未來食品的新質生產者：極端微生物與極端酶

第1章 極端微生物的分離與培養 1
引言 1
1.1 傳統的分離培養策略 2
1.1.1 極端微生物不可培養的原因 2
1.1.2 營養基質濃度與成分優化 5
1.1.3 壓力、溫度等極端條件的類比 9
1.2 提高微生物可培養性的策略 10
1.2.1 膜擴散培養法 15
1.2.2 稀釋培養法 21
1.2.3 序列引導分離技術 23
1.2.4 用於培養的微流控系統 24
1.2.5 二維細胞分離培養 27
1.3 極端微生物的篩選方法 29
1.3.1 直接視覺化法 30
1.3.2 生長的光學檢測 31
1.3.3 基於PCR與測序的篩選 37
1.3.4 質譜篩選法 42
1.4 培養組學應用於極端微生物的分離培養 46
1.4.1 難培養微生物的培養方法 46
1.4.2 培養組學概述 51
1.4.3 培養組學的發展 52
參考文獻 53

第2章 極端微生物資源庫構建 61
引言 61
2.1 高通量測序技術 61
2.1.1 DNA測序技術 61
2.1.2 極端微生物高通量測序數據研究方法 69
2.2 極端微生物資源庫 74
2.2.1 極端微生物菌種庫 74
2.2.2 極端微生物基因組資料庫 79
2.3 極端微生物中生物元件的高通量挖掘 85
2.3.1 酶蛋白元件規模化挖掘 85
2.3.2 次級代謝產物相關元件的挖掘 96
2.3.3 多肽類功能分子的挖掘 106
2.3.4 基因調控元件的挖掘 115
2.3.5 機器學習在生物元件挖掘中的應用 129
參考文獻 134

第3章 極端微生物：極端酶的創新源泉 143
引言 143
3.1 極端酶的分類與特性 143
3.1.1 極端酶概述 143
3.1.2 嗜熱酶的特性及應用 145
3.1.3 嗜冷酶的特性及應用 146
3.1.4 嗜鹽酶的特性及應用 148
3.1.5 嗜酸酶的特性及應用 149
3.1.6 嗜堿酶的特性及應用 149
3.1.7 耐有機溶劑酶的特性及應用 150
3.2 極端酶的來源 151
3.2.1 極端微生物種質資源 151
3.2.2 極端微生物成為極端酶的創新源泉 154
3.3 極端酶：未來食品應用新酶源 155
3.3.1 未來食品工業用酶概述 155
3.3.2 極端酶成為食品工業的“綠色晶片” 156
參考文獻 157

第4章 極端酶的挖掘與改造 161
引言 161
4.1 極端酶的高通量篩選 161
4.1.1 不同通量的篩選平臺 161
4.1.2 高通量篩選平臺的信號檢測 163
4.2 分子改造技術 166
4.2.1 非理性設計 167
4.2.2 半理性設計 168
4.2.3 理性設計 169
4.3 定向進化新技術 169
4.3.1 連續進化 169
4.3.2 CRISPR技術在定向進化中的應用 177
4.3.3 基於祖先序列的定向進化技術 177
4.4 多酶級聯催化技術 183
4.4.1 多酶級聯反應的定義 183
4.4.2 構建多酶複合體的新技術 184
4.4.3 提升級聯系統催化效率的策略 188
4.4.4 優點與挑戰 190
參考文獻 191

第5章 極端酶在食品工業中的應用 197
引言 197
5.1 極端酶的高效表達系統 198
5.1.1 大腸桿菌 198
5.1.2 枯草芽孢桿菌 210
5.1.3 酵母 214
5.1.4 黴 216
5.1.5 無細胞蛋白質表達系統 219
5.2 高版本表達系統創制的新技術 223
5.2.1 表達元件的挖掘與改造 224
5.2.2 表達元件的適配性研究 238
5.3 極端酶在食品工業中的應用 245
5.3.1 澱粉行業 245
5.3.2 烘焙行業 248
5.3.3 果汁行業 251
5.3.4 乳製品行業 253
5.3.5 代糖行業 256
5.3.6 食品廢棄物處理領域 259
5.3.7 動物飼料領域 261
參考文獻 264

第6章 基於極端微生物的食品活性因數生物製造 268
6.1 食品微生物細胞工廠的創制 268
6.1.1 生物元件及模組優化 268
6.1.2 產物合成的動態調控 272
6.1.3 食品組分發酵程序控制與優化 273
6.2 食品微生物的底物利用 279
6.2.1 以油料、澱粉和糖料作物為原料 279
6.2.2 以食品廢棄物為原料 280
6.2.3 一碳原料 282
6.3 食品工業中應用的活性因數 283
6.3.1 有機酸 283
6.3.2 類胡蘿蔔素類食用色素 283
6.3.3 抗菌物質 284
6.3.4 甜味劑 285
6.4 存在的主要問題與未來發展方向 287
6.4.1 存在的主要問題 287
6.4.2 極端微生物作為下一代食品微生物細胞工廠 288
參考文獻 290

第7章 極端微生物—太空食品的新質生產者 295
7.1 微生物太空育種 295
7.1.1 微生物太空育種起源 296
7.1.2 現代微生物太空育種 297
7.1.3 未來前景與趨勢 299
7.2 極端微生物用於在軌餐飲垃圾的處理 300
7.3 以極端微生物為細胞工廠合成功能性太空食品組分 304
7.3.1 以極端微生物為細胞工廠的技術進展 305
7.3.2 極端微生物細胞工廠在功能性太空食品組分生產中的應用 308
7.3.3 未來發展和結論 308
7.4 極端微生物在食材在軌種植中的應用 309
參考文獻 315