低聚木糖制備的研究進(jìn)展

顧峰源，姚自選，潘 艷，劉 練，常思源

(南京科技職業(yè)學(xué)院生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210048)

作為繼基因技術(shù)以及蛋白質(zhì)技術(shù)之后的又一新型工程技術(shù)，糖工程有關(guān)生物學(xué)研究正逐漸為業(yè)內(nèi)所關(guān)注，并成為引領(lǐng)學(xué)科發(fā)展的重要力量。而作為典型的新生理活性組成，功能性低聚糖等已然被廣泛應(yīng)用于治療、保健以及營養(yǎng)、防范疾病等各個(gè)方面[5]。就國際層面而言，業(yè)已形成了統(tǒng)籌基因、蛋白質(zhì)以及糖等各項(xiàng)工程的前沿生物技術(shù)形式，包括醫(yī)療行業(yè)、飼料行業(yè)以及農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域均有涉及。

如圖1所示，低聚木糖主要包含了2-7個(gè)左右的木糖分子以β-1,4糖苷鍵組合而來的單一功能性聚合堂形式[6]。相較于其它糖形式，該類糖更易為人們所消化，以及滲透性均有著一定的優(yōu)勢(shì)，可以大大拉長整個(gè)功能周期，提高機(jī)體等的抵抗力以及抗疲勞性，大大緩解有毒物質(zhì)以及細(xì)菌等的產(chǎn)生，同時(shí)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著一定的積極作用。除外，它也可以促使更多的B族維生素產(chǎn)生，在酸性以及堿性等環(huán)境內(nèi)，該糖的穩(wěn)定性更佳，耐熱性也更為理想。此外它還可以幫助人體腸胃等活動(dòng)循環(huán)，為雙歧桿菌等繁衍提供良好的環(huán)境。一系列的優(yōu)勢(shì)特性，使得低聚木糖有著更為廣闊的使用環(huán)境，包括飲料、保健食物以及餅干等均含有該物質(zhì)，除此之外，它在化工行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)以及飼料領(lǐng)域等也有著廣泛的運(yùn)用。現(xiàn)階段，該糖已然受到業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，是整個(gè)行業(yè)發(fā)展研究的重要內(nèi)容[7]。

圖1 低聚木糖主要成分及其化學(xué)結(jié)構(gòu)

低聚木糖的生理功能和作用逐漸被開發(fā)，少量的產(chǎn)品也進(jìn)入了我們的日常生活，但低聚木糖的產(chǎn)品純化與精制一直存在效率低，雜質(zhì)多，純度低等問題，極大的影響了其工業(yè)化進(jìn)程。因此，低聚木糖制備過程亟務(wù)必改善并提升產(chǎn)能以及精制模式。當(dāng)下，包括酸水解、酶水解以及自水解等為常用的制備策略。

1 酸水解法

木聚糖在酸性條件下會(huì)水解成為可溶的低聚木糖，一般使用鹽酸、硫酸等稀酸水解高聚合度的木聚糖來生產(chǎn)低聚木糖。韓鵬飛等人對(duì)于現(xiàn)有的酸水解制作環(huán)境等進(jìn)行改善[1]，利用固體酸催化水解的方式得到低聚木糖。將反應(yīng)時(shí)長、溫度環(huán)境以及大孔樹脂用量等作為變量，分析各自對(duì)轉(zhuǎn)化率等的影響。就結(jié)果而言，水解的方式得到的目標(biāo)糖分，其最為理想的環(huán)境為0.5克的木聚糖、0.3的大孔樹脂以及3小時(shí)的反應(yīng)周期，溫度控制為110攝氏度。這樣的條件可以使得木聚糖轉(zhuǎn)化率達(dá)到100 %，實(shí)際可以完成百分之四十一左右的目標(biāo)糖分獲得。學(xué)者張紅玉及其團(tuán)隊(duì)則通過醋酸循環(huán)的分式對(duì)玉米芯等進(jìn)行管控，也實(shí)現(xiàn)了近百分之四十六的目標(biāo)糖分獲得，按照1公斤玉米芯為基礎(chǔ)，大致可以獲得139.8克左右的低聚糖[9]。這些方法改變了酸條件，提高了低聚木糖的得率，優(yōu)化現(xiàn)有的制備工藝，但是酸水解效率不高，制備出來的成品中雜質(zhì)較多，并且低聚木糖的含量仍舊較低。

