低聚木糖的生物活性、制备及应用研究进展

聂卉，李晓静，李坚斌

（1.广西大学轻工与食品学院，广西南宁530004；2.中州大学化工与食品学院，河南郑州450000）

低聚木糖的生物活性、制备及应用研究进展

聂卉1，2，李晓静2，李坚斌1，*

（1.广西大学轻工与食品学院，广西南宁530004；2.中州大学化工与食品学院，河南郑州450000）

低聚木糖是由木糖单元组成的低聚物，在蔬菜、水果、牛奶和蜂蜜等食品中广泛存在。作为良好的可食性膳食纤维来源，低聚木糖具有提高肠道健康和增加机体免疫等多种生物学活性，并具有良好的加工性能，因此被广泛应用于食品、医药及饲料等领域。本文阐述了低聚木糖主要生物活性、制备方法及应用方面的国内外研究进展。

低聚木糖；生物活性；制备；应用

随着经济的发展，人类对能源种类和食品品质的需求不断提升，如何开发生物质资源、进行生物质利用、扩展食品功能性成为国内外学者的研究热点。研究证明，通过化学和酶法降解富含木质纤维素的生物质，可以得到安全且对人体健康有益的各类低聚糖。其中，低聚木糖（Xylooligosaccharide，XOS）因具有其他低聚糖不可比拟的优势受到广泛关注。XOS又称木寡糖，是由2个～7个木糖单位以β-1，4-糖苷键结合而成的直链低聚糖的总称，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中最为有效的功能性组分，其含量越高，说明XOS制品活性越强、纯度越高[1]。XOS独特的生物活性和良好的加工性能决定了其广阔的应用范围，其甜度比蔗糖和葡萄糖略低，约为蔗糖的40%，能量值几乎为零。而在巴氏杀菌条件下（60℃～100℃，30 min）和高压灭菌条件下（121 ℃，0.098 1 MPa，10 min～50 min），XOS 显示出比其它低聚糖有着更好的耐酸稳定性[2]，因此在食品工业中使用范围更为宽泛。此外，XOS一个更为突出的特点是可以增值机体内的双歧杆菌。由于机体内缺乏直接水解低聚木糖的酶，因此XOS可以直接进入小肠，增加益生菌数量，维持菌群平衡，保证机体健康。目前，XOS普遍用于各类食品添加剂、医药及饲料领域中。本文就XOS的生物活性、制备及应用等方面加以综述，以期为开展其进一步研究提供帮助。

1 低聚木糖主要生理活性研究进展

XOS生物活性范围较宽，主要包括抗氧化活性、抗菌、抗感染、抗过敏、抗炎特性，选择性增加细胞活性，进行免疫调节等。从目前的研究来看，没有发现其毒性或对人类健康的负面影响，是一种理想安全的食品药品来源。本文主要从以下几个方面进行阐述。

1.1 降低血糖、血脂

糖尿病是一种内分泌疾病，其并发症可导致冠状动脉疾病、脑血管疾病、肾功能衰竭、截肢和失明等，属于全世界十大死亡率最高的疾病之一。

近年来的研究表明，通过合理摄入天然功能性食品可以对糖尿病进行很好地干预和治疗[3]，并显著改善糖尿病症状。Gobinath[4]用XOS喂食糖尿病大鼠6周后发现，糖尿病大鼠的超重现象得到缓解，血糖和胆固醇明显降低，同时肾组织中的尿糖、血肌酐和尿素浓度等糖尿病并发症特征的指标也呈下降趋势。陈海珊等[5]研究了木二糖对大鼠血脂、血糖和脂肪堆积情况的影响，通过对肥胖性大鼠连续喂食木二糖发现，能够显著降低大鼠血清甘油三酯与低密度脂蛋白胆固醇，说明木二糖具有较好的降血糖、降血脂作用，并可有效抑制大鼠体内脂肪堆积。XOS还作为可溶性膳食纤维有效推迟碳水化合物在消化道的水解，从而控制血糖水平。

1.2 提高肠胃健康

结肠健康被认为是健康状况的重要指标。通过摄入益生菌，可以增加抗菌物质的分泌，调节机体免疫系统，维持肠道菌群平衡。对人体健康影响主要包括：抑制腐败细菌活性，防止产生毒性；降低致病菌活性，防止因生产短链有机酸（如乳酸或醋酸）而导致胃肠道pH值降低；促进消化和吸收营养。益生菌的这些特性可以减少胃肠道感染几率，缩短腹泻时间，延迟胃清空，抑制有害致病细菌，从而降低许多结肠疾病的风险。其中，乳酸菌和双歧杆菌为公认的益生菌属代表。

