低聚木糖的生产及应用研究进展

冷小军

（河北农业大学理工学院，河北沧州 061108）

近年来，日益增长的新型食品需求、不断增加的医疗保健支出，以及动物养殖产业中抗生素的滥用等问题引起了全世界对绿色健康益生元的关注。低聚木糖（Xylo-oligosaccharide，XOS） 是一类可以由木质纤维素生物质生产的益生元化合物。低聚木糖一般是由2～10个木糖分子以β-1,4糖苷键连接构成的功能性聚合糖，又被称为木寡糖。低聚木糖是自然界中含量极其丰富的一类多糖。XOS作为一种绿色的新型添加剂，其应用日益广泛，在农业、保健品、药品、食品等工业领域都有着重要的应用。低聚木糖具有优异的理化性质，如具有较好的耐热性和耐酸性，甜度为蔗糖的40%～50%，能在较宽范围内保持pH值稳定（2.5～8.0），在此pH值范围内，加热1 h不被破坏，120℃下加热1 h仍保持稳定，黏度较低且随温度升高而降低等。此外，低聚木糖也具有优异的生物学特性[1]。XOS作为一种绿色的新型添加剂，应用日益广泛，在农业、保健品、药品、食品等工业领域都有着重要的应用。低聚木糖的原料来源广泛，可以由棉秆、玉米芯及玉米秸秆、甘蔗及甘蔗渣、麦秸等常见农业废弃物制得[2]。所以，低聚木糖的生产可以实现农业副产物的高值化利用。综上所述，低聚木糖这类益生元化合物是极具研究价值的。

1 低聚木糖的生产方法

秸秆、玉米芯、甘蔗等农业废弃物中含有大量的纤维素和半纤维素，其中半纤维素中木聚糖是重要组成成分。目前，低聚木糖的生产主要通过酸或碱预水解和自动水解预处理，从半纤维素中获得低聚木糖。预处理必须在温和的条件下进行，以限制单糖和有毒副产物的产生。在预处理之后，可以通过酸水解或酶水解等方法来提取木聚糖。

1.1 酸水解

木聚糖在酸性条件下会水解成为可溶的低聚木糖，一般使用盐酸、硫酸等稀酸水解高聚合度的木聚糖来生成低聚木糖。

Jing B等人[3]将来自甘蔗渣的半纤维素在温和条件下进行微波辅助酸水解以产生低聚木糖，微波辅助0.24 mol/L硫酸酸水解31 min，产生的最大低聚木糖产率为290.2 mg/g。在温和条件下微波辅助酸水解提供了一种有效的技术来生产低聚木糖。

Bai Y Y等人[4]成功合成了具有-SO3H，-COOH和酚-OH等活性基团的磺化竹基碳（BCS），并发现它可作为固体酸催化剂催化半纤维素水解成低聚木糖这一过程。微波辐射协同该催化剂进行酸水解反应，缩短了反应时间，提高了反应效率。试验证明，该催化剂有效，且在140～160℃的温度下可以获得低于40%的低聚木糖产率。在相对温和的条件下，反应温度的升高、停留时间的延长，以及固体酸与水的比例提高都促进了低聚木糖的生产。在相对强烈的条件下，低聚木糖产量会开始下降。

1.2 自水解

富含木聚糖的农业植物生物质也可以在高温和高压下进行直接自水解，以产生低聚木糖。

相同条件下，不同原料进行自水解所得低聚木糖的产率不同。Aditya S等人[5]发现在最大低聚木糖生产条件下，进行自水解，从玉米粉分离的纤维比从干酒糟分离的纤维具有更高的低聚木糖产率。干酒糟纤维和玉米粉纤维产生最大低聚木糖量的条件分别是180℃/20 min和190℃/10 min。

Zhang W等人[6]研究甘蔗渣自水解时发现甘蔗渣在200℃/10 min条件下自水解能获得50.35%的低聚木糖产率。与单独的甘蔗渣相比，在200℃/10 min的乙酰基辅助甘蔗渣自水解的低聚木糖（聚合度2-5）产率为52.99%。乙酰辅助自水解方法显著提高了低聚木糖产量并降低低聚木糖混合物的平均聚合度。

