在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，生物科技正以前所未有的速度改變著我們的生產(chǎn)方式和生活方式。其中，酶工程作為現(xiàn)代生物科技的重要分支，不僅在學(xué)術(shù)研究中占據(jù)核心地位，更在醫(yī)藥、農(nóng)藥、化工、食品、能源和環(huán)境保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。本書的編寫旨在為讀者提供系統(tǒng)、全面的酶工程知識(shí)，幫助其理解并掌握酶從分子水平優(yōu)化到工業(yè)規(guī)模應(yīng)用的全過(guò)程。
酶工程不僅是一門學(xué)科，更是一座跨學(xué)科的橋梁，它結(jié)合了生物化學(xué)、分子生物學(xué)、化學(xué)工程和材料科學(xué)等多領(lǐng)域的前沿知識(shí)，為解決復(fù)雜的工業(yè)和環(huán)境問(wèn)題提供了綠色、可持續(xù)的解決方案。通過(guò)學(xué)習(xí)本書，讀者不僅能夠了解酶催化反應(yīng)的基礎(chǔ)知識(shí)，還能夠掌握酶分子的改造策略、生產(chǎn)技術(shù)、反應(yīng)器設(shè)計(jì)以及工業(yè)化應(yīng)用方法，從而對(duì)酶工程的發(fā)展前景形成更清晰的認(rèn)識(shí)。
本書由長(zhǎng)期從事酶工程研究和教學(xué)的學(xué)者編寫，基于浙江工業(yè)大學(xué)酶工程教研組的講義內(nèi)容，兼顧理論與實(shí)踐，注重結(jié)合前沿研究成果與產(chǎn)業(yè)化案例，旨在激發(fā)讀者在酶工程領(lǐng)域的創(chuàng)新思維。本書由浙江工業(yè)大學(xué)程峰、鄭仁朝主編，徐沈遠(yuǎn)、李樹芳、宋曉菲任副主編。在編寫過(guò)程中，熊能、段鑫宇、薛斌、翁春躍等老師做了辛勤細(xì)致的工作，并得到了清華大學(xué)、北京大學(xué)、浙江大學(xué)、華南理工大學(xué)、北京化工大學(xué)、華東理工大學(xué)、江南大學(xué)等兄弟院校及化學(xué)工業(yè)出版社的大力支持和全力合作，在此表示誠(chéng)摯的感謝。
無(wú)論您是生物科技領(lǐng)域的研究人員、工程技術(shù)人員，還是對(duì)酶工程感興趣的初學(xué)者，我們希望本書能夠?yàn)槟蜷_探索酶工程領(lǐng)域的窗戶，為您指引通向綠色未來(lái)的道路。
我們期望本書的內(nèi)容能為廣大讀者提供幫助，并為酶工程的教學(xué)與研究貢獻(xiàn)力量。由于編者水平有限，書中難免存在不足之處，還請(qǐng)廣大讀者指正。
編者
2025年7月
第1章 緒論1
1.1 酶工程概述1
1.1.1 酶工程的學(xué)科背景1
1.1.2 酶工程的內(nèi)涵與外延1
1.1.3 酶工程與現(xiàn)代工業(yè)的聯(lián)系2
1.2 酶工程的發(fā)展概況2
1.2.1 酶工程的研究簡(jiǎn)史2
1.2.2 全球酶工程的發(fā)展概況3
1.2.3 我國(guó)酶工程的發(fā)展概況3
1.3 酶工程的研究方法4
1.3.1 酶工程的模塊化研究4
1.3.2 酶工程的模塊集成4
1.3.3 酶工程經(jīng)濟(jì)學(xué)5
1.3.4 酶工程環(huán)境影響分析5
1.4 酶工程的應(yīng)用領(lǐng)域5
1.4.1 能源領(lǐng)域5
1.4.2 醫(yī)藥領(lǐng)域6
1.4.3 食品領(lǐng)域6
1.4.4 環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域6
1.4.5 材料領(lǐng)域6
1.5 酶工程的挑戰(zhàn)與前景7
1.5.1 當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)7
1.5.2 酶工程的未來(lái)發(fā)展方向7
1.6 酶工程的學(xué)習(xí)意義7
1.7 總結(jié)9
思考題10
第2章 酶的認(rèn)識(shí)11
2.1 酶的命名和分類11
2.1.1 酶的命名11
2.1.2 酶的分類11
2.2 酶結(jié)構(gòu)的解析12
2.2.1 晶體學(xué)解析方案12
2.2.2 波譜學(xué)解析方案13
2.2.3 冷凍電鏡解析方案14
2.2.4 酶結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系15
2.3 酶作為生物催化劑的特點(diǎn)17
2.3.1 酶-底物復(fù)合物17
2.3.2 酶作用的專一性機(jī)制18
2.3.3 酶作用的高效性機(jī)制19
2.3.4 輔助因子20
2.3.5 酶的穩(wěn)定性20
2.4 酶催化機(jī)制20
