专题4 酶的研究与应用
课题1果胶酶在果汁生产中的作用
一、基础知识 1．果胶酶的作用
(1)果胶的成分及作用：果胶是植物________以及________的主要组成成分之一，它是由________________聚合而成的一种高分子化合物，不溶于水。
(2)果胶酶的作用：果胶酶能够把果胶分解成可溶性的________________。
(3)果胶酶的组成：果胶酶并不特指某一种酶，而是____________的一类酶的总称，包括________________、________________和____________等。
提醒 由于原核生物的细胞壁的主要成分是肽聚糖，真菌细胞壁的主要成分是几丁质，因此这两类生物的细胞壁均不能用纤维素酶和果胶酶除去。
(4)果胶酶的来源：______、________、________和________均能产生果胶酶。由________发酵生产的果胶酶是食品加工业中使用量最大的酶制剂之一，被广泛地应用于果汁加工业。
2．酶的活性与影响酶活性的因素
(1)酶的活性：是指酶________________的能力。酶活性的高低可以用在一定条件下，酶所催化的某一化学反应的____________来表示。
(2)酶的反应速度：用____________内、____________中反应物的________或产物的________来表示。
影响酶活性的因素主要有________、________和____________等。 3．酶的用量
酶用量过多，会导致酶的________；酶用量过少，会________酶促反应的速度。因此要得到适宜的酶用量，需通过设计实验进行探究。
二、实验设计
1．探究温度对酶活性的影响 (1)实验原理
①果胶酶活性受温度影响。在一定范围内，随着温度的升高，酶的活性逐渐________；超过一定温度之后，随着温度的升高，酶的活性逐渐降低；当达到一定温度后，酶的活性____________。酶的活性随温度的升高而变化的趋势可用下图表示：
各取一支分9组，分别放入30℃、35℃、40℃、45℃、 50℃、55℃、60℃、65℃和70℃的恒温水箱中恒温加热
↓
待试管内温度稳定后，将果胶
酶加入相同温度的苹果泥内
↓
恒温保持10 min
↓
比较果汁的澄清度，或过滤果汁，用量筒测量果汁的 量，并记录结果 (3)记录结果 实验温度 果汁量 (mL) (4)实验分析 ①本实验的实验对象是____________，温度为________，属于探究性的定量实验。这类实验的自变量通常是通过设置梯度来确定最适值。第一轮实验设置的梯度差通常较大，缩小范围后，在第二轮实验中可设置较小的梯度差。酶遇高温变性后，很难再恢复活性，不宜再回收利用。
②在混合苹果泥和果胶酶之前，要将苹果泥和果胶酶分装在不同的试管中恒温处理，其目的是
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②通过测定____________内滤出的________________大小来判断果胶酶的活性的原理是：果胶酶将果胶分解为可溶性的半乳糖醛酸，半乳糖醛酸可通过滤纸，因此________________和________________反映了果胶酶催化分解果胶的能力。在不同的温度和pH条件下，果胶酶的活性越高，苹果汁的体积就________，同时果汁也越________。
(2)实验操作流程
30℃ 35℃ 40℃ 45℃ 50℃ 55℃ 60℃ 65℃ 70℃ ____________________________相同，避免苹果泥与果胶酶混合时影响混合物的温度，从而影响果胶酶的活性。
提醒 (1)探究不同温度(或pH)对果胶酶活性的影响，温度(或pH)为自变量，且应严格控制其他无关变量均相同，通过设置合理的温度(或pH)梯度来确定最适值。
(2)在苹果泥和果胶酶混合之前，一定要保证底物和酶先达到相同的条件(温度或pH)，避免混合后条件发生变化，以确保实验结果的准确性。
