低聚木糖生產技術及其對動物益生作用研究進展

任春霖,董紅麗,王風芹,宋安東

(河南農業大學 生命科學學院,河南 鄭州,450002)

低聚木糖(xylooligosaccharides,XOS)是近年來備受關注的一種功能性低聚糖。XOS的甜度是蔗糖的30%～40%,與其他低聚糖,如低聚果糖(fructo oligosaccharide)和菊粉(inulin)相比,具有穩定性好、耐酸耐高溫等優點[1]。除此之外,XOS不能被人體吸收,只能被腸道內的微生物利用,從而促進腸道內雙歧桿菌(Bifidobacterium)、乳酸菌等有益菌產生對宿主有益的小分子脂肪酸,選擇性抑制大腸桿菌(Escherichiacoli)、梭狀芽孢桿菌(Clostridium)等有害菌和致病菌的生長,因此XOS被認為是具有益生元活性的可溶性膳食纖維[2-4],已被廣泛應用于食品、保健品或者飼料添加劑中，且可作為糖尿病患者食品的增味劑。

XOS天然存在于水果、蔬菜中,也可以通過水解木聚糖(xylan)生產。XOS是由木糖殘基鏈組成的寡糖,一般由2～7個木糖分子聚合而成,主鏈通過β-1,4-糖苷鍵連接,有不同的側基修飾形成支鏈結構,不同的木聚糖來源和不同的工藝生產出的XOS的聚合度(degree of polymerization,DP)、側基以及側基的取代方式差別很大[5-7]。DP為2～4的XOS具有更高的益生元活性,也因此更受人們青睞[8]。本文對近年來XOS的生產技術研究進展進行了總結,并介紹了XOS作為飼料添加劑對動物的益生作用,以期為XOS的工業化生產和應用提供依據。

1 低聚木糖生產原料

木質纖維素作為農林業廢棄物,其主要由纖維素(cellulose)、半纖維素(hemicellulose)和木質素(lignin)3種組分組成。XOS可通過木聚糖水解的方法獲得,而木聚糖是木質纖維素中半纖維素的主要成分,因此,在工業生產中大多以農業殘余物作為原料生產具有高附加值的XOS。表1列舉了幾種常見木質纖維素原料的組成,其中木聚糖含量在15%～31%,原料的木聚糖含量越高,越有利于低成本地生產XOS,其中玉米芯、甘蔗渣、小麥秸稈等來源廣泛,木聚糖含量相對較高,是XOS工業生產中普遍使用的原料。

表1 木質纖維素原料的組成成分Table 1 Composition of lignocellulosic materials

2 低聚木糖生產技術研究進展

由于木質纖維素中木質素、果膠(pectin)等物質會影響木聚糖的提取率,因此需要打破木質纖維素的致密結構,使更多的半纖維素暴露出來,從而提高XOS的提取效率[14]。XOS可以采用物理、化學方法直接生產,也可以在物理、化學預處理技術的基礎上結合木聚糖酶酶解生產。表2和表3總結了近年來文獻中報道的XOS生產技術。

2.1 物理、化學生產法

2.1.1 自水解法

在高溫高壓的環境中,木質纖維素中半纖維素發生水解斷裂,使木聚糖發生自身水解反應釋放出XOS和木糖[15]。SUREK等[16]發現自水解的溫度和保溫時間對產物產量有極大影響,在190 ℃、保溫5 min的條件下處理榛子(CorylusavellanaL)殼,XOS收率達到原料木聚糖的62%。要想使低DP的XOS的百分比達到最大,在此溫度下則需要30 min的保溫時間,并且木糖、乙酸和糠醛濃度隨處理強度的增加而增加。ZHANG等[17]在200 ℃的條件下對甘蔗渣進行自水解,在10 min內得到的XOS產率為50.35%,若想生產低DP的XOS則需要更長的反應時間,而隨著反應時間的增加,大量的木聚糖和XOS被降解為木糖和副產物。反應時間的延長造成了副產物的大量產生,不僅不能保證XOS的產率,還對XOS的純度造成影響。

