專題4酶的研究與應用.ppt

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專題4酶的研究與應用 商南縣鹿城中學朱建國 生物技術實踐 酶是生物催化劑 具有高效 專一和所需反應條件溫和的優(yōu)點 目前 酶已廣泛應用于食品 醫(yī)療 環(huán)保和化工等各個行業(yè) 取得了良好的經(jīng)濟效益 本專題是在必修課的基礎上 通過實驗研究影響酶活性的因素以及酶在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)上的應用 嘗試利用酶活力測定的一般原理和方法 課題1探討酶在食品制造和洗滌等方面的應用課題1 課題2嘗試制備和應用固相化酶課題3通過本專題的學習 學生應該掌握測定酶活力的簡單方法 能夠研究影響酶活性的因素 理解固定化酶和固定化細胞的原理和方法 探討酶在生產(chǎn)生活中的應用 本專題的技術操作難度不高 涉及的主要技術歸納如下 1 制備果泥的技術 2 海藻酸鈉溶液的制備 3 固定化酵母細胞的制備 設備條件完成本專題需要配置果汁攪拌器 水浴鍋 注射器等 課題1果膠酶在果汁生產(chǎn)中的作用 一 課題目標簡述果膠酶的作用 檢測果膠酶的活性 探究溫度和pH對果膠酶活性的影響以及果膠酶的最適用量 搜集有關果膠酶應用的資料 二 課題重點與難點課題重點 溫度和pH對果膠酶活性的影響 課題難點 果膠酶的最適用量 知識要點 1 果膠酶的作用 2 酶的活性的定義 3 影響酶活性的因素 4 果膠酶的用量 在實際的操作過程中 還需要注意下列事項 1 與其他工業(yè)用酶基本相同 果膠酶的適宜溫度范圍也比較寬泛 因此 可以選用10 作為溫度梯度 設置的具體溫度為10 20 30 40 50 和60 等 也可以嘗試以5 作為溫度梯度 2 蘋果 橙子和葡萄等水果都可以作為反應物 水果不用去皮 如用蘋果為原材料 一般可按每個中等大小的蘋果加水100 200mL的比例進行攪拌 獲得稀的蘋果泥 3 果泥的用量可以采用5mL左右 果膠酶的用量可采用質量濃度為2 的果膠酶溶液2mL 4 水浴時間可以為20 30min 5 過濾果汁時 漏斗中應放置濾紙 6 探究pH對果膠酶活性的影響 只須將溫度梯度改成pH梯度 并選定一個適宜的溫度進行水浴加熱 反應液中的pH可以通過體積分數(shù)為0 1 的氫氧化鈉或鹽酸溶液進行調節(jié) 探究果膠酶的用量是建立在探究最適溫度和pH對果膠酶活性影響的基礎之上的 此時 研究的變量是果膠酶的用量 其他因素都應保持不變 實驗時可以配制不同濃度的果膠酶溶液 也可以只配制一種濃度的果膠酶溶液 然后使用不同的體積即可 需要注意的是 反應液的pH必須相同 否則將影響實驗結果的準確性 課題成果評價本課題評價的重點應放在對學生探究報告的評價上 報告的主要內容應該包括 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制出的溫度和pH對果膠酶活性影響的曲線圖 不同果膠酶用量對出汁量影響的曲線圖 在濃度和體積相同的條件下 并最終得到果膠酶最適溫度 pH以及果膠酶的最適用量 答案和提示 1 為什么在混合蘋果泥和果膠酶之前 要將果泥和果膠酶分裝在不同的試管中恒溫處理 提示 將果泥和果膠酶分裝在不同的試管中恒溫處理 可以保證底物和酶在混合時的溫度是相同的 避免了果泥和果膠酶混合時影響混合物的溫度 從而影響果膠酶活性的問題 2 在探究溫度或pH的影響時 是否需要設置對照 如果需要 又應該如何設置 為什么 提示 需要設置對照實驗 