2．探究pH对酶活性的影响 (1)实验原理
大部分酶的活性受pH的影响，在一定pH下，酶促反应具有最大速度，高于或低于此pH，反应速度都下降，通常称此pH为酶反应的________。
pH对酶活性的影响可用下图表示：
pH 果汁量(mL) 3.探究果胶酶的用量 (1)实验原理
5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 实验中如果随着酶的用量增加，过滤到的果汁的体积也增加，说明酶的____________；当酶的用量增加到某个值后，再增加酶的用量，过滤到的果汁的体积____________，说明酶的用量已经足够，那么，这个值就是酶的____________。
(2)实验流程
①准确称取纯的果胶酶1 mg、2 mg、3 mg、4 mg、5 mg、6 mg、7 mg、8 mg、9 mg，配制成________体积的酶的水溶液，取等量放入9支试管中，依次编号为1～9号。
制取苹果泥并称45 g苹果泥，分装入9支试管中，每支试管中分装5 g，依次编号为1～9号。 ②将上述分别装有果胶酶和苹果泥的试管放入37℃的恒温水浴中平衡内外温度。
③一段时间后将不同浓度的果胶酶分别迅速与各试管的苹果泥混合，然后再放入恒温水浴中。 ④记录反应时间，约20 min。
(2)实验流程及注意问题
①用搅拌器搅拌制取苹果泥，苹果泥来源要________(最好是同一个苹果)。
注意 制取苹果泥时，可先将苹果切成小块放入搅拌器中，加入适量的水后再进行搅拌；如果用橙子做实验，不必去皮。
②将分别装有________和________的试管在恒温水浴中保温。 注意 a．苹果泥的用量和果胶酶的用量比例要适当。 b．恒温水浴的温度可用上一实验测出的最适温度。
③将苹果泥和果胶酶分别加入9组实验用的试管中(pH梯度可设置为5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0)，并快速混合调节pH。
注意 a．在探究不同pH对果胶酶活性的影响时，可以用体积分数为0.1%的NaOH溶液或盐酸调节pH。
b．在用果胶酶处理苹果泥时，为了使果胶酶能够充分地催化反应，应用玻璃棒不时地搅拌反应混合物。
④放进恒温水浴中反应一段时间。
⑤将试管中混合物过滤，并用量筒量取果汁体积，比较果汁多少。 ⑥记录实验结果，确定最适pH。
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⑤过滤后测量果汁体积。
试管 果汁量(mL) (3)结果分析及评价 ①温度和pH在很大程度上对酶的空间结构会产生巨大的影响。
②因有其他无关变量影响，实际用量比理论值稍多。一般为50 mg/L左右，因为用此浓度处理果汁2～4 h后出汁率增加10%后不再增加。当然，不同果汁的使用量有较大差别。
③实验中所用的果胶酶尽量使用其纯酶制剂或不含抑制物的粗酶制剂，以免影响对酶用量的估算。
课题2 探讨加酶洗衣粉的洗涤效果
一、基础知识 1．加酶洗衣粉
(1)概念：是指含有________的洗衣粉。
(2)种类：目前常用的酶制剂有__________、________、________和____________四类。 (3)作用：加酶洗衣粉中的蛋白酶可将________最终水解为________________________；脂肪酶可将________最终水解为________________；淀粉酶可将________最终水解为________，以达到去污的目的。________________能将血渍、奶渍等含有的大分子蛋白质水解成可溶性的________或
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ________________，使污迹容易从衣物上脱落。
2．影响加酶洗衣粉洗涤效果的因素
