第4讲　生物技术在其他方面的应用.docx

第4讲　生物技术在其他方面的应用 考纲要求 核心素养 1.从生物材料中提取某些特定的成分 2．蛋白质的提取和分离 科学探究 通过设计实验探究植物有效成分提取的条件，培养学生针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及对结果的交流与讨论的能力。 科学思维 通过综合分析玫瑰精油、橘皮精油和胡萝卜素的提取原理及过程，培养学生分析和综合的能力。 　　　　　　　　　　　　　从生物材料中提取某些特定的成分 授课提示：对应学生用书第195页 [基础突破——抓基础，自主学习] 1．植物芳香油的来源和提取方法 (1)天然香料的主要来源：动物和植物。 (2)特点：具有很强的挥发性。 (3)成分：主要包括萜类化合物及其衍生物。 2．玫瑰精油的提取 3．橘皮精油的提取 4．胡萝卜素的提取 5．血红蛋白的提取和分离原理及方法 (1)原理：蛋白质各种特性的差异，如分子的形状和大小、所带电荷的性质和多少、溶解度、吸附性质和对其他分子的亲和力等，可以用来分离不同种类的蛋白质。 (2)分离方法 ①凝胶色谱法：也称做分配色谱法，是根据相对分子质量的大小分离蛋白质的有效方法。 ②电泳法：电泳是指带电粒子在电场的作用下发生迁移的过程。常用的电泳法有琼脂糖凝胶电泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳。 6．血红蛋白的提取和分离过程 (1)样品处理：红细胞的洗涤―→血红蛋白的释放―→分离血红蛋白溶液。 (2)粗分离：用透析法除去样品中相对分子质量较小的杂质。 (3)纯化：用凝胶色谱法分离相对分子质量不同的蛋白质。 (4)纯度鉴定：一般用SDS－聚丙烯酰胺凝胶电泳法来测定蛋白质的相对分子质量。 [重难突破——攻重难，名师点拨] 1．植物有效成分提取的三种方法比较 提取 方法 水蒸气蒸馏法 压榨法 有机溶 剂萃取法 实验 原理 利用水蒸气将挥发性较强的植物芳香油携带出来 通过机械加压，压榨出果皮中的芳香油 使芳香油溶解在有机溶剂中，蒸发溶剂后即可获得芳香油 续表 提取 方法 水蒸气蒸馏法 压榨法 有机溶 剂萃取法 方法 步骤 ①水蒸气蒸馏； ②分离油层； ③除水过滤 ①石灰水浸泡、漂洗；②压榨、过滤、静置；③再次过滤 ①粉碎、干燥；②萃取、过滤；③浓缩 适用 范围 适用于提取玫瑰精油、薄荷精油等挥发性强的芳香油 适用于柑橘、柠檬等易焦糊原料的提取 适用范围广，要求原料的颗粒要尽可能细小，能充分浸泡在有机溶剂中 优点 简单易行，便于分离 生产成本低，易保持原料原有的结构和功能 出油率高，易分离 局限 性 水中蒸馏会导致原料焦糊和有效成分水解等问题 分离较为困难，出油率相对较低 使用的有机溶剂处理不当会影响芳香油的质量 2.植物芳香油提取技巧的分析 (1)在玫瑰精油的提取过程中，加入NaCl的目的是增加水层的密度，有利于油水分层，加入无水Na2SO4的目的是吸收精油中残留的水分。 (2)在提取橘皮精油时，为了提高出油率，需要将柑橘皮干燥去水，并用石灰水浸泡，石灰水能分解果胶，压榨时不会滑脱，且出油率高，过滤时不会堵塞筛眼。 [特别提醒]　 胡萝卜素粗品鉴定过程中的4个注意事项 (1)层析时没有选择干净的滤纸，导致实验现象不明显：为了防止操作时对滤纸的污染，应尽量避免用手直接接触滤纸，可以戴手套进行操作。 (2)将点好样的滤纸卷成筒状，卷纸时不能让滤纸两边相互接触，以避免由于毛细管现象导致溶剂沿滤纸两边的移动加快，溶剂前沿不齐，影响结果。 (3)层析液没及样品原点，色素溶解于层析液中，造成实验失败：层析液不可没及样品原点，以免色素溶解于层析液中，使鉴定失败。 (4)没设置标准样品作对照：层析液中是否提取到胡萝卜素，可通过与标准样品中的β­胡萝卜素作对比以确认。 3．常用的蛋白质分离方法 (1)凝胶色谱法 蛋白质 项目 相对分子质量大 相对分子质量小 凝胶内部 不能进入 能进入 运动方式 垂直向下 垂直向下和无 规则扩散运动 经过路程 较短 较长 洗脱次序 先流出 后流出 (2)电泳法原理 ①在一定pH下，蛋白质分子的某些基团解离后带上正电或负电。