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酶的應用 A組　基礎過關 1.[2018浙江4月選考,32(一),7分]回答與果膠、淀粉等提取和利用有關的問題: 某植物富含果膠、淀粉、蛋白質和纖維素成分。某小組開展了該植物綜合利用的研究。 (1)果膠提取工藝研究結果表明,原料先經過一段時間沸水漂洗的果膠得率(提取得到的果膠占原粒質量的百分率)顯著高于常溫水漂洗的果膠得率,最主要原因是沸水漂洗　　　　(A.有助于清洗雜質和去除可溶性糖　B.使植物組織變得松散　C.使有關酶失活　D.有利細胞破裂和原料粉碎制漿)。 (2)在淀粉分離生產工藝研究中,為促進淀粉絮凝沉降,添加生物絮凝劑(乳酸菌菌液),其菌株起重要作用。為了消除絮凝劑中的雜菌,通常將生產上使用的菌液,采用　　　　　　,進行單菌落分離,然后將其　　　　,并進行特性鑒定,篩選得到純的菌株。 (3)在用以上提取過果膠和淀粉后的剩渣加工飲料工藝研究中,將剩渣制成的汁液經蛋白酶和纖維素酶徹底酶解處理后,發(fā)現(xiàn)仍存在渾濁和沉淀問題?？商砑印　　　　　　　　　∈构z徹底分解成半乳糖醛酸,再添加　　　　　　　　　,以解決汁液渾濁和沉淀問題。 (4)在建立和優(yōu)化固定化酶反應器連接生產工藝研究中,通常要分析汁液中各種成分的濃度和所用酶的活性,然后主要優(yōu)化各固定化酶反應器中的　　　　　　　　　　　　(答出2點即可)、反應液pH和酶反應時間等因素。其中,酶反應時間可通過　　　　　　　　　　來調節(jié)。 答案　(1)C　(2)劃線分離法(或涂布分離法)　擴大培養(yǎng) (3)果膠酶和果膠甲酯酶　淀粉酶使淀粉分解　(4)固定化酶的量、反應液溫度　控制反應器液體流量(或體積) 解析　(1)根據題意,原料經過沸水漂洗能提取更多的果膠,推測主要原因是沸水漂洗使有關酶失活,使果膠不能被進一步催化分解。(2)要消除絮凝劑中的雜菌,可采用涂布分離法或劃線分離法,獲得單菌落,再通過擴大培養(yǎng),鑒定篩選到較純的菌株。(3)果膠需要在果膠酶和果膠甲酯酶作用下才能徹底分解成半乳糖醛酸。因剩渣中還含有淀粉,所以再添加淀粉酶,以解決汁液渾濁和沉淀問題。(4)固定化酶反應器的應用,需要考慮優(yōu)化其中固定化酶的用量、反應液溫度、反應液pH和酶反應時間等因素。酶反應時間可以通過流速來調節(jié)。 2.回答下列有關果膠、果汁和果膠酶等問題。 (1)果膠是植物細胞壁的主要成分,起著將植物細胞　　　在一起的作用。制作果汁時可加入果膠酶和　　　　　　以分解果膠,提高果汁出汁率和澄清度。 (2)生產果膠酶可從黑曲霉中提取,下列適于黑曲霉擴大培養(yǎng)的培養(yǎng)基是　　　(A.蛋白胨和酵母提取物培養(yǎng)基　B.尿素固體培養(yǎng)基　C.MS培養(yǎng)基　D.添加蔗糖的豆芽汁培養(yǎng)基)。由于果膠酶溶于水,不利于重復使用,可通過物理或化學方法將果膠酶固定在某種介質上,使之成為不溶于水而又有　　　　的制劑。 (3)用果汁制作果酒,以果汁為原料,加入一定比例的蔗糖目的是　　　　　　　　　　　　　　　　　。最后倒入酵母懸液,混勻,加蓋;發(fā)酵開始時,由于微生物的需氧呼吸會使發(fā)酵瓶內出現(xiàn)　　　,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 答案　(1)粘合　果膠甲酯酶　(2)D　酶活性　(3)提高果酒的酒精和糖的含量(寫全給分)　負壓　需氧呼吸消耗氧氣,產生的二氧化碳易溶于水 解析　(1)果膠是植物細胞壁的主要成分之一,存在于相鄰細胞壁間的胞間層中,起著將細胞粘合在一起的作用。制作果汁時可加入果膠酶和果膠甲酯酶以分解果膠,提高果汁出汁率和澄清度。