低聚木糖的生產(chǎn)及應(yīng)用研究進(jìn)展

冷小軍

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工學(xué)院，河北滄州 061108）

近年來，日益增長的新型食品需求、不斷增加的醫(yī)療保健支出，以及動物養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)中抗生素的濫用等問題引起了全世界對綠色健康益生元的關(guān)注。低聚木糖（Xylo-oligosaccharide，XOS） 是一類可以由木質(zhì)纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)的益生元化合物。低聚木糖一般是由2～10個木糖分子以β-1,4糖苷鍵連接構(gòu)成的功能性聚合糖，又被稱為木寡糖。低聚木糖是自然界中含量極其豐富的一類多糖。XOS作為一種綠色的新型添加劑，其應(yīng)用日益廣泛，在農(nóng)業(yè)、保健品、藥品、食品等工業(yè)領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。低聚木糖具有優(yōu)異的理化性質(zhì)，如具有較好的耐熱性和耐酸性，甜度為蔗糖的40%～50%，能在較寬范圍內(nèi)保持pH值穩(wěn)定（2.5～8.0），在此pH值范圍內(nèi)，加熱1 h不被破壞，120℃下加熱1 h仍保持穩(wěn)定，黏度較低且隨溫度升高而降低等。此外，低聚木糖也具有優(yōu)異的生物學(xué)特性[1]。XOS作為一種綠色的新型添加劑，應(yīng)用日益廣泛，在農(nóng)業(yè)、保健品、藥品、食品等工業(yè)領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。低聚木糖的原料來源廣泛，可以由棉稈、玉米芯及玉米秸稈、甘蔗及甘蔗渣、麥秸等常見農(nóng)業(yè)廢棄物制得[2]。所以，低聚木糖的生產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物的高值化利用。綜上所述，低聚木糖這類益生元化合物是極具研究價值的。

1 低聚木糖的生產(chǎn)方法

秸稈、玉米芯、甘蔗等農(nóng)業(yè)廢棄物中含有大量的纖維素和半纖維素，其中半纖維素中木聚糖是重要組成成分。目前，低聚木糖的生產(chǎn)主要通過酸或堿預(yù)水解和自動水解預(yù)處理，從半纖維素中獲得低聚木糖。預(yù)處理必須在溫和的條件下進(jìn)行，以限制單糖和有毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生。在預(yù)處理之后，可以通過酸水解或酶水解等方法來提取木聚糖。

1.1 酸水解

木聚糖在酸性條件下會水解成為可溶的低聚木糖，一般使用鹽酸、硫酸等稀酸水解高聚合度的木聚糖來生成低聚木糖。

Jing B等人[3]將來自甘蔗渣的半纖維素在溫和條件下進(jìn)行微波輔助酸水解以產(chǎn)生低聚木糖，微波輔助0.24 mol/L硫酸酸水解31 min，產(chǎn)生的最大低聚木糖產(chǎn)率為290.2 mg/g。在溫和條件下微波輔助酸水解提供了一種有效的技術(shù)來生產(chǎn)低聚木糖。

Bai Y Y等人[4]成功合成了具有-SO3H，-COOH和酚-OH等活性基團(tuán)的磺化竹基碳（BCS），并發(fā)現(xiàn)它可作為固體酸催化劑催化半纖維素水解成低聚木糖這一過程。微波輻射協(xié)同該催化劑進(jìn)行酸水解反應(yīng)，縮短了反應(yīng)時間，提高了反應(yīng)效率。試驗證明，該催化劑有效，且在140～160℃的溫度下可以獲得低于40%的低聚木糖產(chǎn)率。在相對溫和的條件下，反應(yīng)溫度的升高、停留時間的延長，以及固體酸與水的比例提高都促進(jìn)了低聚木糖的生產(chǎn)。在相對強(qiáng)烈的條件下，低聚木糖產(chǎn)量會開始下降。

