高中生物考点74 固定化酶和固定化细胞技术-备战2022年高考生物考点一遍过

考点74  固定化酶和固定化细胞技术

高考频度：★★★☆☆     难易程度：★★★☆☆

1．利用固定化酶技术生产高果糖浆的实例

（1）高果糖浆的生产需要葡萄糖异构酶。

（2）葡萄糖异构酶的优点：稳定性好、可以持续发挥作用。 

（3）在生产中直接使用酶的缺点：无法回收，造成浪费。

2．固定化酶的反应

如图为固定化酶的反应柱示意图

使用固定化酶技术，将这种酶（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。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，从反应柱的下端流出。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。

3．固定化细胞技术

（1）概念

讲解固定化细胞技术概念：利用物理或化学方法将细胞固定在一定空间的技术。细胞中含有一系列酶，在细胞正常生命活动的过程中，通过代谢产生所需要的代谢产物。

（2）将酶或细胞固定化的方法

①包埋法：将酶（或细胞）包埋在细微网格里。

②化学结合法：将酶（或细胞）相互连接起来。

③吸附法：将酶（或细胞）吸附在载体表面上。

4．固定化酶和固定化细胞的联系与区别

（1）联系：应用相同，都能催化某些反应。

（2）区别

①固定化细胞技术操作容易，成本低，容易回收；

②固定化细胞技术对酶活性影响更小；

③固定化细胞固定的是一系列酶；

由于大分子难以通过细胞膜，固定化细胞的应用有一定的限制。

（3）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有明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等，其共同的特点是不溶于水的多孔性载体。

5．制备固定化酵母细胞

（1）酵母细胞的活化

活化：让处于休眠状态的微生物重新恢复正常的生活状态。

本质：加快新陈代谢；方法：加入适量的水。

步骤：取1 g干酵母，放入50 mL的小烧杯中，加入蒸馏水10mL，用玻璃棒搅拌，使酵母细胞混合均匀，成糊状，放置1h左右使其活化。

（2）配制物质的量浓度为0.05 mol/L的CaCl2溶液

称取无水CaCl20.83 g，放入200 mL的烧杯中，加入150 mL的蒸馏水，使其充分溶解，待用。

（3）配制海藻酸钠溶液

称取0.7 g海藻酸钠，放入50 mL小烧杯中。加人10 mL水，用酒精灯加热，边加热边搅拌，将海藻酸钠调成糊状，直至完全溶化，用蒸馏水定容至10 mL。注意，加热时要用小火，或者间断加热，反复几次，直到海藻酸钠溶化为止。

（4）海藻酸钠溶液与酵母细胞混合

将溶化好的海藻酸钠溶液冷却至室温，加入已活化的醉母细胞，进行充分搅拌，使其混合均匀，再转移至注射器中。

（5）固定化酵母细胞

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。将这些凝胶珠在CaCl2溶液中浸泡30 min左右。

考向一  固定化酶和固定化细胞

1．下列有关固定化酶和固定化细胞的叙述，错误的是

A．固定化酶可以实现对酶的重复利用
B．溶解氧交换受阻是固定化酶应用的重要限制因素
C．固定化细胞中的酶可催化一系列的化学反应

D．利用海藻酸钠固定酵母细胞的方法是包埋法

【参考答案】B

【试题解析】固定化酶既能与反应物接触，又容易与反应物分离，同时可以重复利用，A正确；溶解氧交换受阻会影响细胞呼吸，是固定化细胞应用的重要限制因素，B错误；固定化细胞能产生一系列的酶并分泌到细胞外，可催化一系列的化学反应，例如固定化酵母细胞可用于酒精发酵，C正确；用海藻酸钠固定酵母细胞的方法属于包埋法，D正确。

解题技巧

2．固定化细胞对酶的活性影响最小，根本原因是

A．酶的提取纯化过程，避免了细胞破碎
B．固酶化细胞在多种酶促反应中连续发挥作用
C．酶促反应结束后，能被吸收和重复利用

D．细胞结构保证了各种酶的细胞内环境，化学反应中能更好的发挥作用

【答案】D

【解析】固定化细胞对酶的影响最小的根本原因是酶在细胞内，受到细胞的保护作用，受外界影响较小，维持相关酶的活性，保证了各种酶在细胞内的化学反应中有效地发挥作用，故D项正确，A、B、C项错误。