在电场的作用下，带电分子会向着与其所带电荷相反的电极移动。 ②由于待分离样品中各种分子带电性质的差异以及分子本身的大小、形状的不同，使带电分子产生不同的迁移速度，从而实现样品中各种分子的分离。 [题型突破——练题型，夯基提能] 1．对于玫瑰精油的提取装置，说法正确的是(　　) A．图中②为进水口，③为出水口 B．收集后的液体中要加入NaCl，促使水油分离 C．本装置为萃取装置 D．使用该装置时，由于原料在水中，不易产生原料焦糊问题 解析：据图分析，②表示出水口，③表示进水口，A错误；收集后的液体是油水混合物，需要加入NaCl增大水的密度，促使水油分离，B正确；本装置为蒸馏装置，C错误；使用该装置时，由于原料在水中，易产生原料焦糊问题，D错误。 答案：B 2．请回答下列与实验室提取芳香油有关的问题： (1)植物芳香油的提取可采用的方法有压榨法、________和________。 (2)芳香油溶解性的特点是不溶于__________，易溶于__________，因此可用后者作为提取剂来提取芳香油。 (3)橘子果实含有芳香油，通常可用________作为材料提取芳香油，而且提取时往往选用新鲜的材料，理由是_______________________________________ _______________________________________________________________。 (4)得到的乳浊液加入氯化钠并放置一段时间后，芳香油将分布于液体的上层，原因是_______________________________________________________________。 加入氯化钠的作用是____________________________________________。 解析：(1)根据原料的特点，植物芳香油的提取方法有蒸馏法、压榨法和萃取法等。(2)植物芳香油不溶于水，但是极易溶于有机溶剂，如石油醚、乙醚等。芳香油溶于有机溶剂后，只需蒸发出有机溶剂，就可以获得较纯的植物芳香油。因此可以用有机溶剂作为提取剂来提取芳香油。(3)橘皮精油主要储藏在橘皮部分，所以可从橘皮中提取到芳香油。所用的橘皮越新鲜，芳香油的含量也越高。(4)乳浊液是水和芳香油的混合物，要将水和芳香油分开，需加入氯化钠，这样可以增加水层的密度，促使水和芳香油分开。由于芳香油的密度比水层小，所以芳香油分布于液体的上层，最后用分液漏斗将两层分开即可获得所需要的芳香油。 答案：(1)蒸馏法　萃取法　(2)水　有机溶剂　(3)橘皮 芳香油含量较高　(4)油层的密度比水层小　增加水层密度，促使油和水分层 3．生物组织中存在多种有机物，不同有机物的提取和鉴定方法不尽相同。根据所学知识，回答下列问题： (1)植物芳香油具有的共同特点有________________________________________ __________________________________________________(至少答两点)。 (2)用________法提取玫瑰精油时，如果想提取较高品质的产品，对温度和时间的要求是____________________。向收集到的乳浊液中加入________，就会出现明显的分层现象，再用分液漏斗将其分开。 (3)从柠檬中提取柠檬烯时不适宜用水中蒸馏的方法，这是因为水中蒸馏会导致________________________________________等问题。 (4)粗提取胡萝卜素所用的萃取剂应该具有能充分溶解胡萝卜素，且________、________的特点。胡萝卜的粉碎一定要彻底，主要目的是_______________________________________________________________ _______________________________________________________________。 