木聚糖的提取分離和應(yīng)用研究進(jìn)展*

陳海珊，張國(guó)柱，王 磊，周玉恒，劉金磊

(1.廣西壯族自治區(qū)中國(guó)科學(xué)院廣西植物研究所，廣西木質(zhì)纖維素生物煉制工程技術(shù)研究中心，廣西桂林 541006；2.廣西壯族自治區(qū)中國(guó)科學(xué)院廣西植物研究所，廣西植物功能物質(zhì)與資源持續(xù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541006)

全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)每年能產(chǎn)生5×109t生物質(zhì)殘留物，它們是減輕能源危機(jī)的重要能量來(lái)源，也是獲得碳水化合物的寶貴原料，可開(kāi)發(fā)出以生物質(zhì)為基礎(chǔ)的眾多產(chǎn)品[1]。植物材料的木質(zhì)纖維素主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素3大組分構(gòu)成。木質(zhì)材料和禾本科植物材料是人們獲取半纖維素的重要來(lái)源[2,3]。這些材料的木質(zhì)纖維素干物質(zhì)中纖維素含量占35%-50%，半纖維素占10%-30%，木質(zhì)素占15%-30%[4]。纖維素是自然界中含量最豐富的有機(jī)化合物，大部分是結(jié)晶態(tài)的葡萄糖線性聚合高分子化合物。木質(zhì)素是一種由苯丙烷單元連接在一起的非晶態(tài)芳香族聚合物，它與半纖維素、纖維素緊密相連，是僅次于纖維素的第二大豐富的天然聚合物。半纖維素是由木糖與半乳糖、阿拉伯糖、甘露糖和葡萄糖等單體組合的聚合物。木聚糖是半纖維素的主要成分[5]，主鏈由木糖殘基經(jīng)β-1,4糖苷鍵連接而成[6]，它們通過(guò)共價(jià)鍵和氫鍵等相互作用與其他細(xì)胞壁成分相連，如纖維素、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素和一些酚類(lèi)化合物(如阿魏酸等)[7]。木聚糖作為唯一的五碳糖聚合物，具有區(qū)別于其他多糖的物化特性，如果充分利用這些特性開(kāi)發(fā)一系列具有獨(dú)特性能或生物活性的全新產(chǎn)品，極有可能是未來(lái)突破木質(zhì)纖維素現(xiàn)有應(yīng)用模式的重要方向。

目前，國(guó)內(nèi)外研究人員在木聚糖的提取、分離純化和應(yīng)用方面開(kāi)展了大量的研究工作。木聚糖在許多領(lǐng)域的應(yīng)用都需要高純度的樣品作為基礎(chǔ)，雖然堿提取能快速有效地提取大部分木聚糖，但其分離純化仍然是一個(gè)難題。木聚糖的分離和純化仍然需要廣泛的研究，以適應(yīng)工業(yè)化應(yīng)用的要求。本文對(duì)從植物中提取、分離純化木聚糖的方法和木聚糖在食品、醫(yī)藥、材料等方面的應(yīng)用進(jìn)行綜述，旨在為木聚糖的開(kāi)發(fā)利用提供參考。

1 木聚糖的制備

天然木聚糖可分為同源木聚糖(如線性同聚木聚糖Homoxylan)和異源木聚糖(如阿拉伯木聚糖Arabinoxylan、葡萄糖醛酸木聚糖Glucuronoxylan、阿拉伯葡萄糖醛酸木聚糖Arabinoglucuronoxylan等)(圖1)，這些聚合物具有廣闊的應(yīng)用前景[8，9]。為了更好地開(kāi)發(fā)和應(yīng)用木聚糖，首先要解決木聚糖的制備問(wèn)題。植物材料中半纖維素、纖維素與木質(zhì)素之間的復(fù)雜鍵合結(jié)構(gòu)導(dǎo)致木聚糖分離純化困難。從植物材料中提取木聚糖一般需要經(jīng)過(guò)脫脂、脫淀粉及水溶性多糖、脫木質(zhì)素、溶劑提取、膜分離、中和、沉淀分離等步驟，按照制備過(guò)程可以分為預(yù)處理、溶劑提取、分離純化3個(gè)部分。

