非酶法催化木质纤维原料转化制备低聚木糖研究进展

张威伟, 张 波， 张乐平， 蒋建新*

(1.北京林业大学 材料科学与技术学院；林业生物质材料与能源教育部工程研究中心，北京 100083; 2.北京林业大学 生物科学与技术学院，北京100083)

随着人们生活水平的提高和健康意识的增强，消费者更热衷于天然产品用作药膳来治疗相关疾病，并对食品营养价值和健康益处提出了更高的要求。不可消化的碳水化合物如膳食纤维和功能性低聚糖等已经被证实对健康具有良好的促进作用[1-3]。低聚木糖(XOS)是由2～10个木糖以β-1,4-糖苷键连接形成直链或支链的低聚糖，因聚合度(DP)越小对人体健康的改善效果越明显，通常聚合度2～7的XOS被认为是功能性XOS[3-4]。与低聚果糖和大豆低聚糖等相比，XOS具有优异的理化性质和显著的双歧杆菌增殖效果，而且用量小、耐酸、耐热，被广泛应用于食品、饮料、医疗保健品、宠物食品和饲料等领域[5-7]。然而，自然界中天然XOS的量极少，而XOS需求量正在不断增加，开发绿色、高效、低成本的XOS生产方法成为近20年国内外研究的热点之一[8]。利用成本低廉且资源丰富的木质纤维原料(LCMs)生产XOS得到了广大科研工作者的认可[9]。目前，XOS生产方法主要分为酶法和非酶法。酶法生产XOS是利用内切型木聚糖酶定向分解木聚糖，副产物较少，有利于后续工艺中XOS的分离和纯化。但是内切酶的价格昂贵，酶法生产XOS所需周期过长；且几乎没有能被木聚糖酶直接利用的原料，需要对原料进行预处理，加大了生产成本和生产周期[10]。非酶法生产XOS无需木聚糖酶降解，只需一步处理直接把原料中的半纤维素降解成XOS，很大程度地缩短了生产周期、降低生产成本[10-12]。我国是农、林业大国，木质纤维原料储量丰富且廉价易得。木质纤维原料，如农林废弃物，主要由纤维素、半纤维素和木质素构成[13-15]。如果能将农林废弃物中的半纤维素制备成高附加值的XOS，不仅可以合理处理农林废弃物，变废为宝，而且可以促进我国XOS行业的长远发展。目前用于XOS生产的农林废弃物主要有小麦秸秆[16-17]、玉米秸秆[18-19]、玉米芯[20-21]、甘蔗渣[22-23]、白桦残枝[24]、杨树锯屑[25]、榛子壳[26]、油茶壳[10]、开心果壳[27]等。作者就XOS的理化性质、生理功能及非酶法生产XOS工艺的研究进展进行综述，旨在为相关领域的学者利用LCMs高效制备XOS和实现商业化XOS生产提供参考。

1 低聚木糖的理化性质和生理功能

低聚木糖(XOS)是一种乳白色或浅黄色粉末。由2～7个D-木糖通过β-1,4-糖苷键连接形成的聚合物称为功能性XOS，由2～5个D-木糖单元连接形成的XOS通常称为低聚合度的XOS，其中以木二糖和木三糖为主要的有效成分[28]。XOS具有良好的耐酸和耐热性，将其储存在37 ℃、pH值2.5～8的条件下，性质几乎不发生变化；同时当pH值为2～7，在100 ℃加热1 h仍然不会分解[5,29-30]，这说明XOS具有良好稳定性，可广泛用于酸性或需要高温处理的食品中。XOS的甜度约为蔗糖的40%～50%，甜质与砂糖相似。此外，XOS的平均热量为14.3 J/g，其中木二糖和木三糖的热量均约为8.4 J/g，可作为低热量的食品添加剂[31-33]。

