可持续生物催化策略生产木糖酸(Xylonic acid)的创新研究：Zymomonas mobilis GFOR/GL酶系统的优化与应用

本研究针对传统木糖酸生物生产过程中产物选择性低、回收效率差等问题，创新性地利用Zymomonas mobilis的葡萄糖-果糖氧化还原酶(GFOR)/葡萄糖酸-δ-内酯酶(GL)酶系统，通过pH(5.8-7.6)和温度(34-53°C)条件优化，实现了游离酶(90%产率)和固定化酶(89%产率)的高效转化，其固定化催化剂可稳定循环使用5次，为可再生糖类高值化利用提供了可持续解决方案。

　　

在追求绿色化学的时代背景下，木糖酸（xylonic acid）作为具有抗菌、聚酰胺合成和水凝胶制备等多重功能的平台化合物，其生物生产途径却长期面临转化效率低、过程复杂等瓶颈。传统石油基化学合成路线更与全球减碳目标背道而驰。与此同时，作为木质纤维素主要成分之一的木糖（xylose）的高效转化，一直是生物炼制领域亟待突破的技术难点。

来自巴西国家科技发展委员会等机构的研究团队另辟蹊径，聚焦Zymomonas mobilis细菌独特的葡萄糖-果糖氧化还原酶（GFOR）/葡萄糖酸-δ-内酯酶（GL）双酶系统。这个天然"纳米工厂"能在无需外加辅因子的情况下，同步将木糖氧化为木糖酸，并将果糖还原为高附加值产物山梨醇（sorbitol）。研究人员通过系统的条件优化和固定化技术开发，在《Biochemical Engineering Journal》发表了这项兼具科学创新和工业应用价值的研究成果。

关键技术包括：采用Z. mobilis ATCC 29191菌株进行全细胞催化；通过pH(5.8-7.6)和温度(34-53°C)梯度实验确定酶活最优区间；比较海藻酸钙固定化与游离酶的催化效率；建立五轮重复使用的稳定性评估体系。

【结果与讨论】
微生物培养与酶活分析显示，GFOR/GL复合酶在pH 6.8-7.2和47-50°C时展现峰值活性。值得注意的是，实际生物转化实验中发现更温和的条件（pH 6.4，39-43°C）反而能获得更高产率，说明反应平衡调控的重要性。

固定化技术突破：海藻酸钙包埋的细胞在43°C、pH 6.4条件下实现89%木糖酸产率，接近游离酶(90%)水平。其机械强度允许连续5次重复使用而不显著失活，解决了传统游离酶难以回收的痛点。

底物拓展意义：研究证实GFOR能催化多种醛糖（包括木糖、乳糖等）转化为相应有机酸，打破了该酶仅偏好葡萄糖的认知局限。NADP⁺辅酶与酶蛋白的紧密结合特性，使催化过程无需额外添加昂贵辅因子。

【结论与展望】
该研究确立了Z. mobilis GFOR/GL系统作为"一锅法"生物催化平台的三大优势：1）操作简便，直接使用全细胞避免酶纯化成本；2）条件温和，显著降低能耗；3）产物谱系丰富，可衍生乳糖酸（lactobionic acid）等多种高值化合物。

从可持续发展视角，该技术完美呼应联合国SDG 9（产业创新）、12（负责任消费）和13（气候行动）目标。未来通过酶分子改造和过程集成优化，有望建成以农业废弃物为原料的绿色生物制造范式，为化妆品、生物材料等领域提供石油替代方案。特别值得注意的是，研究中发现的pH-温度协同效应为其他氧化还原酶体系的工艺开发提供了重要参考。

（注：所有数据均源自原文，作者包括Jo?o Vitor Faccin Barbosa、Eloane Malvessi等，单位信息保留原文拼写）