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第38讲　酶的应用
[考纲要求]　
1.果汁中的果胶和果胶酶。
2.α 淀粉酶的固定化及淀粉水解作用的检测。
考点一　果汁中的果胶和果胶酶
1．果胶：是植物细胞壁的主要成分，由半乳糖醛酸和半乳糖醛酸甲酯组成。果胶起着将植物细胞粘合在一起的作用，去掉果胶，就会使植物细胞变得松散。鉴别果胶的方法是果胶不溶于乙醇。
2．果胶酶：果胶酶和果胶甲酯酶可水解果胶，与制取果汁有关。
3．探究利用苹果或山楂匀浆制作果汁的最佳条件的实验
(1)实验原理
①果胶半乳糖醛酸＋半乳糖醛酸甲酯。
②果胶酶的活性受温度(或pH)的影响，处于最适温度(或pH)时活性最高。果肉的出汁率、果汁的澄清度与果胶酶的活性大小成正比。
③果胶不溶于乙醇。
(3)实验流程设计
A烧杯 B烧杯
取苹果或山楂果实，除去种子，制成匀浆
5 g匀浆＋10 mL果胶酶溶液，间歇搅拌20 min～30 min 5 g匀浆＋10 mL清水，间歇搅拌20 min～30 min
1号试管4 mL混合液并加热 2号试管4 mL混合液 3号试管4 mL混合液并加热 4号试管4 mL混合液
加入95%的乙醇4 mL，观察现象
易错警示　酶的活性与酶促反应速率的区别
(1)酶的活性：是指酶催化一定化学反应的能力。其高低可以用在一定条件下酶所催化的某一化学反应的反应速率来表示。(2)酶促反应速率：用单位时间内、单位体积中反应物的减少量或产物的增加量来表示。
1．我国水果生产发展迅速，由于收获的季节性强，易造成积压，腐烂变质，为了解决上述问题且满足不同人群的需求，可以将水果加工制作成果汁、果酒、果醋等。在果汁生产中要用到果胶酶，某生物研究小组为了探究果胶酶的某些特性，进行了如下实验：
(1)实验方法：请将图中所示的操作进行排序________。
(2)实验结果：对照组与实验组进行了相同时间的实验，结果如下图所示。
①图中自变量是温度，除此之外还可用____________来表示。
A．酶的浓度 B．苹果泥的量
C．水的加入量 D．pH
②图中的纵坐标还可用________________来表示。
③步骤b中在果胶酶和苹果泥混合前，将两者分装在不同试管中，恒温的目的是________________________________________________________________________。
④实验小组改变了实验条件后重复做实验，得到曲线乙，苹果汁的澄清度最高点对应的横坐标是同一位置的原因是________________________________。引起曲线乙下移的原因是___________________(至少答出两条)。
(3)下表是某实验小组的详细实验结果：
温度/℃ 10 20 30 40 50 60 70 80
果汁量/mL 8 13 15 25 15 12 11 10
上述实验结果表明，当温度为________时果汁量最多。能不能确定该温度就是果胶酶的最适温度，如果不能，请设计出进一步探究果胶酶的最适温度的实验方案： _______________
____________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________。
答案　(1)acdb　(2)①D　②苹果汁的体积　③保证底物和酶在混合时的温度是相同的　④同一种酶的最适温度是一定的，不会因酶的浓度、底物量不同而改变　pH、酶的浓度和苹果泥的量等因素的改变　(3)40℃　不能。应再设置多套装置，以40℃为中心，以更小的温差(如0.5℃)测量在更小范围内的温度内的果汁的产生量，果汁产量最高的温度更接近酶的最适温度
解析　果胶酶的活性受温度、pH等条件的影响，而与底物的量、酶的浓度和水的加入量没有关系，所以每一种酶的最适pH和最适温度是一定的。衡量实验结果的指标有两种，一是果汁的量，另一个是果汁的澄清度。为使实验达到相应的设计温度，必须使酶与底物分别保温，达到要求后才能混合。
2．(2012·广东理综，29)食品种类多，酸碱度范围广。生物兴趣小组拟探究在食品生产中应用范围较广的蛋白酶，查阅相关文献，得知：
(1)pH对不同蛋白酶的活力影响有差异。据图可知，________________________更适宜作为食品添加剂，理由是____________________________________________________
________________________________________________________________________。
蛋白酶的活力可用______________________的量来表示。
(2)该蛋白酶的提取工艺流程如下：
