《Enzyme and Microbial Technology》：Microbial Lipases: Catalyzing Sustainable Solutions for Industrial Innovations
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微生物脂酶作为多功能生物催化剂，在多个工业领域展现生态友好和成本优势，其来源、筛选及工程化技术成为研究热点，并针对极端环境微生物和定制化酶进行开发，同时探讨其在生物燃料、食品加工、医药等领域的应用潜力及产业化挑战。
普里娅·苏塔奥尼（Priya Sutaoney）| 普里扬巴达·辛格（Priyambada Singh）| 希尔帕·马拉卡尔（Shilpa Malakar）| 莱巴·阿尔希（Laiba Arshi）| 普拉比尔·戈什（Prabir Ghosh）
印度恰蒂斯加尔邦赖布尔市拉维尚卡尔·舒克拉大学（Pt. Ravishankar Shukla University）生命科学研究学院 – 492010
摘要
微生物脂肪酶是一种多功能的生物催化剂，在各个行业中发挥着关键作用，同时具备环保和成本效益。在大规模应用中，来自细菌、真菌和酵母的脂肪酶由于其广泛的底物特异性、催化效率和在物理化学条件下的稳定性，表现优于植物和动物来源的脂肪酶。本文综述了微生物脂肪酶研究的最新进展，包括来源、筛选技术、检测方法、生产方法、纯化策略以及生化特性。控制脂肪酶功能的结构和机制要素（如盖子结构域、界面激活和催化三联体）受到了特别关注，因为它们都影响着酶的稳定性、特异性和工业性能。对Bacillus、Achromobacter、Alcaligenes、Arthrobacter、Pseudomonas和Penicillium等菌株中的脂肪酶生产进行了大规模筛选。此外，还强调了合成生物学、宏基因组学、CRISPR–Cas技术、酶工程和人工智能辅助建模的结合，作为一种革命性策略，用于识别和定制具有所需特性的脂肪酶，包括极端环境微生物和应用特定变体。该综述还强调了微生物脂肪酶在生物燃料、食品饮料、洗涤剂、纺织、皮革、制药和医疗行业的日益增长的应用，以及它们对开发经济可行且生态安全的生物工艺的贡献。总体而言，微生物脂肪酶是推动可持续工业创新和绿色化学发展的重要生物技术工具。
引言
三酰甘油酰基水解酶（即脂肪酶，EC 3.1.1.3）是一类能够在有机-水界面将甘油三酯水解为甘油二酯、甘油单酯、甘油和游离脂肪酸的酶[1]。此外，在非水性和微水环境中，它们还能催化多种反应，如酯化、醇解、酸解和转酯化[2]。脂肪酶是商业化程度第三高的酶，占全球酶市场的约25%。由于其在数十亿美元规模的未充分利用的脂质技术生物产业中的支持作用，脂肪酶已成为最重要的生物催化剂之一[3]。自20世纪80年代以来，随着微生物来源酶的克隆和表达技术的巨大进步，以及人们对具有独特和专门特性的生物催化剂（如温度、pH值、稳定性和特异性）的需求增加，越来越多的脂肪酶被开发出来[4]。与植物和动物来源的脂肪酶相比，微生物脂肪酶更受青睐，这促进了市场增长。预计在食品加工领域，它们的应用将显著提升需求。此外，在预测期内，清洁剂行业将成为微生物脂肪酶市场的主导领域[5]。
尽管微生物脂肪酶具有多种用途，但在工业中的大规模应用仍面临诸多瓶颈。主要限制在于许多天然酶在恶劣工业条件（如极端pH值、高温、有机溶剂）下的不稳定性，这会降低酶的寿命和性能[6]、[7]。此外，酶的生产和下游加工成本较高，这也是大多数应用中经济可行性的障碍[8]。这些问题需要通过基于先进科学的方法来解决。虽然微生物脂肪酶因其广泛的pH值和温度敏感性、底物特异性、高产物产率和易于基因操作而受到青睐[9]，但要实现最佳性能仍需采用最先进的技术。基因工程技术的发展使得关于脂肪酶基因转录、蛋白质结构与活性及其分子病理学的更全面和详细的研究报告得以发表[7]、[10]。然而，目前仍缺乏一个统一的、具有前瞻性的概述，以填补在微生物来源发现、新型生产和工程方法（如CRISPR–Cas和机器学习）方面的空白，以及如何直接将这些技术应用于工业领域的问题[11]。
