【创新方案】2022年高考生物一轮复习第四讲酶的研究与应用训练新人教版选修1一、果胶酶在果汁生产中的作用1．果胶酶的组成及作用果胶酶包括多聚半乳糖醛酸酶、果胶分解酶和果胶酯酶，能使果胶分解成可溶性的半乳糖醛酸，瓦解植物细胞壁和胞间层。2．酶的活性及影响酶活性的因素(1)酶的活性：指酶催化一定化学反应的能力，可用反应速度来表示。(2)影响酶活性的因素：温度、pH和酶的抑制剂等条件都会影响酶的活性。二、酶在洗涤等方面的应用1．加酶洗衣粉和酶制剂加酶洗衣粉是指含有酶制剂的洗衣粉，常用的酶制剂有四类：蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶和纤维素酶。2．加酶洗衣粉的去污机理[填表]种类洗涤原理洗涤的物质种类蛋白酶蛋白质小分子肽＋氨基酸血渍、奶渍及各种食品类的蛋白质污垢脂肪酶脂肪甘油＋脂肪酸食品的油渍、人体皮脂、口红淀粉酶淀粉麦芽糖＋葡萄糖来自面条、巧克力等的污垢纤维素酶使纤维的结构变得蓬松，从而使渗入到纤维深处的尘土和污垢能够与洗衣粉充分接触，达到更好的去污效果棉纺织品的表面浮毛三、酵母细胞的固定化(1)概念：固定化酶和固定化细胞技术是利用物理或化学方法将酶或细胞固定在一定空间内的技术。(2)方法：包埋法、化学结合法和物理吸附法。(3)实验操作： 酵母细胞的活化12\n ↓配制物质的量浓度为0.05mol/L的CaCl2溶液 ↓ 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[知识体系构建]①多聚半乳糖醛酸酶 ②酶的专一性和高效性 ③包埋法 ④分解果胶 ⑤活化酵母细胞 ⑥配制海藻酸钠溶液果胶酶在果汁生产中的作用(1)(2022·威海一模T34)用苹果加工成果汁的过程中，为了提高苹果的出汁率并使果汁变得澄清，在预处理时需要加入果胶酶；同时为了使其得到充分利用，节约成本，需要控制好酶的用量。(√)(2)(2022·淮安二模)在探究果胶酶用量实验中，虽然实验的变量发生了变化，但通过设置梯度来确定最适值的思想方法是不变的。(√)(3)(2022·淮安二模)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。(×)(4)(2022·南京四校月考)为了使果胶酶能够充分地催化反应，应用玻璃棒不时地搅拌反应混合物。(√)1．探究影响果胶酶活性因素实验的分析12\n(1)实验原则：遵循单一变量原则、对照原则，严格控制变量，尽量减少无关变量的影响。(2)实验原理：果胶酶活性受温度、pH或酶抑制剂的影响，在最适温度或pH时，其活性最高，果肉的出汁率、果汁的澄清度都与果胶酶的活性大小成正相关。2．三个实验的变量分析实验名称(目的)自变量因变量注意事项探究温度对果胶酶活性的影响温度果汁量(澄清度)①底物和酶在混合时的温度是相同的；②温度梯度越小，实验结果越精确；③苹果泥和果胶酶用量在各个试管应相同；④pH应为最适pH探究pH对果胶酶活性的影响pH果汁量(澄清度)①温度应为最适温度；②pH梯度可用NaOH和盐酸调节；③用玻璃棒搅拌使反应充分进行探究果胶酶的用量果胶酶的用量果汁量(澄清度)①制备苹果匀浆后迅速加热，使苹果浆中果胶酶变性；②温度、pH应为最适且保持不变[关键一点] 在探究温度或pH的影响时，不同的温度梯度之间或不同的pH梯度之间构成了相互对照，通过相互对照可确定果胶酶活性的温度或pH的最适值。高考地位近几年高考对本考点的考查较少，在一些单科试卷中却有所涉及命题角度形式上以非选择题为主，难度不大，命题以联系果汁加工生产等生产生活实际，考查酶特性的探究的实验分析与设计，如典例1。[典例1] 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10min(如上图甲所示)。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10min(如上图中乙所示)。