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酵母细胞的固定化
一、选择题
1．下列有关固定化酶和固定化细胞的叙述，正确的是( )
A．可用包埋法制备固定化酵母细胞
B．反应产物对固定化酶的活性没有影响
C．葡萄糖异构酶固定前后专一性不同
D．固定化细胞可以催化各种反应底物的一系列反应
解析：选A 由于细胞相对于酶来说更大，难以被吸附或结合，因此多采用包埋法；某些反应产物可能与酶结合，致使酶的结构产生变化，从而改变酶的催化活性；固定化酶实质上是将相应酶固定在不溶于水的载体上，实现酶的反复利用，并提高酶稳定性，酶的各项特性保持不变；固定化细胞在多步酶促反应中发挥连续催化作用，但如果反应底物是大分子物质，则难以自由通过细胞膜，从而限制固定化细胞的催化作用。
2．下列关于高果糖浆及其制备的叙述，错误的是( )
A．高果糖浆可以认为是高浓度果糖溶液的简称，一般为含果糖42%左右的果糖溶液
B．高果糖浆不会引发肥胖、龋齿等，因此受到人们的青睐
C．果糖是由淀粉或麦芽糖在葡萄糖异构酶的作用下形成的
D．葡萄糖异构酶在最适条件下转化效率最高
解析：选C 高果糖浆制作过程的实质就是在葡萄糖异构酶的作用下，使葡萄糖发生结构上的变化，形成葡萄糖的同分异构体——果糖。一般用的原料是淀粉，淀粉在酶的作用下分解为麦芽糖，再进一步分解为葡萄糖，葡萄糖才是果糖的直接反应物。葡萄糖异构酶的最适温度为60～70 ℃，可使果糖、葡萄糖混合物中的果糖比例高达70%～90%，而果糖比例占42%左右时就可将其混合物称为高果糖浆。
3．(江苏高考)下列关于固定化酶和固定化细胞的叙述，错误的是( )
A．固定化酶的主要目的是实现酶的重复利用
B．溶解氧交换受阻是固定化酶应用的重要限制因素
C．固定化细胞用于生产能分泌到细胞外的产物
D．凝胶与被包埋细胞之间不是通过共价键结合
解析：选B 固定化酶技术是指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，可实现重复利用。固定化酶发挥作用不需要供氧，溶解氧交换受阻不会成为其应用的限制因素。固定化细胞只能用于生产分泌到细胞外的产物，否则无法获得需要的产物。用凝胶包埋细胞利用的是物理方法。
4．固定化酵母细胞发酵葡萄糖溶液时发现无酒精产生，原因不可能是( )
A．实验瓶盖了塞子
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B．瓶内氧气充足，进行了有氧呼吸
C．凝胶珠内可能没有酵母细胞
D．所谓的葡萄糖溶液可能是其他物质
解析：选A 利用固定化酵母细胞发酵产生酒精的过程需要无氧条件，因此实验瓶盖了塞子不可能是实验失败的原因。
5．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注入CaCl2溶液中，会观察到CaCl2溶液中有球形或椭圆形的凝胶珠形成
解析：选B 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。为避免海藻酸钠发生焦糊，溶化时要用小火或间断加热。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。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。
6．下列有关固定化酶和固定化细胞的说法，错误的是( )
A．与普通酶相同，固定化酶活性的发挥需要适宜的温度和pH
B．固定化细胞发挥作用除了需要适宜的温度、pH外，还需要有机营养的供应
C．固定化酶和固定化细胞的共同点是所固定的酶都在细胞外起作用
D．固定化酶和固定化细胞都能反复利用，但酶的活性可能下降
解析：选C 固定化酶的活性受温度、pH等因素的影响；固定化细胞发挥作用受温度、pH和有机营养等因素的影响；固定化细胞所固定的酶是在细胞内起作用的；固定化酶和固定化细胞都能反复使用，原则上酶的活性不变，但在实际操作中，受环境等因素的影响，酶的活性可能下降。
7．如图表示科研人员利用固定化葡萄糖异构酶生产高果糖浆的过程，相关叙述正确的是( )
A．固定葡萄糖异构酶时，采用方法2比方法3对酶的活性影响要小
B．在生产过程中，通过控制阀调节果糖流出的速率以保证反应充分进行
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C．在生产过程中，须严格控制好pH、温度、溶解氧等环境因素
D．由于固定化葡萄糖异构酶活性不会降低，此反应柱可持续用于生产
解析：选B 固定葡萄糖异构酶时，采用方法2比方法3对酶的活性影响要大；反应过程中可通过控制阀调节果糖流出的速率，保证反应充分进行；酶的活性受pH、温度的影响，但不受溶解氧的影响；固定化葡萄糖异构酶可多次重复使用，但一定时间后酶的活性降低。
8．固定化酶是从20世纪60年代迅速发展起来的一种技术。科研人员用海藻酸钠作为包埋剂来固定小麦酯酶，以研究固定化酶的相关性质和最佳固定条件。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。图甲、乙、丙为部分研究结果。下列叙述错误的是( )
