综述：极端嗜热木聚糖酶的结构-功能关系及其工业整合，以实现可持续的木寡糖生产

《Bioresource Technology》：Structure-function relationships and industrial integration of extremophilic xylanases for sustainable xylo-oligosaccharide production

　　阿卜杜勒·巴西特（Abdul Basit）| 肖艾布·曼祖尔（Shoaib Manzoor）| 张瑞豪（Ruihao Zhang）| 王家强（Jiaqiang Wang）| 郑凤珍（Fengzhen Zheng）
巴基斯坦张大学微生物学系，邮编35200

**摘要**
传统糖苷水解酶在预处理等严苛条件下的不稳定性阻碍了利用农业废弃物中的木质纤维素生物质进行木糖寡糖的工业化酶法合成。然而，来自嗜热菌、嗜盐菌以及嗜酸/嗜碱菌的极端嗜好型木聚糖酶在高温、极端pH值和高盐度环境下具有内在稳定性。其韧性基于多种分子适应性机制，如离子对网络、疏水核心和表面静电作用。本文系统总结了利用蛋白质工程和合成生物学策略对极端嗜好型木聚糖酶进行改造以生产木糖寡糖的研究进展。同时，技术经济分析和生命周期评估证实，在生物精炼厂背景下，这种生产方式具有更高的可持续性和经济效益。未来仍需进一步努力，以促进极端嗜好型木聚糖酶在可持续生物加工中的商业化应用。

**引言**
木质纤维素生物质是地球上最丰富的可再生碳源，由纤维素（35–50%）、半纤维素（20–35%）和木质素（15–25%）组成（Cooney等人，2017；Ding等人，2025；Liao等人，2024；Teigiserova等人，2021）。高效利用木质纤维素生物质对于发展可持续生物精炼厂至关重要，其中半纤维素可作为燃料、化学品和功能性生物分子的原料（Adetoyinbo等人，2022；Carvalheiro等人，2008；Ding等人，2024；Takkellapati等人，2018）。木糖寡糖（XOS）是一类半纤维素衍生物，因具有益生元作用（如选择性刺激有益肠道微生物群、调节宿主免疫反应及潜在的代谢健康益处）而受到广泛关注（Manicardi等人，2023；Samanta等人，2015）。与菊粉和果糖寡糖等传统益生元相比，XOS具有更好的功效和物理化学稳定性。因此，XOS可被视为快速增长的营养保健品市场中的重要功能性成分（Chen等人，2021；Rahim等人，2021；Suo等人，2015）。据预测，全球益生元市场年复合增长率超过10%，亚太地区（尤其是中国、日本和韩国）在XOS的生产和消费方面处于领先地位，其次是欧洲和北美（Jadhav等人，2023；Valladares-Diestra等人，2023）。

木聚糖的酶解主要依靠内切β-1,4-木聚糖酶（EC 3.2.1.8）实现，这类酶属于GH10和GH11糖苷水解酶家族（Salem等人，2015）。虽然中温微生物木聚糖酶已在食品、饲料及纸浆造纸行业中得到广泛应用，但其在木质纤维素生物工艺中的表现受限于热稳定性不足、pH活性范围窄以及对溶剂或盐分的耐受性差（Biely等人，2016；Collins等人，2005；Sharma等人，2024）。这些限制需要额外的处理步骤，例如冷却高温浆液、中和酸性或碱性水解产物以及脱盐，从而显著增加能源和化学品消耗（Bhatia等人，2012）。相比之下，使用极端嗜好型木聚糖酶生产XOS具有巨大潜力，有望发展成为一种可扩展、可持续且经济可行的工艺。

极端嗜好型木聚糖酶由嗜热菌、嗜盐菌、嗜酸菌和嗜碱菌产生，其内在特性使其能够在极端条件下克服诸多挑战（Ashaolu等人，2025；Li等人，2021）。耐热木聚糖酶在70–90°C下仍具有催化活性，嗜酸/嗜碱木聚糖酶在pH值低于3.0或高于10的条件下有效，而嗜盐木聚糖酶在NaCl浓度超过3 M的盐溶液中仍能保持活性（Mesbah，2022）。这些适应性特征带来了三大优势：无需耗能预处理即可直接使用生物质；在工艺条件下延长酶的半衰期；以及对低聚合度（DP2–DP4）XOS（最具生物活性的部分）的更高选择性（Samanta等人，2015）。这种生化韧性使其适用于多种工业环境，有助于实现可持续生物加工和向循环经济的转型（Aguilar等人，2019；Carus和Dammer，2018）。

