在当今科技飞速发展的时代，生物科技正以前所未有的速度改变着我们的生产方式和生活方式。其中，酶工程作为现代生物科技的重要分支，不仅在学术研究中占据核心地位，更在医药、农药、化工、食品、能源和环境保护等多个领域展现出广阔的应用前景。本书的编写旨在为读者提供系统、全面的酶工程知识，帮助其理解并掌握酶从分子水平优化到工业规模应用的全过程。
酶工程不仅是一门学科，更是一座跨学科的桥梁，它结合了生物化学、分子生物学、化学工程和材料科学等多领域的前沿知识，为解决复杂的工业和环境问题提供了绿色、可持续的解决方案。通过学习本书，读者不仅能够了解酶催化反应的基础知识，还能够掌握酶分子的改造策略、生产技术、反应器设计以及工业化应用方法，从而对酶工程的发展前景形成更清晰的认识。
本书由长期从事酶工程研究和教学的学者编写，基于浙江工业大学酶工程教研组的讲义内容，兼顾理论与实践，注重结合前沿研究成果与产业化案例，旨在激发读者在酶工程领域的创新思维。本书由浙江工业大学程峰、郑仁朝主编，徐沈远、李树芳、宋晓菲任副主编。在编写过程中，熊能、段鑫宇、薛斌、翁春跃等老师做了辛勤细致的工作，并得到了清华大学、北京大学、浙江大学、华南理工大学、北京化工大学、华东理工大学、江南大学等兄弟院校及化学工业出版社的大力支持和全力合作，在此表示诚挚的感谢。
无论您是生物科技领域的研究人员、工程技术人员，还是对酶工程感兴趣的初学者，我们希望本书能够为您打开探索酶工程领域的窗户，为您指引通向绿色未来的道路。
我们期望本书的内容能为广大读者提供帮助，并为酶工程的教学与研究贡献力量。由于编者水平有限，书中难免存在不足之处，还请广大读者指正。
编者
2025年7月
第1章 绪论1
1.1 酶工程概述1
1.1.1 酶工程的学科背景1
1.1.2 酶工程的内涵与外延1
1.1.3 酶工程与现代工业的联系2
1.2 酶工程的发展概况2
1.2.1 酶工程的研究简史2
1.2.2 全球酶工程的发展概况3
1.2.3 我国酶工程的发展概况3
1.3 酶工程的研究方法4
1.3.1 酶工程的模块化研究4
1.3.2 酶工程的模块集成4
1.3.3 酶工程经济学5
1.3.4 酶工程环境影响分析5
1.4 酶工程的应用领域5
1.4.1 能源领域5
1.4.2 医药领域6
1.4.3 食品领域6
1.4.4 环境保护领域6
1.4.5 材料领域6
1.5 酶工程的挑战与前景7
1.5.1 当前面临的挑战7
1.5.2 酶工程的未来发展方向7
1.6 酶工程的学习意义7
1.7 总结9
思考题10
第2章 酶的认识11
2.1 酶的命名和分类11
2.1.1 酶的命名11
2.1.2 酶的分类11
2.2 酶结构的解析12
2.2.1 晶体学解析方案12
2.2.2 波谱学解析方案13
2.2.3 冷冻电镜解析方案14
2.2.4 酶结构与功能的关系15
2.3 酶作为生物催化剂的特点17
2.3.1 酶-底物复合物17
2.3.2 酶作用的专一性机制18
2.3.3 酶作用的高效性机制19
2.3.4 辅助因子20
2.3.5 酶的稳定性20
2.4 酶催化机制20
2.4.1 邻近效应与定向效应20
2.4.2 底物形变与诱导契合21
2.4.3 酸碱共同催化21
2.4.4 共价催化21
2.4.5 疏水环境的影响22
2.4.6 金属催化22
2.4.7 多元催化22
2.5 酶催化反应动力学22
2.5.1 快速平衡法推导动力学方程22
2.5.2 拟稳态法推导动力学方程25
2.5.3 对米氏方程的讨论26
2.5.4 酶催化反应动力学参数求取27
2.6 酶催化反应的抑制动力学29
2.6.1 竞争性抑制动力学29
2.6.2 非竞争性抑制动力学31
2.6.3 反竞争性抑制动力学33
2.6.4 线性混合抑制动力学34
2.6.5 底物抑制与产物抑制36
2.6.6 多底物酶催化反应动力学37
2.6.7 环境因素对酶催化反应速率的影响41
思考题44
第3章 酶的发现45
3.1 酶的发现和筛选45
3.1.1 酶的来源与特点45
3.1.2 自然界产酶微生物筛选的一般流程45
3.1.3 基因数据库中挖掘新酶基因48
3.1.4 利用宏基因组技术发掘新酶基因49
3.1.5 高通量筛选方法50
3.2 酶基因的异源表达54
3.2.1 原核工程菌产酶54
3.2.2 真核工程菌产酶56
3.2.3 动植物细胞培养产酶57
3.3 产酶微生物菌种58
3.3.1 产酶微生物种类58
3.3.2 高产菌种的选育和基因工程菌的构建62
3.4 发酵产酶过程控制65
3.4.1 发酵产酶过程中的主要控制参数65
3.4.2 发酵条件对产酶的影响66
3.4.3 染菌的防治72
3.5 提高酶发酵生产的方法73
3.5.1 酶合成的调控73
3.5.2 通过条件控制提高酶产量75
3.5.3 通过基因突变提高酶产量76
3.5.4 通过体内基因重组提高酶产量77
3.5.5 通过体外基因重组提高酶产量78
思考题82
第4章 酶的改造83
4.1 酶的化学修饰83
4.1.1 酶化学修饰的目的和原理84
