2019-2020学年名师同步人教版生物选修一课下提能：专题4　课题3　酵母细胞的固定化 9页

专题 4 课题 3 酵母细胞的固定化 课下提能 一、选择题 1．与直接使用酶相比，固定化酶的优势是( ) A．催化效率高，低耗能、低污染 B．对环境条件非常敏感，容易失活 C．既能与反应物充分接触，又能与产物分离 D．不能重复利用 解析：选 C 与直接使用酶相比，固定化酶的优势是：既能与反应物接触， 又能与产物分离，可被重复利用。 2．(2019·襄阳五中期中)如果反应物是大分子物质，则应采用的固定化技术 和理由是( ) A．固定化酶技术；可应用化学结合法或物理吸附法对酶固定，利于大分子 物质和酶的接触 B．固定化酶技术；可应用包埋法对酶固定，利于大分子物质和酶的接触 C．固定化细胞技术；一般应用化学结合法或物理吸附法对细胞固定，利于 大分子物质和细胞的接触 D．固定化细胞技术；一般应用包埋法对细胞固定，利于大分子物质和细胞 的接触 解析：选 A 如果反应物是大分子物质，则应采用的固定化技术是固定化酶 技术，理由为：如果采用固定化细胞技术，则一般用包埋法对细胞固定，但大分 子反应物难以进入包埋细胞的网格或颗粒，不利于反应的进行，故采用固定化酶 技术，一般用化学结合法或物理吸附法对酶固定，和包埋法相比，化学结合法或 物理吸附法有利于反应物与酶的接触。 3．下列关于固定化酶技术与固定化细胞技术之间的关系的叙述，正确的是 ( ) A．固定化酶技术是固定化细胞技术的基础 B．固定化细胞技术是固定化酶技术的基础 C．固定化酶技术与固定化细胞技术是同时发展起来的 D．固定化细胞技术先于固定化酶技术 解析：选 A 固定化细胞技术是在固定化酶技术的基础上发展起来的，解决 了固定化酶不能催化一系列反应的问题，因此固定化酶技术先于固定化细胞技 术。 4．下列叙述正确的是( ) A．固定化细胞成本比固定化酶的更高，但能连续生产 B．固定化细胞能产生一系列酶 C．固定化细胞产生的酶，其活性比固定化酶更容易受影响 D．固定化酶更适合大分子反应物 解析：选 B 酶是从细胞中提取的，直接固定化细胞省去了提取酶的步骤， 成本更低，操作也容易，并且能催化一系列化学反应，能连续生产。固定化细胞 和固定化酶的原理是相同的，且固定化细胞能不断地产生酶和催化所需要的辅助 因子，效果更好。固定化酶不能从固定的材料中漏出，因此用于固定的材料所设 计的孔不能太大，若催化的反应物过大，酶和反应物不能接触，达不到催化的目 的。 5．下列说法正确的是( ) A．酵母菌可以利用海藻酸钠进行固定化，但是不能用琼脂糖进行固定化 B．海藻酸钠浓度越高，固定酵母菌的效果越好 C．在实验过程中为防止海藻酸钠发生焦糊，要用小火或间断加热溶化海藻 酸钠 D．酶分子较小，常采用包埋法固定 解析：选 C 多孔的材料可用于包埋微生物，制备固定化酵母菌，琼脂糖和 海藻酸钠都可用于酵母菌的固定化，A 错误；海藻酸钠浓度应适宜，浓度太高很 难制备大小均匀的凝胶珠，B 错误；海藻酸钠在水中的溶解速度慢，为防止焦糊， 应采用小火或者间断加热的方式，C 正确；酶分子较小，易从包埋材料中漏出， 常采用物理吸附法或化学结合法固定，D 错误。 6．下列关于酵母细胞活化的说法中，不正确的是( ) A．酵母细胞活化就是由无氧呼吸变成有氧呼吸 B．活化就是让处于休眠状态的细胞恢复生活状态 C．酵母细胞活化所需要的时间较短 D．酵母细胞活化后体积增大 解析：选 A 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 般只需要 0.5～1 h。 7．某兴趣小组欲利用固定化酶进行酶解淀粉的实验，分组见下表，下列有 关说法错误的是( ) 组别 固定化酶柱长度 /cm 淀粉溶液的流速 /(mL·min－1) 甲 10 0.3 乙 10 0.5 丙 15 0.3 丁 15 0.5 A.固定化酶柱长度和淀粉溶液流速决定了酶柱中酶的含量 B．淀粉溶液流速过快会导致流出液中含有淀粉 C．各组实验所用的淀粉溶液浓度应相同 D．