人教版高中生物选修二学案第章第节酶在工业生产中的应用.docx
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人教版高中生物选修二学案第章第节酶在工业生产中的应用
第2节 酶在工业生产中的应用
[课程目标]·导航
1.说出酶家族的概况及酶制剂的生产方法。
2.举例说明酶在工业生产中的应用。
3.尝试分析和收集有关酶的专利文献资料。
4.认同解决现实生活中的许多问题离不开科学技术,以及科学技术是一个不断发展的过程。
知识点1 酶的家族与酶制剂的生产
[知识梳理]
1.酶的种类
(1)根据存在部位分为:
胞内酶和胞外酶。
(2)根据酶催化的反应和所起的作用分为:
氧化还原酶、水解酶、裂解酶、连接酶、转移酶和异构酶六大类。
2.酶的优点
比无机催化剂催化效率高、反应条件温和等优点。
3.酶的生产
(1)微生物发酵生产:
大量应用的酶都是利用微生物发酵生产。
(2)基因工程菌发酵生产:
一些重要的酶是通过基因工程菌发酵生产。
[活学活用]
肝脏中的乙醇脱氢酶可催化乙醇氧化为乙醛,从而消除人的乙醇中毒,下列选项中能表示其过程的是( )
解析 由题意“乙醇脱氢酶可催化乙醇氧化为乙醛”知乙醇脱氢酶为氧化还原酶;而分析各选项可知B项符合题意。
答案 B
[归纳总结]
酶的分类
知识点2 酶的固定化技术
[知识梳理]
固定化酶技术
(1)方法:
采用多种办法将酶固定在一定的载体上,制备成不溶于水的固体颗粒,称为固定化酶。
(2)固定化酶的优点:
避免了污染产物,又可以反复使用,从而有助于实现反应的连续化和自动化。
[思维激活] 酶与一般无机催化剂的共性是什么?
提示:
反应前后质量和性质不改变,不改变化学平衡点。
[活学活用]
1.固定化酶的优点是( )
A.有利于增加酶的活性B.有利于产物的纯化
C.有利于提高反应速率D.有利于酶发挥作用
解析 固定化酶制剂的目的是降低生产成本。
一是能够顺利地从发酵产物中把酶分离出来;二是能够使酶反复使用。
酶的固定化,对酶的活性、酶作用的发挥、反应速率的提高,并没有多少作用。
酶的活性、酶作用的发挥与环境条件密切相关,如温度、pH等。
反应速率与底物的浓度、温度、pH等条件有关系。
在底物浓度升高时,反应速率将提高;温度、pH适宜时,反应速率最快。
答案 B
2.如下图所示是酶的几种固定方式示意图,其所采用的固定方法依次是( )
A.载体结合法,交联法,包埋法
B.交联法,载体结合法,包埋法
C.包埋法,载体结合法,交联法
D.包埋法,交联法,载体结合法
解析 ①题图表示酶包埋在细微网格里,应属包埋法;②图表示许多酶分子通过特殊试剂连接起来,呈网状结构,应属交联法;③图表示固定在一定的支持物上,可用物理吸附法、离子结合法和共价结合法固定。
答案 D
[归纳总结]
1.直接使用酶和固定化酶催化反应的优缺点比较
类型
优点
不足
直接使
用酶
催化效率高,低耗能,低污染等
对环境条件非常敏感,容易失活;溶液中酶很难回收,不能被再次利用,反应后酶会混合在产物中,可能影响产品质量
固定
化酶
酶既能与反应物接触,又能与产物分离,同时,固定在载体上的酶还可以被反复利用
一种酶只能催化一种化学反应,而在生产实践中,很多产物都是通过一系列的酶促反应才能得到的
2.酶的固定化方法
(1)常用的制备固定化酶的主要方法有吸附法、交联法、包埋法等(如图所示)。
(2)各种制备固定化酶方法的比较(如下表)
酶的固
定方法
原理
固定载体
优点
吸附法
离子键作用、物理吸附
纤维素、琼脂糖等多糖类或多孔玻璃、离子交换树脂等载体
工艺简便且条件温和,在生产上应用广泛
交联法
酶和多功能试剂之间形成共价键
利用多功能试剂在酶与酶、酶与载体之间进行交联,从而形成三维的交联网架结构
包埋法
将酶包埋在能固化的载体中
将酶包裹在聚丙烯酰胺凝胶等高分子凝胶中,或包裹在硝酸纤维素等半透性高分子膜中,前者包埋成格子形,后者包埋成微胶囊形
知识拓展 固定化细胞技术
通过各种方法将细胞与一定的载体结合,使细胞仍保持原有的生物活性,这一过程称为细胞固定化。
固定化细胞仍能进行正常的生长、繁殖和代谢,可以像游离的细胞一样应用于发酵生产。
固定化细胞技术免去了破碎细胞提取酶等步骤,能充分利用细胞内的酶,因而固定化细胞内的酶活性基本没有改变。