Ⅲ：将步骤Ⅱ处理后的混合物过滤，收集滤液，测量果汁量。(如上图中丙所示)。Ⅳ：在不同温度条件下重复以上实验步骤，并记录果汁量。12\n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)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？________________________________________________________________________。(3)下图中A、B、C图依次表示果胶酶浓度一定时，果胶酶的反应速度与反应物浓度、温度、pH之间的关系，据图完成下列问题：①图A中，反应物达到某一浓度时反应速度不再上升的原因是________________。②图B中，曲线ab段表明__________________，曲线bc段表明__________________。③将装有果胶酶与反应物的甲、乙两支试管分别放入12℃和90℃水浴锅中，20min后取出转入40℃的水浴锅中保温，两支试管内的反应是：甲________________，乙________________。④图C表示果胶酶浓度、反应物浓度、温度等一定时，果胶酶催化反应的速率随pH变化的曲线，实验时可根据________________来判定果胶酶的最适pH。[解析](1)果胶酶催化植物细胞壁中的果胶分解成为半乳糖醛酸。(2)该实验中衡量结果的指标有两项，一是观察在相同的时间内，滤出苹果汁的体积的多少，体积多说明果胶酶活性高，将果胶分解得多，使果汁更好地流出；二是观察果汁的澄清度。(3)酶的催化效率受反应物浓度、温度、pH的影响。①图A中，当反应物在低浓度范围内增加时，反应速度迅速上升；当反应物达到一定浓度时，随反应物浓度增加，反应速度不再增加，此时反应速度受酶浓度影响。②从a点到b点曲线上升，这是因为温度升高，酶活性升高。曲线bc下降，是因为温度超过最适温度，酶活性降低。③由于甲试管温度较低，所以酶活性较低，反应速度很慢，当转入40℃(酶反应的适宜温度)的水浴锅中加热时，其反应速度迅速增加。乙试管在90℃高温下，酶结构被破坏，酶变性失活，当转入40℃的水浴锅中保温时，酶活性也不再恢复，故无催化反应。④图C表示果胶酶浓度、反应物浓度、温度等一定时，果胶酶催化反应的速率随pH变化的曲线，实验时可根据果汁的量来判定果胶酶的最适pH。[答案](1)半乳糖醛酸(2)果胶酶将果胶分解为小分子物质，小分子物质可以通过滤纸，因此苹果汁的体积大小反映了果胶酶催化果胶分解的能力12\n(3)①受反应物中酶浓度的限制 ②果胶酶的活性随温度升高而升高 果胶酶的活性随温度的继续升高而下降 ③反应速度加快 无催化反应 ④果汁的量探讨加酶洗衣粉的洗涤效果(1)(2022·江苏卷T16A)使用加酶洗衣粉时先用热水溶解洗衣粉，再将水温调节到适宜温度。(×)(2)(2022·江苏卷T16C)衣物质地和洗衣粉用量不会影响洗涤效果。(×)(3)(2022·江苏卷T16D)相同pH时加酶洗衣粉的洗涤效果好于普通洗衣粉。(×)(4)(2022·江苏卷T3D)用含蛋白酶的洗衣粉去除油渍，效果比其他类型的加酶洗衣粉好。(×)1.实验变量的控制实验目的自变量的控制比较普通洗衣粉与加酶洗衣粉的洗涤效果洗衣粉的种类探究加酶洗衣粉的最适温度水温(水温梯度比较小)不同种类加酶洗衣粉的洗涤效果加酶洗衣粉种类2．影响洗涤效果的因素酶制剂的种类、污物的类型、水温、水量、水质、衣物的质料、衣物的大小、洗衣粉的用量、浸泡时间、洗涤时间等。3．使用时的注意事项(1)温度对酶制剂影响较大，温度低，酶的活性受到抑制，不能充分发挥作用；温度高，酶变性失活。故温度应控制在40～60℃为宜。(2)酶制剂有极强的选择性，应根据不同的污垢选用不同的酶。(3)加酶洗衣粉不宜长期储存，一般储存期为半年，超过一年酶的活性显著下降。(4)酶在强酸、强碱中活性降低以至失活，所以加酶洗衣粉不能与强酸、强碱同用。