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應用生物催化 版權信息
- ISBN：9787030749895
- 條形碼：9787030749895 ; 978-7-03-074989-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
應用生物催化 本書特色
本書是交叉性質的，可為化學化工、生物、食品、醫藥領域人員提供參考
應用生物催化 內容簡介
建立在微生物學、酶學和有機化學三大學科基礎之上，以介紹生物催化的基本概念、理論基礎、工藝過程及其在醫藥、食品和化學工業等中的應用實例和研究進展為核心內容。由4方面知識體系構成：**部分是生物催化的科學基礎部分，包括生物催化的微生物學、酶學和有機化學基礎；第二部分是改善生物催化反應的方法部分，包括生物催化劑的分子設計、酶固定化和非水相生物催化；第三部分是以反應技術的開發、反應過程的優化和反應器設計為主的生物催化反應器部分；*后是生物催化的應用部分，主要以應用實例方式對重要的水解酶（脂肪酶、蛋白酶）、氧化還原酶、轉移酶、醛縮酶等催化反應的原理、特點及其應用進行專論介紹。
應用生物催化 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 生物催化概況 1
1.2 生物催化技術的特點 1
1.3 生物催化的發展史 2
1.4 全球生物催化酶制劑市場規模 3
1.5 生物催化與可持續性 4
1.6 食品工業中的生物催化及其工藝強化 5
1.6.1 乳制品工業 6
1.6.2 烘焙工業 7
1.6.3 果蔬加工業 8
1.6.4 釀酒工業 9
1.6.5 油脂加工 10
1.6.6 肉制品工業 10
1.6.7 香精香料業 11
1.7 食品生物催化制造 12
1.8 生物催化的安全性評價 13
第2章 生物催化的微生物學基礎 15
2.1 用于生物催化的主要微生物 15
2.1.1 細菌 15
2.1.2 放線菌 16
2.1.3 霉菌 17
2.1.4 酵母菌 17
2.2 微生物酶的篩選和菌種選育 18
2.2.1 微生物菌種的分離 18
2.2.2 誘變育種 20
2.3 微生物酶的發酵生產 22
2.3.1 氧化還原酶 22
2.3.2 水解酶 24
2.3.3 裂合酶 32
2.4 微生物生物合成：重要天然產物的來源 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 維生素 39
2.4.4 有機酸 40
2.4.5 乙醇及相關化合物 42
2.4.6 次生代謝物 43
參考文獻 45
第3章 生物催化的酶學基礎 48
3.1 酶的分類組成與結構特性 48
3.1.1 酶的分子結構與化學組成 48
3.1.2 酶的分類 50
3.1.3 酶的空間結構及活性中心 51
3.2 酶的分離純化 52
3.2.1 酶的來源 52
3.2.2 酶的分離 53
3.2.3 酶的純化 55
3.3 酶的作用機制 58
3.4 酶的催化動力學 60
3.4.1 酶促反應初速度 60
3.4.2 米氏方程 60
3.4.3 影響酶促反應速率的因素 63
3.4.4 激活劑和抑制劑對酶促反應速率的影響 64
3.5 酶活性調節 65
3.5.1 酶原激活調節 66
3.5.2 酶活性的別構調節 66
3.5.3 酶分子的共價修飾 68
3.6 酶在食品領域的應用 68
參考文獻 71
第4章 生物催化的手性化學基礎 72
4.1 光學活性與手性 72
4.1.1 自然光和偏振光 72
4.1.2 旋光性與比旋光度 72
4.1.3 手性分子與旋光性 74
4.1.4 對映異構體與非對映異構體 74
4.2 構型與構象 78
4.2.1 分子構型 78
4.2.2 分子構象 80
4.3 生物催化反應的選擇性 80
4.3.1 化學選擇性 80
4.3.2 區域選擇性 82
4.3.3 立體選擇性 82
4.4 手性化合物外消旋體的生物催化去對稱化 83
4.4.1 脂肪酶催化的手性化合物去對稱化 84
