学结合固定化、化学结合固定化、物理吸附固定化物理吸附固定化包埋法固定化包埋法固定化是
7、否需要营养物是否需要营养物质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反应催化反应单一或多种单一或多种单一单一一系列一系列反应底物反应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(大分大分子、小分子子、小分子)小分子物质小分子物质缺点缺点对环境条件非对环境条件非常敏感，易失活常敏感，易失活难回收，成本难回收，成本高，影响产品质高，影响产品质量量不利于催化一不利于催化一系列的酶促反系列的酶促反应应反应物不易与反应物不易与酶接近，尤其酶接近，尤其是大分子物质，是大分子物质，反应效率下降反应效率下降优点优点催化效率高、耗催化效率高、耗能低、低污
8、染能低、低污染既能与反应既能与反应物接触，又能物接触，又能与产物分离与产物分离可以反复利用可以反复利用成本低、操作成本低、操作容易容易特别提醒特别提醒(1)固固定定化化细细胞胞使使用用的的都都是是活活细细胞胞，因因而而为为了了保保证证其其生生长长、增增殖殖的的需需要要，应应该该为为其其提提供供一一定定的的营养物质。营养物质。(2)固定化细胞由于保证了细胞的完整性，因而固定化细胞由于保证了细胞的完整性，因而酶的环境改变小，所以对酶的活性影响较小。酶的环境改变小，所以对酶的活性影响较小。(2011年年南南京京市市高高二二检检测测)下下列列关关于于固固定定化化酶酶和固定化细胞的叙述中，正确的是和固定
9、化细胞的叙述中，正确的是()A固固定定化化细细胞胞技技术术在在多多步步连连续续催催化化反反应应方方面面优优势势明显明显B固固定定化化酶酶的的应应用用中中，要要控控制制好好pH、温温度度和和溶溶解氧解氧C利利用用固固定定化化酶酶降降解解水水体体中中有有机机磷磷农农药药，需需提提供供适宜的营养条件适宜的营养条件D利利用用固固定定化化酵酵母母细细胞胞进进行行发发酵酵，糖糖类类的的作作用用只只是作为反应底物是作为反应底物【尝试解答】【尝试解答】_A_例例例例1 1【解解析析】固固定定化化酶酶耐耐受受性性比比较较好好，和和溶溶解解氧氧没没有有关关系系；利利用用固固定定化化酶酶降降解解水水体体中中的的有有
10、机机磷磷农农药药，需需要要固固定定化化酶酶发发挥挥作作用用，不不需需要要提提供供营营养养条条件件；利利用用固固定定化化酵酵母母细细胞胞进进行行发发酵酵，糖糖类类既既可可以以作作为为反反应应底底物物，也也可可以以作作为为碳碳源源来来调调节节酵酵母母菌菌的的代代谢谢方式。方式。【探探规规寻寻律律】(1)酶酶和和细细胞胞的的固固定定方方法法容容易易混混淆淆，酶酶分分子子很很小小，适适于于用用化化学学结结合合法法和和物物理理吸吸附附法法固固定定；细细胞胞个个大大，难难以以被被吸吸附附或或结结合合，多多采采用用包包埋埋法固定。法固定。(2)固定化细胞可以保证细胞的完整性，由于环境固定化细胞可以保证细胞的
11、完整性，由于环境条件改变比较小，所以酶的活性较为稳定。条件改变比较小，所以酶的活性较为稳定。跟跟踪踪训训练练下下列列关关于于固固定定化化酶酶的的说说法法，错错误误的的是是()A固定化酶不能催化一系列反应固定化酶不能催化一系列反应B固定化酶可以再次利用，降低了生产成本固定化酶可以再次利用，降低了生产成本C固固定定后后的的酶酶既既能能与与反反应应物物接接触触，又又能能与与产产物物分离分离D固定化酶易溶于水固定化酶易溶于水解析：解析：选选D。酶在水溶液中以自由的游离状态存。酶在水溶液中以自由的游离状态存在，被固定后便从游离状态变为牢固地结合于载在，被固定后便从游离状态变为牢固地结合于载体的状态，不溶
12、于水；固定化酶催化反应单一，体的状态，不溶于水；固定化酶催化反应单一，与反应物可以多次作用，有的达几十、几百次，与反应物可以多次作用，有的达几十、几百次，甚至连续使用几年。甚至连续使用几年。要点二要点二制备固定化酵母细胞的实验流程制备固定化酵母细胞的实验流程特别提醒特别提醒(1)干干燥燥的的酵酵母母水水分分含含量量较较少少，酵酵母母菌菌处处于于休休眠眠状状态，此时酶的活性较低。态，此时酶的活性较低。(2)CaCl2的作用是使海藻酸钠胶体发生聚沉，形成的作用是使海藻酸钠胶体发生聚沉，形成凝胶珠。凝胶珠。(2011年年泰泰安安市市高高二二质质检检)下下面面是是制制备备固固定定化酵母细胞的实验步骤，