高考地位高考对本考点的考查，常州与必修模块中的内容相结合进行综合考查，一般不进行单独命题命题角度以生活实例为载体，考查酶的特性及实验探究能力，如典例2。[典例2] 某学生进行“加酶洗衣粉和普通洗衣粉的洗涤效果”的课题研究。他的实验设计如下：①设置2组实验，分别使用蛋白酶洗衣粉和复合酶洗衣粉12\n②2组实验的洗衣粉用量、被洗涤的衣物量、衣物质地、污染物性质和量、被污染的时间、洗涤时间、洗涤方式等全部设置相同③根据污渍去除程度得出结果对这个实验的评价，正确的是( )A．未设置对照实验 B.无关变量设置太多C．没有自变量D．因变量不能描述[解析] 选A 实验课题是“加酶洗衣粉和普通洗衣粉的洗涤效果”，因此设置的2组实验应该是：一组用普通洗衣粉作对照组，另一组用加酶洗衣粉作实验组。如果设置3组也正确，一组用普通洗衣粉作对照组，实验组设置使用蛋白酶洗衣粉和复合酶洗衣粉。固定化酶与固定化细胞(1)(2022·上海卷T9D)酶在大规模产业化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可反复使用性。(√)(2)(2022·江苏卷T17A)从酶的固定方式看，吸附法比化学结合法对酶活性影响小。(√)(3)(2022·江苏卷T17D)将海藻酸钠凝胶珠用无菌水冲洗，目的是洗去CaCl2和杂菌。(√)(4)(2022·江苏卷T3C)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。(×)(5)(2022·江苏卷T3D)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。(×)1．直接使用酶、固定化酶、固定化细胞的比较直接使用酶固定化酶固定化细胞酶的种数一种或几种一种一系列酶常用载体高岭土、皂土、硅胶、凝胶明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素、聚丙烯酰胺制作方法化学结合固定化、物理吸附固定化包埋法固定化是否需要营养物质否否是催化反应单一或多种单一一系列反应底物各种物质(大分子、小分子)各种物质(大分子、小分子)小分子物质缺点12\n①对环境条件非常敏感，易失活；②难回收，成本高，影响产品质量不利于催化一系列的酶促反应反应物不易与酶接近，尤其是大分子物质，反应效率下降优点催化效率高、耗能低、低污染①既能与反应物接触，又能与产物分离；②可以反复利用成本低、操作容易2．固定化技术方法的比较方法定义适用范围模型包埋法将酶包裹在多孔的载体中。常见的载体有明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等多用于细胞的固定微囊化法(成微胶囊型)化学结合法 将酶分子或细胞相互结合，或将其结合到载体上多用于酶的固定酶连接物理吸附法 将酶吸附到固体吸附剂的表面。固体吸附剂多为活性炭、多孔玻璃等酶吸附在载体表面3．制备固定化酵母细胞的实验注意事项(1)酵母细胞的活化：酵母细胞需要的活化时间较长，一般需要0.5～1h，需要提前做好准备。此外，酵母细胞活化时体积会变大，因此活化前应该选择体积足够大的容器，以避免活化液溢出容器外。(2)海藻酸钠溶液的浓度：海藻酸钠溶液的配制是固定化酵母细胞的关键，因为如果海藻酸钠溶液浓度过高，将很难形成凝胶珠；如果浓度过低，形成的凝胶珠所包埋的酵母细胞的数量少，都会影响实验效果。(3)海藻酸钠溶液配制注意事项：对海藻酸钠溶化时要小火或间断加热，避免海藻酸钠发生焦糊；将溶化后的海藻酸钠先冷却至室温，再与酵母细胞混合，避免高温杀死酵母细胞；固定化酵母细胞时，应将海藻酸钠酵母细胞的混合液用注射器缓慢滴加到CaCl2溶液中，而不是注射，以免影响凝胶珠的形成。(4)CaCl2溶液的作用：12\nCaCl2溶液的作用是使海藻酸钠胶体发生聚沉，形成凝胶珠。