不同的溫度梯度之間或不同的pH梯度之間就可以作為對照 這種對照稱為相互對照 3 A同學將哪個因素作為變量 控制哪些因素不變 為什么要作這樣的處理 B同學呢 提示 A同學將溫度或pH作為變量 控制不變的量有蘋果泥的用量 果膠酶的用量 反應的時間和過濾的時間等 只有在實驗中保證一個自變量 實驗結果才能說明問題 B同學對于變量的處理應該與A同學相同 只是觀察因變量的角度不同 4 想一想 為什么能夠通過測定濾出的蘋果汁的體積大小來判斷果膠酶活性的高低 提示 果膠酶將果膠分解為小分子物質 小分子物質可以通過濾紙 因此蘋果汁的體積大小反應了果膠酶的催化分解果膠的能力 在不同的溫度和pH下 果膠酶的活性越大 蘋果汁的體積就越大 5 當探究溫度對果膠酶活性的影響時 哪個因素是變量 哪些因素應該保持不變 提示 溫度是變量 應控制果泥量 果膠酶的濃度和用量 水浴時間和混合物的pH等所有其他條件不變 只有這樣才能保證只有溫度一個變量對果膠酶的活性產(chǎn)生影響 練習大規(guī)模生產(chǎn)與實驗室制備的主要不同點是 1 有兩次瞬間高溫滅菌 2 酶處理的時間相對較長 3 有離心分離步驟和濃縮步驟 課題2探討加酶洗衣粉的洗滌效果 一 課題目標說出加酶洗衣粉的洗滌原理 探討溫度對加酶洗衣粉洗滌的影響 探討不同種類的加酶洗衣粉對同一污物和不同污物洗滌效果的區(qū)別 課題重點與難點課題重點 區(qū)別不同種類的加酶洗衣粉對同一污物和不同污物的洗滌效果 課題難點 實驗過程中各種變量的控制 課題背景分析 本課題探究的是加酶洗衣粉與普通洗衣粉洗滌效果的區(qū)別 以及不同的加酶洗衣粉對不同污漬洗滌效果的區(qū)別 本課題與學生的生活比較接近 因此 具有較強的現(xiàn)實意義 同時 因為探究的結果可用于指導日常生活中衣物的洗滌 所以很容易激發(fā)學生的學習興趣 教師在引導學生開展本課題的研究時 不要只注重基本原理 而忽視了本課題在現(xiàn)實生活中的作用 知識要點 1 蛋白酶 脂肪酶 淀粉酶和纖維素酶的作用 2 影響酶活性的因素 子課題一探究不同溫度對加酶洗衣粉洗滌效果的影響1 變量的分析和控制閱讀課本資料一 資料二 結合已有的生活經(jīng)驗可以知道 影響加酶洗衣粉洗滌效果的因素有水溫 水量 水質 洗衣粉的用量 衣物的質料 大小及浸泡時間和洗滌的時間等 在這些因素中 水溫是我們要研究的對象 而其他因素應在實驗中保持不變 選擇什么樣的水溫進行實驗最符合實際情況呢 這就需要實驗者根據(jù)當?shù)匾荒曛械膶嶋H氣溫變化來確定水溫 這既是確定實驗變量的基本原則 也可以引導學生將課堂學習與現(xiàn)實生活相聯(lián)系 通常情況下 冬季 春季 秋季和夏季可分別選取5 15 25 和35 的水溫 因為這4個水溫是比較符合實際情況的 對現(xiàn)實也有指導意義 教師可以引導學生通過實驗分析 在自然條件下 什么季節(jié)適合使用加酶洗衣粉 在什么樣的水溫下不適合使用加酶洗衣粉 等等 第二個問題是洗滌方式和材料的選擇 在洗滌方式中有機洗和手洗兩種方式 應考慮其中哪一種比較科學 哪一種更有利于控制變量 再有 洗衣機又可以分為半自動和全自動兩種 相比之下 采用全自動洗衣機比較好 并且應該盡量使用同一型號小容量的洗衣機 其機械攪拌作用相同 關于洗滌材料的選擇也有一些講究 用衣物作實驗材料并不理想 這是因為作為實驗材料的衣物 其大小 顏色 潔凈程度等應該完全一致 而這并不容易做到 此外 人為地在衣物上增加污物 如血漬 油漬等 也令人難以接受 因此 選用布料作為實驗材料比較可行 在作對照實驗時 