本书主要介绍了近年来发酵工程技术的最新进展和未来发展趋势，包括发酵微生物菌种高通量筛选技术、基因快速编辑组装与表达调控技术、微生物细胞系统改造与精准调控，以及微型反应器与组合优化技术、基于多参数检测分析与组学技术的发酵过程实时动态优化与控制、发酵产品的联产技术、典型发酵产品的流程重构技术等，提出了新一代发酵工程技术的概念和内涵。在此基础上，针对新一代发酵工程技术的发展现状，以未来食品涉及的发酵技术为例，介绍了发酵工程技术今后面临的任务和挑战。
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第1章 绪论 1
1.1 发酵工程基本内容和发展历史 1
1.1.1 天然发酵阶段—以食品作为主要目标产品的发酵（1680年以前） 2
1.1.2 纯种培养发酵阶段—从生活资料向生产资料的转变（1680～1928年） 3
1.1.3 从厌氧发酵到好氧发酵—发酵工程目标产物的拓展（1929～1940年） 4
1.1.4 从自然筛选到定向选择—发酵工程技术水平的不断提升（1940～1980年） 4
1.2 20世纪80年代后的发酵工程技术 5
1.2.1 菌种选育—从诱变筛选到代谢工程改造与优化 6
1.2.2 过程控制—从离线控制到在线精准控制 7
1.2.3 分离技术—全流程绿色环保的下游技术 7
1.2.4 发酵工程对其他行业的支撑作用 8
1.3 新一代发酵工程技术 14
1.3.1 21世纪人类发展面临的主要问题 14
1.3.2 新一代发酵工程的支撑技术 19
1.3.3 新一代发酵工程技术的主要研究内容 22
1.3.4 新一代发酵工程技术安全性与伦理问题 26
1.3.5 工业生物技术 28
参考文献 29
第2章 发酵微生物菌种高通量筛选技术 31
2.1 发酵微生物选育技术概述 31
2.1.1 工业发酵过程的关键问题 31
2.1.2 高通量筛选技术 32
2.2 微生物菌种多样性的获得 33
2.2.1 物理诱变 33
2.2.2 化学诱变 34
2.2.3 适应性进化 34
2.2.4 基因工程改造 35
2.3 目标产物的快速定量方法 37
2.3.1 紫外-可见光光谱检测模型 37
2.3.2 荧光光谱检测模型 38
2.3.3 基于电化学传感器的筛选模型 39
2.3.4 基于生物传感器的荧光光谱检测模型 40
2.3.5 基于拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱和近红外光谱的检测模型 41
2.4 基于多孔板的高通量筛选技术及应用实例 42
2.4.1 基于多孔板高通量筛选系统流程的构建 42
2.4.2 应用实例1：高产α -酮戊二酸解脂亚洛酵母菌株的筛选 43
2.4.3 应用实例2：定向进化酪氨酸酚裂解酶强化全细胞催化合成左旋多巴 54
2.5 基于流式分选和多孔板筛选的高通量筛选技术及应用实例 63
2.5.1 基于流式分选和多孔板筛选的高通量筛选系统流程的构建 63
2.5.2 应用实例1：高产阿维菌素的阿维链霉菌的筛选 65
2.5.3 应用实例2：高产红曲色素的紫红曲霉的筛选 75
2.5.4 应用实例3：基于梯度强度启动子-5'-UTR及定向进化强化大肠杆菌合成柚皮素 83
2.6 基于微流控和流式分选的高通量筛选技术 95
2.6.1 基于微流控和流式分选的高通量筛选系统流程的构建 95
2.6.2 应用pH感应器筛选强化丙酮酸的生产 97
2.7 工业发酵微生物菌种高通量筛选技术展望 110
参考文献 112
第3章 基因快速编辑组装与表达调控技术 114
3.1 微生物细胞基因工程改造技术概述 114
3.1.1 基因工程技术 115
3.1.2 基因工程的发展历程 115
3.1.3 基因工程技术的开发 116