1.2 自水解

富含木聚糖的農(nóng)業(yè)植物生物質(zhì)也可以在高溫和高壓下進(jìn)行直接自水解，以產(chǎn)生低聚木糖。

相同條件下，不同原料進(jìn)行自水解所得低聚木糖的產(chǎn)率不同。Aditya S等人[5]發(fā)現(xiàn)在最大低聚木糖生產(chǎn)條件下，進(jìn)行自水解，從玉米粉分離的纖維比從干酒糟分離的纖維具有更高的低聚木糖產(chǎn)率。干酒糟纖維和玉米粉纖維產(chǎn)生最大低聚木糖量的條件分別是180℃/20 min和190℃/10 min。

Zhang W等人[6]研究甘蔗渣自水解時發(fā)現(xiàn)甘蔗渣在200℃/10 min條件下自水解能獲得50.35%的低聚木糖產(chǎn)率。與單獨(dú)的甘蔗渣相比，在200℃/10 min的乙酰基輔助甘蔗渣自水解的低聚木糖（聚合度2-5）產(chǎn)率為52.99%。乙酰輔助自水解方法顯著提高了低聚木糖產(chǎn)量并降低低聚木糖混合物的平均聚合度。

1.3 蒸汽爆破法

蒸汽爆破法已被證明是一種可行的處理半纖維素的增溶工藝，并已在商業(yè)上得到應(yīng)用。

Ana F等人[7]使用微型中試規(guī)模的蒸汽爆破裝置研究了不同操作條件對低聚木糖產(chǎn)率和選擇性的影響。即使在非優(yōu)化條件下（190℃，5 min，0.5%硫酸作催化劑），蒸汽爆破使木聚糖的回收率也有40%。蒸汽爆破法中富含低聚木糖的水解物在聚合程度上也具有較大的多樣性，有較好的生物前應(yīng)用價值。

1.4 酶水解

酶水解生產(chǎn)低聚木糖通常是利用一些微生物所含的木聚糖酶對半纖維素或木聚糖進(jìn)行直接水解。酶水解是近些年來生產(chǎn)低聚木糖的主要方法。木聚糖酶的酶水解在食品工業(yè)中生產(chǎn)低聚木糖，因為它可以防止木糖、羥甲基糠醛和呋喃等雜質(zhì)的形成。

Sharmili J等人[8]將由煙曲霉R1產(chǎn)生的粗制木聚糖酶用于水解小麥殼，其生物轉(zhuǎn)化為不易消化的低聚木糖。在沒有對粗酶進(jìn)行過任何預(yù)處理的情況下，從天然原始小麥殼獲得高產(chǎn)量的低聚木糖。

Constantinos K等人[9]通過GH11重組木聚糖酶直接酶處理丙酮/水氧化預(yù)處理的玉米秸稈生產(chǎn)出了具有益生潛能的低聚木糖混合物。

硬木被認(rèn)為是XOS生產(chǎn)的最佳原料之一。Gobinath R等人[10]注意到微生物內(nèi)切木聚糖酶很少用于水解木質(zhì)生物質(zhì)以進(jìn)行低聚木糖生產(chǎn)。在他們的研究中，來自梭菌菌株BOH3的純化的木聚糖酶被成功地用于從純木聚糖和各種預(yù)處理的硬木生產(chǎn)低聚木糖?？梢杂行У厮饨?jīng)熱堿性（0.05 mol/L NaOH）預(yù)處理的桃紅木和芒果木鋸末，并以很高的產(chǎn)率（50.7%～57.2%） 產(chǎn)出木糖二糖和木糖三糖。這項研究也為將來自梭菌的木聚糖酶用于從預(yù)處理的木質(zhì)生物質(zhì)中生產(chǎn)低聚木糖提供了思路。

Chang S等人[11]提出了一種新穎的生產(chǎn)方法來降低低聚木糖的生產(chǎn)成本，構(gòu)建了一種枯草芽孢桿菌的擴(kuò)展蛋白和內(nèi)切木聚糖酶組成的融合酶，用親和吸附-酶促反應(yīng)綜合方法生產(chǎn)高純度低聚木糖，低聚木糖的產(chǎn)率和純度可分別達(dá)到54.2%和91.7%，被認(rèn)為是簡易而且成本低的一種生產(chǎn)方法，為替代傳統(tǒng)酶生產(chǎn)提供了一種綠色途徑。