兴趣小组分别对酶保护剂浓度、提取液pH进行了探究实验。结果显示，酶保护剂浓度在0.02～0.06 mol/L范围内，酶活力较高；提取液pH在6.0～8.0范围内，酶活力较高。他们认为，要进一步提高粗酶制剂的酶活力，以达到最佳提取效果，还需对酶保护剂浓度和提取液pH进行优化，并确定以此为探究课题。请拟定该课题名称，设计实验结果记录表。
答案　(1)木瓜蛋白酶　木瓜蛋白酶的活力不随pH的变化而变化　单位时间内、单位体积中底物减少(或产物增加)　(2)课题名称：探究酶保护剂的浓度和提取液的pH的最佳组合
提取液的pH 底物的减少量(或产物的产生量)酶保护剂浓度mol/L 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
解析　(1)题目中已经提供了信息“食品种类多，酸碱度范围广”，所以选择的食品添加剂应该有较广的酸碱度适应范围，由图可知，木瓜蛋白酶的活力不随pH的变化而变化，所以可以选作食品添加剂。酶的活力可用单位时间内、单位体积中底物的减少量(或产物的增加量)来表示。(2)由题中信息可知酶保护剂的适宜浓度范围和提取液pH的适宜范围，故实验的自变量是酶保护剂的浓度和提取液的pH，需在适宜范围内确定较小的梯度进行实验。实验结果记录表要包含自变量酶保护剂的浓度和提取液的pH以及因变量底物的减少量(或产物的产生量)。
考点二 　α 淀粉酶的固定化及淀粉水解作用的检测
1．α 淀粉酶的固定化
(1)固定化酶
①概念：将水溶性的酶用物理或化学的方法固定在某种介质上，使之成为不溶于水而又有酶活性的制剂。
②方法：吸附法、共价偶联法、交联法和包埋法等。
(2)α 淀粉酶的固定化
①α 淀粉酶作用的最适条件：最适pH为5.5～7.5；最适温度为50_～75_℃。
②方法：吸附法。
③淀粉的水解作用：
淀粉糊精麦芽糖
遇碘显蓝色　遇碘显红色　遇碘不显色
葡萄糖
2．淀粉水解的测定实验
固定α 淀粉酶→滴管滴加淀粉溶液→加KI I2溶液→观察→洗涤→几天后重复实验。
3．α 淀粉酶固定化实验过程
固定化α 淀粉酶，装入注射器中
↓
以0.3 mL/min的流速滴加淀粉溶液过柱
↓
流出5 mL淀粉溶液后接收0.5 mL
↓
滴加KI I2溶液，观察颜色，稀释1倍后再观察颜色
↓
以10倍柱体积的蒸馏水洗涤固定化柱，放置在4℃冰箱中，几天后重复实验
3．如图是固定化酶反应柱，请回答下列问题。
(1)将α 淀粉酶溶于水中，再加入石英砂，不时搅拌，这样α 淀粉酶就可以固定在石英砂上。这种固定化的方法称为________________________________________________。
30 min后，装入如图所示的反应器中，构成固定化酶反应柱，并用10倍体积的蒸馏水洗涤此反应柱，洗涤的目的是____________。洗涤时，蒸馏水流速________(填“能”或“不能”)过快。
(2)实验时，将此反应柱固定在支架上，用滴管滴加可溶性淀粉溶液，并以0.3 mL/min的流速过柱，控制流速的目的是______________________________________________。
在流出5 mL后接收0.5 mL流出液，加入1～2滴_____________________________，
观察颜色。为了使观察到的颜色变化明显，可________后再观察。如果溶液呈红色，说明淀粉水解成为________。
(3)实验后，用10倍柱体积的蒸馏水洗涤此反应柱，洗涤的目的是____________________。
洗涤后，放置在4 ℃冰箱中保存。几天后，可重复使用。
(4)一段时间后，某同学从冰箱中取出此反应柱，重复上述实验，却没有了相同的结果，试分析可能的原因。
________________________________________________________________________。
答案　(1)吸附法　除去未吸附的游离淀粉酶　不能
(2)使淀粉溶液与溶粉酶充分接触充分反应　KI－I2溶液　稀释　糊精　(3)洗去残留的反应物和产物　(4)从酶的活性、酶的数量、反应条件等方面分析，合理答案均得分。
解析　(1)固定化酶的制作方法有吸附法、共价偶联法、交联法和包埋法，本题所示为吸附法。洗涤是除去未吸附的一些游离的酶，在洗涤时流速不能过快，为1 mL/min。(2)以相对较慢的流速使淀粉溶液流过反应柱，可以让吸附着的酶与底物充分反应。根据KI－I2溶液与淀粉反应呈蓝色，与糊精反应呈红色的原理来鉴定反应情况。(3)实验完成后还需要对反应柱进行洗涤，以除去参与反应的反应物及生成的产物，以便重复使用。(4)一段时间后重复使用得不到相同的结果，排除反应物本身，肯定是酶出了问题，可能这些酶已经失活，再次操作时相应的反应条件(如温度)不适合等。
