《酵母細(xì)胞的固定化》說課稿

1、酵母細(xì)胞的固定化說課稿一、使用教材：高中生物選修 1 生物技術(shù)實(shí)踐（人民教育出版社）專題4 課題 3 酵母細(xì)胞 的固定化二、實(shí)驗(yàn)器材：酒精燈、燒杯、玻璃棒、試管、錐形瓶、蠕動(dòng)泵、鐵架臺、砝碼、一次性注 射器、一次性輸液器、酒精檢測儀、培養(yǎng)皿、刀片三、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新要點(diǎn)：（一）對教材實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)直接加熱促溶海藻酸鈉改進(jìn)為水浴加熱蒸餾水活化酵母細(xì)胞改進(jìn)為 5%葡萄糖溶液活化注射器改進(jìn)為小型蠕動(dòng)泵制作凝膠珠，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化觀察顏色、摔打法檢測凝膠珠質(zhì)量改進(jìn)為砝碼檢測錐形瓶發(fā)酵裝置改進(jìn)為注射器+輸液器裝置，將發(fā)酵時(shí)間由24h縮減至15min對產(chǎn)物的檢測由觀察氣泡、聞酒味改進(jìn)為溴麝香草酚藍(lán)水溶液檢測CO及

2、酸性重鉻2 酸鉀溶液檢測酒精（二）對教材實(shí)驗(yàn)的延伸探究固定化酵母的發(fā)酵效率低于未固定酵母，但固定化酵母便于回收，可重復(fù)利用圓形凝膠珠比拖尾狀的異形凝膠珠發(fā)酵效率更高提出了使用瓊脂糖固定酵母細(xì)胞的完整方法四、實(shí)驗(yàn)原理：固定化細(xì)胞技術(shù)是將細(xì)胞固定于不溶于水的載體上，使細(xì)胞既能與反應(yīng)物接觸，又能與 產(chǎn)物分離。同時(shí)，固定于載體上的細(xì)胞還可以反復(fù)利用。成本低，操作簡單，廣泛的應(yīng)用于 工業(yè)生產(chǎn)中。海藻酸鈉是一種無毒的親水性物質(zhì)，呈粉末狀，遇水會(huì)形成粘性團(tuán)塊，通過加熱可形成 粘稠性膠狀物質(zhì)。溶化的海藻酸鈉中的鈉離子可迅速被鈣離子置換，交聯(lián)后形成多孔的、不 溶于水的海藻酸鈣結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒓?xì)胞固定并有一定的機(jī)械強(qiáng)

3、度。酶固定化酵母細(xì)胞以葡萄糖作為底物進(jìn)行酒精發(fā)酵，產(chǎn)生 CO 及酒精，反應(yīng)式如下所示 ：2CH O-2CH0H+2C0+ 能量。6126252五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)： 生命觀念：認(rèn)同酶是由活細(xì)胞產(chǎn)生的；理解細(xì)胞固定化原理 科學(xué)思維：通過對原有實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)培養(yǎng)創(chuàng)造性思維、批判性思維 科學(xué)探究：培養(yǎng)科學(xué)探究精神；領(lǐng)悟“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、交流討論”等科學(xué)探究方法 社會(huì)責(zé)任：致力于改善工業(yè)生產(chǎn)體系，設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)裝置六、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程： 共分為三個(gè)環(huán)節(jié)：課前探究、課堂展示、課后延伸。（一）課前探究：小組預(yù)實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)固定化酵母細(xì)胞的制備流程并利用固定化酵母細(xì)胞進(jìn)行 酒精發(fā)酵。在預(yù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題并合作探究，對實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)。整