考向二  制备固定化酵母细胞

3．下列有关制备固定化酵母细胞的叙述，正确的是

A．5%的海藻酸钠溶液比蒸馏水活化酵母细胞的效果好

B．采用酒精灯小火间断加热使海藻酸钠溶化后还需要注意定容处理

C．将溶化后的海藻酸钠立即与活化的酵母细胞等量混合并充分混匀

D．以恒定的速度将注射器中的溶液滴加到CaCl2溶液中即可获得规则的凝胶珠

【参考答案】B

【试题解析】制备固定化酵母细胞的实验步骤是：酵母细胞的活化→配制CaCl2溶液→配制海藻酸钠溶夜→海藻酸钠溶液与酵母细胞混合→固定化酵母细胞。A、酵母细胞因脱水而休眠，利用蒸馏水活化酵母细胞效果更好，A错误；B、用小火间断加热可防止海藻酸钠溶化时发生焦糊，溶化后要做定容处理，B正确；C、溶化后的海藻酸钠温度过高，应冷却至室温再与活化的酵母细胞等量均匀混合，C错误；D、混合物的浓度、注射器距CaCl2溶液液面的高度、注射速度等均影响凝胶珠的质量，D错误。

易错警示

（1）配制海藻酸钠溶液：小火、间断加热、定容，如果加热太快，海藻酸钠会发生焦糊。

（2）海藻酸钠溶液与酶母细胞混合：冷却后再混合，注意混合均匀，不要进入气泡。

（3）制备固定化酵母细胞：高度适宜，并匀速滴入。

（4）刚溶化的海藻酸钠应冷却后再与酵母菌混合，否则温度过高会导致酵母菌死亡。

4．下面是制备固定化酵母细胞的实验步骤，请回答：

活化酵母细胞→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。

（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______________。

（2）如果海藻酸钠溶液浓度过低，形成的凝胶珠所包埋的酵母细胞数目____________，影响实验效果。

（3）观察形成凝胶珠的颜色和形状，如果颜色过浅，说明_________________；如果形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形，说明______________________________________________。

（4）固定化细胞技术一般采用包埋法，原因是_______________________________。

【答案】（1）缺水   正常的生活   体积会增大

（2）少

（3）海藻酸钠溶液浓度偏低    海藻酸钠溶液浓度偏高，制作失败

（4）细胞个大，不易从包埋材料中漏出

【解析】（1）酵母菌在缺水状态下处于休眠状态。活化加入水使得酵母菌恢复正常的生活状态，酵母细胞活化时体积会增大，故活化前应选择足够大的容器，以避免酵母菌溢出容器外。（2）如果海藻酸钠浓度过低，形成的凝胶珠颜色过浅，所包埋的酵母细胞数目较少。（3）观察形成的凝胶珠的颜色和形状，如果颜色过浅，说明固定化酵母细胞数目较少；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。（4）细胞个大，不易从包埋材料中漏出，所以固定化细胞一般采用包埋法固定。

1．下列说法不正确的是

A．固定化酶和固定化细胞的技术方法包括包埋法、化学结合法和物理吸附法

B．固定化酶更适合采用化学结合法和物理吸附法

C．由于细胞个大，而酶分子很小，因此细胞多采用物理吸附法固定

D．反应物是大分子物质应采用固定化酶

2．固定化酶技术是近几年发展起来的一项应用技术，它很好的解决了酶无法重新利用的问题，大大提高了酶的利用率，下列关于固定化酶技术的说法正确的是

A．固定化酶技术就是固定反应物，将酶围绕反应物旋转的技术

B．固定化酶的最大优势在于能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

3．下列有关固定化酶和固定化细胞的叙述，正确的是

A．固定化酶的应用中，要控制好pH、温度和溶解氧

B．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

C．固定化细胞技术在多步连续催化反应方面优势明显

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

4．下面是制备固定化酵母细胞的步骤，正确的是

A．应使干酵母与自来水混合并搅拌，以利于酵母菌活化

B．配制海藻酸钠溶液时要用小火，或间断加热

C．向刚溶化好的海藻酸钠溶液中加入已活化的酵母细胞，充分搅拌并混合均匀

D．将与酵母细胞混匀的海藻酸钠溶液倒入CaCl2溶液中，会观察到CaCl2溶液中有球形或椭圆形的凝胶

5．褐藻胶裂解酶的固定化在工业上的应用意义深远。图为褐藻胶裂解酶固定化前后对酶活性的影响，下列关于该酶固定化优势的分析错误的是

A．便于回收再利用
B．增强耐热性
C．最佳催化效率提高

D．酶活性的稳定性提高

6．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。相关叙述错误的是

A．溶化的海藻酸钠应待其冷却至室温时与活化的酵母菌混合制备混合液
B．图1中X溶液为CaCl2溶液，其作用是使海藻酸钠形成凝胶珠
C．图2中搅拌可以使培养液与酵母菌充分接触

