微生物重要代謝產物：發酵生產與過程解析

內容簡介

這是一本關於微生物重要代謝產物的系統論著。首先介紹了近十年來國內外出現的一些重要發酵產品，然後在充分分析先進的發酵工程理論與技術的基礎上，結合研究實例，對多種微生物生產的重要代謝產物的研究進展情況、發酵生產技術和方法進行了詳細論述。　在代謝產物的選取上，注重其代表性，它們都反映了一個重要的類型，同時已經成為近些年的研究熱點、已經生物法工業生產或即將取得重大突破。在具體介紹某一種產品時，強調論述的系統性，如輔酶Q10，首先概述其性質、合成方法和套用情況，接著詳細講解其發酵生產的相關技術，最後突出介紹其代謝網路模型與代謝流分析。可貴的是，書中大量的研究數據均是編者的一線科研資料，這對於研究同行開展相關工作無疑會起到很大的參考和借鑑作用。　《微生物重要代謝產物：發酵生產與過程解析》可作為高校生物工程、發酵工程與生物技術專業相關課程的參考書，也可供從事發酵工程、生化工程產品生產企業的專業技術人員學習參考。

圖書目錄

第一章緒論1
第一節微生物發酵生產代謝產物的發展歷史1
一、生物技術的定義1
二、微生物發酵技術的發展歷史1
第二節微生物發酵生產代謝產物的研究與套用現狀2
一、新型酶製劑3
二、環境友好材料8
三、微生物多糖9
四、生物活性產品11
第二章發酵技術在微生物生產代謝產物中的發展與套用14
第一節分批發酵技術14
一、概述14
二、分批發酵過程培養條件的最佳化15
三、分批發酵過程的模型化研究23
第二節流加發酵技術27
一、概述27
二、流加培養原理30
三、發酵過程中常用的流加策略31
四、流加發酵過程的最佳化技術36
第三節高細胞密度發酵技術46
一、概述46
二、高細胞密度培養生長環境的最佳化策略48
三、高細胞密度培養的培養模式49
四、最大細胞密度的理論計算52
第四節代謝工程55
一、代謝工程概述55
二、代謝流量分析59
三、代謝控制分析技術64
四、代謝工程技術在發酵工程中的套用68
參考文獻70
第三章產朊假絲酵母發酵生產谷胱甘肽71
第一節谷胱甘肽發酵概述71
一、谷胱甘肽性質、功能及套用71
二、國內外生物法合成谷胱甘肽研究動態73
三、發酵法生產谷胱甘肽研究中存在的問題80
第二節產朊假絲酵母發酵生產谷胱甘肽的營養及環境條件81
一、反向傳播人工神經網路基本理論82
二、碳源種類對谷胱甘肽發酵的影響83
三、氮源種類對谷胱甘肽發酵的影響84
四、混合無機氮源對谷胱甘肽發酵的影響84
五、磷酸二氫鉀和硫酸鎂對谷胱甘肽發酵的影響85
六、谷胱甘肽發酵的營養條件正交最佳化試驗85
七、環境條件對谷胱甘肽發酵的影響87
八、Cutilis WSH 0208生產谷胱甘肽的搖瓶發酵過程87
九、搖瓶分批補糖方式對谷胱甘肽發酵的影響88
第三節谷胱甘肽分批發酵生產及其動力學89
一、分批發酵動力學原理89
二、溶解氧對谷胱甘肽分批發酵的影響90
三、pH對谷胱甘肽分批發酵的影響92
四、溫度對谷胱甘肽分批發酵的影響95
第四節流加發酵法生產谷胱甘肽100
一、流加發酵方式及原理100
二、初糖濃度對谷胱甘肽分批發酵的影響101
三、分批補料培養生產谷胱甘肽的發酵過程103
四、恆速流加發酵對谷胱甘肽生產的影響103
五、指數流加發酵對谷胱甘肽生產的影響103