使用加酶洗衣粉时，影响酶活性的因素有______、________和____________等，为此科学家通过____________生产出了能够________、________、____________和____________的酶，并制成酶制剂，使其与洗衣粉的其他成分________。
提醒 使用加酶洗衣粉时必须注意以下几点：
(1)碱性蛋白酶能使蛋白质水解，因此，蛋白质类纤维(羊毛、蚕丝等)织物就不能用加酶洗衣粉来洗涤，以免使纤维受到破坏；(2)使用加酶洗衣粉时，必须注意洗涤用水的温度。碱性蛋白酶在35～50℃时活性最强，在低温下或70℃以上就会失效；(3)加酶洗衣粉也不宜长期存放，存放时间过长会导致酶活性损失；(4)加酶洗衣粉不宜与三聚磷酸盐共存，否则酶的活性将会丧失；(5)添加了碱性蛋白酶的洗衣粉可以分解人体皮肤表面蛋白质，而使人患过敏性皮炎、湿疹等，因此，应避免与这类洗衣粉长时间地接触。
二、实验设计
1．探究普通洗衣粉和加酶洗衣粉对衣物污渍的洗涤效果 (1)实验分析
探究加酶洗衣粉和普通洗衣粉的洗涤效果的区别时，________________为自变量，要控制其他条件一致，同时普通洗衣粉处理污渍与加酶洗衣粉处理污渍形成________实验；在控制变量时需要将科学实验与生活经验区别开。
(2)实验准备
①带有污染物的实验用布的制取：称取一定量的污染物制成溶液，取等量污染物滴加在大小、质地相同的新布上。
②称取等量的洗衣粉：用天平准确称取等量普通洗衣粉和加酶洗衣粉。 (3)实验过程
①取大烧杯两只，用量筒量取等量水倒入其中。
②将制好的污染布块和洗衣粉(一组为污染布块与普通洗衣粉，一组为污染布块与加酶洗衣粉)分别放入两只烧杯中。
③用玻璃棒同时充分搅拌相同的时间，搅拌可重复进行。 ④经过相同的时间后观察洗涤效果。 2．探究使用加酶洗衣粉时的最适温度 (1)实验分析
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在探究加酶洗衣粉的最适温度时，________是自变量，其他条件一致，不同的实验组之间形成________；变量的范围应考虑____________。
(2)实验步骤
①将等量相同的污染物滴加在相同大小、质地的白棉布上(8块)。
②取8只大烧杯，分别注入500 mL自来水，编号为1、2、3、4、5、6、7、8，温度均控制在37℃。 ③将8只大烧杯中的水温分别调节为20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃；然后分别向各烧杯中加入等量的加酶洗衣粉。
④取制好的污染布块分别放入8只烧杯中，用玻璃棒同时充分搅拌。 ⑤相同的时间后观察洗涤效果。 (3)结果分析
①洗衣粉的洗涤效果可以根据污染物消失的时间或相同时间内白棉布上的污渍的消失情况进行判断。
②在探究加酶洗衣粉使用时的最适温度时，若测出在40℃时洗涤效果比其他条件下好，可设置温度梯度差更小的实验变量，如35℃、36℃、37℃、38℃、39℃、40℃、41℃、42℃、43℃、44℃、45℃，进行重复实验，直至测出具体的最适温度。
3．探究不同种类的加酶洗衣粉的洗涤效果
(1)实验分析：在探究不同种类的加酶洗衣粉的洗涤效果时，自变量是____________________________，污渍应该是____________的，其他条件均一致。
(2)实验步骤
①在相同大小、质地的白棉布(3块)上滴加等量的牛奶。
②取大烧杯3只，分别注入500 mL自来水，编号A、B、C，温度均控制在37℃。
③在A中加入一定量的加入蛋白酶的洗衣粉，在B中加入等量的加入复合酶的洗衣粉，在C中加入等量的加入脂肪酶的洗衣粉。
④取制好的污染布块分别放入3只烧杯中，用玻璃棒同时充分搅拌。 ⑤相同的时间(5 min)后观察洗涤效果。 提醒 (1)该实验设计可有两条思路：
①探究同一种加酶洗衣粉对于不同污渍的洗涤效果。 ②探究多种加酶洗衣粉对同一污渍的洗涤效果。
(2)洗涤效果可在洗涤后比较污物的残留程度(如：已消失、颜色变浅、面积缩小等)，还可以比较达到同样效果所用的时间长短。
