专题4课题3酵母细胞的固定化课件.ppt

1、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。在应用酶的过程中，人等各个领域。在应用酶的过程中，人们发现了一些实际问题：酶通常对强酸、强碱、们发现了一些实际问题：酶通常对强酸、强碱、高温和有机溶剂等条件非常敏感，高温和有机溶剂等条件非常敏感，容易失活容易失活；溶；溶液中的酶液中的酶很难回收很难回收，不能被再次利用，提高了生，不能被再次利用，提高了生产成本；反应后产成本；反应后酶会混在产物中酶会混在产物中，可能影响产品，可能影响产品质量。质量。课题课题 3 酵母细胞的固定化酵母细胞的固定化课题背景课题背景问问1：酶已经应用于哪些方面，

2、酶制剂有哪些优点？人们酶已经应用于哪些方面，酶制剂有哪些优点？人们发现哪些实际问题？发现哪些实际问题？催化效率高、低能耗、低污染等催化效率高、低能耗、低污染等于是，有人设想，于是，有人设想，将酶固定在不溶于水的载体上，使酶将酶固定在不溶于水的载体上，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，固定在载体，同时，固定在载体上的酶还可以被上的酶还可以被反复利用反复利用。现代的固定化酶技术已完全实现了现代的固定化酶技术已完全实现了这一设想。这一设想。高果糖浆的生产就是固定化酶技术成功地应用于工业生产的实高果糖浆的生产就是固定化酶技术成功地应用于工业生产的实例。例。课题

3、课题 3 酵母细胞的固定化酵母细胞的固定化问问2：面对这些实际问题，你有什么设想？面对这些实际问题，你有什么设想？课题背景课题背景酶是由细胞合成的，于是，又有人设想，能否将合成酶是由细胞合成的，于是，又有人设想，能否将合成酶的细胞直接固定酶的细胞直接固定?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。与固定化酶技术相。与固定化酶技术相比，固定化细胞制备的成本更低，操作更容易。比，固定化细胞制备的成本更低，操作更容易。在本课题在本课题中，我们将动手制备固定化酵母细胞，体会固定化酶的作用。中，我们将动手制备固定化酵

4、母细胞，体会固定化酶的作用。课题课题 3 酵母细胞的固定化酵母细胞的固定化问问3：面对这些实际问题，进一步的设想与创新？面对这些实际问题，进一步的设想与创新？课题背景课题背景阅读与思考（阅读与思考（P4950）1、什么是高果糖浆？与蔗糖比有何优点？、什么是高果糖浆？与蔗糖比有何优点？2、解决酶应用中存在不足的技术及方法是？、解决酶应用中存在不足的技术及方法是？3、生产高果糖浆需要什么酶？其作用是什么？、生产高果糖浆需要什么酶？其作用是什么？这种酶有何特点？这种酶有何特点？4、高果糖浆生产过程？、高果糖浆生产过程？5、这种方法的优点是什么？、这种方法的优点是什么？基础知识基础知识 (一一)固定化

5、酶的应用实例固定化酶的应用实例1 1、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。作为蔗糖的替左右的糖浆。作为蔗糖的替代品，高果糖浆不会像蔗糖那样诱发肥胖、糖尿病、龋齿代品，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，对人的健康更有益。和心血管病，对人的健康更有益。3 3、生产高果糖浆需要葡萄糖异构酶；其作用是将葡萄糖、生产高果糖浆需要葡萄糖异构酶；其作用是将葡萄糖转化为果糖；这种酶稳定性好，可持续发挥作用。转化为果糖；这种酶稳定性好，可持续发挥作用。2 2、固定化酶技术。即将酶固定在一定空间内的技术（如、固定化酶技术。即将酶固定在一定空间内的技术（如固定在不

6、溶于水的载体上）固定在不溶于水的载体上）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问问1、什么是高果糖浆？与蔗糖比有何优点？、什么是高果糖浆？与蔗糖比有何优点？（食品生产为（食品生产为什么偏向用果糖不用蔗糖？）什么偏向用果糖不用蔗糖？）问问2、解决酶应用中不足的技术及方法是？、解决酶应用中不足的技术及方法是？问问3、生产高果糖浆需什么酶？作用是什么？这种酶有何、生产高果糖浆需什么酶？作用是什么？这种酶有何特点？特点？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 我们以高果糖浆的生产为例来了解固定化酶技术在生产实践中的应用。高果糖浆的生产需要使用高果糖浆

