内容简介
《未来食品的新质生产者：极端微生物与极端酶》以“大食物观”为指导方针，聚焦未来食品的科技创新发展。内容主要涵盖极端微生物的分离与培养、极端微生物资源库构建，还介绍了极端微生物来源的极端酶的挖掘与改造及其在食品工业中的应用。此外，阐述了食品微生物细胞工厂的开发及食品活性因子的生物制造。*后对极端微生物在未来太空食品中的应用进行了展望。《未来食品的新质生产者：极端微生物与极端酶》不仅为我国未来食品的发展提供了坚实的技术支撑，更将助力全球食品领域的创新探索和可持续发展。
精彩书摘
第1章极端微生物的分离与培养
引言
微生物学是生物学中随着微生物的分离而发展起来的一个重要领域，其主要研究对象为微小生物体，包括细菌、真菌、病毒和原生动物等，这些微生物在自然界中起着关键的生态和生理作用。但是，目前所知道的微生物种类只不过是整个自然界分布的微生物种类的十万分之一。因此，为了深入了解微生物的多样性、功能和相互作用，科学家采用了各种方法来研究它们，其中，微生物的分离和培养是微生物学研究中的**方法之一（梅承等，2018）。
传统的微生物分离培养策略为科学家从复杂的微生物群落中分离出单一的微生物菌株提供了一种有效的手段。这项技术的原理简单而直观：将来自环境样品的微生物分散在富含养分的培养基上，并提供适宜的生长条件，如温度、氧气浓度和pH，以促使微生物生长和繁殖。在适当的条件下，不同类型的微生物将形成可见的细菌或真菌菌落，每个菌落代表一个单一的微生物菌株。尽管传统的微生物分离培养方法已有数十年的历史，但它仍然是微生物学研究的重要组成部分。它具有以下4个方面的重要意义。
（1）发掘新型菌株：通过纯化分离培养，科学家能够从各种自然环境样品中鉴定新的微生物菌株，挖掘有潜在应用价值的微生物，丰富菌种资源。
（2）细菌和真菌病原体的诊断：临床微生物学家使用分离培养技术来检测和鉴定导致感染的病原体，这对于诊断和治疗感染性疾病至关重要。
（3）微生物生态学研究：研究自然环境中的微生物群落结构和功能，探究微生物是如何响应环境变化的，这将有助于人们更好地理解生态系统的互作机制。
（4）生物技术和工业应用：微生物分离培养为生物技术和生物工业领域提供了丰富的微生物资源，如产功能酶菌株、发酵菌株和污水处理微生物等。
尽管传统的微生物分离培养方法在许多方面都具有重要作用，但它们也面临一些挑战和局限性。*先，这些方法依赖于特定生长条件，这意味着某些微生物可能在实验室中难以培养出来，因为它们需要复杂或难以模拟的自然环境条件。其次，分离和培养微生物通常是一项耗时且劳动密集的工作，可能需要数天甚至数周才能获得结果。此外，某些微生物可能不适合在体外培养，因为它们具有共生关系或依赖于特定宿主。随着现代生物技术的发展，现代微生物分离技术必须从广泛的含义上以微生物的分类、生理、营养、生态等研究为基础才能得到发展。目前，一些新的方法已经出现，如分子生物学技术（张文凯等，2022）、高通量测序（Ness et al.，2022）和宏基因组学，它们不依赖于传统的分离培养，可以更快速地研究微生物。然而，传统的分离培养仍然具有*特的优势，特别是在新微生物的发现和微生物资源收集方面。
本章将深入探讨传统的微生物分离培养方法，让读者更好地理解传统微生物分离培养方法的重要性及其应用，为微生物学家、生物技术研究人员、临床医生和环境科学家提供有关微生物分离培养的深入见解，促进微生物学领域的进一步发展和创新。
1.1传统的分离培养策略
1.1.1极端微生物不可培养的原因
极端微生物（extreme microorganism）是*适合生活在极端环境中的微生物的总称（Rekadwad et al.，2023）（表1.1）。极端环境包括以下多种类型。
