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專題4 酶的研究與應(yīng)用 課題3 酵母細胞的固定化 1．下列關(guān)于使用固定化酶生產(chǎn)高果糖漿的說法，正確的是(　　) ①生產(chǎn)高果糖漿需要使用果糖異構(gòu)酶?、谠诜磻?yīng)柱的頂端裝上分布著許多小孔的篩板，防止異物的進入?、蹖⑵咸烟侨芤簭姆磻?yīng)柱的上端注入，果糖溶液從反應(yīng)柱的下端流出?、芊磻?yīng)柱可以降低生產(chǎn)成本，提高果糖的產(chǎn)量和質(zhì)量 A．①②　　　　　　 B．②③ C．③④ D．①④ 解析：反應(yīng)柱的底端裝有分布著許多小孔的篩板，酶顆粒無法通過篩板上的小孔，葡萄糖溶液從反應(yīng)柱的上端注入，流經(jīng)反應(yīng)柱，與固定化葡萄糖異構(gòu)酶接觸，使葡萄糖轉(zhuǎn)化成果糖，從反應(yīng)柱的下端流出。反應(yīng)柱能夠連續(xù)使用，大大降低了生產(chǎn)成本，有利于果糖的生產(chǎn)。 答案：C 2．下列有關(guān)固定化酶和固定化細胞的敘述，正確的是(　　) A．可用包埋法制備固定化酵母細胞 B．反應(yīng)產(chǎn)物對固定化酶的活性沒有影響 C．葡萄糖異構(gòu)酶固定前后專一性不同 D．固定化細胞可以催化各種反應(yīng)底物的一系列反應(yīng) 解析：細胞難以被吸附或結(jié)合，固定化細胞多采用包埋法，A項正確；反應(yīng)產(chǎn)物積累能影響酶的結(jié)構(gòu)，從而使酶的活性下降，B項錯誤；葡萄糖異構(gòu)酶在固定前后專一性不變，都是催化葡萄糖轉(zhuǎn)化為果糖，C項錯誤；固定化細胞固定的是一系列的酶，可以催化一系列的反應(yīng)，但不能催化各種反應(yīng)底物的一系列反應(yīng)，D項錯誤。 答案：A 3．下列有關(guān)固定化酶和固定化細胞的敘述，錯誤的是(　　) A．酶具有多樣性，固定化酶能夠催化一系列酶促反應(yīng) B．CaCl2溶液能夠使海藻酸鈉形成凝膠珠 C．滴加酵母細胞與海藻酸鈉混合液過快，會使凝膠珠帶有尾巴 D．固定化細胞可重復(fù)利用的前提是防止其他微生物的污染 解析：固定化酶只能催化一種或一類酶促反應(yīng)。 答案：A 4．下列關(guān)于固定化酵母細胞的制備步驟中不恰當(dāng)?shù)氖?　　) A．應(yīng)使干酵母與蒸餾水混合并攪拌，以利于酵母細胞活化 B．配制海藻酸鈉溶液時要用小火間斷加熱的方法 C．向剛?cè)芑玫暮Ｔ逅徕c溶液中加入已活化的酵母細胞，充分攪拌并混合均勻 D．將與酵母細胞混勻的海藻酸鈉溶液滴入CaCl2溶液中，會觀察到CaCl2溶液中，有球形或橢球形的凝膠珠形成 解析：在制備固定化酵母細胞的過程中，剛?cè)芑玫暮Ｔ逅徕c溶液溫度較高，需等其冷卻后才能加入已活化的酵母細胞，否則細胞會在高溫下死亡。 答案：C 5．下面是制備固定化酵母細胞的實驗步驟，請回答下列問題： 酵母細胞的活化→配制CaCl2溶液→配制海藻酸鈉溶液→海藻酸鈉溶液與酵母細胞混合→固定化酵母細胞 (1)在______________狀態(tài)下，微生物處于休眠狀態(tài)?；罨褪亲屘幱谛菝郀顟B(tài)的微生物重新恢復(fù)________狀態(tài)?；罨皯?yīng)選擇足夠大的容器，因為酵母細胞活化時__________。 (2)固定化細胞技術(shù)一般采用包埋法，而固定化酶常用_________和_________。 (3)影響實驗成敗的關(guān)鍵步驟是____________________。 (4)海藻酸鈉溶化過程的注意事項是________________。 (5)如果海藻酸鈉濃度過低，形成的凝膠珠所包埋的酵母細胞數(shù)目________。如果形成的凝膠珠不是圓形或橢圓形，說明__________。 解析：(1)酵母細胞在缺水的狀態(tài)下休眠。活化是加入水使酵母菌恢復(fù)到生活狀態(tài)。酵母細胞活化后體積會增大。 (2)固定化酶常用化學(xué)結(jié)合法和物理吸附法。 (3)實驗的關(guān)鍵是配制海藻酸鈉溶液，得到凝膠珠。 (4)海藻酸鈉溶化過程要小火加熱(或間斷加熱)，不斷攪拌，使海藻酸鈉完全溶化，又不會焦煳。 (5)海藻酸鈉濃度過低，包埋的酵母菌就過少；海藻酸鈉濃度過高，不易與酵母菌混合均勻，形成的凝膠珠不是圓形或橢圓形。 