六、不同培養方式下谷胱甘肽生產情況比較105
第五節前體胺基酸在谷胱甘肽過量合成中的作用105
一、L谷氨酸添加對谷胱甘肽發酵的影響106
二、甘氨酸添加對谷胱甘肽發酵的影響107
三、L半胱氨酸在谷胱甘肽過量合成中的作用108
第六節谷胱甘肽分批發酵過程代謝網路分析111
一、Cutilis WSH 0208分批生產谷胱甘肽的代謝網路及計算113
二、谷胱甘肽分批發酵不同階段的代謝流量分布116
三、分階段溫度控制策略下的代謝流量分布119
四、L半胱氨酸的添加對代謝流量分布的影響119
第七節表面活性劑對谷胱甘肽胞外積累的影響120
一、表面活性劑對細胞生長的影響121
二、低濃度離子型表面活性劑對谷胱甘肽合成的影響122
三、高濃度離子型表面活性劑對谷胱甘肽胞外積累的影響123
四、非離子型表面活性劑對谷胱甘肽合成的影響124
參考文獻126
第四章放射型根瘤菌發酵生產輔酶Q10128
第一節輔酶Q10發酵概述128
一、輔酶Q10的研究背景128
二、輔酶Q10的發酵生產132
第二節輔酶Q10高產菌株的選育136
一、篩選模型的建立136
二、不同誘變劑致死率比較137
三、不同誘變方式誘變效果的比較137
四、輔酶Q10高產菌的選育譜系138
五、突變株遺傳穩定性試驗140
第三節培養條件對輔酶Q10發酵生產的影響140
一、碳氮源對放射型根瘤菌輔酶Q10發酵的影響141
二、初始葡萄糖、蔗糖以及氮源濃度對輔酶Q10發酵的影響141
三、添加物及添加方式對輔酶Q10發酵的影響143
四、回響面分析法最佳化輔酶Q10發酵培養基144
五、接種量、裝液量、溫度和pH對輔酶Q10發酵的影響147
六、輔酶Q10搖瓶發酵過程曲線148
第四節玉米漿提高輔酶Q10發酵產量的作用機理研究148
一、玉米漿組分的分析149
二、生物素濃度對輔酶Q10發酵效果的影響149
三、玉米漿中幾種主要胺基酸對輔酶Q10發酵的影響150
四、玉米漿對輔酶Q10發酵過程中胺基酸代謝的影響150
五、生物素與酪氨酸及苯丙氨酸對輔酶Q10發酵的協同影響152
六、玉米漿中其他成分對輔酶Q10的影響154
第五節輔酶Q10發酵的代謝特性和過程模型化的研究154
一、放射型根瘤菌分批發酵生產輔酶Q10的代謝特性155
二、輔酶Q10分批發酵過程動力學模型的研究157
第六節溶解氧對輔酶Q10發酵的影響160
一、攪拌和通風與體積溶解氧係數（KLa）的相關性分析160
二、放射型根瘤菌輔酶Q10發酵體系氧傳遞特性與氧傳遞動力學模型161
三、溶解氧對細胞生長與輔酶Q10生物合成的影響162
四、底物補料結合溶解氧控制模式提高輔酶Q10發酵產量164
第七節輔酶Q10發酵流加培養的研究166
一、輔酶Q10發酵流加培養的依據與流加量的模型化計算166
二、輔酶Q10發酵分批培養幾種流加方式效果的實驗比較167
三、輔酶Q10發酵分批培養流加方式的確定與實施168
四、碳源流加和碳源與玉米漿組合流加對細胞生長與輔酶Q10生物合成的影響168
第八節輔酶Q10生物合成代謝網路模型和代謝流分析170
一、放射型根瘤菌發酵生產輔酶Q10的合成機理分析與代謝網路171
二、輔酶Q10發酵過程代謝流量分析與輔酶Q10代謝途徑的最佳化171
參考文獻175