由于保留了细胞内原有的多酶系统,这样对于催化多步的连续反应优势就更加明显。
固定化细胞的方法也有多种,常用的方法(见下表):
固定方法
载体
吸附法
将动物细胞吸附于容器壁、微载体和中空纤维等载体上;将植物细胞吸附在泡沫塑料的大孔隙或裂缝之中,也可将植物细胞吸附在中空纤维的外壁上
包埋法
将细胞包埋在多孔载体的内部,凝胶包埋法是应用最广泛的细胞固定化方法,适用于各种微生物、动物和植物细胞的固定化。
凝胶包埋法所使用的载体主要有琼脂、海藻酸钠凝胶、角叉菜胶、明胶等
海藻酸钠凝胶包埋法制备固定化细胞的操作简便,条件温和,对细胞无毒性。
通过改变海藻酸钠的浓度可以改变凝胶的孔径,适合于多种细胞的固定化。
用海藻酸钠凝胶制备的固定化细胞已用于多种酶的发酵生产与研究。
知识点3 酶在工业生产中的应用
[知识梳理]
1.酶相比无机催化剂的优越性
(1)反应能在常温、常压和中性pH条件下进行,可以节省大量的能源和设备投资。
(2)生产过程中不会造成严重的污染,符合环境保护的要求。
(3)生产过程简单,效率高,产品质量好,生产成本低。
2.应用
(1)已成功用于食品工业,不仅用于食品的直接生产,还用于改进工艺、简化生产过程、改善产品的品质和风味、延长储存期、提高产品产量和质量等方面。
(2)在轻工业和化工工业方面有着广泛的应用。
(3)在医药工业方面,可利用酶的催化反应生产药物。
[思维激活] 试画出pH、T(温度)、底物浓度、酶浓度对酶活性的影响的曲线图。
提示:
[活学活用]
现在生产的许多饮料和糖果中的甜味剂不是蔗糖而是高果糖浆,高果糖浆是淀粉通过一系列的催化作用转化而来的,在这一过程中不需要的酶是( )
A.α淀粉酶B.糖化酶
C.葡萄糖异构酶D.纤维素酶
解析 此题中酶的作用不是除去果肉细胞的细胞壁,而是将淀粉通过一系列的催化作用转化为高果糖浆。
答案 D
[随堂练习]·巩固
1.根据酶在生物体内存在的部位,可分为胞内酶和胞外酶,下列酶中属于胞外酶的是( )
A.呼吸酶B.光合酶
C.消化酶D.解旋酶
解析 胞内酶是存活在活细胞内的酶,胞外酶是指分泌到细胞外的酶,呼吸酶、光合酶、解旋酶都在细胞内发挥催化作用,消化酶由消化腺分泌到消化道起消化作用。
答案 C
2.在果汁生产中加入果胶酶的目的是( )
A.分解纤维素
B.增加果汁的营养成分
C.增加果汁的黏稠度
D.使榨取果汁变得更容易,并使果汁澄清
答案 D
3.如图曲线表示的是温度和果胶酶活性之间的关系,此曲线不能说明的是( )
A.在B点之前,果胶酶的活性和温度成正比;之后,成反比
B.当温度升高到B点时,果胶酶的活性最高,酶的催化效率最高
C.A点时,果胶酶的活性很低,但随着温度升高,果胶酶的活性可以上升
D.C点时,果胶酶的活性也很低,当温度降低时,酶的活性也可以上升
解析 从题图中可以看出随着温度升高,果胶酶的活性在上升,等达到B点时,酶的活性达到最高;随后,随着温度的继续上升,酶的活性迅速下降。
但是A点和C点相比,虽然酶的活性都很低,但是A点是低温条件,对酶的分子结构无影响,所以,随着温度的上升,其活性也会不断上升,而C点是高温条件,当温度过高时,会破坏酶的分子结构,使酶的活性发生不可逆的变化,以后再降温,也不能改变酶的活性。
答案 D
4.酶的固定化常用的固定方式不包括( )
A.吸附B.包埋
C.化学结合D.将酶加工成固体
答案 D
5.下列关于固定化酶和固定化细胞的叙述,正确的是( )
A.固定化细胞技术在多步连续催化反应方面优势明显
B.固定化酶的应用中,要控制好pH、温度和溶解氧
C.利用固定化酶降解水体中有机磷农药,需提供适宜的营养条件
D.利用固定化酵母细胞进行发酵,糖类的作用只是作为反应底物
解析 细胞内含有多种酶,所以固定化细胞在多步连续催化反应方面优势明显;固定化酶不像普通酶那样对环境要求较高,其耐受性比较好,其活性与溶解氧没什么关系;利用固定化酶降解水体中有机磷农药,属于纯粹的化学反应,不需要提供营养条件,固定化细胞发挥作用需要提供营养条件;利用固定化酵母细胞进行发酵,糖类既作为反应底物也作为碳源来调节酵母菌的代谢方式。
答案 A
[课时作业]·达标
一、选择题
1.在生命活动中,酶是不可缺少的生物催化剂,以下四种酶的作用部位分别是( )
①转氨酶 ②解旋酶 ③肽酶 ④ATP水解酶
A.氨基、氢键、肽键、高能磷酸键
B.氨基、脱氧核苷酸、多肽、ADP
