生物工程专业实验

生物工程专业对实验能力要求很高，学生要具有熟练的实验操作技能，很强的实验设计以及实验数据分析能力。因此，实验教学对培养合格的生物工程专业学生至关重要。生物工程专业对学生实验能力的要求，除了具备简单的生物分子检测、微生物操作与培养等基本实验技能外，更需要的是具备功能基因的克隆、表达载体与工程菌的构建、功能蛋白的表达与调控、目标蛋白的分离纯化及应用等综合实验设计与操作能力。这些能力需求贯穿于生物工程的上游、中游、下游的科学研究与生产过程中。

对此，我们综合分析生物工程专业的知识体系特点，结合生物工程专业人才培养国家标准的要求，编写了这本以工业生物技术为专业方向的生物工程专业实验指导书。该教材所建立的实验教学体系注重学生基本实验技能的训练，在此基础上进一步强化学生综合实验能力的培养。通过生物化学实验、微生物学实验以及生物工程专业基础实验培养学生的基本实验技能，通过开设专业综合实验培养与强化学生的综合实验能力。在专业实验项目的设置中，依据从生物产品生产的上游、中游、下游的主要技术与共性知识设计综合实验，内容涵盖功能基因的克隆、表达载体与工程菌的构建、工程蛋白的表达与调控，目标蛋白的分离与纯化，以及酶的应用等专业内容，使学生的生物工程专业知识在实验教学环节得以全面训练。

本教材分为生物工程实验技术原理、实验部分与附录三部分。具体编写分工为：刘建忠编写第1章、第8章，李凌凌编写第2章、第9章，周卫编写第3章、第10章，杨忠华编写第4章、第11章，秦晓蓉编写第5章、第12章，黄皓编写第6章、第13章，龚志伟编写第7章、第14章，左振宇编写第15章及附录。鉴于时间、精力与水平的限制，该教材可能存在疏漏与不足之处，敬请读者谅解，也热忱欢迎大家批评指正。

本书的编辑、出版过程中得到了武汉科技大学各级领导、化学工业出版社的支持与鼓励，在此表示衷心的感谢。

编者

2019年11月于武汉科技大学

《生物工程专业实验》分生物工程实验技术原理、实验部分和附录三篇，主要内容包括生物化学、微生物学、基因工程、发酵工程、生物分离工程、生物反应工程以及酶工程的实验原理与实验项目。实验项目的设计注重基本实验技能训练，在此基础上强化综合实验能力的培养。生物工程实验过程中常用的培养基、缓冲液、溶液、微生物培养与生物物质特性参数归纳整理在附录中，便于参阅。

本书可作为高等院校生物工程专业本科生的教材，也可供生物工程领域的工程技术人员参考。

《生物工程专业实验》分生物工程实验技术原理、实验部分和附录三篇，主要内容包括生物化学、微生物学、基因工程、发酵工程、生物分离工程、生物反应工程以及酶工程的实验原理与实验项目。实验项目的设计注重基本实验技能训练，在此基础上强化综合实验能力的培养。生物工程实验过程中常用的培养基、缓冲液、溶液、微生物培养与生物物质特性参数归纳整理在附录中，便于参阅。

本书可作为高等院校生物工程专业本科生的教材，也可供生物工程领域的工程技术人员参考。

杨忠华，武汉科技大学化工学院，系主任 教授，主要从事生物催化与转化、蛋白质工程与酶工程、生物制药、生物能源等方面的科研与教学工作。承担国家自然基金、湖北省科技攻关、湖北省自然基金、湖北省教育厅重点项目、武汉青年科技人才培育项目等科研项目8项。为学术期刊《Applied Biochemistry and Biotechnology》、《Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic》、《Industrial & Engineering Chemistry Research》、《催化学报》、《化工进展》、《生物加工过程》等特约稿件评审人。