高温环境：火山口、深海热泉等处的温度极高，甚至可以达到数百摄氏度，但一些热耐受微生物仍能在其中繁殖（曾静等，2015）。
高压环境：海底深处的压力巨大，水下的微生物需要适应这种高压环境（邱旭，2021）。
极端酸碱环境：硫酸池、盐湖等地的酸碱度极高或极低，但某些微生物仍能适应这种生存条件（Crognale et al.，2022）。
高辐射环境：核反应堆内部和一些辐射区域存在高辐射环境，但一些耐辐射微生物仍可在这些地方繁殖（Videvall et al.，2023）。
高盐度环境：盐湖、盐矿等地的盐度非常高，但仍有嗜盐微生物可以在其中生存（黄志勇，2021）。
此外，极端环境还包括极冷、高金属、极干燥和极端缺氧等多种类型。极端微生物为了长期适应恶劣环境（如高温、高盐等极端环境）而发展出了一系列*特的生存策略，使它们能够在这些条件下生存下来。这些策略包括产生耐受极端条件的酶、蛋白质和膜，以及积累特定的代谢产物，以对抗极端条件的影响。这为我们提供了关于生命在极端环境下的适应性和生存策略的重要见解，还将在环境保护、气候变化、温室效应、资源开发、生物医药和人口健康等领域发挥巨大的作用，这对研究人员来说具有巨大的吸引力。然而，极端微生物的不可培养性限制了研究人员对极端微生物资源的开发与利用，主要有以下8点原因。
（1）极端微生物具有复杂的生存条件：通常极端微生物生存在自然界的复杂生态系统中。它们与其他微生物和生物体之间相互依赖、密切关联，这些相互作用可能对它们的生存和繁殖起着关键作用。然而，在实验
目录
目录
第1章 极端微生物的分离与培养 1
引言 1
1.1 传统的分离培养策略 2
1.1.1 极端微生物不可培养的原因 2
1.1.2 营养基质浓度与成分优化 5
1.1.3 压力、温度等极端条件的模拟 9
1.2 提高微生物可培养性的策略 10
1.2.1 膜扩散培养法 15
1.2.2 稀释培养法 21
1.2.3 序列引导分离技术 23
1.2.4 用于培养的微流控系统 24
1.2.5 二维细胞分离培养 27
1.3 极端微生物的筛选方法 29
1.3.1 直接可视化法 30
1.3.2 生长的光学检测 31
1.3.3 基于PCR与测序的筛选 37
1.3.4 质谱筛选法 42
1.4 培养组学应用于极端微生物的分离培养 46
1.4.1 难培养微生物的培养方法 46
1.4.2 培养组学概述 51
1.4.3 培养组学的发展 52
参考文献 53
第2章 极端微生物资源库构建 61
引言 61
2.1 高通量测序技术 61
2.1.1 DNA测序技术 61
2.1.2 极端微生物高通量测序数据研究方法 69
2.2 极端微生物资源库 74
2.2.1 极端微生物菌种库 74
2.2.2 极端微生物基因组数据库 79
2.3 极端微生物中生物元件的高通量挖掘 85
2.3.1 酶蛋白元件规模化挖掘 85
2.3.2 次级代谢产物相关元件的挖掘 96
2.3.3 多肽类功能分子的挖掘 106
2.3.4 基因调控元件的挖掘 115
2.3.5 机器学习在生物元件挖掘中的应用 129
参考文献 134
第3章 极端微生物：极端酶的创新源泉 143
引言 143
3.1 极端酶的分类与特性 143
3.1.1 极端酶概述 143
3.1.2 嗜热酶的特性及应用 145
3.1.3 嗜冷酶的特性及应用 146
3.1.4 嗜盐酶的特性及应用 148
3.1.5 嗜酸酶的特性及应用 149
3.1.6 嗜碱酶的特性及应用 149
3.1.7 耐有机溶剂酶的特性及应用 150
3.2 极端酶的来源 151
3.2.1 极端微生物种质资源 151
3.2.2 极端微生物成为极端酶的创新源泉 154
3.3 极端酶：未来食品应用新酶源 155
3.3.1 未来食品工业用酶概述 155