7、的生产需要使用葡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。这种酶的稳酶的稳定性好定性好，可以，可以持续发挥作用持续发挥作用。但是，酶溶解。但是，酶溶解于葡萄糖溶液后，就无法从糖浆中回收，造于葡萄糖溶液后，就无法从糖浆中回收，造成很大的成很大的浪费浪费。思考：思考：如果你是工程技术人员，如何解决这一缺点？如果你是工程技术人员，如何解决这一缺点？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问问4、高果糖浆生产过程？、高果糖浆生产过程？5优点是：优点是：（1）使酶既能与反应）使

8、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问问5、这种方法的优点是什么？、这种方法的优点是什么？使用使用固定化酶技术固定化酶技术，将这种酶固定在一种颗，将这种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小孔的筛板。酶颗粒内，柱子底端装上分布着

9、许小孔的筛板。酶颗粒无法通过筛板上的小孔，而反应溶液却可以自由无法通过筛板上的小孔，而反应溶液却可以自由出入。生产过程中，将葡萄糖溶液从反应柱的上出入。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，与固定化端注入，使葡萄糖溶液流过反应柱，与固定化葡葡萄糖异构酶萄糖异构酶接触，转化成果糖，从反应柱的下端接触，转化成果糖，从反应柱的下端流出。流出。反应柱能连续使用半年，大大降低了生产反应柱能连续使用半年，大大降低了生产成本，提高了果糖的产量和质量。目前，用固定成本，提高了果糖的产量和质量。目前，用固定化葡萄糖异构酶生；产高果糖浆的规模已经超过化葡萄糖异构酶生；产高果糖浆的规模

10、已经超过了每年了每年10001000万吨。万吨。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 1、下列说法不正确的是（、下列说法不正确的是（）A A、葡萄糖与固定化葡萄糖异构酶接触，转化成、葡萄糖与固定化葡萄糖异构酶接触，转化成 的是果糖；的是果糖；B B、从固定化酶反应柱下端流出的是果糖；、从固定化酶反应柱下端流出的是果糖；C C、高果糖浆不会像蔗糖那样诱发肥胖、糖尿、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；病、龋齿和心血管病；D D、酶溶解于葡萄糖溶液，可以从糖浆中回收。、酶溶解于葡萄糖溶液，可以从糖浆中回收。2 2、研究认为，用固定化酶技术处理污

11、染物是很有、研究认为，用固定化酶技术处理污染物是很有前途的。如将从大肠杆菌得到的磷酸三酯酶固定前途的。如将从大肠杆菌得到的磷酸三酯酶固定到尼龙膜上制成制剂，可以用来降解残留在土壤到尼龙膜上制成制剂，可以用来降解残留在土壤中的有机磷农药，与用微生物降解相比，其作用中的有机磷农药，与用微生物降解相比，其作用不需要适宜的（不需要适宜的（）A A、温度、温度 B B、PHPH C C、水分、水分 D D、营养、营养问问：在生产实际中使用固定化酶技术有无不足？如有不在生产实际中使用固定化酶技术有无不足？如有不足，怎么办足，怎么办?有。一种酶只能催化一种化学反应，而在生有。一种酶只能催化一种化学反应，而在

12、生产实际中很多产物的形成都通过一系列的酶促反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。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。基础知识基础知识 （二）固定化细胞技术二）固定化细胞技术问问：固定化酶或固定化细胞的定义及方法？：固定化酶或固定化细胞的定义及方法？固定化技术的固定化技术的定义定义及及方法方法：固定化酶和固定化细胞是利用物理或化学方法将酶或固定化酶和固定化细胞是利用物理或化学方法将酶或细胞固定在一定空间内的技术，细胞固定在一定空间内的技术，包括包括包埋包埋法、化学法、化学结合结合法法(将酶分子或细胞相互结合，将酶分子或细胞

13、相互结合，或将其结合到载体上或将其结合到载体上)和物理和物理吸附吸附法。法。一般来说，一般来说，酶酶更适合采用更适合采用化学结合和物理吸附化学结合和物理吸附法固定法固定化，而化，而细胞细胞多采用多采用包埋包埋法固定化。这是因为细胞个大，而法固定化。这是因为细胞个大，而酶分子很小；个大的细胞难以被吸附或结合，而个小的酶酶分子很小；个大的细胞难以被吸附或结合，而个小的酶容易从包埋材料中漏出。容易从包埋材料中漏出。问问：固定酶和细胞各适合采用什么方法？为什么？：固定酶和细胞各适合采用什么方法？为什么？方法方法原理原理适用对象适用对象1包埋法包埋法 是将聚合物的单体与酶溶液混是将聚合物的单体与酶溶液混