可以控制布料的大小 顏色以及污物的量 使其相同 同時 也便于洗滌效果的比較 第三個問題是水量 水質和洗衣粉用量的問題 水的用量和布料的大小是成正比的 做實驗用的布料不易過大 水量不易過多 但應該讓布料充分浸泡在水中 水量和洗衣粉的用量可以參考表4 1 實驗時可根據(jù)表中的數(shù)據(jù)換算出實際用量 如果在實驗中使用手洗的方法 如課本中圖4 4所示 使用1000mL的燒杯作為容器 可以用500mL的水 洗衣粉的用量可以用1g或1 5g 水量和洗衣粉用量的參考表 洗滌方式機洗手洗水量0 5L0 5L洗衣粉量0 5g1g或1 5g 實驗方案的設計教師應該要求學生寫出完整的實驗方案 方案中應包括實驗材料 方法步驟等各個方面 下面的實驗方案供參考 實驗材料 添加了復合酶的洗衣粉 大小相同的白棉布4塊 在上面分別滴加4滴同種的植物油 放置至干燥 水溫 水質及水量 水溫的溫度梯度為5 15 25 和35 其中5 可以通過冰箱冷藏室來控制 其他溫度可以通過水浴控制 水質為自來水 水量為500mL 實驗儀器 1000mL的燒杯 玻璃棒等 子課題二不同種類的洗衣粉對同一污漬或不同污漬洗滌效果的比較 比較子課題一與子課題二 在子課題一中 水溫是變量 其他因素在實驗中保持不變 而在子課題二中 水溫則應保持不變 在實施子課題二時 通常應采用當?shù)氐某?如果是冬季水溫過低 就應采用水浴的方法 使溫度達到25 35 市場中的洗衣粉有多種類型 應選擇不同種類的加酶洗衣粉和普通洗衣粉 污物的選擇也應該多樣化 只有這樣才具有實踐指導意義 表4 2的選擇供參考 表中的 號表示可以進行實驗 此外 學生也可以針對污漬相同 布料 如化纖或棉布 的不同情況 探究不同種類洗衣粉的洗滌效果 不同種類的洗衣粉對同一污漬或不同污漬洗滌效果的列表比較 污染物蛋白酶洗衣粉復合酶洗衣粉普通洗衣粉油漬 血漬 奶漬 果汁漬 課題成果評價 本課題的評價可以分為三個方面 一是設計的實驗方案是否思路清晰 科學性和操作性強 二是實驗報告是否全面 是否涵蓋了本課題所要求達到的目標 三是能否根據(jù)自己的探究成果 結合生活中的實際情況 設計一份宣傳板報或有關加酶洗衣粉的使用說明材料 供家人或本校的教職員工參考 學生完成課題后 應該得出以下三方面的結論 1 加酶洗衣粉與普通洗衣粉洗滌效果的比較分析 2 各種不同品牌的加酶洗衣粉對油漬 血漬和奶漬等污物的不同的洗滌效果分析 3 使用加酶洗衣粉時應注意的一些事項 答案和提示1 查閱資料 看看普通洗衣粉中包含哪些化學成分 提示 普通洗衣粉中通常包含有 表面活性劑 水軟化劑 堿劑 漂白劑等成分 有的洗衣粉中還含有增白劑 香精和色素 以及填充劑等2 在本課題中你打算使用什么方法和標準判斷洗滌效果 提示 可在洗滌后比較污物的殘留狀況 如已消失 顏色變淺 面積縮小等 最好能進行定量的比較 練習1 答 列表比較如下 普通洗衣粉加酶洗衣粉相同點表面活性劑可以產(chǎn)生泡沫 可以將油脂分子分散開 水軟化劑可以分散污垢 等等 不同點酶可以將大分子有機物分解為小分子有機物 小分子有機物易于溶于水 從而與纖維分開 2 答 不合適 因為絲綢的主要成分是蛋白質 它會被加酶洗衣粉中的蛋白酶分解 損壞衣物 參考資料1 家用洗衣粉的成分及作用表面活性劑表面活性劑是洗衣粉的主要成分 表面活性劑有陰離子 陽離子 非離子和兩性離子等四大類 但用于洗滌的表面活性劑則以陰離子和非離子為主 最普通 最傳統(tǒng)的陰離子表面活性劑就是人類使用了幾百年的肥皂 高級脂肪酸鈉 合成洗滌工業(yè)問世之后 使用最普遍的是十二烷基苯磺酸鈉 