本书以介绍生物催化的基本概念、理论基础、工艺过程及其在医药、食品和化学工业等中的应用实例和研究进展为核心内容。由四部分知识体系构成：第一部分是生物催化的学科基础，包括生物催化的微生物学、酶学和手性化学基础；第二部分是改善生物催化反应的方法，包括生物催化剂的分子改造、固定化和非水相生物催化；第三部分是以反应技术的开发、反应过程的优化和反应器设计为主的生物催化反应器；第四部分是生物催化的应用，主要以应用实例方式对重要的水解酶、氧化还原酶、转移酶、醛缩酶等催化反应的原理、特点及其应用进行专论介绍。
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前言
第1章 绪论 1
1.1 生物催化概况 1
1.2 生物催化技术的特点 1
1.3 生物催化的发展史 2
1.4 全球生物催化酶制剂市场规模 3
1.5 生物催化与可持续性 4
1.6 食品工业中的生物催化及其工艺强化 5
1.6.1 乳制品工业 6
1.6.2 烘焙工业 7
1.6.3 果蔬加工业 8
1.6.4 酿酒工业 9
1.6.5 油脂加工 10
1.6.6 肉制品工业 10
1.6.7 香精香料业 11
1.7 食品生物催化制造 12
1.8 生物催化的安全性评价 13
第2章 生物催化的微生物学基础 15
2.1 用于生物催化的主要微生物 15
2.1.1 细菌 15
2.1.2 放线菌 16
2.1.3 霉菌 17
2.1.4 酵母菌 17
2.2 微生物酶的筛选和菌种选育 18
2.2.1 微生物菌种的分离 18
2.2.2 诱变育种 20
2.3 微生物酶的发酵生产 22
2.3.1 氧化还原酶 22
2.3.2 水解酶 24
2.3.3 裂合酶 32
2.4 微生物生物合成：重要天然产物的来源 33
2.4.1 氨基酸 34
2.4.2 嘌呤和嘧啶及其核苷酸 37
2.4.3 维生素 39
2.4.4 有机酸 40
2.4.5 乙醇及相关化合物 42
2.4.6 次生代谢物 43
参考文献 45
第3章 生物催化的酶学基础 48
3.1 酶的分类组成与结构特性 48
3.1.1 酶的分子结构与化学组成 48
3.1.2 酶的分类 50
3.1.3 酶的空间结构及活性中心 51
3.2 酶的分离纯化 52
3.2.1 酶的来源 52
3.2.2 酶的分离 53
3.2.3 酶的纯化 55
3.3 酶的作用机制 58
3.4 酶的催化动力学 60
3.4.1 酶促反应初速度 60
3.4.2 米氏方程 60
3.4.3 影响酶促反应速率的因素 63
3.4.4 激活剂和抑制剂对酶促反应速率的影响 64
3.5 酶活性调节 65
3.5.1 酶原激活调节 66
3.5.2 酶活性的别构调节 66
3.5.3 酶分子的共价修饰 68
3.6 酶在食品领域的应用 68
参考文献 71
第4章 生物催化的手性化学基础 72
4.1 光学活性与手性 72
4.1.1 自然光和偏振光 72
4.1.2 旋光性与比旋光度 72
4.1.3 手性分子与旋光性 74
4.1.4 对映异构体与非对映异构体 74
4.2 构型与构象 78
4.2.1 分子构型 78
4.2.2 分子构象 80
4.3 生物催化反应的选择性 80
4.3.1 化学选择性 80
4.3.2 区域选择性 82
4.3.3 立体选择性 82
4.4 手性化合物外消旋体的生物催化去对称化 83
4.4.1 脂肪酶催化的手性化合物去对称化 84
4.4.2 氧化还原酶催化的手性化合物去对称化 86
4.4.3 酰胺酶催化的手性化合物去对称化 87
参考文献 87
第5章 生物催化剂的分子改造 89
5.1 化学修饰技术 89
5.1.1 小分子修饰 89
5.1.2 定点突变与化学修饰结合 90
5.1.3 辅因子引入 90
5.1.4 交联技术 90
5.1.5 单功能聚合物 91
5.2 定点突变技术 91
5.2.1 寡核苷酸引物介导的定点突变 92
5.2.2 PCR介导的定点突变法及其改进——大引物突变法 92
5.2.3 盒式突变 93
5.3 DNA改组技术 94
5.4 酶的化学糖基化 96
5.4.1 用于酶化学糖基化修饰的分子种类 96
