4.3 酵母細胞的固定化

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1、 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書——生物選修1[人教版] 課題3 酵母細胞的固定化 ★課題目標(biāo) （一）知識與技能 2、理解固定化酵母細胞的制備過程 3、知道固定化酶的實例 1、固定化細胞技術(shù) 2、制備固定化酵母細胞的過程 （三）情感、態(tài)度與價值觀 通過固定化技術(shù)的發(fā)展過程，培養(yǎng)科學(xué)探究精神，同時領(lǐng)會研究的科學(xué)方法 ★課題重點 制備固定化酵母細胞 ★課題難點 制備固定化酵母細胞 ★教學(xué)方法 啟發(fā)式教學(xué) ★教學(xué)工具 多媒體課件 ★教學(xué)過程 （一）引入新課 在應(yīng)用酶的過程中，人們發(fā)現(xiàn)了一些實際問題：酶通常對強酸、強堿、高溫和有機溶劑

2、等條件非常敏感，容易失活；溶液中的酶很難回收，提升了生產(chǎn)成本，也可能影響產(chǎn)品質(zhì)量。在本課題中，我們將動手制備固定化酵母細胞，體會固定化酶的作用 （二）實行新課 1．基礎(chǔ)知識 1．固定化酶的應(yīng)用實例――生產(chǎn)高果糖漿 （1）高果糖漿的生產(chǎn)原理： 葡萄糖異構(gòu)酶 果糖 葡萄糖 （2）葡萄糖異構(gòu)酶固定：將葡萄糖異構(gòu)酶固定在顆粒狀載體上，裝入反應(yīng)柱中。 （3）高果糖漿的生產(chǎn)操作（識圖4－5反應(yīng)柱）： 從反應(yīng)柱上端注入葡萄糖溶液，從下端流出果糖溶液，一個反應(yīng)柱可連續(xù)使用半年。 2．固定化技術(shù)的方法（識圖4－6固定方法）： 將酶和細胞固定化方法有包埋法、化學(xué)結(jié)合法和物理吸附法。

3、【比較】酶和細胞的固定方法和特點 固定對象 酶 細胞 適宜固定法 化學(xué)結(jié)合法、物理吸附法 包埋法 特 點 體積小，固定一種酶。 包埋法容易丟失 體積大，固定一系列酶。 難以化學(xué)結(jié)合和吸附 〖思考1〗對固定酶的作用影響較小的固定方法是什么？吸附法。 〖思考2〗將谷氨酸棒狀桿菌生產(chǎn)谷氨酸的發(fā)酵過程變?yōu)檫B續(xù)的酶反應(yīng)，理應(yīng)固定（酶、細胞）；若將蛋白質(zhì)變成氨基酸，理應(yīng)固定（酶、細胞）。 3．固定細胞的材料： 固定細胞時理應(yīng)選用不溶于水的多孔性載體材料，如明膠、瓊脂糖、海藻酸鈉、醋酸纖維素和聚丙烯酰胺等 2．實驗設(shè)計 1．制備固定化酵母細胞 （1）酵母細胞的活

4、化： 1g干酵母＋10mL蒸餾水→50mL燒杯→攪拌均勻→放置1h，使之活化。 〖思考3〗活化是指讓處于休眠狀態(tài)的微生物重新恢復(fù)正常生活狀態(tài)的過程。 （2）配制CaCl2溶液： 0.83gCaCl2＋150mL蒸餾水→200mL燒杯→溶解備用。 （3）配制海藻酸鈉溶液： 0.7g海藻酸＋10mL水→50mL燒杯→酒精燈微火（或間斷）加熱，并持續(xù)攪拌，使之溶化→蒸餾水定容到10mL。 〖思考4〗微火加熱并持續(xù)攪拌的目的是什么？防止海藻酸南焦糊。 （4）海藻酸鈉溶液與酵母細胞的混合： 將溶化的海藻酸鈉溶液冷卻至室溫，加入活化酵母細胞液，攪拌后吸入到注射器中。 〖思考5〗為什么要