圖1 常見(jiàn)木聚糖的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)[1,10]Fig.1 Types and structures of common xylans[1,10]

為了解常見(jiàn)的處理步驟在木聚糖制備過(guò)程中的定位和目的，將制備流程概括如圖2。從大多數(shù)報(bào)道中指出的問(wèn)題來(lái)看，不同制備方法引起的產(chǎn)物差異有跡可循。因此，結(jié)合制備方法的特點(diǎn)和對(duì)制備產(chǎn)物的要求以及植物材料成分的差異等因素，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整制備流程是必要的。

圖2 木聚糖的制備流程Fig.2 Preparation process of xylan

1.1 提取預(yù)處理

植物材料成分非常復(fù)雜，如果直接進(jìn)行溶劑提取就會(huì)加大后續(xù)分離純化工藝的難度，而對(duì)不同植物材料進(jìn)行恰當(dāng)?shù)念A(yù)處理能有效減少提取物雜質(zhì)的含量，提高產(chǎn)物收率。脫脂、脫淀粉和多糖、脫木質(zhì)素是常見(jiàn)的預(yù)處理方法。

1.1.1 脫脂

植物生物質(zhì)中都含有少量的脂類(lèi)化合物，包括甘油磷脂、脂肪酸、鞘脂、固醇脂和糖脂類(lèi)等，脂類(lèi)物質(zhì)含量也因植物種類(lèi)不同而存在差異。檸條干物質(zhì)中含有約4.5%的油脂和蠟[11]，而海棗果實(shí)中粗脂肪含量?jī)H為0.56%[12]。因此，應(yīng)在預(yù)處理前先了解或檢測(cè)原材料的脂類(lèi)含量，再判斷是否需要脫脂。在提取植物材料半纖維素之前，可以通過(guò)有機(jī)溶劑提取去除脂溶性雜質(zhì)，以便提高產(chǎn)品的純度。常用的脫脂溶劑包括甲醇、乙醇、乙醇-甲苯混合物、石油醚、氯仿等。Pavlovich-Abril等[13]用85%(V∶V)乙醇回流提取2 h，去除麥麩中的低聚糖、揮發(fā)油和其他小分子。Md Salim等[14]通過(guò)乙醇-甲苯回流提取6 h，從植物材料中提取脂類(lèi)化合物。Cantu-Jungles等[15]使用氯仿-甲醇(1∶1)處理亞馬遜莓，以去除脂質(zhì)、色素和其他疏水性物質(zhì)。木聚糖產(chǎn)品的應(yīng)用，尤其是產(chǎn)品對(duì)溶劑使用有要求的應(yīng)用方向，限制了脫脂方法的選擇。

1.1.2 脫淀粉和多糖

生物質(zhì)中的多糖和淀粉常用水提取法分離。這些易溶于水的成分可以通過(guò)熱水提取預(yù)先分離，而大部分木聚糖仍能保留在生物質(zhì)殘?jiān)小v?rd等[16]發(fā)現(xiàn)熱水提取油菜秸稈，獲得的組分富含半乳葡甘聚糖(Galactoglucomannan)，而堿提取的主要成分是木聚糖。研究表明，木聚糖通常與β-葡聚糖共同出現(xiàn)在禾本科植物細(xì)胞壁中[17]。Yao等[18]先用熱水提取大麥中的β-葡聚糖，再以殘?jiān)M(jìn)行堿提取，產(chǎn)物β-葡聚糖含量降低，說(shuō)明水提取預(yù)處理對(duì)提高木聚糖純度有利。Ma等[19]利用透射電鏡結(jié)合免疫金標(biāo)記研究水熱預(yù)處理?xiàng)顦?shù)纖維細(xì)胞壁木聚糖的微觀分布變化，發(fā)現(xiàn)與未處理的纖維相比，經(jīng)脫木質(zhì)素和酶處理的纖維中木聚糖標(biāo)記損失更大，與纖維素緊密結(jié)合的木聚糖在水熱處理過(guò)程中難以去除。研究表明，淀粉會(huì)降低提取效率，還會(huì)導(dǎo)致后續(xù)膜分離過(guò)程中超濾膜污染[20]，因此，為提高木聚糖的產(chǎn)率和純度，特別是富含淀粉和多糖的植物材料，水提取預(yù)處理是需要考慮的預(yù)處理步驟。

