1、专题专题4 酶的研究与应用酶的研究与应用 在应用酶的过程中，人们发现了一些实际问题：在应用酶的过程中，人们发现了一些实际问题：课题背景课题背景 如今，酶已经大规模地应用于如今，酶已经大规模地应用于食品、化工、食品、化工、轻纺、医药轻纺、医药等各个领域。等各个领域。酶通常对强酸、强碱、高温和有机溶剂等条件酶通常对强酸、强碱、高温和有机溶剂等条件非常敏感，非常敏感，容易失活容易失活；溶液中的酶；溶液中的酶很难回收很难回收，不能被再次利用，提高了生产成本；反应后不能被再次利用，提高了生产成本；反应后酶酶会混在产物中会混在产物中，可能影响产品质量。，可能影响产品质量。有人设想，有人设想，将酶固定在将酶
2、固定在不溶于水的载体上，使酶不溶于水的载体上，使酶既能既能与反应物接触与反应物接触，又能，又能与产物分离与产物分离，同时，固定，同时，固定在载体上的酶还可以被在载体上的酶还可以被反反复利用复利用。现代的现代的固定化酶固定化酶技术技术已完全实现了这一设已完全实现了这一设想。想。自自20世纪世纪70年代，在固定化酶技术的年代，在固定化酶技术的基础上，又发展出了基础上，又发展出了细胞固定化技术细胞固定化技术。与。与固定化酶技术相比，固定化细胞制备的成固定化酶技术相比，固定化细胞制备的成本更低，操作更容易。本更低，操作更容易。酶是由细胞合成的，于是，又有人设想，能酶是由细胞合成的，于是，又有人设想，能
3、否将合成酶的细胞直接固定否将合成酶的细胞直接固定?阅读阅读P4950P4950，并思考：，并思考：1 1、解决酶应用中存在问题的方法是？、解决酶应用中存在问题的方法是？2 2、这种方法的优点是什么？、这种方法的优点是什么？3 3、什么是高果糖浆？使用它有何好处？、什么是高果糖浆？使用它有何好处？4 4、生产高果糖浆需要什么酶？其作用、生产高果糖浆需要什么酶？其作用是什么？这种酶有何特点？是什么？这种酶有何特点？5 5、了解高果糖浆生产过程。、了解高果糖浆生产过程。一、固定化酶的应用实例一、固定化酶的应用实例 1 1、固定化酶技术：、固定化酶技术：即将酶固定即将酶固定在一定空间内的技术（如固定在
4、在一定空间内的技术（如固定在不溶于水的载体上）。不溶于水的载体上）。2 2、固定化酶技术的优点：、固定化酶技术的优点：（1 1）使酶既能与反应物接触，）使酶既能与反应物接触，又能与产物分离；又能与产物分离；（2 2）固定在载体上的没可以被）固定在载体上的没可以被反复利用。反复利用。3.3.高果糖浆是果糖含量为高果糖浆是果糖含量为42%42%左右的糖浆。左右的糖浆。作为蔗糖的替代品，作为蔗糖的替代品，高果糖浆不会像蔗糖高果糖浆不会像蔗糖那样诱发肥胖、糖尿病、龋齿和心血管病，那样诱发肥胖、糖尿病、龋齿和心血管病，对人的健康更有益。对人的健康更有益。4.高果糖浆的生产需要使用高果糖浆的生产需要使用葡
5、萄糖异构葡萄糖异构酶酶，它能将，它能将葡萄糖转化成果糖葡萄糖转化成果糖。这种。这种酶酶的稳定性好的稳定性好，可以可以持续发挥作用持续发挥作用。但是，但是，酶溶解于葡萄糖溶液后，就无法从糖浆酶溶解于葡萄糖溶液后，就无法从糖浆中回收，造成很大的中回收，造成很大的浪费浪费。5 5、固定化酶技术生产高果糖浆的图示：、固定化酶技术生产高果糖浆的图示：注意反应柱的注意反应柱的各部分名称。各部分名称。使用固定化酶技术，将葡使用固定化酶技术，将葡萄糖异构酶固定在一种颗粒状萄糖异构酶固定在一种颗粒状的载体上，再将这些酶颗粒装的载体上，再将这些酶颗粒装到一个反应柱内，柱子底端装到一个反应柱内，柱子底端装上分布着许
6、多小孔的筛板。酶上分布着许多小孔的筛板。酶颗粒无法通过筛板上的小孔，颗粒无法通过筛板上的小孔，而反应液却可以自由出入。生而反应液却可以自由出入。生产过程中，将葡萄糖溶液从反产过程中，将葡萄糖溶液从反应柱的上端注入，使葡萄糖溶应柱的上端注入，使葡萄糖溶液流过反应柱，与固定化葡萄液流过反应柱，与固定化葡萄糖异构酶接触转化成果糖，从糖异构酶接触转化成果糖，从反应柱的下端流出反应柱的下端流出 基础知识基础知识 (一一)、固定化酶的应用实例、固定化酶的应用实例 5高果糖浆生产过程高果糖浆生产过程:含淀粉含淀粉的浆液的浆液 -淀粉酶淀粉酶 糊精糊精 糖化酶糖化酶 葡萄糖葡萄糖 葡萄糖葡萄糖异构酶异构酶 葡