1.3 蒸汽爆破法

蒸汽爆破法已被证明是一种可行的处理半纤维素的增溶工艺，并已在商业上得到应用。

Ana F等人[7]使用微型中试规模的蒸汽爆破装置研究了不同操作条件对低聚木糖产率和选择性的影响。即使在非优化条件下（190℃，5 min，0.5%硫酸作催化剂），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较大的多样性，有较好的生物前应用价值。

1.4 酶水解

酶水解生产低聚木糖通常是利用一些微生物所含的木聚糖酶对半纤维素或木聚糖进行直接水解。酶水解是近些年来生产低聚木糖的主要方法。木聚糖酶的酶水解在食品工业中生产低聚木糖，因为它可以防止木糖、羟甲基糠醛和呋喃等杂质的形成。

Sharmili J等人[8]将由烟曲霉R1产生的粗制木聚糖酶用于水解小麦壳，其生物转化为不易消化的低聚木糖。在没有对粗酶进行过任何预处理的情况下，从天然原始小麦壳获得高产量的低聚木糖。

Constantinos K等人[9]通过GH11重组木聚糖酶直接酶处理丙酮/水氧化预处理的玉米秸秆生产出了具有益生潜能的低聚木糖混合物。

硬木被认为是XOS生产的最佳原料之一。Gobinath R等人[10]注意到微生物内切木聚糖酶很少用于水解木质生物质以进行低聚木糖生产。在他们的研究中，来自梭菌菌株BOH3的纯化的木聚糖酶被成功地用于从纯木聚糖和各种预处理的硬木生产低聚木糖。可以有效地水解经热碱性（0.05 mol/L NaOH）预处理的桃红木和芒果木锯末，并以很高的产率（50.7%～57.2%） 产出木糖二糖和木糖三糖。这项研究也为将来自梭菌的木聚糖酶用于从预处理的木质生物质中生产低聚木糖提供了思路。

Chang S等人[11]提出了一种新颖的生产方法来降低低聚木糖的生产成本，构建了一种枯草芽孢杆菌的扩展蛋白和内切木聚糖酶组成的融合酶，用亲和吸附-酶促反应综合方法生产高纯度低聚木糖，低聚木糖的产率和纯度可分别达到54.2%和91.7%，被认为是简易而且成本低的一种生产方法，为替代传统酶生产提供了一种绿色途径。

2 低聚木糖的应用研究

2.1 低聚木糖在食品中的应用研究

作为食品添加剂，低聚木糖具有热值低、耐酸耐热、黏度较其他低聚糖要低，有优良的抗冻性能，以及在水溶液中形成螺旋结构，增强持水性、改善食品流变学特性等[12]可以提高食品品质的良好性质，因而也被广泛用于食品工业。目前，低聚木糖的应用主要是被添加在烘焙食品和乳制品中。

李竹生等人[13]发现添加一定量低聚木糖可以对蒸烤馒头感官品质、水分含量、水分活度及储存性能产生积极影响，并通过添加不同量的低聚木糖比较得出添加2%的低聚木糖，可赋予蒸烤馒头较高品质并提高其食用价值。除此之外，还使用ASLT法分析了配方中添加低聚木糖对蒸烤馒头货架期的影响[14]，研究得出添加2.0%的低聚木糖，能使蒸烤馒头的货架期明显延长。

杨柳等人[15]使用核磁成像技术对添加低聚木糖的米糠面包和添加蔗糖的米糠面包在贮藏期间的水分含量、水分活度进行了检测。发现在米糠面包中添加低聚木糖，使面包在贮藏期间保水性良好，同时改善了面包的感官品质，面包的货架期也得以延长，提升米糠面包的食用价值。

据报道，一些低聚木糖乳品已经进入市场，早在2014年国内益生元乳品中低聚木糖乳品就已有20余种，而且在近几年种类及数量逐年递增，但是不如其他低聚糖应用普遍[16]。

2.2 低聚木糖在医药、保健品的应用研究

低聚木糖具有：①不被人体消化吸收，热值低，降低血糖、血脂、胆固醇，预防“三高”；②预防龋齿；③双歧杆菌等有益菌增殖并抑制有害菌生长，从而调整肠道菌群、改善肠道健康；④促进钙铁锌镁等矿物质的吸收；⑤清除体内自由基，抗氧化；⑥保护肝脏健康；⑦抗癌等生物学特性[17-19]。所以，能被应用于医药和保健领域。