13、请回答：化酵母细胞的实验步骤，请回答：酵酵母母细细胞胞的的活活化化配配制制CaCl2溶溶液液配配制制海海藻藻酸酸钠钠溶溶液液海海藻藻酸酸钠钠溶溶液液与与酵酵母母细细胞胞混混合合固固定定化化酵酵母细胞。母细胞。(1)在在_状态下，微生物处于休眠状态。活状态下，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，因状态。活化前应选择足够大的容器，因为酵母细胞活化时为酵母细胞活化时_。例例例例2 2(2)影响实验成败的关键步骤是影响实验成败的关键步骤是_。(3)如果海藻酸钠浓度过低，形成的凝胶珠所包埋的如果海藻酸钠浓度过低，
14、形成的凝胶珠所包埋的酵母细胞数目酵母细胞数目_。(4)观察形成凝胶珠的颜色和形状，如果颜色过浅，观察形成凝胶珠的颜色和形状，如果颜色过浅，说明说明_；如果形成的凝胶；如果形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形，说明珠不是圆形或椭圆形，说明_。(5)固定化细胞技术一般采用包埋法固定化，原因是固定化细胞技术一般采用包埋法固定化，原因是_。(6)该实验中该实验中CaCl2溶液的作用是溶液的作用是_。【尝尝试试解解答答】(1)缺缺水水正正常常的的生生活活体体积积会会增大增大(2)配制海藻酸钠溶液配制海藻酸钠溶液(3)少少(4)海海藻藻酸酸钠钠浓浓度度偏偏低低海海藻藻酸酸钠钠浓浓度度偏偏高高，制制作失败作失败(5
15、)细胞个体大，不易从包埋材料中漏出细胞个体大，不易从包埋材料中漏出(6)使胶体聚沉使胶体聚沉【解解析析】该该题题以以制制备备固固定定化化酵酵母母细细胞胞的的过过程程为为载载体体，考考查查实实验验的的操操作作程程序序、关关键键步步骤骤、注注意意事事项及有关试剂的作用。项及有关试剂的作用。(1)酵酵母母菌菌在在干干燥燥时时，处处于于休休眠眠状状态态，需需加加水水活活化化，否否则则制制成成的的固固定定化化酵酵母母细细胞胞在在发发酵酵时时酶酶活活性性较较低低且酵母菌增殖缓慢。且酵母菌增殖缓慢。(2)该实验的关键是海藻酸钠溶液的配制。该实验的关键是海藻酸钠溶液的配制。(3)如如果果海海藻藻酸酸钠钠的的浓
16、浓度度过过低低，形形成成的的凝凝胶胶珠珠所所包包埋的酵母细胞的数目少，影响实验效果。埋的酵母细胞的数目少，影响实验效果。(4)如如果果制制作作的的凝凝胶胶珠珠颜颜色色过过浅浅呈呈白白色色，说说明明海海藻藻酸酸钠钠的的浓浓度度偏偏低低。如如果果形形成成的的凝凝胶胶珠珠不不是是圆圆形形或或椭椭圆圆形形，则则说说明明海海藻藻酸酸钠钠的的浓浓度度偏偏高高，制制作作失失败败,需要再作尝试。需要再作尝试。(5)由由于于酵酵母母细细胞胞个个体体较较大大，不不易易从从包包埋埋材材料料中中漏漏出，故细胞的固定化一般采用包埋法。出，故细胞的固定化一般采用包埋法。(6)海藻酸钠胶体在海藻酸钠胶体在CaCl2电解质溶
17、液中发生聚沉，电解质溶液中发生聚沉，形成凝胶珠。形成凝胶珠。【互互动动探探究究】如如果果要要制制作作反反复复使使用用的的固固定定化化酵母细胞，应该在实验中注意哪些问题？酵母细胞，应该在实验中注意哪些问题？【提示】【提示】固定化酵母细胞要能反复使用必须固定化酵母细胞要能反复使用必须保证酵母菌具有非常高的活性，同时要防止微保证酵母菌具有非常高的活性，同时要防止微生物污染。注意事项：生物污染。注意事项：酵母菌菌种要纯。酵母菌菌种要纯。所有实验用具和材料要严格消毒。所有实验用具和材料要严格消毒。实验时应实验时应注意控制温度，不宜过高，否则易杀死酵母菌。注意控制温度，不宜过高，否则易杀死酵母菌。应定期提
18、供全面的营养物质，让酵母菌能够应定期提供全面的营养物质，让酵母菌能够继续生长繁殖。继续生长繁殖。【易易误误警警示示】(1)选选用用的的干干酵酵母母要要具具有有较较强强的的活活性性，而且物种单一。，而且物种单一。(2)酵酵母母细细胞胞活活化化时时体体积积会会变变大大，因因此此活活化化前前应应选选择择体积足够大的容器，防止酵母细胞的活化液溢出体积足够大的容器，防止酵母细胞的活化液溢出.(3)溶溶解解CaCl2时时勿勿用用自自来来水水，以以免免杂杂质质离离子子影影响响实实验结果。验结果。(4)海海藻藻酸酸钠钠溶溶液液的的配配制制是是固固定定化化酵酵母母细细胞胞的的关关键键，因因为为如如果果海海藻藻酸酸钠钠浓浓度度过过高高，将将很很难难形形成成凝凝胶胶珠珠，如如果果浓浓度度过过低低，形形成成的的凝凝胶胶珠珠所所包包埋埋的的酵酵母母细细胞胞的的数量少，也会影响实验效果。数量少，也会影响实验效果。(5)将将溶溶化化后后的的海海藻藻酸酸钠钠先先冷冷却却至至室室温温，再再与与酵酵母母细胞混合，避免高温杀死酵母细胞。细胞混合，避免高温杀死酵母细胞。(6)固定化酵母细胞时，应将海藻酸钠与酵母细胞固定化酵母细胞时，应将海藻酸钠与酵母细胞的混合液用注射器缓慢滴加到的混合液用注射器缓慢滴加到CaCl2溶液中，而溶液中，而不是注射，以免影响凝胶珠的形成。不是注射，以免影响凝胶珠的形成。
