生物催化工程PDF电子书下载

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DNA 41

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 pH 82

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