(3)该实验的自变量是洗衣粉的种类，要保证其他无关变量相同。
课题3 酵母细胞的固定化
一、固定化酶的应用和固定化细胞技术 1．高果糖浆的生产 (1)高果糖浆的生产原理
①原料：________(由淀粉转化来的)。 ②原理：葡萄糖 果糖。
(2)使用固定化酶技术生产高果糖浆的过程
将葡萄糖异构酶固定在颗粒状的载体上→放入底部有许多小孔的反应柱中(酶颗粒________通过筛板上的小孔，反应液能____________)→葡萄糖溶液从反应柱的上端注入→流经反应柱→与________________接触，转化成________→果糖从反应柱下端流出。
(3)使用固定化酶生产高果糖浆的优点
与一般酶制剂相比，固定化酶既能与________接触，又能与________分离，同时还可以被________利用。
2．固定化细胞技术
(1)概念：利用________或________方法将酶或细胞固定在一定空间内的技术。 (2)常用方法：________、________结合法和物理吸附法。
①________：是指将酶或细胞包裹在多孔的载体中，如将酶包裹在聚丙烯酰胺凝胶等高分子凝胶中，或包裹在醋酸纤维素等半透性高分子膜中(适用于较大的细胞)。
②________结合法：是指将酶分子相互结合，或将其结合到纤维素、琼脂糖、离子交换树脂等载体上的固定方式(适用于酶的固定)。
③________吸附法：是指将酶吸附到固体吸附剂表面的方法。固体吸附剂多为活性炭、多孔玻璃等(适用于酶的固定)。
3．直接使用酶、固定化酶、固定化细胞的比较
酶的种数 常用载体 直接使用酶 一种或几种 固定化酶 一种 高岭土、皂土、硅胶、凝胶 化学结合法固定化、物理吸附法固定化 固定化细胞 一系列酶 明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素、聚丙烯酰胺 包埋法固定化 是否需要营养物质 反应底物 催化反应 否 各种物质(大分子、小分子) 单一或多种 ①对环境条件非否 各种物质(大分子、小分子) 单一 是 小分子物质 一系列 反应物不易与固定后的细胞接触，尤其是大分子物质，反应效率下降 缺点 常敏感，易失活 不利于催化一系列的酶促②难回收，成本高，影响产品质量 催化效率高、低耗能、低污染 ①既能与反应物接触，又能与产物分离②可以反复利用 反应 优点 成本低、操作容易，能产生一系列酶 提醒 (1)固定化细胞使用的都是活细胞，因而为了保证其生长、增殖的需要，应该为其提供一定的营养物质。
(2)固定化细胞由于保证了细胞的完整性，因而酶的环境改变小，所以对酶的活性影响最小。 二、制备固定化酵母细胞技术 1．制备固定化酵母细胞 (1)酵母细胞的________
活化就是让由于缺水而处于休眠状态下的微生物重新恢复正常的生活状态。酵母菌活化需要1 h左右，酵母细胞活化后体积变大。
(2)配制物质的量浓度为0.05 mol/L的________溶液。
(3)配制____________溶液：将0.7 g海藻酸钠放入50 mL小烧杯中，加入10 mL水，用酒精灯小火加热(或者间断加热)，边加热边搅拌，反复几次，直至完全溶化，用蒸馏水定容至10 mL。如果海藻酸钠浓度过高，将很难形成凝胶珠；如果浓度过低，则形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____________混合：将溶化好的海藻酸钠溶液冷却至室温，加入已经活化的酵母细胞，进行充分搅拌，使其混合均匀，再转移至注射器中。冷却的目的是防止高温杀死酵母菌。
(5)________酵母细胞：以恒定的速度缓慢地将注射器中的溶液滴加到配制好的CaCl2溶液中，观察液滴在CaCl2溶液中形成凝胶珠的情形。刚形成的凝胶珠应在CaCl2溶液中浸泡一段时间(约30 min)，以便形成稳定的结构。
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制作方法