《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Thermostable xylanase from Chenopodium album: kinetic–thermodynamic profiling and stabilization for industrial saccharification
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从沙漠植物Chenopodium album种子中成功分离纯化了一种新型耐热纤维素酶，分子量约48kDa，在50℃和pH5.0条件下保持85%活性，动力学参数显示高催化效率（kcat/Km=105.8 s?1mM?1），热力学分析表明其结构稳定性随温度升高增强，山梨醇处理可将变性活化能降低52.4%（从48.8降至25.4 kcal/mol）。该酶在纸浆漂白中表现出显著应用潜力，其热稳定性与催化效率的协同作用为环保型工业生物催化提供了新思路。
Khalil ur Rahman | Omar K. Alduaij | Karma M Albalawi | Mohammed Alissa | Abdullah Alghamdi | Suad A. Alghamdi | Ghfren S. Aloraini | Abdulkarim S. Binshaya | Mohammed E. Eissa | Ehab A. Abdelrahman
巴基斯坦德拉伊斯梅尔汗戈马尔大学化学科学研究所，邮编29111
摘要
从
Chenopodium album中提取并纯化了一种热稳定的木聚糖酶，并对其催化效率和热稳定性进行了表征。该酶的分子量为约48 kDa，在50°C和pH 5.0的条件下经过2小时后仍保留了85%的活性。动力学分析显示，其
Km值较低（0.26 mM），
Vmax值较高（33 μmol min?
1 mg?
1），催化效率（kcat/
Km）为105.8 s?
1 mM?
1，这些数据共同表明该酶具有很强的底物亲和力和高效的催化转化能力。热力学评估显示ΔH°和ΔG°随温度升高而降低，而负的ΔS°值表明在热失活过程中其构象稳定性得到增强。山梨醇处理显著提高了其热稳定性，使变性活化能从48.8 kcal mol?
1降低到25.4 kcal mol?
1。总体而言，催化效率、热稳定性和结构韧性之间的强相关性支持了这种木聚糖酶的工业应用价值，这一点通过纸浆生物漂白实验得到了验证，同时其生化特性和热力学特性也暗示了其他潜在的工业应用前景。
引言
内切型木聚糖酶（EC 3.2.1.8）能够水解木聚糖中的β-1,4-糖苷键，而木聚糖是植物细胞壁中的主要半纤维素多糖。由于木聚糖酶在生物质分解中的关键作用，它被广泛应用于纸浆漂白、食品和饮料加工以及动物饲料改良等领域[1][2]。酶的热稳定性和特异性对其催化效果至关重要，尤其是在苛刻的工业环境中[3]。由于热稳定型木聚糖酶能够在高温下存活，减少微生物污染，并提高底物溶解度和反应速率，因此它们具有显著的优势[4][5]。
植物、真菌和细菌是木聚糖酶的常见来源。然而，大多数微生物来源的木聚糖酶不耐热，这限制了它们在高温生物工艺中的应用。因此，寻找或开发耐热的、不含纤维素酶的木聚糖酶一直是研究重点[6][7]。蛋白质修饰或使用多元醇等化学物质可以帮助提高酶的稳定性[8]。木聚糖作为半纤维素的主要成分，由β-1,4连接的D-木吡喃糖单元组成，且这些单元具有多种侧链取代基，这反映了不同植物来源中木聚糖的结构多样性[2][4][5]。通过利用天然来源（如嗜热微生物）可以获得热稳定的酶[9]。众所周知，嗜热微生物产生的酶比中温微生物产生的酶更耐热[10]。通过向蛋白质溶液中添加少量化学物质并改变其微环境，可以简单有效地提高酶的稳定性[6]。尽管不同应用领域有特定的要求，例如纸浆漂白过程需要既耐热又不含纤维素酶的木聚糖酶[3]。通常将那些在最适温度以上仍能保持较高活性或在50°C以上长时间内保持稳定性的酶称为热稳定酶[11]。酶的t1/2（半衰期），即在特定温度下活性下降50%所需的时间，也可以反映酶的稳定性（如果失活过程遵循一级动力学的话）。在高温下工作的酶有利于生物技术过程，因为它们能降低微生物污染的风险、提高反应速率并增加反应物的溶解度[12]。此外，热稳定酶在食品、饮料、精细化工和制药领域具有广泛的应用潜力[13]。