淀粉溶液的 pH 对实验结果有影响 解析：选 A 固定化酶柱长度决定了酶柱中酶的含量，A 错误；淀粉溶液流 速过快，酶来不及催化反应发生，会导致流出液中含有淀粉，B 正确；实验要遵 循等量原则，C 正确；pH 影响酶的活性，D 正确。 8．(2019·太原检测)试分析下图中，哪一种与用海藻酸钠作载体制备的固定 化酵母细胞相似( ) 解析：选 D A、B 两项适合于酶的固定化，C 选项既可用于酶固定，也可 用于细胞固定。制备固定化酵母细胞用的是包埋法，即将酵母细胞包埋在由海藻 酸钠制成的凝胶珠中，所以与 D 选项相似。 9．下列关于使用固定化酶技术生产高果糖浆的说法，正确的是( ) A．高果糖浆的生产需要使用果糖异构酶 B．在反应柱的顶端装上分布着许多小孔的筛板，防止异物的进入 C．将葡萄糖溶液从反应柱的上端注入，果糖溶液从反应柱下端流出 D．固定化酶技术复杂，成本较高 解析：选 C 生产高果糖浆时所用的酶应为葡萄糖异构酶，A 错误；将葡萄 糖异构酶固定在一种颗粒状的载体上，再将这些酶颗粒装到一个反应柱内，柱子 底端装上分布着许多小孔的筛板，酶颗粒无法通过筛板上的小孔，而反应溶液却 可以自由出入，B 错误；生产过程中，将葡萄糖溶液从反应柱的上端注入，使葡 萄糖溶液流过反应柱，与固定化葡萄糖异构酶接触，转化成果糖溶液，果糖溶液 从反应柱的下端流出，C 正确；反应柱能连续使用半年，大大降低了生产成本， D 错误。 10．温度与植酸酶相对酶活性的关系如图所示。下列叙述错误的是( ) A．测试温度中，固定化与非固定化植酸酶的最适温度分别为 60 ℃和 45 ℃ B．测试温度范围内，固定化植酸酶的相对酶活性波动低于非固定化植酸酶 C．固定化与非固定化植酸酶相比，相对酶活性在 80%以上时的温度范围较 宽 D．65 ℃时固定化与非固定化植酸酶的相对酶活性因蛋白质变性而位于最低 点 解析：选 D 观察图像可知，65 ℃时固定化植酸酶的相对酶活性仍在 80% 以上，并没有位于最低点，而蛋白质变性会导致酶失活，即相对酶活性为 0。 二、非选择题 11．某一实验小组的同学，欲通过制备固定化酵母细胞进行葡萄糖溶液发酵 实验，实验材料及用具齐全，请回答下列问题： (1)制备固定化酵母细胞常用________法。 (2)制备固定化酵母细胞的过程为： ①将干酵母与________混合并搅拌，使酵母细胞活化； ②将无水 CaCl2 溶解在蒸馏水中，配制成 CaCl2 溶液； ③用酒精灯加热配制海藻酸钠溶液； ④海藻酸钠溶液冷却至室温再加入已活化的酵母细胞，充分搅拌并混合均 匀； ⑤用注射器将________________________的混合物缓慢滴入 CaCl2 溶液中。 (3)该实验小组用如图所示的装置来进行葡萄糖发酵。a 是固定化酵母细胞， b 是反应柱。 ①从上端漏斗中加入反应液的浓度不能过高的原因是 _________________________________________________________。 ②要想得到较多的酒精，加入反应液后的操作是________活塞 1 和________ 活塞 2。 ③为使该实验中所用的固定化酵母细胞可以反复利用，实验过程一定要在 ________条件下进行。 ④装置中的长导管所起的作用是____________________________ _________________________________________________________。 解析：(1)细胞体积较大，不宜用物理吸附法和化学结合法固定，通常采用 包埋法固定。(2)酵母细胞的活化需要加水混合，使其恢复正常的生活状态；凝 胶珠是将海藻酸钠和酵母细胞的混合物滴加到 CaCl2 溶液中制成的。(3)①用固定 化酵母细胞发酵产生酒精时，要保证酵母菌的生活状态；反应液的浓度应该适合 酵母菌的生活；②酒精发酵是无氧发酵，将反应液加入反应柱中后应该关闭活塞 1 和活塞 2，以营造无氧环境；③要想使固定后的酵母细胞反复利用，就要避免 其他微生物的污染，因此实验过程一定要在无菌条件下进行；④酒精发酵过程中 会产生 CO2，因此要设置长导管，它既可以将产生的 CO2 释放出去，又能避免空 气中的杂菌进入反应柱。 