2019版高中生物 第3章 生物科学与工业 第2节 酶在工业生产中的应用学案 新人教版选修2.doc

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1、1第第 2 2 节节 酶在工业生产中的应用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

2、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2（1）根据存 在的部位胞内酶：占酶的绝大多数，存在于细胞内，如细 胞内有氧呼吸酶等。 胞外酶：占酶的小部分，分泌到细胞外，如消化 酶等。)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

3、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

4、率最快。答案 B32.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 题图表示酶包埋在细微网格里，应属包埋法；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；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

5、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交联法酶和多功能试剂之间利用多功能试剂在酶与酶、酶与载工艺简便且条件温和，在生产上应用广泛4形成共价键体之间进行交联，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

6、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

7、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

8、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。5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.淀粉酶 B.糖化酶C.葡萄糖异构酶 D.

9、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 C2.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 D3.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

10、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6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

11、再降温，也不能改变酶的活性。答案 D4.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 D5.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

12、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( )转氨酶 解旋酶 肽酶 ATP 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、ADPC.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 A2.探究

13、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( )7A.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 D3.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 A4.下列关于

14、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 D5.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 B6.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

15、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。8答案 C7.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：设置两组实验，分别使用蛋白酶洗衣粉和复合酶洗衣粉；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；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

16、自变量 D.因变量不能描述答案 A8.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 D9.酶工程中酶制剂的生产按顺序排列为( )酶的分离纯化 酶的固定化 酶的生产 酶的提取A. B.C. D.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

17、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 C10.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 C911.下列属于氧化还原酶的是 ( )乙醇脱氢酶

18、 琥珀酸脱氢酶 淀粉酶 丙酮酸羧化酶 谷丙转氨酶 葡萄糖磷酸异构酶A. B.C. D.解析 脱氢酶属于氧化还原酶。答案 D12.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

19、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 A13.(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

20、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 23 次10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

21、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

22、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：在酒中加入少量蛋白酶；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

23、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) 蛋白酶能水解蛋白质，既能消除沉淀，又保存了营养成分 (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1116.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

24、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(500 mL)、温度计、天平、加酶

25、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：用天平称取加酶洗衣粉若干份，每份 5 g；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)；_；_；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，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)12水温/020304050607080植物油4839302011131720蓝墨水93868072676881105牛奶48432812471217(1)请分析实验结果并得出结论：_。(2)原因：_。(3)从以上

26、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 在三个编号为甲、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 0水浴锅中并搅拌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