2.4.1 鄰近效應(yīng)與定向效應(yīng)20
2.4.2 底物形變與誘導(dǎo)契合21
2.4.3 酸堿共同催化21
2.4.4 共價(jià)催化21
2.4.5 疏水環(huán)境的影響22
2.4.6 金屬催化22
2.4.7 多元催化22
2.5 酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)22
2.5.1 快速平衡法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程22
2.5.2 擬穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程25
2.5.3 對(duì)米氏方程的討論26
2.5.4 酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)求取27
2.6 酶催化反應(yīng)的抑制動(dòng)力學(xué)29
2.6.1 競(jìng)爭(zhēng)性抑制動(dòng)力學(xué)29
2.6.2 非競(jìng)爭(zhēng)性抑制動(dòng)力學(xué)31
2.6.3 反競(jìng)爭(zhēng)性抑制動(dòng)力學(xué)33
2.6.4 線性混合抑制動(dòng)力學(xué)34
2.6.5 底物抑制與產(chǎn)物抑制36
2.6.6 多底物酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)37
2.6.7 環(huán)境因素對(duì)酶催化反應(yīng)速率的影響41
思考題44
第3章 酶的發(fā)現(xiàn)45
3.1 酶的發(fā)現(xiàn)和篩選45
3.1.1 酶的來(lái)源與特點(diǎn)45
3.1.2 自然界產(chǎn)酶微生物篩選的一般流程45
3.1.3 基因數(shù)據(jù)庫(kù)中挖掘新酶基因48
3.1.4 利用宏基因組技術(shù)發(fā)掘新酶基因49
3.1.5 高通量篩選方法50
3.2 酶基因的異源表達(dá)54
3.2.1 原核工程菌產(chǎn)酶54
3.2.2 真核工程菌產(chǎn)酶56
3.2.3 動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)酶57
3.3 產(chǎn)酶微生物菌種58
3.3.1 產(chǎn)酶微生物種類58
3.3.2 高產(chǎn)菌種的選育和基因工程菌的構(gòu)建62
3.4 發(fā)酵產(chǎn)酶過(guò)程控制65
3.4.1 發(fā)酵產(chǎn)酶過(guò)程中的主要控制參數(shù)65
3.4.2 發(fā)酵條件對(duì)產(chǎn)酶的影響66
3.4.3 染菌的防治72
3.5 提高酶發(fā)酵生產(chǎn)的方法73
3.5.1 酶合成的調(diào)控73
3.5.2 通過(guò)條件控制提高酶產(chǎn)量75
3.5.3 通過(guò)基因突變提高酶產(chǎn)量76
3.5.4 通過(guò)體內(nèi)基因重組提高酶產(chǎn)量77
3.5.5 通過(guò)體外基因重組提高酶產(chǎn)量78
思考題82
第4章 酶的改造83
4.1 酶的化學(xué)修飾83
4.1.1 酶化學(xué)修飾的目的和原理84
4.1.2 酶的化學(xué)修飾方法84
4.1.3 修飾酶的性質(zhì)特性87
4.2 蛋白質(zhì)工程88
4.2.1 酶的定向進(jìn)化90
4.2.2 酶的理性設(shè)計(jì)98
4.2.3 酶的半理性設(shè)計(jì)101
4.2.4 基于計(jì)算機(jī)輔助的新型酶改造策略102
思考題107
第5章 酶的分離、純化與制劑制備108
5.1 酶的提取108
5.1.1 細(xì)胞破碎108
5.1.2 酶的抽提110
5.1.3 酶提取的影響因素111
5.2 酶分離的意義與特點(diǎn)112
5.2.1 酶分離的原則112
5.2.2 酶分離的一般步驟113
5.2.3 酶活力的檢測(cè)113
5.2.4 酶純度的檢測(cè)116
5.3 發(fā)酵液預(yù)處理與固液分離117
5.3.1 細(xì)胞的收集方法117
5.3.2 酶溶液的獲取117
5.4 酶的純化方法117
5.4.1 常見的酶純化方法117
5.4.2 沉淀分離118
5.4.3 膜分離120
5.4.4 區(qū)帶離心分離122
5.4.5 電泳分離124
5.4.6 色譜分離127
5.5 酶的濃縮、結(jié)晶與保存130
5.5.1 酶的濃縮130
5.5.2 酶的結(jié)晶與干燥130
5.5.3 酶的劑型與保存133
5.6 典型的酶分離工程工藝及工業(yè)應(yīng)用133
5.6.1 淀粉酶的分離工藝133
5.6.2 蛋白酶的分離工藝134
思考題135
第6章 酶的固定化136
6.1 酶固定化技術(shù)136
