β-丙氨酸是自然界中唯一的β型氨基酸,其作为重要的中间体,广泛被应用于医药、食品、化工等领域。与目前运用较多的化学法生产β-丙氨酸工艺相比,生物法工艺条件温和,特异性强,环境污染较少,具有重要的工业应用前景以及研究价值。L-天冬氨酸-α-脱羧酶（L-aspartate-α-decarboxylase,EC4.1.1.11,PanD）能够催化L-天冬氨酸脱羧生成β-丙氨酸。但是目前PanD酶活较低,且丙酮酰基依赖型脱羧酶会出现机理性反应失活现象,所以研发高活性和稳定性的新型L-天冬氨酸-α-脱羧酶,是β-丙氨酸工业化生产中的基础。本论文选择昆虫赤拟谷盗（Tribolium castaneum）来源的L-天冬氨酸-α-脱羧酶（TcPanD）基因在大肠杆菌（Escherichia coli）BL21（DE3）中重组表达。运用蛋白质工程手段对酶基因进行分子改造,以提高其酶活力和催化稳定性。研究结果如下:1、建立包含3500个突变子的TcPanD突变体文库,筛选得到两个催化活力显著提高的突变体16-H5和18-G6,突变位点分别是R98H、K351E、I451V,酶活分别是原始TcPanD酶活的1.61倍和1.43倍。定点饱和突变及分析确定了突变体的最佳氨基酸组合方式,替换的氨基酸分别是R98H和K351S,并将其命名为TcPanD-R38H/K305S。通过对TcPanD进行同源建模,显示突变的氨基酸位置位于表面位置的无规则卷曲处,通过分子对接分析推测远离底物L-天冬氨酸的高酶活突变位点R98可能是通过一定的作用力参与了结构稳定。靠近L-天冬氨酸的突变位点K305可能是通过增强亲水性提高与底物的结合紧密度,从而提高催化活力。2、将TcPanD的原始酶和突变体纯化至电泳纯度,两者纯化蛋白大小均为65kDa。纯化后的突变体比酶活为7.05 U/mg,是原始酶比酶活的2.45倍。对突变体TcPanD-R38H/K305S酶学性质的研究表明:辅酶磷酸吡哆醛的最佳添加量为0.04%（m/v）,最适温度为50°C,最适pH为7.0。在低浓度（1mM）的金属离子环境下,Na⁺、Ni²⁺、Co²⁺、K⁺、Ca²⁺对突变体TcPanD-R38H/K305S有激活作用,高浓度（5mM）的金属离子作用下,激活作用减弱,仅剩下Ni²⁺、Na⁺对突变体TcPanD-R38H/K305S还有明显的激活作用。测定了突变体TcPanD-R38H/K305S的动力学参数,K_m值为1.23 mM,V_max值为7.05 U·mg^-1,酶催化常数K_cat为7.64s^-1,酶催化速率K_cat/K_m为6.21 s^-1·mM^-1。TcPanD的K_m值为1.35 mM,V_max值为2.88 U·mg^-1,K_cat为3.12 s^-1,K_cat/K_m为2.31 s^-1·mM^-1。突变体TcPanD-R38H/K305S表现出更好的底物亲和力以及更高的催化活力。3、以表达突变体TcPanD-R38H/K305S基因的大肠杆菌细胞作为生物催化剂,以L-天冬氨酸为底物,探究了不同催化条件,包括温度、pH、辅酶、金属离子和动力学参数等对β-丙氨酸产量的影响。确定了全细胞催化最适温度为37 ^oC,最适pH为7.0,辅酶磷酸吡哆醛添加量为10μL/mL,底物浓度为50 g/L。在最适催化条件下,β-丙氨酸的产量可达10.89 g/L。最后采用5 L发酵罐诱导培养突变体TcPanD-R38H/K305S,收集的菌体于反应釜中进行全细胞催化反应,反应体系为1L,37 ^oC、pH 7.0以及搅拌速度600 rpm的反应条件下,267 g的底物L-天冬氨酸通过分批补料的方式加入。经过转化,最后得到β-丙氨酸的量为170.53 g,摩尔转化率为95.45%。