专题29 酶的应用(选修1)学生版

专题29 酶的应用

一、果汁中的果胶和果胶酶

1、果胶

（1）果胶的功能：果胶是植物       以及       的主要成分。起着将植物细胞粘合在一起的作用，去掉果胶，就会使植物组织变得松散。

（2）果胶的组成：果胶是由             和              组成的高分子化合物，不溶于   。

（3）果胶的特性：果胶不溶于         ，这是鉴别果胶的一种简易方法。

（4）应用：                  的果实中果胶含量最多，煮沸的山楂泥可制成山楂糕。

2、果胶酶

（1）果胶酶的化学本质：果胶酶是分解果胶的一类酶的总称，主要包括                    等，它的化学本质是       。

（2）作用：在果汁加工中，果胶不仅会影响出汁率，还会使果汁浑浊。          可水解果胶，瓦解植物的细胞壁和胞间层，使榨取果汁更容易，而果胶分解成可容性的               和                 ，也使得浑浊的果汁变得澄清。

（3）来源：一些微生物，如        、         等都可用于生产果胶酶。(植物、霉菌、酵母菌和细菌等)

（4）作用场所：在细胞外

（5）果胶酶的作用条件：最适pH：         ；最适温度：             。

果胶与纤维素的比较

二、探究利用苹果或山楂匀浆制作果汁的最佳条件的实验

1、探究利用苹果或山楂匀浆制作果汁的最佳条件的实验

（1）实验原理

①果胶半乳糖醛酸+半乳糖醛酸甲酯

②果胶酶的活性受温度(或PH)的影响，处于最适温度(或PH)时活性最高。果肉的出汁率、果汁的澄清度与果胶酶的活性大小成正比。

③果胶不溶于乙醇，也不溶于水。

（2）实验流程

（3）实验结论：果胶酶能分解果胶，提高果汁的澄清度。

2、影响果汁产量的物质及处理方法

（1）影响果汁产量的物质：纤维素和果胶的存在使制作果汁时出现两个问题：一是果肉的出汁率低，耗时长；二是榨取的果汁浑浊、黏度高、容易发生沉淀。

（2）处理方法：酶解法(用果胶酶催化果胶水解为可容性半乳糖醛酸和半乳糖醛酸甲酯)。

（3）实验时可以配制不同浓度的果胶酶溶液，也可以只配制一种浓度的果胶酶溶液，然后使用不同的体积即可。需要注意的是，反应液的pH必须相同，否则将影响实验结果的准确性。

补充探究实验

1、探究温度对果胶酶活性的影响

（1）实验原理

果胶酶的活性受温度影响。处于最适温度时，活性最高。果汁的出汁率、果汁的澄清度与果胶酶的活性大小成正比。

（2）探究过程

注意：①果胶酶的适宜温度比较宽泛，因此，可以选用10℃作为温度梯度，设置的具体温度为10℃、20℃、30℃、40℃、50℃和60℃等，也可以尝试以5℃作为温度梯度。

②苹果、橙子和葡萄等水果都可以作为反应物，水果不用去皮。如选用苹果为原材料，一般可按每个中等大小的苹果加水100～200mL的比例进行搅拌，获得稀的苹果泥。

③果泥的用量可以采用5mL左右，果胶酶的用量可采用质量浓度为2%的果胶酶溶液2mL。

④水浴时间可以为20～30min。

⑤过滤果汁时，漏斗为应放置滤纸。

例：工业生产果汁时，常常利用果胶酶破除果肉细胞壁以提高水果的出汁率，为研究温度对果胶酶活性的影响，某同学设计了如下实验：

Ⅰ．将果胶酶与苹果泥分装于不同试管，在10 ℃水浴中恒温处理10 min（如图甲）。

Ⅱ．将步骤Ⅰ处理后的果胶酶和苹果泥混合，再次在10 ℃水浴中恒温处理10 min（如图乙）。

Ⅲ．将步骤Ⅱ处理后的混合物过滤，收集滤液，测量果汁量（如图丙）。

Ⅳ．在不同温度条件下重复以上实验步骤，并记录果汁量，结果如下表：

根据上述实验，请分析回答下列问题。

（1）果胶酶能破除细胞壁，是因为果胶酶可以分解细胞壁中的果胶，产物是______________。

（2）实验结果表明，当温度为________左右时，果汁量最多，此时果胶酶的活性________。本实验是否设置了对照实验_____________（“是”或“否”）