解析：(1)植物芳香油具有的共同特点有挥发性强、易溶于有机溶剂等。(2)玫瑰精油能随水蒸气一同蒸馏，因此其提取方法一般采用水蒸气蒸馏法；如果想提取较高品质的产品，则在进行水蒸气蒸馏时，对温度和时间的要求是温度不要太高，延长蒸馏时间；向收集到的乳浊液中加入氯化钠，就会出现明显的分层现象，再用分液漏斗将其分开。(3)水中蒸馏不适用于柑橘和柠檬精油的提取，因为水中蒸馏会导致原料焦糊和有效成分水解等问题，因此，柑橘、柠檬芳香油的制备通常采用压榨法。(4)粗提取胡萝卜素的萃取剂应该具有能充分溶解胡萝卜素，且具有较高的沸点、不与水混溶等特点；胡萝卜的粉碎一定要彻底，主要目的是增加与萃取剂的接触面积，加大萃取效率。 答案：(1)挥发性强、易溶于有机溶剂　(2)水蒸气蒸馏　温度不要太高，延长蒸馏时间　氯化钠　(3)原料焦糊和有效成分水解　(4)有较高的沸点　不与水混溶　增加与萃取剂的接触面积，加大萃取效率 [图表突破——析图表，融会贯通] 如图是某些植物成分的提取装置，请思考： (1)图甲装置是____________，图乙装置是____________。 (2)图甲装置可分左、中、右三部分，其作用分别是__________________________________________________________________________________________________________________________________。 图甲中进水口是________，出水口是________，这与蒸气流方向________。加热时向液体中加入几片碎石或瓷片的目的是__________________。 (3)图乙常采用水浴加热的原因是______________________________________。在烧瓶口安装冷凝回流装置的目的是________________________________。 答案：(1)水蒸气蒸馏装置　萃取装置　(2)左边的部分通过加热进行蒸馏，中部将蒸馏物冷凝，右边的部分用来接收 b　a　相反　防暴沸　(3)有机溶剂都是易燃物，直接使用明火加热容易引起燃烧、爆炸　防止加热时有机溶剂挥发 [随堂巩固·达标检测]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 三级训练　提速提能　 授课提示：对应学生用书第197页 [练小题—提速度] 判断下列说法是否正确 1．柑橘和柠檬作为材料时不适合用水中蒸馏的方法进行提取。(√) 2．萃取是利用了芳香油易溶于有机溶剂的特性进行提取的一种方法。(√) 3．提取玫瑰精油时，玫瑰花瓣与水的质量比是4∶1。(×) 4．提取橘皮精油时，要将橘皮在石灰水中浸泡5 h，目的是防止压榨时滑脱。(×) 5．蒸馏法的实验原理是利用水将芳香油溶解出来，再把水蒸发掉，剩余的就是芳香油。(×) 6．利用凝胶色谱法分离蛋白质时，相对分子质量小的先洗脱出来。(×) 7．在电泳过程中，蛋白质分子的移动速度，与分子本身的大小和形状无关，而与所带电荷的差异有关。(×) 8．在SDS－聚丙烯酰胺凝胶电泳中，电泳迁移率取决于分子的大小。(√) [练真题—明方向] [命题分析]　 1．考查特点：全国卷对本部分内容以非选择题的形式考查，本专题的生物技术与人类生活密切相关，属于高考命题的热点。从近年高考试题来看，本专题侧重基本技术和原理的考查，涉及的重要考点是植物有效成分的提取等知识。如2017年全国卷Ⅲ以绿色植物中某种物质的提取过程为情景，考查了植物组织中有效成分的提取方法。 2．命题趋势：以非选择题形式直接考查植物芳香油的提取方法或几种方法的比较，或结合具体实例考查某种特定植物芳香油的提取方法等。 1．(2015·高考全国卷Ⅱ)回答与胡萝卜素有关的问题： (1)胡萝卜含有的胡萝卜素中，最主要的是__________(填“α­胡萝卜素”“β­胡萝卜素”或“γ­胡萝卜素”)，该胡萝卜素在人体内可以转变成两分子________，后者缺乏会引起人在弱光下视物不清的病症，该疾病称为__________，胡萝卜素是________(填“挥发性”或“非挥发性”)物质。 (2)工业生产上，用养殖的岩藻作为原料提取胡萝卜素时，________(填“需要”或“不需要”)将新鲜的岩藻干燥。 (3)现有乙醇和乙酸乙酯两种溶剂，应选用其中的________作为胡萝卜素的萃取剂，不选用另外一种的理由是_________________________________________。 解析：(1)胡萝卜中含有的主要是β­胡萝卜素，其可在人体内转变成维生素A。夜盲症是缺乏维生素A导致的。胡萝卜素没有挥发性。(3)作为萃取胡萝卜素的萃取剂要有较高的沸点，能充分溶解胡萝卜素，且与水不混溶。胡萝卜素虽可溶于乙醇，但乙醇是水溶性有机溶剂，萃取中能与水混溶而影响萃取效果，所以不能用乙醇作萃取剂。 答案：(1)β­胡萝卜素　维生素A　夜盲症　非挥发性　(2)需要　(3)乙酸乙酯　萃取胡萝卜素的有机溶剂应不与水混溶，而乙醇为水溶性有机溶剂 2．(2017·高考全国卷Ⅲ)绿色植物甲含有物质W，该物质为无色针状晶体，易溶于极性有机溶剂，难溶于水，且受热、受潮易分解。其提取流程为植物甲→粉碎→加溶剂→振荡→收集提取液→活性炭处理→过滤去除活性炭→蒸馏(含回收溶剂)→重结晶→成品。回答下列问题： (1)在提取物质W时，最好应选用的一种原料是___________________(填“高温烘干”“晾干”或“新鲜”)的植物甲，不宜选用其他两种的原因是__________________________________________________________________________________________________________________。 (2)提取物质W时，振荡的作用是__________________。 (3)活性炭具有很强的吸附能力，在提取过程中，用活性炭处理提取液的目的是________________。 (4)现有丙酮(沸点56 ℃)、乙醇(沸点约78 ℃)两种溶剂，在提取物质W时，应选用丙酮作为提取剂，理由是_____________________________________________。 (5)该实验操作过程中应注意的事项是______________________________(答出两点即可)。 解析：(1)依据题干信息(物质W受热、受潮易分解)，应选择晾干的植物甲，因为高温烘干过程中，植物甲中的物质W易被破坏；新鲜的植物甲含水量高，用于提取的极性有机溶剂会被稀释，进而降低对物质W的提取效果。(2)振荡使原料和溶剂充分混匀。(3)活性炭具有吸附能力，杂质色素易被吸附。(4)物质W受热易分解，所以选择沸点低的丙酮。(5)物质W受热易分解，所以应注意控制温度；又因为用了丙酮，所以要注意防火。 答案：(1)晾干　高温烘干过程中，植物甲中的物质W受热易被破坏；新鲜的植物甲含水量高，用于提取的极性有机溶剂会被稀释，进而降低对物质W的提取效果　(2)使原料和溶剂充分混匀　(3)去除提取液中的色素　(4)丙酮沸点低于乙醇，蒸馏时物质W分解较少　(5)在温度较低的情况下操作，防火 [填网络—串线索] 填充：①蒸馏法　②压榨法　③胡萝卜素　 [课时作业·知能提升] 单独成册　 单独成册：对应学生用书第315页 1．2015年诺贝尔生理学或医学奖授予中国女科学家屠呦呦，以表彰她发现青蒿素，显著降低了疟疾患者的死亡率。目前，青蒿素的主要来源仍然是从植物黄花蒿中提取分离。以下是从植物黄花蒿中提取青蒿素的工艺流程，请分析回答： 黄花蒿→干燥→粉碎→萃取→浓缩提取液→粗品→精制 (1)该提取方法利用了青蒿素具有________________的特性。 (2)萃取前要将黄花蒿干燥、粉碎处理，说明原料的________和________________是影响萃取效率的重要因素。 (3)屠呦呦等人在研究青蒿素的萃取工艺时发现青蒿素的水煎浸膏毫无效果，而乙醚冷浸所得提取物鼠疟效价显著增高且稳定，说明青蒿素具有________性。