低聚木糖的生物活性、制備及應(yīng)用研究進(jìn)展

聶卉，李曉靜，李堅(jiān)斌

（1.廣西大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣西南寧530004；2.中州大學(xué)化工與食品學(xué)院，河南鄭州450000）

低聚木糖的生物活性、制備及應(yīng)用研究進(jìn)展

聶卉1，2，李曉靜2，李堅(jiān)斌1，*

（1.廣西大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣西南寧530004；2.中州大學(xué)化工與食品學(xué)院，河南鄭州450000）

低聚木糖是由木糖單元組成的低聚物，在蔬菜、水果、牛奶和蜂蜜等食品中廣泛存在。作為良好的可食性膳食纖維來源，低聚木糖具有提高腸道健康和增加機(jī)體免疫等多種生物學(xué)活性，并具有良好的加工性能，因此被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥及飼料等領(lǐng)域。本文闡述了低聚木糖主要生物活性、制備方法及應(yīng)用方面的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展。

低聚木糖；生物活性；制備；應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)能源種類和食品品質(zhì)的需求不斷提升，如何開發(fā)生物質(zhì)資源、進(jìn)行生物質(zhì)利用、擴(kuò)展食品功能性成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。研究證明，通過化學(xué)和酶法降解富含木質(zhì)纖維素的生物質(zhì)，可以得到安全且對(duì)人體健康有益的各類低聚糖。其中，低聚木糖（Xylooligosaccharide，XOS）因具有其他低聚糖不可比擬的優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注。XOS又稱木寡糖，是由2個(gè)～7個(gè)木糖單位以β-1，4-糖苷鍵結(jié)合而成的直鏈低聚糖的總稱，主要包括木二糖、木三糖、木四糖、木五糖等。其中木二糖和木三糖是XOS中最為有效的功能性組分，其含量越高，說明XOS制品活性越強(qiáng)、純度越高[1]。XOS獨(dú)特的生物活性和良好的加工性能決定了其廣闊的應(yīng)用范圍，其甜度比蔗糖和葡萄糖略低，約為蔗糖的40%，能量值幾乎為零。而在巴氏殺菌條件下（60℃～100℃，30 min）和高壓滅菌條件下（121 ℃，0.098 1 MPa，10 min～50 min），XOS 顯示出比其它低聚糖有著更好的耐酸穩(wěn)定性[2]，因此在食品工業(yè)中使用范圍更為寬泛。此外，XOS一個(gè)更為突出的特點(diǎn)是可以增值機(jī)體內(nèi)的雙歧桿菌。由于機(jī)體內(nèi)缺乏直接水解低聚木糖的酶，因此XOS可以直接進(jìn)入小腸，增加益生菌數(shù)量，維持菌群平衡，保證機(jī)體健康。目前，XOS普遍用于各類食品添加劑、醫(yī)藥及飼料領(lǐng)域中。本文就XOS的生物活性、制備及應(yīng)用等方面加以綜述，以期為開展其進(jìn)一步研究提供幫助。

1 低聚木糖主要生理活性研究進(jìn)展

XOS生物活性范圍較寬，主要包括抗氧化活性、抗菌、抗感染、抗過敏、抗炎特性，選擇性增加細(xì)胞活性，進(jìn)行免疫調(diào)節(jié)等。從目前的研究來看，沒有發(fā)現(xiàn)其毒性或?qū)θ祟惤】档呢?fù)面影響，是一種理想安全的食品藥品來源。本文主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行闡述。

1.1 降低血糖、血脂

糖尿病是一種內(nèi)分泌疾病，其并發(fā)癥可導(dǎo)致冠狀動(dòng)脈疾病、腦血管疾病、腎功能衰竭、截肢和失明等，屬于全世界十大死亡率最高的疾病之一。