4.4.2 氧化還原酶催化的手性化合物去對稱化 86
4.4.3 酰胺酶催化的手性化合物去對稱化 87
參考文獻 87
第5章 生物催化劑的分子改造 89
5.1 化學修飾技術 89
5.1.1 小分子修飾 89
5.1.2 定點突變與化學修飾結合 90
5.1.3 輔因子引入 90
5.1.4 交聯技術 90
5.1.5 單功能聚合物 91
5.2 定點突變技術 91
5.2.1 寡核苷酸引物介導的定點突變 92
5.2.2 PCR介導的定點突變法及其改進——大引物突變法 92
5.2.3 盒式突變 93
5.3 DNA改組技術 94
5.4 酶的化學糖基化 96
5.4.1 用于酶化學糖基化修飾的分子種類 96
5.4.2 常用的化學糖基化修飾 96
5.5 酶的定向進化 99
5.5.1 酶的分子定向進化的概念——物種進化與酶定向進化 100
5.5.2 酶定向進化技術的發展歷程 100
5.5.3 酶定向進化的主要方法 101
5.6 結合定點突變的酶理性設計改善酶特性的具體應用 103
5.6.1 重塑活性中心提高酶的底物特異性 103
5.6.2 重塑活性中心改變酶促反應類型 104
5.7 基于DNA改組和酶定向進化非理性設計改善酶特性的具體應用 105
5.7.1 改善酶的底物特異性 105
5.7.2 提高酶的對映體選擇性 105
5.7.3 改善酶反應活性 106
5.7.4 定向進化改善酶穩定性 106
5.7.5 改善酶的溶解性和異源表達 109
5.7.6 創造新的活性 109
5.7.7 增加微生物酶的抗性 109
5.8 酶定向進化的優勢和前景 110
參考文獻 110
第6章 生物催化劑的固定化 112
6.1 傳統酶固定化技術 112
6.1.1 物理吸附法 112
6.1.2 物理包埋法 113
6.1.3 共價結合法 113
6.1.4 化學交聯法 113
6.1.5 不同傳統酶固定化技術的優缺點 114
6.1.6 傳統固定化酶的載體材料 114
6.2 新型酶固定化技術 117
6.2.1 新型固定化載體材料 117
6.2.2 新型酶固定化方法 127
6.3 酶定向固定化技術 129
6.3.1 生物酶介導的定向固定化技術 129
6.3.2 化學修飾介導的酶定向固定化技術 130
6.3.3 界面聚合微囊固定化技術 130
6.3.4 基于表面展示技術的酶固定化 130
6.4 多酶共固定化 131
6.4.1 多酶的非特異性共價共固定化 131
6.4.2 多酶的非特異性非共價共固定化 132
6.4.3 多酶的非共價包埋共固定化 132
6.4.4 多酶位點特異性共固定化 133
6.5 其他新型固定化技術 134
6.5.1 輻射處理 134
6.5.2 等離子體處理 134
6.5.3 納米技術處理 135
6.5.4 超聲波處理 135
6.5.5 磁處理 135
參考文獻 135
第7章 非水相生物催化 136
7.1 非水相中酶學基礎及非水相機理 136
7.1.1 非水相中酶學基礎 136
7.1.2 非水相機理 138
7.2 提高非水相中酶的耐受性 140
7.2.1 非水溶劑對酶催化的影響 142
7.2.2 體系含水量對酶催化的影響 143
7.2.3 pH和離子強度 144
7.2.4 溫度 144
7.3 非水相生物催化及其特點 145
7.4 非水相生物催化的影響因素 147
7.4.1 反應溫度的影響 147
7.4.2 非水相介質的影響 147
7.4.3 底物濃度和摩爾比的影響 148
7.4.4 催化劑的影響 148
7.4.5 有機溶劑對酶催化反應的影響 148
7.4.6 非水相體系中微量水對酶催化性能的影響 149
7.5 生物催化反應體系的分類 150
7.5.1 有機相體系 150
7.5.2 超臨界流體體系 150
7.5.3 離子液體體系 151
7.5.4 反膠束體系 152
7.5.5 全細胞體系 153
7.6 物理場強化非水相生物催化 154
7.6.1 超聲波強化非水相生物催化 154
7.6.2 微波強化非水相生物催化 155
7.6.3 磁場強化非水相生物催化 156
