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第3講 酶的研究和應用 1．果膠酶在果汁生產(chǎn)中的應用 2．探討加酶洗衣粉的洗滌效果 3．酵母細胞的固定化 [基礎(chǔ)微點全練] 1．判斷正誤 (1)“探討加酶洗衣粉和普通洗衣粉的洗滌效果”可先用熱水溶解洗衣粉，再將水溫調(diào)節(jié)到最適溫度() (2)相同pH時加酶洗衣粉洗滌效果好于普通洗衣粉() (3)在探究果膠酶用量實驗中，雖然實驗的變量發(fā)生了變化，但通過設(shè)置梯度來確定最適值的思路方法是不變的(√) (4)用含蛋白酶的洗衣粉去除油漬，效果比其他類型加酶洗衣粉好() (5)果膠酶常用于果汁生產(chǎn)中，可提高出汁率和澄清度(√) (6)固定化細胞可以催化各種反應底物的一系列反應() (7)從酶的固定方式看，吸附法比化學結(jié)合法對酶活性影響小(√) (8)將海藻酸鈉凝膠珠用無菌水沖洗，目的是洗去CaCl2和雜菌(√) (9)剛?cè)芑暮Ｔ逅徕c應迅速與活化的酵母菌混合制備混合液() (10)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底物() 2．下列有關(guān)酶的敘述，錯誤的是(　　) A．果膠酶是一類酶的總稱，探究果膠酶的最適溫度時，需將底物和酶分別在同等溫度下處理后再混合 B．低溫和高溫對酶活性的影響是相同的，而過酸、過堿對酶活性的影響是不同的 C．探究果膠酶的最適溫度和最適pH實驗中應嚴格控制酶作用時間 D．解旋酶作用于堿基對間的氫鍵 解析：選B　低溫使酶的活性降低，但不會破壞酶分子的空間結(jié)構(gòu)，高溫會破壞酶分子的空間結(jié)構(gòu)，使酶失去活性；過酸、過堿都會破壞酶分子的空間結(jié)構(gòu)而使酶失去活性。 3．關(guān)于探討不同種類洗衣粉的洗滌效果的實驗，下列說法錯誤的是(　　) A．水溫應保持不變 B．除冬季外，通常采用當?shù)氐某? C．應選擇不同種類的加酶洗衣粉和普通洗衣粉 D．只能針對一種污漬進行實驗 解析：選D　探討不同種類洗衣粉的洗滌效果時，可以選擇不同種類的加酶洗衣粉和普通洗衣粉；污漬的選擇應該多樣化；可以針對污漬相同，布料不同的情況進行實驗；實驗過程中溫度應保持不變，一般采用當?shù)氐某?，冬天溫度太低，應用水浴的方法使溫度達到25～35 ℃。 4．在20世紀50年代，酶已經(jīng)大規(guī)模地應用于各個生產(chǎn)領(lǐng)域，到了70年代又發(fā)明了固定化酶與固定化細胞的技術(shù)。 (1)在實際生產(chǎn)中，固定化酶技術(shù)的優(yōu)點是________________________________ ________________________________________________________________________。 與固定化酶技術(shù)相比，固定化細胞固定的是____________。 (2)制備固定化酵母細胞，常用的包埋材料是________，使用了下圖中方法[　]________(填出號碼與名稱)。 (3)制作固定化酵母細胞時，充分混合均勻的酵母細胞溶液可在飽和________溶液中形成凝膠珠。部分同學實驗制得的凝膠珠不是圓形或橢圓形，其主要原因是____________。 解析：將酶固定化后，可使酶在催化反應之后不隨產(chǎn)物流走，可以反復利用；將細胞固定化后，可以將一種細胞內(nèi)的多種酶同時進行固定。海藻酸鈉一般不能參與化學反應，同時，在高溫下容易溶化，溫度降低時又形成多孔性固體顆粒，是包埋酵母菌的好材料。圖①為化學結(jié)合法，圖②為物理吸附法，圖③為包埋法。凝膠珠是高溫下溶化的海藻酸鈉與酵母菌混合后在CaCl2溶液中形成的，若海藻酸鈉濃度過高或制凝膠珠時離液面太近，可能形成片狀或長條形，而不是圓形或橢圓形的凝膠珠。 答案：(1)酶既容易與反應物接觸，又容易與產(chǎn)物分離，固定在載體上的酶能反復利用　多酶系統(tǒng)(或一系列酶、多種酶) (2)海藻酸鈉　③包埋法　(3)CaCl2　海藻酸鈉溶液濃度過高(或針筒口離液面過近，高度不夠) 一、酶的活性測定及酶在食品加工方面的應用 [試考題查欠缺] 1．(2019泰安月考)果膠酶的作用底物是果膠，纖維素酶能夠分解纖維素，下列有關(guān)敘述正確的是(　　) A．果膠是植物細胞壁以及胞間層的主要組成成分之一 B．果膠酶可催化果膠分解成可溶性的半乳糖，使得渾濁的果汁變澄清 C．果膠是由半乳糖聚合而成的一種高分子化合物 D．纖維素酶能夠分解纖維素，直接形成葡萄糖 解析：選A　果膠是植物細胞壁以及胞間層的主要組成成分之一，是由半乳糖醛酸聚合而成的高分子化合物；在果汁加工中，果膠不僅會影響出汁率，還會使果汁渾濁，果膠酶能夠?qū)⒐z分解成可溶性的半乳糖醛酸，瓦解植物的細胞壁及胞間層，提高出汁率，并且使果汁變得澄清；纖維素纖維二糖葡萄糖苷酶,葡萄糖。 2．(2019鄭州調(diào)研)我國水果生產(chǎn)發(fā)展迅速，由于收獲的季節(jié)性強，易造成積壓，腐爛變質(zhì)，為了解決上述問題且滿足不同人群的需求，可以加工制作果汁、果酒、果醋等。 在果汁生產(chǎn)中用到果膠酶，某課題研究小組為了探究果膠酶的某些特性，進行了如下實驗： (1)實驗方法：如圖中所示的順序進行操作。 (2)實驗結(jié)果：對照組與實驗組進行了相同時間的實驗，結(jié)果如圖所示： ①圖中自變量是溫度，除此之外還可用________表示。 