4.1.2 酶的化学修饰方法84
4.1.3 修饰酶的性质特性87
4.2 蛋白质工程88
4.2.1 酶的定向进化90
4.2.2 酶的理性设计98
4.2.3 酶的半理性设计101
4.2.4 基于计算机辅助的新型酶改造策略102
思考题107
第5章 酶的分离、纯化与制剂制备108
5.1 酶的提取108
5.1.1 细胞破碎108
5.1.2 酶的抽提110
5.1.3 酶提取的影响因素111
5.2 酶分离的意义与特点112
5.2.1 酶分离的原则112
5.2.2 酶分离的一般步骤113
5.2.3 酶活力的检测113
5.2.4 酶纯度的检测116
5.3 发酵液预处理与固液分离117
5.3.1 细胞的收集方法117
5.3.2 酶溶液的获取117
5.4 酶的纯化方法117
5.4.1 常见的酶纯化方法117
5.4.2 沉淀分离118
5.4.3 膜分离120
5.4.4 区带离心分离122
5.4.5 电泳分离124
5.4.6 色谱分离127
5.5 酶的浓缩、结晶与保存130
5.5.1 酶的浓缩130
5.5.2 酶的结晶与干燥130
5.5.3 酶的剂型与保存133
5.6 典型的酶分离工程工艺及工业应用133
5.6.1 淀粉酶的分离工艺133
5.6.2 蛋白酶的分离工艺134
思考题135
第6章 酶的固定化136
6.1 酶固定化技术136
6.1.1 酶固定化技术概述136
6.1.2 酶的固定化技术比较137
6.1.3 固定化材料的选择144
6.1.4 固定化酶性能强化的机制149
6.2 固定化酶的表征与强化150
6.2.1 固定化酶活力的变化151
6.2.2 固定化酶稳定性的变化151
6.2.3 固定化酶最适温度的变化152
6.2.4 固定化酶最适pH 的变化152
6.2.5 固定化酶的传质问题153
6.3 固定化酶的评价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测定157
6.3.3 固定化酶的稳定性与半衰期157
6.4 固定化酶在工业生产中的应用157
6.4.1 氨基酰化酶生产氨基酸157
6.4.2 固定化葡萄糖异构酶生产果葡糖浆158
6.4.3 固定化青霉素G酰化酶生产6-氨基青霉烷酸158
思考题159
第7章 酶催化160
7.1 水相中的酶催化160
7.1.1 概述与重要性160
7.1.2 水相中酶催化的影响因素160
7.1.3 水相中酶催化的应用161
7.2 有机介质中的酶催化162
7.2.1 有机相催化反应体系类型162
7.2.2 酶在有机相中的催化特性163
7.3 非传统介质中的酶催化164
7.3.1 超临界流体体系164
7.3.2 离子液体体系166
7.3.3 气相介质体系168
7.3.4 深共熔溶剂体系169
7.3.5 双水相体系171
7.3.6 无溶剂体系172
思考题173
第8章 酶反应器与过程技术174
8.1 反应器类型174
8.1.1 基本反应器类型及物料平衡174
8.1.2 其他反应器类型和结构176
8.1.3 酶反应器的特性及其限制因素177
8.2 反应器放大与控制177
8.2.1 反应器中的停留时间分布、混合、压降和质量传递178
8.2.2 无量纲数179
8.2.3 停留时间分布179
8.2.4 搅拌式反应器中的混合180
8.2.5 反应器中的质量传递180
8.2.6 管式反应器中的压降和流化180
8.3 过程技术180
8.4 过程模拟181
8.4.1 流程模拟181
8.4.2 单元设备模拟181
8.4.3 过程放大模拟软件181
8.5 过程优化183
8.6 集成化过程工程183
思考题184
第9章 酶的应用185
9.1 酶在医药方面的应用185
9.1.1 酶在疾病诊断方面的应用185
9.1.2 酶在疾病预防和治疗方面的应用192
9.1.3 酶在药物制造方面的应用195
9.2 酶在食品方面的应用206
9.2.1 酶在食品保鲜方面的应用206
9.2.2 酶在食品生产方面的应用207
9.2.3 酶在食品添加剂生产方面的应用212
9.3 酶在轻工、化工方面的应用216
9.3.1 酶在原料处理方面的应用216
9.3.2 酶在轻工、化工产品制造方面的应用220
9.4 酶在环境保护、双碳中的应用236
9.4.1 酶在环境监测方面的应用236
9.4.2 酶在废水处理方面的应用238
9.4.3 酶在可生物降解材料开发方面的应用239
9.4.4 酶在生物能源生产中的应用239
9.4.5 酶在二氧化碳固定与转化中的应用239
9.4.6 酶在工业过程绿色化中的应用240
9.4.7 酶在农业与食品行业的减碳策略241
9.5 酶在材料领域的应用241
9.5.1 酶在材料合成中的应用241
9.5.2 酶在材料改性中的应用247
9.5.3 酶传感器与智能材料248
思考题253
参考文献254
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