7.6.4 熱等靜壓技術強化非水相生物催化 156
參考文獻 157
第8章 生物催化反應器 158
8.1 生物催化反應器概述 158
8.2 酶反應器基本設計 159
8.2.1 設計基本原理 159
8.2.2 理想條件下酶反應器的基本設計 160
8.3 多相體系中擴散限制對生物催化反應器設計和性能的影響 171
8.4 熱失活對酶反應器設計和性能的影響 173
8.5 脂肪酶催化連續反應器的構建及操作穩定性 175
8.5.1 反應器構建的流程 175
8.5.2 應用——膜反應器中脂肪酶動態拆分萘普生甲酯 177
8.6 酶反應器操作方式對拆分產物光學活性的影響 179
參考文獻 181
第9章 蛋白酶 182
9.1 蛋白酶的種類 182
9.2 蛋白酶活性檢測方法 183
9.2.1 均相檢測蛋白酶活性 183
9.2.2 基于分離的活性檢測試驗 186
9.2.3 改進型蛋白酶活性的測定方法 187
9.3 重要蛋白酶的結構與功能 187
9.3.1 絲氨酸蛋白酶 187
9.3.2 天冬氨酸蛋白酶 189
9.3.3 堿性蛋白酶 191
9.3.4 風味蛋白酶 191
9.4 蛋白水解酶催化機制 192
9.4.1 蛋白酶催化底物的基本機制 192
9.4.2 蛋白酶水解底物的特異性作用機制 193
9.4.3 酶與底物的結合部位蛋白酶的位點專一性 194
9.4.4 酶分子表面電荷作用 194
9.5 蛋白酶催化蛋白質酶解法合成多肽 195
9.6 固載化酶催化合成多肽 196
9.6.1 溶劑對固定化酶催化合成多肽的影響 196
9.6.2 載體與固定化方法 196
9.6.3 pH及溫度 197
9.7 酶催化拼接合成多肽 197
9.7.1 轉肽酶 197
9.7.2 連接酶 198
9.7.3 氧化還原酶 198
9.8 蛋白酶在食品領域的應用進展 199
9.8.1 蛋白酶在食品中的作用機理 199
9.8.2 蛋白酶在食品工業中的應用研究 200
參考文獻 202
第10章 青霉素酰化酶 206
10.1 β-內酰胺類抗生素簡介 206
10.1.1 酶促一鍋合成法 206
10.1.2 原位產物排出法 207
10.1.3 反應介質體系與酶促合成 207
10.1.4 水兩相體系 207
10.1.5 水-有機溶劑混合體系 207
10.1.6 懸濁液-懸濁液體系 208
10.1.7 冰凍介質 208
10.1.8 酶固定化新方法與酶促合成 208
10.2 半合成β-內酰胺類抗生素化學法與酶催化法合成比較 208
10.3 生物催化合成的策略 209
10.3.1 生物催化 209
10.3.2 生物催化的應用 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劑 214
10.4.1 青霉素酰化酶的種類 215
10.4.2 青霉素G和青霉素V 216
10.4.3 催化反應條件 217
10.4.4 青霉素酰化酶的催化應用 217
10.5 均相和非均相水-
前言
第1章 緒論 1
1.1 生物催化概況 1
1.2 生物催化技術的特點 1
1.3 生物催化的發展史 2
1.4 全球生物催化酶制劑市場規模 3
1.5 生物催化與可持續性 4
1.6 食品工業中的生物催化及其工藝強化 5
1.6.1 乳制品工業 6
1.6.2 烘焙工業 7
1.6.3 果蔬加工業 8
1.6.4 釀酒工業 9
1.6.5 油脂加工 10
1.6.6 肉制品工業 10
1.6.7 香精香料業 11
1.7 食品生物催化制造 12
1.8 生物催化的安全性評價 13
第2章 生物催化的微生物學基礎 15
2.1 用于生物催化的主要微生物 15
2.1.1 細菌 15
2.1.2 放線菌 16
2.1.3 霉菌 17
2.1.4 酵母菌 17
2.2 微生物酶的篩選和菌種選育 18
2.2.1 微生物菌種的分離 18
2.2.2 誘變育種 20
2.3 微生物酶的發酵生產 22
2.3.1 氧化還原酶 22
2.3.2 水解酶 24
2.3.3 裂合酶 32
