低聚木糖制备的研究进展

顾峰源，姚自选，潘 艳，刘 练，常思源

(南京科技职业学院生物与环境学院，江苏 南京 210048)

作为继基因技术以及蛋白质技术之后的又一新型工程技术，糖工程有关生物学研究正逐渐为业内所关注，并成为引领学科发展的重要力量。而作为典型的新生理活性组成，功能性低聚糖等已然被广泛应用于治疗、保健以及营养、防范疾病等各个方面[5]。就国际层面而言，业已形成了统筹基因、蛋白质以及糖等各项工程的前沿生物技术形式，包括医疗行业、饲料行业以及农业等各个领域均有涉及。

如图1所示，低聚木糖主要包含了2-7个左右的木糖分子以β-1,4糖苷键组合而来的单一功能性聚合堂形式[6]。相较于其它糖形式，该类糖更易为人们所消化，以及渗透性均有着一定的优势，可以大大拉长整个功能周期，提高机体等的抵抗力以及抗疲劳性，大大缓解有毒物质以及细菌等的产生，同时也具有一定的保健功效，在防范便秘以及控制病原菌等方面有着一定的积极作用。除外，它也可以促使更多的B族维生素产生，在酸性以及碱性等环境内，该糖的稳定性更佳，耐热性也更为理想。此外它还可以帮助人体肠胃等活动循环，为双歧杆菌等繁衍提供良好的环境。一系列的优势特性，使得低聚木糖有着更为广阔的使用环境，包括饮料、保健食物以及饼干等均含有该物质，除此之外，它在化工行业、医疗行业以及饲料领域等也有着广泛的运用。现阶段，该糖已然受到业内的广泛关注，是整个行业发展研究的重要内容[7]。

图1 低聚木糖主要成分及其化学结构

低聚木糖的生理功能和作用逐渐被开发，少量的产品也进入了我们的日常生活，但低聚木糖的产品纯化与精制一直存在效率低，杂质多，纯度低等问题，极大的影响了其工业化进程。因此，低聚木糖制备过程亟务必改善并提升产能以及精制模式。当下，包括酸水解、酶水解以及自水解等为常用的制备策略。

1 酸水解法

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产低聚木糖。韩鹏飞等人对于现有的酸水解制作环境等进行改善[1]，利用固体酸催化水解的方式得到低聚木糖。将反应时长、温度环境以及大孔树脂用量等作为变量，分析各自对转化率等的影响。就结果而言，水解的方式得到的目标糖分，其最为理想的环境为0.5克的木聚糖、0.3的大孔树脂以及3小时的反应周期，温度控制为110摄氏度。这样的条件可以使得木聚糖转化率达到100 %，实际可以完成百分之四十一左右的目标糖分获得。学者张红玉及其团队则通过醋酸循环的分式对玉米芯等进行管控，也实现了近百分之四十六的目标糖分获得，按照1公斤玉米芯为基础，大致可以获得139.8克左右的低聚糖[9]。这些方法改变了酸条件，提高了低聚木糖的得率，优化现有的制备工艺，但是酸水解效率不高，制备出来的成品中杂质较多，并且低聚木糖的含量仍旧较低。

2 自水解法

生物质农业废弃物富含木聚糖，在高温和高压下也可以进行自水解，从而得到低聚木糖。学者连之娜及其团队则通过高温水域水解的办法得到了蔗渣内的低聚木糖成分[2]。利用正交测试的的方式确定最理想的环境，优化了提取工艺条件。该实验表明，最高的水解温度对甘蔗渣水的预水解和目标糖分获得之间的联系。此外为液体比以及维系周期。蔗渣水域水解的最理想环境为：160摄氏度的温度环境、1∶8的液比以及持续2小时的保温环境，在该情况下，低聚木糖得率为17.0%。Zhang等以甘蔗渣为底物进行自水解，当温度 200 ℃条件下自水解10 min，低聚木糖产率达50.35%[8]。在相同条件下，通过添加乙酰基帮助自身水解，木糖寡糖的收率为52.99%。乙酰基的辅助添加没有显着增加产率，但是以2-5的聚合度显着增加了木糖寡糖的糖组分的含量。这极大地限制了其用途。另外，后续的精制过程过于繁琐、这也制约了其应用，此外之后的精炼缓解也相对复杂、成本颇高且产品收率低，因此不适用于工业生产。

3 酶水解法

酶水解生产低聚木糖通常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。张立钊等以碱法油茶籽壳抽提的木聚糖粗提液为底物，基于对木聚糖酶解环境温度、周期、底物浓度以及酶用量等的逐个分析测试，并结合响应面法优化了木聚糖寡糖的酶法制备工艺[3]。在最佳条件下，木糖寡糖浓度为11.63 g/L，比优化前提高了4.63 g/L。该方法以农业废渣为原料，通过优化最佳反应条件，显着提高了低聚木糖的收率，为增加副产品油茶山茶的附加值提供了理论依据。陈嘉川等以桉木预水解液为原料，首先采用Ca(OH)2和活性炭处理制备二级处理预水解液，用于低聚木糖的制备[4]。通过优化木聚糖酶添加量、酶反应时间、反应温度和反应pH值提高了二级处理预水解液中聚合度为2～4的低聚木糖含量。在木聚糖酶添加量2 U/g、反应时间3 h、反应温度55℃和反应pH值5.5时，三级酶解液中低聚木糖DP2～4含量为12.22 g/L，与酶解前水解液含量提高了67.2%。三级酶解液中低聚木糖DP2～4含量占桉木预水解液中总木糖含量的56.1%。进一步对所制备的低聚木糖产品进行红外光谱(FT-IR)和热重分析(TGA)表明，通过对聚木糖酶分析预水解液制曲而来的糖分中带有一定的糖醛酸侧链，稳定效果较好。木聚糖酶定向水解糖分，整个过程相对揉合，没有明显的其它产生，便于纯化且色泽也比较浅。目前，它是生产木聚糖寡糖的主要方法。但反应后仍需要复杂的产品纯化和精制过程，大大的提高了生产成本，影响了低聚木糖的工业化生产进程，以及在产品中的应用。

4 结语

综上所述，现有的方法对于低聚木糖制备有了一定程度的优化，在制备效率，产品纯度和产品功效均得到提高。近年来，农业产品的副产物木聚糖由于含有较多杂质而大大限制了其工业化应用，产品质量也不好控制，因此低聚木糖的精制与分离提纯也成为其后续工业化应用的关键。现在的低聚木糖的开发还没有到达峰值，作为新一代功能性糖，还没有被完全被运用，这些生产上的优化促进了低聚木糖的应用发展，为往后的大面积普及使用奠定了主要理论基础。

低聚木糖具有非常有希望的未来。包括保健行业的不断深入发展与推动，客户的需要也越来越多。低聚木糖的优点是添加量少，稳定性好，选择性高，正符合胶囊，片剂和其他剂型更易于携带和服用的普遍需求。这些优势是其他低聚功能性糖无法比拟的。另外，作为较为新式的饲料添加剂成分，其在抑菌方面也有着出色的表现，此外可以进一步的维稳动物的健康以及产能。因此，许多国家已经制定了法律，越来越多的抗生素被规避在饲料添加剂范畴之外。包括各项政策的不断完善，产业发展逐渐趋于多元化以及创新化。这也为该糖类产业的可持续发展提供了新的契机。