XOS在人体中既能不水解也不能被胃肠道吸收，主要通过选择性地刺激机体活力或限制结肠中细菌的数量来维持肠胃动力。人体内能够被利用的细菌包括大部分乳酸菌物种，而一些有害菌如葡萄球菌、大肠杆菌和许多梭状芽胞杆菌则不能利用XOS，因此XOS可以造成双歧杆菌大量生长繁殖，从而改善人体健康肠胃。Campbell J M[6]通过喂养小鼠发现XOS除了可以增加肠道内双歧杆菌和大肠杆菌等有益微生物数量，还可以增加盲肠中短链脂肪酸的重量。魏涛等[7]研究了XOS对小鼠肠道菌群及润肠通便的影响。该研究以BALB/c小鼠为试验对象，在连续给予高剂量和低剂量的XOS 14 d后，测定小鼠粪便中双歧杆菌、乳杆菌、肠杆菌、肠球菌的含量。结果发现，各菌落均显著增加，且排黑便时间明显缩短，排黑便总量显著增加，说明XOS具有改善小鼠胃肠道菌群及润肠通便的功效。

1.3 促进矿物质吸收

Yukiko Kobayashi1[8]研究发现，缺铁性贫血小鼠通过食用酸性XOS，其肝脏的调铁素和小肠中铁转运蛋白显著降低，说明XOS可以提高机体铁的吸收。

许国辉等[9]在大鼠低钙饲料中添加2%XOS，喂养周期21 d，并测定大鼠钙摄入，及粪钙、尿钙含量以及钙的吸收率，发现XOS能够有效提高大鼠对钙的吸收率，降低粪钙含量，并且XOS对低钙饲料组的影响比普通饲料组的影响大。

2 低聚木糖制备研究进展

XOS主要存在于植物细胞的细胞壁中。典型的XOS生产原料包括硬木、玉米芯、秸秆、蔗渣、麦麸、麦芽饼等。在我国主要以玉米芯和甘蔗渣为原料进行XOS的生产和研究，原料来源比较单一。由于木聚糖和木质纤维素类生物质以聚糖-木质素复合物形式存在，受该成分的影响，提取率会受到一定程度影响。一般来说，制备XOS可以通过以下两种方式：一是酶直接水解原料；二是两步水解：化学法预处理木质纤维素，使其降解为木聚糖；再用酶法或者化学方法降解木聚糖，得到XOS产品[11]。

除了传统的生物质原料，也有学者尝试从其他原料中获得XOS，其中研究最多的是利用农业废弃物。Ai Ling Ho[10]利用了油棕生产副产品和油料作物--棕榈果纤维中提取到XOS，扩大了原料来源。然而XOS的提取过程并不经济，这也限制了XOS的大规模应用。因此，当前XOS应用的前提和研究重点是如何降低XOS提取过程附加值，扩大原料来源并提高提取率。

2.1 低聚木糖制备

XOS生产过程包括预处理和水解过程，其中水解方式分为酸碱水解和酶水解。一般来说，预处理过程主要通过利用乙醇或乙酸乙酯洗涤原料，达到去除杂质和果胶等化合物的目的，以使XOS生产步骤更高效。目前预处理方法主要有热水、酸碱和酶法预水解。预处理后的水解物，是包含高取代度的高聚物混合物。液相部分富含半纤维素，通过进一步水解可得到有价值的产品，如可溶性低聚糖，糖类和醛；沉淀固体含高纤维素和木质素，进一步处理后，可用作纸浆生产、糖发酵或能源。

XOS的提取一般通过物理（如热水浸提、蒸汽爆破），化学方法（酸碱）或酶法。酸碱结构和酶的性质对提高提取率来说至关重要，水解得到的产物并不相同。Ozlem Akpinar[12]比较了木聚糖酶和硫酸水解烟草茎的XOS得率，并研究了木聚糖酶的最适pH值、温度、水解时间、底物和酶浓度与提取率和聚合度的关系，发现酸水解得率略高，而二者水解产物中单糖数量差别较大。