2.4 微生物生物合成：重要天然產物的來源 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 維生素 39
2.4.4 有機酸 40
2.4.5 乙醇及相關化合物 42
2.4.6 次生代謝物 43
參考文獻 45
第3章 生物催化的酶學基礎 48
3.1 酶的分類組成與結構特性 48
3.1.1 酶的分子結構與化學組成 48
3.1.2 酶的分類 50
3.1.3 酶的空間結構及活性中心 51
3.2 酶的分離純化 52
3.2.1 酶的來源 52
3.2.2 酶的分離 53
3.2.3 酶的純化 55
3.3 酶的作用機制 58
3.4 酶的催化動力學 60
3.4.1 酶促反應初速度 60
3.4.2 米氏方程 60
3.4.3 影響酶促反應速率的因素 63
3.4.4 激活劑和抑制劑對酶促反應速率的影響 64
3.5 酶活性調節 65
3.5.1 酶原激活調節 66
3.5.2 酶活性的別構調節 66
3.5.3 酶分子的共價修飾 68
3.6 酶在食品領域的應用 68
參考文獻 71
第4章 生物催化的手性化學基礎 72
4.1 光學活性與手性 72
4.1.1 自然光和偏振光 72
4.1.2 旋光性與比旋光度 72
4.1.3 手性分子與旋光性 74
4.1.4 對映異構體與非對映異構體 74
4.2 構型與構象 78
4.2.1 分子構型 78
4.2.2 分子構象 80
4.3 生物催化反應的選擇性 80
4.3.1 化學選擇性 80
4.3.2 區域選擇性 82
4.3.3 立體選擇性 82
4.4 手性化合物外消旋體的生物催化去對稱化 83
4.4.1 脂肪酶催化的手性化合物去對稱化 84
4.4.2 氧化還原酶催化的手性化合物去對稱化 86
4.4.3 酰胺酶催化的手性化合物去對稱化 87
參考文獻 87
第5章 生物催化劑的分子改造 89
5.1 化學修飾技術 89
5.1.1 小分子修飾 89
5.1.2 定點突變與化學修飾結合 90
5.1.3 輔因子引入 90
5.1.4 交聯技術 90
5.1.5 單功能聚合物 91
5.2 定點突變技術 91
5.2.1 寡核苷酸引物介導的定點突變 92
5.2.2 PCR介導的定點突變法及其改進——大引物突變法 92
5.2.3 盒式突變 93
5.3 DNA改組技術 94
5.4 酶的化學糖基化 96
5.4.1 用于酶化學糖基化修飾的分子種類 96
5.4.2 常用的化學糖基化修飾 96
5.5 酶的定向進化 99
5.5.1 酶的分子定向進化的概念——物種進化與酶定向進化 100
5.5.2 酶定向進化技術的發展歷程 100
5.5.3 酶定向進化的主要方法 101
5.6 結合定點突變的酶理性設計改善酶特性的具體應用 103
5.6.1 重塑活性中心提高酶的底物特異性 103
5.6.2 重塑活性中心改變酶促反應類型 104
5.7 基于DNA改組和酶定向進化非理性設計改善酶特性的具體應用 105
5.7.1 改善酶的底物特異性 105
5.7.2 提高酶的對映體選擇性 105
5.7.3 改善酶反應活性 106
5.7.4 定向進化改善酶穩定性 106
5.7.5 改善酶的溶解性和異源表達 109
5.7.6 創造新的活性 109
5.7.7 增加微生物酶的抗性 109
5.8 酶定向進化的優勢和前景 110
參考文獻 110
第6章 生物催化劑的固定化 112
6.1 傳統酶固定化技術 112
6.1.1 物理吸附法 112
6.1.2 物理包埋法 113
6.1.3 共價結合法 113
6.1.4 化學交聯法 113
6.1.5 不同傳統酶固定化技術的優缺點 114
6.1.6 傳統固定化酶的載體材料 114
6.2 新型酶固定化技術 117
6.2.1 新型固定化載體材料 117
6.2.2 新型酶固定化方法 127
6.3 酶定向固定化技術 129
6.3.1 生物酶介導的定向固定化技術 129
6.3.2 化學修飾介導的酶定向固定化技術 130
6.3.3 界面聚合微囊固定化技術 130
6.3.4 基于表面展示技術的酶固定化 130
