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1 绪论1

1.1 生物加工与生化工程1

1.2 生物催化工程1

1.2.1 生物催化工程的学科背景1

1.2.2 生物催化工程的内涵与外延2

1.3 生物催化在手性合成中的应用4

1.3.1 生物催化的不对称氧化还原7

1.3.2 水解酶催化的对映选择性合成8

1.4 工业生物催化发展动态及名家观点10

1.4.1 生物催化的最新技术进展10

1.4.2 生物催化的成功实例14

1.4.3 生物催化的未来15

参考文献17

2 生物催化剂的发现20

2.1 概述20

2.1.1 生物催化剂的基本概念20

2.1.2 生物催化剂的来源与多样性20

2.1.3 生物催化剂的发现和筛选21

2.2 微生物酶的筛选策略23

2.2.1 常规生物催化剂筛选的一般策略23

2.2.2 从极端微生物中筛选极端酶的策略29

2.2.3 不可培养生物催化剂的发现策略30

2.3 微生物和酶的一般筛选方法31

2.3.1 从自然界发现产酶微生物31

2.3.2 生物催化剂的高效筛选35

2.4 菌种选育37

2.4.1 自然选育37

2.4.2 诱变选育38

2.5 从基因组DNA筛选酶的方法41

2.5.1 从土壤和水样提取基因组DNA41

2.5.2 土壤微生物DNA的文库构建42

参考文献43

3 生物催化剂的改造44

3.1 概述44

3.1.1 分子生物学基本知识45

3.1.2 基因工程原理45

3.2 生物催化剂的有理设计48

3.2.1 有理设计的工具48

3.2.2 有理设计的目标49

3.2.3 其他50

3.2.4 小结与展望51

3.3 生物催化剂的定向进化52

3.3.1 定向进化的基本方法53

3.3.2 关于定向进化方法的讨论58

3.3.3 从实验室到市场59

3.3.4 生物催化剂的高通量筛选60

3.3.5 结论61

3.4 生物催化剂的组合改造61

3.5 生物催化剂改造总结和展望62

参考文献63

4 微生物酶的发酵生产65

4.1 产酶微生物菌种65

4.1.1 对产酶菌种的要求65

4.1.2 常见的产酶微生物66

4.1.3 产酶菌种的保藏67

4.1.4 产酶菌种的退化与活化复壮68

4.2 产酶培养基69

4.2.1 微生物发酵与产酶原料69

4.2.2 培养基配制与灭菌72

4.3 种子培养与发酵产酶76

4.3.1 产酶发酵工艺流程76

4.3.2 产酶发酵方法77

4.3.3 种子扩大培养78

4.3.4 无菌操作的接种技术78

4.4 微生物生长与发酵产酶动力学79

4.4.1 微生物的生长繁殖规律79

4.4.2 发酵产酶的模式80

4.4.3 细胞生长动力学80

4.4.4 产酶动力学81

4.5 发酵条件对产酶的影响81

4.5.1 温度82

4.5.2 pH82

4.5.3 溶解氧（供氧）82

4.5.4 搅拌83

4.5.5 泡沫83

4.5.6 湿度84

4.6 发酵染菌和防治84

4.6.1 杂菌污染的途径84

4.6.2 杂菌污染的原因分析及防止措施84

4.6.3 噬菌体的危害和防止措施85

4.7 工业用生物催化剂与酶制剂86

4.7.1 工业用生物催化剂的要求86

4.7.2 商品酶的剂型86

参考文献87

5 酶的提取纯化与表征88

5.1 酶提取纯化的基本原理及分类88

5.1.1 酶的提取88

5.1.2 酶的纯化88

5.1.3 酶的纯度检验89

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90

5.2.1 改变离子强度—盐析法90

5.2.2 改变pH和温度91

5.2.3 改变介电常数91

5.3 利用液-液分配系数差异的提取纯化方法92

5.3.1 双水相系统萃取法原理及应用92

5.3.2 主要的影响因素92

5.3.3 双水相萃取的改进93

5.4 利用大小和形状差异的提取纯化方法93

5.4.1 离心分离93

5.4.2 凝胶过滤94

5.4.3 膜分离法—超滤与透析95

5.5 利用电荷性质差异的提取纯化方法96

5.5.1 离子交换法96

5.5.2 电泳技术97