14、合，再借助于聚合助进剂合，再借助于聚合助进剂(包括包括交联剂交联剂)的作用进行聚合，酶被的作用进行聚合，酶被包埋在聚合物中以达到固定化包埋在聚合物中以达到固定化酶或细胞酶或细胞2化学化学结合法结合法酶蛋白的侧链基团和载体表面酶蛋白的侧链基团和载体表面上的功能基团之间形成共价键上的功能基团之间形成共价键而固定的方法而固定的方法酶酶3物理物理吸附法吸附法通过氢键、疏水作用和通过氢键、疏水作用和电子电子亲和力等物理作用，将酶固定亲和力等物理作用，将酶固定于水不溶载体上从而制成固于水不溶载体上从而制成固定化酶定化酶酶酶基础知识基础知识 （二）固定化细胞技术二）固定化细胞技术基础知识基础知识 （二）固定

15、化细胞技术二）固定化细胞技术问问：固定化酶和固定化细胞常用的载体材料？：固定化酶和固定化细胞常用的载体材料？本课题使用的是包埋法固定化细胞，即将微生物细胞均匀地包本课题使用的是包埋法固定化细胞，即将微生物细胞均匀地包埋在不溶于水的多孔性载体中。埋在不溶于水的多孔性载体中。常用的载体有明胶、琼脂糖、常用的载体有明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等。海藻酸钠、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等。本实验选用海藻酸本实验选用海藻酸钠作载体包埋酵母细胞钠作载体包埋酵母细胞 。1、从操作角度来考虑，你认为哪一种方法更容易、从操作角度来考虑，你认为哪一种方法更容易?2、哪一种方法对酶活性的影响更小、哪一种

16、方法对酶活性的影响更小?3、固定化细胞固定的是一种酶还是一系列酶、固定化细胞固定的是一种酶还是一系列酶?4、如果想将微生物的发酵过程变成连续的酶反应，应该、如果想将微生物的发酵过程变成连续的酶反应，应该 选择哪种方法选择哪种方法?5、如果反应物是大分子物质，又应该采用哪种方法、如果反应物是大分子物质，又应该采用哪种方法?实验操作实验操作（一）制备固定化酵母细胞（一）制备固定化酵母细胞阅读阅读P5051P5051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）、你认为哪个步骤的操作是最重要的一环？）、你认为哪个步骤的操作是最重要的一环？（3

17、3）、各步骤应当分别注意什么问题？）、各步骤应当分别注意什么问题？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0.05 mol0.05 molL 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问：问：什么是活化？怎样活化？应注意什么？什么是活化？怎样活化？应注意什么？实验操作实验操作（一）制备固定化酵母细胞（一）制备固定化酵母细胞取取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

18、，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，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的生活状态就是让处于休眠状态的微生物重新恢复正常的生活状态注意水的用量注意水的用量实验操作实验操作称取无水称取无水CaCl2 0.83g。放人。放人200mL的烧杯中，加入的烧杯中，加入150mL的蒸馏水，使其充分溶解，待用。的蒸馏水，使其充分溶解，待用。（一）制备固定化酵母细胞（一）制备固定化酵母细胞实验操作实验操作（一）制备固定化酵母细胞（一）制备固定化酵母细胞称取称取0.7g0.7g海藻酸钠，放入海藻酸钠，放入50mL50mL小

19、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

20、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。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，加人加人已活化的醉母细已活化的醉母细胞，进行充分胞，进行充分搅拌搅拌，使其混台均，使其混台均匀，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（一）制备固定化酵母细胞（一）制备固定化酵母细胞实验操作实验操作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CaCl

21、CaCl2 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。（一）制备固定化酵母细胞（一）制备固定化酵母细胞（二）用固定化细胞发酵（二）用固定化细胞发酵1 1、将固定好的酵母细胞、将固定好的酵母细胞(凝胶珠凝胶珠)用蒸馏水冲洗用蒸馏水冲洗2-32-3次。次。实验操作实验操作（一）制备固定化酵母细胞（一）制备固定化酵母细胞2 2、将、将150mL150mL质量分数为质量分数为10%10%的葡萄糖的葡萄糖溶液转移到溶液转移到200mL200mL的锥形瓶中，再加入