低聚木糖可以应用于特殊医药用途。范光森等人[20]阐述了低聚木糖在医药中的应用，由于低聚木糖具有上述的生物学特性，低聚木糖可以用于生产面向肠道功能紊乱、营养不良、免疫力缺陷，以及糖尿病、癌症肿瘤患者供应的特殊配方食品。患者可以通过食用这些食品来直接或间接改善其身体机能。

宋燕华等人[17]研究低聚木糖与壳寡糖对小鼠急性肝损伤和对脾脏细胞免疫功能的联合作用时得出低聚木糖和壳寡糖联合作用可在一定程度上抵抗小鼠的酒精性肝损伤，还可提高小鼠脾脏细胞的免疫活性。该项研究结果应用于人体医疗保健还需要进一步的研究证实。

Yang J等人[21]证明在慢性肾病小鼠饮食中添加低聚木糖，与其他益生元相比较低剂量能够改善慢性肾病小鼠的肾功能，并诱导盲肠微生物组成和功能的显著变化。由此可推测膳食添加低聚木糖干预可能是一种潜在的治疗手段，通过改善肠道微生物群来提高短链脂肪酸浓度和减少来自有害菌的尿毒症毒素来抵抗慢性肾病。

Pieter V等人[22]的研究指出低聚木糖与多酚混合物的结合对人体肠道微生物活性和组成有积极影响，从而产生免疫调节特性，尤其是在大多数慢性疾病发生的远端结肠。

一些创新的低聚木糖保健应用也是值得期待的，如低聚木糖护肤品、低聚木糖黑发饮品这些极具市场潜力的产品。

2.3 低聚木糖在养殖饲料中的应用研究

出于预防和治疗食用动物的疾病，以及改善食用动物的生理机能、降低动物的发病率和死亡率等目的，传统措施都是添加抗生素等药物及药物添加剂。添加抗生素不仅会导致饲养成本的增加，还会危害人体健康，更会引起使细菌耐药性增强等问题。低聚木糖的应用可以使人们在不使用抗生素的条件下能改善动物的生理机能、预防动物疾病，从而提高食品卫生安全质量。

韩丽等人[23-24]发现饲粮添加一定剂量的低聚木糖可调控机体氮代谢和与脂代谢相关的血浆生化参数，提高肌肉中单不饱和脂肪酸和饱和脂肪酸+单不饱和脂肪酸含量及油酸与亚油酸含量比，加强肌纤维类型和肌肉生长相关基因的表达。从而改善猪肉性状和提高食用价值。且以猪体重30～100 kg阶段添加100 g/t低聚木糖为最佳。

陈晓瑛等人[25]研究虾饲料中加入低聚木糖对凡纳滨对虾的消化和肠道影响时发现，适量的低聚木糖能显著增强凡纳滨对虾幼虾的消化酶活性，并能改善其消化功能，预防肠道疾病。

Li D D等人[26]研究在饲料中添加低聚木糖对蛋鸡生产性能、蛋品质、养分消化率和血浆参数的影响，发现低聚木糖能提高蛋壳厚度和蛋壳质量。在蛋鸡产蛋高峰时，低聚木糖可以使钙消化率增加，血浆谷丙转氨酶、胆固醇、高密度脂蛋白和极低密度脂蛋白水平降低，从而提高蛋壳厚度和增加蛋壳相对质量，进而改善蛋鸡生产性能。

3 结语

农业副产品是提高可再生生物质利用率的重要原料，高效率生产低聚木糖就是使农业副产品实现高值化利用的关键之一。尽管已经有了很多的低聚木糖生产的方法，但这些从粮食废弃物中提取XOS的方法存在许多问题。比如经常会被木糖和阿拉伯糖等杂质污染。再比如由于玉米秸秆的复杂结构，从玉米秸秆中获得的低聚木糖带有诸如纯度低和色值高的问题，这些问题显著降低了低聚木糖的品质和生产效率，需要更多研究来解决。低聚木糖的工厂化生产和产品应用普及还处于萌芽阶段。作为一种极具潜力的益生元，低聚木糖将会随着学者研发的不断深入得到大规模生产和广泛应用，从而创造较大的经济效益和社会效益。