益生元的概念由Gibson和Roberfroid首次提出[34]，是指不易被消化的食物成分可以选择性地刺激宿主肠道中的一种或几种细菌生长，从而有利于宿主的健康[35-36]。XOS，尤其是聚合度(DP)2～5的XOS，可以选择性地促进双歧杆菌等有益菌地增殖，显著抑制肠道内有害菌地生长，从而改善肠道微生态环境，提高机体免疫力，预防疾病发生[37-39]。因此，XOS可以作为益生元使用。此外，XOS具有低甜度和低能量的特点，并且人体消化酶系统很难分解XOS，因此不易将其转化为脂肪和胆固醇，可供患有肥胖症和糖尿病等的患者食用[40-42]。当XOS和蔗糖并用时，能够有效阻止蔗糖被龋齿病原菌利用而生成牙垢，同时可抑制葡萄糖在牙齿上的附着，起到预防龋齿的功效[43-46]。此外，XOS与钙共同食用时，能够促进钙吸收，是开发孕妇和老年食品的理想原料[47-49]。当XOS添加到宠物食品中，通过其在宠物肠道中的调节作用能够减少食物在肠道中的停留时间，使得多余的营养物质不被吸收而排出体外，从而降低宠物肥胖症发生的几率。同时，XOS能够促进宠物幼崽对钙的吸收，有利于宠物幼崽骨骼的形成[50-51]。

2 非酶法催化生产XOS

目前，非酶法生产XOS的方法主要包括酸水解[52-53]、蒸汽爆破[54-55]、自动水解[56]、亚临界CO2辅助自动水解[57-58]和无机盐催化[59-60]等。

2.1 酸水解法

2.1.1酸水解法机理 酸水解催化降解半纤维素的机理为酸在水中解离生成的氢离子(H+)能够与水结合生成水合氢离子(H3O+)，生成的H3O+能使半纤维素中的糖苷键上的氧原子迅速质子化，形成共轭酸减弱糖苷键键能而使其发生断裂；被降解的半纤维素末端形成的正碳离子与水反应最终生成低聚糖或单糖，同时释放出质子；释放的质子又与水反应生成H3O+，继续参与新的水解反应[61-63]。根据反应温度的高低，半纤维素的稀酸水解可分为高温水解(>160 ℃)和低温水解。通常在高温条件下进行稀酸水解，半纤维素降解反应相当快，多用于单糖和糠醛的生产；因此稀酸水解法生产XOS多在较低温度下进行，通过部分水解原料中半纤维素中的木聚糖生产XOS。酸水解法包括无机酸水解和有机酸水解，常用的无机酸包括盐酸(HCl)[53]、硫酸(H2SO4)[62-63]等，常用的有机酸包括甲酸[64]、乙酸[65-67]、葡萄糖酸[68-69]、木糖酸[70]等。

2.1.2无机酸水解 Zhang等[53]报道了HCl和H2SO4对玉米芯生产XOS的影响。研究表明:0.002 mol/L HCl(pH值2.7)在150 ℃处理玉米芯30 min，XOS(DP2～6)的得率为22.54%，木糖得率为11.39%，糠醛和5-HMF的质量浓度分别为0.97和0.28 g/L;同等条件下用0.001 mol/L(pH值2.7)的H2SO4处理玉米芯，XOS(DP2～6)的得率仅为9.38%，木糖得率为4.10%，并且生成了0.09 g/L的糠醛和0.05 g/L的5-HMF;经过0.002 mol/L HCl和0.001 mol/L H2SO4处理后的玉米芯，XOS得率很低，主要是在较低温度(150 ℃)、较低酸浓度的条件下木聚糖并不能有效地降解为XOS。Otieno等[63]研究发现当用浓度为0.01 mol/L的H2SO4在145 ℃处理甘蔗渣60 min时，木聚糖(DP2～20)的总得率为32.22%，其中XOS(DP2～6)得率为22.77%，木糖得率为1.12%。在较低温度下，稀酸处理木质纤维原料(LCMs)生产XOS，XOS得率先随着时间的延长而增加，当增加到最大值后会随着时间的延长而降低，主要是因为在酸性条件下LCMs中的木聚糖降解先生成聚合度不同的XOS，继续增加反应时间，XOS会进一步水解生成单糖甚至单糖降解产物。无机酸水解制备XOS的工艺条件及得率如表1所示，反应温度、反应时间及酸浓度对XOS的得率起着主导作用，因此，合理地控制反应温度、反应时间及酸浓度能够有效提高XOS得率，降低木糖得率。但是，酸水解速度快、水解条件很难控制、对设备腐蚀性大、产生大量酸性废水污染环境等缺点极大程度地限制了无机酸生产XOS的应用[10-12]。