C.氨基、氢键、羧基、腺苷
D.氢键、肽键、氨基酸、磷酸基因
解析 根据各种酶的作用特点,然后再组合即可,具体来说,转氨酶转移氨基,解旋酶使DNA分子的氢键断开,肽酶使多肽变成氨基酸,ATP水解酶使ATP分解为ADP和Pi。
答案 A
2.探究温度对果胶酶活性的影响、pH对酶活性的影响、果胶酶的用量三个实验中,实验变量依次为( )
A.温度、酶活性、酶用量
B.苹果泥用量、pH、果汁量
C.反应时间、酶活性、酶用量
D.温度、pH、果胶酶用量
解析 首先要明确实验变量、反应变量等基本概念,在此基础上,针对三个探究实验进行分析。
实验一为探究果胶酶的最适温度,实验二为探究果胶酶的最适pH。
实验三为探究果胶酶的最适用量,从而选出正确选项D。
答案 D
3.加酶洗衣粉中含有的常见酶类为( )
A.蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、纤维素酶
B.蛋白酶、脂肪酶、肽酶、纤维素酶
C.脂肪酶、肽酶、淀粉酶、纤维素酶
D.蛋白酶、淀粉酶、麦芽糖酶、肽酶
答案 A
4.下列关于固定化酶技术的说法中,正确的是( )
A.固定化酶技术就是固定反应物,将酶依附着载体围绕反应物旋转的技术
B.固定化酶的优势在于催化一系列的酶促反应
C.固定化酶中的酶无法重复利用
D.固定化酶是将酶固定在一定空间内的技术
解析 固定化酶是利用物理或化学方法将酶固定在一定空间内的技术,其优点是酶被定位或限制在一定的空间范围内,可重复利用,不足之处是无法同时催化一系列的酶促反应。
答案 D
5.常用的包埋法固定化细胞,需用到不溶于水的多孔性载体。
下列不能作载体的是( )
A.琼脂糖B.蔗糖
C.海藻酸钠D.明胶
解析 蔗糖不能作为载体使用。
答案 B
6.下列关于酶工程及其应用的叙述中,正确的是( )
A.酶都提取于动植物细胞
B.酶制剂都能够重复利用
C.果汁和果酒能够用酶制剂澄清
D.酶固定化后称为酶制剂
解析 酶的生产有提取法、发酵法和化学合成法等;酶制剂固定化以后才能被重复利用;果汁和果酒可用果胶酶来澄清;酶分离提纯后加入填充剂和稳定剂以后称为酶制剂。
答案 C
7.某学生进行“加酶洗衣粉和普通洗衣粉的洗涤效果”的课题研究。
他的实验设计如下:
①设置两组实验,分别使用蛋白酶洗衣粉和复合酶洗衣粉;②两组实验的洗衣粉用量、被洗涤的衣物量、衣物质地、污染物性质和量、被污染的时间、洗涤时间、洗涤方式等全部设置为相同;③根据污渍去除程度得出结果。
对这个实验的评价,正确的是( )
A.未设置对照实验B.无关变量设置太多
C.没有自变量D.因变量不能描述
答案 A
8.下列关于淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶的说法中,不正确的是( )
A.淀粉酶、蛋白酶和纤维素酶的化学本质均为蛋白质
B.淀粉酶生产的历史长,用途广,是工业生产中最重要的一类酶
C.在植物细胞杂交中需要应用纤维素酶
D.蛋白酶不能水解淀粉酶和纤维素酶
解析 由于淀粉酶、纤维素酶的化学本质均为蛋白质,故蛋白酶能够水解淀粉酶和纤维素酶,因此D项不正确。
答案 D
9.酶工程中酶制剂的生产按顺序排列为( )
①酶的分离纯化 ②酶的固定化 ③酶的生产 ④酶的提取
A.①③②④B.③②①④
C.③④①②D.④①②③
解析 酶制剂的生产包括酶的生产、提取、分离纯化和固定化等。
人们提供必要的条件,利用微生物发酵来生产酶的过程,叫做酶的生产。
微生物发酵生产的酶种类很多,但是每种酶在培养液中的含量却很低,因此需要提取。
提取液中含有多种酶、细胞代谢产物和细胞碎片等,要想获得所需要的某一种酶,就必须再进行酶的分离和纯化。
为防止反应结束后酶制剂与产物混合在一起,又可以反复使用酶制剂,可以将酶进行固定化。
答案 C
10.下列不属于固定化酶在利用时的特点的是( )
A.有利于酶与产物分离
B.可以被反复利用
C.能自由出入依附的载体
D.一种固定化酶一般情况下不能催化一系列酶促反应
解析 固定化酶是采用包埋法、化学结合法或物理吸附法将酶固定在一定载体上,所以固定化酶不能自由出入依附的载体。
答案 C
11.下列属于氧化还原酶的是( )
①乙醇脱氢酶 ②琥珀酸脱氢酶 ③淀粉酶 ④丙酮酸羧化酶 ⑤谷丙转氨酶 ⑥葡萄糖磷酸异构酶
A.①③B.③④