第五章真養產鹼桿菌利用厭氧酸化的食品廢物生產聚羥基烷酸酯177
第一節聚羥基烷酸酯發酵概述177
一、環境友好材料的研究背景177
二、微生物合成型生物降解材料179
三、聚羥基烷酸酯的生物合成182
第二節真養產鹼桿菌利用單種有機酸合成聚羥基烷酸酯研究188
一、種子對細胞生長和聚羥基烷酸酯發酵的影響189
二、各單種有機酸對真養產鹼桿菌的抑制程度190
三、不同銨氮濃度對真養產鹼桿菌生長的影響190
四、真養產鹼桿菌利用單種有機酸生物合成聚羥基烷酸酯時培養基中最佳起始
碳源、氮源濃度的確定191
五、真養產鹼桿菌利用單種有機酸進行聚羥基烷酸酯合成的發酵過程193
六、真養產鹼桿菌利用單種有機酸進行聚羥基烷酸酯合成的分批發酵動力學
分析194
七、單酸分批發酵初始碳氮濃度的回響面分析195
八、單酸分批發酵動力學研究196
第三節真養產鹼桿菌利用混合有機酸進行聚羥基烷酸酯分批發酵研究199
一、真養產鹼桿菌在不同氮源濃度下利用混合酸進行聚羥基烷酸酯發酵199
二、真養產鹼桿菌利用不同比例的混合（四種）酸為碳源合成聚羥基烷酸酯
研究200
三、真養產鹼桿菌利用不同比例的混合（兩種以及三種）酸合成聚羥基烷酸酯
研究201
四、真養產鹼桿菌對混合酸碳源中丁酸、乙酸、丙酸的利用201
五、真養產鹼桿菌對混合酸碳源中乳酸、乙酸、丙酸的利用202
六、混合酸中丙酸濃度對PHA中HV組分的影響202
七、真養產鹼桿菌利用混合酸進行PHA的補料分批發酵203
八、不同攪拌轉速對細胞生長和PHA合成的影響203
九、不同pH對細胞生長和PHA合成的影響204
十、真養產鹼桿菌利用混合酸進行PHA的分批發酵過程204
第四節真養產鹼桿菌以混合有機酸為碳源的聚羥基烷酸酯流加發酵研究205
一、基於pHstat的聚羥基烷酸酯流加發酵206
二、真養產鹼桿菌利用混合酸進行聚羥基烷酸酯的流加發酵207
三、流加發酵過程中氮源的起始濃度對聚羥基烷酸酯合成影響的研究208
四、真養產鹼桿菌利用混合酸進行聚羥基烷酸酯恆速流加發酵208
五、變速流加過程的最佳化準則的研究209
六、真養產鹼桿菌利用混合酸進行聚羥基烷酸酯變速流加發酵210
七、在流加發酵過程中加入丙酸對聚羥基烷酸酯中HV組分合成的影響211
八、雙營養限制區的確定及對聚羥基烷酸酯的生物合成的影響212
第五節食品廢物厭氧酸化的研究214
一、不同pH對食品廢物厭氧酸化過程的影響215
二、不同溫度對食品廢物厭氧酸化過程的影響216
三、不同稀釋倍數對食品廢物的厭氧酸化過程的影響217
四、NaCl濃度對食品廢物厭氧酸化的影響218
五、有機氮源對食品廢物厭氧酸化過程中丙酸產量的影響219
六、添加丁酸梭菌製劑對食品廢物厭氧酸化的影響219
七、食品廢物厭氧酸化過程動力學研究220
第六節食品廢物厭氧酸化與PHA發酵的耦合221
一、不同流速和有機酸濃度對有機酸的滲透速率的影響221
二、食品廢物厭氧酸化液的滲透性能研究222
三、真養產鹼桿菌利用食品廢物厭氧酸化液中分離出的有機酸合成PHA研究223
四、料液恆定流速時食品廢物厭氧酸化與PHA合成的耦合224
五、料液流速變化時食品廢物厭氧酸化與PHA合成的耦合224
六、添加乳酸對耦合系統合成PHA的影響225