表2 化學/物理法生產XOSTable 2 XOS production using chemical/physical methods

2.1.2 酸處理法

酸處理的目的是提高半纖維素水解程度,從而提高XOS的產率。有研究用玉米芯生產XOS和可發酵糖,使用乙酸、HCl和H2SO4三種不同的酸在pH 2.7、150 ℃、30 min的相同條件下對玉米芯進行處理,在所選擇的酸中,乙酸處理XOS的收率最高達到45.91%,與另外2種酸相比,經過乙酸處理的玉米芯暴露出更大的表面積,而且更粗糙,更有利于后續的纖維素酶解[18]。GUO等[9]在不同溫度和時間下用自生產的木糖酸共同生產XOS和葡萄糖。通過實驗發現玉米芯在145 ℃反應75 min時XOS收率最高為54.16%,并且纖維素酶解效率可達到100%。

2.1.3 無機鹽法

與酸處理相比,無機鹽溶液處理對設備的腐蝕性低,且有更高的催化活性。無機鹽處理主要利用了路易斯酸(Lewis acid)和酸堿質子理論(Br?nsted-Lowry acid-base theory)的特性,在水中添加無機鹽發生水解反應,金屬離子和水形成復雜的絡合物,這些配位化合物和水中的氫鍵可以幫助半纖維素降解。YOU等[19]使用ZnCl2催化活化油茶殼生產DP為2～5的XOS,發現在質量分數0.5% ZnCl2催化下于170 ℃ 蒸煮30 min時XOS的產率最大達到61.38%。ZHANG等[20]在140 ℃下用MgCl2和FeCl2共催化甘蔗渣30 min,得到54.68%的XOS,其中有29.34%的木二糖(xylobiose)和20.94%的木三糖(xylotriose),并且發現無機鹽共催化比單種無機鹽處理增加了XOS的總產量,并且提高了木二糖和木三糖的產量。

2.1.4 其他處理法

除了上述方法之外,還有蒸汽爆破法、微波處理法等生產XOS的方法。蒸汽爆破對環境污染小成本低、處理時間短,在蒸汽爆破期間,將植物生物質進料到爆破容器中通入蒸汽,使木質纖維素經受一段時間的高壓和高溫,在高溫高壓的環境中,木質纖維素中半纖維素發生水解破裂,然后快速減壓使物料的結構變得分散,實現木質纖維素各個部分的有效分離[15,21-22]。

BHATIA等[23]通過實驗發現蒸汽爆破預處理條件為200 ℃,保溫10 min,芒草爆破產物中最高XOS收率達到52%。CARVALHO等[24]使用質量分數 0.5% H2SO4對甘蔗渣進行過夜處理,然后190 ℃保溫5 min爆破,XOS的得率約為40%。

微波處理法同樣是一種綠色高效的生產方法,有能耗低、傳熱均勻、反應即關即停等優點。BIAN等[25]用微波輔助酸水解的方法從甘蔗渣的半纖維素組分中制備XOS,當微波加熱至90 ℃時，用0.24 mol/L的H2SO4水解31 min,可得到290.2 mg/g的XOS。

2.2 物理/化學-酶解聯合生產法

酶解法生產XOS是一種反應條件溫和,更適合工業生產的方法。COSTA等[26]使用H2SO4和NaOH兩種溶劑與酶解法做了比較,證明了酶混合物可作為傳統方法的一種替代方法,使用黑曲霉(Aspergillusniger)3T5B8產生的木聚糖酶對葡萄皮渣粉直接進行酶解,得到的XOS收率高達88.68%。為了更好地發揮木聚糖酶的作用,更多研究者在酶解前會先用預處理的方式使半纖維素暴露。堿預處理的主要作用是去除木質素以及果膠、脂肪、蛋白質等。將木質素溶解除去,然后可以對留下的纖維素和半纖維素進行處理從而得到糖單體和低聚物[27]。研究發現，與酸處理和水熱處理相比，堿性預處理能更好地去除木質素并暴露出更多木聚糖酶的作用位點，促進后續的酶解過程[28]。SINGH等[29]優化了兩步堿預處理工藝,檳榔皮在質量分數為10%的NaOH溶液中于65 ℃條件下孵育8 h,再經過水熱處理(121 ℃持續1 h)的最佳條件下,經過酶水解后產生35 g/100 g純木聚糖的XOS。HAO等[30]利用過氧化氫-乙酸(HPAC)并以H2SO4為催化劑預處理楊木,通過兩步木聚糖酶和纖維素酶處理將固體殘留物用于生產XOS和葡萄糖,用添加了50 mmol/L H2SO4作為催化劑的30%H2O2和99%乙酸預處理2 h,酶解后XOS的產率可以達到16.9 g/kg楊木。

