介孔二氧化硅纳米颗粒包裹木聚糖酶：用于制备低聚合度木寡糖的高效平台

《Bioresource Technology》：Mesoporous silica nanoparticles encapsulating xylanase: Efficient platform for low-polymerization-degree xylooligosaccharides preparation

XOS制备通过介孔二氧化硅纳米颗粒固定化纤维素酶实现高效低聚糖生产，显著提升产率至66.90%，产物中X2和X3占比近100%，酶回收率达76.85%并具备优异循环稳定性。

　　

朱学飞|李爱涛|黄曹兴|杜英杰|杨强

中国南京林业大学森林食品资源开发利用国家重点实验室，南京210037

摘要

木寡糖（XOS）是一种可通过酶水解高效生产的益生元寡糖。因此，对酶水解所得寡糖的聚合度（DP）进行定向控制是一个关键的研究方面，因为聚合度较低的寡糖具有更强的生物活性。然而，XOS生产的工业应用受到游离木聚糖酶稳定性低的限制。在这项工作中，制备了介孔二氧化硅纳米颗粒（MSN）用于木聚糖酶的固定化，成功获得了聚合度为2～6的XOS高产率。Xyl@MSN的回收活性为76.85%，其水解后的残余活性比游离酶高出37.7%。此外，使用Xyl@MSN作为催化剂时，木二糖（X2）- 木六糖（X6）产物的转化率达到66.90%，显著高于游离酶（56.03%）。值得注意的是，使用Xyl@MSN作为催化剂的水解产物几乎完全由X2和木三糖（X3）组成。此外，Xyl@MSN具有优异的重复使用性，在经过五次反应循环后仍能保留41%的初始酶活性，半衰期为462.19分钟。总体而言，这项工作不仅实现了酶的重复使用，还生产出了高活性的XOS（其中X2–X3组分接近100%），为木聚糖酶的固定化和XOS的高效生产提供了新的视角和技术。

引言

木寡糖（XOS）是由2到7个木糖单元通过β-1,4糖苷键连接而成的寡糖（Gui等人，2024年）。国际益生菌和益生元协会将XOS定义为一种益生元寡糖，并指出聚合度（DP）越低，其益生元活性越好（Gibson等人，2017年）。由于其出色的热稳定性、保水性、益生元特性、耐盐能力、抗氧化和保湿功能，XOS在食品、饲料、医药、化妆品和农业领域具有非常显著的价值，引起了行业的关注（Amorim等人，2019年；Liu等人，2024a；Liu等人，2024b；Yan等人，2022年；Zhou等人，2021年）。目前，XOS市场在全球范围内持续增长，2022年市场规模达到7100万美元，预计到2032年将达到1.39亿美元（Deng等人，2023年）。与其他益生元相比，XOS在最低剂量（1.4～2.8克/天）下就能发挥高益生元活性，使其在价格上更具竞争力，进一步提升了其工业生产价值（Finegold等人，2014年）。尽管XOS天然存在于竹笋、水果、蔬菜等中，但在实际应用中通常是从木质纤维素材料中通过工业方法制备的（Vázquez等人，2000年）。

木聚糖是生产XOS的原料之一（Fuso等人，2021年；Yang等人，2023年），它是木质纤维素生物质中半纤维素的主要组成单元（Kaushal等人，2022年）。目前，生产XOS的常用方法包括自水解、酸水解、酶水解或它们的组合（Brenelli等人，2020年；Lei等人，2025年；Poletto等人，2020年；Qiu等人，2025年）。自水解生产XOS不需要化学试剂，对环境无污染（Dávila等人，2016年），但会产生不必要的副产物（álvarez等人，2017年；Hidayatullah等人，2021年；Vázquez等人，2000年）。酸水解法得到的XOS分子量分布不确定，且水解程度难以控制（Wang等人，2025年）。此外，大量化学试剂会腐蚀设备并污染环境（Zhang等人，2017年）。酶水解是一种有前景的生产XOS的技术，因为它反应条件温和、副产物少、环境友好且易于控制（Manisha和Yadav，2017年；Zdarta等人，2018年）。然而，木聚糖的酶水解可能导致分解不完全，从而产生较高聚合度的XOS。此外，酶的不稳定性会显著阻碍从木质纤维素生物质中生产XOS的进程（Ahmad等人，2020年；Mostafa等人，2019年）。