4、個(gè)過程以學(xué)生為主體，教 師為客體，教師僅推送相關(guān)拓展資料、提供完善的實(shí)驗(yàn)器材，在必要的時(shí)候加以引導(dǎo)，使學(xué) 生們真正達(dá)到了自主、合作、探究式的學(xué)習(xí)。預(yù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題：教材做法出現(xiàn)問題小火或間斷加熱促溶海藻酸鈉時(shí)間長、易焦糊蒸餾水活化酵母細(xì)胞活化效果差注射器制備凝膠珠可控性差，制備的凝膠珠拖尾嚴(yán)重觀察顏色、摔打法檢測凝膠珠質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不一，誤差過大錐形瓶作發(fā)酵裝置發(fā)酵時(shí)間長，產(chǎn)物少，難以收集并檢測氣體觀察氣泡、聞酒味檢測發(fā)酵產(chǎn)物檢測結(jié)果缺乏說服力合作探究，提出改進(jìn)方案：改進(jìn)一 直接加熱促溶海藻酸鈉改進(jìn)為水浴加熱圖 1 直接加熱促溶海藻酸鈉圖 2 水浴加熱促溶海藻酸鈉改進(jìn)二 蒸餾水活化酵母細(xì)胞改進(jìn)為 5

5、%葡萄糖溶液活化圖 4 一系列濃度梯度的葡萄糖溶液改進(jìn)三 注射器改進(jìn)為小型蠕動(dòng)泵制作凝膠珠，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化圖 5 注射器制備凝膠珠 圖 圖 4 一系列濃度梯度的葡萄糖溶液改進(jìn)三 注射器改進(jìn)為小型蠕動(dòng)泵制作凝膠珠，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化圖 5 注射器制備凝膠珠 圖 6 蠕動(dòng)泵制備凝膠珠圖 3 蒸餾水活化酵母細(xì)胞 活化酵母細(xì)胞圖8蠕動(dòng)泵制備的凝膠圖圖8蠕動(dòng)泵制備的凝膠珠改進(jìn)四 觀察顏色、摔打法檢測凝膠珠質(zhì)量改進(jìn)為砝碼檢測圖 9 砝碼檢測凝膠珠質(zhì)量改進(jìn)五 錐形瓶發(fā)酵裝置改進(jìn)為注射器+輸液器裝置，將發(fā)酵時(shí)間由24h縮減至15min圖 10 錐形瓶發(fā)酵裝置圖 圖 10 錐形瓶發(fā)酵裝置圖 11 注射器

6、+輸液器發(fā)酵裝置改進(jìn)六 對發(fā)酵產(chǎn)物的檢測由觀察氣泡、聞酒味改進(jìn)為溴麝香草酚藍(lán)水溶液檢測CO酸性 重鉻酸鉀溶液檢測酒精圖 12 溴麝香草酚藍(lán)水溶液檢測 CO2圖 13 酸性重鉻酸鉀溶液檢測酒精（由藍(lán)變綠再變黃） （由橙 色變灰綠色）（二）課堂展示：在積極的探索后，每個(gè)小組都收獲了豐碩的成果，品嘗到了探索的喜悅。在課堂上都迫不及待的展示自己的成果。成果展示后教師組織小組自評、互評，充分的論證每個(gè)改進(jìn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，提出優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)體系。圖 14 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)方案（三）課后延伸：一堂課結(jié)束，同學(xué)們意猶未盡。我不失時(shí)機(jī)的鼓勵(lì)大家，繼續(xù)對本實(shí)驗(yàn)進(jìn) 行探索。延伸一：比較未固定酵母與固定化酵母的發(fā)酵效果 使用等量

7、的酵母細(xì)胞設(shè)置了一組對比實(shí)驗(yàn)，一組固定，一組未固定，其他條件完全一致。發(fā)酵 24 小時(shí)后，普通酵母菌發(fā)酵產(chǎn)生了更多的氣泡，使用酒精計(jì)檢測發(fā)現(xiàn)其酒精含量為 0.255mg/L。相比之下，固定化酵母組，氣泡少，酒精含量僅為0.16 mg/L。結(jié)果表明普通 酵母發(fā)酵效果更好。固定化細(xì)胞不易與反應(yīng)物接觸，因此發(fā)酵效率下降。同時(shí)，同學(xué)們也觀 察到固定化酵母發(fā)酵液更為澄清，且固定化酵母便于回收，可重復(fù)利用，這正是固定化技術(shù) 的優(yōu)勢所在。該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生辯證的認(rèn)識了固定化技術(shù)的優(yōu)劣性。圖 15 未固定酵母與固定化酵母發(fā)酵對比實(shí)驗(yàn)延伸二：探究拖尾狀的異形凝膠珠是否會(huì)影響發(fā)酵效率使用包埋等量酵母菌的異形和圓形凝膠珠

