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1、酶的研究和应用编稿：闫敏敏 审稿：宋辰霞【学习目标】1、了解果胶酶的组成和作用。2、理解检测酶活性的原理。（重点）3、简述探究温度和PH对果胶酶活性的影响及其最适值的实验。（重、难点）4、说出加酶洗衣粉的洗涤原理。5、说明固定化细胞和固定化酶的作用和原理。（重点）6、掌握制备固定化酵母细胞和利用其进行酒精发酵的方法。（重、难点）【要点梳理】要点一、果胶酶在果汁生产中的应用【高清课堂：酶的研究和应用 417460 课题1：基础知识】 1、实验原理（1）果胶是植物细胞壁以及胞间层中的主要成分，也是植物汁液中的主要成分。果胶可结合大量的水分，将植物细胞粘合在一起，降低植物组织的分散性。若去掉果胶，细
2、胞壁被瓦解，就会使果泥中的植物组织块变得松散，产生更多的果汁，增加出汁率（2）果胶分解成可溶性的半乳糖醛酸，使浑浊的果汁澄清（3）果胶酶催化果胶分解需要适宜的温度和pH （4）果胶不溶于酒精，因而可用于初步鉴定果胶被分解多少 要点诠释：果胶酶和纤维素酶的比较：果胶酶的组成是多聚半乳糖醛酸酶，果胶分解酶和果胶酯酶，其化学本质是蛋白质，作用是催化果胶成为可溶性半乳糖醛酸；纤维素酶的组成是C1酶，CX酶和葡萄糖苷酶，其化学本质也是蛋白质，作用是催化纤维素成为纤维二糖，然后再成为葡萄糖。果胶酶和纤维素酶都是复合酶，并不特指某一种酶，而是一类酶的总称。2、酶的活性与影响酶活性的因素（1）酶的活性是指酶催
3、化一定化学反应的能力。酶活性的高低可以用在一定条件下，酶所催化的某一化学反应的反应速度来表示。 在科学研究与工业生产中，酶反应速度用单位时间内、单位体积中反应物的减少量或产物的增加量来表示。 （2）影响酶活性的因素 温度：温度对酶活性的影响是通过影响酶（蛋白质）的稳定性和分子（离子等）运动速率的综合作用的结果。低温使酶的活性降低，高温能使酶失活。酶都有一个最适温度。 pH：酶分子上有许多酸性、碱性氨基酸的侧链基团，这些基团随着pH的变化可处于不同的解离状态，从而影响底物与酶的结合和进一步反应，或影响酶的空间结构，进而影响酶的活性。过酸或过碱能使酶不可逆地失活。酶促反应都有一个最适酸碱度。 酶的
4、抑制剂：某些物质虽然不能引起酶变性，但能使酶分子上某些必需基团（主要是酶活性中心上的一些基团）发生变化，引起酶活力下降，甚至失活，致使酶促反应速度降低。能引起这种抑制作用的物质称为酶的抑制剂。 此外，底物、辅助因子、活化剂、变构剂的种类和浓度，指示剂和辅酶的种类和浓度以及酶的抑制剂等都会影响酶的活性。 要点诠释：测定酶的活性，必须全面了解影响酶活性的因素，以确定合适的条件，来测定其最适条件和最大活性。 温度对酶活性的影响具有双重性，即低温和高温都抑制酶的活性，且温度过高会使酶发生不可逆变性失活。 强酸、强碱都会导致酶的结构发生不可逆破坏而失去活性。 底物浓度及用量，酶的浓度及用量，也会影响酶的
5、活性。在实际生产中，应在最适条件下，充分发挥酶的最大活性，以使酶得到充分利用，节约成本。3、探究酶活性最适条件的实验设计 （1）实验设计思路 本课题的三个实验都是相同的实验思路，都是通过设置梯度来确定最适值，但是不同的实验的变量是不同的。 探究温度和pH对酶活性的影响。研究温度对酶活性的影响的方法是在一恒定的pH下通过设置温度梯度来确定酶催化反应的最适温度；同理研究pH对酶活性的影响就是在某一恒定的温度下通过设置pH梯度来确定酶催化反应的最适pH。具体的设计方案是：确定温度（pH）梯度控制温度或pH酶活性的变化。 探究果胶酶的用量。探究果胶酶的用量是建立在探究最适温度和pH对果胶酶活性影响的基