5、海藻酸鈉溶液冷卻后才能加入酵母細胞？ 防止高溫殺死酵母細胞。 （5）固定化酵母細胞： 以恒定速度緩慢地將注射器中的溶液滴加到CaCl2溶液中，形成凝膠珠狀顆粒。 2．固定化酵母細胞的發(fā)酵 （6）沖洗：將固定的酵母細胞凝膠珠用蒸餾水沖洗2～3次。 （7）發(fā)酵：150mL10％葡萄糖＋固定化酵母細胞→200mL錘形瓶→密封→25℃發(fā)酵24h。 〖思考6〗發(fā)酵過程中錐形瓶為什么要密封？ 酵母菌的酒精發(fā)酵需要缺氧條件。 〖思考7〗錐形瓶中的氣泡和酒精是怎樣形成的？酵母菌實行無氧呼吸產(chǎn)生的。 〖思考8〗在利用固定化酶或固定化細胞實行生產(chǎn)的過程中，需要無菌操作碼？ 需要。 酵母細胞

6、的活化 配制CaCl2溶液 配制海藻酸鈉溶液 將海藻酸鈉溶液與酵母細胞的混合 固定化酵母細胞 沖洗凝膠珠 酒精發(fā)酵 3．發(fā)酵操作 （三）課堂總結(jié)、點評 酵 母 細 胞 固 定 化 酶 固定 化 酶 固定 化 細胞 固定化技術(shù) 高果糖漿 生產(chǎn) 酵母固定 材料 方法 活化酵母 配置 溶液 溶液混合 固定化酵母 固定酵母發(fā)酵 （四）實例探究 例1關(guān)于酵母菌的敘述，準(zhǔn)確的是 A．酵母菌在營養(yǎng)物質(zhì)充足時、環(huán)境適宜時，依靠有性生

7、殖實行繁殖 B．酵母菌的代謝類型是異養(yǎng)厭氧型 C．酵母菌的生物膜系統(tǒng)包括細胞膜、核膜、各種的細胞器膜等膜 D．用酵母菌釀酒時，應(yīng)先密封后通氣 解析：酵母菌在環(huán)境適宜時實行出芽生殖，環(huán)境不良時實行孢子生殖。代謝類型為異養(yǎng)兼性厭氧型。酵母菌細胞為真核細胞，所以具有生物膜系統(tǒng)。在釀酒時，理應(yīng)先通氣后密封。 答案：C 例2研究認(rèn)為，用固定化酶技術(shù)處理污染物是很有前途的，如將大腸桿菌得到的三酯磷酸酶固定到尼龍膜上制成制劑，可用于降解殘留在土壤中的有機磷農(nóng)藥，于微生物降解相比，其作用不需要適宜的 A．溫度 B．酸堿度 C．水分 D．營養(yǎng) 解析：本題考察酶和細胞

8、的比較，二者的正?；顒佣夹枰欢ǖ臈l件，如溫度、酸堿度、水份等，但是酶本身是一種大分子物質(zhì)，不需要營養(yǎng)，而細胞的生活離不開營養(yǎng)物質(zhì)。 答案：D ☆綜合應(yīng)用 例3．下列相關(guān)固定化技術(shù)的敘述，準(zhǔn)確的是（ ） A．固定化酶僅僅在細胞內(nèi)才能發(fā)揮作用 B．固定化酶能提升酶的利用率 C．酶的固定是酶分離純化的常用方法 D．固定化酶的固定化方式就是吸附在固體表面上。 解析：制成固定化酶的步驟是：酶的生產(chǎn)、提取、酶的分離純化、酶的固定化，制成固定化酶的方法有吸附在固體表面，有將酶相互連接起來．將酶包埋在細微的網(wǎng)格里等；這樣的固定化酶能重復(fù)利用，從而提高了酶的利用率；而酶在條件適宜時，既可在細胞

9、內(nèi)起作用，也能在細胞外起作用，制成的固定化酶，更是主要在細胞外發(fā)揮作用。 答案選B （五）鞏固練習(xí) 1．酶的固定化常用的方式不包括 A．吸附 B．包埋 C．連接 D．將酶加工成固體 2．溶解海藻酸鈉，最好采用 加熱的方法 A．小火間斷 B．小火持續(xù) C．大火間斷 D．大火持續(xù) 3．高果糖漿生產(chǎn)需要的酶是 A．葡萄糖異構(gòu)酶 B．蔗糖酶 C．麥芽糖酶 D．果糖酶 4．關(guān)于酵母菌的敘述，正確的是 A．酵母菌在營養(yǎng)物質(zhì)充足時、環(huán)境適宜時，依靠有性生殖進行繁殖 B．酵母菌的代謝類型時異養(yǎng)厭

