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1、第3章 生物科学与工业 第2节 酶在工业生产中的应用核心解读1.直接使用酶、固定化酶和固定化细胞催化优缺点的比较类型优点不足直接使用酶催化效率高，低耗能，低污染等对环境条件非常敏感，容易失活；溶液中酶很难回收，不能被再次利用，反应后酶会混合在产物中，可能影响产品质量固定化酶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一种酶只能催化一种化学反应，而在生产实践中，很多产物的形成都是通过一系列的酶促反应才能得到的固定化细胞成本低，操作更容易固定后的酶或细胞与反应物不容易接近，可能导致反应效果下降等2.酶催化反应的优缺点酶催化反应的优点主要表现在以下几个方面。（1）酶催化
2、的反应类型十分广泛。六大酶类催化的反应基本上涵盖了各种化学反应类型，因此，酶具有极其广泛的应用范围。（2）酶催化的反应具有极高的选择性，包括对底物的种类，底物中的区域、位点和立体的选择性，因此，一种酶只能够催化一种底物或一类底物的一种反应，酶反应可以在一个十分复杂的系统内进行特定的反应，而且几乎没有副反应，反应的转化率和产率高。这在临床检验、化学分析和特定产品的生产上要比化学方法具有更大的优势。（3）酶催化的反应速度高。酶催化的反应速度大约比化学催化剂催化的反应速度高1010倍，因此，酶催化的反应时间短，设备利用率高，生产效率高。（4）酶催化的反应条件温和，一般是在常温、常压、近乎中性pH条件
3、下反应，因此，能耗低，设备要求低，使用时间长，反应成本和操作成本低。即使近期开发出来的极端酶类，如高温酶和嗜酸碱酶等，催化反应的条件也远比化学催化剂催化的反应条件低得多：最高温度在100 左右，最适pH为211，不必在强酸、强碱条件下进行。酶催化反应的缺点主要有以下几个方面。（1）大多数酶是蛋白质，在不适宜的条件下容易发生变性、失活，因此，在使用和保存酶时要十分小心，要尽可能保持适宜的条件。为了维持酶的稳定和催化效率，在酶催化反应和保存时要使用缓冲液系统；一般的酶不能够耐受高温，可以在低温下保存，但是也有的酶在低温下也会失活，甚至于更不稳定。有些酶对金属离子十分敏感，为保持这些酶的稳定性和催化
4、反应的活性，还需要一些特定的金属离子；大多数酶对有机溶剂比较敏感，在这些有机溶剂中易失活。因此，必须根据具体的酶的性质采取相应的措施。由于酶对温度、pH和有机溶剂敏感，稳定性差，使之在某些应用上受到限制。（2）绝大多数酶溶于水，催化反应结束后，多数酶还有活性，因而直接从反应液中将酶与产物分离回收十分困难。为了不让酶污染产物，往往通过加热或其他方法使酶变性失活，从反应系统中除去。这样，花了很大力气生产的酶只使用了一次，就不得不使其变性失活，这是很大的浪费。当然，现在发展的酶的固定化技术，可以提高酶的稳定性，还可以解决酶催化反应后，从反应体系中分离重复使用的问题。（3）有些酶，如氧化还原酶、转移酶
5、、某些裂解酶，在催化相应反应时，需要特殊的辅助因子，如NAD+、NADH、NADP+、NADPH、FAD、FMA、ATP，以及金属离子等。因此，在酶催化反应时，需在反应系统中添加相关的辅助因子。而这些辅酶参加反应后，如果没有辅酶再生系统使之再生，一旦辅酶完全被消耗，酶反应就会停止；辅酶一般十分昂贵，在酶催化的反应中不可能大量使用。为解决这个问题，人们可以采用两种办法：一是使用含有酶的微生物细胞，通过提供适当的辅酶再生的底物，如葡萄糖，利用细胞的辅酶再生系统，使辅酶再生循环使用；另一种办法是建立辅酶再生的酶反应系统与主要的酶反应耦联，使辅酶可以再生循环使用。3.酶制剂的主要品种有哪些？酶制剂有多
