低聚木糖的研究进展

崔媛媛，郑文静，许琳琳，刘容，孙卫东

(广西大学 轻工与食品工程学院，南宁 530004)

低聚木糖的研究进展

崔媛媛，郑文静，许琳琳，刘容，孙卫东*

(广西大学 轻工与食品工程学院，南宁 530004)

低聚木糖是一种功能性低聚糖，在食品、保健品、药品、农业等方面都有重要作用。阐述了低聚木糖的结构性质、功能特性和制备方法，同时也综述了国内外的研究进展和应用。低聚木糖高值化利用的研究和开发将会带来很大的经济效益和社会效益[1]。

低聚木糖；结构性质；功能特性；应用

低聚木糖是近些年来备受关注的一种功能性低聚糖。与其他功能性低聚糖相比较，低聚木糖具有良好的理化特性和双歧杆菌增殖特性。另外，低聚木糖还有抗氧化性、促进钙吸收、增强机体免疫力、降低结肠癌等作用。目前，国内外研究低聚木糖的制备以及应用的很多。利用农业废料如玉米芯、甘蔗渣、小麦秸秆等水解制备低聚木糖是一个很好的方向，在实现废料高值化应用的同时，也缓解了农业废料造成的环境压力。

1 低聚木糖的结构和性质

1.1 低聚木糖的结构和理化性质

低聚木糖(xylo-oligosaccharide)是一种寡糖，由2～7个D-木糖分子(xylose)以β-1,4糖苷键连接构成，主要以木二糖和木三糖为主，见图1。

图1 低聚木糖结构图

低聚木糖的甜度约为蔗糖甜度的50%，而且甜味纯正，跟蔗糖相似，所以在食品中可以被用作甜味剂。低聚木糖酸稳定性和热稳性很好，在 pH 2.5～8.0范围内，加热1 h几乎没有破坏 ，在 120 ℃加热1 h仍然很稳定。低聚木糖的粘度较其他低聚糖要低 ，并且随着温度的上升黏度下降。低聚木糖的着色性较蔗糖稍弱，但与氨基酸共存时着色性较好。低聚木糖储存于-10 ℃也不易冻结，抗冻性较葡萄糖和蔗糖好。

1.2 低聚木糖的功能特性

1.2.1 难消化性、热量低

低聚木糖很难被动物的消化酶系统所分解。动物的唾液、胃液、胰液和肠液等各种消化液几乎不能分解低聚木糖。此外，木二糖和木三糖的热值为2 kal/g，木寡糖的平均热值为3.422 kal/g，热值相对其他物质较低。因此可以作为较好的食品甜味剂，满足那些喜欢甜品又担心发胖者的要求，还可降低糖尿病人、肥胖病人和高血糖病人糖的摄入量，有利于他们的健康。

1.2.2 低聚木糖降低血糖、血脂、胆固醇

低聚木糖有降低血糖、血脂、胆固醇的作用。低聚木糖能够降低苹果酸脱氢酶、脂肪酸合成酶、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶等有关脂肪合成酶的活性，从而降低脂肪在体内的合成和积累。正是由于低聚木糖的这一特性，食用低聚木糖不能转化为胆固醇、脂肪，从而有降胆固醇，降血脂等作用。因此可以作为较好的食品甜味剂，满足那些喜欢甜品又担心发胖者的健康需求，有助于肥胖病人和心脑血管病人的健康。

1.2.3 增殖双歧杆菌

Zhao D L等[2]研究了XOS对双歧杆菌和乳酸菌生长的影响。研究证明： 添加1.56 mg/mL XOS、86%的双歧杆菌和38%的乳酸菌的生长受到刺激；6.25 mg/mL XOS、100%的双歧杆菌和62%的乳酸菌的生长受到刺激。低聚木糖能显著地增殖双歧杆菌。虽然功能性低聚木糖不能被消化系统所消化吸收，但是属于可发酵糖，因此是双歧杆菌的有效增殖因子，可大量增殖双歧杆菌。