10、氧型 C．酵母菌的生物膜系統(tǒng)包括細胞膜、核膜、各種的細胞器膜等膜 D．用酵母菌釀酒時，應(yīng)先密封后通氣 5．研究認(rèn)為，用固定化酶技術(shù)處理污染物是很有前途的，如將大腸桿菌得到的三酯磷酸酶固定到尼龍膜上制成制劑，可用于降解殘留在土壤中的有機磷農(nóng)藥，于微生物降解相比，其作用不需要適宜的 A．溫度 B．酸堿度 C．水分 D．營養(yǎng) 6．將酵母菌的培養(yǎng)液由富氧狀態(tài)變?yōu)槿毖鯛顟B(tài)，下面加快的一項是 A．CO2的釋放 B．丙酮酸的氧化 C．葡萄糖的利用 D．ATP的形成 7．固定化酶的優(yōu)點是 A．有利于增加酶的活性 B．有利于產(chǎn)物的純化 C．有利于提高

11、反應(yīng)速度 D．有利于酶發(fā)揮作用 8．下列不是用于包埋法固定化細胞的載體是 A．瓊脂糖 B．醋酸纖維素 C．聚丙烯酰胺 D．聚乙烯樹脂 9．關(guān)于固定化細胞的敘述，正確的是 A．催化效率高，低耗能、低污染 B．對環(huán)境的條件非常敏感，容易失活 C．既能與反應(yīng)物充分接觸，又能與產(chǎn)物分離 D．成本低、操作簡單，但反應(yīng)效果可能很低 10．固定化細胞技術(shù)不包括 A．包埋法 B．化學(xué)結(jié)合化 C．物理法 D．生物法 答案： 1．D 2．A 3．A 4．B 5．D 6．C 7．B 8．D 9.C 10.D

12、 ★課余作業(yè) 1．什么是細胞的活化。 2．如何檢驗?zāi)z珠的質(zhì)量是否合格。 ★教學(xué)體會 固定化酶的技術(shù)要求比較高，因此在教學(xué)過程中重點介紹固定化酵母細胞的操作。對于固定化酶的作用、原理及其在生產(chǎn)中的應(yīng)用，主要是讓學(xué)生通過生產(chǎn)實例來了解。教師在教學(xué)時可以采用讓學(xué)生能夠閱讀自學(xué)的方式。例如，在葡萄糖的異構(gòu)反應(yīng)中，如果不將葡萄糖異構(gòu)酶固定化，而是直接使用葡萄糖異構(gòu)酶，會對生產(chǎn)產(chǎn)生哪些影響？ ★資料袋 固定化細胞的載體 固定化細胞技術(shù)所采用載體的物理化學(xué)性質(zhì)直接影響所固定細胞的生物活性和體系傳質(zhì)性能。理想的載體材料應(yīng)具有對微生物無毒性、傳質(zhì)性能好、性質(zhì)穩(wěn)定。壽命長、價格低廉等特性。它可分

13、為有機高分子載體、無機載體和復(fù)合載體三大類。 有機高分子載體又分為天然高分子凝膠載體和合成有機高分子凝膠載體。天然高分子凝膠一般對生物無毒，傳質(zhì)性能較好，但強度較低，在厭氧條件下易被生物分解。有機合成高分子凝膠載體一般強度較大，但傳質(zhì)性能較差，在進行細胞固定時對細胞活性有影響，易造成細胞失活。 無機載體大多具有多孔結(jié)構(gòu)，在與微生物接觸時，利用吸附作用和電荷效應(yīng)，從而把微生物固定。它的操作方法是把載體放人含有一定微生物濃度的溶液中，固定一段時間（24h左右）即可。 由有機載體和無機載體材料組成的復(fù)合載體材料，可以改進載體材料的性能。Lin等將粉末活性炭和Phanerochaete chrysosporium聯(lián)合包埋固定，結(jié)果表明了復(fù)合固定化體系能更加有效地用于降解五氮酚，顯示出復(fù)合載體材料的優(yōu)越性。