近年来的研究表明，单一的提取方法已经不能满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叶高温蒸煮液的工艺条件，得到纯度为26.61%的XOS。刘枕[14]以稀硫酸预浸辅助蒸汽闪爆法提取玉米芯中的木聚糖，即在100℃条件下，用0.1%的稀硫酸先对玉米芯原料浸泡，再采用新型弹射式汽爆设备爆破玉米芯提取其中的木聚糖，然后以内切木聚糖酶对汽爆后玉米芯进行渣浆一起酶解，得到XOS含量为65.08%。侯丽芬等[15]以碱性H2O2预处理后的玉米芯为原料，利用木聚糖酶降解木聚糖制备XOS，得到低木聚糖提取率和水解率分别为27.1%和76.3%。Chapla[16]先将玉米芯碱水解，再用臭曲霉对其水解，然后使用活性炭柱色谱法纯化得到XOS。同时，该研究还发现，在高温和低pH值条件下，XOS做为添加剂稳定性极高。

应用于食品中的XOS，其取代度最好控制在2～6之间。因此在注重XOS提取率的同时，还要保证其纯度和活性，这也是今后需要研究的重点内容。

2.2 低聚木糖酶的筛选和制备

通过化学方法得到的产品，会产生副产物或一些低聚合度的产品，无法控制XOS纯度。而酶水解法性质温和，产率高，研究证明，生产XOS最好能够切断其1，4-木聚糖糖苷键。从黑曲霉、木霉和特异性腐霉等真菌中能够培养得到这种性质的酶[17]。由于酶水解低聚糖生产过程受到微生物来源的稳定性、类型、温度等关键因素的影响，对酶的筛选和优化也是目前XOS提取工作的研究热点。

Haddar等[18]从莫威海芽孢杆菌中培养出木聚酶，并优化了试验条件，在温度50℃和pH 8.0条件下使酶保有96%的活性，并将该酶水解从玉米穗轴中提取到木聚糖，证明该酶有很好的应变生产潜力。Aragon[19]从杂色曲酶中提取木聚酶，并将其置于自行设计的酶反应器中进行连续化生产XOS。在实验室条件下，测定酶活性保持在85%。通过水解试验，木二糖生产率提高约2.5倍。Driss等[20]利用固定化青霉木聚糖酶催化水解玉米芯，得到主要产物主要是木二糖、三糖和一小部分具有较高的聚合度（DP）的寡糖。并发现，pH值范围变宽且酶活力温度升高至65℃。芽孢杆菌木聚糖酶培养和优化发现，该菌具备良好生产XOS潜力[21]。国内也有利用复合酶作用制备XOS[22]的报道，利用阿魏酸酯酶、木聚糖酶和漆酶复合作用木聚糖制备XOS，使产率达到了67.2%。

3 低聚木糖的应用

3.1 食品中的应用

低聚糖的开发应用在日本已有20多年历史。近几年来，欧美、东南亚一些国家和地区的科研究构也竞相研究各种低聚糖的生产和应用技术，一部分XOS产品也陆续生产上市。日本三得利公司开发的木寡糖制品进入市场最早，一直掌握核心技术，拥有较高的市场占有率。

XOS在食品中的应用基于其加工性能及对人体健康的功能活性。相比较其他的低聚糖如低聚果糖，XOS具有广泛稳定的pH（2.5～8.0）和耐受温度（最高可达100℃）。其水分活度度比木糖高，与葡萄糖相近；冷冻温度高于木糖（-10℃），而与葡萄糖、蔗糖和麦芽糖一致。另外，XOS具有较好的口感，热量值很低，非常适合作为糖类替代品。

因此，XOS在抑制淀粉回生、改善食物的营养和感官性状方面有很强的实用性。目前，XOS在食品中的应用主要作为食品添加剂使用在饮料、乳制品和焙烤制品中，如添加在乳制品中可以改善人体肠道微生物平衡，添加在蛋糕、饼干产品中可以延长货架期和食用性能等。除此以外，也有学者将其用于果醋和葡萄酒酿造工艺中，但仅限于研究阶段。

3.2 饲料中的应用

近几十年来，大量的抗生素添加至动物饲料中，用于动物生产、治疗和生长促进。动物在养殖过程中，很容易因肠道菌群失调而引起腹泄，影响体重甚至引起死亡。同时，还造成动物耐药性不断增长、引发食用安全问题。2006年，欧盟开始禁止抗生素作为生长促进剂使用。已有研究显示，饲料中加入益生元，可以能够调节动物肠道益生菌数量，减少动物因肠道细菌感染而引起的病变，同时防止有害菌的生长和繁殖。