6、础之上的。此时，研究的变量是果胶酶的用量，其他因素都应保持不变。实验时可以配制不同浓度的果胶酶溶液，也可以只配制一种浓度的果胶酶溶液，然后使用不同的体积即可。 （2）探究温度对果胶酶活性的影响 （3）探究pH对果胶酶活性的影响 用搅拌器搅拌制苹果泥，苹果泥来源要相同（最好是同一个苹果） 将分别装有苹果泥和果胶酶的试管在恒温水浴中保温 将苹果泥和果胶酶分别加入9组实验用的试管中（pH梯度可设置为5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0），并快速混合调节pH 放进恒温水浴中反应一段时间 将试管中的混合物过滤，并用量筒量取果汁体积，比较果汁的多少，确定最适pH 记录实验
7、结果pH5.05.56.06.57.07.58.08.59.0果汁量 （4）探究果胶酶的用量准确称取纯的果胶酶1 mg、2 mg、3 mg、4 mg、5 mg、6 mg、7 mg、8 mg、9 mg，配制成相等体积的酶的水溶液，取等量的酶的水溶液放入9支试管中，依次编号为19号【也可只配制一个浓度的酶液，只是使用体积（量）不同】。制取苹果泥并称取45 g苹果泥，分别装入9支试管中，每支试管中装5 g，依次编号为19号 将上述试管放入37的恒温水浴中平衡内外温度 一段时间后将不同浓度的果胶酶分别迅速与各试管的苹果泥混合，然后再放人恒温水浴中，约20 min 过滤后测量、记录果汁的体积盛有苹果泥的
8、试管123456789盛有果胶酶的试管123456789果汁量mL 注意：实验中所用的果胶酶尽量使用纯酶制剂或不合抑制物的粗酶制剂，以免影响对酶用量的估算。要点二、探讨加酶洗衣粉的洗涤效果1、加酶洗衣粉的概念：指含有酶制剂的洗衣粉。 2、常用酶制剂的洗涤原理： （1）蛋白酶可以将蛋白质分解为易溶解或分散于洗涤液中的多肽或氨基酸，其用于洗涤剂配方中有助于去除血渍、奶渍以及各种食品类的蛋白质污垢。 （2）脂肪酶可以将脂肪水解为甘油和游离的脂肪酸等，这些都比原来的脂肪易溶解，其用于洗涤剂配方中用以去除含脂肪的污渍，如食品中的油渍、人体皮脂以及口红等。 （3）淀粉酶能使淀粉迅速分解为麦芽糖、葡萄糖等可
9、溶性成分，因此淀粉酶用于洗涤剂配方中用以去除含淀粉的污垢，如来自面条、巧克力等的污垢。 （4）纤维素酶本身不能去除衣物上的污垢，它的作用是使纤维的结构变得蓬松，从而使渗入到纤维深处的尘土和污垢能够与洗衣粉充分接触，从而达到更好的去污效果。另外，碱性纤维素酶可以去除在洗涤和穿着时由于磨损在棉纤维上所产生的微纤维，从而使棉纤维恢复原有的光滑状态。但过量使用，也会损伤棉、麻等天然纤维织物。 普通洗衣粉中通常包含有表面活性剂、水软化剂、碱剂、漂白剂等成分，有的洗衣粉中还含有增白剂、香精和色素以及填充剂等。 普通洗衣粉中含有磷。含磷污水的排放可能导致微生物和藻类的大量繁殖，造成水体的污染。加酶洗衣粉可以
10、降低表面活性剂和三聚磷酸钠的用量，使洗涤剂朝低磷无磷的方向发展，从而可以减少对环境的污染。要点诠释：使用加酶洗衣粉时的注意事项： 碱性蛋白酶能使蛋白质水解，因此，蛋白质类纤维（羊毛、蚕丝等）织物就不能用加酶洗衣粉来洗涤，以免使纤维受到破坏。 使用加酶洗衣粉时，必须注意洗涤用水的温度。碱性蛋白酶在3550时活性最强。在低温下或70以上就会失效。 加酶洗衣粉也不宜长期存放，存放时间过长会导致酶活力损失。 加酶洗衣粉不宜与三聚磷酸盐共存否则酶的活性将会丧失。 添加了碱性蛋白酶的洗衣粉可以分解人体皮肤表面的蛋白质，而使人患过敏性皮炎、湿疹等，因此，应避免与这类洗衣粉长时间的接触。3、探讨加酶洗衣粉洗涤
11、效果的实验设计 比较普通洗衣粉和加酶洗衣粉的洗涤效果的实验中，实验变量是洗涤剂，设计时应遵循单一变量原则，对照性原则，有效地控制其他变量，如水的用量、污染物的量、所用实验用布料的质地和大小、两种洗衣粉的用量、搅拌及洗涤时间等。在使用加酶洗衣粉时，不但要考虑最佳洗涤效果的条件，如最适温度、pH、还要考虑衣物的承受能力，也要考虑洗涤成本问题；因为洗涤的成分比较复杂，一般选择复合加酶洗衣粉，以减少用量。要点四、酵母细胞的固定化1、基础知识【高清课堂：酶的研究和应用 417460 课题2：基础知识】（1）固定化酶和固定化细胞是将水溶性的酶或细胞经过物理或化学方法固定在某种介质上或一定空间内，使之成为不