C.⑤⑥D.①②
解析 脱氢酶属于氧化还原酶。
答案 D
12.下列有关固定化酶和固定化细胞的叙述,正确的是( )
A.可用包埋法制备固定化酵母细胞
B.反应产物对固定化酶的活性没有影响
C.葡萄糖异构酶固定前后专一性不同
D.固定化细胞可以催化各种反应底物的一系列反应
解析 固定化技术包括包埋法、物理吸附法和化学结合法(交联法),由于细胞相对于酶来说更大,难以被吸附或结合,因此多采用包埋法,A项正确;某些反应产物可能与酶结合,致使酶的结构产生变化,从而改变酶的催化活性,B项错误;固定化酶实质上是将相应酶固定在不溶于水的载体上,实现酶的反复利用,并提高酶稳定性,而酶的各项特性(如高效性、专一性和作用条件的温和性)依然保持,C项错误;固定化细胞能催化某些特定反应底物的一系列反应,但不能催化各种底物的一系列反应,D项错误。
答案 A
13.(多选)图甲表示制备固定化酵母细胞的有关操作,图乙是利用固定化酵母细胞进行酒精发酵的示意图,下列叙述正确的是( )
A.刚溶化的海藻酸钠应迅速与活化的酵母菌混合制备混合液
B.图甲中X溶液为CaCl2溶液,其作用是使海藻酸钠形成凝胶珠
C.图乙发酵过程中搅拌的目的是使培养液与酵母菌充分接触
D.图甲中制备的凝胶珠用蒸馏水洗涤后再转移到图乙装置中
解析 刚溶化的海藻酸钠温度很高,迅速与活化的酵母菌混合直接就把酵母菌烫死了,无法再进行酒精发酵。
溶化的海藻酸钠应冷却至室温后与活化的酵母菌混合,A项错误。
海藻酸钠与酵母菌混合液应滴入CaCl2溶液中,以制备凝胶珠;凝胶珠用蒸馏水冲洗2~3次后,再转移到发酵装置中;搅拌可使酵母菌与培养液充分接触,有利于发酵的顺利进行,故B、C、D项正确。
答案 BCD
二、非选择题
14.下面是制备固定化酵母细胞的实验步骤:
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。
请回答:
(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重新恢复________状态。
活化前应选择足够大的容器,因为酵母细胞活化时________。
固定化细胞技术一般采用________法,而固定化酶常用________和________法。
(2)影响实验成败的关键步骤是________。
海藻酸钠溶化过程的注意事项是________。
如果海藻酸钠浓度过低,形成的凝胶珠包埋的酵母细胞数目________。
如果形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形,说明________。
(3)该实验中CaCl2溶液的作用是______________________。
解析
(1)在缺水时,微生物通常处于休眠状态,活化就是让处于休眠状态的微生物重新恢复正常状态。
因为酵母细胞活化时体积增大,故活化前应选择足够大的容器。
固定化细胞技术一般采用包埋法,而固定化酶常用化学结合法和物理吸附法。
(2)配制海藻酸钠溶液是影响实验成败的关键步骤,配制过程中要小火加热并不断搅拌,以免焦糊。
如果海藻酸钠浓度过低,形成的凝胶珠所包埋的酵母细胞数目较少。
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。
(3)该实验中CaCl2溶液的作用是使海藻酸钠胶体发生聚沉,形成凝胶珠。
答案
(1)缺水 正常 体积会增大(增多) 包埋 化学结合法 物理吸附
(2)配制海藻酸钠溶液 小火加热(小火间断加热)并不断搅拌 较少 (海藻酸钠浓度偏高)制作失败 (3)使胶体聚沉(或形成稳定的结构)
15.某果酒厂生产的产品,时间一长会出现沉淀,造成产品滞销。
已知造成沉淀的物质是蛋白质,该酒厂提出了两种解决方案:
①在酒中加入少量蛋白酶;②在酒中加入少量氨基酸氧化酶。
(1)________方案合理,原因是___________________________。
(2)________方案不合理,原因是_________________________。
解析 这是一道联系生产实际的试题。
要解决酒浑浊的问题,就要使沉淀物分解。
已知沉淀物是蛋白质,就应在酒中加入少量蛋白酶,使蛋白质分解,消除沉淀。
氨基酸氧化酶不能催化蛋白质分解,反而催化氨基酸分解,不能达到目的。