肠道微生态失衡是影响肠癌的重要因素之一。腐生菌会产生一些有毒的代谢产物如胺、酚、吲哚等致癌产物。双歧杆菌的增殖会使腐生菌的含量下降，使肠道微生态环境得到改善，使机体的免疫力提高。与此同时，双歧杆菌可以与一些致癌的诱导剂如亚硝酸胺或亚硝基胍等发生结合，隐藏其活性基因，或使其活性基因降解。Hsu C K等[3]将雄性斯普拉格-杜勒鼠分为4组，一组作参照，其他三组的饲料中分别添加1,2-二甲基肼(DMH)、DMH和XOS、DMH和低聚果糖(FOS)，结果发现：XOS和FOS能明显降低盲肠的pH、甘油三酯浓度，增加盲肠总重量，增加双歧杆菌数量，XOS的效果较FOS更好。同时，XOS和FOS能明显减少变异结肠腺窝病灶(ACF)。这说明XOS和FOS对癌前结肠病变有积极的影响，XOS比FOS的效果更好。

双歧杆菌在代谢时产生的乳酸和乙酸，能加速肠道蠕动和通便，不但可以缓解便秘，还可以促使这些致癌物质迅速排出体外而解毒，因此有保护肝脏的作用。 Tateyama I等[4]为了探究低聚木糖缓解便秘的作用，临床观察了29名30岁孕妇在妊娠晚期连续4周摄入 4.2 g XOS后便秘改善情况。随着摄入XOS时间的增加，孕妇排便量逐渐增加；摄入XOS 4周时，27名孕妇可以自发排便，并且没有发现副作用。因此，低聚木糖可以缓解孕妇便秘且无不利影响。

1.2.4 防龋齿

龋齿主要是由菌斑细菌主要是变形链球菌产生的有机酸，如乳酸造成酸性环境，导致牙釉质脱落。低聚木糖和其他低聚糖一样，不但不能被口腔中的消化酶分解，也不能被口腔中的微生物利用，低聚木糖不能被口腔内的细菌如变异链球菌等分解成具有粘着性的单糖如果糖、葡萄糖、半乳糖等。低聚木糖与蔗糖并用时能阻止蔗糖被龋齿病原菌作用而生成水不溶性的高分子葡聚糖(牙垢)，可抑制葡萄糖在牙齿上附着，防止牙齿表面珐琅质脱灰。因此，低聚木糖可以作为无龋齿性及抗龋齿性的甜味添加剂应用于儿童食品中[5]。

1.2.5 营养作用

低聚木糖可以被双歧杆菌利用，促进多种维生素的合成和吸收，例如烟酸、叶酸。低聚木糖还可促进钙、铁、锌、镁等微量元素的吸收利用。低聚木糖在肠道中被双歧杆菌发酵为短链脂肪酸，短链脂肪酸可以降低肠道pH值，并且能够与微量元素结合，增加矿物质的溶解度；此外，功能性低聚糖还能刺激结肠膜细胞，提高肠道对矿物质的吸收能力。低聚木糖和钙同时摄入时，能够促进机体对钙的吸收。宁俊等为研究低聚木糖对大鼠骨钙及血钙的影响，对大鼠进行正常饲料及低钙饲料中添加2%低聚木糖的喂养，喂养周期21天。其中低钙饲料组中，喂养低聚木糖的大鼠股骨干重增加11%～20.0%，股骨长度也有明显增加，骨钙含量增加9%～32%；普通饲料组中，喂养低聚木糖的大鼠骨钙含量增加5%～26%。结果表明：低聚木糖能够有效地提高大鼠股骨干重及长度及骨钙的含量[6]。

1.2.6 抗氧化作用

Bian J等[7]通过对蔗渣制备的低聚木糖抗氧化性的研究发现:低聚木糖的抗氧化活性与浓度有相关性。在浓度为0.1,0.2,0.4,0.6,0.8 mg/mL时，低聚木糖的清除作用分别是20.1%，27.3%，36.1%，48.6%，62.1%。随着浓度的增加，抗氧化活性也大体增加，在浓度为2 mg/mL时达到84.5%。低聚木糖能有效清除自由基，表现出良好的体外抗氧化活性。

2 低聚木糖的制备

低聚木糖，即低聚合度的木聚糖。木聚糖水解可以生成低聚木糖。目前多糖水解生产低聚木糖是最常用的方法。近些年来，越来越多的学者研究从农业废物分离水解生产低聚木糖，如小麦秸秆、棉杆、玉米芯、蔗渣、麦麸等。