A．酶的濃度　 　 　　　　　 B．蘋果泥的量 C．水的加入量 D．pH ②圖中的縱坐標還可用________來表示。 ③實驗小組改變了實驗條件后重復做實驗，得到曲線乙，蘋果汁的澄清度最高點對應的橫坐標是同一位置的原因是_____________________________________。 ④步驟b中在果膠酶和蘋果泥混合前，將兩者分裝在不同試管中，恒溫的目的是____________________________________________________________。 解析：果膠酶的活性受溫度、pH等條件的影響，而與底物的量、酶的濃度和水的加入量沒有關(guān)系，所以每一種酶的最適pH和最適溫度是一定的。在衡量實驗結(jié)果的指標中有兩種，一是果汁的量，另一個是果汁的澄清度。為使實驗中達到相應的設(shè)計溫度，必須使酶與底物分別保溫達到要求后才能混合。 答案：(2)①D?、谔O果汁的體積?、弁环N酶的最適溫度是一定的，不會因酶的濃度、底物量不同而改變?、鼙ＷC底物和酶在混合時的溫度是相同的 [強知能補欠缺] 1．果膠酶與纖維素酶的比較 種類 組成 作用 果膠酶 多聚半乳糖醛酸酶、果膠分解酶、果膠酯酶等 催化水解果膠成為可溶性半乳糖醛酸 纖維素酶 C1酶、CX酶、葡萄糖苷酶 纖維素纖維二糖 葡萄糖 2．探究影響果汁產(chǎn)量的因素 (1)探究溫度對酶活性的影響時，可以選用10 ℃作為溫度梯度，設(shè)置的具體溫度為10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃和60 ℃等，也可以根據(jù)酶的特點，嘗試以5 ℃作為溫度梯度。 (2)探究pH對酶活性的影響時，只需將溫度梯度改成pH梯度，并在該酶的最適溫度下進行。反應液中的pH可以用質(zhì)量分數(shù)為0.1%的氫氧化鈉溶液或鹽酸進行調(diào)節(jié)。 (3)探究酶的用量是建立在探究最適溫度和pH對酶活性影響的基礎(chǔ)之上的。此時，研究的變量是酶的用量，其他因素都應保持相同。實驗時可以配制不同濃度的酶溶液，也可以只配制一種濃度的酶溶液，然后使用不同的體積。需要注意的是，反應液的pH和溫度必須相同，否則將影響實驗結(jié)果的準確性。 3．確定果膠酶最適用量的方法 如果隨酶濃度的增加，過濾到的果汁的體積也增加，說明酶的用量不足；當酶的濃度增加到某個值后，再增加酶的用量，過濾到的果汁的體積不再改變，說明酶的用量已經(jīng)足夠，這個值就是酶的最適用量。 4．有關(guān)酶活性實驗中的幾個注意點 (1)酶活性不等同于酶促反應速度 同等條件下的酶促反應速度的快慢可以表示酶活性的高低，但酶活性與酶促反應速度仍然是兩個完全不同的概念，其影響因素也不完全相同，如酶的濃度、反應物的濃度可以影響反應速度，但不能影響酶的活性。 (2)在蘋果泥和果膠酶混合之前，一定要保證底物和酶達到所要求的溫度或pH條件，以避免混合后條件的變化，確保實驗結(jié)果的可靠性。 (3)探究酶的最適條件(溫度、pH)及最適用量時都需設(shè)置一系列梯度，且不同的溫度梯度之間或不同的pH梯度之間構(gòu)成了相互對照，通過相互對照可確定果膠酶的最適溫度或最適pH。 [練題點全過關(guān)] 1．下列與酶的活性有關(guān)的說法中，錯誤的是(　　) A．酶的活性是由蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)決定的，不受外界條件的影響 B．酶的活性是指酶催化一定化學反應的能力 C．酶的活性受溫度、pH等因素的影響 D．酶活性高低與反應物濃度無關(guān) 解析：選A　酶的活性是指酶催化一定化學反應的能力，其高低可以用在一定條件下所催化的某一化學反應的反應速度來表示。酶的催化作用受外界條件影響，溫度、pH等對酶的催化作用都有較大影響，反應物濃度與酶的活性高低無關(guān)。 2．探究溫度、pH對果膠酶活性的影響以及探究果膠酶的用量三個實驗中，實驗變量依次為(　　) A．溫度、酶活性、酶用量 B．蘋果泥用量、pH、果汁量 C．反應時間、酶活性、酶用量 D．溫度、pH、酶用量 解析：選D　實驗變量又稱為自變量，指實驗中由實驗者所操縱的因素和條件，如探究溫度對果膠酶活性的影響時，需要設(shè)置不同的溫度作為對照，所以溫度就是實驗變量；同理，研究pH對果膠酶活性影響的自變量為pH；研究果膠酶的用量的實驗中，實驗變量為酶用量。 3．果粒生產(chǎn)在中國尚屬起步階段。果粒除了可直接食用外還可作為配料加入到酸奶、冰淇淋、果凍等食品中。果粒的硬度和形狀直接影響著最終產(chǎn)品的質(zhì)量。如酸奶用果粒必須符合以下質(zhì)量標準：a果粒含量高；b相同的果粒分布和正確的黏稠度。但大部分果粒經(jīng)高溫處理或機械泵出后成型果粒量少，且果粒硬度不夠，這勢必會影響下一步的生產(chǎn)。果膠酶作為一種新型加工助劑，可將果粒的組織結(jié)構(gòu)損壞程度減到最小，最大限度地提高成型果粒的含量。根據(jù)以上內(nèi)容回答下列問題： (1)果膠酶是指________________，包括________________________________________等。 (2)果膠酶作為一種果粒加工助劑，它能將果膠分解成可溶性的________________，由酶的________________性可知，組成果粒的另一成分________________不會被分解。 (3)在果粒制作時按“2 mL酶/kg水果”的量加入酶制劑，加熱至40～45 ℃，緩慢攪拌處理10～15 min。