近年來的研究表明，通過合理攝入天然功能性食品可以對(duì)糖尿病進(jìn)行很好地干預(yù)和治療[3]，并顯著改善糖尿病癥狀。Gobinath[4]用XOS喂食糖尿病大鼠6周后發(fā)現(xiàn)，糖尿病大鼠的超重現(xiàn)象得到緩解，血糖和膽固醇明顯降低，同時(shí)腎組織中的尿糖、血肌酐和尿素濃度等糖尿病并發(fā)癥特征的指標(biāo)也呈下降趨勢(shì)。陳海珊等[5]研究了木二糖對(duì)大鼠血脂、血糖和脂肪堆積情況的影響，通過對(duì)肥胖性大鼠連續(xù)喂食木二糖發(fā)現(xiàn)，能夠顯著降低大鼠血清甘油三酯與低密度脂蛋白膽固醇，說明木二糖具有較好的降血糖、降血脂作用，并可有效抑制大鼠體內(nèi)脂肪堆積。XOS還作為可溶性膳食纖維有效推遲碳水化合物在消化道的水解，從而控制血糖水平。

1.2 提高腸胃健康

結(jié)腸健康被認(rèn)為是健康狀況的重要指標(biāo)。通過攝入益生菌，可以增加抗菌物質(zhì)的分泌，調(diào)節(jié)機(jī)體免疫系統(tǒng)，維持腸道菌群平衡。對(duì)人體健康影響主要包括：抑制腐敗細(xì)菌活性，防止產(chǎn)生毒性；降低致病菌活性，防止因生產(chǎn)短鏈有機(jī)酸（如乳酸或醋酸）而導(dǎo)致胃腸道pH值降低；促進(jìn)消化和吸收營(yíng)養(yǎng)。益生菌的這些特性可以減少胃腸道感染幾率，縮短腹瀉時(shí)間，延遲胃清空，抑制有害致病細(xì)菌，從而降低許多結(jié)腸疾病的風(fēng)險(xiǎn)。其中，乳酸菌和雙歧桿菌為公認(rèn)的益生菌屬代表。

XOS在人體中既能不水解也不能被胃腸道吸收，主要通過選擇性地刺激機(jī)體活力或限制結(jié)腸中細(xì)菌的數(shù)量來維持腸胃動(dòng)力。人體內(nèi)能夠被利用的細(xì)菌包括大部分乳酸菌物種，而一些有害菌如葡萄球菌、大腸桿菌和許多梭狀芽胞桿菌則不能利用XOS，因此XOS可以造成雙歧桿菌大量生長(zhǎng)繁殖，從而改善人體健康腸胃。Campbell J M[6]通過喂養(yǎng)小鼠發(fā)現(xiàn)XOS除了可以增加腸道內(nèi)雙歧桿菌和大腸桿菌等有益微生物數(shù)量，還可以增加盲腸中短鏈脂肪酸的重量。魏濤等[7]研究了XOS對(duì)小鼠腸道菌群及潤(rùn)腸通便的影響。該研究以BALB/c小鼠為試驗(yàn)對(duì)象，在連續(xù)給予高劑量和低劑量的XOS 14 d后，測(cè)定小鼠糞便中雙歧桿菌、乳桿菌、腸桿菌、腸球菌的含量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各菌落均顯著增加，且排黑便時(shí)間明顯縮短，排黑便總量顯著增加，說明XOS具有改善小鼠胃腸道菌群及潤(rùn)腸通便的功效。

1.3 促進(jìn)礦物質(zhì)吸收

Yukiko Kobayashi1[8]研究發(fā)現(xiàn)，缺鐵性貧血小鼠通過食用酸性XOS，其肝臟的調(diào)鐵素和小腸中鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白顯著降低，說明XOS可以提高機(jī)體鐵的吸收。

許國(guó)輝等[9]在大鼠低鈣飼料中添加2%XOS，喂養(yǎng)周期21 d，并測(cè)定大鼠鈣攝入，及糞鈣、尿鈣含量以及鈣的吸收率，發(fā)現(xiàn)XOS能夠有效提高大鼠對(duì)鈣的吸收率，降低糞鈣含量，并且XOS對(duì)低鈣飼料組的影響比普通飼料組的影響大。

2 低聚木糖制備研究進(jìn)展

XOS主要存在于植物細(xì)胞的細(xì)胞壁中。典型的XOS生產(chǎn)原料包括硬木、玉米芯、秸稈、蔗渣、麥麩、麥芽餅等。在我國(guó)主要以玉米芯和甘蔗渣為原料進(jìn)行XOS的生產(chǎn)和研究，原料來源比較單一。由于木聚糖和木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)以聚糖-木質(zhì)素復(fù)合物形式存在，受該成分的影響，提取率會(huì)受到一定程度影響。一般來說，制備XOS可以通過以下兩種方式：一是酶直接水解原料；二是兩步水解：化學(xué)法預(yù)處理木質(zhì)纖維素，使其降解為木聚糖；再用酶法或者化學(xué)方法降解木聚糖，得到XOS產(chǎn)品[11]。

