第一版前言

本書是在華東理工大學(xué)（前華東化工學(xué)院）生化工程系的“發(fā)酵生理學(xué)”課程的基礎(chǔ)上，結(jié)合作者多年從事本科生的“發(fā)酵生理學(xué)”以及研究生的“發(fā)酵調(diào)控學(xué)”學(xué)位課程的教學(xué)心得和發(fā)酵調(diào)控學(xué)方面科研經(jīng)驗(yàn)而編寫的。在內(nèi)容方面既兼顧系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，又盡可能介紹研究與工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用方面的最新進(jìn)展。本書適合作為發(fā)酵調(diào)控學(xué)、生物工藝學(xué)、工業(yè)微生物、工業(yè)生化、發(fā)酵工程、微生物制藥與抗生素工藝學(xué)的專業(yè)教材，也可作為醫(yī)藥、輕工、農(nóng)林與師范的專業(yè)參考書以及從事生物技術(shù)、生化工程、工業(yè)發(fā)酵方面的研究與生產(chǎn)人員的進(jìn)修與參考資料。每章后都列有大量的參考文獻(xiàn)，供讀者進(jìn)一步參閱。

微生物是地球上不可缺少的生物成員，它與動(dòng)、植物及人類有著唇齒相依的關(guān)系，并為他們與環(huán)境的改造不斷做出重大貢獻(xiàn)。利用微生物釀造是人類在文字出現(xiàn)以前就已掌握的技術(shù)，直到今日，微生物工程已發(fā)展到各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。由于微生物細(xì)胞相對(duì)簡(jiǎn)單，它又是研究生命活動(dòng)的基本材料。通過(guò)細(xì)胞與分子水平的研究，現(xiàn)已掌握了大量有關(guān)細(xì)胞生理生化與代謝調(diào)節(jié)的知識(shí)，且能運(yùn)用這些知識(shí)來(lái)改造微生物，使之造福于人類。

微生物的生理代謝活動(dòng)涉及由多種代謝途徑組成的網(wǎng)絡(luò)，其中有上千種酶，這些酶的活性在野生型菌株中受到嚴(yán)密的控制。為了適應(yīng)環(huán)境，它們能及時(shí)調(diào)整自身的生理代謝機(jī)能，使之合理地利用養(yǎng)分，以求生存與發(fā)展。在自然界，微生物從不過(guò)量合成一些它所不需要的物質(zhì)。因此，過(guò)量生產(chǎn)某些化合物對(duì)生產(chǎn)菌來(lái)說(shuō)，是一種“病態(tài)”過(guò)程，其固有的調(diào)節(jié)機(jī)制隨時(shí)可能恢復(fù)到有利于其生長(zhǎng)繁殖的方向，這也許就是生產(chǎn)菌種經(jīng)多次傳代，其生產(chǎn)性能容易蛻變的原因之一。

如果人們掌握了微生物內(nèi)在的調(diào)節(jié)規(guī)律，各種生理機(jī)能，代謝網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控機(jī)制，便能操縱微生物，充分滿足生產(chǎn)菌種過(guò)量合成某些代謝產(chǎn)物的環(huán)境需求，讓它始終按人們需要的方向發(fā)展。

好的發(fā)酵工藝不僅要有生產(chǎn)性能優(yōu)良的菌株，還要有合適的環(huán)境條件，才能使其生產(chǎn)潛力充分表達(dá)出來(lái)。一般而言，能表達(dá)生產(chǎn)菌種的最大潛力的90％，便很不錯(cuò)。通常，高產(chǎn)菌種對(duì)工藝控制的要求更高，對(duì)一些影響因素更敏感，因此，如果沒(méi)有發(fā)酵調(diào)控的基本知識(shí)，就很難保證生產(chǎn)的穩(wěn)定與發(fā)展。