4．(1)酶是生物体中生化反应的催化剂，酶催化的反应是在______条件下进行的，酶催化的应用日益广泛。在历史悠久的食品工业中也有广泛的应用。在年轻人群中果汁有相当大的消费群体。食品工业中应用酶大量生产果汁，果汁生产的原料来源是水果粉碎后的果肉浆。要获得澄清的果汁需要用到________酶和________酶，这两种酶的作用对象是________，该物质在植物体内的功能是__________________。在探究温度对果胶酶活性的影响实验中，实验自变量是________。在探究利用果胶酶制作果汁的最佳条件实验中，加入95%乙醇的目的是________________________。
(2)固定化酶是将________的酶用物理或化学的方法固定在某种介质上，使之成为____________________的制剂。教材实验中用吸附法将α 淀粉酶固定在__________上。
答案　(1)温和适宜　果胶　果胶甲酯　果胶　细胞间的黏连成分(或将植物细胞粘合在一起的作用)　温度　利用果胶不溶于乙醇的特性来鉴别果胶　(2)水溶性　不溶于水而又有酶活性　石英砂
1．假设你已经探究了果胶酶的最适温度(为45 ℃)和最适pH(为 4.8)，若还想进一步研究果胶酶的最适用量，此时，实验的自变量是______________________。合理设置果胶酶用量的梯度后，可通过苹果泥出汁的多少来判断酶的用量是否合适。请根据所给的材料和用具完成以下探究实验。
(1)材料用具：制备好的苹果泥、恒温水浴装置、试管、漏斗、滤纸、量筒、试管夹、质量分数为2%的果胶酶溶液、质量分数为0.1%的NaOH溶液和盐酸。
(2)实验步骤：
①取6支试管，编号为1～6，分别加入________________________，调节pH至4.8。
②向1～6号试管中分别加入________________________，然后放入45 ℃恒温水浴装置中____________。
③________________________________________________________________________。
(3)以上实验步骤的设计是否有不妥之处？如果有，试分析原因。
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案　果胶酶的用量　(2)①等量的苹果泥　②不同体积的pH为4.8的果胶酶溶液　保温相同时间　③过滤苹果泥并记录果汁体积　(3)有。为了保证苹果泥与果胶酶混合前后的温度相同，应先将盛苹果泥和果胶酶的试管放在同一温度的水浴装置中恒温，再将两者混合
解析　在探究影响果汁产量的酶的用量时，除酶的用量是变量外，其他条件都应相同且适宜。为了避免因混合导致温度变化而影响实验结果，应先将盛苹果泥的试管和盛不同量酶的试管放到相同温度下恒温，然后将两者混合。
2．(2010·浙江自选模块，17)某同学进行苹果汁制作实验，工艺如下图所示。
请据图回答：
(1)图中用KMnO4溶液浸泡苹果的目的是________。黑曲霉提取液中含有的________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________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____________。
(2)实验中，操作流程A和B的先后顺序为________。在苹果汁澄清过程中，应关闭的流速调节阀是______。要测定从固定化柱流出的苹果汁中是否有果胶，可取一定量的果汁与等量的________混合，如果出现________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________。
(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________使用。
答案　(1)消毒　果胶酶　吸附　未被固定的酶等　(2)A、B　阀1　乙醇　浑浊(沉淀)　慢　(3)重复
解析　(1)KMnO4有杀菌消毒的作用，可将苹果表面的杂菌杀死。果汁中因含有果胶等而使苹果汁浑浊，用果胶酶处理可使果胶水解，使果汁澄清。固定化酶技术是将酶固定在固定化柱的载体上，固定化柱内填充的石英砂可以起到很好的吸附作用。酶被固定后用蒸馏水冲洗是为了除去未被固定的酶。(2)具体操作时，先提取果胶酶，将果胶酶固定在固定化柱中，再将阀2打开，使苹果汁进入固定化柱，与酶接触，固定的果胶酶就能将果汁中的果胶分解，而果胶酶不流失。果胶中的果胶酸钙能与乙醇作用形成沉淀，故可用乙醇鉴定果汁中的果胶，如有浑浊现象，说明果汁中仍有果胶存在，此时应控制阀门2的流量，调慢果汁流速。(3)酶被固定化后，便于与反应物和产物分离，可重复利用，提高酶的利用率。
3．下图中A、B、C依次表示果胶酶浓度一定时，果胶酶的反应速率与反应物浓度、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率不再上升的原因是______________________。