答案：(1)缺水　正常的生活　體積增大 (2)化學(xué)結(jié)合法　物理吸附法 (3)配制海藻酸鈉溶液 (4)要用小火或間斷加熱，避免海藻酸鈉發(fā)生焦煳 (5)少　海藻酸鈉濃度偏高，制作失敗 1．下列關(guān)于固定化酶和固定化細胞的敘述，錯誤的是(　　) A．固定化酶的主要目的是實現(xiàn)酶的重復(fù)使用 B．溶解氧交換受阻是固定化酶應(yīng)用的重要限制因素 C．固定化細胞用于生產(chǎn)能分泌到細胞外的產(chǎn)物 D．凝膠與被包埋細胞之間不是通過共價鍵結(jié)合 解析：A項，固定化酶技術(shù)是指將酶固定在不溶于水的載體上，使酶既能與反應(yīng)物接觸，又能與產(chǎn)物分離，可實現(xiàn)重復(fù)利用。B項，固定化酶發(fā)揮作用不需要供氧，溶解氧交換受阻不會成為其應(yīng)用的限制因素。C項，固定化細胞只能用于生產(chǎn)分泌到細胞外的產(chǎn)物，否則無法獲得需要的產(chǎn)物。D項，用凝膠包埋細胞利用的是物理方法。 答案：B 2．下列不屬于固定化酶在利用時的特點的是(　　) A．有利于酶與產(chǎn)物分離 B．可以被反復(fù)利用 C．能自由出入依附的載體 D．一種固定化酶一般情況下不能催化一系列酶促反應(yīng) 解析：固定化酶是將酶固定在一種載體上，因此它不能自由出入依附的載體。 答案：C 3．關(guān)于固定化酶技術(shù)的說法正確的是(　　) A．固定化酶技術(shù)就是固定反應(yīng)物，使酶依附著載體圍繞反應(yīng)物旋轉(zhuǎn)的技術(shù) B．固定化酶的優(yōu)勢在于能催化一系列的酶促反應(yīng) C．固定化酶中的酶無法重復(fù)利用 D．固定化酶是將酶固定在一定空間內(nèi)的技術(shù) 解析：固定化酶是利用物理或化學(xué)方法將酶固定在一定空間內(nèi)的技術(shù)。其優(yōu)點是酶被固定在一定裝置內(nèi)，可重復(fù)利用；不足是無法同時解決一系列酶促反應(yīng)。 答案：D 4．下列關(guān)于固定化酶和固定化細胞的敘述，正確的是(　　) A．固定化細胞技術(shù)在多步連續(xù)催化反應(yīng)方面優(yōu)勢明顯 B．固定化酶的應(yīng)用中，要控制好pH、溫度和溶解氧 C．利用固定化酶降解水體中的有機磷農(nóng)藥，需提供適宜的營養(yǎng)條件 D．利用固定化酵母細胞進行發(fā)酵，糖類的作用只是作為反應(yīng)底物 解析：固定化細胞可連續(xù)催化多步反應(yīng)；應(yīng)用固定化酶需控制好溫度和pH，無氧參與的反應(yīng)不需控制溶解氧；利用固定化酶降解有機磷農(nóng)藥，農(nóng)藥是反應(yīng)底物，不需另外提供營養(yǎng)；利用固定化酵母細胞發(fā)酵，糖類既作為反應(yīng)底物，又作為酵母細胞生命活動的能源物質(zhì)。 答案：A 5．大分子反應(yīng)物應(yīng)采用的固定化技術(shù)和理由是(　　) A．固定化酶技術(shù)；可應(yīng)用化學(xué)結(jié)合法或物理吸附法對酶固定，利于大分子和酶的接觸 B．固定化酶技術(shù)；可應(yīng)用包埋法對酶固定，利于大分子和酶的接觸 C．固定化細胞技術(shù)；一般應(yīng)用化學(xué)結(jié)合法或物理吸附法對細胞固定，利于大分子和細胞的接觸 D．固定化細胞技術(shù)；一般應(yīng)用包埋法對細胞固定，利于大分子和細胞的接觸 解析：大分子反應(yīng)物應(yīng)采用的固定化技術(shù)是固定化酶技術(shù)，理由是：一般用化學(xué)結(jié)合法或物理吸附法對酶固定，和包埋法相比，化學(xué)結(jié)合法或物理吸附法有利于反應(yīng)物與酶的接觸。如采用固定化細胞技術(shù)，則一般用包埋法對細胞固定，由于大分子顆粒比較大，反應(yīng)物難以進入包埋細胞的網(wǎng)格或顆粒，不利于反應(yīng)的進行。 答案：A 6．對固定化細胞的敘述，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 解析：參照固定化細胞的優(yōu)點。 答案：C 7．在制備固定化酵母細胞的實驗中，CaCl2溶液的作用是(　　) A．用于調(diào)節(jié)溶液pH　 B．用于進行離子交換 C．用于膠體聚沉 D．用于為酵母菌提供Ca2＋ 解析：海藻酸鈉膠體在CaCl2這種電解質(zhì)溶液的作用下，發(fā)生聚沉，形成凝膠珠，其作用機理是由于鹽離子的電荷與膠體微粒電荷相互吸引，形成更大的膠體顆粒，類似于人體紅細胞與抗凝集素之間的凝集反應(yīng)。 