综述：微生物代谢工程生产木糖醇的当前趋势与前景

本综述系统梳理了木糖醇生物合成的前沿进展，重点探讨了通过代谢工程策略优化微生物细胞工厂（如细菌、真菌和酵母）以提升木糖醇产量的有效途径。文章强调了利用农业废弃物（LCB）水解获得的木糖作为可持续原料，并指出克服碳分解代谢阻遏（CCR）、平衡辅因子（如NADPH）及增强抑制剂耐受性是未来研究的关键方向。

　　

引言

木糖醇（Xylitol）是一种五碳糖醇，因其低热量和胰岛素非依赖性代谢特性，被视为理想的糖替代品。其名称源于希腊语“Xylo”（意为木材）和词缀“-itol”（代表糖醇）。木糖醇天然存在于植物中，也可由某些真菌和细菌产生。目前工业上主要通过木糖的化学氢化法生产，但该过程能耗高且不环保。微生物发酵作为一种生物替代方案，虽具有环境友好性，但常面临转化效率低和产量有限的问题。

木糖醇生产方法

木糖醇的生产可分为化学法和生物法，两者均以木质纤维素生物质（LCB）为原料。LCB是丰富的可再生资源，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。其中半纤维素水解产生的木糖是木糖醇合成的关键前体。化学法依赖雷尼镍等催化剂在高温高压下氢化木糖，但存在可持续性差和纯化成本高的问题。生物法则包括微生物发酵和酶法转化，后者通过木糖还原酶（XR）近乎完全地将木糖转化为木糖醇，效率显著。

木糖同化途径

微生物对木糖的利用主要依赖两种途径：在真菌和酵母中，木糖通过氧化还原途径由XR（依赖NADPH/NADH）还原为木糖醇，再经木糖脱氢酶（XDH）氧化为木木酮糖；而在细菌中，木糖异构酶（XI）直接将木糖异构化为木木酮糖，后续进入磷酸戊糖途径（PPP）。XR的辅因子偏好（如NADPH）对木糖醇积累至关重要，而XDH的活性抑制可促进木糖醇的富集。

代谢工程策略提升产量

代谢工程通过基因编辑工具（如CRISPR-Cas9）优化微生物的代谢通路，是提高木糖醇产量的核心手段。关键策略包括：

1. 1.
   增强XR表达：过表达内源或异源XR基因（如来自Neurospora crassa的xyl1），提升木糖还原效率。
2. 2.
   抑制竞争途径：敲除XDH基因（如Candida tropicalis中XDH缺失突变体）或木木酮糖激酶（XK）基因，阻断木糖醇进一步代谢。
3. 3.
   辅因子工程：通过过表达葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（zwf）等基因增加NADPH供应，平衡XR所需的还原力。
4. 4.
   转运体优化：引入高效木糖转运体（如CiGXF1），改善底物摄取。
5. 5.
   耐受性增强：利用适应性实验室进化（ALE）或工程化外排泵，提升菌株对水解液抑制剂（如糠醛、乙酸）的耐受性。

工程化微生物案例

• •
  细菌：大肠杆菌（Escherichia coli）工程菌通过破坏xylA/xylB基因和过表达XR，实现了162 g/L的木糖醇产量；谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）突变体在缺氧条件下产量达166 g/L。
• •
  真菌：曲霉（Aspergillus niger）通过缺失ladA、xdhA和sdhA基因，阻断木糖醇分解，提升积累量；木霉（Trichoderma reesei）通过XR过表达和xdh敲除，产量提高至22.8 mM。
• •
  酵母：马克斯克鲁维酵母（Kluyveromyces marxianus）工程菌在42°C下产量达312.05 g/L，展现了高温生产的潜力；毕赤酵母（Pichia pastoris）耦合XR与葡萄糖脱氢酶（GDH）实现NADPH再生，转化效率达80%。

挑战与展望

尽管代谢工程显著提升了木糖醇产量，工业化仍面临瓶颈：LCB预处理产生的抑制剂毒性、微生物底物利用效率低、发酵过程放大稳定性差以及下游纯化成本高。未来研究需聚焦于开发高效水解技术、构建多重耐受菌株、优化混合糖共利用策略，并整合过程工程以降低整体成本。CRISPR-Cas9等先进工具的应用将加速微生物细胞工厂的定制化开发，推动木糖醇生物生产的商业化进程。