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专题4 酶的研究与应用
课题1果胶酶在果汁生产中的应用
课题背景
我国水果生产发展迅速，每年上市的新鲜水果品种多、数量大。但由于收获的季节性强，易造成积压滞销，腐烂变质。
水果的加工技术，不仅可以缓解产销矛盾，而且能够提高产品的附加值，满足人们不同层次的需求。水果的加工包括制作果汁、果干、果粉和果酒等。
在本课题中，我们将探究果胶酶在果汁生产中的应用，探究利用果胶酶制作苹果汁的适宜条件，自己动手制作苹果汁。
制作果汁要解决两个问题：一是果肉的出汁率低，耗时长；二是榨取的果汁浑浊、黏度高，易沉淀。
一、基础知识
（一）酶的基础知识
3、酶的作用机理
1、酶的概念
2、酶的本质及基本组成单位
4、酶的特性
酶是活细胞所产生的具有生物催化作用的一类特殊的有机物
蛋白质（大多数）或RNA； 基本组成单位：氨基酸或核糖核苷酸
酶能降低化学反应的活化能
高效性、专一性、需要适宜的条件
（二）果胶酶的作用
阅读课本P42的内容，思考下列问题：
什么是果胶，其单体是什么？
果胶对果汁制作的影响？
什么是果胶酶？
果胶酶在果汁制作中的作用是什么？
（二）果胶酶的作用
什么是果胶，其单体是什么？
果胶对果汁制作的影响？
果胶是植物细胞壁以及胞间层的主要组成成分之一，它是由半乳糖醛酸聚合而成的一种高分子化合物，不溶于水。
影响果汁的出汁率，还会使果汁浑浊。
果胶不仅会影响出汁率，还会使果汁浑浊。
植物细胞壁、胞间层的主要组成成分
半乳糖醛酸聚合而成的高分子化合物，不溶于水
植物细胞模式图
果胶：
3、如何能够提高水果的出汁率并使果汁变得澄清？
在生产上，人们使用果胶酶等来解决上述问题
4、什么叫果胶酶？
果胶酶并不特指某一种酶，而是分解果胶的一类酶的总称，包括多聚半乳糖醛酸酶、果胶分解酶和果胶脂酶等。
基础知识
果胶酶
果胶 　　　　半乳糖醛酸
5、果胶酶在果汁制作中的作用
① 分解果胶，瓦解植物的细胞壁及胞间层；使果胶水解为半乳糖醛酸。
② 提高水果的出汁率，并使果汁变得澄清。
（三）酶的活性与影响酶活性的因素
阅读课本P42—43的内容，思考下列问题：
什么是酶的活性？
表示酶活性高低的方法及衡量标准？
影响酶活性的因素有哪些？
1、什么是酶的活性？
2、表示酶活性高低的方法及衡量标准？
指酶催化一定化学反应的能力。
在一定的条件下，酶所催化的某一化学反应的反应速度可表示酶活性的高低。
酶反应速度用单位时间内单位体积中反应物的减少量或生成物的增加量来表示.
3、影响酶活性的因素有哪些？
在较低温度时，随着温度的升高，酶的活性也逐渐提高，达到最适温度时，酶的催化能力最高，但高于最适温度后，酶的催化能力迅速下降，最后完全失去催化能力。
A、温度对酶的影响
①温度：
温度、PH、酶抑制剂
酶活性受pH值影响的示意图
果胶酶的最适温度为45～50℃。
B、果胶酶的最适温度
C、高温使酶的活性丧失后，酶的活性可否恢复？为什么？低温呢？
不能恢复，因高温破坏了酶的分子结构，高温对酶造成不可逆的破坏。但低温使酶的活性降低后，缓慢恢复其温度活性仍可恢复。
酶的催化能力的发挥有一个最适pH ，在低于最适pH时，随着pH的升高，酶的催化能力也相应升高，高于最适pH时，随着pH的升高，酶的活性逐渐下降，pH过高或过低会使蛋白质变性，当蛋白质变性后，酶也就完全丧失了活性。
A、pH对酶的影响
② pH：
B、果胶酶的最适pH
果胶酶的最适pH范围为3.0～6.0。
酶活性受pH值影响的示意图
③酶的抑制剂：
Fe3＋、Cu2＋、Zn2＋等金属离子对果胶酶有抑制作用。
酶活性受pH值影响的示意图
酶活性受pH值影响的示意图
（四）果胶酶的用量：
1、酶的生产
①提取法：采用各种技术，直接从动物或微生物的细胞或组织中将酶提取出来（在原料充分的地区得以应用）。
②发酵法：通过微生物发酵来获得人们所需的酶（20世纪50年代以来生产酶的主要方法），如用曲霉、青霉等微生物发酵生产果胶酶。
③化学合成法：成本比较高，只能合成已知结构的酶。
2、控制酶的用量
生产果汁时，为了果胶酶得到充分的利用，节约成本，需要控制好酶的用量。