A．由图甲可知，固定化酯酶比游离酯酶对温度变化适应性更强
B．由图乙可知，浓度为3%的海藻酸钠包埋效果最好
C．由图丙可知，固定化酯酶一般可重复使用3次，之后若继续使用则酶活力明显下降
D．固定化酶的酶活力较高，主要原因是增加了酶与底物的接触面积
解析：选D 据图甲，温度为45 ℃时，固定化酶的活力很高，而游离酶的活力下降；酶用海藻酸钠固定后，降低了酶与底物的接触面积。
9．下列有关固定化酵母细胞技术的叙述，错误的是( )
A．利用海藻酸钠制成不含酵母菌的凝胶珠用作对照
B．制备好海藻酸钠溶液后，要立即将其与酵母细胞混合以防凝固
C．将海藻酸钠凝胶珠用无菌水冲洗，目的是洗去CaCl2和杂菌
D．若最终凝胶珠的颜色泛白，则包埋的酵母细胞偏少
解析：选B 应将制备好的海藻酸钠溶液冷却后，再加入已活化的酵母细胞，否则会把酵母细胞杀死。
10．下列关于固定化酶和固定化细胞的叙述，正确的是( )
A．固定化细胞技术在多步连续催化反应方面优势明显
B．在固定化酶的应用中，要控制好pH、温度和溶解氧
C．利用固定化酶降解水体中有机磷农药，需要提供适宜的营养条件
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
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解析：选A 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。固定化酶的应用中，要控制好pH、温度，但与溶解氧无关。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，所以不需要提供营养条件。利用固定化酵母细胞进行发酵时，糖类除了作为反应物外，还为酵母细胞提供碳源。
二、非选择题
11．(江苏高考)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实验，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24～48h间Zn2＋浓度下降速度较快的主要原因是____________________；72～96h间Zn2＋浓度下降速度较慢的原因有____________________________________________。
解析：(1)绿球藻为单细胞生物，可用包埋法固定化，实验中海藻酸钠的作用是包埋绿球藻。配制好的海藻酸钠和绿球藻混合溶液需要滴入CaCl2溶液中，与CaCl2反应形成凝胶球，刚形成的凝胶球应在CaCl2溶液中浸泡一段时间，有利于形成稳定的结构。(2)将固定好的凝胶球用绿球藻的培养液(生理盐水)清洗2～3次，能够洗去凝胶球上残余的CaCl2和其他污染物，并保持绿球藻的活性。如果包埋绿球藻用的海藻酸钠浓度过低，或形成的凝胶球孔径过大，在培养过程中会有绿球藻从包埋材料中漏出来，使溶液呈绿色。(3)分析图中绿球藻数量变化曲线可知，浓度为2.0%的海藻酸钠对绿球藻的包埋效果最好，凝胶球中包埋的绿球藻数量最多，故应选用该浓度的海藻酸钠制备凝胶球。(4)由Zn2＋浓度变化曲线可知，空白凝胶球组Zn2＋浓度下降的原因是凝胶对Zn2＋有一定的吸附作用。培养初期，绿球藻生长(增殖)速度较快，导致Zn2＋浓度下降速度较快；培养后期，由于绿球藻生长(增殖)速度减慢、溶液中Zn
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2＋浓度较低等，Zn2＋浓度下降速度较慢。
答案：(1)包埋绿球藻(包埋剂) 与海藻酸钠反应形成凝胶球(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
12．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。请回答下列问题：
(1)图1中X溶液为________，其作用是使______________________________________。
(2)图1中制备的凝胶珠用__________洗涤后再转移到图2装置中。图2发酵过程中搅拌的目的是使__________________________。
(3)在用海藻酸钠包埋酵母菌形成凝胶珠的过程中，加热溶解海藻酸钠时需注意用________________加热，然后将溶化好的海藻酸钠溶液______________后，加入酵母菌充分搅拌混合均匀。
(4)研究发现，固定化强度强的酵母颗粒发酵效果好，且稳定性高、使用寿命长。某机构利用上述装置，将2%、2.5%、3%的海藻酸钠分别利用2%、3%、4%的X溶液进行凝胶化处理，所得到的固定化酵母颗粒的强度及在28 ℃下发酵48 h后的酒精产量见表：
海藻酸钠(%)
2
2.5
3
2
2.5
3
2
2.5
3
X溶液(%)
2
2
2
3
3
3
4
4
4
固定化强度
(g/30个)