第1篇生物工程实验技术原理/1

第1章生物化学实验基本理论1

1.1电泳技术1

1.2PCR技术2

1.3生物分子浓度的测定3

1.4蛋白质的分离纯化3

第2章微生物学实验基本理论4

2.1微生物学实验的意义4

2.2微生物的显微观察及染色原理4

2.3微生物的纯培养7

2.4微生物的生理生化鉴定9

2.5PCR技术在微生物鉴定上的应用9

2.6菌种的保藏9

2.7微生物的生长繁殖10

第3章重组DNA技术及工程细胞构建11

3.1目的基因的获取11

3.2DNA片段与载体的连接（以质粒载体为例）12

3.3重组基因导入受体细胞12

3.4筛选含有目的基因的受体细胞13

第4章发酵工程实验原理14

4.1发酵的基本内容14

4.2发酵过程的组成14

4.3发酵罐的类型15

4.4发酵罐及培养基的灭菌15

4.5发酵培养基的配制17

4.6发酵过程的控制17

第5章常用生物分离实验技术及原理18

5.1细胞破碎18

5.2过滤和离心18

5.3沉淀18

5.4萃取19

5.5膜分离20

5.6色谱20

第6章生物反应工程实验原理22

6.1酶催化反应动力学22

6.2生物反应器中氧的传递特性26

6.3生物反应器的操作动力学30

6.4连续式生物反应器的流动模型33

第7章酶工程及生物催化原理34

7.1细胞固定化概述34

7.2细胞固定化方法34

7.3生物催化概述35

第2篇实验部分/36

第8章生物化学实验36

实验8.1常用生物化学试剂的配制及高压灭菌36

实验8.2还原糖的测定——3,5-二硝基水杨酸（DNS）比色法39

实验8.3基因组DNA的分离提取及电泳检测41

实验8.4DNA浓度及纯度的测定43

实验8.5蛋白质的SDS-PAGE检测44

实验8.6牛乳球蛋白基因的PCR扩增及电泳检测46

实验8.7HPLC法测定胰岛素的氨基酸组成48

第9章微生物学实验50

实验9.1显微镜的使用及微生物形态的观察50

实验9.2细菌的革兰氏染色法53

实验9.3细菌的荚膜染色法56

实验9.4细菌的芽孢染色法58

实验9.5微生物细胞大小的测定——测微尺的使用60

实验9.6显微镜直接计数法（血细胞计数板法）62

实验9.7培养基的配制与灭菌64

实验9.8微生物的纯培养69

实验9.9淀粉水解实验75

实验9.10糖酵解实验77

实验9.11利用16S rDNA基因序列鉴定细菌79

实验9.12菌种的保藏82

实验9.13空气中微生物的检测84

实验9.14大肠杆菌生长曲线的测定87

实验9.15土壤中解磷微生物的分离纯化及鉴定89

第10章基因工程实验94

实验10.1原核生物基因组DNA的提取及电泳检测94

实验10.2目的基因PCR扩增、检测和纯化97

实验10.3质粒DNA的提取及检测99

实验10.4重组质粒的构建101

实验10.5感受态细胞的制备和转化103

实验10.6原核生物总RNA提取与逆转录——聚合酶链反应106

第11章发酵工程实验109

实验11.1实验室常用发酵罐的基本结构与功能109

实验11.2发酵液中生物量的测定111

实验11.3发酵培养基的制备及发酵罐灭菌113

实验11.4发酵种子制备及发酵罐接种116

实验11.5酵母细胞补料分批发酵118

实验11.6利用大肠杆菌E.coli BL21(DE3)（pET28a-hhdhxf2）工程菌表达卤醇脱卤酶121

实验11.7固态发酵法生产柠檬酸125

第12章生物分离工程实验129

实验12.1植物细胞的破碎及超氧化物歧化酶的浸提129

实验12.2考马斯亮蓝G250法测定蛋白质含量131

实验12.3联大茴香胺盐酸盐法测定超氧化物歧化酶活力133

实验12.4双水相萃取相图的制作136

实验12.5双水相系统萃取超氧化物歧化酶138

实验12.6热激和盐析法提取超氧化物歧化酶140

实验12.7纤维素离子交换柱色谱纯化超氧化物歧化酶142

第13章生物反应工程实验144

实验13.1LB法测定碱性磷酸酶的动力学参数144

实验13.2游离碱性磷酸酶与固定化碱性磷酸酶的动力学参数比较147

实验13.3亚硫酸钠氧化法测定气液接触过程的体积传质系数KLa150

实验13.4动态法测定间歇生物反应器的溶氧体积传质系数KLa152

实验13.5微生物反应器的反应性能测定155

实验13.6连续搅拌槽式反应器停留时间分布的测定157

第14章酶工程实验161

实验14.1温度和pH值对β-葡萄糖苷酶活力的影响161

实验14.2纤维素酶活力的测定及酶水解纤维素164

实验14.3酶偶联法测定葡萄糖激酶的活力166

实验14.4海藻酸钠包埋法制备固定化α-淀粉酶168

实验14.5酵母细胞固定化及催化前手性苯乙酮不对称还原合成手性醇170

实验14.6有机相中脂肪酶的催化转酯化作用172

第15章设计性开放实验174

15.1设计性开放实验教学目标174

15.2设计性开放实验申请及开出程序174

15.3设计性开放实验教学内容和基本要求175

15.4设计性开放实验考核方式176

15.5部分设计性开放实验项目176

第3篇附录/177

附录1生物工程实验室安全规则177

附录2常用缓冲液的配制184

附录3常用抗生素和酶的配制189

附录4常用培养基的配制191

附录5实验室常用贮存液的配制193

附录6常用生物质理化参数197

参考文献200

《生物工程专业实验》分生物工程实验技术原理、实验部分和附录三篇，主要内容包括生物化学、微生物学、基因工程、发酵工程、生物分离工程、生物反应工程以及酶工程的实验原理与实验项目。实验项目的设计注重基本实验技能训练，在此基础上强化综合实验能力的培养。生物工程实验过程中常用的培养基、缓冲液、溶液、微生物培养与生物物质特性参数归纳整理在附录中，便于参阅。

本书可作为高等院校生物工程专业本科生的教材，也可供生物工程领域的工程技术人员参考。

杨忠华，武汉科技大学化工学院，系主任 教授，主要从事生物催化与转化、蛋白质工程与酶工程、生物制药、生物能源等方面的科研与教学工作。承担国家自然基金、湖北省科技攻关、湖北省自然基金、湖北省教育厅重点项目、武汉青年科技人才培育项目等科研项目8项。为学术期刊《Applied Biochemistry and Biotechnology》、《Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic》、《Industrial & Engineering Chemistry Research》、《催化学报》、《化工进展》、《生物加工过程》等特约稿件评审人。