1、果胶酶的作用
①果胶：半乳糖醛酸聚合成的高分子化合物，不溶于水
②果胶酶：分解果胶的一类酶的总称
基础知识　　　　　
③果胶酶的作用
2、酶的活性与影响酶活性的因素
①酶的活性：催化能力。活性高低可用反应速度表示
小结
果胶酶
果胶 　　　　 半乳糖醛酸
②影响酶活性的因素：温度、PH、酶抑制剂
3、果胶酶的用量
适宜
温度、pH值、果胶酶的用量、
水果种类、水果泥的用量、酶作用反应的时间、过滤的方法、时间等。
实验设计
影响果汁出汁率的主要因素有哪些？
思考：
温度、PH主要影响酶的活性。阅读课本资料，学习有关探究实验的内容。
讨论：完成“温度对果胶酶活性的影响”的实验设计
（1）实验的题目：
（2）实验的目的：
（3）实验原理：
（4）实验材料与用具：
（5）实验方法、步骤：
（6）预测实验结果：
（7）结论：
实验设计
二、实验设计
（一）探究温度对果胶酶活性的影响:
1. 讨论：该实验中，哪个因素作为自变量？ 哪个因素为因变量？应控制哪些因素不变？
自变量: 温度
因变量：果汁的体积或澄清度。
无关变量：苹果泥的用量、果胶酶的用量和浓度、水浴的时间、反应的时间、过滤的时间等。
实验设计
2、设计原则：
3、探究方法：
对照原则和等量原则。
通过设置温度梯度的手段进行探究。
实验设计
4、设计实验方案，确定实验程序:
设计实验方案时，必须考虑的具体问题
①确定温度梯度
果胶酶的适宜温度为45-50℃
确定温度梯度为5C0或 10C0
实验设计
②确定控制温度的方法和措施
③确定水果种类
恒温水浴锅或如右图这样用冰水或热水勾兑保温
效果较好的实验材料：苹果、橙子、梨
实验设计
苹果 梨 西红柿 橙子
按水果：水=1:3的质量比进行搅拌，获得稀的果泥
实验设计
⑤确定水果泥的用量
可以采用5g(约为5 mL)左右
实验设计
⑦测定果胶酶活性的方法
⑥确定果胶酶的用量
用量：
质量百分比浓度为 1～2%的果胶酶溶液2 mL。
　过滤水果泥，通过测定滤出的果汁的体积大小来判断果胶酶活性的高低
⑧果汁过滤
（1）可用滤纸，但过滤所需时间长，滤液较少；
（2）也可用一层纱布，但果汁澄清度较差。
特别提示：此时提醒学生充分过滤，并防止果汁洒出。
实验设计
⑨记录实验数据
用量筒测量滤出的果汁，精确到0.1mL，记录到表格中。
实验设计
探究温度对果胶酶活性的影响
1.实验原理:
（1）果胶酶活性受温度的影响，在最适温度下，其活性最高。
（2）果肉出汁率、澄清度与果胶酶活性成正比。
实验设计
2.实验仪器和设备：
特别提示：如果用恒温水浴箱，则可以不使用酒精灯、石棉网
烧杯、量筒、试管、漏斗、温度计、玻璃棒、滤纸、滴管、三角架、酒精灯、石棉网
榨汁机、
电子天平、
恒温水浴箱
2、实验操作流程：
⑴制备水果泥
⑵配制果胶酶
⑶保温——苹果泥和果胶酶分别进行（多个温度）
⑷将水果泥和果胶酶混合保温
⑸过滤出果汁
⑹记录果汁量
⑺改变不同的温度/PH后重复以上实验
①、用榨汁机榨取适量的苹果汁（苹果泥），并配制
一定浓度的果胶酶备用。
②、取大烧杯 只，并注明温度：300C、 350C、
400C、 450C、 500C、 550C 、600C 、650C 、700C 。
9
③、取试管 支， 支倒入10mL果汁（A管），
支倒入2mL 溶液（B管）。
18
9
9
果胶酶
④、将不同温度的水倒入相应的烧杯中，每只烧杯中
放入 试管各一支，并插入一支温度计。在
恒温水浴中保温。
A管
B管
⑤、保持水温恒定。一段时间后
将果胶酶和苹果泥混合
⑥、利用 处理后的果汁，
用量筒测量果汁的体积并设计表格记录。
长颈漏斗过滤
设计记录数据的表格
温度/OC
果汁量/ml
30
35
40
45
50
55
60
65
70
6
8
9
12
11
9
7
5
3
[得出结论与分析]
画曲线图；最适温度
在实际的操作过程中，还需要注意下列事项：
1．与其他工业用酶基本相同，果胶酶的适宜温度范围也比较宽泛，因此，可以选用10 ℃作为温度梯度，设置的具体温度为10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃和60 ℃等，课题中以5 ℃作为温度梯度。