6.4 多酶共固定化 131
6.4.1 多酶的非特異性共價共固定化 131
6.4.2 多酶的非特異性非共價共固定化 132
6.4.3 多酶的非共價包埋共固定化 132
6.4.4 多酶位點特異性共固定化 133
6.5 其他新型固定化技術 134
6.5.1 輻射處理 134
6.5.2 等離子體處理 134
6.5.3 納米技術處理 135
6.5.4 超聲波處理 135
6.5.5 磁處理 135
參考文獻 135
第7章 非水相生物催化 136
7.1 非水相中酶學基礎及非水相機理 136
7.1.1 非水相中酶學基礎 136
7.1.2 非水相機理 138
7.2 提高非水相中酶的耐受性 140
7.2.1 非水溶劑對酶催化的影響 142
7.2.2 體系含水量對酶催化的影響 143
7.2.3 pH和離子強度 144
7.2.4 溫度 144
7.3 非水相生物催化及其特點 145
7.4 非水相生物催化的影響因素 147
7.4.1 反應溫度的影響 147
7.4.2 非水相介質的影響 147
7.4.3 底物濃度和摩爾比的影響 148
7.4.4 催化劑的影響 148
7.4.5 有機溶劑對酶催化反應的影響 148
7.4.6 非水相體系中微量水對酶催化性能的影響 149
7.5 生物催化反應體系的分類 150
7.5.1 有機相體系 150
7.5.2 超臨界流體體系 150
7.5.3 離子液體體系 151
7.5.4 反膠束體系 152
7.5.5 全細胞體系 153
7.6 物理場強化非水相生物催化 154
7.6.1 超聲波強化非水相生物催化 154
7.6.2 微波強化非水相生物催化 155
7.6.3 磁場強化非水相生物催化 156
7.6.4 熱等靜壓技術強化非水相生物催化 156
參考文獻 157
第8章 生物催化反應器 158
8.1 生物催化反應器概述 158
8.2 酶反應器基本設計 159
8.2.1 設計基本原理 159
8.2.2 理想條件下酶反應器的基本設計 160
8.3 多相體系中擴散限制對生物催化反應器設計和性能的影響 171
8.4 熱失活對酶反應器設計和性能的影響 173
8.5 脂肪酶催化連續反應器的構建及操作穩定性 175
8.5.1 反應器構建的流程 175
8.5.2 應用——膜反應器中脂肪酶動態拆分萘普生甲酯 177
8.6 酶反應器操作方式對拆分產物光學活性的影響 179
參考文獻 181
第9章 蛋白酶 182
9.1 蛋白酶的種類 182
9.2 蛋白酶活性檢測方法 183
9.2.1 均相檢測蛋白酶活性 183
9.2.2 基于分離的活性檢測試驗 186
9.2.3 改進型蛋白酶活性的測定方法 187
9.3 重要蛋白酶的結構與功能 187
9.3.1 絲氨酸蛋白酶 187
9.3.2 天冬氨酸蛋白酶 189
9.3.3 堿性蛋白酶 191
9.3.4 風味蛋白酶 191
9.4 蛋白水解酶催化機制 192
9.4.1 蛋白酶催化底物的基本機制 192
9.4.2 蛋白酶水解底物的特異性作用機制 193
9.4.3 酶與底物的結合部位蛋白酶的位點專一性 194
9.4.4 酶分子表面電荷作用 194
9.5 蛋白酶催化蛋白質酶解法合成多肽 195
9.6 固載化酶催化合成多肽 196
9.6.1 溶劑對固定化酶催化合成多肽的影響 196
9.6.2 載體與固定化方法 196
9.6.3 pH及溫度 197
9.7 酶催化拼接合成多肽 197
9.7.1 轉肽酶 197
9.7.2 連接酶 198
9.7.3 氧化還原酶 198
9.8 蛋白酶在食品領域的應用進展 199
9.8.1 蛋白酶在食品中的作用機理 199
9.8.2 蛋白酶在食品工業中的應用研究 200
參考文獻 202
第10章 青霉素酰化酶 206
10.1 β-內酰胺類抗生素簡介 206
10.1.1 酶促一鍋合成法 206
10.1.2 原位產物排出法 207
10.1.3 反應介質體系與酶促合成 207
10.1.4 水兩相體系 207
10.1.5 水-有機溶劑混合體系 207
10.1.6 懸濁液-懸濁液體系 208