最后加熱到90～92 ℃，再冷卻罐裝。在此過程中按“2 mL酶/kg水果”的量加入酶的意義在于________________________________________；在40～45 ℃溫度下攪拌處理的原因是_____________________________________________________________； 最后升溫到90～92 ℃再冷卻罐裝的目的是___________________________________。 (4)果粒產(chǎn)品與果汁產(chǎn)品在成分上的主要區(qū)別在于____________________。 (5)下面圖1表示溫度對果膠酶活性的影響，如果縱坐標表示果粒的生成速率，橫坐標表示溫度，請在下面圖2中畫出果粒生成速率的曲線圖(所繪制的曲線大體符合事實即可)。 解析：果粒由果肉加工而成，應含有果膠和纖維素。在果膠酶參與加工果粒的過程中，果膠被分解為半乳糖醛酸，而纖維素不會被分解?？刂泼噶康囊饬x在于：一方面使酶充分發(fā)揮作用，另一方面避免酶的浪費以節(jié)約生產(chǎn)成本。 答案：(1)分解果膠的一類酶　多聚半乳糖醛酸酶、果膠分解酶和果膠酯酶　(2)半乳糖醛酸　專一　纖維素　(3)控制好酶的用量，一方面使果膠酶充分發(fā)揮作用，另一方面節(jié)約成本，以免造成浪費　在40～45 ℃溫度下果膠酶活性最高　滅菌　(4)果粒產(chǎn)品中有纖維素，果汁中不含纖維素　(5)如圖 二、酶在洗滌方面的應用 [試考題查欠缺] 1．下列關(guān)于探討加酶洗衣粉的洗滌效果的說法錯誤的是(　　) A．加酶洗衣粉中的酶能夠耐酸、耐堿、忍受表面活性劑和較高溫度 B．加酶洗衣粉能夠有效去除油漬、汗?jié)n和血漬 C．衣服的洗滌只考慮洗滌效果就可以 D．科學研究中，研究變量的思路是一致的，只是在不同的問題情景下，具體做法不同 解析：選C　在洗滌衣物時，不僅要考慮洗滌效果，還要考慮衣物的承受能力、洗滌成本等因素。 2．為了進一步增強洗衣粉對血漬、奶漬、油污、土豆泥等衣物上常見污垢的去除能力，洗衣粉中常常會添加各種酶類。請回答有關(guān)問題： (1)根據(jù)衣物上常見的污垢，加酶洗衣粉中添加的酶類有堿性蛋白酶、________________________________________________________________________。 (2)堿性蛋白酶能將血漬、奶漬等含有的大分子蛋白質(zhì)水解成可溶性的________。 (3)下表為加酶洗衣粉的包裝袋上的產(chǎn)品說明，根據(jù)你所學習的有關(guān)知識，解釋注意事項③的原因：___________________________________________________________________。 注意事項 ①請將本品置于陰涼、干燥處，避熱、避濕、避光。 ②不慎濺入眼中，立即用水沖洗。 ③水溫以30～50 ℃為宜，切忌用70 ℃以上的熱水。 (4)下面是添加脂肪酶的加酶洗衣粉和普通洗衣粉洗滌效果的有關(guān)探究實驗，請據(jù)表回答： 臉盆 編號 洗滌物 (等量) 洗滌 溫度 洗衣粉 (等量) 水量 洗凈所 需時間 1 油污布 45 ℃ 加酶 2 L 4 min 2 油污布 45 ℃ 普通 2 L 7 min 3 油污布 5 ℃ 加酶 2 L 9 min 4 油污布 5 ℃ 普通 2 L 8 min ①該實驗設(shè)計體現(xiàn)了____________________原則。 ②若1號實驗組，洗凈所需時間接近7 min，請分析最可能的原因：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析：污垢中的血漬、奶漬、油污、土豆泥的主要成分分別是蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉和纖維素，因此要在洗衣粉中添加相應的水解酶。蛋白酶能將蛋白質(zhì)水解為易溶于水的多肽和氨基酸，使衣物清潔。洗衣粉中添加的酶是蛋白質(zhì)，在高溫時會變性失活，而且酶的催化活性受溫度影響，在30～50 ℃時具有較高的催化活性。實驗設(shè)計中的1、2兩組和3、4兩組只是在洗衣粉種類上不同，而1、3兩組和2、4兩組則只有溫度不同，這體現(xiàn)了實驗設(shè)計的對照原則和單一變量原則。若1號實驗組和2號實驗組的洗凈時間接近，說明1號中的酶沒有起到預期的作用，可能是酶失活。 答案：(1)(堿性)脂肪酶、淀粉酶、纖維素酶　(2)多肽(氨基酸)　(3)酶的催化受溫度的影響，30～50 ℃是洗衣粉中的酶的適宜溫度范圍，溫度過高會使酶變性失活　(4)①單一變量、對照?、谙匆路壑械拿缸冃曰蚴?答案合理即可) [強知能補欠缺] 1．加酶洗衣粉的去污機理 種類 洗滌原理 洗滌的物質(zhì)種類 蛋白酶 蛋白質(zhì)小分子的肽＋氨基酸 血漬、奶漬及各種食品類的蛋白質(zhì)污垢 脂肪酶 脂肪甘油＋脂肪酸 食品的油漬、人體皮脂、口紅 淀粉酶 淀粉麥芽糖＋葡萄糖 來自面條、巧克力等的污垢 纖維 素酶 使纖維的結(jié)構(gòu)變得蓬松，從而使?jié)B入到纖維深處的塵土和污垢能夠與洗衣粉充分接觸 棉紡織品的表面浮毛 2．變量的分析和控制 影響加酶洗衣粉洗滌效果的因素有水溫、水量、水質(zhì)、洗衣粉的用量和種類，衣物的材料、大小及浸泡時間和洗滌時間等。 