5.6 以稳定性差异为依据的提取纯化方法97

5.6.1 选择性热变性97

5.6.2 酸碱变性97

5.6.3 表面变性97

5.7 利用特异亲和性质差异的提取纯化方法98

5.7.1亲和层析98

5.7.2免疫吸附层析99

5.7.3染料配体亲和层析99

5.7.4共价层析100

5.8 利用疏水作用差异的提取纯化方法100

5.9 其他分离提纯方法101

5.10 纯化方法评估与选择102

5.10.1 纯化方案设计102

5.10.2 酶纯化方法的选择104

5.10.3 酶的保存104

5.11 酶性质的表征及其方法104

5.11.1 蛋白质的浓度105

5.11.2 蛋白质的纯度105

5.11.3 酶的活性108

5.11.4 酶等电点及氨基酸分析113

5.11.5 酶光谱和肽谱113

参考文献114

6 酶和细胞的固定化115

6.1 概述115

6.1.1 固定化酶的产生和发展115

6.1.2 固定化酶的含义及特点116

6.1.3 固定化细胞117

6.2 酶的固定化117

6.2.1 固定化酶的制备原则和方法分类117

6.2.2 非共价结合法固定化酶119

6.2.3 共价结合法固定化酶120

6.2.4 交联法固定化酶122

6.2.5 包埋法固定化酶123

6.3 固定化酶的性质124

6.3.1 酶活力124

6.3.2 稳定性124

6.3.3 固定化酶的最适温度变化125

6.3.4 固定化酶的最适pH变化125

6.3.5 底物特异性125

6.4 固定化酶的应用125

6.4.1 固定化酶在工业生产中的应用126

6.4.2 固定化酶在分析检测方面的应用126

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127

6.4.4 固定化酶在环境监测和治理方面的应用128

6.4.5 固定化酶技术在能源新技术开发方面的应用129

6.4.6 固定化酶技术为生命科学领域的研究提高新的技术手段129

6.5 细胞的固定化129

6.5.1 固定化细胞的特点130

6.5.2 细胞固定化方法131

6.5.3 固定化细胞的应用133

6.6 原生质体固定化133

6.6.1 原生质体固定化的作用133

6.6.2 原生质体固定化的基本原理与方法134

6.6.3 固定化原生质体的应用135

参考文献135

7 生物催化介质系统137

7.1 概述137

7.2 典型的生物催化介质系统137

7.2.1 单一的水或缓冲溶液系统138

7.2.2 均相水-有机溶剂系统138

7.2.3 水-有机溶剂两相系统138

7.2.4 乳状液或微乳液系统139

7.2.5 微水有机溶剂均相系统140

7.2.6 超临界流体系统140

7.2.7 离子液体介质系统141

7.2.8 无溶剂或寡溶剂反应系统142

7.3 非水溶剂的影响及其选择原则142

7.3.1 非水溶剂对酶选择性的影响142

7.3.2 非水溶剂对酶稳定性的影响143

7.3.3 非水溶剂的选择原则144

7.4 水活度的影响及其控制方法145

7.4.1 酶的柔性与“必需水”145

7.4.2 水的活度与酶的活性146

7.4.3 水活度缓冲体系147

7.5 添加剂对非水相生物催化反应的影响147

7.5.1 无机盐类添加剂148

7.5.2 有机助溶剂148

7.5.3 多醇类添加剂148

7.5.4 表面活性剂149

7.6 非水介质中酶的活化方法150

7.6.1 有机相酶的活力为何不及水相150

7.6.2 如何提高有机相中酶的催化活力152

7.7 非水相生物催化的主要特征154

7.7.1 酶在有机溶剂中的催化活性154

7.7.2 酶在有机溶剂中的稳定性154

7.7.3 溶剂对酶选择性的调控作用154

7.7.4 非水相酶催化的其他特征156

7.8 非水介质中脂肪酶催化的手性拆分反应157

7.8.1 脂肪酶催化的有机合成反应157

7.8.2 外消旋体的拆分方法157

7.8.3 脂肪酶的手性识别机理158

7.8.4 脂肪酶拆分外消旋体的实例159

7.8.5 脂肪酶拆分的工业应用164

参考文献165

8 酶反应动力学169

8.1 酶的基本动力学169