10.1.7 冰凍介質 208
10.1.8 酶固定化新方法與酶促合成 208
10.2 半合成β-內酰胺類抗生素化學法與酶催化法合成比較 208
10.3 生物催化合成的策略 209
10.3.1 生物催化 209
10.3.2 生物催化的應用 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劑 214
10.4.1 青霉素酰化酶的種類 215
10.4.2 青霉素G和青霉素V 216
10.4.3 催化反應條件 217
10.4.4 青霉素酰化酶的催化應用 217
10.5 均相和非均相水-
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應用生物催化 節選
第1章 緒論 1.1 生物催化概況 生物催化（biocatalysis）是生物學、化學、過程工程科學的交叉領域，其核心是利用酶或生物有機體（組織、整細胞或細胞器等）作為催化劑實現化學轉化生產食品、化學品、醫藥、能源、材料等，也被稱為生物轉化（bioconversion）。生物催化是與生命和人類活動關系*為密切的自然規律之一，人們一直致力于從應用目的出發研究酶和細胞催化作用，在特定的生物反應裝置中利用其催化性質，將相應原料轉化成有用的物質。生物催化技術首先從和它聯系*緊密的食品、醫藥、農業開始，逐漸涉及化工、材料等行業，并通過這些行業影響社會生產、生活的各個方面。 作為一門交叉學科，生物催化通常會被不同學科的專業人員從不同的角度審視。化學家們關注的是生物催化中分子水平的化合物轉化，化學工程師們更關注的是反應的過程性，而生物學家們則是從生物大分子、生物有機體甚至遺傳進化角度去了解和掌控生物催化。生物催化在各個領域的成功應用需要三個學科的共同努力。近年來，基因組學、蛋白質組學等生物技術的進步為生物催化的基礎研究和應用研究提供了源源不斷的動力支撐。繼以1982年重組人胰島素上市為代表性的醫藥生物技術（紅色生物技術）、以轉基因植物為代表的農業生物技術（綠色生物技術）后，人們普遍認為以生物催化與生物轉化為核心的工業生物技術（白色生物技術）將成為生物技術革命的第三次浪潮。根據綠色化學的十二條準則，生物催化是當前國際公認的*綠色的化學轉化技術之一。世界經濟合作與發展組織（OECD）指出：“生物催化技術是工業可持續發展*有希望的技術”。生物催化轉化的成功應用，將形成以生物能源、生物材料、生物化工、生物冶金等為代表的現代工業體系，在全球范圍內掀起一場新的現代工業技術革命。有效地提升化學、制藥、發酵、食品等傳統產業。 1.2 生物催化技術的特點 生物催化是基于酶催化的生物反應過程，對溫度與壓力有著特殊的要求，通常需要在常溫、常壓等溫和反應條件下進行。而酶對底物有著高度的特異性，因此，生物催化表現出催化效率高，副產物少的優點。由于生物催化的高效性和高選擇性，它們可以完成傳統化學過程所不能勝任的專一性反應，易于得到相對較純的產品，減少廢物排放，降低工業生產的環境污染程度，在食品、化學、醫藥等工業上具有越來越大的吸引力。另外，相比于高溫、高壓下進行的化學反應過程，常溫、常壓下的生物催化反應過程還具有能耗少，反應過程穩定，可控性強等特點。生物催化技術既是一種可持續發展技術，也是一種環境友好技術，它與食品、醫藥、化工等的結合都極大地推動了這些領域的發展。 生物催化的工業化應用速度雖然近年來呈現加快發展趨勢，但目前的貢獻率還不高，很多工藝還沒有達到可與傳統工業技術相抗衡的程度。究其原因，主要是生物催化還存在著一些缺陷，如酶常常存在的底物或產物抑制現象易造成反應轉化率和生產能力低，酶對溫度、pH等穩定性差而易失活，許多氧化還原酶、轉氨酶等需要輔因子存在才能表現催化活性和酶通常僅在水溶液中實施高效的催化行為等。但隨著生物技術的發展，這些生物催化的不足都已經或即將找到解決方法。利用現代分子生物技術來改造天然催化劑，制備高效穩定、選擇性強，并且適合工業應用的超級人工生物催化劑將成為可能。 1.3 生物催化的發展史 縱覽人類發展的歷史，早在遠古時代人們就已經開始利用生物催化技術來生產食品和進行釀造。