（3）为什么该实验能够通过测定滤出的苹果汁的体积大小来判断果胶酶活性的高低？

                                                                                          。

2、探究pH对果胶酶活性的影响

（1）实验原理：大部分酶的活性受环境pH的影响。在一定的pH下，酶反应具有最大的速率，高于或低于此值，反应速率均下降，通常称此pH为酶反应的最适pH。

（2）实验操作流程

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溶液和盐酸进行调节pH。原因：0.1%的NaOH溶液和盐酸浓度较小，可以对pH进行微调；Na+、Cl-不参与酶的催化反应。水浴加热时要选定一个适宜的温度进行水浴加热。

3、探究果胶酶的用量对酶活性的影响

（1）实验原理：在一定的条件下，随着酶浓度的增加，果汁的体积增加；但酶浓度达到某一数值后，再增加酶的用量，果汁的体积不再改变，此值既是酶的最适用量。

（2）实验过程

实验结果分析及注意事项

（1）实验结果分析

①根据实验数据绘制出温度和pH对果胶酶活力(用酶促反应速度表示)影响的曲线图(如图a、b)、不同果胶酶用量对出汁率影响的曲线图(在浓度和体积相同的条件下，如图c)，并最终得到果胶酶最适温度、pH以及酶的最适用量。

②由于初次实验的梯度变量选择目的性不强，选择的范围有可能出现过高或过低的情况，这可以从画出的曲线中反映出来，如图所示，实验中可以根据出现的曲线进一步选择合适的梯度变量。

（2）注意事项

①苹果泥和果胶酶的用量及比例要适当。

②恒温水浴的温度可用上一实验测出的最适温度。

③在用果胶酶处理苹果泥时，为了使果胶酶能够充分催化反应，应用玻璃棒不时地搅拌反应化合物，但不宜剧烈搅拌。

三、固定化酶与α-淀粉酶的固定化

（一）固定化酶

（1）固定化酶：将水容性的酶用           方法固定在某种介质上，使之成为                的制剂。

（2）将酶改造成固定化酶的原因：由于酶在水溶液中很不稳定，且不利于工业化使用，所以要将酶改造成固定化酶。

（3）酶固定化方法：       、           、        和       等。

（4）固定化酶作用的机理：将固定化酶装柱，当底物经过该柱时，在酶的作用下转变为产物。

（二）常见固定化方法及其优缺点

固定化酶技术的优点：

（1）固定在载体上的酶可以被反复利用。

（2）生产中，可通过离心法或过滤法把酶与反应液相互放开，在大规模的生产中所需工艺设备比较简单。

（3）稳定性好。

知识拓展：

1、影响酶在载体(吸附剂)上吸附程度的因素：

①pH：影响载体和酶的电荷变化，从而影响酶吸附。

②离子强度：多方面的影响，一般认为盐阻止吸附。

③蛋白质浓度：若吸附剂的量固定，随蛋白质浓度增加，吸附量也增加，直至饱和。

④温度：蛋白质往往随温度上升而减少吸附。

⑤吸附速度：蛋白质在固体载体上的吸附速度要比小分子慢得多。

⑥载体：对于非多孔性载体，则颗粒越小吸附力越强。多孔性载体，要考虑吸附对象的大小和总吸附面积的大小。

2、固定化酶的性质

天然酶制成水不溶性酶后，酶的性质必然有所改变，这些变化包括：

（1）稳定性增加：稳定性增加包括酶对热的稳定性、对蛋白酶的抵抗能力、对各种试剂的稳定性都有不同程度的增加。由于稳定性增加，保存期也相应延长。

（2）pH活性曲线和最适pH的变化：由于固定化后酶蛋白电荷状态变化和受载体表面电荷的影响，使得对底物作用的pH活性曲线和最适pH都将发生变化，最适pH可能向酸性或碱性方向移动，不同酶与pH有关变化需要通过实验进行确定。

（3）底物专一性：固定化酶底物专一性也有较大的变化，如蛋白酶固相酶对酪蛋白等大分子底物的催化活性降低，但对小分子底物的催化活性与天然酶差别不大。这可能是酶被固定化后引起空间障碍，大分子底物很难正确地与酶结合，不易吸附到固相酶表面而引起的。