2．水浴时间一般为20～30 min。
实验设计　　　
(1)将苹果洗净去皮，用磨浆机制成苹果泥，加入适量蒸馏水备用。
2、实验操作流程
(2) 分别向编号为l～9的9个100 mL洁净的烧杯中各加入20ml苹果泥
(3)将试管中的果胶酶溶液和烧杯中的苹果泥的温度分别调至0℃、10 ℃ 、20 ℃ 、…、 80 ℃ ，再把温度相等的果胶酶溶液和苹果泥相混合后，放置一段时间。
(4)过滤后测量记录果汁体积（量）
将果泥和果胶酶分装在不同的试管中恒温处理，可以保证底物和酶在混合时的温度是相同的，避免了果泥和果胶酶混合时影响混合物的温度，从而影响果胶酶活性的问题。

为什么在混合苹果泥和果胶酶之前，要将果泥和果胶酶分装在不同的试管中恒温处理？
（二）探究pH对果胶酶活性的影响
果胶酶的活性受pH影响，处于最适pH，酶的活性最高，高于或低于此值活性均下降。果肉的出汁率、果汁的澄清度与果胶酶的活性大小成正比。
1、实验原理
2、实验操作流程:
2、实验操作流程
有两位同学分别用以下两种方法操作：
(1)将苹果洗净去皮，用磨浆机制成苹果泥，加入适量蒸馏水备用。
(2) 分别向编号为l～7的7个100 mL洁净的烧杯中各加入20ml苹果泥之后，下面两种操作：
方法一：将试管中的果胶酶溶液和烧杯中的苹果泥相混合，再把混合液的pH分别调至4、5、6…10。
方法二：将试管中果胶酶溶液和烧杯中苹果泥的pH分别调到4、5、6……10，再把pH相等的果胶酶溶液和苹果泥相混合。
　请问哪一种方法更为科学，并说明理由？
实验设计　
请问哪一种方法更为科学，并说明理由？
　　方法二的操作能够确保酶的反应环境从一开始达到实验预设的pH（或“方法一的操作会在达到预定pH之前就发生了酶的催化反应”）。
（2）实验步骤中有玻璃棒搅拌的操作，其目的是使什么？
酶和反应物（果胶）充分地接触,催化反应，以减少实验误差
实验设计　
(3)如果用曲线图的方式记录实验结果，在现有的条件下，以横坐标表示pH，纵坐标表示(果汁体积或果胶分解速率)，实验操作和记录是比较切实可行的。根据你对酶特性的了解，请在下图中选择一个最可能是实验结果的曲线图　　。若实验所获得的最适宜pH=m，请你在所选的曲线图中标出“m”点的位置。
甲
m
果胶分解率
3、设计记录数据的表格
PH
果汁量/ml
4、得出结论与分析：
画曲线图；最适PH
实验设计　
问2．在探究温度或pH的影响时，是否需要设置对照？如果需要，又应该如何设置？为什么？
　　需要设置对照实验，但不用另外设置，不同的温度梯度之间或不同的pH梯度之间就可以作为对照，这种对照称为相互对照。
问3．A同学将哪个因素作为变量，控制哪些因素不变？为什么要作这样的处理？B同学呢？（p44)
实验设计　
A同学：自变量：温度（或pH） 不变：苹果泥、果胶酶用量，反应、过滤时间等。
只有保证一个变量，实验结果才能说明问题。
B同学：对于变量的控制应该与A相同
但观察因变量的角度不同。
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应了果胶酶的催化分解果胶的能力。在不同的温度和pH下，果胶酶的活性越大，苹果汁的体积就越大。
4想一想: 为什么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？
　温度是变量，应控制果泥量、果胶酶的浓度和用量、水浴时间和混合物的pH等所有其他条件不变。只有这样才能保证只有温度一个变量对果胶酶的活性产生影响。
问5．当探究温度对果胶酶活性的影响时，哪个因素是变量，哪些因素应该保持不变？
实验设计　
需要设置对照实验，不同的温度梯度之间或不同的pH梯度之间就可以作为对照，这种对照称为相互对照。

在探究温度或pH的影响时，是否需要设置对照？如果需要，又应该如何设置？为什么？
（三）探究果胶酶的用量：
1、实验原理：在一定的条件下，随着酶浓度的增加，果汁的体积增加；当酶浓度达到某一数值后，在增加酶的用量，果汁的体积不再改变，此值即是酶的最适用量。
自变量：果胶酶的量
因变量：果汁的体积
实验设计 　
　 探究果胶酶的用量是建立在探究最适温度和pH对果胶酶活性影响的基础之上的。此时，研究的变量是 ，其他因素都应 。