生物催化在食品加工中的應用可以追溯到公元前6000年，如*早的蘇美爾人和巴經倫人利用發酵技術釀酒，埃及人利用酵母生產面包，以及利用凝乳酶生產奶酪等，都是生物催化在食品領域的一些早期應用。“酶”（enzyme）這個詞就是由德國科學家威廉 庫恩（Wilhelm Kuhne）在1878年提出的，它的字面意思是“在酵母中”（in yeast）。人類使用的**個酶，是19世紀70年代用鹽水從未斷奶小牛的胃中提取出來的凝乳酶，被用于催化乳中酪蛋白膠束結構破壞使牛奶凝結制作奶酪。然而，現代生物催化研究一般認為始于巴斯德時代（1822～1895），法國科學家路易斯 巴斯德（Louis Pasteur）在1856～1860年首次發現了微生物的發酵特性。至19世紀70年代末，人們發現甚至經過破碎的酵母細胞提取物也可以使蔗糖發酵。導致蔗糖發酵的酶被稱為釀酶或酒化酶（zymase）。利用生物催化轉化發酵生產乙醇、有機酸等化學品的歷史并不很久，到19世紀后期才有文獻報道。乳酸大概是有文獻記載的**個運用生物催化轉化技術工業生產的光學純化學制品，它于1880年在美國面市。20世紀30年代果膠酶已開始被用于果汁的澄清。當時固定化的蔗糖酶（又稱轉化酶，invertase）也開始替代稀酸被用于合成轉化糖（蔗糖水解產生的果糖、葡萄糖混合物）。 生物催化在化學領域的應用從20世紀初持續增長。人們通過對天然微生物的篩選和誘變，已經可以生產氨基酸、有機酸和維生素等簡單的代謝物。其后，這個領域的發展就幾乎進入停滯期，直到50年代中期，一些生物催化法制備甾體方案的提出才扭轉了這一局面。然而，生物催化真正意義上的商業化和大規模的工業應用出現在20世紀60年代以后，當時傳統的酸催化淀粉水解工藝被一系列酶催化的淀粉水解工藝取代。1959年一家名為“Novozymes”的丹麥公司首次將芽孢桿菌蛋白酶商業化。20世紀70～80年代，生物催化已經取得前所未有的進步，每年都有超過500篇相關文章發表，有機化學家對生物催化進行不對稱合成的興趣也日益增長，生物催化開始進入到若干大宗化學品和精細化學品的生產，一些傳統的化學反應工藝逐步被生物催化反應所替代。但應用仍比較狹窄，制造規模和成本仍無法與化學制造的產品競爭。 進入21世紀后，強烈的社會需求和技術上的可能性使得生物催化重新崛起，并得到了飛速發展。面對化石資源不斷枯竭、環境污染日益加劇的嚴重局面，由傳統化學工業轉向以生物可再生資源為原料，生物質可再生能源為能源，環境友好、過程高效的以生物催化與生物轉化為核心的生物加工業已成為人類社會可持續發展的迫切需求。今天的微生物學、生物技術和工程學的快速發展，大大地推動了生物加工業的基礎研究和應用研究，為生物催化的崛起提供了不竭的動力。繼20世紀80年代與90年代生物技術分別為生物醫藥與農業帶來了革命性的飛躍之后，以生物催化為核心的生物加工業已經成為生物技術革命的第三個浪潮。 在食品領域，生物催化技術大大提高了生物質原料的利用效率，有效改善了食品品質和營養結構，為食品工業的飛速發展奠定了良好的基礎。食品生物催化制造已經成為未來社會可持續發展的重要途徑。 1.4 全球生物催化酶制劑市場規模 近年來，酶生物催化劑的全球市場已經建立，市場規模逐年增加，根據數據，2016年全球酶制劑市場規模約為38億美元，2017年約為54億美元，2018年約為56億美元，2020年接近60億美元，預計2024年全球工業酶制劑市場規模將增長至77億美元。食品加工業一直是酶的主要消費領域，2017年食品和飲料行業市場份額*高，總額達14億美元，占市場總額的26%，其中烘焙、釀造、乳品、營養、香料、脂肪和油脂改性等是一些主要的消費領域。根據規則，食品用酶可分為食品添加劑和食品加工用酶兩大類。大多數食品酶屬于食品加工用酶的范疇，而其中只有很少屬于食品添加劑的范疇。生物燃料是繼食品加工業之后的第二大酶消費領域，總額達9.69億美元，占市場總額的18%。洗滌劑行業占第三位，總額達7.54億美元，占市場總額的14%。預計未來5年生物燃料領域市場增長*快，復合年增長率為7.3%。在發展中國家，隨著人們生活方式的改變和可支配收入的增加，對即食食品、有機食品的需求日益增加，以及對食品安全和標準的高度重視，導致了對酶的需求增加。