非離子表面活性劑應用最廣泛的是聚氧乙烯醚類 水軟化劑水軟化劑可防止水中的鈣 鎂離子造成的陰離子表面活性劑失活 提高表面活性劑利用率 三聚磷酸鈉是最為常用的一種水軟化劑 它具有軟化水質 分散污垢 緩沖堿劑及抗結塊性能等特點 三聚磷酸鈉廣泛應用于各種洗衣粉中 無磷洗衣粉中不含有三聚磷酸鈉 堿劑在適當?shù)膲A度下 纖維和污垢可被最大限度地離子化 更易于污垢的水解和分散 一般洗衣粉配方中都含有純堿和硅酸鈉 其中硅酸鈉還具有使污垢顆粒懸浮 防止再沉積的作用 漂白劑某些洗衣粉中含有過硼酸鈉一類的漂白劑 可以延緩衣物的泛黃程度 但對衣物有一定的損傷 酶洗衣粉中一般添加了蛋白酶 淀粉酶 脂肪酶和纖維素酶等 酶是一種專一性的生物催化劑 蛋白酶可以催化水解肉 蛋和奶漬 淀粉酶可以催化水解醬 粥等污漬 脂肪酶可以催化水解各類動植物油脂和人體皮脂腺分泌物及化妝品污垢 纖維素酶可使織物增艷 新 去除顆粒性污垢 但過量使用 也能損傷棉 麻等天然纖維織物 增白劑絲 棉 毛類等天然纖維的淺色衣物容易變黃 加入增白劑后 它能夠留存在衣物上 吸收陽光中的紫外線 反射出與黃光互補的藍色光線 從而掩蓋了衣物上的黃色 香精和色素改善洗衣粉的氣味和外觀 給人清新愉悅的感受 并掩蓋某些化學成分的異味 2 加酶洗衣粉加酶洗衣粉就是在合成洗衣粉中 加入0 2 0 5 的酶制劑制成的 在洗衣粉中添加的酶的種類很多 如蛋白酶 淀粉酶 脂肪酶和纖維素酶等 我國在洗衣粉中添加的酶最主要的是堿性蛋白酶 這種酶能耐堿性條件 而且耐貯存 對皮膚 衣物沒有刺激和損傷作用 堿性蛋白酶能使蛋白質水解成可溶于水的多肽和氨基酸 衣物上附著的血漬 汗?jié)n 奶漬 醬油漬等污物 都會在堿性蛋白酶的作用下 結構松弛 膨脹解體 稍加搓洗 污跡就會從衣物上脫落 使用加酶洗衣粉時必須注意以下幾點 1 堿性蛋白酶能使蛋白質水解 因此 蛋白質類纖維 羊毛 蠶絲等 織物就不能用加酶洗衣粉來洗滌 以免使纖維受到破壞 2 使用加酶洗衣粉時 必須注意洗滌用水的溫度 堿性蛋白酶在35 50 時活性最強 在低溫下或70 以上就會失效 3 加酶洗衣粉也不宜長期存放 存放時間過長會導致酶活力損失 4 加酶洗衣粉不宜與三聚磷酸鹽共存 否則酶的活性將會喪失 5 添加了堿性蛋白酶的洗衣粉可以分解人體皮膚表面蛋白質 而使人患過敏性皮炎 濕疹等 因此 應避免與這類洗衣粉長時間地接觸 課題3酵母細胞的固定化 一 課題目標1 說出固定化酶和固定化細胞的作用和原理 2 嘗試制備固定化酵母細胞 并利用固定化酵母細胞進行酒精發(fā)酵 二 課題重點與難點1 課題重點 制備固定化酵母細胞 2 課題難點 制備固定化酵母細胞 三 課題背景分析課題背景簡單介紹了從酶到固定化酶 再到固定化細胞的發(fā)展過程 這一過程體現(xiàn)了科學技術的發(fā)展是不斷地提出問題和解決問題的動態(tài)過程 教師在教學中 可以參考課題背景提供的素材 聯(lián)系生產(chǎn)實踐和學生已有的認識 引導學生認同上述觀點 并進而認識到 科學知識既來源于科學實驗 也來源于生產(chǎn)生活實踐 知識的學習應該與生產(chǎn)實踐相聯(lián)系 人們在生產(chǎn)實踐中所發(fā)現(xiàn)的問題能夠促進科學技術的發(fā)展 一 固定化酶的應用實例知識要點 1 利用固定化酶技術生產(chǎn)高果糖漿的實例 2 固定化酶的反應柱示意圖 3 固定化酶在生產(chǎn)實踐中的優(yōu)點 課程標準中要求學生嘗試制備和應用固定化酶 但考慮到制作固定化酶的技術要求比較高 中學生難以掌握 因此只要求學生制作技術難度較低的固定化酵母細胞 