除了傳統(tǒng)的生物質(zhì)原料，也有學(xué)者嘗試從其他原料中獲得XOS，其中研究最多的是利用農(nóng)業(yè)廢棄物。Ai Ling Ho[10]利用了油棕生產(chǎn)副產(chǎn)品和油料作物--棕櫚果纖維中提取到XOS，擴(kuò)大了原料來源。然而XOS的提取過程并不經(jīng)濟(jì)，這也限制了XOS的大規(guī)模應(yīng)用。因此，當(dāng)前XOS應(yīng)用的前提和研究重點(diǎn)是如何降低XOS提取過程附加值，擴(kuò)大原料來源并提高提取率。

2.1 低聚木糖制備

XOS生產(chǎn)過程包括預(yù)處理和水解過程，其中水解方式分為酸堿水解和酶水解。一般來說，預(yù)處理過程主要通過利用乙醇或乙酸乙酯洗滌原料，達(dá)到去除雜質(zhì)和果膠等化合物的目的，以使XOS生產(chǎn)步驟更高效。目前預(yù)處理方法主要有熱水、酸堿和酶法預(yù)水解。預(yù)處理后的水解物，是包含高取代度的高聚物混合物。液相部分富含半纖維素，通過進(jìn)一步水解可得到有價(jià)值的產(chǎn)品，如可溶性低聚糖，糖類和醛；沉淀固體含高纖維素和木質(zhì)素，進(jìn)一步處理后，可用作紙漿生產(chǎn)、糖發(fā)酵或能源。

XOS的提取一般通過物理（如熱水浸提、蒸汽爆破），化學(xué)方法（酸堿）或酶法。酸堿結(jié)構(gòu)和酶的性質(zhì)對(duì)提高提取率來說至關(guān)重要，水解得到的產(chǎn)物并不相同。Ozlem Akpinar[12]比較了木聚糖酶和硫酸水解煙草莖的XOS得率，并研究了木聚糖酶的最適pH值、溫度、水解時(shí)間、底物和酶濃度與提取率和聚合度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)酸水解得率略高，而二者水解產(chǎn)物中單糖數(shù)量差別較大。

近年來的研究表明，單一的提取方法已經(jīng)不能滿足提高提取率的要求，李敏等[13]研究了利用木聚糖酶酶解甘蔗葉高溫蒸煮液的工藝條件，得到純度為26.61%的XOS。劉枕[14]以稀硫酸預(yù)浸輔助蒸汽閃爆法提取玉米芯中的木聚糖，即在100℃條件下，用0.1%的稀硫酸先對(duì)玉米芯原料浸泡，再采用新型彈射式汽爆設(shè)備爆破玉米芯提取其中的木聚糖，然后以內(nèi)切木聚糖酶對(duì)汽爆后玉米芯進(jìn)行渣漿一起酶解，得到XOS含量為65.08%。侯麗芬等[15]以堿性H2O2預(yù)處理后的玉米芯為原料，利用木聚糖酶降解木聚糖制備XOS，得到低木聚糖提取率和水解率分別為27.1%和76.3%。Chapla[16]先將玉米芯堿水解，再用臭曲霉對(duì)其水解，然后使用活性炭柱色譜法純化得到XOS。同時(shí)，該研究還發(fā)現(xiàn)，在高溫和低pH值條件下，XOS做為添加劑穩(wěn)定性極高。

應(yīng)用于食品中的XOS，其取代度最好控制在2～6之間。因此在注重XOS提取率的同時(shí)，還要保證其純度和活性，這也是今后需要研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

