《Biomass and Bioenergy》：Enzymatic saccharification of Narl?saray population hemp hurd using recombinant
β-xylanase from
Caldicellulosiruptor acetigenus: A potential approach for biofuel production
编辑推荐：
•生产了重组β-木聚糖酶用于工业大麻秸秆的生物转化。•碱预处理增强了工业大麻秸秆的酶解效果。•经72小时水解后，最大糖化率达到了24.51%。•该工艺支持木质纤维素生物燃料的可持续生产。引言石油、煤炭和天然气等化石燃料在全球范围内被频繁使用，尤其是在交通领域。尽管化石燃料不可
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生产了重组β-木聚糖酶用于工业大麻秸秆的生物转化。
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碱预处理增强了工业大麻秸秆的酶解效果。
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经72小时水解后，最大糖化率达到了24.51%。
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该工艺支持木质纤维素生物燃料的可持续生产。
引言
石油、煤炭和天然气等化石燃料在全球范围内被频繁使用，尤其是在交通领域。尽管化石燃料不可再生，但它们增加了大气中的二氧化碳排放，导致温室气体的产生[1,2]。全球各地不断寻求解决方案，以尽量减少对化石燃料的依赖并改善环境。其中备受强调的解决方案之一是利用废物等可再生资源获得的生物燃料，这类资源在环境中储量无限。生物燃料作为化石能源的可持续和环保替代品，已引起广泛关注。生物燃料极具吸引力，因为它们不会造成酸雨、易于运输、减少大气中的CO2排放，并向环境释放更少的温室气体[[3], [4], [5]]。在生物燃料生产中，含有植物和废物的第二代原料来源被认为具有优势，因为它们占地较少、可随处种植、生长所需维护较少，人们对这些原料的兴趣日益增长[6]。
木质纤维素生物质是一种潜力巨大的资源，因其丰富、廉价且环保[7]。工业大麻生物量产量高，是生物能源生产中有前景的木质纤维素生物质候选材料[8,9]。该植物的高纤维素含量使其特别适合通过生物转化工艺生产生物乙醇和其他生物化学品[10]。工业大麻秸秆的纤维素含量为57-77%、半纤维素为9-14%、木质素为5-9%[11]，而工业大麻木屑的纤维素含量较低（40-48%），半纤维素（18-24%）和木质素（21-24%）含量较高，与秸秆纤维相比[12]。工业大麻相比其他木质纤维素生物质具有高纤维素、高半纤维素和低木质素含量的特点，使其成为生物燃料生产的巨大潜力来源[10,13]。同时，工业大麻的快速生长及其适应各种环境条件的能力使其成为一种更具韧性的植物[14]。
木聚糖是半纤维素的主要成分，是世界上继纤维素之后含量第二丰富的天然多糖[15]。在生物乙醇生产中，已对木质纤维素生物质中含量最丰富的成分——纤维素转化为乙醇进行了研究[16,17]。然而，要最大化乙醇产量，必须将半纤维素的结构转化为乙醇[18]。木聚糖酶通过切割β-1,4-糖苷键催化木聚糖的分解，主要生成木寡糖和木二糖，并伴有少量木糖和阿拉伯糖的产生[19,20]。
与所有木质纤维素生物质一样，对工业大麻麻绳或纤维进行高效的酶解需要预处理步骤[21]。借助预处理，赋予生物质刚性并起屏障作用的木质素从结构中被去除，增加了对纤维素或半纤维素的可达性[22]。
预处理方法包括物理[23]、化学[24]、物理化学[25]和生物[26]方法。尽管大多数预处理方法具有高效的效果，但它们存在抑制剂形成、成本、设备磨损和高能耗等局限性[27]。需要寻找适用于所用木质纤维素生物质的预处理方法，以提高糖的形成量并具有最小的缺点[28]。
Caldicellulosiruptor细菌是革兰氏阳性、发酵型、厌氧菌，能够分解和代谢植物生物质中的复杂多糖，包括纤维素、半纤维素、果胶和淀粉[29]。Caldicellulosiruptor属包括具有木质纤维素降解能力的热ophilic细菌，对于生产生物燃料和生物基化学品的整合生物工艺具有前景[30]。从Caldicellulosiruptor细菌DNA中扩增的基因区域被转化为酶，以水解植物生物质的纤维素和半纤维素结构。对该属中Caldicellulosiruptor acetigenus细菌的研究相当有限。本研究重点在于在Escherichia coli BL21 (DE3)中克隆和表达来自Caldicellulosiruptor acetigenus的β-木聚糖酶基因，然后对重组酶进行生化表征，并评估其利用碱预处理工业大麻秸秆的糖化潜力。特别关注利用工业大麻生物质的半纤维素组分，因为这在木质纤维素生物精炼厂中代表着可发酵糖的重要来源。
章节片段
材料
研究中使用的引物由荷兰Macrogen Europe通过土耳其托卡特省的Alternatif Medikal T?bbi Cihaz ve Laboratuvar Malzemeleri合成。本研究使用的试剂盒、试剂和设备包括：Hibrigen的PCR克隆试剂盒、Hibrigen的质粒分离试剂盒（50p）、NEB的限制性内切酶、Thermo Scientific的T4 DNA连接酶、Gene Bio Systems的DNA分子量标记（1 kb）、Affinity Biosciences的蛋白质分子量标记（范围10–250 kDa），以及BeyoMag? TED-Ni磁性琼脂糖
将β-木聚糖酶基因连接到pET-28a(+)载体
测得所获得的Caldicellulosiruptor acetigenus基因组DNA浓度约为60 ng μL?1。然后使用针对目标基因的特异性引物通过PCR扩增β-木聚糖酶基因。通过琼脂糖凝胶电泳获得了约1224 bp的条带，并使用Hibrigen PCR纯化试剂盒纯化PCR产物。在纯化后的扩增产物和pET-28a(+)载体分别用NcoI和HindIII限制性内切酶进行酶切后，进行连接
讨论
木质纤维素生物质，尤其是作为农业废物使用的工业大麻秸秆，随着全球对可再生能源需求的增长，作为可持续生物燃料生产具有战略意义的重要原料，引起了研究人员的关注。本研究利用E. coli宿主从Caldicellulosiruptor acetigenus中获得了高表达量的重组β-木聚糖酶，以提高工业大麻秸秆的生物转化潜力。为此，
结论
从耗尽的化石燃料向可持续可再生能源的转变，突显了在生物精炼框架内评估木质纤维素生物质的关键重要性。本研究成功展示了来自Caldicellulosiruptor acetigenus的一种新型嗜热GH10 β-木聚糖酶的克隆、异源表达、高水平纯化、结构洞察和功能表征，以及其在工业大麻酶糖化中的应用
CRediT作者贡献声明
?zgenur Di?n?er ?ahan：撰写——初稿撰写、资源、调查、数据管理、概念构思。Ahmet Karada?：撰写——审阅与编辑、监督、资源、方法论、概念构思。Muhammad Nauman Aftab：撰写——审阅与编辑、监督、概念构思。
资金
本研究由约兹加特博佐克大学科学研究项目协调单位（项目编号 FDK-2024-1329）和布尔萨乌拉尔大学科学研究项目协调单位（项目编号 FGA-2025-2440）资助。
致谢
作者衷心感谢约兹加特博佐克大学科学研究项目协调单位（项目编号 FDK-2024-1329）和布尔萨乌拉尔大学科学研究项目协调单位（项目编号 FGA-2025-2440）提供的财政和机构支持。他们的支持对成功完成本研究做出了重要贡献。
?zgenur Di?n?er ?ahan | Ahmet Karada? | Muhammad Nauman Aftab