5.4.2 常用的化学糖基化修饰 96
5.5 酶的定向进化 99
5.5.1 酶的分子定向进化的概念——物种进化与酶定向进化 100
5.5.2 酶定向进化技术的发展历程 100
5.5.3 酶定向进化的主要方法 101
5.6 结合定点突变的酶理性设计改善酶特性的具体应用 103
5.6.1 重塑活性中心提高酶的底物特异性 103
5.6.2 重塑活性中心改变酶促反应类型 104
5.7 基于DNA改组和酶定向进化非理性设计改善酶特性的具体应用 105
5.7.1 改善酶的底物特异性 105
5.7.2 提高酶的对映体选择性 105
5.7.3 改善酶反应活性 106
5.7.4 定向进化改善酶稳定性 106
5.7.5 改善酶的溶解性和异源表达 109
5.7.6 创造新的活性 109
5.7.7 增加微生物酶的抗性 109
5.8 酶定向进化的优势和前景 110
参考文献 110
第6章 生物催化剂的固定化 112
6.1 传统酶固定化技术 112
6.1.1 物理吸附法 112
6.1.2 物理包埋法 113
6.1.3 共价结合法 113
6.1.4 化学交联法 113
6.1.5 不同传统酶固定化技术的优缺点 114
6.1.6 传统固定化酶的载体材料 114
6.2 新型酶固定化技术 117
6.2.1 新型固定化载体材料 117
6.2.2 新型酶固定化方法 127
6.3 酶定向固定化技术 129
6.3.1 生物酶介导的定向固定化技术 129
6.3.2 化学修饰介导的酶定向固定化技术 130
6.3.3 界面聚合微囊固定化技术 130
6.3.4 基于表面展示技术的酶固定化 130
6.4 多酶共固定化 131
6.4.1 多酶的非特异性共价共固定化 131
6.4.2 多酶的非特异性非共价共固定化 132
6.4.3 多酶的非共价包埋共固定化 132
6.4.4 多酶位点特异性共固定化 133
6.5 其他新型固定化技术 134
6.5.1 辐射处理 134
6.5.2 等离子体处理 134
6.5.3 纳米技术处理 135
6.5.4 超声波处理 135
6.5.5 磁处理 135
参考文献 135
第7章 非水相生物催化 136
7.1 非水相中酶学基础及非水相机理 136
7.1.1 非水相中酶学基础 136
7.1.2 非水相机理 138
7.2 提高非水相中酶的耐受性 140
7.2.1 非水溶剂对酶催化的影响 142
7.2.2 体系含水量对酶催化的影响 143
7.2.3 pH和离子强度 144
7.2.4 温度 144
7.3 非水相生物催化及其特点 145
7.4 非水相生物催化的影响因素 147
7.4.1 反应温度的影响 147
7.4.2 非水相介质的影响 147
7.4.3 底物浓度和摩尔比的影响 148
7.4.4 催化剂的影响 148
7.4.5 有机溶剂对酶催化反应的影响 148
7.4.6 非水相体系中微量水对酶催化性能的影响 149
7.5 生物催化反应体系的分类 150
7.5.1 有机相体系 150
7.5.2 超临界流体体系 150
7.5.3 离子液体体系 151
7.5.4 反胶束体系 152
7.5.5 全细胞体系 153
7.6 物理场强化非水相生物催化 154
7.6.1 超声波强化非水相生物催化 154
7.6.2 微波强化非水相生物催化 155
7.6.3 磁场强化非水相生物催化 156
7.6.4 热等静压技术强化非水相生物催化 156
参考文献 157
第8章 生物催化反应器 158
8.1 生物催化反应器概述 158
8.2 酶反应器基本设计 159
8.2.1 设计基本原理 159
8.2.2 理想条件下酶反应器的基本设计 160
8.3 多相体系中扩散限制对生物催化反应器设计和性能的影响 171
8.4 热失活对酶反应器设计和性能的影响 173
8.5 脂肪酶催化连续反应器的构建及操作稳定性 175
8.5.1 反应器构建的流程 175
8.5.2 应用——膜反应器中脂肪酶动态拆分萘普生甲酯 177
8.6 酶反应器操作方式对拆分产物光学活性的影响 179
参考文献 181
第9章 蛋白酶 182