3.3.2 极端酶成为食品工业的“绿色芯片” 156
参考文献 157
第4章 极端酶的挖掘与改造 161
引言 161
4.1 极端酶的高通量筛选 161
4.1.1 不同通量的筛选平台 161
4.1.2 高通量筛选平台的信号检测 163
4.2 分子改造技术 166
4.2.1 非理性设计 167
4.2.2 半理性设计 168
4.2.3 理性设计 169
4.3 定向进化新技术 169
4.3.1 连续进化 169
4.3.2 CRISPR技术在定向进化中的应用 177
4.3.3 基于祖先序列的定向进化技术 177
4.4 多酶级联催化技术 183
4.4.1 多酶级联反应的定义 183
4.4.2 构建多酶复合体的新技术 184
4.4.3 提升级联系统催化效率的策略 188
4.4.4 优点与挑战 190
参考文献 191
第5章 极端酶在食品工业中的应用 197
引言 197
5.1 极端酶的高效表达系统 198
5.1.1 大肠杆菌 198
5.1.2 枯草芽孢杆菌 210
5.1.3 酵母 214
5.1.4 *霉 216
5.1.5 无细胞蛋白质表达系统 219
5.2 高版本表达系统创制的新技术 223
5.2.1 表达元件的挖掘与改造 224
5.2.2 表达元件的适配性研究 238
5.3 极端酶在食品工业中的应用 245
5.3.1 淀粉行业 245
5.3.2 烘焙行业 248
5.3.3 果汁行业 251
5.3.4 乳制品行业 253
5.3.5 代糖行业 256
5.3.6 食品废弃物处理领域 259
5.3.7 动物饲料领域 261
参考文献 264
第6章 基于极端微生物的食品活性因子生物制造 268
6.1 食品微生物细胞工厂的创制 268
6.1.1 生物元件及模块优化 268
6.1.2 产物合成的动态调控 272
6.1.3 食品组分发酵过程控制与优化 273
6.2 食品微生物的底物利用 279
6.2.1 以油料、淀粉和糖料作物为原料 279
6.2.2 以食品废弃物为原料 280
6.2.3 一碳原料 282
6.3 食品工业中应用的活性因子 283
6.3.1 有机酸 283
6.3.2 类胡萝卜素类食用色素 283
6.3.3 抗菌物质 284
6.3.4 甜味剂 285
6.4 存在的主要问题与未来发展方向 287
6.4.1 存在的主要问题 287
6.4.2 极端微生物作为下一代食品微生物细胞工厂 288
参考文献 290
第7章 极端微生物—太空食品的新质生产者 295
7.1 微生物太空育种 295
7.1.1 微生物太空育种起源 296
7.1.2 现代微生物太空育种 297
7.1.3 未来前景与趋势 299
7.2 极端微生物用于在轨餐饮垃圾的处理 300
7.3
试读
第1章极端微生物的分离与培养
引言
微生物学是生物学中随着微生物的分离而发展起来的一个重要领域，其主要研究对象为微小生物体，包括细菌、真菌、病毒和原生动物等，这些微生物在自然界中起着关键的生态和生理作用。但是，目前所知道的微生物种类只不过是整个自然界分布的微生物种类的十万分之一。因此，为了深入了解微生物的多样性、功能和相互作用，科学家采用了各种方法来研究它们，其中，微生物的分离和培养是微生物学研究中的**方法之一（梅承等，2018）。
传统的微生物分离培养策略为科学家从复杂的微生物群落中分离出单一的微生物菌株提供了一种有效的手段。这项技术的原理简单而直观：将来自环境样品的微生物分散在富含养分的培养基上，并提供适宜的生长条件，如温度、氧气浓度和pH，以促使微生物生长和繁殖。在适当的条件下，不同类型的微生物将形成可见的细菌或真菌菌落，每个菌落代表一个单一的微生物菌株。尽管传统的微生物分离培养方法已有数十年的历史，但它仍然是微生物学研究的重要组成部分。它具有以下4个方面的重要意义。