第七節R eutropha利用有機酸合成PHA代謝網路分析226
一、真養產鹼桿菌利用有機酸合成PHA的代謝網路以及代謝流量計算226
二、單酸分批發酵代謝流量分布229
三、混合酸作碳源時PHA發酵代謝流量分布231
參考文獻232
第六章地衣芽孢桿菌發酵生產聚γ谷氨酸234
第一節聚γ谷氨酸發酵概述234
一、新型水溶性高分子材料與聚γ谷氨酸234
二、聚γ谷氨酸研究進展235
三、生物大分子分泌機理的研究241
四、胺基酸聚合物的套用前景242
第二節產聚γ谷氨酸菌株選育及搖瓶發酵條件的研究243
一、HeNe雷射輻射對地衣芽孢桿菌ATCC9945A的誘變243
二、培養條件對聚γ谷氨酸發酵的影響246
三、聚γ谷氨酸發酵條件最佳化253
四、聚γ谷氨酸搖瓶發酵過程曲線253
第三節地衣芽孢桿菌分批發酵生產聚γ谷氨酸條件的研究254
一、pH對聚γ谷氨酸發酵的影響254
二、溫度對聚γ谷氨酸發酵的影響256
三、攪拌轉速對聚γ谷氨酸發酵的影響257
四、通氣量對聚γ谷氨酸發酵的影響258
五、分批發酵培養條件的最佳化與控制258
第四節細菌聚γ谷氨酸合成及分泌機制的研究259
一、菌株的形態及聚γ谷氨酸分泌的電鏡分析259
二、地衣芽孢桿菌無細胞體系的初步研究260
三、地衣芽孢桿菌聚γ谷氨酸的合成機制分析262
四、地衣芽孢桿菌聚γ谷氨酸的分泌機制研究263
五、地衣芽孢桿菌聚γ谷氨酸的分泌機制分析266
第五節地衣芽孢桿菌生產聚γ谷氨酸多相體系中流變性能的研究267
一、剪下應力與剪下速率的擬合關係267
二、黏度與剪下速率的關係268
三、黏度與溫度的關係268
四、聚γ谷氨酸的動態黏彈性268
五、聚γ谷氨酸溶液的觸變性研究270
第六節地衣芽孢桿菌產生的聚γ谷氨酸的純化及性質272
一、聚γ谷氨酸的純化272
二、矽膠薄層層析272
三、聚γ谷氨酸的性質272
四、聚γ谷氨酸的抑菌活性274
五、聚γ谷氨酸高聚物的熱行為分析274
六、聚γ谷氨酸高聚物的力學鬆弛——黏彈性研究275
第七節地衣芽孢桿菌產生的聚γ谷氨酸高聚物的分析與表征276
一、聚γ谷氨酸的FTIR分析276
二、聚γ谷氨酸的13C、1HNMR結構分析276
三、聚γ谷氨酸的圓二色性與溶液二級結構277
四、聚γ谷氨酸的X射線衍射分析279
五、聚γ谷氨酸的織態結構及其交聯觀察279
參考文獻280
第七章谷氨酸棒桿菌發酵生產新型蛋白聚糖類生物絮凝劑281
第一節生物絮凝劑發酵生產概述281
一、絮凝劑的套用現狀281
二、生物絮凝劑的基礎研究282
三、國內外研究動態和存在的問題287
第二節絮凝劑高產菌的篩選及菌種鑑定288
一、絮凝劑高產菌菌種分離289
二、絮凝劑高產菌A11菌種鑑定290
第三節生物絮凝劑REA11的分離純化及其組成分析291
一、生物絮凝劑產生菌生長與代謝基本特性292
二、生物絮凝劑REA11的分離純化293
三、生物絮凝劑REA11的純度鑑定295
四、生物絮凝劑REA11的分子組成鑑定295
第四節營養條件對生物絮凝劑REA11合成的影響298
一、碳氮源對谷氨酸棒桿菌合成絮凝劑的影響298
二、營養物濃度對絮凝劑合成的影響300
三、搖瓶發酵補料實驗302
四、無機離子對絮凝劑合成的影響302
五、環境條件對谷氨酸棒桿菌合成生物絮凝劑的影響303