1.1.3 脫木質(zhì)素

木質(zhì)纖維素組分間的化學(xué)鍵和連接結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，木質(zhì)素與纖維素、半纖維素結(jié)合形成的致密植物結(jié)構(gòu)難以水解。因此，在提取木聚糖之前應(yīng)進(jìn)行脫木質(zhì)素預(yù)處理，只有將木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合體(Lingin-Carbohydrate Complex，LCC)結(jié)構(gòu)打破，才能使木聚糖從原材料擴(kuò)散到溶劑中。

亞氯酸鈉[21]、過(guò)氧化物[22]、二氧六環(huán)[23]等是常用的脫木質(zhì)素試劑。另外，氫氧化鈉-乙醇混合物也可用于脫木質(zhì)素[24]，醇和堿的混合液可以使木聚糖沉淀，而木質(zhì)素仍保留在混合液中[25]。脫木質(zhì)素既可作為預(yù)處理步驟，也可同時(shí)提取半纖維素和木質(zhì)素，再通過(guò)后續(xù)步驟分離，這取決于方法的差異。將脫木質(zhì)素作為預(yù)處理步驟時(shí)，處理方法是將植物材料置于脫木質(zhì)素試劑中，在確定的工藝條件下降解一段時(shí)間，再分離固液兩相[26]。液相中木質(zhì)素含量較高，固相一般稱(chēng)為全纖維素。脫木質(zhì)素的固相用蒸餾水和乙醇洗滌并干燥后可獲得全纖維素[11]。De Carvalho等[27]發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)的亞氯酸鈉相比，過(guò)氧乙酸脫木質(zhì)素能獲得更高的木聚糖提取率和純度。

一般在堿性條件下同時(shí)提取半纖維素和木質(zhì)素，利用氫氧化鈉、亞氯酸鈉、過(guò)氧化氫等破壞木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)，使半纖維素和木質(zhì)素溶解。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)，在酸性條件下脫木質(zhì)素的同時(shí)也能提取部分半纖維素。白楊木屑依次經(jīng)過(guò)0.5%的硫酸加壓浸漬、亞硫酸鈉浸漬和化學(xué)熱磨機(jī)械處理，收集液體部分調(diào)整pH值為2.5，通過(guò)離心分離去除沉淀(大部分是木質(zhì)素)，離心上清液再加入3倍體積的95%乙醇，得到的沉淀物質(zhì)即為半纖維素[28]。Yang等[29]研究表明，深共晶溶劑(Deep Eutectic Solvent，DES)也可用于脫木質(zhì)素。Almeida等[30]研究發(fā)現(xiàn)，1-丁基-3-甲基咪唑甲磺酸+水或氯化膽堿+咪唑組成的深共晶溶劑系統(tǒng)表現(xiàn)出顯著的去除金合歡木材中木質(zhì)素的能力，木質(zhì)素脫除率分別為92.4%和90.2%。

木質(zhì)素的脫除率因原材料、處理?xiàng)l件不同存在差異，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后仍會(huì)剩余一些木質(zhì)素，這是由LCC結(jié)構(gòu)的頑固性和復(fù)雜性所決定的。因此，如果過(guò)高地追求木質(zhì)素脫除率可能會(huì)使木聚糖產(chǎn)率下降，甚至?xí)绊懏a(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。Naran等[31]認(rèn)為，盡量減少木聚糖提取的潛在變化比提高木質(zhì)素脫除率更重要。脫木質(zhì)素預(yù)處理是提高木聚糖產(chǎn)量和純度的重要步驟，如何確定工藝條件應(yīng)根據(jù)原材料木質(zhì)素含量、產(chǎn)物收率和產(chǎn)物純度來(lái)衡量。