在探究用加酶洗衣粉洗滌的最佳溫度條件實驗中，水溫是要研究的對象，實驗自變量是水溫；在探究加酶洗衣粉與普通洗衣粉洗滌效果的實驗中，實驗自變量為洗衣粉的種類；在探究不同種類的加酶洗衣粉洗滌效果的實驗中，實驗自變量為加酶洗衣粉的種類。在設(shè)計實驗時，應遵循單一變量原則和對照原則等。 3．洗滌方式和材料的選擇 (1)采用全自動洗衣機比較好，并且應該盡量使用同一型號小容量的洗衣機，使其機械攪拌作用相同。 (2)洗滌材料的選擇也有一些講究。選用布料作為實驗材料比較可行。在設(shè)置對照實驗時，可以控制布料的大小、顏色及污物的量，使其相同；同時，也便于洗滌效果的比較。 4．水量、水質(zhì)和洗衣粉用量的問題 (1)水量和布料的大小是成正比的。做實驗用的布料不宜過大，水量不宜過多，但應該讓布料充分浸泡在水中。 (2)其他相關(guān)問題簡述如下：實驗中可以用滴管控制污物的量，待污物干燥后再進行實驗；布料應放在洗衣粉溶液中浸泡相同的時間；采用玻棒攪拌的方式模擬洗衣過程；模擬攪拌的時間、次數(shù)和力量應基本相同。 5．使用加酶洗衣粉時的注意事項 (1)堿性蛋白酶能使蛋白質(zhì)水解，因此，蛋白質(zhì)類纖維(羊毛、蠶絲等)織物就不能用加酶洗衣粉來洗滌，以免使纖維受到破壞。 (2)使用加酶洗衣粉時，必須注意洗滌用水的溫度。堿性蛋白酶在35 ℃～50 ℃時活性最強，在低溫下或70 ℃以上就會失效。 (3)酶為生物催化劑，具有一定的壽命，時間長了，酶的活性就會降低或喪失，因此加酶洗衣粉也不宜長期存放。 (4)加酶洗衣粉不宜與三聚磷酸鹽共存，否則酶的活性將會喪失。 (5)添加了堿性蛋白酶的洗衣粉可以分解人體皮膚表面蛋白質(zhì)，而使人患過敏性皮炎、濕疹等，因此，應避免與這類洗衣粉長時間地接觸。 (6)與普通洗衣粉相比，加酶洗衣粉洗滌效果更好，又由于不含磷元素，酶制劑進入無機環(huán)境中后可以被微生物分解，因此不會對環(huán)境造成污染。 [練題點全過關(guān)] 1．下列關(guān)于加酶洗衣粉的敘述，錯誤的是(　　) A．加酶洗衣粉是指含有酶制劑的洗衣粉 B．目前常用的酶制劑有四類：蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶和纖維素酶 C．酶是未經(jīng)任何處理直接添加到洗衣粉中去的 D．堿性蛋白酶能將血漬、奶漬中含有的大分子蛋白質(zhì)水解成可溶性的氨基酸或小分子的肽 解析：選C　由于溫度、pH、洗衣粉中的表面活性劑等都會影響酶的活性，因此加酶洗衣粉中的酶都經(jīng)過了特殊處理，如用特殊的化學物質(zhì)將酶層層包裹起來，與洗衣粉的其他成分隔離開來。 2．在驗證某種加酶洗衣粉需要的最適溫度的實驗中，下列敘述正確的是(　　) A．取一系列不同溫度、其他條件相同的水，加入相同的污物及等量加酶洗衣粉，看哪一個溫度加酶洗衣粉的效果最好 B．在不同溫度的水中，加入不等量洗衣粉，看哪種效果好 C．將加酶洗衣粉加入30 ℃水中發(fā)現(xiàn)不如加入45 ℃的水中洗滌效果好，說明45 ℃為最適溫度 D．將加酶洗衣粉與普通洗衣粉分別加入37 ℃的水中洗滌同樣的污物，發(fā)現(xiàn)加酶洗衣粉效果好，說明加酶洗衣粉的最適溫度為37 ℃ 解析：選A　本實驗的實驗變量是溫度，其他條件應相同，酶的催化作用有一最適溫度，但最適溫度需經(jīng)過精確的實驗才能確定，如將加酶洗衣粉加入30 ℃水中的洗滌效果不如45 ℃水中的好，只能說明45 ℃時酶的活性比30 ℃時高，但不能肯定45 ℃就是最適溫度，如要探究加酶洗衣粉的最適溫度，應設(shè)置一系列不同溫度，然后比較各組的洗滌效果，其中洗滌效果最好的為最適溫度。 3．為探究洗衣粉加酶后的洗滌效果，將一種無酶洗衣粉分成3等份，進行3組實驗。甲、乙組在洗衣粉中加入1種或2種酶，丙組不加酶，在不同溫度下清洗同種化纖布上的2種污漬，其他實驗條件均相同，如表為記錄的實驗結(jié)果。請回答下列問題： 水溫(℃) 10 20 30 40 50 組別 甲 乙 丙 甲 乙 丙 甲 乙 丙 甲 乙 丙 甲 乙 丙 清除血漬時間(min) 67 66 88 52 51 83 36 34 77 11 12 68 9 11 67 清除油漬時間(min) 93 78 95 87 63 91 82 46 85 75 27 77 69 8 68 (1)根據(jù)表中數(shù)據(jù)分析，提高洗衣粉去污能力的方法有__________________。甲組在洗衣粉中加入了________。乙組在洗衣粉中加入了____________。 (2)甲、乙組洗滌效果的差異，說明酶的作用具有________。 (3)如果甲、乙、丙3組均在水溫為80 ℃時洗滌同一種污漬，請比較這3組洗滌效果之間的差異并說明理由：________________________________________。 (4)加酶洗衣粉中的酶是用特殊的化學物質(zhì)包裹的，遇水后包裹層很快溶解，釋放出來的酶迅速發(fā)揮催化作用，這________(填“能”或“不能”)說明運用了酶的固定化技術(shù)，理由是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析：(1)通過分析表格中的數(shù)據(jù)可以得出：在10～50 ℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，洗衣粉的去污能力增強；加入酶的甲、乙組的去污能力比未加酶的丙組的去污能力強。血漬的主要成分是血紅蛋白，油漬的主要成分是脂肪，通過比較甲、乙兩組清除血漬和油漬的能力，可知甲組加入了蛋白酶，乙組加入了蛋白酶和脂肪酶。