2.1 多糖水解制备低聚木糖

2.1.1 酸水解

酸水解通常采用三氯醋酸、盐酸、硫酸的稀酸部分水解木聚糖制备低聚木糖。Akpinar Ozlem等研究木聚糖硫酸水解的最适条件，得出结论：0.25 mol/L H2SO4、时间30 min条件下，低聚木糖的产量最高为8%～13%。低聚木糖的产量取决于酸的浓度和水解的时间[8]。但是由于酸有腐蚀性，因此该方法要求设备具有很强的耐酸性、耐热性、耐压性等，从而增加了生产成本，并且酸水解的过程难以控制，低聚木糖的产率也较低。

2.1.2 酶水解

酶水解法是利用内切型木聚糖酶定向酶解木聚糖，故副产物较少，有利于后续工艺中低聚木糖的分离、提纯和精制，所以酶水解法是目前生产低聚木糖的主要方法。酶法制取低聚木糖的条件温和，不需要高温高压，而且相对节约能源，生产周期短。Yang等[9]研究了嗜热裂孢菌(ThermobifidafuscaNTU22)产出的木聚糖酶分解木聚糖制备低木聚糖，木聚糖酶最适pH为6.0～8.0，最适温度为70 ℃。隋明等在酶解时间5 h、温度55 ℃、底物质量浓度100 g/L，加酶量1000 U/g的条件下，使用凝胶树脂对低聚木糖粗提液进行分离，提取的平均聚合度为3.12，此时木二糖和木三糖含量较高，具有更强的生理活性[10]。

2.1.3 热水抽提法

利用木聚糖自身含有的乙酰基在一定温度或压力的作用下脱落生成乙酸，降低反应体系的pH值，使得木聚糖的 β-1,4糖苷键发生自身水解断裂。赵兴秀等[11]采用热水浸提法提取白酒丢糟中的低聚木糖,通过单因素试验和正交试验优化的提取工艺条件为：温度100 ℃、料液比1∶20 (g/mL)、提取时间120 min；乙醇浸提试验表明95%乙醇浸提的效果最好，提取率高达91.57%；质谱结果表明低聚木糖中主要含木五糖、木七糖和木三糖。

2.1.4 超声波法

超声波法是一种用时短、效率高、不损坏提取物的新型方法。在超声波作用下，超声波的震动产生巨大剪切力和高温能使物料中的大分子物质化学键断裂，发生降解，同时对表面结构的破坏有利于预料与酶结合、与化学试剂作用，从而改变反应性能，进而提高后续的反应活性及酶解率，促进反应的进行。支佳佳等[12]以棉籽壳为原料，在优化条件下，超声温度为60 ℃，超声时间为30 min，料液比为1∶15，NaOH浓度为8%，木聚糖得率为33.66%。对酶解实验条件进行优化，结合实际情况得到最优酶解工艺条件为料液比1∶20，加酶量4%，酶解时间3.5 h，酶解温度64 ℃，得到低聚木糖含量为3.35 mg/mL。

2.2 农业废物制备低聚木糖

我国是一个农业大国，农业废弃物如小麦秸秆、蔗渣、棉花秸秆、玉米芯等，是农业生产的副产品，产量大，价格低廉，通常被农民焚烧、做肥料或者作为饲料等，利用价值低，并且造成了一定的环境压力，其高值化的应用有待开发利用以及推广实施。这些木质纤维材料中的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素等。其中的半纤维素主要以阿拉伯木聚糖的形式存在，可以借助外力作用分解为低聚木糖。

Akpinar Ozlem等研究表明：烟草茎、棉花秸秆、葵花杆，小麦秸秆等都富含木聚糖半纤维素，通过碱提取，酶解的方法制备低聚木糖。不同的农作物使用不同的酶。其中黑曲霉酶解小麦秸秆得到低聚木糖产率比烟草茎、棉花杆、小麦秸秆少。黑曲霉水解产物中有不同聚合度的低聚木糖，产量：X2>X3>X4>X5>X6。长柄木霉水解高度枝化的小麦秸秆可以得到产量较高的低聚木糖。低聚木糖的聚合度取决于酶的特异性和底物的结构。Ozlem Akpinar等还探究了酸水解烟草茎(TS)、向日葵茎(SS)、棉杆(CS)、麦秆(WS)制备低聚木糖的方法。TSX，CSX，SSX和WSX水解为XOS的适宜条件为0.25 mol/L H2SO4，30 min。XOS的产率和聚合度取决于酸浓度和水解时间，因此可以通过控制酸来控制低聚木糖的DP。但单糖的产率除了酸浓度和时间，取决于木聚糖的结构和组成[13]。