9.1 蛋白酶的种类 182
9.2 蛋白酶活性检测方法 183
9.2.1 均相检测蛋白酶活性 183
9.2.2 基于分离的活性检测试验 186
9.2.3 改进型蛋白酶活性的测定方法 187
9.3 重要蛋白酶的结构与功能 187
9.3.1 丝氨酸蛋白酶 187
9.3.2 天冬氨酸蛋白酶 189
9.3.3 碱性蛋白酶 191
9.3.4 风味蛋白酶 191
9.4 蛋白水解酶催化机制 192
9.4.1 蛋白酶催化底物的基本机制 192
9.4.2 蛋白酶水解底物的特异性作用机制 193
9.4.3 酶与底物的结合部位蛋白酶的位点专一性 194
9.4.4 酶分子表面电荷作用 194
9.5 蛋白酶催化蛋白质酶解法合成多肽 195
9.6 固载化酶催化合成多肽 196
9.6.1 溶剂对固定化酶催化合成多肽的影响 196
9.6.2 载体与固定化方法 196
9.6.3 pH及温度 197
9.7 酶催化拼接合成多肽 197
9.7.1 转肽酶 197
9.7.2 连接酶 198
9.7.3 氧化还原酶 198
9.8 蛋白酶在食品领域的应用进展 199
9.8.1 蛋白酶在食品中的作用机理 199
9.8.2 蛋白酶在食品工业中的应用研究 200
参考文献 202
第10章 青霉素酰化酶 206
10.1 β-内酰胺类抗生素简介 206
10.1.1 酶促一锅合成法 206
10.1.2 原位产物排出法 207
10.1.3 反应介质体系与酶促合成 207
10.1.4 水两相体系 207
10.1.5 水-有机溶剂混合体系 207
10.1.6 悬浊液-悬浊液体系 208
10.1.7 冰冻介质 208
10.1.8 酶固定化新方法与酶促合成 208
10.2 半合成β-内酰胺类抗生素化学法与酶催化法合成比较 208
10.3 生物催化合成的策略 209
10.3.1 生物催化 209
10.3.2 生物催化的应用 210
10.3.3 固定化酶 210
10.3.4 青霉素酰化酶概述 211
10.3.5 青霉素酰化酶的固定化 211
10.3.6 青霉素酰化酶催化合成抗生素 214
10.4 青霉素酰化酶生物催化剂 214
10.4.1 青霉素酰化酶的种类 215
10.4.2 青霉素G和青霉素V 216
10.4.3 催化反应条件 217
10.4.4 青霉素酰化酶的催化应用 217
10.5 均相和非均相水-有机介质中β-内酰胺类抗生素的合成 219
10.5.1 不同体系中半合成β-内酰胺抗生素的研究 220
10.5.2 酶促合成反应控制策略 222
10.6 半合成β-内酰胺类抗生素生产的生物反应器 224
10.6.1 底物形式的影响 225
10.6.2 催化剂形式的影响 225
10.6.3 生产环境的影响 226
10.6.4 产品的分离与纯化 227
参考文献 228
第11章 氧化还原酶 230
11.1 氧化还原酶的种类及应用 230
11.1.1 L-氨基酸氧化酶 230
11.1.2 D-氨基酸氧化酶研究进展 234
11.1.3 NADPH氧化酶 238
11.1.4 葡萄糖氧化酶 241
11.1.5 醛氧化酶 244
11.1.6 乳酸氧化酶 247
11.1.7 胺氧化酶 251
11.1.8 多酚氧化酶 254
11.2 氧化还原酶催化过程中的辅酶连续再生和截留 258
11.2.1 辅酶再生方法 259
11.2.2 辅酶截留方法 260
11.2.3 酶法再生还原烟酰胺辅因子 261
11.2.4 酶法再生氧化烟酰胺辅因子 262
11.2.5 电化学方法 263
11.3 氧化还原酶催化的不对称氧化还原反应 264
11.3.1 非对称性还原反应 264
11.3.2 氧化作用 265
11.3.3 过氧化物酶的不对称氧化 266
11.4 氧化还原酶介导生物级联催化研究进展 267
参考文献 268
第12章 醛缩酶催化不对称合成 271
12.1 醛缩酶的分类 271
12.1.1 磷酸二羟基丙酮(DHAP)依赖型醛缩酶 272
12.1.2 二羟基丙酮(DHA)依赖型醛缩酶 272