答案
(1)① 蛋白酶能水解蛋白质,既能消除沉淀,又保存了营养成分
(2)② 氨基酸氧化酶不能水解蛋白质,不能消除沉淀,还会分解营养成分氨基酸
16.下图是酶工程基本过程图解。
请回答下列问题。
(1)用于治疗消化不良的淀粉酶,需要经过________步骤达到使用目的(用图中字母填写)。
(2)A过程来源有________、________、________三种途径。
C过程常用的方法有________、________、________等。
E过程中常见的几种固定方式为________、________、________等。
(3)H过程依据的主要原理是_________________________
__________________________________________________。
答案
(1)ABCDF
(2)植物 动物 微生物 蒸馏 萃取 离子交换 吸附 连接 包埋 (3)根据酶催化某种物质发生化学反应,使某种物质减少或生成产物增多来进行检验,检验工具如尿糖试纸、多酚氧化酶传感器等
17.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;有人看到洗衣粉袋上标有“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,结果无法去除污渍。
下面我们就对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(500mL)、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用天平称取加酶洗衣粉若干份,每份5g;
②分别用植物油、蓝墨水、牛奶处理同种棉布料各若干份(污渍大小以滴管滴数为准);
③__________________________________________________
__________________________________________________;
④__________________________________________________
__________________________________________________;
⑤水浴锅中的水温依次为0℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃。
在不同水温下再重复步骤③④,分别记录除去污渍所需要的时间。
结果如下表:
不同温度下除去不同污渍所需要的时间(s)
水温/℃
0
20
30
40
50
60
70
80
植物油
48
39
30
20
11
13
17
20
蓝墨水
93
86
80
72
67
68
81
105
牛奶
48
43
28
12
4
7
12
17
(1)请分析实验结果并得出结论:
_____________________
__________________________________________________。
(2)原因:
____________________________________________
__________________________________________________。
(3)从以上实验可得出酶具有____________和____________的特点。
解析 洗衣粉中酶制剂的种类、污渍的类型、浸泡时间、洗涤时间、水温等都会影响洗涤效果。
同时还考查了实验设计的原则:
单一变量原则和对照性原则。
答案 ③在三个编号为甲、乙、丙的烧杯中分别注入200mL水和一份称量好的加酶洗衣粉,放入0℃水浴锅中并搅拌
④将三块分别用植物油、蓝墨水、牛奶处理过的同种布料各一份分别同时放入上述烧杯中,用玻璃棒搅拌,并用秒表记录除去污渍的时间
(1)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
(2)奶渍的主要成分是蛋白质和脂肪,油渍的主要成分是脂肪,蓝墨水的主要成分是胶体,而加酶洗衣粉中主要含有蛋白酶和脂肪酶
(3)高效性 专一性第
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