生物催化工程
2008-10
华东理工大学出版社
许建和 编
414
近年来以大量消耗化石资源为基础的现代制造工业迅猛发展，在极大地提高了人们物质生活水平的同时，也不可避免地对人类赖以生存的地球生态系统构成了严重的威胁。人类在过去短短一百年的时间内就用掉了地球上很大一部分储藏了千百万年，而短时间内却难以再生的化石资源（石油、煤炭、天然气），并向大气层排放了巨大数量的温室气体（C02）及其他对环境有害的物质（例如SO2、NOx等），从而对人类自身的可持续发展产生了严峻的挑战。因此，如何节约使用有限的化石资源和减少温室气体的排放，就成为人类当前和今后相当长一段时期内必须认真面对，而又亟需研究解决的世界性难题。 在这样的历史背景下，科学家们再次将目光聚焦到地球上物质循环的幕后操盘手：生物催化与生物转化系统。事实上，生物催化和生物转化一直是人类文明与社会赖以生存与发展的基础，它维系着地球上最大的物质循环与能量转换（包括C、N、O的循环和太阳能的吸收和转化）。无论是农耕社会人们衣食住行所需的主要物质，还是现代工业所依赖的化石资源／能源，其实都源自于太阳能驱动下的生物转化反应。当前，如何利用微生物的丰富酶系和基因资源将地球表面富余的、可以再生的大量木质纤维素原料有效地转化为人类社会有用的生物质能源和生物基化学品及材料，便成为新一代工业生物技术研究的热门课题。生物催化与生物转化技术已经被作为新一代工业生物技术的主体列入了2006-2020年国家中长期科技发展规划，并得到国家重点基础研究计划（“973计划”）和国家高技术研究发展计划（“863计划”）持续和高强度的经费支持，从而掀起了我国生物催化技术研究、开发和应用的热潮。 与此同时，国内一些知名院校也纷纷为研究生或高年级本科生开设了生物催化工程或工艺方面的课程，但是可供选择的本土教材却很少。除了江南大学孙志浩先生主编的《生物催化工艺学》外，多数为国外著作的中译本，例如《工业生物转化》、《生物催化：原理与应用》。我校自1996年起成立了国内最早的生物催化研究室，1998年起为研究生开设“生物催化与生物转化”，后来更名为“生物催化工程”，至今已有十余年时间，并于2003年编写了《应用生物催化》讲义。本书即是在上述讲义的基础上，在江南大学生物工程学院孙志浩教授、四川大学化工学院宋航教授、中科院上海植物生理生态研究所杨晟研究员、哈尔滨商业大学辛嘉英教授以及华东理工大学生物工程学院袁勤生教授和严希康教授等生物催化工程教学或科研方面知名专家的大力支持和参与下完成的。特别值得一提的是，在本书成稿的数年间还得到了我国第一项生物催化与生物转，化973课题首席科学家欧阳平凯院士和国家自然科学基金“手性与手性药物”重大项目负责人林_国强院士的关心、指导和支持，在此表示感谢。最后，还要衷心感谢曾经或仍然在华东理工大学生物催化研究室工作和学习的潘江讲师、武慧渊讲师、郁惠蕾博士、杨巍博士及其他师生的积极参与和无私奉献。 由于编者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请广大读者和同行批评指正。
生物催化和生物转化一直是人类文明与社会赖以生存与发展的基础，它维系着地球上最大的物质循环与能量转换（包括C、N、O的循环和太阳能的吸收和转化）。无论是农耕社会人们衣食住行所需要的主要物质，还是现代工业所依赖的化石资源/能源，其实都源自于太阳能驱动下的生物转化反应。 国内一些知名院校纷纷为研究生或高年级本科生开设了生物催化工程或工艺方面的课程，但是可供选择的本土教材却很少。除了江南大学孙志浩先生主编的《生物催化工艺学》外，多数为国外著作的中译本，如《工业生物转化》、《生物催化：原理与应用》。我校自1996年起成立了国内最早的生物催化研究室，1998年起瑏一开设“生物催化与特征转化”，后来更名为“生物催化工程”，至今已有十余年时间，并于2003年编写了《应用生物催化》讲义。本书即是在上述讲义的基础上，在江南大学生物工程学院孙志浩教授、四川大学化工学院宋航教授、中科院上海植物生理生态研究所杨晟研究员、哈尔滨商业大学辛嘉英教授以及华东理工大学生物工程学院袁勤生教授和严希康教授等生物催化工程教学或科研方面知名专家的大力支持和参考下完成的。
1 绪论1.1 生物加工与生化工程1.2 生物催化工程1.2.1 生物催化工程的学科背景1.2.2 生物催化工程的内涵与外延1.3 生物催化在手性合成中的应用1.3.1 生物催化的不对称氧化还原1.3.2 水解酶催化的对映选择性合成1.4 工业生物催化发展动态及名家观点1.4.1 生物催化的最新技术进展1.4.2 生物催化的成功实例1.4.3 生物催化的未来参考文献2 生物催化剂的发现2.1 概述2.1.1 生物催化剂的基本概念2.1.2 生物催化剂的来源与多样性2.1.3 生物催化剂的发现和筛选2.2 微生物酶的筛选策略2.2.1 常规生物催化剂筛选的一般策略2.2.2 从极端微生物中筛选极端酶的策略2.2.3 不可培养生物催化剂的发现策略2.3 