(2)黑曲霉是異氧需微生物,擴大培養(yǎng)需要含有有機物的液體培養(yǎng)基,而A、B、C選項所給的培養(yǎng)基都是固體培養(yǎng)基,不適合擴大培養(yǎng),而D選項所給的添加蔗糖的豆芽汁培養(yǎng)基是液體培養(yǎng)基且含有有機物蔗糖,適合擴大培養(yǎng)黑曲霉,故選D。由于果膠酶溶于水,不利于重復使用,可通過物理或化學方法將果膠酶固定在某種介質上,使之成為不溶于水而又有酶活性的制劑。(3)用果汁制作果酒,以果汁為原料,加入一定比例的蔗糖目的是提高果酒的酒精和糖的含量。最后倒入酵母懸液,混勻,發(fā)酵開始時,由于微生物的需氧呼吸會使發(fā)酵瓶內出現(xiàn)負壓,原因是需氧呼吸消耗氧氣,產生的二氧化碳易溶于水。 3.桑葚是一種很好的食用水果,也常用來制成果汁或釀成果酒。大致流程如下: 在制作果汁時,為了增加出汁率和澄清度(用果汁透光率表示),常加入果膠酶。加酶后的某研究結果如下。 表　果膠酶劑量與果汁中果膠含量、透光率的關系 酶劑量(mL/L) 0.05 0.08 0.10 0.13 0.15 0.17 0.19 0.21 0.23 0.25 果膠含量程度 ++ ++ + + - - - - - - 透光率(%) 80 84 88 92 95 95 95 95 92 87 注:果膠含量程度“+”表示果膠陽性反應,“-”表示果膠陰性反應。 果汁中果膠的含量可用加入酒精的方法進行檢測,其原理是　　　　　　　　　,表中果膠陽性反應的現(xiàn)象是　　　　　　。在生產應用中,考慮到生產成本因素,建議果膠酶的使用劑量為　　　　mL/L。當果膠酶劑量超過0.21 mL/L時,透光率反而下降,這時使果汁變渾濁的物質是　　　　。 答案　果膠不溶于酒精　出現(xiàn)絮狀物　0.15　果膠酶 解析　果膠不溶于乙醇,可用以檢測果膠,陽性現(xiàn)象是出現(xiàn)絮狀沉淀。根據表中數(shù)據,果膠酶使用量為0.15 mL/L較佳。果膠酶過多,會使果汁變渾濁。 4.1833年,Payen和Personz從麥芽的水抽提物中,用酒精沉淀得到了一種對熱不穩(wěn)定的物質,它可以使淀粉水解為可溶性糖,后來知道這種物質就是淀粉酶。淀粉酶有多種類型,如α-淀粉酶可使淀粉內部隨機水解,β-淀粉酶則使淀粉從末端以兩個單糖為單位進行水解。下圖為研究pH對兩種淀粉酶相對活性影響的研究結果。請據圖回答相關的問題: (1)與α-淀粉酶水解淀粉的終產物相比,β-淀粉酶水解淀粉的主要產物為　　　　。從圖中可知,　　　淀粉酶在人體胃液(pH=1.8左右)中的活性更高。 (2)在驗證pH對淀粉酶活性影響的實驗中,酶的相對活力的大小可以用　　　　　　　　　　　來表示。某同學設計了以下兩種實驗方案: ①先分別在試管中加底物,再加酶,然后一起放在相應的pH條件下保溫,一段時間后檢測。 ②先分別在試管中加底物,再加入在相應的pH條件下保溫的酶,一段時間后檢測。 為了使實驗結果更加可靠,應選擇哪種方案,并說明理由:　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。 答案　(1)麥芽糖　α　(2)單位時間內底物的消耗量(或單位時間內產物的生成量)　方案②,因為如果酶和底物先混合,還沒放到對應的pH條件下,化學反應已經進行,會干擾實驗結果 解析　淀粉的基本單位為葡萄糖,麥芽糖是由兩個葡萄糖組成的,根據題意可知,α-淀粉酶可使淀粉內部隨機水解,因此淀粉水解終產物中含有葡萄糖,β-淀粉酶則使淀粉從末端以兩個單糖為單位進行水解,兩個單糖剛好構成麥芽糖。圖中α-淀粉酶和β-淀粉酶適宜的pH不同,曲線中看出它們分別為6、4.5,但部分酸性較弱的范圍內,α-淀粉酶比β-淀粉酶活性高;之后又出現(xiàn)α-淀粉酶比β-淀粉酶的活性低;當pH超過5.5時,則再次出現(xiàn)α-淀粉酶比β-淀粉酶的活性較高的情況。 (1)根據前面的分析可知,β-淀粉酶可使淀粉從末端以兩個單糖為單位進行水解,兩個單糖剛好構成麥芽糖,所以該淀粉酶水解淀粉的主要產物為麥芽糖。從圖中可知,在pH為1.8時,α-淀粉酶比β-淀粉酶活性更高。