XOS作为唯一碳源可以有效被双歧杆菌利用进行发酵。当动物在感染食源性细菌包括沙门氏菌、大肠杆菌和李斯特菌产单核细胞时，XOS具有保护作用[23]。通过研究XOS抗感染药活动对小鼠、大鼠、猪、肉鸡、仓鼠和豚鼠等的影响，表明XOS可以改善动物抵抗细菌感染，预防腹泻，减少病原体增殖，增加动物存活量[24]。Senani等[25]研究发现，XOS可以有效增长反刍动物肠道中肠球菌和乳酸菌数量，改善动物消化率。目前，我国已应用在蛋禽、肉禽、生猪、奶牛等养殖方面。

在水产养殖中，影响鱼和贝类养殖的经济效益很大程度上是由于细菌感染导致的疾病。因此早期的疾病预防与控制是水产养殖中的关键。Hoseinifar[26]将XOS添加到于库图拟鲤饲料中，用于防治皮肤黏膜的预防感染，改善了黏液的杀菌活性。

4 前景及展望

XOS做为功能性低聚糖，其良好的生物活性和生理功能已获得广泛关注，如在日本，XOS的年需求量已达1500 t。近年来，在活性和应用研究方面也取得了一定发展，如有学者发现XOS可以诱导肿瘤坏死因子和巨噬细胞，进行免疫调节[27]；将XOS衍生物用作涂料粘接剂等[28]。

但该领域仍存在一定问题。如提取、制备工艺相对繁琐，无形中增加了产品的生产成本，从而限制了其在工业中的应用范围；目前对XOS的研究多停留在生理功效上，对其在组织细胞中的分布以及分子水平上的作用机理还不甚了解；其生物活性主要集中研究其稳定pH值范围、耐热性、低卡路里、无毒性等方面，其他的属性仍需要进一步开发；一些木聚糖酶已经可以按照实验室条件达到较好的水解效果，但是目前还未发展到大规模工业化应用的阶段；如何优化纯化方法、获得高纯度的XOS途径也是急需研究的课题。

目前国外一些企业已经实现了工业化生产，相比较之下，我国仍处于研究阶段。大力发展XOS产业，不仅将促进我国低聚糖工业向一个新的方向发展，而且还可以处理农林废料、变废为宝、保护环境，具有十分重大的经济效益和社会效益。

[1] C Antoine,S Peyron,V Lullien-Pellerin,et al.Wheat bran tissue fractionation using biochemical markers[J].Journal of Cereal Science,2004,39(3)：387-393

[2] Ozlem Akpinar,Kader Erdogan,Seyda Bostanci.Enzymatic production of Xylooligosaccharide from selected agricultural wastes[J].Food and Bioproducts Processing,2009,87(2)：145-151

[3]West I.Radicals and oxidative stress in diabetes[J].Diabetes Med,2000,17：171-180

[4] Duraiswamy Gobinath,Arenahalli N.Madhu,Giribhattanavar Prashant,et al.Beneficial effect of xylo-oligosaccharides and fructo-oligosaccharides in streptozotocin-induced diabetic rats[J].Br J Nutr,2010,104(1)：40-47

[5] 陈海珊,李赐玉,石国良,等.木二糖对营养性肥胖大鼠的减肥作用[J].食品科学,2014,35(11)：255-258

[6] Joy M C,George C F,Bryan W W.Selected indigestible Oligosaccharides affect large bowel mass,cecal and fecal short-chain fatty acids,pH and micro flora in rats[J].J Nutr,1997,27：130-136

[7] 魏涛,赵建元,高兆兰,等.低聚木糖调节BALB/c小鼠肠道菌群及润肠通便作用研究[J].安徽农业科学,2013,41(1)：159-160,163

[8] Yukiko Kobayashi,Etsuko Wakasu gi.Acidic Xylooligosaccharide promotes recovery from iron deficiency anemia by enhancing serum iron level in rats[J].Biomedical Research,2011,22(4)：417-423