果胶酶的用量
保持不变
思考：该实验中，如何设置酶用量的梯度？
方案①：不同浓度相同体积的果胶酶溶液
方案②：同一浓度不同体积的果胶酶溶液
实验设计 　
需要注意的是，反应液的pH必须相同，否则将影响实验结果的准确性。
设置酶用量梯度
准确称取纯的果胶酶1mg、2mg、3mg、4mg、5mg、6mg、7mg、8mg、9mg，配制成相等体积的水溶液，放入9支试管中，并编号1～9。
b. 制备水果泥
另取9支试管各加入5g（即5ml）水果泥。
2、实验步骤：
实验设计 　
试管编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
果胶酶含量 （mg/每克果汁） 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.3 1.4 1.5
果汁量（ml）
实验结果记录表格如下：
c. 将上述试管放入40℃恒温水浴保温5分钟，
d. 将不同浓度的果胶酶溶液分别迅速与各试管的水
果泥混合，然后再放入40℃水浴保温20分钟。
e. 过滤出果汁，用量筒测量果汁的体积。
实验设计 　
实验设计 　
榨出的果汁与果胶酶用量的关系曲线图
实验设计 　
3、结论与分析：
最适用量
注意：不同条件，最适用量不相同
①本实验的自变量、因变量、无关变量分析(以探究果胶酶的用量实验为例)
变量名称 含 义 实例 关 系
实验变量(自变量) 实验中实验者所操纵的因素或条件 实验变量为原因，反应变量是结果，二者是因果关系
反应变量(因变量) 由于实验变量而引起的变化和结果
无关变量 除自变量外，对实验结果造成干扰的其他因素
果胶酶的量
果汁量
温度等
知识拓展
②实验结果与分析：
③根据你对酶的特性的了解，画出实验结果的可能坐标曲线：
如果随着酶浓度的增加，过滤到的果汁的体积也增加，说明酶的用量不足；当酶的浓度增加到某个值后，再增加酶的用量，过滤到的果汁的体积不再改变，说明酶的用量已经足够，那么，这个值就是酶的最适用量。
三、结果分析与评价
1、温度、pH与果胶酶活性的关系
一般为50mg/l左右，因为用此浓度处理果汁2～4小时后果汁率增加10％后不再增加。
2、在最适温度和pH条件下制作1L苹果汁，使用多少果胶酶最合适？为什么？
3、你做出了澄清的苹果汁了吗？粗略地估算你制作1 L苹果汁的成本，其价格接近于市场价吗？如果有明显不同，你能分析产生差异的原因吗？
苹果泥的用量、果胶酶的用量和酶的催化条件如温度、PH是否适宜等不仅影响到是否
制作出澄清的苹果汁，还影响到苹果汁制作的成本。
4、如果从你绘制的曲线图中无法判断出果胶酶的最适pH或温度，你将如何改进实验方法？
（1）重新设置温度或PH梯度。
（2）检查无关变量是否一致并最适宜。
课后练习
（P45)
大规模生产与实验室制备的主要不同点是：
1.有两次瞬间高温灭菌；
2.酶处理的时间相对较长；
3.有离心分离步骤和浓缩步骤。
1、分别用0℃和100 ℃的温度处理某种酶后，酶都没有活性，但（ ）
A
A、经过0℃处理的酶活性能够恢复
B、经过100℃处理的酶活性能够恢复
C、经过0℃处理的酶的空间结构遭破坏
D、经过100℃处理的酶被水解成了氨基酸
课堂练习
2、将乳清蛋白、淀粉、胃蛋白酶、唾液淀粉酶和适量的水混合装入一个容器内，调整pH至2.0，保存于37℃的水浴锅内。过一段时间后，容器内剩余的物质是（ ）
A、淀粉、胃蛋白酶、多肽、水
B、唾液淀粉酶、淀粉、胃蛋白酶、水
C、唾液淀粉酶、胃蛋白酶、多肽、水
D、唾液淀粉酶、麦芽糖、胃蛋白酶、多肽、水
A
提示：唾液淀粉酶最适pH＝6.8，其化学本质是蛋白质
3.果胶酶常在0-4℃下 保存。其原因是
Ａ．此温度条件下，酶的活性最高。
Ｂ．此温度条件下，酶变性失活。
Ｃ．低温可降低酶的活性，但酶不变性失活。
Ｄ. 自然条件下，果胶酶常在0-4℃下发生催化
作用。
C
4．果胶酶是分解果胶的一类酶的总称，它不包括 ( )
A．多聚半乳糖醛酸酶 B．果胶分解酶
C．乳糖分解酶 D．果胶酯酶
C
5．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