全球各國政府鼓勵使用生物燃料作為化石能源的清潔替代品，也刺激了工業酶市場的發展。生物技術領域的進步，特別是蛋白質工程的進步，進一步推動了工業酶需求量的增長。 當前，諾維信（Novozymes）是全球*大的酶制劑公司，其公司產品占有我國50%的工業酶制劑市場。丹尼斯克（Danisco）、羅氏（Roche）、健贊（Genzyme）、艾爾建（Allergan）和巴斯夫（BASF）都是該行業的巨頭。直到*近，酶的生產都主要集中在丹麥、德國、荷蘭和美國等一些發達國家。諾維信和丹尼斯克是丹麥*大的兩家公司，它們共同占據了整個酶制劑市場的70%以上。 我國酶制劑起步較晚，目前正處于快速發展階段，產品競爭力逐步提升。國內許多酶制劑生產企業已經形成相應的自主品牌，部分國內品牌的產品在國際市場上不斷獲得認可，已成為亞洲的主要酶生產國。目前飼用酶制劑不但完全可替代進口，占領了大部分國內飼用酶制劑市場份額，而且成為少數幾個出口創匯的飼料添加劑品種之一。但與世界領先的諾維信、杜邦（DuPont）等公司在規模表達系統開發及保護、蛋白質工程改造、發酵工藝等方面仍有差距。食品酶、工業洗滌酶等高端領域目前以國外品牌為主，仍有很大的進口替代市場。目前，許多國際公司都投資我國的酶制劑行業。如諾維信酶制劑公司在天津有生產基地，并在全國都有分廠和合作工廠。未來隨著我國酶制劑的基礎技術研發水平和發酵工藝不斷提高，生產成本持續降低，產品品質的提升，特別是跨國企業擁有的新菌種、新基因等核心技術壁壘的打破，都將進一步增強我國酶制劑企業的國際競爭力。未來，由于食品加工、生物燃料、環保產業、動物飼料、生物化工、制藥領域等下游產業對酶的需求快速增長，酶制劑市場需求將繼續增長，酶制劑產業正面臨快速發展的時機。 1.5 生物催化與可持續性 當前，化石資源枯竭、環境污染、溫室效應和公眾健康問題逐漸升級成為人類日益提高的物質需求的主要矛盾。作為工業生物技術的核心，基于酶的生物催化技術被譽為工業可持續發展*有希望的技術，它將有望使人類擺脫目前過分依賴石油和煤炭等不可再生的化石資源的“碳氫化合物經濟”，逐漸過渡到利用儲藏在地球表面的大量可再生生物質，制取人類所需的能源與資源。 以化學催化劑為基礎的反應往往需要在高溫和高壓條件下進行，這導致了高能耗和下游過程浪費大量的冷卻水。酸和堿催化工藝在高溫高壓下運行，因此需要專門設計的設備和控制系統，這大大增加了工藝的成本。這些缺點都可以用基于酶的生物催化來消除。與化學催化劑一樣，酶可以加快反應，但不影響反應的熱力學。相比化學催化劑，酶有一些重要的優點。生物催化是高效、高選擇性的溫和催化體系。即使在生物體外，酶也能催化多種天然的和人工合成的化學分子發生諸多轉化反應，并顯示出優良的選擇性，包括立體選擇性、位置（區域）選擇性和官能團選擇性。許多酶可以接受非天然底物并將其轉化為目標產物。酶的高選擇性在催化合成中具有以下幾個優點，如副產物少，下游分離純化處理容易和更高的環境友好可持續性等。溫和的操作條件，如低溫和低壓，也是酶生物催化的優點，使得反應可以使用簡單的設備。酶的高效性使得即使在工業規模上酶的使用量也會很少。酶的生物催化反應很容易通過劑量、時間和溫度進行控制，操作簡便。如今，許多商用酶在不同溶劑體系下都表現出極好的穩定性，半衰期可達數月甚至數年。蛋白質工程的方法更使酶適應特定的工藝條件成為可能。 目前，以微生物與酶技術應用為基礎的生物催化已經開始進入了包括食品、發酵、農產品加工、有機物合成、藥物和高分子材料在內的很多領域，用生物催化技術來生產食品、藥品、精細大宗化工產品等，已有相當大的發展。生物催化技術已成為精細大宗化學品和高附加值醫藥中間體的生產實現低耗、節能、環保、可循環、健康可持續發展的有力保證。 食品由大量的小分子和大分子結構組成，它們影響了食品的流變、形狀、色彩等性能，同時對于人類的消化、吸收以及健康都具有重要的影響。通過生物催化反應實現食品結構的轉化，對于改善產品的口感和品質具有重要的作用。為實現食品工業可持續發展，食品的生產和處理方式也必須改變，包括采取全新做法來減少浪費
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