(2)酶活性大小可用單位時間內底物的消耗量(或單位時間內產物的生成量)表示,量越大,酶活性越高。對比兩種方案,方案①中酶和底物(淀粉)都沒有在每個特定的pH條件下處理,直接讓它們混合,這樣會導致每個實驗組在沒有達到設定的pH時酶就開始催化底物了,導致得到的實驗結果不一定是在所設定pH條件下的實驗結果,所以選擇方案②更可靠。 B組　能力提升 1.如圖為固定化酶的反應柱示意圖,其中①為反應柱,②為固定化酶,③為分布著小孔的篩板,請據圖回答: (1)關于固定化酶中用到的反應柱,理解正確的是(　　) A.反應物和酶均可自由通過反應柱 B.反應物和酶均不能通過反應柱 C.反應物能通過,酶不能通過 D.反應物不能通過,酶能通過 (2)與一般酶制劑相比,固定化酶的突出優(yōu)點是　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　,固定化細胞的優(yōu)點是　　　　　　　　　　　　　　。 (3)③的作用是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (4)制作固定化葡萄糖異構酶所用的方法有　　　　　　　(至少兩種)。 答案　(1)C　(2)既能與反應物接觸,又能與產物分離,能被反復利用　成本更低,操作更容易　(3)使酶顆粒無法通過,反應液能自由通過　(4)吸附法、交聯(lián)法、包埋法等(答出兩種即可) 解析　與一般酶制劑相比,固定化酶不僅能與反應物充分接觸,還能與產物分離,并且可以反復利用。但是與固定化細胞相比,固定化酶不能催化一系列的化學反應,并且固定化細胞成本更低,操作更容易。使用固定化酶技術往往利用一個反應柱,反應柱下端有一個分布著小孔的篩板,載體顆粒無法通過,而反應液卻可以自由出入。而固定化酶就被固定在載體顆粒中。 2.草莓汁酸甜適口,深受大眾喜愛,加工草莓汁時,草莓中的果膠易導致果汁渾濁,影響品質。為探究制作果汁的最佳條件,研究人員進行了實驗,結果如下表所示。 組別 果膠酶用量 (mL/kg) pH 溫度(℃) 草莓汁 透光率(%) 1 0.025 2.5 35 24.55 2 0.035 4.5 35 96.47 3 0.035 2.5 45 22.70 4 0.045 3.5 35 96.47 5 0.045 2.5 55 13.12 請回答: (1)草莓細胞中,去掉果膠,會使植物組織變得松散,這是因為果膠具有　　　　　　　　　　　的作用。果膠酶通過　　　作用促進果膠的水解反應,使草莓細胞彼此容易分開。 (2)生產過程中,既可獲得澄清度高的草莓汁,又可減少酶的用量,降低成本的條件組合是第　　　組。為測定該組條件下處理后的草莓汁中是否還有果膠,可取一定量的草莓汁與等量的　　　　混合。 (3)果膠酶可從某些微生物如　　　　　　　　中提取,為提高生產效率,可將此酶固定在適宜介質上制成　　　　　　。 (4)在合適條件下,將果膠酶與海藻酸鈉混合后,滴加到一定濃度的鈣離子溶液中,使液滴形成凝膠固體小球。該過程是對酶進行　　　　。 A.吸附　　　B.包埋　　　C.裝柱　　　D.洗滌 答案　(1)將植物細胞粘合在一起　催化　(2)2　95%乙醇　(3)黑曲霉(或蘋果青霉)　固定化酶　(4)B 解析　根據表格分析,該實驗的自變量有果膠酶用量、pH、溫度,因變量是草莓汁透光率。草莓汁透光率越高,說明果膠酶分解程度越高,因此表格中2、4組酶的酶的用量與pH組合最佳,且說明35 ℃比較適宜。(1)植物細胞壁的成分主要為纖維素和果膠,果膠具有將植物細胞粘合在一起的作用;根據酶的專一性,果膠酶通過催化作用促進果膠的水解反應,使草莓汁澄清。(2)分析表格可知,草莓汁透光率越高,果膠分解得越充分,表格中組別2和組別4草莓汁的澄清度最高,而組別2的酶用量少,可以降低成本;為測定該組條件下處理后的草莓汁中是否還有果膠,可取一定量的草莓汁與等量的95%乙醇混合。(3)果膠酶可從某些微生物如黑曲霉(或蘋果青霉)中提取,為提高生產效率,可將此酶固定在適宜介質上制成固定化酶。