6.1.1 酶固定化技術(shù)概述136
6.1.2 酶的固定化技術(shù)比較137
6.1.3 固定化材料的選擇144
6.1.4 固定化酶性能強(qiáng)化的機(jī)制149
6.2 固定化酶的表征與強(qiáng)化150
6.2.1 固定化酶活力的變化151
6.2.2 固定化酶穩(wěn)定性的變化151
6.2.3 固定化酶最適溫度的變化152
6.2.4 固定化酶最適pH 的變化152
6.2.5 固定化酶的傳質(zhì)問(wèn)題153
6.3 固定化酶的評(píng)價(jià)156
6.3.1 固定化酶活力156
6.3.2 酶的固定化效率及酶的活力回收率測(cè)定157
6.3.3 固定化酶的穩(wěn)定性與半衰期157
6.4 固定化酶在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用157
6.4.1 氨基�；干a(chǎn)氨基酸157
6.4.2 固定化葡萄糖異構(gòu)酶生產(chǎn)果葡糖漿158
6.4.3 固定化青霉素G�；干a(chǎn)6-氨基青霉烷酸158
思考題159
第7章 酶催化160
7.1 水相中的酶催化160
7.1.1 概述與重要性160
7.1.2 水相中酶催化的影響因素160
7.1.3 水相中酶催化的應(yīng)用161
7.2 有機(jī)介質(zhì)中的酶催化162
7.2.1 有機(jī)相催化反應(yīng)體系類型162
7.2.2 酶在有機(jī)相中的催化特性163
7.3 非傳統(tǒng)介質(zhì)中的酶催化164
7.3.1 超臨界流體體系164
7.3.2 離子液體體系166
7.3.3 氣相介質(zhì)體系168
7.3.4 深共熔溶劑體系169
7.3.5 雙水相體系171
7.3.6 無(wú)溶劑體系172
思考題173
第8章 酶反應(yīng)器與過(guò)程技術(shù)174
8.1 反應(yīng)器類型174
8.1.1 基本反應(yīng)器類型及物料平衡174
8.1.2 其他反應(yīng)器類型和結(jié)構(gòu)176
8.1.3 酶反應(yīng)器的特性及其限制因素177
8.2 反應(yīng)器放大與控制177
8.2.1 反應(yīng)器中的停留時(shí)間分布、混合、壓降和質(zhì)量傳遞178
8.2.2 無(wú)量綱數(shù)179
8.2.3 停留時(shí)間分布179
8.2.4 攪拌式反應(yīng)器中的混合180
8.2.5 反應(yīng)器中的質(zhì)量傳遞180
8.2.6 管式反應(yīng)器中的壓降和流化180
8.3 過(guò)程技術(shù)180
8.4 過(guò)程模擬181
8.4.1 流程模擬181
8.4.2 單元設(shè)備模擬181
8.4.3 過(guò)程放大模擬軟件181
8.5 過(guò)程優(yōu)化183
8.6 集成化過(guò)程工程183
思考題184
第9章 酶的應(yīng)用185
9.1 酶在醫(yī)藥方面的應(yīng)用185
9.1.1 酶在疾病診斷方面的應(yīng)用185
9.1.2 酶在疾病預(yù)防和治療方面的應(yīng)用192
9.1.3 酶在藥物制造方面的應(yīng)用195
9.2 酶在食品方面的應(yīng)用206
9.2.1 酶在食品保鮮方面的應(yīng)用206
9.2.2 酶在食品生產(chǎn)方面的應(yīng)用207
9.2.3 酶在食品添加劑生產(chǎn)方面的應(yīng)用212
9.3 酶在輕工、化工方面的應(yīng)用216
9.3.1 酶在原料處理方面的應(yīng)用216
9.3.2 酶在輕工、化工產(chǎn)品制造方面的應(yīng)用220
9.4 酶在環(huán)境保護(hù)、雙碳中的應(yīng)用236
9.4.1 酶在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用236
9.4.2 酶在廢水處理方面的應(yīng)用238
9.4.3 酶在可生物降解材料開發(fā)方面的應(yīng)用239
9.4.4 酶在生物能源生產(chǎn)中的應(yīng)用239
9.4.5 酶在二氧化碳固定與轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用239
9.4.6 酶在工業(yè)過(guò)程綠色化中的應(yīng)用240
9.4.7 酶在農(nóng)業(yè)與食品行業(yè)的減碳策略241
9.5 酶在材料領(lǐng)域的應(yīng)用241
9.5.1 酶在材料合成中的應(yīng)用241
9.5.2 酶在材料改性中的應(yīng)用247
9.5.3 酶?jìng)鞲衅髋c智能材料248
思考題253
參考文獻(xiàn)254
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