高考地位固定化酶和固定化细胞在生产中可节约成本，具有重要的科研价值，成为近几年高考考查的热点之一，形式上选择题和非选择题都有所呈现命题角度(1)考查固定化细胞和固定化酶技术操作与实践应用，如典例3；(2)考查酶活性的检测和固定化酶的应用，如典例4。[典例3] 某一实验小组的同学，欲通过制备固定化酵母细胞进行葡萄糖溶液发酵实验，实验材料及用具齐全。(1)酵母细胞的固定采用的方法是________。(2)请完善该实验小组的同学在制备固定化酵母细胞过程的步骤：①配制氯化钙溶液时应用蒸馏水。②海藻酸钠溶液应用______加热。③海藻酸钠溶液必须______才能加入酵母细胞。④注射器中的海藻酸钠和酵母细胞的混合物应滴入________中形成________。(3)该实验小组用如图所示的装置来进行葡萄糖发酵。①为使该实验中所用到的固定化酵母细胞可以反复运用，实验过程中，一定要在________条件下进行。②加入反应液后的操作是关闭__________________________________。③装置的长导管起到什么作用？_______________________________________________________________________________________________________________。(4)试分析下图中，与用海藻酸钠作载体制备的固定化酵母细胞相似的是( )[解析] 由于细胞过大，难以被吸附或结合，因此多采用包埋法进行固定化。操作过程中，必须等海藻酸钠溶液冷却后才能将其与酵母细胞混合，否则酵母细胞会在高温下死亡。酵母菌利用葡萄糖的发酵过程中会产生CO2，为减小装置中的压力，应及时将其排出，长导管还可防止其他微生物污染。12\n[答案] (1)包埋法 (2)小火或间断 冷却至室温 氯化钙溶液 凝胶珠 (3)①无菌 ②活塞1和活塞2 ③释放CO2，减小反应柱内压力并可防止其他微生物污染 (4)D[典例4] 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。下列有关叙述中，错误的是( )A．由甲图可知，固定化酯酶比游离酯酶对温度变化适应性更强B．由乙图可知，浓度为3%的海藻酸钠包埋效果最好C．由丙图可知，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由甲图可知，固定化酯酶比游离酯酶对温度变化的适应性更强；由乙图可知，浓度为3%的海藻酸钠包埋效果最好；由丙图可知，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；固定化酶的酶活力较高，主要原因是固定化酶的结构更稳定。[高考随堂体验]1．(2022·江苏高考)下列有关酶的制备和应用的叙述，正确的是( )A．酶解法和吸水涨破法常用于制备微生物的胞内酶B．透析、电泳和酸解等方法常用于酶的分离与纯化C．棉织物不能使用添加纤维素酶的洗衣粉进行洗涤D．多酶片中的胃蛋白酶位于片剂的核心层解析：选A 利用酶解法和吸水涨破法使细胞解体，用于制备胞内酶；酶的纯化和分离的方法有透析法、离心沉降法和电泳法；纤维素酶能去除棉纺织品表面浮毛，平整织物表面，故可用添加纤维素酶的洗衣粉洗涤棉织物；多酶片中的胃蛋白酶位于片剂的最外层，保护其他酶在胃中不被破坏。12\n2．(2022·江苏高考)下图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，下列叙述正确的是(多选)( )A．刚溶化的海藻酸钠应迅速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发酵过程中搅拌的目的是为了使培养液与酵母菌充分接触D．图1中制备的凝胶珠用蒸馏水洗涤后再转移到图2装置中解析：选BCD 刚溶化的海藻酸钠要冷却至室温，才能与活化的酵母菌混合制备混合液，以免高温使酵母菌失活；混合液加入CaCl2溶液的作用是使海藻酸钠形成凝胶珠；发酵过程中搅拌的目的是使培养液与酵母菌充分接触，以利于发酵过程的顺利进行；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。