12、溶于水，但仍具有催化活性的酶制剂或保留细胞活性的固定化细胞。（2）酶和细胞固定化的方法有吸附法、共价偶联法、交联法和包埋法等。酶分子更适宜采用吸附法、共价偶联法、交联法，而细胞更适合采用包埋法。 包埋法固定化酶/细胞 偶联法固定化酶/细胞 吸附法固定化酶/细胞（3）将固定化酶装到反应柱内，柱的底端装上分布着很多小孔的筛板。酶颗粒无法通过筛板上的小孔，而反应液可以自由出入。当底物溶液流过装固定化酶的柱时，流出液中即含有酶的催化产物。2、直接使用酶、固定化酶、固定化细胞的比较直接使用酶固定化酶固定化细胞酶的种类一种或几种一种一系列酶常用载体高岭土、皂土、硅胶、凝胶明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素
13、、聚丙烯酰胺制作方法化学结合法、物理吸附法包埋法是否需要营养物质否否是催化反应单一或多种单一一系列反应底物各种物质（大分子、小分子）各种物质（大分子、小分子）小分子物质缺点（1）对环境条件非常敏感，易失活；（2）难回收，成本高，影响产品质量不利于催化一系列的酶促反应反应物不易与酶接近，尤其是大分子物质，反应效率下降优点催化效率高、耗能低，低污染（1）既能与反应物接触，又能与产物分离；（2）可以反复利用成本低、操作容易 要点诠释：（1）固定化细胞使用的都是活细胞，因而为了保证其生活的需要，应该为其提供一定的营养物质。 （2）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
14、最小。3、酵母细胞的固定化的实验操作 （1）制备固定化酵母细胞 酵母细胞的活化 在缺水的状态下，微生物会处于休眠状态。活化就是让处于休眠状态的微生物重新恢复正常的生活状态。酵母细胞所需要的活化时间较短，一般需要0.5 h1 h，需要提前做好准备。此外，酵母细胞活化时体积会变大，因此活化前应该选择体积足够大的容器，以避免酵母细胞的活化液溢出容器外。 配制物质的量浓度为0.05 molL的CaCl2溶液。 配制海藻酸钠溶液 加热使海藻酸钠溶化是操作中最重要的一环。海藻酸钠的浓度涉及固定化细胞的质量，如果海藻酸钠浓度过高，将很难形成凝胶珠；如果浓度过低，形成的凝胶珠所包埋的酵母细胞的数目少，影响实验
15、效果。 要点诠释：海藻酸钠溶液的配制是固定化酵母细胞的关键。 海藻酸钠溶液与酵母细胞混合 固定化酵母细胞 刚形成的凝胶珠应在CaCl2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，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，也能表明凝胶珠的制作成功。 （2）用固定化酵母细胞发酵 将固定好的酵母细胞（凝胶珠）用蒸馏水冲洗23次。 将150 mL质量分数为10的葡萄糖溶液转移到200 mL的锥形瓶中，再加入固定好的酵母细胞，置于25下发酵24 h。
16、要点诠释：实验成功的关键及注意事项 酵母菌活化，就是指处于休眠状态的酵母菌重新恢复正常的生活状态的过程。因为在缺水状态下酵母菌处于休眠状态，而固定酵母菌，使其发挥作用时，必须活化，并且在活化酵母菌时，酵母菌体积会变大，应选择足够大的容器。 加热海藻酸钠加速溶解的过程中，需使用小火间断加热，防止加热过快，使海藻酸钠焦糊，难以制成合适的凝胶珠。 刚形成的凝胶珠应在CaCl2溶液中浸泡一段时间，以便形成稳定的结构。 制备过程要求严格的无菌操作，防止微生物污染。【典型例题】类型一：果胶酶在果汁生产中的应用例1、下列对果胶酶的作用的叙述中，错误的是（ ） A果胶酶是一种催化剂，可以改变反应速度 B果胶酶