2 低聚木糖的應(yīng)用研究

2.1 低聚木糖在食品中的應(yīng)用研究

作為食品添加劑，低聚木糖具有熱值低、耐酸耐熱、黏度較其他低聚糖要低，有優(yōu)良的抗凍性能，以及在水溶液中形成螺旋結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)持水性、改善食品流變學(xué)特性等[12]可以提高食品品質(zhì)的良好性質(zhì)，因而也被廣泛用于食品工業(yè)。目前，低聚木糖的應(yīng)用主要是被添加在烘焙食品和乳制品中。

李竹生等人[13]發(fā)現(xiàn)添加一定量低聚木糖可以對蒸烤饅頭感官品質(zhì)、水分含量、水分活度及儲存性能產(chǎn)生積極影響，并通過添加不同量的低聚木糖比較得出添加2%的低聚木糖，可賦予蒸烤饅頭較高品質(zhì)并提高其食用價值。除此之外，還使用ASLT法分析了配方中添加低聚木糖對蒸烤饅頭貨架期的影響[14]，研究得出添加2.0%的低聚木糖，能使蒸烤饅頭的貨架期明顯延長。

楊柳等人[15]使用核磁成像技術(shù)對添加低聚木糖的米糠面包和添加蔗糖的米糠面包在貯藏期間的水分含量、水分活度進(jìn)行了檢測。發(fā)現(xiàn)在米糠面包中添加低聚木糖，使面包在貯藏期間保水性良好，同時改善了面包的感官品質(zhì)，面包的貨架期也得以延長，提升米糠面包的食用價值。

據(jù)報道，一些低聚木糖乳品已經(jīng)進(jìn)入市場，早在2014年國內(nèi)益生元乳品中低聚木糖乳品就已有20余種，而且在近幾年種類及數(shù)量逐年遞增，但是不如其他低聚糖應(yīng)用普遍[16]。

2.2 低聚木糖在醫(yī)藥、保健品的應(yīng)用研究

低聚木糖具有：①不被人體消化吸收，熱值低，降低血糖、血脂、膽固醇，預(yù)防“三高”；②預(yù)防齲齒；③雙歧桿菌等有益菌增殖并抑制有害菌生長，從而調(diào)整腸道菌群、改善腸道健康；④促進(jìn)鈣鐵鋅鎂等礦物質(zhì)的吸收；⑤清除體內(nèi)自由基，抗氧化；⑥保護(hù)肝臟健康；⑦抗癌等生物學(xué)特性[17-19]。所以，能被應(yīng)用于醫(yī)藥和保健領(lǐng)域。

低聚木糖可以應(yīng)用于特殊醫(yī)藥用途。范光森等人[20]闡述了低聚木糖在醫(yī)藥中的應(yīng)用，由于低聚木糖具有上述的生物學(xué)特性，低聚木糖可以用于生產(chǎn)面向腸道功能紊亂、營養(yǎng)不良、免疫力缺陷，以及糖尿病、癌癥腫瘤患者供應(yīng)的特殊配方食品。患者可以通過食用這些食品來直接或間接改善其身體機(jī)能。

宋燕華等人[17]研究低聚木糖與殼寡糖對小鼠急性肝損傷和對脾臟細(xì)胞免疫功能的聯(lián)合作用時得出低聚木糖和殼寡糖聯(lián)合作用可在一定程度上抵抗小鼠的酒精性肝損傷，還可提高小鼠脾臟細(xì)胞的免疫活性。該項研究結(jié)果應(yīng)用于人體醫(yī)療保健還需要進(jìn)一步的研究證實(shí)。