D．图1中制备的凝胶珠用自来水洗涤后再转移到图2装置中

7．科研人员研究了不同载体（硅胶、活性炭和大孔树脂）和不同pH对固定化蛋白酶分解污水里蛋白质（用氨基酸产生速率来衡量）的影响，其结果如下图所示。下列相关叙述错误的是

A．与水溶性酶相比，固定化蛋白酶处理污水具有可反复利用的优点
B．污水中的蛋白质可为固定化蛋白酶提供营养，保持酶的活性
C．三种载体固定化蛋白酶的最适pH均为5.5左右

D．进行污水净化时应选择活性炭载体的固定化酶

8．固定化酶具有易与反应物产物分离，可反复利用，有利于产物的纯化等优点，因此在生产中得到广泛应用。酶在固定化过程中其活性会受固定的时间和温度影响，如图所示。据此分析错误的是

A．固定化酶更适合采用化学结合法和包埋法
B．固定时间段相对活性较低的原因可能是酶未完全足量地被固定
C．固定温度为50 ℃时，相对活性低的原因可能是高温使酶变性失活

D．酶的最佳固定条件为固定时间3 h左右，温度45 ℃左右

9．固定化酶是从20世纪60年代迅速发展起来的一种技术。东北农业大学科研人员利用双重固定法，即采用戊二醛作交联剂(使酶相互连接)，海藻酸钠作为包埋剂来固定小麦酯酶，研究固定化酶的性质，并对其最佳固定条件进行了探究。下图显示的是部分研究结果(注：酶活力为固定化酶催化化学反应的总效率，包括酶活性和酶的数量)，分析回答：

（1）从对温度变化适应性和应用范围的角度分析，甲图所示结果可以得出的结论是____________________________________________________________。

（2）乙图曲线表明浓度为________的海藻酸钠包埋效果最好，当海藻酸钠浓度较低时，酶活力较低的原因是________________________________。

（3）固定化酶的活力随使用次数的增多而下降，由丙图可知，固定化酯酶一般可重复使用________次，之后酶活力明显下降。

（4）固定小麦酯酶不采用海藻酸钠直接包埋，同时用戊二醛作交联剂，这是因为__________________。

10．为了探究啤酒酵母固定化的最佳条件，科研人员研究了氯化钙浓度对固定化酵母发酵性能的影响，结果如图。请据图回答：

（1）与利用游离酵母生产啤酒相比，利用固定化酵母的优点有____。

（2）本实验结果表明，随氯化钙浓度增大，凝胶珠机械强度增大，完整率___。

（3）结合发酵性能分析，制备凝胶珠适宜的氯化钙浓度为____。当氯化钙浓度过高时，发酵液中的糖度升高，酒精度下降，发酵受到影响，原因是____。

（4）用海藻酸钠作载体包埋酵母细胞，溶解海藻酸钠时最好采用______的方法，以防发生焦糊。溶化好的海藻酸钠溶液应____后，再与已活化的酵母细胞充分混合。若海藻酸钠浓度过低，会导致____，固定效果大大降低。

11．（2018·江苏卷）下列关于酵母细胞固定化实验的叙述，正确的是

A．用温水使海藻酸钠迅速溶解，待其冷却到室温后用于包埋细胞

B．进行包埋时，用于悬浮细胞的CaCl2溶液浓度要适宜

C．注射器（或滴管）出口应尽量贴近液面以保证凝胶珠成为球状

D．包埋酵母细胞的凝胶珠为淡黄色半透明状，并具有一定的弹性

12．（2017·江苏卷）下列关于“酵母细胞的固定化技术”实验的叙述，正确的是

A．活化酵母时，将适量干酵母与蒸馏水混合并搅拌成糊状

B．配制CaCl2 溶液时，需要边小火加热边搅拌

C．将海藻酸钠溶液滴加到CaCl2溶液时，凝胶珠成形后应即刻取出

D．海藻酸钠溶液浓度过高时凝胶珠呈白色，过低时凝胶珠易呈蝌蚪状

13．（2016·江苏卷）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试验，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，移去凝胶球，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          的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                                                  。