2.1.3有机酸水解 相对无机酸而言，有机酸对设备的腐蚀性小、绿色环保，近几年引起了科研工作者的广泛关注[64-68]。Zhou等[66]采用10%的乙酸在150 ℃、 30 min条件下处理甘蔗渣，XOS(DP2～6)的得率为39.10%，木糖的得率为7.88%，同时生成0.46 g/L的糠醛和0.09 g/L的5-HMF。Lai等[67]研究发现杨树锯屑经5%乙酸在170 ℃处理30 min，总XOS的得率为37.60%，木糖的得率为19.19%，虽然在高温下有大量的木糖生成，但是生成糠醛的质量浓度仅为0.26 g/L。这表明乙酸预处理生产XOS能够有效地把LCMs中的木聚糖降解为XOS和木糖。相对于无机酸而言，有机酸降解木糖生成糠醛需要更高的活化能，使得木糖更难降解为糠醛，所以也会很大程度降低糠醛等有害物质的生成[67-68]。严羽欢[64]以有机酸甲酸为催化剂处理玉米芯生产XOS，研究发现0.2 mol/L甲酸处理玉米芯60 min时，反应温度从140 ℃升高至150 ℃时，XOS(DP2～6)得率由17.52%增加至34.42%，当预处理温度为160 ℃时，获得最大XOS得率(38.30%)，木糖的得率为11.85%。Han等[69]利用0.6 mol/L的葡糖酸在154 ℃处理玉米芯，XOS(DP2～6)的得率高达56.20%。Guo等[70]研究表明木糖酸在145 ℃下处理玉米芯75 min, XOS(DP2～6)的得率为54.16%，木糖得率为22.31%，同时生成的糠醛质量浓度仅为0.23 g/L。有机酸水解制备XOS的工艺条件及得率亦见表1。

相对无机酸预处理而言，有机酸预处理LCMs更适合应用于XOS的生产，其不但能够提高XOS得率，而且能够有效抑制糠醛的生成，但大量的木糖生成会一定程度地降低XOS的得率，且有机酸一般酸性较弱，所需有机酸浓度高，加大了生产成本。因此后续关于有机酸生产XOS的研究工作应该围绕如何降低木糖得率以及更大程度提高XOS得率进行，同时应该开发更多常见的有机酸(如乳酸)用于处理生产XOS。

2.2 蒸汽爆破法

蒸汽爆破法处理LCMs的原理是将气相蒸煮和蒸汽爆破过程相结合，其本质上是一个热机械化学过程。在高温高压处理过程中，蒸汽先把物料迅速加热到所需的预处理温度，半纤维素侧链的乙酰基等基团水解生成有机酸，有机酸能够作为催化剂促进半纤维素的降解。同时，高压条件下水蒸气通过扩散作用渗透到LCMs的细胞壁内，使复合胞间层的木质素发生软化和部分降解，一定程度上削弱了纤维之间的粘合作用。其次，在蒸汽爆破的过程中，由于压力的骤降，细胞壁里的冷凝水蒸气瞬间蒸发，对周围的细胞壁结构产生一个剪切力，导致木质纤维细胞壁破裂，有利于半纤维素的降解[71]。该法生产XOS具有工艺简单、无污染、能耗低、生产周期短等优点[54-55]。Carvalho等[54]利用蒸汽爆破在150 ℃处理甘蔗渣30 min，得到的XOS(DP2～6)的得率仅为5.20%。周晓青等[55]将100 g红柳在温度200 ℃、维持压力2 min的条件下进行蒸汽爆破，总XOS的得率为49.80%。 Bhatia等[71]将芒草在200 ℃维持压力1.5 MPa、 10 min条件下进行蒸汽爆破，总XOS得率约为50%，其中XOS(DP2～5)得率约为40%，木糖得率为10.30%，糠醛的质量浓度为4.4 g/L，5-HMF的质量浓度为3.7 g/L。蒸汽爆破法在较高的处理温度时会导致大量有毒的糠醛和5-HMF 的生成，生成的XOS颜色较深，增加了后期纯化和精制的成本。