（三）淀粉水解的过程及其在淀粉指示剂下的颜色反应

（1）实验原理

本实验内容是用吸附法将α-淀粉酶固定在石英砂上，一定浓度的淀粉溶液经过固定化酶柱后，可使淀粉水解成糊精。用淀粉指示剂溶液测试，流出物呈红色，表明水解产物糊精生成。本实验使用的是枯草杆菌的α-淀粉酶，其作用的最适PH为          ，最适温度为           。

（2）实验材料准备

①α-淀粉酶的固定化

②可溶性淀粉溶液：取50mg可溶性淀粉溶于100mL热水中，搅拌均匀。

③5mol/L KI－I2溶液：称取0.127g I2和0.83g KI，加蒸馏水100mL，完全溶解后装入滴瓶中。

（3）实验步骤

固定α-淀粉酶→滴管滴加淀粉溶液→加KI-I2溶液→观察→洗涤→几天后重复实验。

①将灌注了         的注射器放在注射器架上，用滴管加淀粉溶液使淀粉溶液以         的流速过柱，在流出5mL后接收0.5mL流出液，加入1-2滴       溶液，观察颜色。用          后再观察颜色。

②实验后，以10倍柱体积的蒸馏水洗涤此柱，放置在4℃冰箱中，几天后再重复上述实验，观察结果。

注意：①在固定α-淀粉酶后，用10倍柱体积的蒸馏水洗涤固定化酶柱以除去未吸附的游离淀粉酶。

②实验结束后，用10倍柱体积的蒸馏水洗涤固定化酶柱是为了洗去残留的淀粉溶液和产物。

[诊断与思考]

1.果胶酶是一种酶，借助酶的专一性水解果胶。（     ）

2.酶的提取一般在低温、低pH下进行。（     ）

3.果胶不溶于乙醇，这是鉴别果胶的一种简易方法。（     ）

4.通过测定滤出的苹果汁的体积大小无法来判断果胶酶活性的高低。（     ）

5.人们可以使用果胶酶、纤维素酶等解决制作果汁面临的出汁率低、浑浊等问题。（     ）

6.酶在催化时会发生变化，不可反复利用。（     ）

7.固定化酶技术所用的固定载体一般为液相的。（     ）

8.反应物对固定化酶的活性没有影响。（     ）

9.固定化酶既能与反应物接触，又能与反应物分离，提高产物品质。（     ）

10.一种固定化酶一般情况下不能催化一系列酶促反应。（     ）

11.只能利用物理学的方法进行酶的固定。（     ）

12.在果汁生产过程中，加入果胶酶和纤维素酶，可彻底水解细胞壁。（     ）

13.柱子底端分布着许多小孔的筛板属于半透膜。（     ）

1．酶在大规模产业应用中的核心问题是固定化技术，而酶固定化所依据的基本原理在于酶具有（    ）

A.热稳定性   B.催化高效性  C.催化特异性  D.可反复使用性

2．下列关于果胶酶的说法，错误的是（    ）

A.果胶酶可以分解细胞壁的主要成分果胶

B.果胶酶是由半乳糖醛酸聚合而成的一种高分子化合物

C.果胶酶不是特指某种酶，而是分解果胶的一类酶的总称

D.果胶酶的活性受温度、pH、酶活性抑制剂的影响

3．下列不属于酶的固定方式的是（    ）

A.将酶包埋在细微网格中       B.将酶相互连结起来

C.将酶吸附在载体表面         D.给酶加上糖衣做成胶囊

4．利用紫甘薯制酒可提高其附加值。请回答：

（1）为提高紫甘薯的利用率，工厂化生产时，可加入果胶酶和淀粉酶，其中果胶酶可来自              等微生物。由于酶在水溶液中不稳定，因此常将酶固定在某种介质上制成           。

（2）果胶酶可将紫甘薯匀浆中的果胶水解成         

A.半乳糖醛酸和葡萄糖           B.半乳糖和果糖   

C.半乳糖醛酸甲酯和果糖        D.半乳糖醛酸和半乳糖醛酸甲酯

（3）紫甘薯匀浆流经α-淀粉酶柱后，取适量流出的液体，经脱色后加入KI-I2溶液，结果液体呈红色。表明该液体中含有        

A.淀粉         B.糊精        C.麦芽糖        D.葡萄糖

（4）要发酵前，为使酵母菌迅速发生作用，取适量的干酵母，加入温水和        。一段时间后，酵母悬液中会出现气泡，该气泡内的气体主要是          。将酵母菌接种到待发酵液后，随发酵的进行，酵母菌在         条件下产生了酒精和二氧化碳。

