将少孢根霉菌（Rhizopus oligosporus）的分生孢子包裹在硅胶微珠中，以提高其在外源菊粉酶生产过程中的稳定性

《International Journal of Food Properties》：Entrapment of Rhizopus oligosporus conidiospores in silica-gel microbeads for stability in exo-inulinase production

本研究通过UV辐射和亚硝酸钠处理优化了Rhizopus oligosporus突变株的产酶能力，利用硅胶微球固定化技术提高外源木糖酶活性达0.743±0.12 U/ml，较游离酶提升28.3%。HPLC检测显示3%底物浓度时果糖得率达78%，TLC分析证实外源酶具有高效选择性水解β-2,1-糖苷键特性。FTIR和XRD表征显示固定化后酶分子与硅胶基质形成稳定结合，SEM图像证实酶-载体界面形成有序结晶结构。该技术为绿色生物制造果糖糖浆提供了新策略。

　　这项研究聚焦于通过固态发酵方法优化一种Rhizopus oligosporus突变菌株在硅胶微球中的包埋，以提高其胞外木糖苷酶的产量。该研究采用了压泥作为培养基，旨在探索在工业应用中更高效地生产果糖的方法。研究结果表明，突变菌株在特定条件下表现出比野生菌株更高的酶活性和果糖产量，这为生物催化技术在食品、制药及其他相关领域的应用提供了新的可能性。

酶作为自然界中不可或缺的催化剂，在降低化学反应的活化能方面发挥着重要作用。它们的特性，如底物特异性、在温和条件下高效工作以及可生物降解，使其在多个工业领域中具有广泛的应用价值。在这些应用中，木糖苷酶因其能将木糖分解为可发酵的糖分而备受关注。木糖是一种植物来源的多糖，主要由β-2,1连接的D-果糖单元组成，其还原端含有葡萄糖残基。这种多糖因其成本效益而成为生产果糖糖浆、乙醇发酵和低聚果糖合成的重要原料。

在工业应用中，固态发酵方法相较于液态发酵具有明显优势。首先，固态发酵通常使用成本较低的农业副产品作为培养基，如甘蔗渣、小麦麸皮等，这不仅降低了生产成本，也减少了对环境的影响。其次，固态发酵过程的能耗较低，生产效率较高，同时产生的废水较少，有利于实现绿色化学的生产目标。因此，该方法在实际应用中具有较高的可行性。

为了进一步提高木糖苷酶的产量，研究团队采用了多种策略，包括诱变和酶的固定化。诱变技术通过紫外线、X射线或γ射线等手段对微生物细胞进行处理，从而诱导其发生生物化学和结构上的变化，最终提升酶的性能。固定化技术则通过将酶包埋在特定的载体中，如硅胶微球，使其在反应体系中保持稳定并可重复使用。这种技术不仅提高了酶的利用率，还增强了其在恶劣环境下的耐受性，使得酶在工业生产中的应用更加广泛。

在本研究中，通过固定化技术，突变菌株的木糖苷酶活性显著提高。当使用1000毫克硅胶微球、1.25毫升酶浓度以及20分钟的包埋时间时，突变菌株的酶活性达到0.743±0.12 U/ml，远高于野生菌株的0.579±0.21 U/ml。这一结果表明，硅胶微球作为固定化载体，能够有效提升酶的稳定性和活性。此外，当木糖浓度为3%时，突变菌株能够实现高达78%的果糖产量，这进一步验证了其在工业生产中的潜力。

为了全面评估木糖苷酶的性能，研究团队采用了多种分析技术。紫外-可见光谱分析显示，突变菌株和固定化酶在522.08014纳米处有共同的吸收峰，这可能与酶结构中的某些功能基团有关。然而，固定化后的酶吸收峰出现红移，说明其微观环境和三维结构发生了变化，这种变化可能有助于提高酶的稳定性。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析进一步揭示了酶固定化过程中化学键的变化，如C-H弯曲、C=O伸缩振动和O-H伸缩振动的位移，表明固定化过程对酶的功能基团和结构特性产生了影响。

X射线衍射（XRD）分析则提供了关于酶固定化后结构变化的进一步证据。研究发现，固定化后的木糖苷酶表现出主要的非晶态特征，这与蛋白质的结构特性相符。非晶态结构通常意味着酶在固定化后能够保持较高的分散性和稳定性，这对于工业应用至关重要。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）观察到固定化酶与硅胶微球之间的良好结合，进一步证明了固定化过程的有效性。

粒径分布和Zeta电位分析也揭示了固定化酶的物理特性。研究发现，固定化酶的粒径分布较为集中，主要峰出现在77.8纳米左右，表明其在悬浮液中具有良好的分散性。Zeta电位的测定结果显示，固定化酶的表面电荷为负，这有助于防止颗粒之间的聚集，从而保持其在反应体系中的活性。同时，较低的电导率也表明固定化酶系统具有较高的稳定性，这对于实际应用中的酶回收和再利用具有重要意义。

在实际应用中，该研究还通过薄层色谱法（TLC）和高效液相色谱-紫外检测法（HPLC-UV）分析了果糖的产量。TLC结果显示，3%和4%的木糖浓度能够产生清晰的果糖斑点，表明酶在这些条件下对木糖的水解效率较高。HPLC-UV分析进一步确认了果糖的高产量，其中果糖的保留时间约为3.392分钟，占总面积的88.61%，显示出该酶在水解过程中能够高效地将木糖转化为果糖，且副产物较少。这一特性对于需要高纯度果糖的工业应用尤为重要。

通过这些研究，团队不仅验证了突变菌株在木糖苷酶生产中的优越性，还展示了固定化技术在提升酶性能方面的有效性。研究结果表明，固定化后的木糖苷酶在工业生产中具有更高的稳定性和活性，能够有效提高果糖的产量。此外，该研究还强调了突变和固定化技术在生物催化领域的应用前景，为未来的研究和工业实践提供了重要的参考。

综上所述，这项研究通过优化固态发酵条件和采用固定化技术，成功提升了Rhizopus oligosporus突变菌株的木糖苷酶活性和果糖产量。研究结果不仅为工业生产提供了新的思路，也进一步推动了生物催化技术的发展。未来的研究可以进一步探索如何扩大生产规模，并优化固定化参数，以实现更高效的果糖生产。此外，该研究还强调了突变和固定化技术在生物技术领域的广泛应用潜力，为相关行业的可持续发展提供了技术支持。