1.1.4 其他預(yù)處理方法

除上述3種方法外，脫色、除果膠、除金屬離子也是常見(jiàn)的預(yù)處理步驟。Capek等[32]在提取洋蘇草半纖維素時(shí)用甲醇-氯仿(10∶1，V∶V)進(jìn)行預(yù)處理，以去除有色化合物。Zahraa等[33]用草酸鉀去除蘋(píng)果渣含有的果膠。De Carvalho等[27]在用過(guò)氧乙酸脫木質(zhì)素之前，先用0.2%(W∶V)乙二胺四乙酸(Ethylene Diamine Tetraacetic Acid，EDTA)在90℃下處理甘蔗渣和稻草1 h，持續(xù)攪拌，以去除金屬離子。Naran等[31]通過(guò)EDTA預(yù)處理去除可能干擾過(guò)氧化氫脫木質(zhì)素的金屬離子。

1.2 溶劑提取

堿、水、二甲基亞砜(Dimethyl Sulfoxide,DMSO)是提取木聚糖常用的3種溶劑。物理和機(jī)械作用(壓力、超聲、微波、物理擠壓)以及酶的生物催化作用均有利于實(shí)現(xiàn)半纖維素的提取。堿提取能夠溶解植物材料中的大部分半纖維素；水提取一般需要加壓才能有效地水解LCC復(fù)合物；二甲基亞砜和水提取得到的提取液，水溶性木聚糖含量較高。

1.2.1 堿提取

堿提取是提取和溶解半纖維素組分的首選方法，其能夠破壞氫鍵和水解酯鍵[34]，導(dǎo)致纖維素膨脹，降低纖維素的結(jié)晶度[35]。Gu等[36]使用不同類(lèi)型的堿提取木聚糖，在相同條件下使用NaOH、KOH和NH3·H2O提取的木聚糖收率分別為57.4%、46.2%和37.2%。Kaur等[24]研究表明，堿濃度過(guò)高或過(guò)低均會(huì)降低木聚糖產(chǎn)率，在最佳條件下(11.04% NaOH、3.126 h、80.146℃)木聚糖產(chǎn)率為干稻草的19.4%。為提高木聚糖產(chǎn)率，也有研究認(rèn)為通過(guò)多步提取的方式處理原材料更有效[11]。

堿提取一般先將固液兩相分離，然后中和提取液，使部分提取物從溶劑中析出，分離析出沉淀和上清液兩部分，沉淀物主要是水不溶性木聚糖，常含有部分木質(zhì)素，上清液主要成分是水溶性木聚糖。Egüés等[37]使用6 mol/L的HCl中和堿提取玉米秸稈濾液，pH值調(diào)至5.5后，加入3倍體積無(wú)水乙醇使半纖維素沉淀，用乙醇水(70∶30，V∶V)洗滌，干燥后用于進(jìn)一步鑒定。Peng等[38]研究表明，水溶性半纖維素主要由葡萄糖(27.83%)、木糖(27.32%)和半乳糖(16.81%)組成，堿溶性半纖維素主要由木糖(69.73%-88.62%)和阿拉伯糖(5.41%-16.20%)組成。

研究表明，提取條件對(duì)木聚糖產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有重要的影響。Sv?rd等[16]發(fā)現(xiàn)，較低濃度堿提取的半纖維素分子量相對(duì)較高，含有高分子量木聚糖和半乳糖甘露聚糖混合物的提取物，即使不添加任何增塑劑，也具有機(jī)械完整性，這些半纖維素產(chǎn)物適用于生產(chǎn)薄膜或包裝材料。Sun等[39]發(fā)現(xiàn)，甜高粱莖稈水溶性半纖維素含有較多的葡萄糖，分子量較低；相比之下，堿溶性半纖維素主要由木糖(36.1%-73.0%)組成，具有線性結(jié)構(gòu)和較大的分子量，并且長(zhǎng)時(shí)間的低溫堿提取比短時(shí)間較高溫度堿提取的半纖維素含有更多的木質(zhì)素[40]。