（1）发掘新型菌株：通过纯化分离培养，科学家能够从各种自然环境样品中鉴定新的微生物菌株，挖掘有潜在应用价值的微生物，丰富菌种资源。
（2）细菌和真菌病原体的诊断：临床微生物学家使用分离培养技术来检测和鉴定导致感染的病原体，这对于诊断和治疗感染性疾病至关重要。
（3）微生物生态学研究：研究自然环境中的微生物群落结构和功能，探究微生物是如何响应环境变化的，这将有助于人们更好地理解生态系统的互作机制。
（4）生物技术和工业应用：微生物分离培养为生物技术和生物工业领域提供了丰富的微生物资源，如产功能酶菌株、发酵菌株和污水处理微生物等。
尽管传统的微生物分离培养方法在许多方面都具有重要作用，但它们也面临一些挑战和局限性。*先，这些方法依赖于特定生长条件，这意味着某些微生物可能在实验室中难以培养出来，因为它们需要复杂或难以模拟的自然环境条件。其次，分离和培养微生物通常是一项耗时且劳动密集的工作，可能需要数天甚至数周才能获得结果。此外，某些微生物可能不适合在体外培养，因为它们具有共生关系或依赖于特定宿主。随着现代生物技术的发展，现代微生物分离技术必须从广泛的含义上以微生物的分类、生理、营养、生态等研究为基础才能得到发展。目前，一些新的方法已经出现，如分子生物学技术（张文凯等，2022）、高通量测序（Ness et al.，2022）和宏基因组学，它们不依赖于传统的分离培养，可以更快速地研究微生物。然而，传统的分离培养仍然具有*特的优势，特别是在新微生物的发现和微生物资源收集方面。
本章将深入探讨传统的微生物分离培养方法，让读者更好地理解传统微生物分离培养方法的重要性及其应用，为微生物学家、生物技术研究人员、临床医生和环境科学家提供有关微生物分离培养的深入见解，促进微生物学领域的进一步发展和创新。
1.1传统的分离培养策略
1.1.1极端微生物不可培养的原因
极端微生物（extreme microorganism）是*适合生活在极端环境中的微生物的总称（Rekadwad et al.，2023）（表1.1）。极端环境包括以下多种类型。
高温环境：火山口、深海热泉等处的温度极高，甚至可以达到数百摄氏度，但一些热耐受微生物仍能在其中繁殖（曾静等，2015）。
高压环境：海底深处的压力巨大，水下的微生物需要适应这种高压环境（邱旭，2021）。
极端酸碱环境：硫酸池、盐湖等地的酸碱度极高或极低，但某些微生物仍能适应这种生存条件（Crognale et al.，2022）。
高辐射环境：核反应堆内部和一些辐射区域存在高辐射环境，但一些耐辐射微生物仍可在这些地方繁殖（Videvall et al.，2023）。
高盐度环境：盐湖、盐矿等地的盐度非常高，但仍有嗜盐微生物可以在其中生存（黄志勇，2021）。
此外，极端环境还包括极冷、高金属、极干燥和极端缺氧等多种类型。极端微生物为了长期适应恶劣环境（如高温、高盐等极端环境）而发展出了一系列*特的生存策略，使它们能够在这些条件下生存下来。这些策略包括产生耐受极端条件的酶、蛋白质和膜，以及积累特定的代谢产物，以对抗极端条件的影响。这为我们提供了关于生命在极端环境下的适应性和生存策略的重要见解，还将在环境保护、气候变化、温室效应、资源开发、生物医药和人口健康等领域发挥巨大的作用，这对研究人员来说具有巨大的吸引力。然而，极端微生物的不可培养性限制了研究人员对极端微生物资源的开发与利用，主要有以下8点原因。
（1）极端微生物具有复杂的生存条件：通常极端微生物生存在自然界的复杂生态系统中。它们与其他微生物和生物体之间相互依赖、密切关联，这些相互作用可能对它们的生存和繁殖起着关键作用。然而，在实验