17、能瓦解植物的细胞壁及胞间层 C在果汁中加入果胶酶后可使果汁变得澄清 D果胶酶能将乳糖醛酸分解成半乳糖醛酸【答案】D【解析】酶是催化剂，可以改变化学反应速度；在生产果汁时，加入果胶酶，能够分解果胶，瓦解植物的细胞壁及胞间层，进而可以提高出汁率，也能使果汁变得澄清。果胶是由半乳糖醛酸聚合而成的一种高分子化合物，能被果胶酶分解成可溶性的半乳糖醛酸。 【点评】考查细胞的分化、细胞全能性的概念理解。【举一反三】：【变式】关于果胶酶的说法正确的是（ ） A果胶酶可以分解细胞壁的主要成分纤维素 B果胶酶是由半乳糖醛酸聚合而成的一种高分子化合物 C果胶酶不特指某一种酶，而是分解果胶的一类酶的总称 D果胶酶的化
18、学本质是蛋白质或RNA【答案】C【解析】果胶酶并不特指某一种酶，而是分解果胶的一类酶的总称，包括多聚半乳糖醛酸酶、果胶分解酶和果胶酯酶等。果胶酶的化学本质是蛋白质，其基本单位是氨基酸。果胶酶作为酶的一种，具有一般酶的特性，即专一性、高效性、受温度与酸碱度的影响。因此它只能将果胶分解成可溶性的半乳糖醛酸，而不能将纤维素分解为葡萄糖。例2、工业生产果汁时，常常利用果胶酶破除果肉细胞壁以提高出汁率。为研究温度对果胶酶活性的影响，某同学设计了下图所示的实验： 将果胶酶与苹果泥分装于不同试管，在10水浴中恒温处理10 min（如图A）。 将步骤处理后的果胶酶和苹果泥混合，再次在10水浴中恒温处理10 m
19、in（如图B）。将步骤处理后的混合物过滤，收集滤液，测量果汁量（如图C）。 在不同温度条件下重复以上实验步骤，并记录果汁量如下：温度1020304050607080果汁量mL813152515121110 根据上述实验，请分析回答下列问题： （1）果胶酶能破除细胞壁，是因为果胶酶可以促进细胞壁中_的水解。 （2）实验结果表明，当温度为_时果汁量最多，此时果胶酶的活性_。当温度再升高时，果汁量降低，说明_。 （3）实验步骤的目的是_。 【答案】（1）果胶 （2）40 最高 酶活性降低（3）避免果汁和果胶酶混合时影响混合物温度，从而影响果胶酶的活性【解析】 本题是探究温度对酶活性的影响。（1）细胞
20、壁和胞间层的主要组成成分之一是果胶，而果胶酶则是水解果胶的一类酶的总称。（2）通过表中数据可知：在40时，产生的果汁量最多，在题中所给的温度范围内，40时酶活性最高。当温度继续升高时，果汁量降低，酶的活性降低。（3）因为酶具有高效性，当底物与酶的温度都达到预定值后再混合，避免其事先发生反应，而引起结果的不准确。类型二：探讨加酶洗衣粉的洗涤效果例3、使用加酶洗衣粉的好处，不正确的是（ ） A有效去除衣服上的油渍、汗渍或血渍 B使用加酶洗衣粉可减少对环境的污染 C各种加酶洗衣粉的酶制剂对人体皮肤都没有伤害作用 D水温过低时不宜使用加酶洗衣粉【答案】C【解析】常见的加酶洗衣粉中含有碱性蛋白酶和碱性脂
21、肪酶，可以有效去除衣服上的油渍、汗渍或血渍，温度、pH、激活剂都会影响加酶洗衣粉的洗涤效果。【举一反三】：【变式】用加酶洗衣粉洗涤衣物时，下列说法正确的是（ ） A用加酶洗衣粉可洗涤毛料衣服 B一般先用热水浸开，然后调至适宜温度 C水温太低会使洗衣粉中的酶丧失活性 D使用添加了碱性蛋白酶的洗衣粉应立即冲洗双手【答案】D例4、加酶洗衣粉是人们生活中所必需的，但如何使用加酶洗衣粉，尤其是水温多少才算合适，却不为人们所熟知。多数人认为用得越多，衣服洗得越干净越快，有人看到洗衣袋上标有“冷水洗衣粉”的字样，便用冷水洗衣服，却洗不干净，还有人无论什么污渍都用一种加酶洗衣粉，结果无法除去污渍。下面我们就对
22、加酶洗衣粉的最适温度进行探究。 实验原理：略。 实验器材：烧杯（500 mL）、温度计、天平、加酶洗衣粉、植物油、蓝墨水、牛奶、玻璃棒、秒表、布料和水浴锅等。 实验过程： （1）用天平各称取加酶洗衣粉若干份，每份5 g； （2）制作分别被植物油、蓝墨水、牛奶处理过的同一种布料各若干份（污渍大小以滴管滴数为准）； （3）_； （4）_； （5）水浴锅中的水温依次为20、30、40、50、60、70、80。在不同水温下再重复步骤（3）（4）七次，分别记录除去污渍所需要的时间。 结果如下表： 不同温度除去不同污渍所需要的时间（秒）水温冷水20304050607080植物油48393020111317