表3 化學/物理預處理-酶解聯合生產XOSTable 3 XOS production using chemical/physical pretreatment and enzymatic hydrolysis

3 低聚木糖對動物的益生作用研究進展

3.1 改變腸道菌群的組成和代謝活性

XOS可以改變腸道微生物的組成,增加益生菌的數量,產生有利于健康的脂肪酸。PAN等[42]探討了日糧XOS對不同年齡豬的腸道微生物組成和活性的影響,發現在育肥期添加XOS會增加豬腸道內容物中乙酸、直鏈脂肪酸和短鏈脂肪酸的濃度,改變腸道菌群的組成和代謝活性。

3.2 改善腸道屏障,增強免疫功能

腸道屏障可以保護宿主不被致病菌危害,腸道微生物對宿主的免疫力有很大影響。有研究通過用XOS和對照飲食喂養小鼠進行了腸道微生物評估,證明XOS可以改變腸道微生物群,改善腸道屏障,加強腸道致糖尿病抗原的控制[43]。EAIMWORAWU-THIKUL等[44]在雄性Wistar大鼠上證明了XOS可以減少全身性炎癥,增加小梁厚度,減少破骨細胞和活躍的糜爛面,并恢復了礦物質沉積和骨形成速率。YIN等[45]發現膳食補充XOS對生長性能、血細胞、生化參數以及腸道形態幾乎沒有影響，但是XOS喂養的仔豬炎癥狀態和腸道屏障得到改善。菌群分析表明,XOS影響了乳桿菌屬(Lactobacillus)、鏈球菌屬(Streptococcus)和Turicibacter的相對豐度。微生物的改變可能進一步涉及碳水化合物的代謝、細胞運動、細胞過程和信號傳導、脂質代謝以及其他氨基酸的代謝。

3.3 增加動物日重,提高飼料效率

由于應激反應的影響,在動物飼養中很容易出現料肉比(feed conversion ratio,FCR)過高的現象,XOS可以降低FCR,增加動物日增質量。RIBEIRO等[46]研究了XOS對肉雞性能的影響,顯示摻入XOS的飼喂或外源β-1,4-木聚糖酶的膳食補充均增加了小麥日糧的營養價值,動物性能的改善伴隨著在胃腸道上部定居的微生物種群的轉移。

研究發現在飼料中添加XOS喂養的豬具有更高的平均日增重和飼料效率,XOS提高了胰蛋白酶活性,降低糞便中NH3濃度以及糞便大腸桿菌的數量,增加了乳桿菌的數量[47]。ABDELMALEK等[48]發現在飼料中添加XOS喂養歐洲鱸魚(Dicentrarchuslabrax),可顯著增加體重,增加蛋白質效率比和飼料轉化率,改善生長并刺激免疫力,同時增強抗感染能力。

3.4 改善抗氧化能力

ABASUBONG等[49]研究木寡糖對鈍嘴鯛(Megalobramaamblycephala)的生長性能、抗氧化能力和針對嗜水氣單胞菌的免疫反應的影響,研究表明,飲食中添加質量分數1.5%XOS可以顯著改善鈍嘴鯛的生長性能、抗氧化能力、先天免疫力和嗜水桿菌抗性。YU等[50]的數據證明了XOS可增加小鼠糞便中的乳桿菌屬和雙歧桿菌屬含量,降低腸球菌屬、腸桿菌屬和梭狀芽胞桿菌屬含量,體外抗氧化結果表明,XOS與植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)均具有自由基清除活性,且聯合使用具有更好的抗氧化活性。

4 結語

XOS以其良好的穩定性,獨特的生理特性獲得了人們的青睞。XOS作為飼料添加劑能夠改善豬的腸道菌群,促進益生菌生長,依靠腸道屏障減少炎癥,起到預防疾病的效果,還能增加動物的日重,提高蛋雞的生產性能,在水產養殖中也能起到一定作用。隨著人們對XOS功能的探索,XOS的應用會越來越廣泛。值得注意的是,XOS的制備工藝至今還未成熟,如何更低成本、低污染、低能耗地生產XOS已經成為研究的熱點,而且XOS從生產底物中提純的成本過高,如何簡單快捷、低成本地分離XOS也將是未來研究的熱點。