第五節谷氨酸棒桿菌合成生物絮凝劑REA11的機理研究303
一、谷氨酸棒桿菌合成生物絮凝劑REA11的代謝途徑的理論構建304
二、生物絮凝劑理論代謝途徑的實驗驗證305
第六節谷氨酸棒桿菌合成生物絮凝劑REA11代謝模型建立與代謝網路分析315
一、谷氨酸棒桿菌合成生物絮凝劑REA11代謝網路的構建316
二、代謝網路分析理論318
三、分批發酵不同階段的代謝網路模型319
四、不同溶解氧水平下生物絮凝劑合成的代謝網路模型322
五、代謝模型的驗證322
六、生物絮凝劑REA11合成過程中ATP的需求與供給323
七、代謝節點對生物絮凝劑REA11合成的影響324
第七節生物絮凝劑REA11的液體流變性質及套用條件研究325
一、生物絮凝劑REA11溶液的流變學行為326
二、生物絮凝劑REA11的套用研究328
參考文獻330
第八章南極假絲酵母利用不同碳源生產新型生物表面活性劑332
第一節生物表面活性劑生產概述332
一、表面活性劑與生物表面活性劑332
二、甘露糖赤蘚糖醇脂的性質及微生物生產方法334
三、生物表面活性劑的套用335
第二節南極假絲酵母以豆油為底物發酵生產甘露糖赤蘚糖醇脂337
一、南極假絲酵母生產甘露糖赤蘚糖醇脂的搖瓶發酵條件337
二、南極假絲酵母生產甘露糖赤蘚糖醇脂的發酵培養基最佳化340
三、南極假絲酵母生產甘露糖赤蘚糖醇脂發酵培養基的回響面分析341
第三節南極假絲酵母生產甘露糖赤蘚糖醇脂分批發酵動力學及代謝機理344
一、南極假絲酵母分批發酵生產甘露糖赤蘚糖醇脂345
二、南極假絲酵母分批發酵生產甘露糖赤蘚糖醇脂的菌體生長動力學345
三、甘露糖赤蘚糖醇脂的代謝機理初探346
第四節南極假絲酵母生產甘露糖赤蘚糖醇脂的分離純化349
一、從發酵液中提取甘露糖赤蘚糖醇脂349
二、甘露糖赤蘚糖醇脂的純化研究350
三、甘露糖赤蘚糖醇脂的物理化學性質352
第五節南極假絲酵母以疏水性碳源為底物生產生物表面活性劑353
一、南極假絲酵母在烷烴底物中產生表面活性物質的發現354
二、不同結構烷烴對南極假絲酵母生產生物表面活性劑的影響355
三、南極假絲酵母以正十一烷為底物的基本發酵條件356
第六節從南極假絲酵母的正十一烷發酵液中分離提取生物表面活性劑359
一、正十一烷發酵液中表面活性產物的初步分離359
二、表面活性產物的薄層層析分離360
三、表面活性產物結構中基本官能團的確定及其命名360
四、表面活性物質BSUC的基本表面性質361
第七節新型生物表面活性劑BSUC對南極假絲酵母代謝烷烴能力的影響361
一、BSUC對南極假絲酵母代謝正十一烷的影響362
二、BSUC對南極假絲酵母代謝其他烷烴的影響363
三、BSUC對南極假絲酵母細胞表面性質的作用364
四、BSUC增強南極假絲酵母細胞吸附作用的機制366
第八節南極假絲酵母攝取烷烴模式與代謝途徑研究368
一、南極假絲酵母的正十一烷發酵過程分析368
二、正構烷烴降解及生物表面活性劑生產代謝途徑的理論分析369
三、生物表面活性劑在烷烴攝取模式中的地位372
參考文獻376

微生物重要代謝產物：發酵生產與過程解析

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