Chenopodium album是一种可食用植物，以其治疗和营养价值以及耐恶劣天气的能力而闻名[14]。由于其生化抗性[15][16][17]，它是提取热稳定酶的理想候选材料。尽管C. album具有多样的植物化学成分且能耐受各种压力，但其作为工业用酶的潜力尚未得到充分开发。其叶片中富含赖氨酸、亮氨酸和异亮氨酸等必需氨基酸，同时蛋白质含量也较高（4.2%）[18]。
此外，C. album还含有丰富的钙、维生素C（80 mg/100 g）、维生素A（11,000 IU/100 g）和类胡萝卜素（12.5 mg/100 g）[19]。其纤维含量（4–6 g/100 g）和铁化合物含量也高于菠菜和卷心菜等常见绿叶蔬菜[20]。
C. album具有多种药理活性，包括解痉、镇痛[7]、降糖和降脂作用[21]，同时还具有抗瘙痒[22]、抗胆碱酯酶[23]、抗丁酰胆碱酯酶[24]、抗溃疡[25]、抗寄生虫[26]、抗风湿[27]和抗Helicobacter pylori的作用[28]。此外，还有研究表明它能够使精子失活并导致精子细胞死亡[29][30]。
虽然已经从多种植物和微生物来源中分离出木聚糖酶，但大多数微生物来源的木聚糖酶不耐热，这限制了它们在高温工业工艺中的应用。因此，寻找天然热稳定的木聚糖酶或开发耐热变体仍然是提高其工业应用性的关键方向。目前迫切需要碱稳定性和热稳定的木聚糖酶，研究人员正采用多种创新的基因组技术来寻找产生高活性木聚糖酶的基因[31][32]。
本研究的主要目的是从C. album中鉴定并描述一种热稳定的木聚糖酶，并评估其在工业生物漂白过程中的应用。本文介绍了该酶的纯化、生化特性及其动力学和热力学特性，以及其在纸浆生物漂白中的效率。这些研究旨在全面评估该酶的工业潜力，特别是在可持续和环保的纸浆漂白工艺中的应用。
材料
C. album的种子从巴基斯坦拉合尔的本地市场购买。碘乙酸和-氯汞苯甲酸由BDH公司提供，而常用于木聚糖酶合成底物的桦木木聚糖（β-1,4-木聚糖）则从Sigma-Aldrich Chemical Co.获得。所有用于分析的分析级化学品均来自巴基斯坦拉合尔的Sigma-Aldrich和E. Merck Ltd.
酶的提取
Chenopodium album种子经过称重后，使用研钵捣碎...
木聚糖酶的纯化
从C. album中提取木聚糖酶的纯化过程包括以下几个步骤：首先使用含有约1360 mg总蛋白（总活性为280 U，比活性为0.2 U/mg）的粗提物。纯化策略包括硫酸铵沉淀（80%饱和度）、透析、DEAE-纤维素离子交换色谱和Sephadex G-100凝胶过滤色谱。在80%硫酸铵条件下观察到最高的木聚糖酶活性...
结论
本研究成功从C. album中分离并纯化了一种分子量为48 kDa的新木聚糖酶。该酶在pH 5.0和50°C条件下表现出最佳活性，并具有显著的热稳定性，包括t1/2、D-和z值。热力学分析表明，酶在变性过程中的结构变化有助于其热稳定性。所有测量温度下均观察到负的熵变值。根据其特性，这种木聚糖酶属于金属依赖型酶...
CRediT作者贡献声明
Khalil ur Rahman：撰写、审稿与编辑、项目监督。
Omar K. Alduaij：数据整理。
Karma M Albalawi：
Mohammed Alissa：
Abdullah Alghamdi：
Suad A. Alghamdi：
Ghfren S. Aloraini：
Abdulkarim S. Binshaya：
Mohammed E. Eissa：形式分析。
Ehab A. Abdelrahman：撰写、审稿与编辑、项目监督。
资助
本研究得到了伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科学研究部的支持和资助（项目编号：IMSIU-DDRSP2603）。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科学研究部的支持和资助（项目编号：IMSIU-DDRSP2603）。