石油醚、乙酸乙酯、乙醚和苯的沸点分别为90～120 ℃、77 ℃、35 ℃和80 ℃，则最适合用于萃取青蒿素的有机溶剂是________，理由是 _______________________________________________________________。 解析：(1)由提取青蒿素的工艺流程可知其提取方法为萃取法，萃取一般是指用有机相提取水相中溶质的过程，由此可推断青蒿素具有易溶于有机溶剂的特性。(2)由于原料的含水量、颗粒大小和紧密程度是影响萃取的重要因素，因此通常在萃取前要将原料进行干燥、粉碎处理。(3)由于青蒿素的水煎浸膏毫无效果，而乙醚冷浸所得提取物鼠疟效价显著增高且稳定，说明青蒿素具有热不稳定性。因此萃取时要选择沸点低的有机溶剂，因为需要在低温下挥发有机溶剂。 答案：(1)易溶于有机溶剂　(2)含水量　颗粒大小及紧密程度　(3)热不稳定　乙醚　乙醚沸点低，是可以在低温下挥发的有机溶剂 2．请回答下列与植物芳香油的提取有关的问题： 　 图1　　　　　　　　图2 (1)玫瑰精油的提取可使用图1所示装置，这种方法叫________法；蒸馏时收集的蒸馏液________(填“是”或“不是”)纯的玫瑰精油。 (2)橘皮精油的提取原料是橘皮，但橘皮易焦糊，宜采用________法提取橘皮精油。 (3)胡萝卜素是________色的结晶。从胡萝卜中提取胡萝卜素常用的是________法，加热时应该注意控制____________，一般情况下，提取胡萝卜素时，提取效率与原料颗粒的含水量呈________相关。 (4)将提取的胡萝卜素粗品通过纸层析进行鉴定，图2为鉴定结果示意图，在A、B、C、D四点中，属于标准样品的样点是________。 解析：(1)从图中装置可以看出，玫瑰精油的提取方法为蒸馏法，蒸馏后得到的蒸馏液不是纯的玫瑰精油，而是油水混合物。(2)橘皮易发生焦糊，因此应该采用压榨法提取橘皮精油。(3)胡萝卜素是橘黄色的结晶；从胡萝卜中提取胡萝卜素常用的方法是萃取法；由于高温时胡萝卜素会分解，因此加热时注意控制好温度和时间；提取胡萝卜素时，原料中的含水量会影响提取效率，一般情况下提取效率与含水量呈负相关。(4)分析题图可知，只有一个层析带的为标准样品，即A、D点。 答案：(1)蒸馏　不是　(2)压榨　(3)橘黄　萃取　温度和时间　负　(4)A、D 3．许多植物芳香油的提取在原理和程序上是相同的，请结合玫瑰精油的提取，设计一个提取茉莉精油的过程。 (1)原料选择：_______________________________________________________________。 (2)提取方法的选择及原因：_______________________________________________________________ _______________________________________________________________。 (3)实验流程： 茉莉花＋水→蒸馏器→A→B→油水混合物→C→初提取精油→加D→过滤→茉莉精油 ①向蒸馏器中加入原料时，茉莉花瓣与清水的质量比大约为________。 ②A表示________过程，B表示__________过程，C表示________，通过C提取出的初提取精油，可能还混有一定的水分，所以要向提取液中加入D________吸水，放置过夜，再过滤除去固体物质，即可得到茉莉精油。 解析：(1)在盛花期采摘茉莉花的原因是此时茉莉花内芳香油含量高。(2)茉莉精油的特点是不溶于水，易溶于有机溶剂，因此，适合用水蒸气蒸馏法和萃取法提取；但前者具有设备简单、成本低、操作简单等优点，因此常被采用。(3)在提取过程中，加入清水、NaCl和无水硫酸钠可以使芳香油被逐步分离并纯化。 答案：(1)在花开的盛花期采摘茉莉花　(2)采用水蒸气蒸馏法。原因有：①茉莉精油的化学性质稳定，难溶于水而易溶于有机溶剂，与水共沸时会随水蒸气蒸馏出来，便于提取。