麦麸中含有丰富的半纤维素，可以被酶解成低聚糖。Wang T H等[14]研究了将麦麸微波处理，再进行酶解制备低聚木糖。麦麸粉通过微波处理，制成麦麸溶液，加入木聚糖酶反应，离心后取上清液，用活性炭进行吸附，再用50%乙醇洗脱，真空浓缩，冻干得到低聚木糖，产量可达到3.2 g/50 g麦麸。晁正等以麦麸为原料，采用正交试验设计，对酶法水解麦麸来源的木聚糖制备低聚木糖的工艺进行优化，最优条件为加酶量600 U/g，pH 值6，酶解时间 90 min，酶解温度60 ℃时，低聚木糖含量为 5.09 mg/mL[15]。

Sun等[16]于2015年阐述了超声辅助酶解法，研究了玉米芯制备低聚木糖的方法。用15% NaOH溶解(固液比1∶20)，100 ℃条件下处理蔗渣，盐酸调节pH至6.0，在超声波条件下200 W，50 ℃，酶浓度为4 g/L，水解10 min，测定总糖和还原糖含量、DP值。最大总糖含量、还原糖产量和DP值分别为(108.96±2.90)，(57.84±1.10)，(1.88±0.04) mg/g。利用超声波辅助酶水解获得的还原糖产量和可溶性总糖产量分别为不用超声的1.56倍和 1.10倍。

Azevedo Carvalho等从138种烟曲霉菌中筛选能酶解蔗渣木质纤维生成XOS的菌种，只有9种入选，其中AspergillusfumigatusM51和A.fumigatusU2370 产出木聚糖酶的菌种。酶解反应3 h时，这2种木聚糖酶能显著提高XOS的产量，分别为14.7%和7.9%。并且这些酶耐受温度是45～50 ℃，耐受pH的范围较广。反应48～72 h时，A.fumigatusU2370 产出的酶能水解蔗渣，产出低聚木糖为37.6%。这有利于剩余的蔗渣纤维素进行纤维素乙醇的发酵[17]。蔗渣中的半纤维素成分主要是木聚糖。陈海珊等研究了蔗渣制备低聚木糖有机酸处理的优化。试验得出蔗渣有机酸水解制备低聚木糖的最佳条件为酸比例(甲酸∶乙酸)9∶1，水解温度100 ℃，水解时间60 min，固液比1∶7，根据实验，在此优化条件下，实验得到蔗渣水解的水解率为47.78%，聚糖收率为11.88%，总糖收率为20.57%[18]。

3 低聚木糖的应用

3.1 低聚木糖在食品生产中的应用

低聚木糖可以应用于酸奶的生产。因为双歧杆菌对肠道的健康作用优于其他的乳酸杆菌，如嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌。而低聚木糖作为双歧因子对双歧杆菌有高效的增殖效果，并且低聚木糖可以促进钙的吸收，因此将乳酸菌添加到酸奶中可以起到促进人体健康的作用。

低聚木糖用于烘焙食品中可以降低鸡蛋、蔗糖、面粉的使用量，从而保证其低糖性，且可以改善口感，提高品质，降低烘焙食品的能量，从而满足肥胖消费者低能量摄入的要求。

另外，低聚木糖在果脯、甜点心、冷饮品中都有利用, 随着人们生活水平的提高, 低聚木糖的应用将更广泛。

3.2 低聚木糖在医疗保健上的应用

Sheu等[19]讲述了低聚木糖对2型糖尿病人的血糖、脂质的影响。结果表明：受试者在摄入营养量和人体测量值不变的情况下，摄入低聚木糖、血糖、胆固醇、LDL、ox-LDL、载脂蛋白B都有所下降，说明以低聚木糖作为膳食补充剂8周能有效改善2型糖尿病的血糖和脂质情况。Yang J等[20]首次临床观察了XOS对肠道微生物的改变，发现XOS有利于糖尿病人病发过程中肠道微生物的可逆变化，例如降低Enterorhabdus，Howardella，Slackia等的增长。同时，还能降低前驱糖尿病人的OGTT-2 h(2 h口服葡萄糖耐量试验)的胰岛素水平。

对低聚木糖的抗氧化研究表明：1 mg/mL低聚木糖对 DPPH 自由基和羟自由基的清除率分别达到 76.55% 和 80.30%，对超氧阴离子自由基的抑制效果较弱，最大清除率为41.12%，低聚木糖能有效清除自由基，表现出良好的体外抗氧化活性。因此，低聚木糖可以作为抗氧化、抗衰老等功能性保健品的有效成分应用于功能性食品中。