1．【答案】C

【解析】A、固定化酶和固定化细胞的技术方法包括包埋法、化学结合法和物理吸附法，A正确；B、酶分子小，固定化酶更适合采用化学结合法和物理吸附法，B正确；C、由于细胞个大，而酶分子很小，因此细胞多采用包埋法固定，酶适合于化学结合和物理吸附固定，C错误；D、反应物如果是大分子物质，应采用固定化酶技术，D正确。

2．【答案】D

【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，A错误，D正确；固定化酶只能催化一种或一类化学反应，其最大优势在于：酶既能与反应物接触，又能与产物分离，还可以被重复利用，B、C错误。

3．【答案】C

【解析】A、固定化酶的应用中，要控制pH、温度，但酶的活性与溶解氧无关，A错误；B、利用固定化酶降解水体中的有机磷农药，是酶促反应，没有生物参与，所以不需提供营养条件，B错误；C、固定化细胞技术固定的是一系列酶，所以在多步连续催化反应方面优势明显，C正确；D、利用固定化酵母细胞进行发酵时，糖类除了作为反应底物外，还为酵母菌提供碳源，D错误。

4．【答案】B

【解析】A、由于在缺水状态下，酵母菌处于休眠状态，为了加速酵母细胞的活化，将干酵母与蒸馏水混合后，用玻璃棒充分搅拌以利于酵母菌活化，自来水中含有多种微生物，故不能用自来水活化，A错误；B、为避免海藻酸钠发生焦糊，溶化时要用小火或间断加热，B正确；C、将刚溶化好的海藻酸钠冷却至室温后，与已活化的酵母细胞混合，否则有可能会杀死酵母细胞，C错误；D、应将与酵母细胞混匀的海藻酸钠用注射器缓慢滴加到CaCl2溶液中，而不是注入，D错误。

5．【答案】C

【解析】固定化酶是指用物理学或化学的方法将酶与固相载体结合在一起形成的仍具有酶活性的酶复合物，在催化反应中，它以固相状态作用于底物，反应完成后，容易与水溶性反应物和产物分离，可被反复使用，便于回收再利用，A正确；对比分析两条曲线可知：与游离酶相比，该固定化酶的耐热性增强，酶活性的稳定性提高，B、D正确；该固定化酶的相对活性的最大值低于游离酶，说明该固定化酶的最佳催化效率略有降低，C错误。

6．【答案】D

【解析】刚溶化的海藻酸钠要冷却至室温，才能与活化的酵母细胞混合制备混合液，以免高温使酵母细胞失活，A正确；加入CaCl2溶液进行固定化酵母细胞，CaCl2的作用是使海藻酸钠形成凝胶珠，B正确；发酵过程中搅拌的目的是使培养液与酵母细胞充分接触，以利于发酵过程的顺利进行，C正确；制备的凝胶珠用蒸馏水洗涤，去除残留的CaCl2后再转移到图2装置中进行发酵，D错误。

7．【答案】B

【解析】固定化酶易与反应物分离，可多次重复利用，A正确；固定化酶不需要提供营养，B错误；图中三条曲线的波峰所对应的pH均为5.5左右，C正确；活性炭固定的蛋白酶催化效率最高，因此进行污水净化时应选择活性炭载体的固定化酶，D正确。

8．【答案】A

【解析】一般来说，固定化酶更适合采用化学结合法和物理吸附法，而固定化细胞多采用包埋法，A项错误；若固定时间短，酶未完全足量地被固定，则可导致酶的相对活性较低，B项正确；高温会破坏酶的空间结构而导致酶变性失活，C项正确；曲线图显示：固定时间3 h左右和固定温度45 ℃左右时，酶的相对活性最大，所以此条件为酶的最佳固定条件，D项正确。