3.2 DNA体外快速编辑技术 118
3.2.1 易错PCR 118
3.2.2 DNA改组 120
3.2.3 RECODE 122
3.3 高效DNA无缝组装技术 127
3.3.1 Golden Gate组装 127
3.3.2 Gibson组装 128
3.3.3 DATEL组装 130
3.4 基于质粒系统的基因表达技术 133
3.4.1 质粒简介与分类 133
3.4.2 质粒的数据库与绘制软件 133
3.4.3 质粒表达系统在生物技术领域的应用 134
3.4.4 新型质粒表达系统 135
3.4.5 未来质粒表达系统的展望 139
3.5 基因敲除与基因整合技术 140
3.5.1 基因组改造 140
3.5.2 基因重组方式 140
3.5.3 基因敲除与整合技术 141
3.6 基因的表达调控技术 146
3.6.1 乳糖操纵子调控模型 147
3.6.2 细菌sRNA在表达调控中的应用 148
3.6.3 MS-DOS调控系统 151
3.6.4 CRISPR/dCas9调控系统 155
3.7 基因组精简与基因组人工合成技术 157
3.7.1 基因组精简策略 158
3.7.2 人工合成基因组 160
3.8 本章小结 163
参考文献 164
第4章 微生物细胞系统改造与精准调控 166
4.1 微生物细胞代谢过程及其调控机制 166
4.1.1 微生物细胞代谢过程概述 166
4.1.2 碳吸收与分解代谢的调控 167
4.1.3 中心碳代谢途径及其调控 167
4.1.4 能量代谢的调控 170
4.1.5 氮吸收与代谢的调控 171
4.1.6 氨基酸的摄取与代谢的调控 172
4.1.7 蛋白质合成的调控 173
4.2 微生物代谢过程的经典调控策略 174
4.2.1 微生物代谢经典调控策略概述 174
4.2.2 理性代谢工程 174
4.2.3 反向代谢工程 177
4.2.4 进化工程 178
4.3 微生物代谢过程的静态精准调控 179
4.3.1 代谢过程静态调控策略简介 179
4.3.2 基于启动子工程的精准静态调控 180
4.3.3 基于核糖体结合序列文库的精准静态调控 181
4.3.4 基于蛋白支架自组装的精准静态调控 182
4.3.5 模块化工程 183
4.4 微生物代谢过程的动态调控 185
4.4.1 代谢过程动态调控策略简介 185
4.4.2 基于响应外源添加诱导物的动态调控策略 186
4.4.3 基于响应细胞自身中间代谢物浓度的动态调控策略 186
4.4.4 基于特殊元件或响应特殊条件的动态调控策略 187
4.4.5 基于打开-关闭逻辑的两段式以及基于双向响应元件往复式逻辑的动态调控策略 189
4.5 微生物代谢过程的能量代谢与辅因子调控策略 190
4.5.1 能量代谢与辅因子调控的重要性 190
4.5.2 调整碳源种类及改造碳源吸收途径以调控ATP的供给 191
4.5.3 控制pH以调控ATP的供给 191
4.5.4 调控呼吸链反应强度调节ATP的供给 192
4.5.5 代谢工程改造调节ATP的合成或消耗途径 192
4.5.6 调控消耗ATP的无效循环提高化学品合成效率 192
4.5.7 使用NADP(H)非依赖性反应维持细胞内辅因子平衡 193
4.5.8 合理的途径设计维持辅因子平衡 194
4.6 基于亚细胞结构的微生物细胞精准调控 195
4.6.1 基于亚细胞结构的微生物代谢调控概述 195
4.6.2 线粒体工程 196
4.6.3 过氧化物酶体工程 198
4.6.4 内质网和高尔基体工程 200
4.7 生物信息学策略指导的微生物细胞系统改造 201
4.7.1 生物信息学对微生物细胞系统改造的重要性 201
4.7.2 基于组学的微生物细胞系统改造 201
4.7.3 基因规模代谢网络模型 204