8.1.1 Michae1is-Menten方程169

8.1.2 Briggs-Haldane改进的米氏方程170

8.1.3 米氏方程的意义171

8.1.4 米氏方程中Km、υmax的测定172

8.2 King-Altman法推导酶动力学方程174

8.3 酶的抑制动力学181

8.3.1 酶的可逆抑制181

8.3.2 酶的不可逆抑制186

参考文献190

9 生物催化反应器192

9.1 生物催化反应器概述192

9.1.1 生物催化反应器的基本概念192

9.1.2 生物反应器的特点193

9.1.3 生物反应器的分类193

9.1.4 生物反应器的研究内容和发展趋势194

9.2 生物反应器设计基础195

9.2.1 生物反应器设计的生物学基础195

9.2.2 生物反应器中的混合与传热196

9.2.3 理想的生物反应器模型197

9.3 几种主要的生物反应器介绍201

9.3.1 机械搅拌式生物反应器201

9.3.2 鼓泡式和气升式生物反应器209

9.3.3 自吸式生物反应器211

9.3.4 厌氧生物反应器212

9.3.5 固态发酵用生物反应器214

9.3.6 固定床、流化床生物反应器215

9.3.7 膜生物反应器216

9.4 生物反应器的设计与放大219

9.4.1 生物反应器的设计219

9.4.2 生物反应器的放大225

参考文献230

10 生物催化产品分离工程232

10.1 概述232

10.1.1 生物催化反应的类型及其产业化简况232

10.1.2 生物催化产品分离工程的基本内容233

10.2 细胞及不溶性物质的去除234

10.2.1 酶反应液或细胞转化液的预处理234

10.2.2 固-液分离235

10.3 溶剂萃取237

10.3.1 溶剂萃取分离的物理化学基础237

10.3.2 萃取过程取决于溶剂的特性237

10.3.3 萃取过程还取决于水相中溶质的特性238

10.3.4 萃取过程的操作方式及计算239

10.3.5 离子对/反应萃取240

10.4 树脂法241

10.4.1 树脂的分类241

10.4.2 吸附树脂243

10.4.3 离子交换树脂244

10.5 膜分离247

10.5.1 膜分离技术的类型和定义247

10.5.2 膜及其组件248

10.5.3 分离机理和膜中迁移方程式251

10.5.4 浓差极化和膜污染252

10.5.5 膜过滤的应用253

10.6 沉淀法253

10.6.1 等电点沉淀法254

10.6.2 有机溶剂沉淀法254

10.6.3 生成盐类复合物的沉淀法254

10.7 色层分离法255

10.7.1 前言255

10.7.2 色层分离法的基本概念256

10.7.3 生物小分子产品生产中常用的色层分离法257

10.8 液体蒸发259

10.8.1 基本概念259

10.8.2 常用的浓缩方法和设备260

10.9 结晶和重结晶法262

10.9.1 结晶262

10.9.2 过饱和溶液的形成263

10.9.3 晶核的形成264

10.9.4 晶体的生长265

10.9.5 重结晶265

10.9.6 应用实例266

10.10 固体干燥266

10.10.1 生物材料水分的性质及干燥的原理266

10.10.2 干燥速度及其影响因素267

10.10.3 干燥工艺的确定和干燥器的选型268

10.10.4 生物产品常用的干燥方法268

10.11 产品的验证和鉴定271

10.11.1 用新工艺生产已知（原有）产品的验证272

10.11.2 结构未知的新产品鉴定273

参考文献274

11 氧化酶275

11.1 单加氧酶275

11.1.1 C—H键羟化酶275

11.1.2 烯烃环氧化酶284

11.1.3 Baeyer-Villiger单加氧酶290

11.1.4 单加氧酶小结301

11.2 双加氧酶301

11.2.1 双加氧酶在芳烃代谢中的作用301

11.2.2 芳烃双加氧酶的结构、分类及催化的反应类型302

11.2.3 芳烃双加氧酶催化的芳烃双羟基化303

11.2.4 酶法、化学-酶法获得非寻常顺-二氢二醇对映异构体307

11.2.5 芳烃顺-二氢二醇在有机合成中的应用308

11.2.6 其他双加氧酶309

