专题4 酶的研究与应用
酶是细胞合成的生物催化剂，几乎所有的生命活动都离不开酶。随着生物科学技术的发展，酶已经走出实验室，走进人们的生产和生活。成吨的葡萄糖靠酶来生产；加酶洗衣粉、加酶牙膏在商店货架上比比皆是；药店里有助消化的多酶片；医院里有用于诊断检测的酶传感器……然而，酶的商品化生产和应用并非易事。在本专题中，我们将重点研究酶在生产生活中的实际应用，包括制作果汁、洗涤衣物以及通过细胞的固定化技术应用酶。
课题1 果胶酶在果汁生产中的作用
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。
制作果汁要解决两个主要问题：一是果肉的出汁率低，耗时长；二是榨取的果汁浑浊、黏度高，容易发生沉淀。在生产上，人们使用果胶酶、纤维素酶等来解决上述问题。在本课题中，我们将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。
基础知识
(一)果胶酶的作用
果胶酶有什么作用？观察图4-1，不难找到答案。果胶酶为什么能够提高水果的出汁率并使果汁变得澄清呢？回答这个问题，需要了解植物细胞壁和胞间层的组成成分——果胶。
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。在果汁加工中，果胶不仅会影响出汁率，还会使果汁浑浊。果胶酶(图4-2 )能够分解果胶，瓦解植物的细胞壁及胞间层，使榨取果汁变得更容易，而果胶分解成可溶性的半乳糖醛酸，也使得浑浊的果汁变得澄清。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、果胶分解酶和果胶酯酶等。
? 植物、霉菌、酵母菌和细菌均能产生果胶酶。由霉菌发酵生产的果胶酶是食品加工业中使用量最大的酶制剂之一，被厂泛地应用于果汁加工业。
(二)酶的活性与影响酶活性的因素
酶的活性是指酶催化一定化学反应的能力。酶活性的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度来表示。在科学研究与工业生产中，酶反应速度用单位时间内、单位体积中反应物的减少量或产物的增加量来表示。
温度、pH和酶的抑制剂等条件会影响酶的活性，果胶酶也是这样。在本课题中，我们首先要探究温度、pH对果胶酶活性的影响。
(三)果胶酶的用量
生产果汁时，为了使果胶酶得到充分的利用，节约成本，需要控制好酶的用量。在本课题中，我们在探究了果胶酶催化反应的最适pH和最适温度的基础上，还要进一步探究对于一定量的苹果泥，使用多少果胶酶最合适。 实验设计
请你根据下面提供的两个资料进行实验设计，写出详细的实验方案。 [资料一] 探究温度和pH对酶活性的影响
你已经研究过温度和pH对唾液淀粉酶活性的影响，掌握了在一恒定温度下通过设置pH梯度来确定酶催化反应的最适pH，在一恒定的pH下通过设置温度梯度来确定酶催化反应的最适温度的方法。在本课题的研究中，你将如何设置温度梯度和pH梯度呢？在此基础上，你能设计出具体的实验操作方法吗？下面提供了一位同学设计的实验方案及实验流程示意图(图4-3 )，请你结合有关问题评价他的实验方案，然后确定自己的方案。
选取的温度系列为：30℃、35℃、40℃、 45℃、50℃、55℃、60℃、65℃和70℃。
选取的pH系列为：5、6、7、8、9。
? 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。
（1)搅拌器搅拌制苹果泥；(2)将分别装有苹果泥和果胶酶的试管在恒温水浴中保存(探究最适温度时，准备一组烧杯，分别盛有不同温度的水；探究最适PH时，准备一组试管，将每个试管中的反应混合物调节至不同的pH)；(3)加入果胶酶反应一段时间；(4)过滤果汁。
在研究温度和pH对唾液淀粉酶活性的影响时，通过用碘液检测反应后的溶液是否变蓝来判断酶是否具有活性。本课题的要求更进一步，需要定量测定果胶酶的活性。下面是两位同学设计的测定果胶酶活性的实验，你认为他们的方法是否正确、可行。你打算如何测定果胶酶的活性呢？
A同学的操作方法是：在不同温度或pH下，将一定量的果胶酶加入一定量的苹果泥中，反应同样长时间，再将反应液过滤同样长时间，用量筒测量滤出的苹果汁的体积，比较获得的苹果汁的体积。获得的苹果汁越多，说明果胶酶的活性越高。
B同学认为可以通过比较果汁的澄清度来判断果胶酶活性的高低。果汁越澄清，表明果胶酶的活性越高。
为什么在混合苹果泥和果胶酶之前，要将果泥和果胶酿分装在不同的试管中恒温处理？
在探究温度或pH对酶活性的影响时，是否需要设置对照？如果需要，又应该如何设置？为什么？ A同学将哪个因素作为自变量，控制哪些因素不变？为什么要作这样的处理？B同学呢？ 当探究温度对果胶酶活性的影响时，哪个因素是自变量，哪些因素应该保持不变？ [资料二] 探究果胶酶的用量
在探究了果胶酶的最适温度和最适pH之后，可以进一步研究果胶酶的最适用量。此时，实验的变量不再是pH或温度，而变为酶的用量。你打算如何设置酶用量的梯度呢？
某位同学打算通过苹果泥出汁的多少来判断果胶酶的用量是否合适，他的想法是：如果随着酶的用量增加，过滤到的果汁的体积也增加，说明酶的用量不足；当酶的用量增加到某个值后，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。你同意他的想法吗？在这个实验中，除了酶的用量以外，影响果汁产量的因素还有：pH、温度、酶催化反应的时间、苹果泥的用量，你打算如何控制上述因素的影响？ 操作提示
1．制取苹果泥时，可先将苹果切成小块放入榨汁机中，加人适量的水后再进行搅拌；如果用橙子做
实验，不必去掉橙皮。
2．在探究不同pH对果胶酶活性的影响时，可以用体积分数为0.1%的NaOH溶液和盐酸进行调节。 3．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，应用玻璃棒不时地搅拌反应混合物。 结果分析与评价
1．温度、pH是如何影响果胶酶的活性的？请将你的实验数据转换成曲线图（参见下页旁栏），与同学交流。
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吗？粗略地估算你制作1L苹果汁的成本，其价格接近于市场价吗？如果有明显不同，你能分析出产生差异的原因吗？
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？
练习
比较本实验中制作果汁的力法与工业制作流程（下图），总结大规模生产与实验室制备的主要不同点。
课题1 果胶酶在果汁生产中的作用