[9] 许国辉,肖萍,尹增吉,等.低聚木糖对大鼠粪钙、尿钙的影响[J].中国食品添加剂,2011(1)：164-167

[10]Ai Ling Ho,Florbela Carvalheiro,Luís C Duarte,et al.Production and purification of xylooligosaccharides from oil palm empty,fruit bunch fibre by a non-isothermal process[J].Bioresource Technology,2014,152：526-529

[11]M J Va′zquez,J L Alonso,H Dom′nguez,et al.Xylooligosaccharides：manufacture and applications[J].Trends in Food Science&Technology,2000,11：387-393

[12]Ozlem Akpinar,Kader Erdogan,Ufuk Bakir,et al.Comparison of acid and enzymatic hydrolysis of tobacco stalk xylan for preparation ofxylooligosaccharides[J].LWT-FoodScienceandTechnology,2010,43：119-125

[13]李敏,李坚斌,梁欣泉,等.甘蔗叶酶法制取低聚木糖的工艺研究[J].中国酿造,2011(12)：54-57

[14]刘枕.蒸汽闪爆预处理-酶法生产低聚木糖工艺研究[D].无锡：江南大学,2013

[15]侯丽芬,孙向阳,丁长河,等.碱性H2O2预处理玉米芯酶法生产低聚木糖的研究[J].农业机械,2013(2)：89-92

[16]Digantkumar Chapla,Pratima Pandit,Amita Shah.Production of xylooligosaccharides from corncob xylan by fungal xylanase and their utilization by probiotics[J].Bioresour Technol,2012,115：215-221

[17]Polizeli M L T M,Rizzatti A C S,R Monti,et al.Xylanases from fungi：Properties and industrial applications[J].Appl Microbiol Biotechnol,2005,67：577-591

[18]Anissa Haddar,Dorra Driss,Fakher Frikha,et al.Alkaline xylanases from Bacillus mojavensis A21：production and generation of xylooligosaccharides[J].Int J Biol Macromol,2012,51(4)：647-656

[19]C C Aragon,A F Santos,A I Ruiz-Matute,et al.Continuous production of xylooligosaccharides in a packed bed reactor with immobilized-stabilized biocatalysts of xylanase from Aspergillus versicolor[J].Journal of Molecular Catalysis B：Enzymatic,2013,98：8-14

[20]Dorra Driss,Anissa Haddar,Raoudha Ghorbel,et al.Production of Xylooligosaccharides by Immobilized His-tagged Recombinant Xylanase from Penicillium occitanis on Nickel-Chelate Eupergit C[J].Appl Biochem Biotechnol,2014,173：1405-1418

[21]I D Gowdhaman,V Ponnusami.Production and optimization of xylooligosaccharides from corncob by Bacillus aerophilus KGJ2 xylanase and its antioxidant potentia[J].lnternational Journal of Biological Macromolecules,2015,79：595-600

[22]岳鹍,王芃,孙勇民.混料设计优化复合酶酶解制备低聚木糖工艺[J].食品与机械,2011(6)：254-256

[23]LeBlanc A M,Castillo N A,Perdigon G.Antiinfective mechanisms induced by a probiotic Lactobacillus strain against Salmonella enterica serovar Typhimuriuminfection[J].International Journal of Food Microbiology,2010,138：223-231

[24]Samanta A K,Senani S,Kolte A P,et al.Production and in vitro evaluation of xylooligosaccharides generated from corncobs[J].Food and Bioproducts Processing,2012,90：466-474

[25]Seyed H H,Maryam S,Mohammad J V,et al.The effects of dietary xylooligosaccharide on mucosal parameters,intestinal microbiota and morphology and growth performance of Caspian white fish(Rutilus frisii kutum)fry[J].Fish&Shellfish Immunology,2014,5：231-236

[26]CHEN Hua Han,CHEN Yu Kuo,CHANG Hung Chia,et al.ImmunomodulatoryEffectsof Xylooligosaccharide[J].Food Science and Technology Research,2012,2：195-199

[27]Christiane Laine,Ali Harlin,Jonas Hartman,et al.Hydroxyalkylated xylans-Their synthesis and application in coatings for packaging and paper[J].Industrial Crops and Products,2013,44：692-704

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

聂卉（1978—），女（汉），讲师，博士，研究方向：糖类物质生物利用及污染控制。

*通信作者：李坚斌（1970—），女（汉），教授，博士，博士生导师，研究方向：糖类利用和污染控制。

2015-08-03