課題3 酵母細(xì)胞的固定化

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1、 K12教學(xué)同步資源 精彩與您同步 課題3 酵母細(xì)胞的固定化 一、課題目標(biāo) 1．說出固定化酶和固定化細(xì)胞的作用和原理。 2．嘗試制備固定化酵母細(xì)胞，并利用固定化酵母細(xì)胞進(jìn)行酒精發(fā)酵。 二、課題重點(diǎn)與難點(diǎn) 1．課題重點(diǎn)：制備固定化酵母細(xì)胞。 2．課題難點(diǎn)：制備固定化酵母細(xì)胞。 三、課題背景分析 課題背景簡單介紹了從酶到固定化酶、再到固定化細(xì)胞的發(fā)展過程。這一過程體現(xiàn)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是不斷地提出問題和解決問題的動態(tài)過程。教師在教學(xué)中，可以參考課題背景提供的素材，聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)踐和學(xué)生已有的認(rèn)識，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)同上述觀點(diǎn)，并進(jìn)而認(rèn)識到：科學(xué)知識既來源于科學(xué)實(shí)驗(yàn)，也來源于生產(chǎn)生活

2、實(shí)踐，知識的學(xué)習(xí)應(yīng)該與生產(chǎn)實(shí)踐相聯(lián)系；人們在生產(chǎn)實(shí)踐中所發(fā)現(xiàn)的問題能夠促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。 四、基礎(chǔ)知識分析與教學(xué)建議 （一）固定化酶的應(yīng)用實(shí)例 知識要點(diǎn)：1.利用固定化酶技術(shù)生產(chǎn)高果糖漿的實(shí)例；2.固定化酶的反應(yīng)柱示意圖；3.固定化酶在生產(chǎn)實(shí)踐中的優(yōu)點(diǎn)。 教學(xué)建議：課程標(biāo)準(zhǔn)中要求學(xué)生嘗試制備和應(yīng)用固定化酶，但考慮到制作固定化酶的技術(shù)要求比較高，中學(xué)生難以掌握，因此只要求學(xué)生制作技術(shù)難度較低的固定化酵母細(xì)胞，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(shí)例來了解。教師在教學(xué)時可以采用讓學(xué)生閱讀自學(xué)的方式，并在閱讀之前，布置一些思考題讓學(xué)生思考。例如，在葡萄糖的異構(gòu)反

3、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)過程產(chǎn)生哪些影響？ （二）固定化細(xì)胞技術(shù) 知識要點(diǎn)：1.將酶或細(xì)胞固定化的方法；2.固定化酶和固定化細(xì)胞的聯(lián)系與區(qū)別；3.固定化酶和固定化細(xì)胞常用的載體材料。 教學(xué)建議：固定化酶和固定化細(xì)胞通常采用包埋法、化學(xué)結(jié)合法和物理吸附法。教師在教學(xué)過程中，可以通過提問的方式，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識這三種方法的特點(diǎn)與適用范圍。此外，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生思考課本中提出的問題，引導(dǎo)學(xué)生理解固定化細(xì)胞和固定化酶這兩種技術(shù)的區(qū)別與聯(lián)系，辯證地認(rèn)識這兩種技術(shù)的優(yōu)勢與不足。例如，固定化細(xì)胞操作容易、對酶活性的影響更小、可以催化一系列的反應(yīng)、容易回收等，但

4、由于大分子物質(zhì)難以自由通過細(xì)胞膜，因此固定化細(xì)胞的應(yīng)用也受到限制。 五、實(shí)驗(yàn)安排及注意事項(xiàng) 本課題可以安排2課時。第1課時完成課題背景和基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，準(zhǔn)備好基本的實(shí)驗(yàn)儀器，同時還可以組織學(xué)生提前配制好CaCl2溶液和用于發(fā)酵的葡萄糖溶液。第2課時進(jìn)行酵母細(xì)胞的固定化操作。在具體的操作過程中，還應(yīng)該注意下列問題。 （一）酵母細(xì)胞的活化。在缺水的狀態(tài)下，微生物會處于休眠狀態(tài)?；罨褪亲屘幱谛菝郀顟B(tài)的微生物重新恢復(fù)正常的生活狀態(tài)。酵母細(xì)胞所需要的活化時間較短，一般需要0.5～1 h，教師需要提前做好準(zhǔn)備。此外，酵母細(xì)胞活化時體積會變大，因此活化前應(yīng)該選擇體積足夠大的容器，以避免酵母細(xì)胞的活化