2.2 低聚木糖酶的篩選和制備

通過化學(xué)方法得到的產(chǎn)品，會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物或一些低聚合度的產(chǎn)品，無法控制XOS純度。而酶水解法性質(zhì)溫和，產(chǎn)率高，研究證明，生產(chǎn)XOS最好能夠切斷其1，4-木聚糖糖苷鍵。從黑曲霉、木霉和特異性腐霉等真菌中能夠培養(yǎng)得到這種性質(zhì)的酶[17]。由于酶水解低聚糖生產(chǎn)過程受到微生物來源的穩(wěn)定性、類型、溫度等關(guān)鍵因素的影響，對(duì)酶的篩選和優(yōu)化也是目前XOS提取工作的研究熱點(diǎn)。

Haddar等[18]從莫威海芽孢桿菌中培養(yǎng)出木聚酶，并優(yōu)化了試驗(yàn)條件，在溫度50℃和pH 8.0條件下使酶保有96%的活性，并將該酶水解從玉米穗軸中提取到木聚糖，證明該酶有很好的應(yīng)變生產(chǎn)潛力。Aragon[19]從雜色曲酶中提取木聚酶，并將其置于自行設(shè)計(jì)的酶反應(yīng)器中進(jìn)行連續(xù)化生產(chǎn)XOS。在實(shí)驗(yàn)室條件下，測(cè)定酶活性保持在85%。通過水解試驗(yàn)，木二糖生產(chǎn)率提高約2.5倍。Driss等[20]利用固定化青霉木聚糖酶催化水解玉米芯，得到主要產(chǎn)物主要是木二糖、三糖和一小部分具有較高的聚合度（DP）的寡糖。并發(fā)現(xiàn)，pH值范圍變寬且酶活力溫度升高至65℃。芽孢桿菌木聚糖酶培養(yǎng)和優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，該菌具備良好生產(chǎn)XOS潛力[21]。國(guó)內(nèi)也有利用復(fù)合酶作用制備XOS[22]的報(bào)道，利用阿魏酸酯酶、木聚糖酶和漆酶復(fù)合作用木聚糖制備XOS，使產(chǎn)率達(dá)到了67.2%。

3 低聚木糖的應(yīng)用

3.1 食品中的應(yīng)用

低聚糖的開發(fā)應(yīng)用在日本已有20多年歷史。近幾年來，歐美、東南亞一些國(guó)家和地區(qū)的科研究構(gòu)也競(jìng)相研究各種低聚糖的生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)，一部分XOS產(chǎn)品也陸續(xù)生產(chǎn)上市。日本三得利公司開發(fā)的木寡糖制品進(jìn)入市場(chǎng)最早，一直掌握核心技術(shù)，擁有較高的市場(chǎng)占有率。

XOS在食品中的應(yīng)用基于其加工性能及對(duì)人體健康的功能活性。相比較其他的低聚糖如低聚果糖，XOS具有廣泛穩(wěn)定的pH（2.5～8.0）和耐受溫度（最高可達(dá)100℃）。其水分活度度比木糖高，與葡萄糖相近；冷凍溫度高于木糖（-10℃），而與葡萄糖、蔗糖和麥芽糖一致。另外，XOS具有較好的口感，熱量值很低，非常適合作為糖類替代品。

因此，XOS在抑制淀粉回生、改善食物的營(yíng)養(yǎng)和感官性狀方面有很強(qiáng)的實(shí)用性。目前，XOS在食品中的應(yīng)用主要作為食品添加劑使用在飲料、乳制品和焙烤制品中，如添加在乳制品中可以改善人體腸道微生物平衡，添加在蛋糕、餅干產(chǎn)品中可以延長(zhǎng)貨架期和食用性能等。除此以外，也有學(xué)者將其用于果醋和葡萄酒釀造工藝中，但僅限于研究階段。

3.2 飼料中的應(yīng)用

近幾十年來，大量的抗生素添加至動(dòng)物飼料中，用于動(dòng)物生產(chǎn)、治療和生長(zhǎng)促進(jìn)。動(dòng)物在養(yǎng)殖過程中，很容易因腸道菌群失調(diào)而引起腹泄，影響體重甚至引起死亡。同時(shí)，還造成動(dòng)物耐藥性不斷增長(zhǎng)、引發(fā)食用安全問題。2006年，歐盟開始禁止抗生素作為生長(zhǎng)促進(jìn)劑使用。已有研究顯示，飼料中加入益生元，可以能夠調(diào)節(jié)動(dòng)物腸道益生菌數(shù)量，減少動(dòng)物因腸道細(xì)菌感染而引起的病變，同時(shí)防止有害菌的生長(zhǎng)和繁殖。