23、20蓝墨水93868072676881105奶渍48432812471217 请分析实验结果并得出结论：_。 原因：_。 从以上实验可得出酶具有_和_。 【答案】（3）在三个编号甲、乙、丙的烧杯中分别注入200 mL水和一份称量好的加酶洗衣粉，放入水浴锅中并搅拌（4）将三块分别被植物油、蓝墨水、牛奶处理过的同一布料各一份分别同时放人烧杯中，用玻璃棒搅拌，并用秒表记录除去污渍的时间 （5）结论：加酶洗衣粉必须在适宜温度下，即50时才会达到最佳洗涤效果，在此温度下，对奶渍的洗涤效果最好，然后是油渍，对蓝墨水的洗涤效果最差 原因：奶渍的主要成分是蛋白质和脂肪，蓝墨水的主要成分是胶体，而加酶洗衣粉中主
24、要含有蛋白酶和脂肪酶 高效性 专一性【解析】 本题考查如何设计实验，并对实验结果进行预测与分析，从而得出结论。设计实验时，注意遵循等量原则、对照原则等，并注意变量的控制。【点评】对照实验的设计应遵循的原则：（1）单一变量原则。除预处理的因素外，其他实验条件必须保持前后一致，不能在实验过程中随意变动，即实验组和对照组相比只有一个变量。（2）等量原则。可以排除实验结果是由实验变量的取量，其他相关实验因素的取量及实验的不同处理引起的可能性。从而有利于分析实验变量的性质不同与实验结果之间的因果逻辑关系。类型三：酵母细胞的固定化例6、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、
25、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【答案】C 【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，其中由于酶分子很小，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，而细胞个大，难以被多孔性物质吸附或结合，因而应用包埋法。 【举一反三】：【变式】固定化细胞技术与固定化酶技术相比。所具备的特点是（ ） A成本更低、操作更容易、不能连续性生产 B成本更高、操作更难、不能连续性生产 C成本更低、操作更容易、能连续性生产 D成本更低、操
26、作更难、能连续性生产【答案】C 【解析】固定化细胞操作更容易，对酶活性影响更小，且能更新，容易回收，可连续性生产，成本自然更低。例7、制备固定化酵母细胞的实验步骤如下：酵母细胞的活化配制CaCl2溶液配制海藻酸钠溶液海藻酸钠溶液与酵母细胞混合固定化酵母细胞。 请据此完成问题： （1）在_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恢复_状态。活化前应选择足够大的容器，因为酵母细胞活化时_。 （2）影响实验成败的关键步骤是_。 （3）如果海藻酸钠溶液浓度过低，形成的凝胶珠所包埋的酵母细胞的数目_。 （4）观察形成的凝胶珠的颜色和形状，如果颜色过浅，说明_；如果形成的凝胶珠不是圆形或
27、椭圆形，说明_。（5）制备固定化酶不宜用包埋法，因为_。【答案】（1）缺水 正常的生活 体积增大 （2）配制海藻酸钠溶液 （3）少（4）固定化酵母细胞数目较少 海藻酸钠浓度偏高，制作失败（5）酶分子很小，容易从包埋材料中漏出【解析】本题主要考查固定化细胞和固定化酶的原理和方法。微生物一般在缺水的环境中进入休眠状态，活化就是让处于休眠状态的微生物恢复正常的生活状态。因为酵母细胞活化时体积会增大，所以活化前应选择足够大的容器。在此实验中，配制海藻酸钠溶液是影响实验成败的关键步骤；如果海藻酸钠浓度过低，形成的凝胶珠所包埋的酵母细胞的数目就会减少；观察形成的凝胶珠的颜色和形状，如果颜色过浅，说明固定化酵母细胞数目较少，如果形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形，说明海藻酸钠浓度偏高，制作失败，需要重新配制；因为酶分子很小，容易从包埋材料中漏出，所以制备固定化酶一般不宜用包埋法。