分子生物学、蛋白质工程和宏基因组学的最新进展推动了极端嗜好型木聚糖酶的发现与优化（Kumar等人，2013；Li等人，2021）。此外，欧洲食品安全局（Turck等人，2018）和美国食品药品监督管理局的监管批准，以及亚洲主要市场的认可，促进了XOS进入食品和营养保健品主流市场。尽管如此，在实现高产重组酶、创造所需催化性能以及将这些生物催化剂应用于经济可行的工业流程方面仍存在重大挑战。现有文献在具体指导方面存在空白——尽管已记录了极端嗜好型木聚糖酶的多样性和一般特性，但关于特定酶的适应性特征（如热稳定性、最佳pH值和耐盐性）与不同工业应用（如热化学生物精炼、碱性制浆或海洋生物质利用）之间关系的系统化信息匮乏。这种信息缺失阻碍了最佳生物催化剂的选择和工艺设计。

因此，本文系统总结了极端嗜好型木聚糖酶的最新进展，重点探讨其在可持续XOS生产中的应用，比较了它们的催化性能并分析了现代蛋白质工程方法在生物催化剂优化中的作用。最后，提出了加速这些生物催化剂从实验室发现到工业应用的关键研究方向。

**本文的创新之处**
以往综述仅列举了极端嗜好型木聚糖酶的多样性和一般特性，未系统地将这些酶的适应性特征与特定工业应用的参数联系起来，也未将蛋白质工程、合成生物学和技术经济分析整合到一个统一的XOS生物精炼框架中。本文：（1）将酶的适应性特征与特定工业应用相匹配；（2）在统一工业框架内整合蛋白质工程和合成生物学；（3）提供专门的技术经济和生命周期评估；（4）明确了酶发现、结构生物学和工艺放大之间的关键研究空白。

**部分内容摘录**
**极端嗜好型木聚糖酶的微生物来源**
木聚糖酶广泛存在于细菌、古菌和真菌中，表明半纤维素降解在多种生态系统中的重要性。尽管这些酶在食品、饲料及纸浆造纸行业中得到常规应用，但由于其对工业条件的耐受性较低，其商业价值受限（Basit等人，2018；Mendon?a等人，2023；James等人，1996）。极端嗜好型微生物成为潜在的替代来源。

**稳定性的生化与结构决定因素**
木聚糖酶主要归属于糖苷水解酶（GH）家族5、8、10、11和30，其中GH10和GH11酶在结构和催化机制方面研究最为深入（Biely等人，2016；Collins等人，2005；Pa?s等人，2012）。GH10木聚糖酶通常具有（β/α）8桶状结构、较大的活性位点及较高的底物特异性，能够切割取代木聚糖并产生多样化的XOS（DP 3–5）。

**极端嗜好型木聚糖酶的发现**
极端嗜好型木聚糖酶的发现揭示了其在极端物理化学条件下的显著稳定性。蛋白质工程和合成生物学的结合为设计新型生物催化系统提供了工具（Mesbah，2022）。然而，它们的天然性能并不总是最适合工业应用，因此蛋白质工程和合成生物学方法在提升催化效率方面起着关键作用。

**XOS的工业应用与工艺整合**
木聚糖酶应用于食品和营养保健品、纸浆造纸、动物饲料、生物燃料及海洋生物质利用等多个领域。它们的主要功能是将木聚糖水解为可溶性糖和寡糖，但大多数工业过程（如高温、强酸碱环境或抑制剂的使用）限制了中温酶的应用，且需要昂贵的工艺改造（Arya等人，2022；Biely等人）。

**技术经济分析（TEA）**
大规模生产极端嗜好型木聚糖酶用于XOS生产需进行经济可行性评估。XOS生产的商业可行性受三个主要因素影响：预处理、酶解和后续加工。传统中温工艺的XOS生产成本约为8–15美元/千克，而基于极端嗜好型酶的生物工艺在试点阶段的成本约为5–9美元/千克（Kaplan和Springer，2021；Dong等人，2023）。

**未来展望**
对极端嗜好型木聚糖酶的研究不断深入，表明它们有望改变XOS生产流程，但仍有许多挑战和知识空白有待解决才能实现大规模工业化应用。特别是嗜盐和极端嗜好型木聚糖酶的结构和机制数据尚不充分。

**结论**
极端嗜好型木聚糖酶在木糖寡糖的酶法生产中具有革命性潜力，可解决传统中温系统的关键限制。它们在极端温度、pH值和盐度下的内在稳定性使其可直接与预处理流程结合，减少昂贵的工艺调整。活性位点结构有利于生产短链XOS（DP2–DP4），并具有更强的益生元效果。蛋白质工程和合成生物学技术有助于进一步提升其催化效率。