参考文献 206
第5章 微型反应器与组合优化技术 209
5.1 发酵过程优化的复杂性与微型反应器技术 210
5.2 微型生物反应器技术 215
5.2.1 微型生物反应器的类型 215
5.2.2 微型生物反应器技术简介 217
5.3 微型生物反应器流体力学分析方法 222
5.3.1 搅拌式微型生物反应器的流体力学特性 222
5.3.2 搅拌式微型生物反应器能量耗散速率的测量与模拟 226
5.3.3 振荡型微型生物反应器内流体力学特性 227
5.3.4 振荡型微型生物反应器内流体力学研究 230
5.4 基于微型生物反应器的发酵条件组合优化技术 231
5.4.1 实验设计 232
5.4.2 实验设计软件与微型反应器系统整合 234
5.4.3 发酵条件组合优化实例 235
5.4.4 其他基于微型反应器的发酵条件优化方法 236
5.5 微型生物反应器支撑的发酵过程放大技术 237
5.5.1 发酵过程的放大和缩小 237
5.5.2 基于微型反应器的发酵工艺放大 239
5.5.3 微型反应器的发展方向 241
参考文献 242
第6章 基于多参数检测分析与组学技术的发酵过程实时动态优化与控制 245
6.1 发酵过程中的过程参数的检测方法 246
6.1.1 物理参数 247
6.1.2 化学参数 247
6.1.3 生物参数 250
6.2 基于多参数过程分析技术的发酵过程实时与动态优化 253
6.2.1 传统发酵过程控制与优化技术 253
6.2.2 发酵过程控制与优化技术的发展与趋势 255
6.2.3 基于PAT平台优化糖基化毕赤酵母产人类干扰素α2b的发酵过程 259
6.3 基于代谢物组学分析的发酵过程优化技术 263
6.3.1 代谢物组学及其相关技术 264
6.3.2 基于代谢物组学分析的丙酸发酵过程优化 265
6.3.3 小结 272
6.4 基于过程分析技术的发酵过程自动控制 272
6.4.1 发酵过程检测的转变：从点源数据到面源数据 272
6.4.2 发酵过程控制：从结果控制到过程控制 275
6.4.3 发酵过程监控：从两端化的监控到过程预警 282
6.4.4 发酵过程持续改进：从产品保证到产品提升 286
参考文献 288
第7章 发酵产品的联产技术 291
7.1 发酵产品联产的必要性 291
7.2 解脂亚洛酵母联产α-酮戊二酸和丙酮酸 293
7.2.1 α-酮戊二酸和丙酮酸的应用 293
7.2.2 α-酮戊二酸和丙酮酸的生产方法 294
7.2.3 解脂亚洛酵母联产α-酮戊二酸和丙酮酸的必要性 295
7.2.4 解脂亚洛酵母联产α-酮戊二酸和丙酮酸的基因工程改造 297
7.2.5 解脂亚洛酵母联产α-酮戊二酸和丙酮酸发酵过程优化 302
7.2.6 α-酮戊二酸和丙酮酸联产的耦合分离提取 311
7.3 钝齿棒杆菌联产L-精氨酸和聚-β-羟基丁酸酯 320
7.3.1 L-精氨酸与聚-β-羟基丁酸酯的应用 320
7.3.2 L-精氨酸与聚-β-羟基丁酸酯的生产方法 321
7.3.3 联产L-精氨酸与聚-β-羟基丁酸酯的钝齿棒杆菌的构建及调控 323
7.3.4 重组钝齿棒杆菌联产L-精氨酸与聚-β-羟基丁酸酯的过程优化 326
7.3.5 联产L-精氨酸和聚-β-羟基丁酸酯的分离提取 328
7.4 丙酸杆菌联产丙酸和维生素B12 328
7.4.1 丙酸杆菌属细菌的表征及应用 328
7.4.2 丙酸的生物合成 330
7.4.3 丙酸杆菌中丙酸生物合成途径的调控 332
7.4.4 维生素B12的生物合成 334
7.4.5 丙酸杆菌中维生素B12生物合成途径的调控 337
7.4.6 丙酸与维生素B12的联产及分离提取 339
7.5 发酵产品联产技术的展望 340
参考文献 341