②由于水蒸气蒸馏法设备简单、成本低、易于操作，因此常采用水蒸气蒸馏法而不采用萃取法　(3)①1∶4　②水蒸气蒸馏　冷凝　分离油层　无水硫酸钠 4．(2018·湖南常德一模)类胡萝卜素中的β－胡萝卜素作为维生素A原，具有抗氧化、着色、防癌和抗癌、增强机体免疫力等功效。利用红酵母、光合细菌等微生物发酵获取类胡萝卜素是如今的热门。如表所示是某生物小组进行微生物培养的两组配方。 培养基配方1 培养基配方2 葡萄糖 40 g/L 乙酸钠 1.5 g/L 丙酸钠 0.5 g/L 酵母粉 25 g/L 氯化钠 0.5 g/L 氯化铵 0.8 g/L MgSO4 0.5 g/L 磷酸二氢钠 0.5 g/L 磷酸氢二钠 0.5 g/L 维生素B1 0.5 g/L 酵母膏 0.5 g/L 氯化钙 0.3 g/L 维生素B2 1.5 g/L 硫酸镁 0.2 g/L 请分析回答以下问题： (1)表中两种培养基从物理性质来看属于________培养基。培养基中的酵母粉可为微生物的生长提供________。两种配方中用于培养光合细菌的是________。 (2)取10 mL菌种原液，用无菌水制成100 mL样品溶液，再将样品溶液稀释104倍后，各取样品溶液0.1 mL在5个细菌培养基平板上接种，培养一段时间后，平板上长出的细菌菌落数分别为22、158、478、160和162。则每毫升菌种原液中的细菌数量为________个。 (3)区分红酵母菌与酿酒酵母不需要使用鉴别培养基，其依据是_______________________________________________________________。 (4)要从微生物的细胞中提取类胡萝卜素，可以采用________法。 解析：(1)表中两种培养基均不含有琼脂成分，从物理性质来看属于液体培养基。酵母粉含有较多的蛋白质，可为微生物的生长提供碳源、氮源。光合细菌属于自养型细菌，不需要提供葡萄糖，配方2用于光合细菌的培养。(2)应选择菌落数在30～300之间的平板进行计数，并取其平均值，平板上平均菌落数为(158＋160＋162)/3＝160，则每毫升菌种原液中的细菌数量为160÷0.1×104×10＝1.6×108个。(3)红酵母能产生类胡萝卜素，菌落本身有颜色，酿酒酵母菌落无颜色，借此可直接区分红酵母菌与酿酒酵母，不需要使用鉴别培养基。 答案：(1)液体　碳源、氮源　配方2　(2)1.6×108 (3)红酵母能产生类胡萝卜素，菌落本身有颜色　(4)萃取 提取的色素中既有叶黄素和胡萝卜素，也有其他色素(或杂质) 5．如今人类已跨入了蛋白质时代，对蛋白质的研究和应用，首先需要获得高纯度的蛋白质。请回答下列问题。 (1)蛋白质的提取和分离一般分为四步：________、________、________和纯度鉴定。 (2)如果要从红细胞中分离出血红蛋白，实验前取新鲜血液要在采血容器中预先加入柠檬酸钠，这样做的目的是____________________。 (3)血红蛋白的提取又可以细分为：红细胞的洗涤、__________、分离血红蛋白溶液和__________。其中分离血红蛋白溶液时需要用到__________(仪器)分离出下层红色透明液体。 (4)装填凝胶色谱柱时，要注意色谱柱内不能有气泡存在，一旦发现有气泡必须重新装。这是因为_____________________________________________ _______________________________________________________________。 (5)欲探究色谱柱的高度是否影响蛋白质分离的因素，应把__________作为自变量，把________________作为无关变量，把________________作为因变量。 答案：(1)样品处理　粗分离　纯化　(2)防止血液凝固　(3)血红蛋白的释放　透析　分液漏斗　(4)气泡会搅乱洗脱液中蛋白质的洗脱次序，降低分离效果　(5)色谱柱的高度变化　缓冲液的用量和pH、样品的用量、温度等因素　大小不同的蛋白质分子的间距