5、液溢出容器外。 （二）加熱使海藻酸鈉溶化是操作中最重要的一環(huán)，涉及到實(shí)驗(yàn)的成敗，教師一定要提醒學(xué)生按照教材的提示進(jìn)行操作。海藻酸鈉的濃度涉及到固定化細(xì)胞的質(zhì)量。如果海藻酸鈉濃度過高，將很難形成凝膠珠；如果濃度過低，形成的凝膠珠所包埋的酵母細(xì)胞的數(shù)目少，影響實(shí)驗(yàn)效果。 （三）剛形成的凝膠珠應(yīng)在CaCl2溶液中浸泡一段時間，以便形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。檢驗(yàn)?zāi)z珠的質(zhì)量是否合格，可以使用下列方法。一是用鑷子夾起一個凝膠珠放在實(shí)驗(yàn)桌上用手?jǐn)D壓，如果凝膠珠不容易破裂，沒有液體流出，就表明凝膠珠的制作成功。二是在實(shí)驗(yàn)桌上用力摔打凝膠珠，如果凝膠珠很容易彈起，也能表明制備的凝膠珠是成功的。 六、課題成果評價

6、 （一）觀察凝膠珠的顏色和形狀 如果制作的凝膠珠顏色過淺、呈白色，說明海藻酸鈉的濃度偏低，固定的酵母細(xì)胞數(shù)目較少；如果形成的凝膠珠不是圓形或橢圓形，則說明海藻酸鈉的濃度偏高，制作失敗，需要再作嘗試。 （二）觀察發(fā)酵的葡萄糖溶液 利用固定的酵母細(xì)胞發(fā)酵產(chǎn)生酒精，可以看到產(chǎn)生了很多氣泡，同時會聞到酒味。 教師不僅要對學(xué)生制作的固定化酵母細(xì)胞進(jìn)行評價，還要對學(xué)生的操作過程進(jìn)行評價。此外，對酵母細(xì)胞固定化原理和實(shí)驗(yàn)操作方法的理解，也應(yīng)是評價的有機(jī)組成部分。 七、答案和提示 練習(xí) 1.答：直接使用酶、固定化酶和固定化細(xì)胞催化的優(yōu)缺點(diǎn)如下表所示。 類型 優(yōu)點(diǎn) 不足 直接使用酶 催化

7、效率高，低耗能、低污染等。 對環(huán)境條件非常敏感，容易失活；溶液中的酶很難回收，不能被再次利用，提高了生產(chǎn)成本；反應(yīng)后酶會混在產(chǎn)物中，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量。 固定化酶 酶既能與反應(yīng)物接觸，又能與產(chǎn)物分離，同時，固定在載體上的酶還可以被反復(fù)利用。 一種酶只能催化一種化學(xué)反應(yīng)，而在生產(chǎn)實(shí)踐中，很多產(chǎn)物的形成都通過一系列的酶促反應(yīng)才能得到的。 固定化細(xì)胞 成本低，操作更容易。 固定后的酶或細(xì)胞與反應(yīng)物不容易接近，可能導(dǎo)致反應(yīng)效果下降等。 3.提示：可以從酶的結(jié)構(gòu)的多樣性，對理化條件的敏感程度等角度思考。 八、參考資料 固定化微生物細(xì)胞利用微生物來生產(chǎn)酶具有生產(chǎn)成本低、周期短、產(chǎn)量大等優(yōu)

8、點(diǎn)。微生物產(chǎn)生的酶，可以分為分泌在細(xì)胞外的胞外酶和包含在細(xì)胞內(nèi)的胞內(nèi)酶。利用胞內(nèi)酶時，需要采用手段將細(xì)胞破碎后，將酶進(jìn)行分離純化，提取后酶的活性和穩(wěn)定性往往都受到很大的影響。 將微生物細(xì)胞限制或定位于特定空間位置，即將微生物制成固定化細(xì)胞后，既能避免復(fù)雜的細(xì)胞破碎、酶的提取和純化過程，又能使酶的活性和穩(wěn)定性得到較大提高。固定后的微生物細(xì)胞可以作為固體催化劑在多步酶促反應(yīng)中發(fā)揮連續(xù)催化作用，同時，催化反應(yīng)結(jié)束后又能被回收和重復(fù)利用。例如，人們將含有青霉素酰化酶的大腸桿菌細(xì)胞進(jìn)行固定化，用于大規(guī)模地生產(chǎn)青霉素母核（青霉素的主體化學(xué)結(jié)構(gòu)部分，即6-氨基青霉烷酸），然后再對青霉素母核的側(cè)鏈進(jìn)行化學(xué)修飾，可以生產(chǎn)半合成青霉素，如氨芐青霉素。 第2頁 人教版高三生物（新課標(biāo)）版主：劉德臣