（5）下图表示发酵液pH对酒精浓度的影响。据图判断，最佳pH值是        。

5．下面是关于固定化酶和细菌培养实验的问题。请回答：

（1）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。

将吸附了α-淀粉酶的石英砂装入柱中后，需用蒸馏水充分洗涤固定化酶柱，以除去　　　　　   　　 。按上表分组，将配制好的淀粉溶液加入到固定化酶柱中，然后取一定量的流出液进行KI-I2 检测。若流出液呈红色，表明有 　　　生成；若各组呈现的颜色有显著差异，则流出液中淀粉水解产物浓度最高的是 　　组。

（2）下列关于上述固定化酶实验的叙述错误的是 　　　 。

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

（3）现有一份污水样品，某兴趣小组欲检测其中的细菌数，进行以下实验。将一定量的污水样品进行浓度梯度稀释。取适量不同稀释度的稀释液，用           法分别接种于固体平面培养基上，经培养后进行计数。该实验应注意，接种前，从盛有           的容器中将玻璃刮刀取出，放在酒精灯火焰上灼烧，冷却后待用；分组时，需用                     作为对照。

（4）在上述细菌培养实验中进行计数时应计数的是接种了 　　　。

A. 各个稀释度样品的培养基上的细菌数    B. 合理稀释度样品的培养基上的细菌数

C. 各个稀释度样品的培养基上的菌落数    D. 合理稀释度样品的培养基上的菌落数

6．果胶酶是催化果胶分解的一类酶，在果汁和果酒加工、造纸业中的生物制浆、医药及纺织工业等方面得到广泛应用，是世界四大酶制剂之一。目前果胶酶的需求量较大，但多为一次性使用，为了提高果胶酶的利用率，科学家进行了固定化果胶酶的相关研究。

（1）果胶酶的固定化：取磁性壳聚糖微球固体颗粒，加入果胶酶溶液，30℃条件下震荡1h，装入图所示的反应柱中，用蒸馏水洗去                            ，放置在4℃冰箱中保存。上述固定化果胶酶的方法属于         。
A．包埋法     B．吸附法      C．共价偶联法      D．交联法

（2）果胶酶活力测定方法：以1g果胶酶单位时间内催化产生的主要产物              的量计算酶的活力。已知3，5-二硝基水杨酸与果胶水解的主要产物共热能产生棕红色的氨基化合物，在一定范围内，产物的量和反应液颜色深浅成正比，可用         法测定产物的量。此方法需要制作标准曲线，如图所示，其中纵坐标一般为                  。

（3）下图是固定化果胶酶的部分研究结果，据图可知，用上述方法制备的固定化果胶酶与游离酶相比最适温度          （升高/降低），最适pH        （升高/降低）。

（4）在果汁生产中使用固定化果胶酶具有很多优点，以下说法中不属于其优点的是       。

A．固定化果胶酶可以重复回收，多次利用

B．固定化果胶酶可以提高酶的稳定性和果汁的质量

C．便于果汁加工工艺操作的连续化、自动化

D．用于处理溃碎果实，可以提高出汁率，促进澄清

直接使用酶、固定化酶、固定化细胞的特点比较

①固定化细胞使用的都是活细胞，因而为了保证其生活的需要，应该为其提供一定的营养物质。

②固定化细胞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小，酶的活性也就更稳定。

蒸馏水：①溶解、定容：防止离子影响，不用自来水；②冲洗：除去凝胶珠表面多余的CaCl2溶液。

CaCl2：使电荷相互吸引，形成更大的胶体颗粒，用于海藻酸钠的聚沉。

溶解海藻酸钠：①小火间断加热，防止焦糊，冷却后加入酵母菌。②浓度适中：过高，很难形成凝胶珠；过低，凝胶珠包埋酵母菌少，影响实验效果。③对照组：利用海藻酸钠制成不含酵母菌的凝胶珠作为对照组。

无菌操作：在制备固定化酵母细胞的过程要求严格无菌操作，防止微生物污染。