11.3 过氧化酶311

11.3.1 过氧化酶的活性中心结构及反应机理311

11.3.2 过氧化酶催化的反应312

11.3.3 过氧化酶小结319

参考文献319

12 还原酶323

12.1 手性化合物简介323

12.2 生物法还原拨基化合物合成手性仲醇323

12.2.1 手性仲醇的用途及合成方法323

12.2.2 生物催化拨基不对称还原在手性合成中的应用326

12.3 生物法还原拨基化合物的机理328

12.4 生物法还原碳基化合物的研究现状328

12.4.1 酶源328

12.4.2 离体还原酶的反应330

12.4.3 整细胞生物还原336

参考文献340

13 脂肪酶344

13.1 脂肪酶的来源与获得344

13.1.1 脂肪酶的来源344

13.1.2 产脂肪酶微生物的筛选346

13.1.3 脂肪酶的发酵生产346

13.2 脂肪酶活力的测定347

13.2.1 脂肪酶活力测定的底物347

13.2.2 底物的乳化347

13.2.3 脂肪酶活力的检测方法348

13.3 脂肪酶的性质、催化特性、结构和作用机理349

13.3.1 不同来源脂肪酶的相对分子质量349

13.3.2 不同来源脂肪酶的最适pH和最适温度350

13.3.3 脂肪酶活性的影响因子350

13.3.4 脂肪酶的界面活化机理350

13.3.5 脂肪酶分子结构中的“α/β-水解酶折叠”352

13.3.6 脂肪酶催化残基的确定353

13.3.7 包括两个四面体中间体的脂肪酶催化反应的机理353

13.3.8 脂肪酶催化的反应353

13.4 脂肪酶的选择性354

13.4.1 脂肪酶的底物选择性354

13.4.2 脂肪酸或酰基供体的选择性355

13.4.3 区域或位置选择性355

13.4.4 立体选择性…355.355

13.4.5 非选择性355

13.4.6 脂肪酶选择性的分子基础355

13.4.7 影响酶选择性的因素356

13.5 脂肪酶的工业应用357

13.5.1 食品工业、油脂修饰357

13.5.2 洗涤剂工业中的应用363

13.5.3 皮革生产中的应用365

13.5.4 利用脂肪酶拆分手性化合物365

13.5.5 可生物降解高分子化合物的合成375

参考文献376

14 环氧水解酶379

14.1 概述379

14.1.1 环氧水解酶的生理功能379

14.1.2 环氧水解酶的催化机理380

14.1.3 一些高选择性的环氧水解酶生产微生物菌株382

14.2 环氧水解酶的生产及改造384

14.2.1 环氧水解酶的生产384

14.2.2 环氧水解酶的基因克隆与定向进化384

14.2.3 环氧水解酶的纯化385

14.2.4 环氧水解酶的固定化385

14.3 环氧水解酶催化反应的区域选择性386

14.4 环氧水解酶催化的环氧化物水解387

14.4.1 经典动力学拆分387

14.4.2 内消旋环氧化物的不对称化391

14.4.3 对映会聚水解391

14.4.4 非天然亲核试剂393

14.5 环氧水解酶生物催化反应器394

14.5.1 单一水相催化394

14.5.2 两相催化395

14.5.3 膜反应器转化395

14.6 总结与展望397

参考文献397

15 糖昔酶及其在合成反应中的应用397

15.1 糖昔酶的介绍402

15.1.1 糖昔酶的研究进展402

15.1.2 糖昔酶的分类402

15.1.3 糖昔酶的命名和底物专一性402

15.1.4 糖苷酶的作用机制403

15.2 糖昔酶在合成反应中的应用403

15.2.1 糖昔类化合物的简介403

15.2.2 糖昔化合物的生产方法404

15.2.3 糖昔酶合成糖昔化合物404

15.3 糖昔酶的合成反应406

15.3.1 逆水解反应406

15.3.2 转糖昔化反应407

15.3.3 新型体系中的糖昔化反应407

15.3.4 糖昔化反应的区域选择性409

15.4 酶法扩大生产糖昔化合物410

15.4.1 衡量比较各种生产方法的标准410

15.4.2 用于糖昔化反应的生物反应器411

15.4.3 糖昔化反应产物的下游处理412

15.4.4 糖昔化反应工业生产的成本评估412

参考文献413