基因工程技術(shù)的引進(jìn)，使得菌種的改造更容易按人的意志轉(zhuǎn)移。因此，要得到一株高產(chǎn)，甚至能合成新產(chǎn)物的重組菌，已不是高不可攀。但要從實(shí)驗(yàn)室研究進(jìn)入生產(chǎn)開(kāi)發(fā)階段，到產(chǎn)品問(wèn)世卻非輕而易舉的事。重組菌的充分表達(dá)，高產(chǎn)菌株潛力的挖掘，需要相應(yīng)的發(fā)酵工藝與設(shè)備條件的緊密配合才能做到。

盡管對(duì)微生物的一些主要代謝途徑與產(chǎn)物合成途徑已積累了相當(dāng)多的知識(shí)，但對(duì)許多天然產(chǎn)物的合成調(diào)節(jié)機(jī)制仍是一知半解。近年來(lái)，生物工廠的上游與下游工段引進(jìn)了不少新的生產(chǎn)方法與監(jiān)控策略，特別是設(shè)備的改進(jìn)，發(fā)酵調(diào)控策略的更新，過(guò)程監(jiān)控方法的日益完善，使得這些公司得益不淺。

工業(yè)發(fā)酵過(guò)程是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物合成所必需的重要生產(chǎn)步驟。許多生物活性物質(zhì)，如抗生素和基因工程菌產(chǎn)物能否順利表達(dá)獲得高產(chǎn)，關(guān)鍵在于發(fā)酵調(diào)控的正確與否。發(fā)酵過(guò)程的控制除了要詳細(xì)了解對(duì)象的動(dòng)態(tài)生物特性，對(duì)與生產(chǎn)有關(guān)的代謝網(wǎng)絡(luò)作定量分析，還要有工程的概念與技巧，才能控制研究或生產(chǎn)的對(duì)象。本書從分子、細(xì)胞和工藝工程水平去研討微生物產(chǎn)物合成與調(diào)節(jié)的內(nèi)在機(jī)制及外在環(huán)境條件的優(yōu)化和控制。

本書的特色是以工業(yè)發(fā)酵過(guò)程的調(diào)控為主線，將微生物的生理生化和分子生物學(xué)的知識(shí)運(yùn)用于闡述微生物的代謝調(diào)節(jié)與發(fā)酵規(guī)律，并結(jié)合生化反應(yīng)過(guò)程原理，解釋影響發(fā)酵過(guò)程的各種因素，如何進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，過(guò)程正常與否，怎樣實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。介紹各類典型代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)與調(diào)節(jié)和各種用于判斷發(fā)酵進(jìn)程的參數(shù)，分析各參數(shù)與產(chǎn)物合成之間的關(guān)系，介紹計(jì)算機(jī)在發(fā)酵工程中的應(yīng)用和定量生物工程研究與開(kāi)發(fā)以及代謝調(diào)控的新進(jìn)展，如代謝工程。本書注重理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)以致用，經(jīng)典與現(xiàn)代相結(jié)合。

