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
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