7、萄糖的葡萄糖的异构化异构化 42%42%45%45%转化成果糖转化成果糖 果葡糖浆果葡糖浆 果糖和葡果糖和葡萄糖分离萄糖分离 葡萄糖再葡萄糖再次异构化次异构化 反复多次反复多次 果糖含量果糖含量70%70%90%90%高果糖浆高果糖浆 固定化酶技术生产高果糖浆固定化酶技术生产高果糖浆生产流程生产流程 基础知识基础知识 (一一)、固定化酶的应用实例、固定化酶的应用实例 （1）使酶既能与反应）使酶既能与反应物接触，又能与产物物接触，又能与产物分离；分离；（2）固定在载体上的）固定在载体上的酶可以被反复利用。酶可以被反复利用。反应柱能连续使用半反应柱能连续使用半年，大大降低了生产年，大大降低了生产成
8、本，提高果糖的产成本，提高果糖的产量和质量。量和质量。基础知识基础知识 (一一)固定化酶的应用实例固定化酶的应用实例 优点优点:一种酶只能催化一种化学反应，而在一种酶只能催化一种化学反应，而在生产实际中很多产物的形成都通过一系列生产实际中很多产物的形成都通过一系列的酶促反应才能进行，所以操作比较麻烦。的酶促反应才能进行，所以操作比较麻烦。可采用固定化细胞技术。可采用固定化细胞技术。缺点：缺点：练习练习、目前，日用化工厂大量生、目前，日用化工厂大量生产的酶制剂，其中的酶大都来自产的酶制剂，其中的酶大都来自 A A、化学合成、化学合成 B B、动物体内、动物体内 C C、植物体内、植物体内 D D
9、、微生物体内、微生物体内 在生产实际中使用固定化酶在生产实际中使用固定化酶技术有无不足技术有无不足?如有不足如有不足,怎么办怎么办?有。一种酶只能催化一种化学有。一种酶只能催化一种化学反应，而在生产实际中很多产反应，而在生产实际中很多产物的形成都通过一系列的酶促物的形成都通过一系列的酶促反应才能进行，所以操作比较反应才能进行，所以操作比较麻烦。麻烦。可采用固定化细胞技术。可采用固定化细胞技术。二、固定化细胞技术二、固定化细胞技术 1 1、概念：、概念：利用物理或化学方法将细胞利用物理或化学方法将细胞固定在一定空间的技术。固定在一定空间的技术。细胞中含有一系列酶，在细胞细胞中含有一系列酶，在细胞
10、正常生命活动的过程中，通过正常生命活动的过程中，通过代谢产生所需要的代谢产物。代谢产生所需要的代谢产物。阅读阅读P50P50：思考第二段的问题：思考第二段的问题 包埋在网包埋在网格中格中 用化学键结合用化学键结合起来起来 物理吸附在载物理吸附在载体上体上 2 2、固定化酶或细胞的常用方法、固定化酶或细胞的常用方法 酶酶 物理吸附法物理吸附法 化学结合法化学结合法 细胞细胞 包埋法包埋法 原因原因 细胞个大，酶分子很小细胞个大，酶分子很小 个体大的细胞难以被吸附或结合而个个体大的细胞难以被吸附或结合而个小的酶容易从包埋的材料中漏出小的酶容易从包埋的材料中漏出 3.3.酶和细胞固定方法的选择酶和细
11、胞固定方法的选择 4 4、固定化细胞常用的载体、固定化细胞常用的载体 常用的不溶于水的多孔性载体常用的不溶于水的多孔性载体有哪些？有哪些？明胶、琼脂糖、海藻酸钠、明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素、聚丙烯酰胺等醋酸纤维素、聚丙烯酰胺等 三三.实验操作实验操作 今天我们以酵今天我们以酵母细胞为实验材料，母细胞为实验材料，进行酵母细胞的固进行酵母细胞的固定化实验。定化实验。（一）制备固定化酵母细胞（一）制备固定化酵母细胞 阅读阅读P50P505151思考下列问题：思考下列问题：（1 1）制备过程包括哪几个步骤？）制备过程包括哪几个步骤？（2 2）各步骤应当分别注意什么问）各步骤应当分别注意什么问题