12.1.3 丙酮酸(PA)和磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)依赖型醛缩酶 273
12.1.4 乙醛依赖型醛缩酶 273
12.1.5 甘氨酸依赖型醛缩酶 273
12.2 醛缩酶的活性中心 273
12.3 醛缩酶的制备 274
12.3.1 固态发酵法 274
12.3.2 酶分子的基因改造 275
12.4 醛缩酶的催化性质 277
12.5 醛缩酶催化不对称C—C键形成反应及其应用 278
12.5.1 依赖丙酮酸的醛缩酶 278
12.5.2 依赖磷酸二羟丙酮的醛缩酶 282
12.5.3 依赖二羟丙酮的醛缩酶 283
12.5.4 依赖甘氨酸或丙氨酸的醛缩酶 287
参考文献 290
第13章 脂肪酶 294
13.1 脂肪酶的来源与获得 294
13.1.1 脂肪酶的来源 294
13.1.2 产脂肪酶微生物的筛选 296
13.1.3 脂肪酶的发酵生产 296
13.1.4 脂肪酶的分离纯化 297
13.2 脂肪酶活力的测定 299
13.2.1 酸碱滴定法 300
13.2.2 分光光度法 300
13.2.3 平板法 301
13.2.4 光谱法 301
13.2.5 色谱法 302
13.2.6 基于纳米金光学性质的脂肪酶活性检测方法 302
13.3 脂肪酶结构及催化机理 303
13.3.1 脂肪酶的分子量 303
13.3.2 脂肪酶的催化特性 303
13.3.3 脂肪酶的结构 303
13.3.4 脂肪酶催化反应机理 306
13.4 脂肪酶的选择性 307
13.4.1 底物选择性 307
13.4.2 区域位置选择性 307
13.4.3 立体选择性 308
13.4.4 脂肪酶选择性的分子基础 308
13.5 非水介质中脂肪酶的催化反应 309
13.5.1 非水反应体系 309
13.5.2 水解反应 311
13.5.3 酯化反应 311
13.5.4 氨解反应 311
13.5.5 酯交换反应 312
13.6 脂肪酶催化淀粉酯的合成 312
13.7 脂肪酶催化阿魏酸酯的合成 316
13.8 脂肪酶催化2-芳基丙酸类药物手性拆分 318
13.8.1 手性化合物 318
13.8.2 脂肪酶催化手性拆分 320
13.8.3 脂肪酶催化2-芳基丙酸类药物手性拆分的主要反应类型 321
13.8.4 催化2-芳基丙酸类药物拆分反应的脂肪酶 325
13.9 结语 326
参考文献 327
第14章 糖基转移酶催化合成非天然低聚糖 331
14.1 酶催化糖基化的先决条件 332
14.1.1 Leloir型糖基转移酶 332
14.1.2 底物供应 333
14.2 半乳糖基转移酶催化糖基化 334
14.2.1 α-1,3-半乳糖基转移酶 334
14.2.2 α-1,4-半乳糖基转移酶 335
14.2.3 β-1,3-半乳糖基转移酶 335
14.2.4 β-1,4-半乳糖基转移酶 335
14.2.5 乳糖基转移酶在乳品工业中的应用 337
14.3 葡萄糖基转移酶催化糖基化 338
14.3.1 葡萄糖基转移酶的微生物来源 339
14.3.2 葡萄糖基转移酶的性质 339
14.3.3 葡萄糖基转移酶的研究进展 340
14.3.4 葡萄糖基转移酶在低聚异麦芽糖生产中的应用 340
14.4 果糖基转移酶催化糖基化 341
14.4.1 果糖基转移酶 341
14.4.2 果糖基转移酶的来源与生产 342
14.4.3 果糖基转移酶的性质 342
14.4.4 果糖基转移酶的研究进展 344
14.5 唾液酸(酰)转移酶催化糖基 344
14.5.1 唾液酸(酰)转移酶 344
14.5.2 唾液酸(酰)转移酶催化糖基的分类 345
14.5.3 唾液酸转移酶 345
14.5.4 唾液酸(酰)转移酶催化糖基的研究进展 346
14.6 其他转移酶催化糖基化 347
14.6.1 岩藻糖转移酶 347
14.6.2 环糊精葡萄糖基转移酶 348
14.6.3 低聚木糖的合成 349
14.6.4 甘露低聚糖的合成 349
14.6.5 其他低聚糖的合成 349
14.7 结语 350
参考文献 351
京公网安备 11010102004214号