因此，本综述将描述当前微生物脂肪酶研究中的空白，并重点探讨如何填补这些空白。我们将研究其主要微生物来源和表达途径，列出物理和化学因素对生产的影响，并总结其在工业和商业应用方面的最新发现。最重要的是，我们将回顾脂肪酶工程领域的最新进展，如固定化方法、定向进化、CRISPR–Cas系统以及基于人工智能的设计，这些方法直接解决了稳定性、特异性和成本效益生产方面的主要问题[12]。通过这项详细研究，希望能够展示微生物脂肪酶作为可持续催化剂的科学和实际重要性，并为实验室工作和工业应用的创新指明方向，以满足未来生物柴油、食品饮料、皮革、纺织、洗涤剂、制药和医疗行业的需求。
历史背景
克劳德·伯纳德（Claude Bernard）于1856年首次在胰液中鉴定出脂肪酶作为一种酶。脂肪酶能将不溶性油滴水解为可溶性分子[13]。随后，在1901年，人们发现Bacillus prodigiosus、B. pyocyaneus和B. fluorescens细菌也能产生脂肪酶[14]。目前，Serratia marcescens、Pseudomonas aeruginosa和Pseudomonas fluorescens细菌能够大规模生产脂肪酶。1994年，Aspergillus oryzae也表达了脂肪酶
脂肪酶的微生物来源
微生物脂肪酶主要来源于细菌和真菌，是有机化学和生物技术领域最常用的酶类。自然存在于适宜的环境中（如南极洲、死海（以色列）、温泉、碱性湖泊、火山口和封闭土壤），这些环境中含有适应性更强且微生物资源丰富的微生物。这些条件为生产脂肪酶提供了巨大潜力影响脂肪酶生产的因素
大多数微生物脂肪酶是胞外的，在理想发酵条件下，当脂肪分解微生物利用培养基成分并在适当的诱导底物存在下时，它们会被分泌到培养基中[62]、[63]。此外，根据底物类型、发酵技术和微生物菌株的选择，这些生物催化剂的产量会有所不同[64]。在指数生长后期或稳定生长阶段，微生物脂肪酶的生产持续时间会有所变化脂肪酶检测方法
已经开发出多种方法来检测微生物是否产生脂肪酶。这些方法要么使用所研究的微生物菌株，要么评估粗制或纯化酶的活性。以下是几种用于测量脂肪分解活性或检测微生物脂肪酶产生的方法的详细讨论：脂肪酶的生化特性
对微生物脂肪酶进行生化表征的过程包括使用色谱方法分离产生脂肪酶的微生物菌株并对其进行纯化。大多数微生物脂肪酶是球状酶，具有不同的分子量。研究表明，它们的分子量在16到90 kDa之间。例如，Serratia marcescens产生的脂肪酶A的分子量为64.9 kDa，而Bacillus subtilis产生的脂肪酶的分子量相对较低脂肪酶工程的最新进展
脂肪酶是生物燃料和制药行业的重要酶类，其发现和工程化得益于宏基因组学挖掘、下一代测序（NGS）、CRISPR–Cas系统、理性蛋白质设计（AL/ML）以及协同方法（NGS + 定向进化）等先进技术[111]。微生物脂肪酶的工业应用
微生物脂肪酶的多功能性、大规模生产的便利性及其底物特异性使其成为工业应用中不可或缺的酶。总体而言，细菌和真菌来源的脂肪酶比动物或植物来源的脂肪酶更耐受较高的温度和压力，因为在常温条件下的稳定性和活性更强[119]。它们被广泛应用于食品、洗涤剂、药品、皮革、纺织、化妆品和造纸等行业脂肪酶市场趋势：工业需求和创新洞察
由于工业对可持续解决方案和绿色化学的需求，全球脂肪酶市场正在快速增长。这种增长并不均匀，不同地区受到监管结构、经济发展和消费模式的影响挑战与展望
尽管微生物脂肪酶具有出色的多功能性，但其大规模应用仍受到历史技术瓶颈的阻碍[6]。主要问题包括在恶劣工业环境（如极端pH值、高温和有机溶剂存在）下的操作稳定性不足，这可能导致酶快速失活和加工成本增加[6]、[7]。此外，高产量和低成本生产仍然具有挑战性结论
总之，微生物脂肪酶是现代工业生物技术的另一个基础，其在众多应用中的独特功能和高效性得到了充分讨论。本文详细探讨了它们的生化特性、生产方式、微生物来源及其在洗涤剂、食品加工、生物柴油生产和制药等领域的广泛应用。脂肪酶研究的前景十分广阔，未来充满潜力CRediT作者贡献声明
普里娅·苏塔奥尼（Priya Sutaoney）：项目管理、概念构思。普拉比尔·戈什（Prabir Ghosh）：撰写——审稿与编辑、监督。莱巴·阿尔希（Laiba Arshi）：撰写——初稿、验证。希尔帕·马拉卡尔（Shilpa Malakar）：撰写——初稿、方法论。普里扬巴达·辛格（Priyambada Singh）：项目管理、研究。