3.3 低聚木糖在饲料中的应用

为了控制畜禽在饲养过程中的发病率和死亡率，传统的方法使用抗生素等药物，这不仅会威胁到食用肉的品质安全问题，增加饲养成本，同时也使病菌的耐药性增强。与促进人类肠道健康的原理相同，低聚木糖同样可以促进畜禽的肠道健康，预防肠道疾病。因此，低聚木糖可以作为一种健康安全的饲料添加剂，用于预防畜禽肠道疾病，提高饲养的成活率[21]。

张荣斌等研究了饲料中添加低聚木糖对奥尼罗非鱼生长性能和血清生化指标的影响。得出结论：在奥尼罗非鱼饲料中添加一定量的低聚木糖对生长性能和体常规成分的影响不显著，但对血清生化指标有显著影响，血清生化指标随时间变动呈现动态变化，由回归方程计算可知，饲养到第6周时，饲料中低聚木糖添加量为600 mg/kg的罗非鱼的血清SOD和AKP均高于其他添加组；低聚木糖添加量为710 mg/kg时，CAT的活力最高；因此，饲料中600～710 mg/kg的低聚木糖为最适添加量。低聚木糖在其他畜禽上的应用也陆续有所报道。曾有研究表明：低聚木糖在水产养殖中能够降低肠道好氧菌总数和弧菌总数，有效促进异育银鲫、大菱鲆、草鱼、凡纳滨对虾等的生长[22]。

3.4 低聚木糖在农业中的应用

近几年，低聚木糖可以作为种子浸泡剂和植株喷洒剂在农业中的应用也有所研究。张秀秀博士分别采用不同浓度的低聚木糖溶液浸泡大豆种子和喷雾大豆叶片的方法研究低聚木糖对大豆生长和抗病性的影响。研究发现：与清水对照组相比，不同浓度的低聚木糖溶液浸泡大豆种子均能促进大豆幼苗鲜重、株高和根长的增加，且在一定范围内，随着浓度增加，促进作用增大。其中，低聚木糖浓度为50 mg/L时，促进效果最明显，但过高浓度的低聚木糖对大豆生长无作用。在用不同浓度的低聚木糖溶液喷施大豆叶片18 h后接种大豆花叶病毒SMV，与清水处理的大豆叶片相比，降低了大豆病毒病发病率，提高了大豆病毒病的防治效果。Quantitative RT-PCR 检测发现：低聚木糖促进了大豆花叶病相关防御基因的表达[23]。

另外，低聚木糖可以作为生态废料来促进作物的生长。实验表明：向土壤中施加一定量的低聚木糖后，有助于促进番茄对土壤中氮元素、钾元素的吸收，说明低聚木糖有利于保持土壤肥力[24]。

4 展望

低聚木糖是一种多功能特性的高值化产品。除了现有的研究之外，低聚木糖是否还有其他未被开发利用的功能特性以及应用值得我们去探究。目前，生产低聚木糖的原料和方法多种多样，提取制备方法的进一步优化有待研究。其次，木聚糖酶解的机理研究有助于低聚木糖的制备。酶法生产低聚木糖过程中，不同原材料的酶的选择、工艺参数的确定都有待研究。农林废料生产制备低聚木糖，降低生产成本，促进其高值化利用，同时也有助于解决农林废料带来的环境问题。因此，其产业化生产的发展将会产生很大的经济效益和社会效益。

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Research Progress of Xylo-oligosaccharide

CUI Yuan-yuan, ZHENG Wen-jing, XU Lin-lin, LIU Rong, SUN Wei-dong*

(College of Light Industry and Food Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China)

Xylo-oligosaccharide is a kind of functional oligosaccharide. It plays an important role in the aspects of food, health care products, medicines agriculture and so on.Expound the structure properties,functional features and preparation methods of xylo-oligosaccharide, and also summarize the research progress and application at home and abroad. The research and development of high-value application of xylo-oligosaccharide will bring great economic and social benefits.

xylo-oligosaccharide；structure properties;functional features；application

2017-03-16 *通讯作者

崔媛媛(1991-)，女，硕士，研究方向：制糖过程强化理论与技术；

孙卫东(1962-)，男，教授，博士生导师，研究方向：制糖过程强化理论与技术。

TS242.1

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.09.040

1000-9973(2017)09-0168-05