高效木聚糖酶平台：农业废弃物制备低聚木糖(XOS)的绿色生物炼制策略

本研究针对农业废弃物资源化利用难题，开发了基于毕赤酵母表达系统的高效木聚糖酶(tXyn2)生产平台。通过基因工程改造和发酵工艺优化，实现酶产量10.2 g/L的突破，结合碱性预处理工艺使玉米芯和棉籽壳的XOS得率分别达65.3%和77.5%，酶成本降至50美元/吨XOS。创新性发现XOS的叶面施用可使黄瓜幼苗光合效率提升51.4%，根生物量增加60.3%，为功能性低聚糖的农业应用开辟新途径。

　　

研究背景
全球每年产生1815亿吨木质纤维素生物质(LCB)，但利用率不足5%，造成巨大的资源浪费。这些农业废弃物中20%-30%的半纤维素是制备功能性低聚木糖(XOS)的理想原料。XOS不仅具有调节肠道菌群、改善脂代谢等健康功效，最新研究还发现其能促进植物生长。然而现有XOS生产工艺面临两大瓶颈：化学法易产生有害副产物，而酶解法受限于木聚糖酶的生产成本和催化效率。

技术方法
南京农业大学团队通过基因工程改造毕赤酵母，优化表达载体并共表达分子伴侣，在5-L生物反应器中实现里氏木霉来源的耐热木聚糖酶(tXyn2)10.2 g/L的高效分泌表达。采用碱性预处理玉米芯和棉籽壳，优化酶解工艺参数，通过超滤-纳滤纯化XOS，并系统评估其对黄瓜幼苗的促生长效应。

研究结果

Characterization of tXyn2
tXyn2在pH 5.0-6.0保持85%以上活性，70°C半衰期比野生型延长3.2倍。N-糖基化修饰使其对木质素的吸附力降低43%，显著提升酶解效率。

XOS生产工艺优化
碱性预处理后酶解玉米芯和棉籽壳，XOS得率分别达65.3%和77.5%，酶成本控制在50美元/吨XOS。膜纯化的XOS主要含DP2-DP5组分。

农业应用验证
叶面喷施XOS使黄瓜幼苗光合效率提升51.4%，根部生长素(IAA)含量增加45.6%，株高和根生物量分别增长32.9%和60.3%，证实XOS可作为新型植物生长刺激剂。

结论与意义
该研究构建了目前报道最高的里氏木霉木聚糖酶分泌表达系统，开发出具有商业化潜力的XOS生产工艺。创新性发现XOS通过调控植物激素通路促进作物生长，为农业废弃物高值化利用提供了"酶制剂生产-底物预处理-产品应用"的全链条解决方案，对发展绿色农业和循环经济具有重要实践价值。论文发表于《Bioresource Technology》，研究成果得到国家自然科学基金(U24A20627等)支持。