随着世界努力从化石资源向可持续替代品过渡以满足全球能源需求，相反，化石燃料的持续使用导致了温室气体排放的增加[1]，[2]。对全球变暖的日益关注突显了迫切需要能够有效减少碳排放的替代能源。尽管对化石燃料的依赖仍然存在，但寻找可再生、高效和环境可持续的能源已成为全球优先事项[3]。
由于木质纤维素生物质（LCB）的可再生性和广泛可用性，它引起了越来越多的研究兴趣，旨在实现大规模和低成本生产生物能源和高价值化学品[4]，[5]。为了减少环境影响，研究集中在利用LCB中的碳水化合物（包括农业残余物和森林废弃物）的发酵过程上。将LCB转化为能源和精细化学品的主要挑战在于降低加工成本，使其具有与传统燃料和商品竞争力。木质纤维素生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，这些成分的比例因生物质类型、栽培方法和气候条件而异。然而，其复杂结构的顽固性给实现高效转化以生产高价值产品带来了重大挑战。
尽管通过开发抗性较低的能源作物和优化预处理技术来提高底物可利用性，研究取得了显著进展，但仍需进一步改进。研究人员还探索了使用遗传方法来建立能够在工业规模上高效运行的强大微生物平台。通过微生物酶的严格作用，可以选择性地水解其成分，从而有效分解复杂的LCB结构。酶水解提供了一种可持续且节能的替代方案，减少了抑制性副产物的释放，并降低了环境影响。环境和经济考虑促使人们广泛研究利用微生物酶进行生物质增值。
纤维素酶、半纤维素酶和辅助酶协同作用，将多糖分解为可发酵的糖类，为生产生物能源和高价值平台化学品的生物精炼策略奠定了基础[6]。选择高效的酶系统对于提高底物可利用性、减少水解时间和优化整体过程经济性至关重要。为了进一步提高LCB转化效率，可以设计由纤维素酶、半纤维素酶和辅助酶组成的定制酶混合物，以最大化协同作用。
自然界中存在的多种微生物群落具备高效的酶系统，能够降解LCB。几种真菌和厌氧细菌物种是LCB降解的主要酶生产者。特别是丝状真菌Trichoderma reesei [7]，[8]和Aspergillus物种[6]，[9]将单个酶成分分泌到细胞外环境中，在降解过程中发挥协同作用。相反，某些厌氧细菌物种如Clostridium thermocellum，[10]，[11]产生称为纤维素体的多酶复合体，这些复合体固定在细胞表面，能够协调高效地分解LCB。
尽管野生型菌株在大规模应用时表现出高效性，但它们也存在一些局限性。这些问题包括低酶产量、滴度和生产力，在工业过程条件下催化性能不佳，以及酶混合物的分泌成分比例不平衡，从而降低了整体效率。为了克服这些挑战，研究工作集中在微生物宿主中的异源表达和重组生产木质纤维素酶上。微生物平台能够优化基因表达、蛋白质折叠、翻译后修饰和分泌效率，以满足工业要求。此外，蛋白质工程和合成生物学的进步使得生产出具有改进的热稳定性、改变的pH最适值、更高的催化效率和耐产品抑制性的定制酶成为可能，使其适合工业过程条件。
本文全面综述了参与木质纤维素降解的酶，包括来自野生型微生物和重组表达系统的纤维素酶和半纤维素酶。重点介绍了催化效率、底物特异性和微生物来源，并强调了野生型微生物产生的酶与重组产生的酶之间的差异。同时总结了当前进展，讨论了阻碍高效酶预处理的关键挑战，并概述了未来研究方向，以开发出强大、经济可行且环境可持续的酶系统，用于下一代木质纤维素生物精炼。