6、种。从形态上分，有固体酶制剂和液体酶制剂，例如，在制糖工业和发酵工业上，经常使用的、用于制备葡萄糖的葡萄糖淀粉酶，就有固体和液体两种。固体酶制剂体积小，容易运输、保存，比较稳定，所以大多数酶制剂以固体形式生产、销售。固体酶制剂的主要缺点是杂质含量高，酶活性较低，生产过程中需要沉淀和干燥，酶活性损失较大。液体酶制剂是继固体酶制剂之后发展的剂型，相对于固体酶制剂，它的生产比较简单，成本较低，使用方便。液体酶制剂的生产关键是要解决酶制剂的稳定性问题，为此，液体酶制剂中大多需要加入适当的稳定剂和保护剂。另外，液体酶制剂的运输和保存也较固体酶制剂难度大些。按酶制剂在应用领域上的分类，有用于工业生产上作为
7、催化剂的工业酶制剂（如淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、葡萄糖异构酶、青霉素酰化酶、天冬氨酸酶等等），有用于食品生产加工的酶制剂（又称为食品酶制剂），还有用于临床检测的诊断酶制剂，用于化学分析的酶分析制剂，用作药物的药物酶制剂和用于洗涤剂的洗涤酶制剂等。按酶的来源不同，还可将酶制剂分为植物酶制剂、动物酶制剂和微生物酶制剂。针对应用的需要，按酶生产加工方法的不同，又可将其分为游离酶制剂、固定化酶制剂、酶试纸、酶电极等。题例领悟题型一固定化酶技术的应用【例题1】 试分析下图中，哪一种与用海藻酸钠作载体制备的固定化酵母细胞相似（）解析：A、B选项适合于酶的固定化，C既用于酶固定，也可用于细胞固定。制备固定化酵母
8、细胞用的是包埋法，即将酵母菌包埋在海藻酸钠制成的凝胶珠中，所以与D相似。答案：D反思感悟固定化酶和固定化细胞通常采用包埋法、化学结合法和物理吸附法。海藻酸钠作载体制备的是固定化酵母细胞。题型二固定化酶技术的特点【例题2】下列不属于固定化酶在利用时的特点的是 （）A.有利于酶与产物分离B.可以被反复利用C.能自由出入依附的载体D.一种固定化酶一般情况下不能催化一系列酶促反应解析:固定化酶是采用化学结合法或物理吸附法将酶固定在一定载体上，所以固定化酶不能自由出入依附的载体。答案:C反思感悟固定化技术中固定化酶易和大分子接触反应，但易受外界影响而活性降低；固定化细胞由于大分子物质难以自由通过细胞膜，
9、所以易催化小分子物质的反应，而且外界环境对其活性的影响小。随堂训练1.下图曲线表示的是温度和果胶酶活性之间的关系，此曲线不能说明的是（）A.在B点之前，果胶酶的活性和温度成正比；之后，成反比B.当温度升高到B点时，果胶酶的活性最高，酶的催化作用最高C.A点时，果胶酶的活性很低，但随着温度升高，果胶酶的活性可以上升D.C点时，果胶酶的活性也很低，当温度降低时，酶的活性也可以上升解析：从图中可以看出随着温度升高，果胶酶的活性在上升，等达到B点时，酶的活性达到最高；随后，随着温度的继续上升，酶的活性迅速下降。但是A点和C点相比，虽然酶的活性都很低，但是A点是低温条件，对酶的分子结构无影响，所以，随着
10、温度的上升，其活性也会不断上升，而C点是高温条件，当温度过高时，会破坏酶的分子结构，使酶的活性发生不可逆的变化。答案：D2.酶制剂中含有蛋白酶，不含有肽酶的原因是（）A.肽酶制备成本太高B.肽酶会影响蛋白酶活性C.衣物上的大分子蛋白质变为多肽后已很容易脱落D.蛋白酶把蛋白质全水解成可溶性氨基酸解析：考虑衣物的实际洗涤情况，当加酶洗衣粉中的蛋白酶将血渍、奶渍等含有的大分子蛋白质水解成小分子多肽后，已经很容易从衣物上脱落了，无需再加肽酶。答案：C3.探究温度对果胶酶活性的影响、pH对酶活性的影响、果胶酶的用量三个实验中，实验变量依次为（）A.温度、酶活性、酶用量B.苹果泥用量、pH、果汁量C.反应时间、酶活性、酶用量D.温度、pH、果胶酶用量解析：首先要明确实验变量、反应变量等基本概念，在此基础上，针对三个探究实验进行分析。实验一为探究果胶酶的最适温度，实验二为探究果胶酶的最适pH，实验三为探究果胶酶的最适用量，从而选出正确选项D。答案：D5
高中生物 第3章 生物科学与工业 第2节 酶在工业生产中的应用导学案 新人教版选修2