Yang J等人[21]證明在慢性腎病小鼠飲食中添加低聚木糖，與其他益生元相比較低劑量能夠改善慢性腎病小鼠的腎功能，并誘導(dǎo)盲腸微生物組成和功能的顯著變化。由此可推測膳食添加低聚木糖干預(yù)可能是一種潛在的治療手段，通過改善腸道微生物群來提高短鏈脂肪酸濃度和減少來自有害菌的尿毒癥毒素來抵抗慢性腎病。

Pieter V等人[22]的研究指出低聚木糖與多酚混合物的結(jié)合對人體腸道微生物活性和組成有積極影響，從而產(chǎn)生免疫調(diào)節(jié)特性，尤其是在大多數(shù)慢性疾病發(fā)生的遠(yuǎn)端結(jié)腸。

一些創(chuàng)新的低聚木糖保健應(yīng)用也是值得期待的，如低聚木糖護(hù)膚品、低聚木糖黑發(fā)飲品這些極具市場潛力的產(chǎn)品。

2.3 低聚木糖在養(yǎng)殖飼料中的應(yīng)用研究

出于預(yù)防和治療食用動物的疾病，以及改善食用動物的生理機(jī)能、降低動物的發(fā)病率和死亡率等目的，傳統(tǒng)措施都是添加抗生素等藥物及藥物添加劑。添加抗生素不僅會導(dǎo)致飼養(yǎng)成本的增加，還會危害人體健康，更會引起使細(xì)菌耐藥性增強(qiáng)等問題。低聚木糖的應(yīng)用可以使人們在不使用抗生素的條件下能改善動物的生理機(jī)能、預(yù)防動物疾病，從而提高食品衛(wèi)生安全質(zhì)量。

韓麗等人[23-24]發(fā)現(xiàn)飼糧添加一定劑量的低聚木糖可調(diào)控機(jī)體氮代謝和與脂代謝相關(guān)的血漿生化參數(shù)，提高肌肉中單不飽和脂肪酸和飽和脂肪酸+單不飽和脂肪酸含量及油酸與亞油酸含量比，加強(qiáng)肌纖維類型和肌肉生長相關(guān)基因的表達(dá)。從而改善豬肉性狀和提高食用價值。且以豬體重30～100 kg階段添加100 g/t低聚木糖為最佳。

陳曉瑛等人[25]研究蝦飼料中加入低聚木糖對凡納濱對蝦的消化和腸道影響時發(fā)現(xiàn)，適量的低聚木糖能顯著增強(qiáng)凡納濱對蝦幼蝦的消化酶活性，并能改善其消化功能，預(yù)防腸道疾病。

Li D D等人[26]研究在飼料中添加低聚木糖對蛋雞生產(chǎn)性能、蛋品質(zhì)、養(yǎng)分消化率和血漿參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)低聚木糖能提高蛋殼厚度和蛋殼質(zhì)量。在蛋雞產(chǎn)蛋高峰時，低聚木糖可以使鈣消化率增加，血漿谷丙轉(zhuǎn)氨酶、膽固醇、高密度脂蛋白和極低密度脂蛋白水平降低，從而提高蛋殼厚度和增加蛋殼相對質(zhì)量，進(jìn)而改善蛋雞生產(chǎn)性能。

3 結(jié)語

農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品是提高可再生生物質(zhì)利用率的重要原料，高效率生產(chǎn)低聚木糖就是使農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)高值化利用的關(guān)鍵之一。盡管已經(jīng)有了很多的低聚木糖生產(chǎn)的方法，但這些從糧食廢棄物中提取XOS的方法存在許多問題。比如經(jīng)常會被木糖和阿拉伯糖等雜質(zhì)污染。再比如由于玉米秸稈的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從玉米秸稈中獲得的低聚木糖帶有諸如純度低和色值高的問題，這些問題顯著降低了低聚木糖的品質(zhì)和生產(chǎn)效率，需要更多研究來解決。低聚木糖的工廠化生產(chǎn)和產(chǎn)品應(yīng)用普及還處于萌芽階段。作為一種極具潛力的益生元，低聚木糖將會隨著學(xué)者研發(fā)的不斷深入得到大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用，從而創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。