利用Ucsense青霉菌产生的木聚糖酶从不同生物质中提取木寡糖，及其对凝结芽孢杆菌的益生作用

《Bioactive Carbohydrates and Dietary Fibre》：Obtention of xylooligosaccharides from different biomasses mediated by xylanases from Penicillium ucsense and their prebiotic effect on Bacillus coagulans

　　摘要：本研究利用不同植物生物质——象草、玉米秸秆和甘蔗渣——在固态培养和 submerged培养条件下，通过Penicillium ucsense生产木聚糖酶，以将木聚糖水解为木寡糖。随后通过检测这些木寡糖对益生菌Bacillus coagulans的生长及代谢活性的促进作用，以及由此产生的乳酸量，来评估其作为益生元的潜力。在两种培养条件下，未经处理或经130℃预处理的象草培养基中木聚糖酶产量最高，固态培养条件下可达1730.65 U/g，submerged培养条件下可达5899 U/g。这些木聚糖酶能有效从生物质中释放出木寡糖，6小时水解后以X3和X4型为主。在最佳木寡糖生产条件下，质量平衡分析表明每吨甘蔗渣可产出136公斤的X2–X6型木寡糖。发酵实验结果显示，富含木寡糖的水解液能显著促进B. coagulans的生长，为其提供碳源，进而推动微生物增殖并增加乳酸产量，从而证实了从木质纤维素残渣中获得的木寡糖的益生元潜力。

引言：木质纤维素生物质是地球上最丰富的天然生物质，每年产量约为1815亿吨。其中约82亿吨被实际利用，70亿吨来自林业，12亿吨来自农业废弃物（Mujtaba等人，2023）。如此庞大的储量为推动循环经济以及解决第一代乙醇生产所带来的粮食与燃料矛盾问题提供了可能（Rodionova等人，2022；Xue等人，2025）。从结构上看，木质纤维素生物质是一种复杂的混合物，其中纤维素、半纤维素、木质素、提取物、灰分和蛋白质的比例因原料不同而有所差异。正是这种组成使其成为一种多功能原料，被广泛用于生物燃料、酶、生物肥料和生物聚合物的生产中（Ashokkumar等人，2022；Saravanan等人，2022）。

生物质预处理是提高其可消化性、生物相容性以及生物转化效率、进而生产出高附加值产品的重要步骤。预处理的主要目的包括提取半纤维素成分、破坏木质素结构以及便于获取纤维素纤维（Velvizhi等人，2022；Zhao等人，2022；Zhao等人，2022）。在此过程中，丝状真菌在有机材料的生物降解中起着关键作用，它们以其能够高效且安全地大量产生酶而闻名。Trichoderma、Penicillium和Aspergillus等属的真菌常被用于酶的生产，可通过固态培养或submerged培养方式进行培育。酶的产量受培养方法、pH值、营养来源、培养时间和温度等因素的影响。这类真菌酶在食品、造纸、生物能源和皮革加工等多个领域都有广泛应用（Dong等人，2019；Sajith等人，2016；W?sten，2019）。

在这些酶中，木聚糖酶因其能将半纤维素水解为木寡糖而备受关注。木寡糖是由D-木糖通过β-1,4-糖苷键连接而成的寡聚体，其聚合度通常在2到12之间。木寡糖天然存在于水果、牛奶、竹笋和蜂蜜中，也可通过木质纤维素生物质的自动水解、酸水解、碱水解或酶水解等方法进行工业化生产。自动水解需要高温反应器，且提取效率高；而酸水解则需使用糠醛和羟甲基糠醛等有毒试剂，会带来环境问题。相比之下，酶水解被认为是一种环保且高效的替代方法（Kaur等人，2024；Samanta等人，2015；Yan等人，2022）。

木聚糖酶因其在将木质纤维素生物质转化为生物燃料、动物饲料和高价值化合物方面的生物技术应用潜力而受到广泛研究。已有研究表明，Bacillus、Streptomyces和Paenibacillus等细菌属也能产生木聚糖酶。不过，细菌产生的木聚糖酶在工业应用中往往存在稳定性较差或活性要求苛刻等问题。而丝状真菌，尤其是Penicillium属的真菌，在产生具有高催化活性且在较宽pH值和温度范围内都具有稳定性的胞外酶方面表现更为出色。尽管Penicillium ucsense尚未得到充分研究，但其酶学特性十分可观。该菌能够在农业工业废弃物上生长，并在submerged培养条件下产生木聚糖酶，这为酶的生产提供了一种成本低廉且可持续的途径（Méndez-Líter等人，2021；Srinivasan等人，2020；Vaishnav等人，2018）。

木聚糖酶是一类参与木聚糖水解的酶，根据其作用机制可分为内切木聚糖酶和β-木糖苷酶。内切木聚糖酶（EC 3.2.1.8）会随机切断木聚糖主链内部的β-1,4-木糖苷键，从而生成聚合度不同的木寡糖。而β-木糖苷酶（EC 3.2.1.37）则作用于木寡糖的非还原端，释放出木糖单元。这两种酶的协同作用对于高效分解木聚糖至关重要，但过强的β-木糖苷酶活性可能会导致木糖生成过多，而这在以生产木寡糖为目标时往往是不可取的（Juturu & Wu，2012；Phuyal等人，2023；Polizeli等人，2005；Subramaniyan & Prema，2002）。