(2)甲、乙兩組去污能力的差異也正好說明酶具有專一性。(3)酶在高溫的情況下會變性失活，因此甲、乙、丙三組在水溫為80 ℃時，去污效果相同。(4)由“酶的固定化技術(shù)需要把酶固定在不溶于水的載體上，且固定化酶可重復利用”可知，加酶洗衣粉中的酶沒有運用酶的固定化技術(shù)。 答案：(1)加酶和適當提高溫度　蛋白酶　蛋白酶和脂肪酶 (2)專一性　(3)沒有差異，因為高溫會使酶失活　 (4)不能　酶未固定在不溶于水的載體上，也不能重復利用 三、酶的固定化　 [試考題查欠缺] 1．(2019鄭州調(diào)研)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底物的一系列反應 解析：選A　可用包埋法制備固定化酵母細胞；有些反應產(chǎn)物可與相應酶結(jié)合，進而影響固定化酶的活性；葡萄糖異構(gòu)酶固定前后專一性不變；固定化細胞固定的是一系列酶，催化一系列反應，但不能催化各種反應底物。 2．(2019南昌聯(lián)考)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)?；罨褪亲屘幱谛菝郀顟B(tài)的微生物重新恢復________狀態(tài)?；罨皯x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：在缺水狀態(tài)下，微生物處于休眠狀態(tài)?；罨褪亲屘幱谛菝郀顟B(tài)的微生物重新恢復正常的生活狀態(tài)。由于酵母菌活化時體積會變大，活化前應選擇足夠大的容器。固定化酶和固定化細胞技術(shù)是利用物理或化學方法將酶或細胞固定在一定空間的技術(shù)。其中固定化細胞常采用包埋法，而固定化酶常用化學結(jié)合法和物理吸附法，原因是細胞體積大，而酶分子體積小，個體大的細胞難以被吸附或結(jié)合，而個體小的酶容易從包埋材料中漏出。海藻酸鈉溶化時應用小火或間斷加熱，期間還要不斷攪拌，防止焦糊。如海藻酸鈉濃度過低，則包埋的酵母細胞較少；若濃度過高，凝膠可能呈面條狀，不易形成圓形或橢圓形。 答案：(1)缺水　正常生活　體積會增大　(2)化學結(jié)合法　物理吸附法　(3)配制海藻酸鈉溶液　(4)小火或間斷加熱，不斷攪拌　(5)較少　海藻酸鈉的濃度偏高，制作失敗 [強知能補欠缺] 1．直接使用酶、固定化酶和固定化細胞的比較 直接使用酶 固定化酶 固定化細胞 制作方法 — 化學結(jié)合法、物理吸附法 包埋法 是否需要 營養(yǎng)物質(zhì) 否 否 是 催化反應 單一或多種 單一 一系列(或多種) 反應底物 各種物質(zhì)(大分子、小分子) 各種物質(zhì)(大分子、小分子) 小分子物質(zhì) 缺點 ①對環(huán)境條件非常敏感，易失活；②難回收，成本高，影響產(chǎn)品質(zhì)量 不利于催化一系列酶促反應 反應物不易與酶接近，尤其是大分子物質(zhì)，反應效率下降 優(yōu)點 催化效率高、耗能低、低污染 ①既能與反應物接觸，又能與產(chǎn)物分離； ②可以重復利用 成本低、操作容易 2．酵母細胞的固定化方法 3．固定化實驗中的易錯總結(jié) (1)海藻酸鈉溶液的濃度對包埋酵母細胞數(shù)量的影響 ①海藻酸鈉溶液濃度過高，將很難形成凝膠珠。 ②濃度過低，形成的凝膠珠所包埋的酵母細胞的數(shù)量少。 (2)海藻酸鈉溶液配制注意事項 ①海藻酸鈉溶化時要用小火或間斷加熱，避免海藻酸鈉發(fā)生焦糊。 ②將溶化后的海藻酸鈉先冷卻至室溫，再與酵母細胞混合，避免高溫殺死酵母細胞。 ③固定化酵母細胞時，應將海藻酸鈉酵母細胞的混合液用注射器緩慢滴加到CaCl2溶液中，而不是注射，以免影響凝膠珠的形成。 [練題點全過關(guān)] 1．圖1表示制備固定化酵母細胞的有關(guān)操作，圖2是利用固定化酵母細胞進行酒精發(fā)酵的示意圖，下列敘述錯誤的是(　　) A．剛?cè)芑暮Ｔ逅徕c應迅速與活化的酵母菌混合制備混合液 B．圖1中X溶液為CaCl2溶液，其作用是使海藻酸鈉形成凝膠珠 C．圖2發(fā)酵過程中攪拌的目的是為了使培養(yǎng)液與酵母菌充分接觸 D．圖1中制備的凝膠珠用蒸餾水洗滌后再轉(zhuǎn)移到圖2裝置中 解析：選A　溶化的海藻酸鈉應冷卻至室溫后再與活化的酵母菌混合，以免溫度過高殺死酵母菌；海藻酸鈉與酵母菌混合液應滴入CaCl2溶液中，以制備凝膠珠；凝膠珠用蒸餾水沖洗2～3次后，再轉(zhuǎn)移到發(fā)酵裝置中；攪拌可使酵母菌與培養(yǎng)液充分接觸，有利于發(fā)酵的順利進行。 2．根據(jù)材料回答下列有關(guān)問題： Ⅰ.某大學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)，海藻酸鈉來包埋小麥酯酶，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反應的總效率，包括酶的活性和酶的數(shù)量) (1)從圖1可以看出：固定化小麥酯酶比游離的小麥酯酶對溫度變化的適應性更________。 (2)從圖2可以看出：海藻酸鈉濃度為________時的小麥酯酶活力最強。當海藻酸鈉濃度較低時，酶活力較低的原因是：_____________________。 