(4)固定化酶和固定化細胞的方法主要有包埋法、物理吸附法和化學結合法。題干所述方法是將提純的果膠酶與海藻酸鈉混合后,滴加到一定濃度的鈣離子溶液中,使液滴形成凝膠固體小球,所以該過程屬于包埋法。 3.耐高溫淀粉酶在大規(guī)模工業(yè)生產中有很大的實用性。如圖表示從熱泉的嗜熱菌樣品中進行篩選分離菌種,經過耐高溫淀粉酶的提純和固定化后,用于工業(yè)化生產的過程。請回答: (1)①過程進行的操作為　　　　　　　　,②過程實施的是　　　　　　　　分離法:可根據Ⅰ號培養(yǎng)基上　　　　　　　　的大小,來確定需擴大培養(yǎng)的目標菌種。 (2)Ⅰ號培養(yǎng)基中除了加入淀粉外,還需加入另一種重要的營養(yǎng)成分是　　　　(A.瓊脂　B.葡萄糖　C.硝酸銨　D.碳酸氫鈉),并放在高溫條件下培養(yǎng)。 (3)將適量經提純的耐高溫淀粉酶通過　　　　法固定在石英砂上,形成固定化酶柱,此后用一定濃度的淀粉溶液進行過柱試驗,可往流出液中滴加　　　　溶液檢測酶的催化效果,但結果發(fā)現(xiàn)流出液顯藍色,請分析在上述操作中存在的可能原因是　 　(至少寫出兩點)。 答案　(1)稀釋　涂布　菌落周圍透明圈　(2)C　(3)吸附　KI-I2　要取反應一段時間后的流出液進行顯色反應;液體過柱的流速過快等 解析　(1)圖示代表菌種的稀釋、分離和擴大培養(yǎng)等過程;Ⅰ號培基上的菌種分離是涂布分離的結果,Ⅱ號培養(yǎng)基上的菌種分離是劃線分離的結果,目標菌種應選擇菌落周圍透明圈較大的。(2)Ⅰ號培養(yǎng)基的目的是篩選到目標菌種,故為選擇培養(yǎng)基;除淀粉作為碳源外,還應滿足氮源的需要,選項C為無機氮源,能滿足需要。(3)石英砂具有較強的吸附性,用其進行的固定化方法為吸附法;過柱后流出液中的淀粉是否完全分解為糊精,可通過加入KI-I2溶液進行檢測;分析流出液中仍存在淀粉的可能原因,要求熟悉教材實驗的操作流程,分別從洗柱、過柱、調速、檢測等環(huán)節(jié)尋找可能的原因。 4.某校生物興趣小組為探究不同濃度果膠酶對蘋果勻漿出汁率的影響,進行了如下實驗。實驗步驟: ①制備蘋果勻漿:將蘋果洗凈,切成小塊,用榨汁機打碎成蘋果勻漿。加熱蘋果勻漿到100 ℃,再冷卻至50 ℃左右。 ②配制不同濃度的酶液:取5支10 mL的試管,依次編號為2~6號。分別加入不同量的質量濃度為10 g/mL的果膠酶溶液,再分別加入蘋果酸定容至10 mL,獲得質量濃度分別為2 g/mL、4 g/mL、6 g/mL、8 g/mL、10 g/mL的果膠酶溶液備用。 ③降解蘋果汁(如下圖)。 ④沉淀:向上述6只燒杯中添加明膠、活性炭等物質攪拌處理,充分混勻后靜置,分別過濾。 記錄并處理結果:用量筒測量澄清濾液(即蘋果汁)的體積,記入表格,并計算出汁率。 請回答下列問題: (1)果膠酶能提高蘋果的出汁率并使果汁澄清的原理是　　　　　　　　　。 (2)步驟①中,將蘋果勻漿先加熱到100 ℃的目的是　　　　　　　　　　　　 　　　。 (3)步驟②中,在2~6號試管中加入10 g/mL果膠酶溶液的量分別是　　　　　　　　　　　　　;步驟③中,在1號燒杯中加入1 mL　　　　。 (4)根據預期結果,請繪制出蘋果出汁率與果膠酶濃度之間大致的關系曲線,并在坐標軸上標出蘋果最高出汁率所需的果膠酶最佳濃度。 答案　(1)果膠酶能分解果膠,瓦解細胞壁　(2)使蘋果中的酶失活,防止對實驗結果產生干擾　(3)2 mL、4 mL、6 mL、8 mL、10 mL　蘋果酸 (4)如圖: 解析　(1)果膠酶能分解果膠,瓦解細胞壁,從而提高出汁率并使果汁澄清。(2)將蘋果勻漿加熱到100 ℃,可使蘋果中原有的酶失活,防止對實驗結果產生干擾。(3)欲獲得 x g/mL的濃度,應加入x mL果膠酶溶液。(4)出汁率曲線的起點在縱軸某點,在一定范圍內隨果膠酶濃度升高,出汁率上升,達到飽和點后穩(wěn)定不變。