本研究探讨了Penicillium ucsense作为新型木聚糖酶生产菌的潜力。尽管该菌目前研究尚少，但它能够高效地在农业工业废弃物上生长，并且无需高度精制的底物即可在submerged培养条件下产生木聚糖酶。这些特性为提升工艺的稳定性、降低成本以及实现可持续发展带来了明显优势，使得Penicillium ucsense成为推动绿色且具经济效益的生物技术应用的一种极具前景的木聚糖酶生产菌（Costa等人，2021；Srinivasan等人，2020）。

近期文献显示，由于木寡糖具有低热量、高稳定性以及抗消化等功能特性，市场对其的商业兴趣日益浓厚（Capetti等人，2021；Liu等人，2024；Yoo等人，2024）。木寡糖还具有多种生物活性，包括免疫调节作用（Han Chen等人，2012）、抗菌作用（Christakopoulos等人，2003）以及抗癌作用（Gupta等人，2018）。此外，木寡糖还被归类为益生元——即那些无法被消化，但能够通过选择性刺激有益肠道微生物的生长和活性而对人体产生益处的食物成分（Keung等人，2025；Martín & Langella，2019；Palaniappan等人，2021；Samanta等人，2015）。Nogueira-Prieto等人（2025）认为，益生元指的是那些聚合度较低、由2到20个无水糖单元组成的无法被消化的碳水化合物，其中聚合度为2 - 6的益生元具有最强的益生元潜力。

作为益生元，木寡糖能够支持Lactobacillus、Bifidobacterium、Enterococcus和Bacillus等益生菌的代谢和增殖，而这些益生菌因其健康促进作用而广为人知（FAO/WHO，2006；Banwo等人，2021；Cheng & Xing，2023；Wu等人，2022）。其中，Bacillus coagulans是一种具有益生菌特性且耐热的产孢细菌。它最初是从变质的牛奶中分离出来的，1933年被归类为Lactobacillus sporogenes，后来又被重新分类为B. coagulans。目前，美国食品药品监督管理局和欧洲食品安全局均认定该菌株可安全用于人类食用（GRAS）（Konuray & Erginkaya，2018；Saroj & Gupta，2020）。需要指出的是，“命名法规中的原核生物名称列表”中将Heyndrickxia coagulans列为最新的名称组合，同时还将Weizmannia coagulans和Bacillus coagulans列为相关的同型异名。美国国家生物技术信息中心也根据2023年的基因组重新分类结果，将该物种列为Heyndrickxia coagulans（Narsing等人，2023）。

2020年，全球木寡糖市场的价值为7262万美元，预计在2019年至2024年间将以7.57%的年均速度增长（Yan等人，2022）。与此同时，由于人们对功能性食品和有益肠道健康的微生物越来越感兴趣，2018年全球益生菌市场的规模已达到488亿美元（Manzoor等人，2022）。

本研究旨在评估Penicillium ucsense S1M29在固态培养和submerged培养条件下生产酶的潜力，重点关注木聚糖酶的生成情况。随后，这些酶被用来降解市售木寡糖，以及水解从甘蔗渣中提取的木聚糖，目标是生产聚合度在2到6之间的木寡糖，以此展示这些木寡糖作为益生元的潜在应用价值。

部分内容摘录：
微生物：用于酶生产的菌株为Penicillium ucsense的S1M29株。这是通过2HH株进行诱变处理后获得的突变株（Dillon等人，2011）。该野生型菌株保存在荷兰乌得勒支的Westerdijk真菌多样性研究所的CBS培养物收藏库中，编号为CBS 146492；同时也保存在巴西里约热内卢的奥斯瓦尔多·克鲁兹基金会的丝状真菌培养物收藏库中，编号为IOC 4717。
生物质预处理：象草、玉米秸秆和甘蔗渣经过了不同的预处理——要么进行15或30分钟的自动水解，要么用蒸馏水冲洗。这些预处理的主要目的是破坏细胞壁结构，提高半纤维素的可提取性，进而促进木聚糖酶的产生。原始生物质和预处理后生物质的化学成分，以及相应预处理液的成分分别见表1和表2。

结论：本研究表明，Penicillium ucsense具有成为高效半纤维素水解酶生产菌的巨大潜力，能够利用多种木质纤维素生物质生产木寡糖。Penicillium ucsense S1M29在固态培养和submerged培养条件下产生的木聚糖酶都能高效地水解不同的底物，象草、玉米秸秆和甘蔗渣都被证明是诱导酶产生的有效碳源。培养策略、生物质类型以及预处理强度都会影响酶的产生效果。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本研究结果的利益冲突。

作者贡献说明：
Willian Daniel Hahn Schneider：撰写——审阅与编辑、可视化、方法学、研究实施、概念构思。
Marli Camassola：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、项目管理、研究实施、资金获取、概念构思。
Paula Cavion Costa：撰写——初稿撰写、验证、资源协调、方法学、正式分析。
Roselei Claudete Fontana：可视化、验证、方法学、研究实施。
Thiago Barcellos：撰写——审阅与编辑。

未引用参考文献：Chen等人，2012；Moreira and Filho，2016；Narsing Rao等人，2023；Zhao等人，2022。

利益冲突声明：? 作者声明自己不存在任何已知的、可能影响本文研究结果的财务利益关系或个人关系。

致谢：作者感谢卡希亚斯杜苏尔大学、巴西高等教育人员发展协调委员会提供的奖学金支持，以及南里奥格兰德州研究基金会项目19/2551-0000648-9的资助。

Paula Cavion Costa | Roselei Claudete Fontana | Thiago Barcellos | Willian Daniel Hahn Schneider | Marli Camassola
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