表1 酸水解制备XOS的工艺条件及得率

2.3 自动水解

自动水解是指在高温高压条件下，水自水解生成的H3O+及半纤维素上脱落的乙酰基生成的乙酸促进半纤维素主链的糖苷键断裂，从而导致半纤维素的聚合度降低生成XOS[50,56]。因此，自动水解一定程度上可以归结为酸处理的一种，但该过程无需使用除水以外的任何化学试剂，没有额外加入酸，对设备无腐蚀性，生产周期短，在反应较温和的条件下生成少量的单糖及其降解产物，是一种环境友好型的XOS生产方法[72-73]。此外，高选择性是自动水解的另一个优点，在自动水解过程中，半纤维素被降解为可溶性的XOS和单糖，而纤维素保留在固体残渣中可进一步利用，如用于酶解发酵生产乙醇[10,50]。近年来开展了许多关于自水解法制备XOS的反应动力学研究，对XOS、木糖及其降解产物建立了一系列动力学模型，研究发现较高的水解温度导致自水解产物选择性地偏向于XOS[72-73]。Xiao等[74]利用自动水解法处理竹子生产XOS的研究中发现，当竹子在180 ℃处理 30 min， 总XOS的得率为47.49%，其中XOS(DP2～5)的得率为19.16%，木糖得率为4.79%，糠醛的质量浓度为0.36 g/L，5-HMF的质量浓度为0.15 g/L。Surek等[26]在150～200 ℃，采用水热法处理榛子壳5～45 min，当处理条件为190 ℃、 5 min 时，总XOS获得最大得率为62%, 其中XOS(DP2～5)的得率仅有10%左右。本课题组研究了在160～200 ℃水热法处理对甘蔗渣生产XOS，在180 ℃、 10 min时，总XOS的得率为30.86%，其中XOS(DP2～5)的得率仅为9.13%，几乎没有木糖生成(得率为0.08%)；当温度为200 ℃处理10 min时，XOS(DP 2～5)得率为50.35%，木糖的得率为14.59%[10]。自动水解制备XOS的工艺条件及得率如表2所示。

表2 自动水解制备XOS的工艺条件及得率

在自动水解过程中，XOS表现为典型的反应中间产物，在中等水解反应条件下达到最大产量。XOS或半纤维素的相对分子质量的分布既依赖于所用的底物，也依赖于反应条件(处理温度和时间)。加重处理条件虽然能够降低XOS的聚合度，但是也会导致XOS分解生成大量的木糖和糠醛。为解决以上问题，本课题组通过引入富含乙酰基的白桦锯屑来促进自动水解的进行，研究发现甘蔗渣在160 ℃处理100 min时，总XOS的得率为43.08%，其中XOS(DP2～5)的得率为31.43%；当35%的白桦代替部分甘蔗渣进行自动水解时，在同样条件下处理，总XOS的得率为49.65%，其中XOS(DP2～5)的得率为36.94%[10]。在温和处理温度下，富含乙酰基的白桦的引入能够生成乙酸进一步促进半纤维素的降解，从而能够提高XOS的产量，乙酰基辅助自动水解甘蔗渣制备XOS的过程如图1所示。乙酰基辅助自动水解在温和条件下能够提高总XOS得率，同时，还能增加低聚合度XOS(DP2～5)的产量。换句话说，相对于单一自动水解，在获得相同XOS得率时，乙酰基辅助自动水解所需处理温度更低，说明乙酰基的引入能够在一定程度上降低反应温度，从而能够降低能耗、节约生产成本。但是，自动水解和乙酰基辅助自动水解方法生产XOS仍需要在较高温度(160～220 ℃)下进行，得到的XOS颜色偏黄，需进一步脱色、纯化处理。

图1 乙酰基辅助自动水解甘蔗渣制备XOS[10]