930
950
990
1 030
1 100
1 140
1 170
1 170
1 160
酒精量(%)
6.7
6.5
6.5
6.7
6.4
6.2
6.7
6.4
6.3
依照表格分析，随着X溶液浓度的增加，____________增加；用于酒精发酵效果最好的海藻酸钠与X溶液浓度分别是________、________。
解析：(1)图1为固定化酵母细胞的步骤，X溶液为CaCl2溶液，作用是使胶体聚沉，即使海藻酸钠形成凝胶珠。(2)图2为发酵过程，因为是无氧呼吸，故搅拌的目的只是增加培养液与酵母菌的接触面积，而不是增加溶氧量。(3)溶解海藻酸钠时需注意用小火或间断加热，然后将溶化好的海藻酸钠溶液冷却至室温后，再加入酵母菌充分搅拌混合均匀，以防止高温杀死酵母菌。(4)分析表格可知，随着X溶液浓度的增加，酵母细胞的固定化强度增加，固定化强度和产酒精量都较大的海藻酸钠与X溶液浓度分别是2%、4%。
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答案：(1)CaCl2溶液 海藻酸钠形成凝胶珠
(2)蒸馏水 培养液与酵母菌充分接触
(3)小火(或间断) 冷却至室温
(4)固定化强度 2% 4%
13．下面是某同学所做的生成啤酒酿造实验，请根据其实验过程，回答相关问题：
实验原理：利用固定化酵母菌分解麦芽汁，生成啤酒。
实验步骤：
第一步：酵母细胞活化。取1 g干酵母，放入50 mL的小烧杯中，加蒸馏水10 mL，用玻璃棒搅拌均匀，放置1 h，使其活化。
第二步：配制海藻酸钠溶液。取0.7 g海藻酸钠，放入另一只50 mL的小烧杯中，加蒸馏水10 mL，并搅拌，直至溶化，用蒸馏水定容至10 mL。加热时，注意火候。
第三步：海藻酸钠与酵母细胞混合。将溶化好的海藻酸钠溶液冷却至室温，加入活化的酵母细胞，充分搅拌均匀。
第四步：用注射器以恒定的速度将上述混合液滴加到0.05 mol/L CaCl2溶液中，制成凝胶珠。
第五步：倒去CaCl2溶液，加无菌水洗涤三次后，将凝胶珠放入500 mL三角瓶中，加入300 mL麦芽汁溶液，置于25 ℃下封口，发酵五天后，倒出发酵后的麦芽汁即为啤酒，品尝其口味。
(1)酵母细胞活化的作用是______________________________________________。第二步中注意火候指的是______________。第三步中要等海藻酸钠溶液冷却至室温，再加入活化的酵母细胞，其原因是_______________________________________________。
(2)凝胶珠的组成是海藻酸钠与________________。海藻酸钠的主要作用是________________________________________________________________________。
(3)上述固定化细胞的方法称为________________，形成的凝胶珠颜色为________________色。如果形成的凝胶珠颜色过浅，则配制的海藻酸钠溶液浓度________________，如果形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形，则配制的海藻酸钠溶液浓度________________。
(4)与固定化酶相比，该方法的优点是___________________________________。
(5)要想反复使用固定化酵母细胞，实验过程要在严格的__________________条件下进行，同时要控制适宜的________和________。
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解析：(1)酵母细胞活化的作用是让休眠的酵母细胞恢复到正常状态。第二步中注意火候指的是用小火或间断加热，防止海藻酸钠焦糊。为防止高温杀死酵母细胞，第三步中要等海藻酸钠溶液冷却至室温，然后再加入活化的酵母细胞。(2)凝胶珠的组成是海藻酸钠与酵母细胞。海藻酸钠的主要作用是固定酵母细胞。(3)上述固定化细胞的方法称为包埋法，形成的凝胶珠颜色为浅黄色。如果形成的凝胶珠颜色过浅，则配制的海藻酸钠溶液浓度过低；如果形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形，则配制的海藻酸钠溶液浓度过高。(4)与固定化酶相比，固定化细胞的优点是成本更低，操作更容易；省去酶的分离、提纯等工序，同时酶的活性更稳定。(5)要想反复使用固定化酵母细胞，实验过程要在严格的无菌条件下进行，同时要控制适宜的温度和pH，以保证酵母细胞的活性。
答案：(1)让休眠状态的酵母细胞恢复到正常生活状态 用小火或间断加热 防止高温杀死酵母细胞
(2)酵母细胞 固定酵母细胞 (3)包埋法 浅黄 过低 过高 (4)成本更低，操作更容易；省去酶的分离、提纯等工序，同时酶的活性更稳定 (5)无菌 温度 pH
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