微生物和酶的一般筛选方法2.3.1 从自然界发现产酶微生物2.3.2 生物催化剂的高效筛选2.4 菌种选育2.4.1 自然选育2.4.2 诱变选育2.5 从基因组DNA筛选酶的方法2.5.1 从土壤和水样提取基因组DNA2.5.2 土壤微生物DNA的文库构建参考文献3 生物催化剂的改造3.1 概述3.1.1 分子生物学基本知识3.1.2 基因工程原理3.2 生物催化剂的有理设计3.2.1 有理设计的工具3.2.2 有理设计的目标3.2.3 其他一3.2.4 小结与展望3.3 生物催化剂的定向进化3.3.1 定向进化的基本方法3.3.2 关于定向进化方法的讨论3.3.3 从实验室到市场3.3.4 生物催化剂的高通量筛选3.3.5 结论3.4 生物催化剂的组合改造3.5 生物催化剂改造总结和展望参考文献4 微生物酶的发酵生产4.1 产酶微生物菌种4.1.1 对产酶菌种的要求4.1.2 常见的产酶微生物4.1.3 产酶菌种的保藏4.1.4 产酶菌种的退化与活化复壮4.2 产酶培养基4.2.1 微生物发酵与产酶原料4.2.2 培养基配制与灭菌4.3 种子培养与发酵产酶4.3.1 产酶发酵工艺流程4.3.2 产酶发酵方法4.3.3 种子扩大培养4.3.4 无菌操作的接种技术4.4 微生物生长与发酵产酶动力学4.4.1 微生物的生长繁殖规律4.4.2 发酵产酶的模式4.4.3 细胞生长动力学4.4.4 产酶动力学4.5 发酵条件对产酶的影响4.5.1 温度4.5.2 pH4.5.3 溶解氧（供氧）4.5.4 搅拌4.5.5 泡沫4.5.6 湿度4.6 发酵染菌和防治4.6.1 杂菌污染的途径4.6.2 杂菌污染的原因分析及防止措施4.6.3 噬菌体的危害和防止措施4.7 工业用生物催化剂与酶制剂4.7.1 工业用生物催化剂的要求4.7.2 商品酶的剂型参考文献5 酶的提取纯化与表征5.1 酶提取纯化的基本原理及分类5.1.1 酶的提取5.1.2 酶的纯化5.1.3 酶的纯度检验5.2 利用目标产物酶和杂蛋白溶解度差异的提取纯化方法5.2.1 改变离子强度——盐析法5.2.2 改变pH和温度5.2.3 改变介电常数5.3 利用液一液分配系数差异的提取纯化方法5.3.1 双水相系统萃取法原理及应用5.3.2 主要的影响因素5.3.3 双水相萃取的改进5.4 利用大小和形状差异的提取纯化方法5.4.1 离心分离5.4.2 凝胶过滤5.4.3 膜分离法——超滤与透析5.5 利用电荷性质差异的提取纯化方法5.5.1 离子交换法5.5.2 电泳技术5.6 以稳定性差异为依据的提取纯化方法5.6.1 选择性热变性5.6.2 酸碱变性5.6.3 表面变性5.7 利用特异亲和性质差异的提取纯化方法5.7.1 亲和层析5.7.2 免疫吸附层析5.7.3 染料配体亲和层析5.7.4 共价层析5.8 利用疏水作用差异的提取纯化方法5.9 其他分离提纯方法5.10 纯化方法评估与选择5.10.1 纯化方案设计5.10.2 酶纯化方法的选择5.10.3 酶的保存5.11 酶性质的表征及其方法5.11.1 蛋白质的浓度5.11.2 蛋白质的纯度5.11.3 酶的活性5.11.4 酶等电点及氨基酸分析5.11.5 酶光谱和肽谱参考文献6 酶和细胞的固定化6.1 概述6.1.1 固定化酶的产生和发展6.1.2 固定化酶的含义及特点6.1.3 固定化细胞6.2 酶的固定化6.2.1 固定化酶的制备原则和方法分类6.2.2 非共价结合法固定化酶6.2.3 共价结合法固定化酶6.2.4 交联法固定化酶6.2.5 包埋法固定化酶6.3 固定化酶的性质6.3.1 酶活力6.3.2 稳定性6.3.3 固定化酶的最适温度变化6.3.4 固定化酶的最适pH变化6.3.5 底物特异性6.4 固定化酶的应用6.4.1 固定化酶在工业生产中的应用6.4.2 固定化酶在分析检测方面的应用6.4.3 固定化酶在临床检验、治疗以及新药剂开发方面的应用6.4.4 固定化酶在环境监测和治理方面的应用6.4.5 固定化酶技术在能源新技术开发方面的应用……7 生物催化介质系统8 酶反应动力学9 生物催化反应器10 生物催化产 品分离工程11 氧化酶12 还原酶13 脂肪酶14 环氧水解酶15 糖苷酶及其在合成反应中的应用参考文献
1 绪论 1.1 生物加工与生化工程 英文bioprocess一词有两层含义：第一层含义，也是最基本的含义是“生物过程”，是包括微生物和高等动植物在内的所有生物体内进行的一连串酶反应的总称；第二是含义是“生物加工”，指人类利用生物体内的酶反应或者其整体的生物功能来进行有用物质能来进行有用物质生产或者物质转化的活动。显然，作为生化工程研究对象的bioprocess，主要是第二层含义（生物加工），即利用天然的生物过程，进行物质加工的实践活动，在我国，人们习惯上也叫“生物化工”。
《生物催化工程》适合生物工程和生命科学等专业高年级本科或研究生使用，也可供相关科技人员参考。