8、同時(shí)進(jìn)行了發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。發(fā)酵相同時(shí)間后，圓形 凝膠珠組推動(dòng)注射器活塞運(yùn)動(dòng)了更長的距離，表明發(fā)酵產(chǎn)生了更多的氣體，因此圓形凝膠珠 發(fā)酵效率更高。圓形凝膠珠表面積更大，與底物接觸面積大，有利于發(fā)酵。関形購動(dòng)泵制作）関形購動(dòng)泵制作）圖 16 異形和圓形凝膠珠發(fā)酵對比實(shí)驗(yàn)延伸三：使用瓊脂糖固定酵母細(xì)胞 海藻酸鈉固定酵母細(xì)胞受海藻酸鈉濃度、鈣離子濃度、交聯(lián)時(shí)間、凝膠珠形狀等多種因 素的影響，有小組大膽提出更換包埋材料。經(jīng)過查閱資料確定使用低熔點(diǎn)瓊脂糖進(jìn)行包埋， 然而文獻(xiàn)資料中對如何使用瓊脂糖進(jìn)行包埋鮮有報(bào)道。于是小組設(shè)置一系列濃度梯度的瓊脂 糖溶液，融化后降至室溫，與酵母細(xì)胞混合，靜置凝固。觀察發(fā)現(xiàn)，1%的

9、瓊脂糖無法凝固（圖 17）。用刀片將凝固的瓊脂糖切成1 厘米大小的方塊。發(fā)現(xiàn)，1-2%瓊脂糖包埋的凝膠塊難以 成形，無法使用（圖 18）。使用 3-6%的瓊脂糖凝膠塊進(jìn)行酒精發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，每組中包埋的酵母 菌數(shù)量相等，但其發(fā)酵速度并不相同，這是因?yàn)榄傊堑臐舛葲Q定凝膠塊的孔隙大小，進(jìn)而 影響酵母菌與底物的接觸。以到達(dá)反應(yīng)終點(diǎn)所需時(shí)間為指標(biāo)，對比發(fā)現(xiàn)，5%瓊脂糖包埋的酵 母菌到達(dá)反應(yīng)終點(diǎn)所需時(shí)間最短，發(fā)酵速率最快（圖19）。利用瓊脂糖和海藻酸鈉各固定1g酵母菌，進(jìn)行酒精發(fā)酵實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其到達(dá)反應(yīng)終點(diǎn)所 需時(shí)間相當(dāng)（圖20）。說明瓊脂糖同海藻酸鈉一樣均可作為良好的包埋材料。iwm :I-*Wtaa1觀蘇賠麒2%lu圖 17 1% - 6%的瓊脂糖包埋實(shí)驗(yàn)圖 18 凝膠塊的制備圖 19 3% - 6%的凝膠塊發(fā)酵實(shí)驗(yàn)用海艇酸鈉和瓊脂耕咎固足1 gi穆母菌圖 20 瓊脂糖和海藻酸鈉固定酵母細(xì)胞發(fā)酵對比實(shí)驗(yàn)七、實(shí)驗(yàn)效果評價(jià)：實(shí)驗(yàn)教學(xué)是生物學(xué)教學(xué)的靈魂，更是培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)的重要法寶。整個(gè)教學(xué) 過程以學(xué)生為主體，教師在一旁引導(dǎo)、追問，使學(xué)生們真正達(dá)到了自主、合作、探究式的學(xué) 習(xí)。在本次實(shí)驗(yàn)探究中，同學(xué)們大膽假設(shè)，小心求證，在探索中優(yōu)化了教材中的實(shí)驗(yàn)體系。 蠕動(dòng)泵及砝碼的應(yīng)用解決了凝