對于固定化酶的作用 原理及其在生產(chǎn)中的應用 主要是讓學生通過生產(chǎn)實例來了解 教師在教學時可以采用讓學生閱讀自學的方式 并在閱讀之前 布置一些思考題讓學生思考 例如 在葡萄糖的異構反應中 如果不將葡萄糖異構酶固定化 而是直接使用葡萄糖異構酶 會對生產(chǎn)過程產(chǎn)生哪些影響 二 固定化細胞技術知識要點 1 將酶或細胞固定化的方法 2 固定化酶和固定化細胞的聯(lián)系與區(qū)別 3 固定化酶和固定化細胞常用的載體材料 固定化酶和固定化細胞通常采用包埋法 化學結合法和物理吸附法 教師在教學過程中 可以通過提問的方式 引導學生認識這三種方法的特點與適用范圍 此外 教師還可以引導學生思考課本中提出的問題 引導學生理解固定化細胞和固定化酶這兩種技術的區(qū)別與聯(lián)系 辯證地認識這兩種技術的優(yōu)勢與不足 例如 固定化細胞操作容易 對酶活性的影響更小 可以催化一系列的反應 容易回收等 但由于大分子物質難以自由通過細胞膜 因此固定化細胞的應用也受到限制 在具體的操作過程中 還應該注意下列問題 一 酵母細胞的活化 在缺水的狀態(tài)下 微生物會處于休眠狀態(tài) 活化就是讓處于休眠狀態(tài)的微生物重新恢復正常的生活狀態(tài) 酵母細胞所需要的活化時間較短 一般需要0 5 1h 教師需要提前做好準備 此外 酵母細胞活化時體積會變大 因此活化前應該選擇體積足夠大的容器 以避免酵母細胞的活化液溢出容器外 二 加熱使海藻酸鈉溶化是操作中最重要的一環(huán) 涉及到實驗的成敗 教師一定要提醒學生按照教材的提示進行操作 海藻酸鈉的濃度涉及到固定化細胞的質量 如果海藻酸鈉濃度過高 將很難形成凝膠珠 如果濃度過低 形成的凝膠珠所包埋的酵母細胞的數(shù)目少 影響實驗效果 三 剛形成的凝膠珠應在CaCl2溶液中浸泡一段時間 以便形成穩(wěn)定的結構 檢驗凝膠珠的質量是否合格 可以使用下列方法 一是用鑷子夾起一個凝膠珠放在實驗桌上用手擠壓 如果凝膠珠不容易破裂 沒有液體流出 就表明凝膠珠的制作成功 二是在實驗桌上用力摔打凝膠珠 如果凝膠珠很容易彈起 也能表明制備的凝膠珠是成功的 課題成果評價 一 觀察凝膠珠的顏色和形狀如果制作的凝膠珠顏色過淺 呈白色 說明海藻酸鈉的濃度偏低 固定的酵母細胞數(shù)目較少 如果形成的凝膠珠不是圓形或橢圓形 則說明海藻酸鈉的濃度偏高 制作失敗 需要再作嘗試 二 觀察發(fā)酵的葡萄糖溶液利用固定的酵母細胞發(fā)酵產(chǎn)生酒精 可以看到產(chǎn)生了很多氣泡 同時會聞到酒味 不僅要對學生制作的固定化酵母細胞進行評價 還要對學生的操作過程進行評價 此外 對酵母細胞固定化原理和實驗操作方法的理解 也應是評價的有機組成部分 練習1 答 直接使用酶 固定化酶和固定化細胞催化的優(yōu)缺點如下表所示 類型優(yōu)點不足直接使用酶催化效率高 低耗能 低污染等 對環(huán)境條件非常敏感 容易失活 溶液中的酶很難回收 不能被再次利用 提高了生產(chǎn)成本 反應后酶會混在產(chǎn)物中 可能影響產(chǎn)品質量 固定化酶酶既能與反應物接觸 又能與產(chǎn)物分離 同時 固定在載體上的酶還可以被反復利用 一種酶只能催化一種化學反應 而在生產(chǎn)實踐中 很多產(chǎn)物的形成都通過一系列的酶促反應才能得到的 固定化細胞成本低 操作更容易 固定后的酶或細胞與反應物不容易接近 可能導致反應效果下降等 3 提示 可以從酶的結構的多樣性 對理化條件的敏感程度等角度思 謝謝合作