Ⅱ：某實驗小組的同學制備固定化酵母細胞的過程如下： ①活化酵母細胞：稱取定量干酵母與定量蒸餾水混合并攪拌，使酵母細胞活化； ②配制CaCl2溶液：將無水CaCl2溶解在定量蒸餾水中，配制成一定濃度的CaCl2溶液； ③配制海藻酸鈉溶液：將定量的海藻酸鈉直接溶解在定量的蒸餾水/無菌水中，配制成溶液； ④海藻酸鈉溶液和酵母細胞混合：將活化的酵母細胞迅速加入到剛配制成的海藻酸鈉溶液中，充分攪拌混合均勻； ⑤固定化酵母細胞：用注射器以恒定的速度緩慢地將海藻酸鈉和酵母細胞混合液滴加到配制好的CaCl2溶液中，觀察凝膠珠形成。 (1)請你改正其中兩處錯誤的操作： 第一處_________________________________________； 第二處___________________________________________。 (2)剛形成的凝膠珠要在CaCl2溶液中浸泡30 min左右，目的是_________________。 (3)如果制作的凝膠珠顏色過淺，呈白色，則說明海藻酸鈉濃度________(填“過低”或“過高”)。 解析：圖2曲線表明濃度為3%的海藻酸鈉包埋效果最好，當海藻酸鈉濃度較低時酶活力較低，原因是海藻酸鈉濃度較低時包埋不緊密，酶分子容易漏出，導致酶數(shù)量不足。 答案：Ⅰ.(1)強　(2)3%　酶的數(shù)量不足 Ⅱ.(1)③海藻酸鈉溶解應適當加熱至完全溶化 ④海藻酸鈉溶液冷卻至常溫再加入酵母細胞 (2)讓凝膠珠形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)　(3)過低 1．用加酶洗衣粉洗滌衣物時，下列說法正確的是(　　) A．可用加酶洗衣粉洗滌毛料衣服 B．一般先用熱水泡開，然后調(diào)至適宜溫度 C．水溫太低，洗衣粉中的酶喪失活性后不能再恢復 D．使用添加了堿性蛋白酶的洗衣粉洗衣服后應立即沖洗雙手 解析：選D　毛料衣服的主要成分為蛋白質(zhì)，加酶洗衣粉中的蛋白酶會損壞衣服；高溫會使酶失活，而低溫抑制酶的活性，但不會使酶變性；皮膚中的蛋白質(zhì)也會被加酶洗衣粉中的蛋白酶水解，從而損傷皮膚。 2.如圖表示某研究小組在探究果膠酶的用量的實驗結(jié)果。下列有關(guān)說法錯誤的是(　　) A．在ab段限制反應速率的主要因素是酶的用量 B．在bc段限制反應速率的因素可能是溫度、pH、反應物濃度等 C．在ab段增加反應物濃度，可以明顯加快反應速率 D．在該實驗給定條件下，果膠酶的最佳用量是b點對應的值 解析：選C　本題應從酶的濃度和活性、底物的濃度兩方面進行分析。由曲線圖可以看出，在ab段，隨著酶的用量的增大，酶促反應速率加快，說明此階段限制反應速率的主要因素是酶的用量，此時增加反應物濃度，反應速率不會明顯加快。在bc段，隨著酶的用量的增大，酶促反應速率不再加快，此時反應物濃度成為限制反應速率的因素之一，增加反應物濃度，反應速率會加快。 3．下列有關(guān)酶的制備和應用的敘述，正確的是(　　) A．酶解法和吸水漲破法常用于制備微生物的胞內(nèi)酶 B．透析、電泳和酸解等方法常用于酶的分離與純化 C．棉織物不能使用添加纖維素酶的洗衣粉進行洗滌 D．多酶片中的胃蛋白酶位于片劑的核心層 解析：選A　酶解法可利用酶的專一性去除微生物的細胞壁，再通過吸水漲破法使細胞內(nèi)的物質(zhì)釋放出來，然后提取其中的胞內(nèi)酶；透析和電泳可用于酶的分離和純化，但酸解會導致酶結(jié)構(gòu)的破壞；棉織物的主要成分是纖維素，用添加了纖維素酶的洗衣粉進行洗滌會使棉織物蓬松，有利于污物的洗滌，纖維素酶還能去除掉棉織物表面的浮毛，平整棉織物表面，使洗滌后的棉織物柔軟、蓬松，花紋清晰，色澤更加鮮艷，穿著更加舒適；多酶片中的胃蛋白酶應位于片劑核心層的外層，而片劑的核心層是在小腸中發(fā)揮作用的胰蛋白酶等消化酶。 4．如圖是圍繞加酶洗衣粉洗滌效果進行的研究結(jié)果，下列有關(guān)敘述錯誤的是(　　) A．本實驗的自變量有溫度和洗衣粉是否加酶 B．本實驗的因變量可能是污漬殘留量 C．兩類洗衣粉的最佳使用溫度都為t1 D．溫度超過t2后加酶洗衣粉中的酶可能失活 解析：選C　該圖示為多因子變量曲線，從圖示可以看出本實驗的自變量有溫度和洗衣粉是否加酶，因變量可能是污漬殘留量。從圖示可以看出加酶洗衣粉的最佳使用溫度為t1，溫度超過t2后加酶洗衣粉中的酶可能失活。 5．下列關(guān)于酶和固定化酵母細胞的研究與應用的敘述，錯誤的是(　　) A．從酶的固定方式看，吸附法比化學結(jié)合法對酶活性影響小 B．作為消化酶使用時，蛋白酶制劑常以口服方式給藥 C．尿糖試紙含有固定化的葡萄糖酶和過氧化氫酶，可以反復使用 D．將海藻酸鈉凝膠珠用無菌水沖洗，目的是洗去CaCl2和雜菌 解析：選C　酶的固定方式有包埋法、化學結(jié)合法和物理吸附法，物理吸附的過程是利用吸附劑本身的表面張力，從而對附近的分子產(chǎn)生吸附，吸附劑不會與被吸附物質(zhì)發(fā)生化學反應而使其性質(zhì)發(fā)生改變，所以吸附法對酶活性影響很?。幌冈谌梭w消化道內(nèi)發(fā)揮作用，蛋白酶制劑一般在最外面加上糖衣后通過口服方式給藥；尿糖試紙是一種酶試紙，是將葡萄糖氧化酶、過氧化氫酶和某種無色化合物固定在紙條上，制成測試尿糖含量的酶試紙，這種酶試紙與尿液相遇時，很快會因為尿液中葡萄糖含量的多少而呈現(xiàn)一定的顏色，再次使用時顏色會有掩蓋作用，所以不能反復使用；制備固定化酵母細胞時，將海藻酸鈉凝膠珠用無菌水沖洗的目的是洗去CaCl2和雜菌，防止凝膠珠硬度過大和雜菌的污染。 6．下面是有關(guān)普通洗衣粉和加酶洗衣粉的洗滌效果是否相同的探究實驗，請據(jù)表完成問題。 