22、固的锥形瓶中，再加入固定好的酵母细胞，置于定好的酵母细胞，置于2525下发降下发降24h24h。海藻酸钠在水中海藻酸钠在水中溶解的速度较慢溶解的速度较慢，需要通过加热促，需要通过加热促进其溶解。溶解海藻酸钠，最好采用进其溶解。溶解海藻酸钠，最好采用小火间断加热小火间断加热的方法。的方法。例如，加热几分钟后，从石棉网上取下烧杯冷却片刻，并例如，加热几分钟后，从石棉网上取下烧杯冷却片刻，并不断搅拌，再将烧杯放回石棉网继续加热，如此重复数次，不断搅拌，再将烧杯放回石棉网继续加热，如此重复数次，直至海藻酸钠完全溶化。如果加热太快，海藻酸钠会发生直至海藻酸钠完全溶化。如果加热太快，海藻酸钠会发生焦糊。焦

23、糊。操作提示操作提示（一）观察凝胶珠的颜色和形状（一）观察凝胶珠的颜色和形状 如果制作的凝胶珠颜色如果制作的凝胶珠颜色过浅、呈白色过浅、呈白色，说明海藻酸钠的浓，说明海藻酸钠的浓度偏低，固定的酵母细胞数目较少；如果形成的凝胶珠度偏低，固定的酵母细胞数目较少；如果形成的凝胶珠不不是圆形或椭圆形是圆形或椭圆形，则说明海藻酸钠的浓度偏高，制作失败，则说明海藻酸钠的浓度偏高，制作失败，需要再作尝试。需要再作尝试。（二）观察发酵的葡萄糖溶液（二）观察发酵的葡萄糖溶液 利用固定的酵母细胞发酵产生酒精，可以看到产生了很多利用固定的酵母细胞发酵产生酒精，可以看到产生了很多气泡，同时会闻到酒味。气泡，同时会闻到

24、酒味。1 1观察并描述形成的凝胶珠的颜色和形状。观察并描述形成的凝胶珠的颜色和形状。2 2观察利用固定化酵母细胞发酵的葡萄糖溶液，看看是观察利用固定化酵母细胞发酵的葡萄糖溶液，看看是否有气泡产生，闻闻是否有酒味。否有气泡产生，闻闻是否有酒味。结果分析与评价结果分析与评价 刚形成的凝胶珠应在刚形成的凝胶珠应在CaClCaCl2 2溶液中浸泡一段时溶液中浸泡一段时间，以便间，以便形成稳定的结构形成稳定的结构。检验凝胶珠的质量是否合格，可以使用下列检验凝胶珠的质量是否合格，可以使用下列方法。方法。一是一是用镊子夹起一个凝胶珠放在实验桌上用手挤用镊子夹起一个凝胶珠放在实验桌上用手挤压，如果凝胶珠不容易

25、破裂，没有液体流出，就压，如果凝胶珠不容易破裂，没有液体流出，就表明凝胶珠的制作成功。表明凝胶珠的制作成功。二是二是在实验桌上用力摔打凝胶珠，如果凝胶珠很在实验桌上用力摔打凝胶珠，如果凝胶珠很容易弹起，也能表明制备的凝胶珠是成功的。容易弹起，也能表明制备的凝胶珠是成功的。直接使用酶、固定化酶和固定化细胞催化的优缺点直接使用酶、固定化酶和固定化细胞催化的优缺点P52P52练习练习:1 1、制备固定化酵母细胞的过程中错误的是（、制备固定化酵母细胞的过程中错误的是（）A A、取干酵母，加入蒸馏水，使其活化、取干酵母，加入蒸馏水，使其活化B B、配制海藻酸钠时，加热用大火，直到海藻酸钠溶化为止、配制海

26、藻酸钠时，加热用大火，直到海藻酸钠溶化为止C C、将溶化好的海藻酸钠溶液冷却至室温，加入已活化的、将溶化好的海藻酸钠溶液冷却至室温，加入已活化的酵母细胞酵母细胞D D、将凝胶珠在、将凝胶珠在CaClCaCl2 2溶液中浸泡溶液中浸泡30min30min左右左右2 2、下列叙述不正确的是（、下列叙述不正确的是（）A A、从操作角度来考虑，固定化细胞比固定化酶容易、从操作角度来考虑，固定化细胞比固定化酶容易B B、固定化细胞比固定化酶对酶的活性影响更小、固定化细胞比固定化酶对酶的活性影响更小C C、固定化细胞固定的是一种酶、固定化细胞固定的是一种酶D D、将微生物的发酵过程变成连续的酶反应应选择固定化、将微生物的发酵过程变成连续的酶反应应选择固定化细胞技术细胞技术