D
6．在用果胶酶处理果泥时，为了使果胶酶能够充分地催化反应，应采取的措施是 ( )
A．加大苹果泥用量
B．加大果胶酶用量
C．进一步提高温度
D．用玻璃棒不时地搅拌反应混合物
D
7．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果汁率，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分钟（如图A）
③将步骤②处理后的混合物过滤，收集滤液，测量果汁量（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，结果如下表：
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分钟（如图B）。
温度/℃ 10 20 30 40 50 60 70 80
出汁量/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）实验步骤①的目的是：_________________________
___________________________________。
（4）为什么说果汁体积越大，酶的活性越高？
果胶
40℃
最高
温度升高，酶的活性降低
使得酶与果泥处于
同一温度条件下。
果胶酶可将果胶分解为小分子物质，小分子物质可以通过滤纸。所以苹果汁的体积就越大，表明果胶酶的活性越高。
8.某生物课外活动小组发现，新鲜水果比放置一段时间的水果硬。他们根据所学知识，认为可能的原因是放置一段时间的水果果胶酶含量高，而且果胶酶能将细胞壁分解，使水果细胞相互分离，导致水果变软。为了探究上述假设是否正确，他们进行了如下探究：
实验原理： ____________________________________________
_____________________________________。
实验假设：______________________________________________
_____________________________________。
实验方法步骤：
果胶酶能将胞间层的果胶分解，
放置一段时间的水果果胶酶含量
使细胞分散，水果变软。
比新鲜水果高 。
（1）称等量的去皮的新鲜苹果和放置一段时间的苹果切成小块，放在榨汁机中，制成果泥，
（2）用滤纸或5层纱布过滤，收集滤液（条件相同）。
（3）___________________________。
（4）结果：新鲜苹果收集的滤液少，澄清度低。 　　 　　　　
（5）结论：___________________________ ________________
（6）根据此实验，能否得出水果放置时间越长，营养价值越高的结果？
　　　　　　　　　　
观察比较滤液的体积和澄清度
放置一段时间的水果果胶酶含量
不能。因为水果放置时间过长，维生素C损耗多。
比新鲜水果高 。
9．验证果胶酶在果汁生产中的作用。
实验方法及步骤：
(1)将苹果洗净去皮，用磨浆机制成苹果泥，加入适量蒸馏水备用。
(2)取两个100 mL洁净的烧杯，编号l、2，按相应程序进行操作，请把表中未填写的内容填上。
注入果胶酶溶液
2mL
(3)取两个烧杯，同时进行过滤。观察(或比较)，
________________________________________，并记录结果。
(4)实验结果的预测及结论：如果是___________
_______________________________________________________，说明果胶酶对果胶的水解具有催化作用。
相同时间滤出的果汁的体积及果汁的澄清度
1号烧杯中
果汁的体积多于2号烧杯中的果汁，澄清度也
高于2号烧杯
10．关于果胶及果胶酶的叙述中，正确的是
Ａ．果胶酶不溶于乙醇。
Ｂ．果胶不溶于乙醇。
Ｃ．加热使果胶变性失活。
Ｄ．加热使果胶酶活性增强。
B

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