12、？题？（一）制备固定化酵母细胞的操作步骤（一）制备固定化酵母细胞的操作步骤 1 1酵母细胞的酵母细胞的活化活化 2 2配制配制物质的量浓度为物质的量浓度为0 0.0505 molmolL L的的CaClCaCl2 2溶液溶液 3 3配制海藻酸钠溶液配制海藻酸钠溶液 4 4海藻酸钠溶液与酵母细胞海藻酸钠溶液与酵母细胞混合混合 5 5固定固定化酵母细胞化酵母细胞 1、酵母细胞的活化、酵母细胞的活化 实验操作实验操作 取取1g干酵母，放入干酵母，放入50 ml的小烧杯中，加入蒸馏水的小烧杯中，加入蒸馏水10 ml，用玻璃棒搅拌，使酵母细胞混合均匀，成糊状，放，用玻璃棒搅拌，使酵母细胞混合均匀，成糊状
13、，放置置1h左右使其活化。左右使其活化。活化活化：就是让处于休眠状态的微生物重新恢复正常就是让处于休眠状态的微生物重新恢复正常的生活状态的生活状态 注意事项注意事项 A A、选用的干酵母要具有较强的活性，而且物种单一、选用的干酵母要具有较强的活性，而且物种单一 B B、在缺水状态下，微生物处于休眠状态。、在缺水状态下，微生物处于休眠状态。注意水的用量注意水的用量 实验操作实验操作 2 2、配制物质的量浓度为、配制物质的量浓度为0.05mol/L0.05mol/L的的CaClCaCl2 2溶液溶液 称取无水称取无水CaCl2 0.83g。放人。放人200mL的烧杯中，加入的烧杯中，加入150mL
14、的蒸馏水，使其充分溶解，待用。的蒸馏水，使其充分溶解，待用。注意事项注意事项 溶解物质要彻底，勿用自来水溶解，以防自来水中各种离溶解物质要彻底，勿用自来水溶解，以防自来水中各种离子影响实验结果子影响实验结果 3、配制海藻酸钠溶液、配制海藻酸钠溶液 实验操作实验操作 称取称取0.7g0.7g海藻酸钠，放入海藻酸钠，放入50mL50mL小烧杯中，加人小烧杯中，加人10mL10mL水，用酒精灯水，用酒精灯加热，边加热边搅拌，将海藻酸钠加热，边加热边搅拌，将海藻酸钠调成糊状，直至完全溶化，用蒸馏调成糊状，直至完全溶化，用蒸馏水定容至水定容至10mL10mL。注意，加热时要用。注意，加热时要用小火，或者
15、间断加热，反复几次，小火，或者间断加热，反复几次，直到海藻酸钠溶化为止。直到海藻酸钠溶化为止。说明：说明：海藻酸钠的浓度涉及到固定化细胞的质量。如果海海藻酸钠的浓度涉及到固定化细胞的质量。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，影响实验效果。成的凝胶珠所包埋的酵母细胞的数目少，影响实验效果。4、海藻酸钠溶液与酵母细胞混合、海藻酸钠溶液与酵母细胞混合 将溶化好的海藻酸钠溶液将溶化好的海藻酸钠溶液冷冷却却至室温，至室温，加入加入已活化的酵母细已活化的酵母细胞，进行充分胞，进行充分搅拌搅拌，使其混合
16、均，使其混合均匀，再转移至注射器中匀，再转移至注射器中 实验操作实验操作 注意事项注意事项 A A、溶化好的海藻酸钠溶液必须冷却至室温，否则会因温、溶化好的海藻酸钠溶液必须冷却至室温，否则会因温度过高杀死酵母菌度过高杀死酵母菌 B B、搅拌要彻底充分，使两者混合均匀，以免影响实验结、搅拌要彻底充分，使两者混合均匀，以免影响实验结果的观察果的观察 实验操作实验操作 5、固定化酵母细胞、固定化酵母细胞 以恒定的速度缓慢地将注射器中以恒定的速度缓慢地将注射器中的溶液滴加到配制好的的溶液滴加到配制好的CaClCaCl2 2溶液中，溶液中，观察液滴在观察液滴在CaClCaCl2 2溶液中形成凝胶珠溶液中形成凝胶珠的情形。将这些凝胶珠在的情形。将这些凝胶珠在CaClCaCl2 2溶液溶液中浸泡中浸泡30min30min左右如果没有注射器，左右如果没有注射器，可以在小塑料瓶上安装一个孔径为可以在小塑料瓶上安装一个孔径为2 2 mmmm的喷嘴来使用。的喷嘴来使用。注意事项注意事项 A A、可利用海藻酸钠制成不含酵母菌的凝胶珠，用作对照、可利用海藻酸钠制成不含酵母菌的凝胶珠，用作对照 B B、海藻酸钠胶