2.4 亚临界CO2辅助自动水解

CO2的临界温度为31.1 ℃，临界压力为7.36 MPa，亚临界CO2辅助自动水解又称高压CO2-H2O处理。亚临界CO2是相对于超临界CO2而定义的，亚临界CO2(压力<7.36 MPa)，所需压力较小，能一定程度降低对设备的要求。CO2作为一种绿色、廉价的催化剂，在高压水体系中可以生成 H2CO3，从而能够替代传统的无机酸。亚临界CO2辅助自动水解因具有无需使用有毒试剂、绿色环保、成本低廉、副产物少等优点引起了广大科研工作者的关注。在亚临界CO2辅助自动水解过程中，高压CO2能够原位形成H2CO3,生成酸性环境,并且经两步解离迅速降低体系pH值，从而能够选择性地促进半纤维素的降解；同时，高压CO2很容易渗透到顽固LCMs的多孔结构中，提高了LCMs的浸润和溶胀能力，有利于木质纤维结构解聚，从而提高半纤维素水解速率[75-76]。但是，亚临界CO2辅助自动水解LCMs需要反应设备能够耐高压高温，对设备要求较高，一定程度地增加了生产成本。Liu等[57]在亚临界CO2辅助自动水解处理玉米秸秆研究中发现，170 ℃，40 min，CO2压力5 MPa，XOS(DP2～4)的得率为44.4%，木糖得率为4.8%，糠醛质量浓度为0.34 g/L，5-HMF质量浓度为0.03 g/L。Zhang等[75]研究发现，在160 ℃，CO2压力为5 MPa条件下处理甘蔗渣60 min，总XOS得率为51.01%，木糖得率为8.41%，生成的糠醛质量浓度为1.21 g/L。Ozbek等[51]在182 ℃，CO2压力为5 MPa时处理开心果壳，总XOS得率为65.0%，单糖得率为2.4%，生成的糠醛质量浓度为0.3 g/L。Silva等[76]研究发现，在210 ℃ 、CO2压力为6 MPa 条件下处理小麦秸秆，总XOS得率为70.6%，单糖为16.1%，糠醛质量浓度为3.2 g/L。相比自动水解生产XOS，亚临界CO2辅助自动水解能够一定程度地降低反应所需的温度。亚临界CO2辅助自动水解制备XOS的工艺条件及得率见表3。

表3 亚临界CO2辅助自动水解制备XOS的工艺条件及得率

亚临界CO2辅助自动水解主要受处理温度、反应时间和CO2压力的影响。亚临界CO2辅助自动水解LCMs制备XOS在适当的处理条件下能够有效地促进半纤维素降解生成XOS；反之，在较剧烈的处理条件下，会导致生成的XOS进一步降解生成单糖甚至糠醛。同自动水解和乙酰基辅助自动水解方法生产XOS一样，亚临界CO2辅助自动水解也需要在较高温度下实现(160～220 ℃)，同样存在得到的XOS颜色偏黄，需进行脱色、纯化处理等问题。

2.5 无机盐催化

相比无机酸或碱预处理，无机盐预处理LCMs可以有效提高纤维素和半纤维素的降解效率。已经证实大多数无机盐(MgCl2、CaCl2、FeCl2、FeSO4、Fe2(SO4)3和 FeCl3等)能够促进半纤维素的降解，从而提高酶水解纤维素转化葡萄糖的效率[59-60]。无机盐催化降解半纤维素的机理是无机盐溶于水中，由于金属离子的吸电子作用，可以与水分子生成配合物，配合物可以起到Lewis酸的作用并促进糖苷键的断裂，同时金属阳离子配合物能够水解生成水合氢离子，促进半纤维素的降解[12]。无机盐水解机理反应方程如下：