固定化酶是一种通过物理或化学方法将游离酶附着在特定载体上的技术（Liu等人，2025年），这是一种提高酶稳定性并实现低成本回收的有效策略（Long等人，2020年；Wu等人，2024年）。它有利于反应物和产物的分离，并能从反应物中回收酶，从而提高酶稳定性并降低工艺成本（Fu等人，2026年）。此外，固定化技术可以提高酶的选择性，减少产物的抑制作用，可能对制备低聚合度的XOS有更好的效果（Bilal和Iqbal，2019年；Mohammadi等人，2019年；Mostafa等人，2019年）。多孔材料因其独特的孔结构、较大的比表面积和优异的吸附性能而被广泛认为是有效的酶固定化载体（Feng等人，2023年）。例如，Gui等人（2024年）提出了一种新的方法，使用Fe₃O₄@PDA@MOF-Xy，显著提高了木聚糖酶的负载能力（80.67毫克/克），XOS产率达到了23%，是游离酶的1.15倍。Kaushal等人（2022年）使用Xy-Cu-BTC MOF固定了木聚糖酶，木四糖（X4）和木糖（X5）的转化率分别达到了11.8%和64.2%，高于游离酶的4.1%和60.57%。介孔二氧化硅纳米颗粒（MSN）的孔径可调，范围为2至50纳米，适合大多数酶分子（通常为3～7纳米）（Kuo等人，2021年），其高稳定性使其成为酶固定化载体的理想选择。因此，使用MSN高效固定木聚糖以生产低聚合度的XOS具有相当大的吸引力和研究意义（Kumar等人，2019年；Mahran等人，2025年）。

在这项工作中，我们提出了一种基于MSN的新平台，用于高效固定木聚糖以生产低聚合度的XOS。与之前报道的固定化木聚糖酶相比，我们的工作不仅显著提高了XOS的产率，还生产出了高活性的XOS（其中X2–X3组分接近100%）（Gui等人，2024年；Kaushal等人，2022年）。如图1A所示，选择介孔二氧化硅纳米颗粒（MSN）作为木聚糖酶（Xyl）的固定化载体，以获得高产率的低聚合度XOS。分析了MSN和固定化酶（Xyl@MSN）的材料性质，如形态和晶体结构，并研究了固定实验条件对木聚糖酶活性的影响。此外，还研究了固定前后酶分子二级结构特征和动力学参数的变化。最后，检测了使用Xyl作为催化剂所得低聚合度木寡糖的实际产率，并进一步验证了其半衰期和催化稳定性。总之，这项工作为木聚糖酶的固定化技术和XOS的高效制备提供了新的视角和技术。

试剂和材料

四乙基正硅酸盐（TEOS）、正丁醇、环己烷、柠檬酸一水合物和尿素均购自北京药科化学试剂有限公司。十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和荧光素异硫氰酸酯（FITC）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。桦木木聚糖购自上海源业生物科技有限公司。木聚糖酶（来自黑曲霉）由江苏康威生物科技有限公司提供。所有试剂均为分析级。

Xyl@MSN的制备和表征

为了清晰描述MSN和xyl@MSN的制备过程，在图1A中提供了一个简洁的流程图。MSN的形成是通过微乳液模板化的连续自组装过程在双连续微乳液系统中实现的（Gustafsson等人，2016年；Jatupaiboon等人，2015年；Kumar等人，2025年；Schacht等人，1996年）。该过程首先使用CTAB自组装构建水包油（W/O）微乳液纳米反应器。

结论

总之，本研究成功合成了具有高比表面积和结构稳定性的介孔二氧化硅纳米颗粒（MSN），并利用吸附法将其用于固定游离木聚糖酶。通过Xyl@MSN催化的木聚糖水解反应中，XOS的产率（约66.90%）和X2 + X3的比例（约100%）均显著高于游离酶。此外，具有良好机械稳定性的Xyl@MSN表现出41.24%的活性。

CRediT作者贡献声明

朱学飞：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法学，研究，数据管理。李爱涛：撰写 – 审稿与编辑，方法学。黄曹兴：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，研究经费获取，概念构思。杜英杰：撰写 – 审稿与编辑，可视化，监督，项目管理，方法学，形式分析，概念构思。杨强：撰写 – 审稿与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点技术研发计划（编号：2023YFD2201904）的支持。