本書的內(nèi)容共分為6章。第1章微生物生長(zhǎng)與調(diào)節(jié)是研究微生物的個(gè)體細(xì)胞及整個(gè)菌群的生長(zhǎng)現(xiàn)象及其調(diào)控規(guī)律，對(duì)內(nèi)是研究生長(zhǎng)、分化、營(yíng)養(yǎng)、呼吸與運(yùn)輸；對(duì)外是研究其受周圍環(huán)境的影響，作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。通過(guò)細(xì)胞周期與生長(zhǎng)效率的闡述，剖析了生長(zhǎng)速率對(duì)細(xì)胞大小與胞內(nèi)核酸含量的影響，以及各種環(huán)境因素對(duì)生物量得率的影響。第2章介紹微生物的基礎(chǔ)代謝，包括能量代謝的熱力學(xué)，分解與組成代謝。活細(xì)胞是一開(kāi)放的、永不平衡的系統(tǒng)；生命的進(jìn)程是不可逆的。應(yīng)用熱力學(xué)來(lái)了解活細(xì)胞，通過(guò)引入“不平衡”或“不可逆”熱力學(xué)可以克服其中若干限制。分析一些遠(yuǎn)離平衡的生化系統(tǒng)，包括進(jìn)出物料流系統(tǒng)，由中樞與支路代謝途徑和運(yùn)輸步驟組成的代謝網(wǎng)絡(luò)將有助于了解微生物的生長(zhǎng)繁殖和代謝產(chǎn)物合成的規(guī)律。第3章是在前一章的基礎(chǔ)上論述微生物的代謝協(xié)調(diào)方式，了解通過(guò)哪些方式來(lái)控制酶活及酶的合成，并通過(guò)實(shí)例來(lái)闡明如何運(yùn)用推理篩選與基因工程等手段打破或避開(kāi)微生物的固有代謝調(diào)節(jié)機(jī)制，過(guò)量生產(chǎn)所需代謝產(chǎn)物。對(duì)近年來(lái)興起的代謝工程的一些基本概念，代謝流（物流、信息流）分析，代謝控制分析，對(duì)基因操縱目標(biāo)的分析與代謝設(shè)計(jì)均作了詳細(xì)介紹。第4章，次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成與調(diào)節(jié)著重研討抗生素的生物合成機(jī)制與調(diào)節(jié)對(duì)抗生素工業(yè)生產(chǎn)的指導(dǎo)意義；微生物的表達(dá)調(diào)控技術(shù)在提高生產(chǎn)性能上的應(yīng)用。第5章以較大篇幅闡述發(fā)酵過(guò)程技術(shù)原理、動(dòng)力學(xué)、影響產(chǎn)物合成的各種因素，論述如何實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化控制，并介紹基因工程產(chǎn)物的研究開(kāi)發(fā)動(dòng)向。第6章介紹表征發(fā)酵進(jìn)程生理狀態(tài)的各種參數(shù)的監(jiān)測(cè)，各種參數(shù)間的相互關(guān)系及其與產(chǎn)物合成的關(guān)系，介紹用于控制的生物過(guò)程建模，發(fā)酵過(guò)程的估算技術(shù)與控制策略，用于發(fā)酵診斷和控制的數(shù)據(jù)分析。

本書綜合收集整理了國(guó)內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者與專家在代謝調(diào)控與發(fā)酵控制方面的觀點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)，材料內(nèi)容較為新穎，可反映出發(fā)酵調(diào)控學(xué)的最新水平，且理論與工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐密切結(jié)合。

本書的基礎(chǔ)理論部分引用的一些經(jīng)典著作，主要有Rehm H J等主編的“Biotechnology”2nd ed.Vol.1“Biological Fundamentals”和Vol.3“Bioprocessing”；Stouthamer A H編的“Quantitative Aspects of Growth and Metabolisms of Microorganisms”；Betina V編的“Bioactive Secondary Metabolites of Microorganisms”；Fiechter A主編的“Adv.in Biochem.Eng./Biotechnol.Vol.51”；Mandelstam J等編的“Biochemistry of Bacterial Growth”；Vining L C編的“Biochemistry and Genetic Regulation of Commercial Important Antibiotics”；Rose A H編的“Secondary Products of Metabolism”；李友榮，馬輝文編的《發(fā)酵生理學(xué)》；Fiechter A編的“Modern Biochemical Engineering”；Bu Lock J D等編的“Basic Biotechnology”；Stanbury P F等編的“Principles of Fermentation Tech nology”；俞俊棠，唐孝宣主編的《生物工藝學(xué)》，上冊(cè)；Yoshida T，Shioya S編的“Proceeding of the 7th International Conference on Computer Application in Biotechnology”。

本書的編撰獲得焦瑞身研究員的鼓勵(lì)和幫助，并且得到上海市研究生教育課程改革與教材建設(shè)委員會(huì)及本校的關(guān)心與資助，生物工程學(xué)院與生化工程系的領(lǐng)導(dǎo)對(duì)本書的申請(qǐng)和編寫給予支持和協(xié)助，化學(xué)工業(yè)出版社對(duì)本書的出版做了不懈的努力，趙玉清編輯對(duì)書稿作了精心的審閱修改，特此表示由衷的感謝。盡管我們對(duì)本書作了多次校對(duì)，但錯(cuò)漏在所難免，歡迎專家與讀者批評(píng)指正。

編者　于華東理工大學(xué)

2001年8月