臉盆 編號 加入物質(zhì) (等量) 溫度 洗衣粉 (等量) 水量 褪色 時間 1 油污布 37 ℃ 加酶 2 L 5 min 2 油污布 37 ℃ 普通 2 L 7 min 3 油污布 5 ℃ 加酶 2 L 9 min 4 油污布 5 ℃ 普通 2 L 8 min 該實驗證明： (1)能說明加酶洗衣粉洗滌效果好的組合方式是_________________________________。 (2)能說明酶活性受溫度影響的組合方式是________________________。 解析：(1)只有通過比較，才能說明效果是否相同，所以需有加酶洗衣粉與普通洗衣粉之間的對照，同時褪色時間不能有其他變量干擾，這樣的組合只能為1與2或3與4，結(jié)合設(shè)問(1)是證明加酶洗衣粉效果好，所以只能為1與2的組合。(2)是證明溫度不同對酶活性的影響，所以應為1與3的組合。 答案：(1)1與2　(2)1與3 7．某同學進行蘋果汁制作實驗，工藝如圖所示。請回答下列問題： (1)圖中用KMnO4溶液浸泡蘋果的目的是________。黑曲霉提取液中含有的________可水解果膠，從而使果汁澄清。固定化柱中填充的石英砂通過________方式將酶固定化，酶被固定后用蒸餾水洗滌固定化柱是為了除去__________________________。 (2)實驗中，操作流程A和B的先后次序為________。在蘋果汁澄清過程中，應關(guān)閉的流速調(diào)節(jié)閥是______。要測定從固定化柱流出的蘋果汁中是否還有果膠，可取一定量的果汁與等量的________混合，如果出現(xiàn)______現(xiàn)象，說明果膠還沒有被完全水解。為使果膠完全水解，應將流速調(diào)節(jié)閥2調(diào)________(填“快”或“慢”)。 (3)實驗后，將洗滌過的固定化柱在低溫環(huán)境中保存若干天，該固定化柱仍可用于蘋果汁制作實驗，說明固定化酶可被________使用。 解析：(1)KMnO4有殺菌消毒的作用，可將蘋果表面的雜菌殺死。果汁中因含有果膠等而使蘋果汁渾濁，用果膠酶處理可使果膠水解，使果汁澄清。固定化酶技術(shù)是將酶固定在固定化柱的載體上，固定化柱內(nèi)填充的石英砂可以起到很好的吸附作用，酶被固定后用蒸餾水沖洗是為了除去未被固定的酶等。(2)具體操作時，先提取果膠酶，打開閥1，讓含有果膠酶的提取液流入固定化柱，將果膠酶固定在固定化柱中，再將閥2打開，使蘋果汁流入固定化柱，固定的果膠酶能將果汁中的果膠分解，而果膠酶不流失。果膠不溶于乙醇，故可用乙醇鑒定果汁中的果膠，如有渾濁現(xiàn)象，說明果汁中仍有果膠存在，若要使果膠徹底水解應控制流速調(diào)節(jié)閥2，調(diào)慢果汁流速。(3)酶被固定化后，便于與反應物和產(chǎn)物分離，可重復使用，提高了酶的利用率。 答案：(1)消毒　果膠酶　吸附　未被固定的酶等　(2)AB　閥1　乙醇　渾濁(沉淀)　慢　(3)重復 8．某化工廠生產(chǎn)的一種加酶洗衣粉，其包裝袋上印有如下說明。 某研究性學習小組為探究該洗衣粉中酶催化作用的最適溫度，設(shè)計了如下裝置進行實驗，并將結(jié)果用下列曲線圖A、B表示。 　 請回答下列問題： (1)由圖可知，使用該加酶洗衣粉的最適宜溫度為________。 (2)在0℃和75 ℃時，酶的催化效率基本都為零。但當溫度再度回到45 ℃時，后者酶的催化能力已不能恢復，這是因為______________________________。 (3)在實驗過程中可通過直接測定________________________________(指標)來表示該洗衣粉中酶的催化效率。 (4)目前使用的加酶洗衣粉都是一次性的，某洗滌公司為降低生產(chǎn)成本研制了一種能多次重復使用加酶洗衣粉的設(shè)備，他們將酶固定在不溶于水的尼龍載體上，洗滌完衣物后，經(jīng)過簡單處理，這些酶還可以多次重復利用，這種方法制成的酶叫________。 解析：由A圖看出該加酶洗衣粉在45 ℃時催化效率最高。高溫條件下酶的結(jié)構(gòu)會發(fā)生不可逆的破壞，即使再回到最適溫度，酶的活性也不能恢復。膠片上的蛋白膜存在時間的長短反映了酶的催化效率。將酶固定在不溶于水的尼龍載體上，使酶多次重復利用，這種方法制成的酶叫固定化酶。 答案：(1)45 ℃　(2)高溫條件下酶的結(jié)構(gòu)已遭破壞(或酶的活性已喪失)　(3)膠片上的蛋白膜存在時間的長短(或其他合理答案)　(4)固定化酶 9.如圖為固定化酶的反應柱示意圖，請據(jù)圖回答： (1)請在橫線上填出各標號的名稱。 ①________________，②______________，③______________。 (2)與一般酶制劑相比，固定化酶的突出優(yōu)點是______________________；固定化細胞的優(yōu)點是________________________________________________。 (3)③的作用是___________________________________________________。 (4)制作固定化葡萄糖異構(gòu)酶所用的方式有____________或______________。 (5)據(jù)圖說出反應柱的作用原理。______________________________________________。 