XOS作為唯一碳源可以有效被雙歧桿菌利用進(jìn)行發(fā)酵。當(dāng)動(dòng)物在感染食源性細(xì)菌包括沙門氏菌、大腸桿菌和李斯特菌產(chǎn)單核細(xì)胞時(shí)，XOS具有保護(hù)作用[23]。通過研究XOS抗感染藥活動(dòng)對(duì)小鼠、大鼠、豬、肉雞、倉(cāng)鼠和豚鼠等的影響，表明XOS可以改善動(dòng)物抵抗細(xì)菌感染，預(yù)防腹瀉，減少病原體增殖，增加動(dòng)物存活量[24]。Senani等[25]研究發(fā)現(xiàn)，XOS可以有效增長(zhǎng)反芻動(dòng)物腸道中腸球菌和乳酸菌數(shù)量，改善動(dòng)物消化率。目前，我國(guó)已應(yīng)用在蛋禽、肉禽、生豬、奶牛等養(yǎng)殖方面。

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，影響魚和貝類養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益很大程度上是由于細(xì)菌感染導(dǎo)致的疾病。因此早期的疾病預(yù)防與控制是水產(chǎn)養(yǎng)殖中的關(guān)鍵。Hoseinifar[26]將XOS添加到于庫(kù)圖擬鯉飼料中，用于防治皮膚黏膜的預(yù)防感染，改善了黏液的殺菌活性。

4 前景及展望

XOS做為功能性低聚糖，其良好的生物活性和生理功能已獲得廣泛關(guān)注，如在日本，XOS的年需求量已達(dá)1500 t。近年來，在活性和應(yīng)用研究方面也取得了一定發(fā)展，如有學(xué)者發(fā)現(xiàn)XOS可以誘導(dǎo)腫瘤壞死因子和巨噬細(xì)胞，進(jìn)行免疫調(diào)節(jié)[27]；將XOS衍生物用作涂料粘接劑等[28]。

但該領(lǐng)域仍存在一定問題。如提取、制備工藝相對(duì)繁瑣，無形中增加了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，從而限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用范圍；目前對(duì)XOS的研究多停留在生理功效上，對(duì)其在組織細(xì)胞中的分布以及分子水平上的作用機(jī)理還不甚了解；其生物活性主要集中研究其穩(wěn)定pH值范圍、耐熱性、低卡路里、無毒性等方面，其他的屬性仍需要進(jìn)一步開發(fā)；一些木聚糖酶已經(jīng)可以按照實(shí)驗(yàn)室條件達(dá)到較好的水解效果，但是目前還未發(fā)展到大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的階段；如何優(yōu)化純化方法、獲得高純度的XOS途徑也是急需研究的課題。

目前國(guó)外一些企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，相比較之下，我國(guó)仍處于研究階段。大力發(fā)展XOS產(chǎn)業(yè)，不僅將促進(jìn)我國(guó)低聚糖工業(yè)向一個(gè)新的方向發(fā)展，而且還可以處理農(nóng)林廢料、變廢為寶、保護(hù)環(huán)境，具有十分重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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The Research Development on Bioactivity，Preparation and Application of Xylooligosaccharides

NIE Hui1，2，LI Xiao-jing2，LI Jian-bin1，*
（1.Light Industry and Food Engineering Institute，Guangxi University，Nanning 530004，Guangxi，China；2.Chemical Engineering and Food Institue，Zhongzhou University，Zhengzhou 450000，Henan，China）

Xylooligosaccharides （XOS）are composed of xylose units，which widely exist in the nature of vegetables，fruits，milk and honey and are produced by main raw material of lignocellulose in industry processing.As edible source of dietary fiber，XOS has some biological activities involving improving intestinal health，strengthening immune and promising processing performances.So it has widely used in food，feed and other fields.In this paper，the production status，preparation and the application of XOS was stated and the research improvement was also illustrated.

xylooligosaccharide；biological activities；preparation；application

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.14.051

聶卉（1978—），女（漢），講師，博士，研究方向：糖類物質(zhì)生物利用及污染控制。

*通信作者：李堅(jiān)斌（1970—），女（漢），教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向：糖類利用和污染控制。

2015-08-03