第8章 典型发酵产品的流程重构技术 343
8.1 传统产品发酵流程重构的必要性 343
8.2 酱油：从自然接种的混菌发酵到可控的安全发酵体系 345
8.2.1 酱油发酵与酱油微生物 345
8.2.2 酱油中微生物代谢产生的氨（胺）类危害物 347
8.2.3 可代谢危害物菌株的高通量筛选 349
8.2.4 可控的酱油安全发酵体系 350
8.3 柠檬酸：从传统分批发酵到菌球分割多级流加发酵 352
8.3.1 柠檬酸性质与应用 352
8.3.2 发酵法生产柠檬酸的历史与现状 354
8.3.3 柠檬酸连续发酵关键技术1—菌丝球分割培养技术 355
8.3.4 柠檬酸连续发酵关键技术2—发酵液分割循环技术 358
8.3.5 柠檬酸连续发酵关键技术3—糖化酶多级流加技术 362
8.4 维生素C：从化学合成到三菌两步发酵再到一菌一步发酵 366
8.4.1 维生素C的化学合成（莱氏法） 366
8.4.2 维生素C的三菌两步发酵 367
8.4.3 维生素C的一菌一步发酵 371
8.4.4 一步发酵法生产维生素C面临的问题 377
8.5 左旋多巴：从酶法拆分到酶法合成 381
8.5.1 左旋多巴的国内外研究状况 383
8.5.2 左旋多巴的应用价值 383
8.5.3 植物提取法获取左旋多巴 384
8.5.4 化学合成法制备获取左旋多巴 384
8.5.5 酶法制备获取左旋多巴 384
8.6 泛酸：从化学合成到酶法拆分再到直接发酵生产 389
8.6.1 泛酸概述 389
8.6.2 化学合成泛酸 390
8.6.3 酶法转化或拆分 391
8.6.4 直接发酵法 394
8.7 低分子量透明质酸：从无序降解到分子量精准可控的生物制造 399
8.7.1 引言 399
8.7.2 低分子量透明质酸的化学与物理法无序降解 399
8.7.3 透明质酸降解酶的挖掘与高效分泌表达 400
8.7.4 特定低分子量透明质酸的酶法水解制备 404
8.7.5 特定低分子量透明质酸的一步法发酵生产 406
8.8 甲硫氨酸：从化学合成到酶法合成再到直接发酵生产 409
8.8.1 性质 409
8.8.2 甲硫氨酸的应用 409
8.8.3 甲硫氨酸的化学合成 411
8.8.4 甲硫氨酸的酶法合成 414
8.8.5 甲硫氨酸的发酵生产 415
参考文献 416
第9章 未来食品的发酵生产 418
9.1 未来食品 418
9.1.1 未来食品的产生与发展 418
9.1.2 未来食品发酵生产的意义 419
9.1.3 新一代生物发酵工程技术在未来食品生产中的应用 421
9.2 细胞培养肉与植物蛋白肉的生物发酵与合成 423
9.2.1 细胞培养肉 423
9.2.2 细胞培养肉的关键技术 425
9.2.3 细胞培养肉生物制造的发展前景 430
9.2.4 植物蛋白肉 431
9.3 动植物蛋白的发酵生产 437
9.3.1 动植物蛋白发酵生产概述 437
9.3.2 动物来源蛋白的发酵生产 437
9.3.3 植物来源蛋白的发酵生产 440
9.3.4 微生物发酵法合成动植物蛋白 444
9.4 中、长链食用油脂的发酵生产 446
9.4.1 微生物油脂发展概述 446
9.4.2 产油微生物种类 447
9.4.3 微生物法合成脂肪酸的关键技术 448
9.4.4 小结 453
9.5 未来食品的发酵生产面临的挑战 455
9.5.1 先进食品生物合成技术开发与应用 455
9.5.2 现代生物反应器的开发设计与发酵过程多尺度解析 456
9.5.3 精准营养与个性化定制 457
9.5.4 食品安全与卫生监管 458
9.6 展望 459
参考文献 459
索引 465
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