3．(2022·浙江自选模块)某同学进行苹果汁制作实验，工艺如下图所示：请回答：(1)图中用KMnO4溶液浸泡苹果的目的是①________。黑曲霉提取液中含有的②________可水解果胶，从而使果汁澄清。固定化柱中填充的石英砂通过③________方式将酶固定化，酶被固定后用蒸馏水洗涤固定化柱是为了除去④________。(2)实验中，操作流程A和B的先后顺序为⑤________。在苹果汁澄清过程中，应关闭的流速调节阀是⑥________。要测定从固定化柱流出的苹果汁中是否还有果胶，可取一定量的果汁与等量的⑦____________混合，如果出现⑧____________现象，说明果胶还没有被完全水解。为使果胶完全水解，应将流速调⑨________。(3)实验后，将洗涤过的固定化柱在低温环境中保存若干天，该固定化柱仍可用于苹果汁制作实验，说明固定化酶可被⑩________使用。12\n解析：(1)苹果汁的制作需要果胶酶，该酶来自图中的黑曲霉。果胶酶将果胶催化水解，提高了果汁的澄清度；酶固定常用吸附法。(2)先提取果胶酶再进行果汁的制作，防止苹果汁时间过久变质。澄清过程应关闭阀1，避免提取液进入固定柱中降低了果汁质量，如果果胶未完全分解，可降低流速，延长反应时间。(3)固定化酶的优点之一是被固定的酶可以重复使用。答案：(1)①消毒 ②果胶酶 ③吸附 ④未被固定的酶等(2)⑤AB ⑥阀1 ⑦乙醇 ⑧浑浊(沉淀) ⑨慢(3)⑩重复4．(2022·江苏高考)酶解法制备原生质体的原理是利用酶溶液对细胞壁成分的降解作用。蜗牛酶液从蜗牛(以植物为食)消化腺中提取；果胶酶、纤维素酶从微生物中提取。为了研究不同酶液的酶解效果，某实验小组取无菌烟草幼叶，切成相同大小的小片，等量放入6支试管中，试剂用量和实验结果列于下表。请回答有关问题。试管编号项目 ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ蒸馏水/mL201111缓冲液/mL0210.50.50.5果胶酶液/mL0000.500蜗牛酶液/mL00000.50纤维素酶液/mL000000.5实验结果(绿色深浅程度)－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋(注：“＋”越多表示绿色越深，“－”表示颜色无显著变化)(1)实验过程中，需要轻摇试管，其目的是____________________________________，使原生质体从叶小片中游离出来，以便观察悬浮液绿色的深浅。(2)从绿色的深浅可推测：蜗牛酶液酶解效果最好，原因是蜗牛酶液含有____________________等多种酶。该实验中____________是空白对照组，其设置意义是__________________。(3)用网筛过滤原生质体到离心管内，离心后收集沉淀物，并用____________洗涤。(4)原生质体是否符合要求还需进行检验，其检验的方法是________________。解析：(1)实验过程中，需要轻摇试管，可以使细胞壁与酶充分接触，提高酶解效果。(2)蜗牛以植物为食，所以蜗牛酶液中含有果胶酶和纤维素酶，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ没有添加酶溶液为空白对照组。其设置意义是排除无关变量的干扰。(3)离心后收集沉淀物，并用等渗溶液清洗，目的是保持细胞正常形态。(4)要用低渗涨破法来检验原生质体是否符合要求，若细胞壁被分解则可以涨破，否则不能涨破。答案：(1)为了使细胞壁与酶充分接触，提高酶解效果(2)果胶酶和纤维素酶 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 排除无关变量的干扰12\n(3)等渗溶液 (4)低渗涨破法12