(2)图B中，b点所对应的温度称____________________________________________。
如果你根据实验数据转换成的曲线图无法判断果胶酶的最适温度，你将如何改进？
________________________________________________________________________。
(3)图B中，曲线ab段表明________________________________________________，
bc段表明________________________________________________________________。
(4)将装有果胶酶与反应物的甲、乙两试管分别放入12 ℃和90 ℃水浴锅中，20 min后取出，转入40 ℃的水浴锅中保温，两试管内的反应是甲____________，乙____________。
(5)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。
答案　(1)受反应液中酶浓度的限制　(2)酶反应的最适温度　应根据适宜的温度范围尝试间隔近的温度梯度，重新实验　(3)在一定范围内，果胶酶的活性随温度升高而升高　高于最适温度，果胶酶的活性随温度升高而降低　(4)反应速率加快　无催化反应　(5)果汁的量
解析　酶是生物体内具有催化能力的有机物，其催化效率受反应物浓度、温度、pH的影响。(1)A图中，当反应物在低浓度范围内增加时，反应速率迅速上升；当反应物达到一定浓度时，随反应物浓度增加，反应速率不再增加。这是因为酶虽然有高效性，但催化能力也有一定限度，当所有酶都发挥了最高效能后，反应物浓度再增加，反应速率也不增加，这时受酶浓度影响。(2)B图中，b点催化效率最高，因此它所对应的温度就是酶反应的最适温度。根据实验数据转换成的曲线图无法判断果胶酶的最适温度时，应根据适宜的温度范围尝试间隔近的温度梯度，重新实验。(3)从a点到b点曲线上升，这是因为低于最适温度，温度升高，酶活性升高；曲线bc段下降，是因为高于最适温度，温度升高，酶活性降低。(4)由于甲试管温度较低，所以酶活性较低，反应速率很慢，当转入40 ℃(酶反应的适宜温度)的水浴锅中加热时，其反应速率迅速增加。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。(5)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活性。
4．工业生产果汁时，常常利用果胶酶破除果肉细胞壁以提高出汁率，为研究温度对果胶酶活性的影响，某学生设计了如下实验：
①将果胶酶与苹果泥分装于不同试管，在10 ℃水浴中恒温处理10 min(如图A)。
②将步骤①处理后的果胶酶和苹果泥混合，再次在10 ℃水浴中恒温处理10 min(如图B)。
③将步骤②处理后的混合物过滤，收集滤液，测果汁量(如图C)。
④在不同温度条件下重复以上实验步骤，并记录果汁量如下：
温度/℃ 10 20 30 40 50 60 70 80
果汁量/mL 8 13 15 25 15 12 11 10
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，是因为果胶酶可以促进细胞壁中________的水解。
(2)实验结果表明，当温度为________时果汁量最多，此时果胶酶的活性________。当温度再升高时，果汁量降低，说明________________。
(3)有人认为该实验缺乏对照实验，应补充一组苹果汁和蒸馏水相混合的实验，你认为有没有必要？
________________________________________________________________________。
(4)在自己家里榨的果汁很容易腐败，而果汁的包装瓶上写着“不含任何防腐剂，最长保质期为一年”，其中的奥妙在哪里？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案　(1)果胶　(2)40 ℃　最高　酶活性降低　(3)没有必要，本实验存在相互对照　(4)因为高温杀死了果汁瓶内的微生物，因此在不加防腐剂的条件下果汁也可以较长时间保存
解析　(1)细胞壁和胞间层的主要组成成分之一是果胶，而果胶酶则是水解果胶的一类酶的总称。(2)通过表中数据可知：在40 ℃时，产出的果汁量最多，在题中所给的温度范围内，40 ℃时酶活性最高。当温度升高时，酶的催化活性降低，果汁量降低。(3)该实验利用温度梯度作为相互对照，因此也就没有必要补充苹果汁和蒸馏水相混合的实验作对照了。(4)高温杀死了果汁瓶内的微生物，因此在不加防腐剂的条件下也可较长时间保存。

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