低聚木糖制備的研究進展

顧峰源，姚自選，潘 艷，劉 練，常思源

(南京科技職業學院生物與環境學院，江蘇 南京 210048)

作為繼基因技術以及蛋白質技術之后的又一新型工程技術，糖工程有關生物學研究正逐漸為業內所關注，并成為引領學科發展的重要力量。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用于治療、保健以及營養、防范疾病等各個方面[5]。就國際層面而言，業已形成了統籌基因、蛋白質以及糖等各項工程的前沿生物技術形式，包括醫療行業、飼料行業以及農業等各個領域均有涉及。

如圖1所示，低聚木糖主要包含了2-7個左右的木糖分子以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勢，可以大大拉長整個功能周期，提高機體等的抵抗力以及抗疲勞性，大大緩解有毒物質以及細菌等的產生，同時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族維生素產生，在酸性以及堿性等環境內，該糖的穩定性更佳，耐熱性也更為理想。此外它還可以幫助人體腸胃等活動循環，為雙歧桿菌等繁衍提供良好的環境。一系列的優勢特性，使得低聚木糖有著更為廣闊的使用環境，包括飲料、保健食物以及餅干等均含有該物質，除此之外，它在化工行業、醫療行業以及飼料領域等也有著廣泛的運用。現階段，該糖已然受到業內的廣泛關注，是整個行業發展研究的重要內容[7]。

圖1 低聚木糖主要成分及其化學結構

低聚木糖的生理功能和作用逐漸被開發，少量的產品也進入了我們的日常生活，但低聚木糖的產品純化與精制一直存在效率低，雜質多，純度低等問題，極大的影響了其工業化進程。因此，低聚木糖制備過程亟務必改善并提升產能以及精制模式。當下，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低聚木糖。韓鵬飛等人對于現有的酸水解制作環境等進行改善[1]，利用固體酸催化水解的方式得到低聚木糖。將反應時長、溫度環境以及大孔樹脂用量等作為變量，分析各自對轉化率等的影響。就結果而言，水解的方式得到的目標糖分，其最為理想的環境為0.5克的木聚糖、0.3的大孔樹脂以及3小時的反應周期，溫度控制為110攝氏度。這樣的條件可以使得木聚糖轉化率達到100 %，實際可以完成百分之四十一左右的目標糖分獲得。學者張紅玉及其團隊則通過醋酸循環的分式對玉米芯等進行管控，也實現了近百分之四十六的目標糖分獲得，按照1公斤玉米芯為基礎，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，優化現有的制備工藝，但是酸水解效率不高，制備出來的成品中雜質較多，并且低聚木糖的含量仍舊較低。

2 自水解法

生物質農業廢棄物富含木聚糖，在高溫和高壓下也可以進行自水解，從而得到低聚木糖。學者連之娜及其團隊則通過高溫水域水解的辦法得到了蔗渣內的低聚木糖成分[2]。利用正交測試的的方式確定最理想的環境，優化了提取工藝條件。該實驗表明，最高的水解溫度對甘蔗渣水的預水解和目標糖分獲得之間的聯系。此外為液體比以及維系周期。蔗渣水域水解的最理想環境為：160攝氏度的溫度環境、1∶8的液比以及持續2小時的保溫環境，在該情況下，低聚木糖得率為17.0%。Zhang等以甘蔗渣為底物進行自水解，當溫度 200 ℃條件下自水解10 min，低聚木糖產率達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，后續的精制過程過于繁瑣、這也制約了其應用，此外之后的精煉緩解也相對復雜、成本頗高且產品收率低，因此不適用于工業生產。

3 酶水解法

酶水解生產低聚木糖通常利用一些微生物所含的木聚糖酶對半纖維素或木聚糖進行直接水解。張立釗等以堿法油茶籽殼抽提的木聚糖粗提液為底物，基于對木聚糖酶解環境溫度、周期、底物濃度以及酶用量等的逐個分析測試，并結合響應面法優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，比優化前提高了4.63 g/L。該方法以農業廢渣為原料，通過優化最佳反應條件，顯著提高了低聚木糖的收率，為增加副產品油茶山茶的附加值提供了理論依據。陳嘉川等以桉木預水解液為原料，首先采用Ca(OH)2和活性炭處理制備二級處理預水解液，用于低聚木糖的制備[4]。通過優化木聚糖酶添加量、酶反應時間、反應溫度和反應pH值提高了二級處理預水解液中聚合度為2～4的低聚木糖含量。在木聚糖酶添加量2 U/g、反應時間3 h、反應溫度55℃和反應pH值5.5時，三級酶解液中低聚木糖DP2～4含量為12.22 g/L，與酶解前水解液含量提高了67.2%。三級酶解液中低聚木糖DP2～4含量占桉木預水解液中總木糖含量的56.1%。進一步對所制備的低聚木糖產品進行紅外光譜(FT-IR)和熱重分析(TGA)表明，通過對聚木糖酶分析預水解液制曲而來的糖分中帶有一定的糖醛酸側鏈，穩定效果較好。木聚糖酶定向水解糖分，整個過程相對揉合，沒有明顯的其它產生，便于純化且色澤也比較淺。目前，它是生產木聚糖寡糖的主要方法。但反應后仍需要復雜的產品純化和精制過程，大大的提高了生產成本，影響了低聚木糖的工業化生產進程，以及在產品中的應用。

4 結語

綜上所述，現有的方法對于低聚木糖制備有了一定程度的優化，在制備效率，產品純度和產品功效均得到提高。近年來，農業產品的副產物木聚糖由于含有較多雜質而大大限制了其工業化應用，產品質量也不好控制，因此低聚木糖的精制與分離提純也成為其后續工業化應用的關鍵。現在的低聚木糖的開發還沒有到達峰值，作為新一代功能性糖，還沒有被完全被運用，這些生產上的優化促進了低聚木糖的應用發展，為往后的大面積普及使用奠定了主要理論基礎。

低聚木糖具有非常有希望的未來。包括保健行業的不斷深入發展與推動，客戶的需要也越來越多。低聚木糖的優點是添加量少，穩定性好，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。這些優勢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，此外可以進一步的維穩動物的健康以及產能。因此，許多國家已經制定了法律，越來越多的抗生素被規避在飼料添加劑范疇之外。包括各項政策的不斷完善，產業發展逐漸趨于多元化以及創新化。這也為該糖類產業的可持續發展提供了新的契機。