9．【答案】（1）固定化酶比游离酶对温度变化适应性更强且应用范围较广

（2）3%     海藻酸钠浓度较低时包埋不紧密，酶分子容易漏出，数量不足

（3）3

（4）直接包埋不紧密，酶分子容易漏出

【解析】由图甲可知，当温度变化时，游离酶的酶活力比固定化酶变化明显；分析图乙，当海藻酸钠浓度较低时，凝胶的孔径较大，固定化酶容易流失，所以酶活较低，最适的海藻酸钠浓度为3%。由图丙可知，当使用次数多于3次时，酶活力显著下降。（1）通过分析甲图可知，固定化酶与游离酶相比，对温度变化的适应性更强且应用范围较广。（2）乙图曲线表明浓度为3%的海藻酸钠包埋效果最好，此时酶活力最高。当海藻酸钠浓度较低时包埋不紧密，酶分子容易漏出，数量不足，因此酶活力较低。（3）由丙图可知，固定化酶的活力随使用次数的增多而下降，且在使用3次以后，酶活力显著下降。（4）因为小麦酯酶分子很小，很容易从包埋材料中漏出，因此固定小麦酯酶不采用海藻酸钠直接包埋，而是采用双重固定法。

10．【答案】（1）可多次使用、便于产物分离、提高产品质量等   

（2）增加   

（3）2.0mol/L    凝胶珠机械强度过大，通透性降低，影响糖进入颗粒内部   

（4）小火间断加热    冷却至室温    酵母细胞从颗粒中漏出   

【解析】将酶固定在不溶于水的载体上，使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。海藻酸钠在水中溶解的速度较慢，需要通过加热促进其溶解。溶解海藻酸钠，最好采用小火间断加热的方法。如果加热太快，海藻酸钠会发生焦糊。（1）据分析可知，与利用游离酵母生产啤酒相比，利用固定化酵母的优点有：可多次使用、便于产物分离、提高产品质量等。（2）据图分析可知，本实验结果表明，随氯化钙浓度增大，凝胶珠机械强度增大，完整率增加。（3）据图分析可知，结合发酵性能分析，制备凝胶珠适宜的氯化钙浓度为2.0mol/L。当氯化钙浓度过高时，发酵液中的糖度升高，酒精度下降，发酵受到影响，原因是凝胶珠机械强度过大，通透性降低，影响糖进入颗粒内部。（4）据分析可知，用海藻酸钠作载体包埋酵母细胞，溶解海藻酸钠时最好采用小火间断加热的方法，以防发生焦糊。溶化好的海藻酸钠溶液应冷却至室温后，再与已活化的酵母细胞充分混合。若海藻酸钠浓度过低，会导致酵母细胞从颗粒中漏出，固定效果大大降低。

11．【答案】D

【解析】在酵母细胞固定化实验中，应该用小火、间断加热的方式使海藻酸钠缓慢溶解，A错误；将混合液用注射器缓慢滴加到CaCl2溶液进行固定化酵母细胞，CaCl2的作用是使海藻酸钠形成凝胶珠，B错误；注射器（或滴管）出口应与液面保持适当的距离，以保证凝胶珠成为球状，C错误；包埋酵母细胞的凝胶珠为淡黄色半透明状，并具有一定的弹性，D正确。

12．【答案】A

【解析】活化酵母时，将适量干酵母与蒸馏水混合，并搅拌成糊状，A正确；配制CaCl2溶液时，不需进行加热，B错误；CaCl2溶液使酵母细胞可以形成稳定的结构，固定在凝胶珠中，需要一段时间，时间不宜过短或过长，C错误；海藻酸钠溶液浓度过低时凝胶珠呈白色，过高时凝胶珠易呈蝌蚪状，D错误。

13．【答案】（1）包埋绿球藻（包埋剂）  与海藻酸钠反应形成形成凝胶球（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）凝胶球吸附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

【解析】（1）海藻酸钠溶液在CaCl2溶液中形成凝胶球，包埋绿球藻。（2）可采用生理盐水洗去凝胶球上残余的CaCl2和其他污染物，并保持绿球藻活性。溶液呈绿色，说明固定化的绿球藻数量少，原因是海藻酸钠浓度过低（凝胶球孔径过大）。（3）根据图1可知，浓度为2.0%的海藻酸钠制备的凝胶球最有利于绿球藻的增殖。（4）空白凝胶球容易吸附Zn2+，导致溶液中Zn2+浓度下降；根据图1和图2分析，固定化藻的实验组24~48 h间绿球藻数量增加最快，导致Zn2+浓度下降速度较快，72~96 h间绿球藻数量基本不再增加。