答案：(1)包埋 (2)①蒸馏水 ⑤海藻酸钠和酵母细胞 (3)①葡萄糖溶液的 浓度过高会使酵母细胞因失水过多而死亡 ②关闭 关闭 ③无菌 ④释放 CO2，并防止空气中的杂菌进入反应柱 12．为了探索海藻酸钠固定化对绿球藻生长的影响，以及固定化藻对含 Zn2 ＋污水的净化作用，科研人员用筛选到的一株绿球藻进行实验，流程及结果如下。 请回答下列问题： (1) 实 验 中 的 海 藻 酸 钠 作 用 是 ____________ ， CaCl2 的 作 用 是 _________________________________________________________。 (2)为洗去凝胶球上残余的 CaCl2 和其他污染物，并保持绿球藻活性，宜采用 ________洗涤。图 1 中 1.0%海藻酸钠组培养 24 h 后，移动凝胶球，溶液呈绿色， 原因是_________________________________________________________。 (3)为探索固定化藻对含 Zn2＋污水的净化作用，应选用浓度为________海藻 酸钠制备凝胶球。 (4)图 2 中空白凝胶球组 Zn2＋浓度下降的原因是______________________。 结合图 1 和图 2 分析，固定化藻的实验组 24～48 h 间 Zn2＋浓度下降速度较快的 主要原因是_______________________；72～96 h 间 Zn2＋浓度下降速度较慢的原 因 有 _____________________________________________________________________ ____。 解析：(1)绿球藻为单细胞生物，可用包埋法固定化，实验中海藻酸钠的作 用是包埋绿球藻。配制好的海藻酸钠溶液需要滴入 CaCl2 溶液中，与 CaCl2 反应 形成凝胶球，刚形成的凝胶球应在 CaCl2 溶液中浸泡一段时间，有利于形成稳定 的结构。(2)将固定好的凝胶球用绿球藻的培养液(生理盐水)清洗 2～3 次，能够 洗去凝胶球上残余的 CaCl2 和其他污染物，并保持绿球藻的活性。如果包埋绿球 藻用的海藻酸钠浓度过低，或形成的凝胶球孔径过大，在培养过程中会有绿球藻 从包埋材料中漏出来，使溶液呈绿色。(3)分析图绿球藻数量变化曲线可知，浓 度为 2.0%的海藻酸钠对绿球藻的包埋效果最好，凝胶球中包埋的绿球藻数量最 多，故应选用该浓度的海藻酸钠制备凝胶球。(4)由 Zn2＋浓度变化曲线可知，空 白凝胶球组 Zn2＋浓度下降的原因是凝胶对 Zn2＋有一定的吸附作用。培养初期， 绿球藻生长(增殖)速度较快，导致 Zn2＋浓度下降速度较快；培养后期，由于绿球 藻生长(增殖)速度减慢、溶液中 Zn2＋浓度较低等，Zn2＋浓度下降速度较慢。 答案：(1)包埋绿球藻(包埋剂) 与海藻酸钠反应形成凝胶球(凝固剂) (2)培 养液(生理盐水) 海藻酸钠浓度过低(凝胶球孔径过大) (3)2.0% (4)凝胶吸附 Zn2＋ 绿球藻生长(增殖)速度快 绿球藻生长(增殖)速度减慢，溶液中 Zn2＋浓度 较低 13．下图 1 表示制备固定化酵母细胞的有关操作，图 2 是利用固定化酵母细 胞进行酒精发酵的示意图。请回答下列问题： (1)图 1 中 X 溶液为________，其作用是使________________________ __________。 (2)图 1 中制备的凝胶珠用________洗涤后再转移到图 2 装置中。图 2 发酵 过程中搅拌的目的是使____________________________。 (3)在用海藻酸钠包埋酵母菌形成凝胶珠的过程中，加热溶解海藻酸钠时需 注意用________________加热，然后将溶化好的海藻酸钠溶液______________ 后，加入酵母菌充分搅拌混合均匀。 (4)研究发现，固定化强度强的酵母颗粒发酵效果好，且稳定性高、使用寿 命长。某机构利用上述装置，将 2%、2.5%、3%的海藻酸钠分别利用 2%、3%、 4%的 X 溶液进行凝胶化处理，所得到的固定化酵母颗粒的强度及在 28 ℃下发酵 48 h 后的酒精产量见表： 海藻酸 钠(%) 2 2.5 3 2 2.5 3 2 2.5 3 X 溶液 (%) 2 2 2 3 3 3 4 4 4 固定化 强度 (g/30 个) 930 950 990 1 030 1 100 1 140 1 170 1 170 1 160 酒精量 (%) 6.7 6.5 6.5 6.7 6.4 6.2 6.7 6.4 6.3 依照表格分析，随着 X 溶液浓度的增加，____________增加；用于酒精发 酵效果最好的海藻酸钠与 X 溶液浓度分别是________、________。 解析：(1)图 1 为固定化酵母细胞的步骤，X 溶液为 CaCl2 溶液，作用是使胶 体聚沉，即使海藻酸钠形成凝胶珠。(2)图 2 为发酵过程，因为是无氧呼吸，故 搅拌的目的只是增加培养液与酵母菌的接触面积，而不是增加溶氧量。(3)溶解 海藻酸钠时需注意用小火或间断加热，然后将溶化好的海藻酸钠溶液冷却至室温 后，再加入酵母菌充分搅拌混合均匀，以防止高温杀死酵母菌。(4)分析表格可 知，随着 X 溶液浓度的增加，酵母细胞的固定化强度增加，固定化强度和产酒 精量都较大的海藻酸钠与 X 溶液浓度分别是 2%、4%。 答案：(1)CaCl2 溶液 海藻酸钠形成凝胶珠 (2)蒸馏水 培养液与酵母菌充 分接触 (3)小火或间断 冷却至室温 (4)固定化强度 2% 4% 14．某实验小组进行固定化酵母细胞的制备，并开展游离酵母和固定化酵母 发酵产酒酒精度的比较，结果如下表。请回答下列问题： 产酒酒精度的比较 时间(d) 0 2 4 6 8 10 12 游离酵母 0 1.0 2.1 3.2 3.9 4.3 4.6 固定化酵母 0 2.5 4.2 5.0 5.4 6.0 6.4 (1)制作凝胶珠的实验步骤是：酵母细胞的活化→____________________→ 配制海藻酸钠溶液→____________________→固定化酵母细胞。 (2)影响实验成败的关键步骤是__________________，此步的操作应采用 _________________________________________________________。 (3)钙离子的作用是使胶体聚沉，海藻酸盐起________________________的 作用。 (4)该小组将制备好的固定化酵母与游离酵母分别放在一定的条件下发酵， 定时记录发酵液中酒精度的变化。 ①实验过程中的“在一定的条件下发酵”的条件是________________，要求 条件相同是为了确保______________。 ②由表可知，固定化酵母和游离酵母发酵都能产生酒精，但固定化酵母在发 酵前期的延迟期的时间比游离酵母发酵前期的延迟期的时间要________。 解析：制备固定化酵母细胞的实验步骤为：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；该实 验的关键是配制海藻酸钠溶液。海藻酸钠起载体的作用，用于包埋酵母细胞。酵 母菌酒精发酵过程是细胞内酶的催化过程，需要在适宜的温度、pH 等条件下进 行，两组实验的条件相同，才能够确保无关变量相同，且遵循单一变量原则。由 表可知，在 12 d 的发酵时间里，固定化酵母发酵产酒酒精度从 0 度到 6.4 度，游 离酵母发酵产酒酒精度从 0 度到 4.6 度，而且固定化酵母发酵产酒酒精度在第 4 d 即达到 4.2 度，表明其延迟期短。 答案：(1)配制物质的量浓度为 0.05 mol/L 的 CaCl2 溶液 海藻酸钠溶液与酵 母细胞混合 (2)配制海藻酸钠溶液 小火或间断加热 (3)包埋酵母细胞(或载 体) (4)①适宜的温度、pH 等 单一变量 ②短