答案：C 8．在制備固定化酵母細胞的過程中錯誤的操作是(　　) A．取干酵母，加入蒸餾水，使其活化 B．配制海藻酸鈉時，加熱用大火，直到海藻酸鈉溶化為止 C．將溶化好的海藻酸鈉溶液冷卻至室溫，加入已活化的酵母細胞 D．將凝膠珠在CaCl2溶液中浸泡30 min左右 解析：干酵母需加蒸餾水使其活化恢復(fù)生活狀態(tài)。配制海藻酸鈉時應(yīng)用小火或間斷加熱，以免焦煳。海藻酸鈉溶液與活化酵母細胞混合時應(yīng)在室溫下進行，防止溫度過高殺死酵母細胞，最后將凝膠珠在CaCl2溶液中浸泡30 min左右。 答案：B 9．酶制劑、固定化酶、固定化細胞已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，下列有關(guān)敘述錯誤的是(　　) A．90 ℃高溫會使Taq DNA聚合酶失去催化活性 B．制備固定化酶的方法主要有包埋法、交聯(lián)法和吸附法等 C．固定化酶固定時可能會造成酶的損傷而影響活性 D．固定化細胞可以催化一系列酶促反應(yīng) 解析：Taq DNA聚合酶是一種用于PCR技術(shù)的耐高溫的酶，90 ℃的高溫不會讓該酶失活。 答案：A 10．研究認為，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磷酸酯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，與微生物降解相比，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：酶和細胞的正常活動都需要一定的條件，如溫度、酸堿度、水分等，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 11．固定化酶是20世紀60年代迅速發(fā)展起來的一種技術(shù)。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)科研人員利用雙重固定法，即采用戊二醛作交聯(lián)劑(使酶相互連接)，海藻酸鈉作為包埋劑來固定小麥酯酶，研究固定化酶的性質(zhì)，并對其最佳固定條件進行了探究。下圖顯示的是部分研究結(jié)果(注：酶活力為固定化酶催化化學(xué)反應(yīng)的總效率，包括酶活性和酶的數(shù)量)，分析回答下列問題。 (1)從對溫度變化適應(yīng)性和應(yīng)用范圍的角度分析，由甲圖所示結(jié)果可以得出的結(jié)論是：_______________________________________ ______________________________________________________。 (2)乙圖曲線表明濃度為____________的海藻酸鈉包埋效果最好，當(dāng)海藻酸鈉濃度較低時，酶活力較低的原因是________________ _____________________________________________________。 (3)固定化酶的活力隨使用次數(shù)的增多而下降，由丙圖可知，固定化酯酶一般可重復(fù)使用________次，之后酶活力明顯下降。 (4)固定小麥酯酶不僅采用海藻酸鈉直接包埋，而且用戊二醛作交聯(lián)劑，這是因為___________________________________________ ______________________________________________________。 答案：(1)固定化酯酶比游離酯酶對溫度變化適應(yīng)性更強且應(yīng)用范圍較廣　(2)3%　海藻酸鈉濃度較低時包埋不緊密，酶分子容易漏出，數(shù)量不足　(3)3 (4)酶分子很小，很容易從包埋材料中漏出 12．下面是制備固定化酵母細胞的實驗步驟，請回答： 酵母細胞的活化→配制CaCl2溶液→配制海藻酸鈉溶液→海藻酸鈉溶液與酵母細胞混合→固定化酵母細胞。 (1)在________狀態(tài)下，微生物處于休眠狀態(tài)。活化就是讓處于休眠狀態(tài)的微生物重新恢復(fù)____________狀態(tài)?；罨皯?yīng)選擇足夠大的容器，因為酵母細胞活化時________。 (2)影響實驗成敗的關(guān)鍵步驟是___________________________ ______________。 (3)如果海藻酸鈉濃度過低，形成的凝膠珠所包埋的酵母細胞數(shù)目________。 (4)觀察形成凝膠珠的顏色和形狀，如果顏色過淺，說明_______；如果形成的凝膠珠不是圓形或橢圓形，說明___________________ ______________________________________________________。 (5)固定化酶技術(shù)一般不采用包埋法固定化，原因是__________ ______________________________________________________。 解析：微生物一般在缺水干燥環(huán)境中進入休眠狀態(tài)，活化就是讓處于休眠狀態(tài)的微生物恢復(fù)正常生活狀態(tài)。因為酵母細胞活化時體積會增大，所以活化前應(yīng)選擇足夠大的容器。在此實驗中，配制海藻酸鈉溶液是影響實驗成敗的關(guān)鍵步驟。如果海藻酸鈉濃度過低，形成凝膠珠包埋酵母細胞數(shù)目就會減少；觀察形成凝膠珠的顏色和形狀，如果顏色過淺，說明固定化酵母細胞數(shù)目較少，如果形成的凝膠珠不是圓形或橢圓形，說明海藻酸鈉濃度偏高，制作失敗，需要重新配制；因為酶分子很小，容易從包埋材料中漏出，所以制備固定化酶一般不宜用包埋法。 答案：(1)缺水　正常的生活　體積增大　(2)配制海藻酸鈉溶液　(3)少　(4)固定化酵母細胞數(shù)目較少　海藻酸鈉濃度偏高，制作失敗　(5)酶分子很小，容易從包埋材料中漏出 13．釀造工業(yè)中經(jīng)常使用酵母菌，某科研小組對固定化技術(shù)在釀酒酵母上的應(yīng)用做了一些研究。下表是海藻酸鈉濃度和氯化鈣濃度對固定化酵母的影響實驗數(shù)據(jù)表，下圖是在相同的發(fā)酵條件下，固定化酵母細胞與游離酵母細胞3次循環(huán)發(fā)酵的糖度變化比較曲線圖，請分析回答下列問題： 海藻酸鈉/% 2 2.5 3 2 2.5 3 2 2.5 3 CaCl2/% 2 2 2 3 3 3 4 4 4 固定化強度/g30個－1 930 950 990 1 030 1 100 1 140 1 170 1 170 1 160 酒精量/% 6.7 6.5 6.5 6.7 6.4 6.2 6.7 6.4 6.2 殘?zhí)橇?% 2.5 2.75 2.75 2.60 2.65 2.65 2.65 2.75 2.75 　 　a．第一次循環(huán)發(fā)酵糖度變化　　b．第二次循環(huán)發(fā)酵糖度變化 c．第三次循環(huán)發(fā)酵糖度變化 固定化酵母與游離酵母發(fā)酵性能的比較 (1)固定酵母細胞的方法常用__________法，實驗中要注意將剛?cè)芑玫暮Ｔ逅徕c溶液__________后，加入已活化的酵母細胞，進行充分攪拌。 (2)Ca2＋是決定海藻酸鈉固定化酵母機械強度的重要因素，根據(jù)表中數(shù)據(jù)分析，隨著Ca2＋濃度的增加，固定化酵母的強度________，最終選擇海藻酸鈉與氯化鈣的濃度分別為__________時固定化效果好。海藻酸鈉是一種多孔性載體，在一定濃度范圍內(nèi)選擇較低的海藻酸鈉的濃度進行固定化酵母，產(chǎn)生酒精量較高的原因是___________ ______________________________________________________。 (3)比較曲線圖可以看出，__________發(fā)酵速度較快，游離酵母在重復(fù)使用__________次后，其活性完全喪失，由此可見固定化酵母細胞的優(yōu)點是_______________________________________________ ______________________________________________________。 解析：(1)細胞常用包埋法固定，剛?cè)芑玫暮Ｔ逅徕c要冷卻到室溫后再加入酵母細胞，防止高溫殺死酵母細胞。 (2)由表中數(shù)據(jù)可見，隨著Ca2＋濃度的增加，固定化酵母的強度逐漸增大并趨于穩(wěn)定；固定化效果最好的，除看固定化強度外還要看產(chǎn)酒精量；一定范圍內(nèi)海藻酸鈉濃度較低，則凝膠珠的相對滲透性較強，利于底物的進入和產(chǎn)物的排出。 (3)比較a、b、c圖，可見固定化酵母細胞作用下殘?zhí)橇枯^低，而游離酵母在使用2次后則失去作用，即固定化酵母細胞可以重復(fù)使用。 答案：(1)包埋　冷卻　(2)增加　2%、4%　凝膠珠的相對滲透性較強，利于底物的進入和產(chǎn)物的排出 (3)固定化酵母　2　可以重復(fù)使用