最初关于无机盐处理LCMs的研究主要集中在木糖和糠醛生产方面，无机盐催化生产XOS是近几年新兴的一种XOS制备方法。无机盐催化相对于传统的酸碱处理方法具有较高的催化活性、低成本、低毒性，以及对设备腐蚀性小、可回收等优点[77]。You等[12]报道了0.1 mol/L ZnCl2在170 ℃处理油茶壳30 min，XOS(DP2～5)得率高达61.38%，木糖得率为10.13%，糠醛质量浓度为2.11 g/L。Zhang等[59]利用MgCl2和FeCl2催化甘蔗渣生产XOS，甘蔗渣在0.1 mol/L MgCl2、 180 ℃处理10 min的条件下，XOS(DP2～5)的得率为53.79%,木糖的得率为12.28%，远高于同等条件下自动水解生产XOS(DP2～5)的得率(9.13%)；当用0.1 mol/L FeCl2在140 ℃处理甘蔗渣10 min时，XOS(DP2～5)的得率为41.89%，表明在该条件下自动水解法是几乎不能有效降解半纤维素，而MgCl2和FeCl2的加入大大提高了降解效率。在此基础上，又通过离子耦合工艺(0.05 mol/L FeCl2+0.05 mol/L MgCl2)在140 ℃处理甘蔗渣30 min, XOS(DP2～5)的得率达到54.68%[59]，FeCl2和MgCl2共催化甘蔗渣制备XOS的过程如图2所示。

图2 氯化镁和氯化亚铁共催化甘蔗渣制备XOS[59]

海水中含有大量的无机盐离子如Mg2+、Ca2+和少量的Fe3+，在175 ℃下，Zhang等[56]利用海水处理甘蔗渣30 min得到的XOS(DP2～5)的得率高达67.12%，单糖得率为18.75%。海水资源丰富且廉价，利用海水资源处理LCMs能够节省大量的淡水资源，同时由于海水中存在大量的金属阳离子，能一定程度地促进半纤维素的降解。由于金属离子的高催化性，无机盐预处理生产XOS比自动水解、蒸汽爆破、亚临界CO2辅助自动水解生产XOS所需的处理温度更低(140～180 ℃)，能降低反应能耗，同时减少对设备的要求，一定程度地能减少生产成本，且选用对人体有益的离子催化生产XOS，后期纯化过程无需脱除。但是，根据所选无机盐种类和处理温度的不同，可能会造成XOS颜色较深、副产物较多，需后期进行纯化。

3 结语与展望

我国是农业大国，每年都会产生大量的农林业废弃物。合理利用农林业废弃物生产高附加值XOS，不但能有效降低环境污染，还能够促进农林生物质资源高值化利用。非酶法催化LCMs生产XOS可以克服传统酶法生产XOS存在的效率低、生产周期长等缺点。酸水解法中，有机酸水解法能够有效地抑制糠醛等副产物的生成；蒸汽爆破法工艺简单，具有无污染、低能耗、生产周期短且可与后续纤维素生物转化过程耦合等优点；自动水解法无需添加化学试剂，对设备无腐蚀，生产周期短，在较温和的条件下生成少量的单糖及其降解产物，是一种绿色环保的XOS生产方法，乙酰基辅助自动水解法能够降低反应温度、提高产量、减少生产成本；亚临界CO2辅助自动水解无需使用有毒试剂，绿色环保；无机盐催化具有高效、低成本、可回收、对设备要求低、反应能耗低等优点。

目前大多数XOS生产方法仍然存在一些缺点，且XOS相关产品没有被广泛应用，因此以后关于XOS的相关研究应该围绕以下几个方面展开： 1) 我国对于XOS的研究和应用及规模化生产还处于起步阶段，今后的发展方向应以工业化为主，优化生产工艺和纯化工艺，开发更多XOS产品用于食品、药品、饲料和保健品等领域。2) 虽然自动水解、亚临界CO2辅助自动水解和无机盐催化等方法生产XOS的得率较高、方法绿色、生产成本低，但是由于高温处理会促进单糖焦糖化和Maillard等副反应而生成深色物质及木糖等还原糖降解反应产生的深色色素等会导致XOS的颜色较深，后期需经纯化、脱色处理；而现有的XOS分离纯化技术得到的产品具有纯度不高和生产成本过高等问题，因此需利用新技术和新设备开展针对该类方法生产XOS的高效率、低成本的脱色、分离和纯化技术的相关研究工作。3) 围绕低成本、高得率、副产物少、绿色环保等要求，开发新型、高效XOS生产工艺。4) LCMs预处理能源化学品转化与XOS联产研究，提高生物质资源利用率，提升生物质精炼综合效益。