解析：與一般的酶制劑相比，固定化酶不僅能與反應物充分接觸，還能與產(chǎn)物分離，并且可以反復利用；與固定化酶相比，固定化細胞能催化一系列的化學反應，并且固定化細胞成本更低，操作更容易；使用固定化酶技術(shù)往往利用一個反應柱，反應柱下端有一個分布著小孔的篩板，酶顆粒無法通過篩板，而反應溶液卻可以自由出入。 答案：(1)反應柱　固定化酶　分布著小孔的篩板　(2)既能與反應物接觸，又能與產(chǎn)物分離，還能被反復利用　成本更低，操作更容易，且能催化一系列的反應　(3)使酶顆粒無法通過，反應溶液卻可以自由出入　(4)化學結(jié)合法　物理吸附法　(5)反應液從反應柱的上端注入，使反應物溶液流過反應柱，與固定化酶接觸，得到的產(chǎn)物從反應柱下端流出 10．加酶洗衣粉是指含有酶制劑的洗衣粉。請回答下列問題： (1)由下圖推知，該實驗的目的是_________________________________。50 ℃時加酶洗衣粉中堿性蛋白酶的最適含量約是________%。 (2)下列衣料不適宜用添加蛋白酶的加酶洗衣粉洗滌的有____________。 ①棉織品　②毛織品?、垭婢]織品　④蠶絲織品 (3)根據(jù)以上實驗結(jié)果，請寫出兩項提高加酶洗衣粉洗滌效果的措施：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案：(1)探究溫度、堿性蛋白酶含量對去污力的影響　0.6　(2)②④　(3)用溫水浸泡；延長浸泡時間；增加洗衣粉的用量等(寫出兩項合理答案即可) 11．根據(jù)下面的實驗原理、實驗過程，回答相關(guān)問題。 實驗原理：麥芽汁可以滲入到由海藻酸鈉和啤酒酵母制成的凝膠珠中。啤酒酵母可以利用自身細胞內(nèi)的一系列酶將可發(fā)酵的糖轉(zhuǎn)化成乙醇。 實驗過程：①取斜面培養(yǎng)基上的新鮮啤酒酵母，接種于10 mL麥芽汁液體培養(yǎng)基中，25 ℃培養(yǎng)24～30 h。 ②取1.6 g海藻酸鈉放入無菌小燒杯中，加無菌水少許調(diào)成糊狀，再加入無菌水至40 mL，在98 kPa條件下滅菌15 min。冷卻至45 ℃左右后，與預熱至35 ℃左右的10 mL酵母培養(yǎng)液混合攪拌均勻，立即倒入帶噴嘴的無菌小塑料瓶中(或裝有5號針頭的注射器外套中)，以恒定的速度滴入盛有葡萄糖、氯化鈣混合液的容器中，浸泡30 min制成凝膠珠。 ③倒去葡萄糖、氯化鈣混合液，用無菌水洗滌凝膠珠三次后，將凝膠珠放入500 mL三角瓶中，加入300 mL無菌麥芽汁液體培養(yǎng)基，置于25 ℃下封口發(fā)酵5 d左右，倒出發(fā)酵后的麥芽汁即為生啤酒。 (1)凝膠珠是由什么組成的？它有什么作用？ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)如果進行多批次的生產(chǎn)，本實驗中的啤酒酵母與普通發(fā)酵中的酶或菌種在使用上有何區(qū)別？ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)制作成功的凝膠珠需用____________沖洗，其顏色為____________。將凝膠珠加入用于發(fā)酵的葡萄糖溶液后，發(fā)現(xiàn)有________產(chǎn)生，同時有________味散發(fā)。 答案：(1)凝膠珠是由啤酒酵母和固定酵母菌的海藻酸鈉組成的。啤酒酵母能產(chǎn)生酶將滲入凝膠珠的麥芽汁中的糖發(fā)酵，進而轉(zhuǎn)化成乙醇　(2)將生啤酒倒出后，將凝膠珠再投放入新鮮的麥芽汁中，可以在較長時間內(nèi)反復連續(xù)使用，而普通發(fā)酵中的酶或菌種不能反復使用　(3)蒸餾水　淺黃色　氣泡　酒 12．如圖1為人工種子生產(chǎn)過程示意圖，圖2為圖1中③過程的相關(guān)操作，據(jù)圖分析回答下面的問題： (1)圖1中，①②過程分別稱為______________。 (2)圖2中，包埋形成人工種子過程中，加熱溶解海藻酸鈉時需注意用____________加熱，然后將溶化好的海藻酸鈉溶液________后，加入胚狀體充分攪拌混合均勻。 (3)剛生產(chǎn)的人工種子需要在CaCl2溶液中浸泡一段時間，其目的是使人工種子__________________。 (4)若用圖2的方法“制備固定化酵母細胞”，海藻酸鈉溶液的濃度對實驗結(jié)果影響較大，若濃度過高，則________________，通常評價該實驗結(jié)果主要是觀察凝膠珠的____________。 (5)制備固定化酶則不宜用此方法，原因是______________________________。 解析：(1)葉組織塊經(jīng)脫分化形成愈傷組織，再分化后形成胚狀體。(2)包埋人工種子過程中，加熱溶解海藻酸鈉時需用小火或間斷加熱，以防止焦糊，冷卻至室溫后再加入胚狀體充分混勻。(3)將剛生產(chǎn)的人工種子浸泡在CaCl2溶液中一段時間，使人工種子形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。(4)制備固定化酵母細胞時海藻酸鈉溶液的濃度過高不易形成凝膠珠，通常通過觀察凝膠珠的顏色和形狀來評價實驗結(jié)果，淺黃色，球形或橢圓形的凝膠珠為最佳。(5)由于酶分子小，容易從包埋材料中漏出，所以不易用包埋法。 答案：(1)脫分化、再分化　(2)小火(或間斷)　冷卻(至室溫)　(3)形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)　(4)不易形成凝膠珠　顏色和形狀　(5)酶分子很小，容易從包埋材料中漏出