2 自水解法

生物質(zhì)農(nóng)業(yè)廢棄物富含木聚糖，在高溫和高壓下也可以進(jìn)行自水解，從而得到低聚木糖。學(xué)者連之娜及其團(tuán)隊(duì)則通過高溫水域水解的辦法得到了蔗渣內(nèi)的低聚木糖成分[2]。利用正交測(cè)試的的方式確定最理想的環(huán)境，優(yōu)化了提取工藝條件。該實(shí)驗(yàn)表明，最高的水解溫度對(duì)甘蔗渣水的預(yù)水解和目標(biāo)糖分獲得之間的聯(lián)系。此外為液體比以及維系周期。蔗渣水域水解的最理想環(huán)境為：160攝氏度的溫度環(huán)境、1∶8的液比以及持續(xù)2小時(shí)的保溫環(huán)境，在該情況下，低聚木糖得率為17.0%。Zhang等以甘蔗渣為底物進(jìn)行自水解，當(dāng)溫度 200 ℃條件下自水解10 min，低聚木糖產(chǎn)率達(dá)50.35%[8]。在相同條件下，通過添加乙酰基幫助自身水解，木糖寡糖的收率為52.99%。乙酰基的輔助添加沒有顯著增加產(chǎn)率，但是以2-5的聚合度顯著增加了木糖寡糖的糖組分的含量。這極大地限制了其用途。另外，后續(xù)的精制過程過于繁瑣、這也制約了其應(yīng)用，此外之后的精煉緩解也相對(duì)復(fù)雜、成本頗高且產(chǎn)品收率低，因此不適用于工業(yè)生產(chǎn)。

3 酶水解法

酶水解生產(chǎn)低聚木糖通常利用一些微生物所含的木聚糖酶對(duì)半纖維素或木聚糖進(jìn)行直接水解。張立釗等以堿法油茶籽殼抽提的木聚糖粗提液為底物，基于對(duì)木聚糖酶解環(huán)境溫度、周期、底物濃度以及酶用量等的逐個(gè)分析測(cè)試，并結(jié)合響應(yīng)面法優(yōu)化了木聚糖寡糖的酶法制備工藝[3]。在最佳條件下，木糖寡糖濃度為11.63 g/L，比優(yōu)化前提高了4.63 g/L。該方法以農(nóng)業(yè)廢渣為原料，通過優(yōu)化最佳反應(yīng)條件，顯著提高了低聚木糖的收率，為增加副產(chǎn)品油茶山茶的附加值提供了理論依據(jù)。陳嘉川等以桉木預(yù)水解液為原料，首先采用Ca(OH)2和活性炭處理制備二級(jí)處理預(yù)水解液，用于低聚木糖的制備[4]。通過優(yōu)化木聚糖酶添加量、酶反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度和反應(yīng)pH值提高了二級(jí)處理預(yù)水解液中聚合度為2～4的低聚木糖含量。在木聚糖酶添加量2 U/g、反應(yīng)時(shí)間3 h、反應(yīng)溫度55℃和反應(yīng)pH值5.5時(shí)，三級(jí)酶解液中低聚木糖DP2～4含量為12.22 g/L，與酶解前水解液含量提高了67.2%。三級(jí)酶解液中低聚木糖DP2～4含量占桉木預(yù)水解液中總木糖含量的56.1%。進(jìn)一步對(duì)所制備的低聚木糖產(chǎn)品進(jìn)行紅外光譜(FT-IR)和熱重分析(TGA)表明，通過對(duì)聚木糖酶分析預(yù)水解液制曲而來的糖分中帶有一定的糖醛酸側(cè)鏈，穩(wěn)定效果較好。木聚糖酶定向水解糖分，整個(gè)過程相對(duì)揉合，沒有明顯的其它產(chǎn)生，便于純化且色澤也比較淺。目前，它是生產(chǎn)木聚糖寡糖的主要方法。但反應(yīng)后仍需要復(fù)雜的產(chǎn)品純化和精制過程，大大的提高了生產(chǎn)成本，影響了低聚木糖的工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)程，以及在產(chǎn)品中的應(yīng)用。

4 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)有的方法對(duì)于低聚木糖制備有了一定程度的優(yōu)化，在制備效率，產(chǎn)品純度和產(chǎn)品功效均得到提高。近年來，農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的副產(chǎn)物木聚糖由于含有較多雜質(zhì)而大大限制了其工業(yè)化應(yīng)用，產(chǎn)品質(zhì)量也不好控制，因此低聚木糖的精制與分離提純也成為其后續(xù)工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。現(xiàn)在的低聚木糖的開發(fā)還沒有到達(dá)峰值，作為新一代功能性糖，還沒有被完全被運(yùn)用，這些生產(chǎn)上的優(yōu)化促進(jìn)了低聚木糖的應(yīng)用發(fā)展，為往后的大面積普及使用奠定了主要理論基礎(chǔ)。

低聚木糖具有非常有希望的未來。包括保健行業(yè)的不斷深入發(fā)展與推動(dòng)，客戶的需要也越來越多。低聚木糖的優(yōu)點(diǎn)是添加量少，穩(wěn)定性好，選擇性高，正符合膠囊，片劑和其他劑型更易于攜帶和服用的普遍需求。這些優(yōu)勢(shì)是其他低聚功能性糖無法比擬的。另外，作為較為新式的飼料添加劑成分，其在抑菌方面也有著出色的表現(xiàn)，此外可以進(jìn)一步的維穩(wěn)動(dòng)物的健康以及產(chǎn)能。因此，許多國家已經(jīng)制定了法律，越來越多的抗生素被規(guī)避在飼料添加劑范疇之外。包括各項(xiàng)政策的不斷完善，產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐漸趨于多元化以及創(chuàng)新化。這也為該糖類產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了新的契機(jī)。