1.2.2 加壓提取

加壓提取一般以水作為溶劑，有時(shí)也會(huì)加入少量乙醇[41]。在1-5 MPa壓力(常用N2作為加壓介質(zhì))、150-250℃溫度下提取1-2 h，能有效地提取植物材料中的可溶性木聚糖。研究表明，在時(shí)間(10-50 min)、溫度(170-190℃)和壓力(1-5 MPa) 3個(gè)因素中，溫度對(duì)降解產(chǎn)物和溶解木質(zhì)素產(chǎn)率的影響比時(shí)間更明顯[42]。在180℃以上的溫度，半纖維素很容易從植物材料中分離出來(lái)[43]。加壓熱水提取能夠分離可溶性木聚糖，提取率因原料水溶性木聚糖的含量而異。Borrega等[44]用加壓熱水提取獲得了樺木牛皮紙漿中50%-80%的木聚糖，并且纖維素產(chǎn)率沒(méi)有損失。Monteiro等[45]將芒果核置于2.5 MPa、180℃條件下，以水作為溶劑提取半纖維素，15 min提取了原料中40%的半纖維素，其中聚合度為2-6的低聚木糖占8.2%，聚合度大于6的可溶性木聚糖占31.1%。

加壓熱水處理的優(yōu)點(diǎn)是能避免酸堿處理、減輕設(shè)備腐蝕、簡(jiǎn)化工藝步驟，是一種有效的半纖維素提取技術(shù)。據(jù)報(bào)道，加壓水提取獲得的木聚糖產(chǎn)物與堿提取產(chǎn)物有差異。Banerjee等[34]發(fā)現(xiàn)，加壓熱水提取的半纖維素分子量低、分支較多，木糖含量?jī)H為43.1%-69.0%；而堿提取的半纖維素分子量高、分支較少，木糖含量高達(dá)78.8%-83.4%。加壓熱水提取過(guò)程中半纖維素的降解是需要關(guān)注的另一個(gè)問(wèn)題。

1.2.3 有機(jī)溶劑提取

二甲基亞砜(DMSO)是一種中性溫和的有機(jī)溶劑，也常用于提取木聚糖。在100℃以?xún)?nèi)，以純?nèi)軇┨崛?-24 h，可以獲得植物材料中的部分木聚糖，這種方法具有高效性和選擇性。如果使用傳統(tǒng)的堿提取法獲取半纖維素，就會(huì)丟失大部分原來(lái)木聚糖中含有的乙酰酯，而DMSO能夠在提取過(guò)程中保留植物材料中木聚糖的乙酰基團(tuán)[33]。Peng等[46]依次使用DMSO、飽和Ba(OH)2水溶液、1.0 mol/L NaOH水溶液提取脫木質(zhì)素的蘆竹，各組分的產(chǎn)率分別為10.2%、6.7%和10.0%，單糖、分子量、紅外光譜、1D(1H和13C)和2D(HSQC)核磁共振分析結(jié)果顯示，各組分在結(jié)構(gòu)特征和理化性質(zhì)上存在差異。研究表明，附著在木聚糖鏈上的乙酰基顯著影響著木聚糖的構(gòu)象行為[33]，有機(jī)可溶性半纖維素組分比堿可溶性半纖維素組分的分支度更高，并且不同方法獲得的半纖維素組分，其化學(xué)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在變化對(duì)其熱穩(wěn)定性具有重要的影響[47]。

1.2.4 其他提取方法

機(jī)械作用、超聲、微波、酶等是輔助提取木聚糖的常用方法。在半纖維素提取的相關(guān)研究中，機(jī)械輔助提取常借助雙螺桿擠出機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。Daou等[48]結(jié)合雙螺桿擠出機(jī)提取半纖維素，發(fā)現(xiàn)機(jī)械作用使可溶性膳食纖維含量從5.9%增加到6.8%。Vandenbossche等[49]結(jié)合了熱、機(jī)械(雙螺桿擠出機(jī))、化學(xué)作用和酶的催化作用，經(jīng)過(guò)堿性預(yù)處理、提取-中和-分離和生物擠壓處理3個(gè)階段，雖然只獲得原材料18%-54%的半纖維素，但是它具有植物材料停留時(shí)間短和水消耗量低等優(yōu)點(diǎn)。擠壓-熱機(jī)械工藝是一種可行的連續(xù)提取手段，易于在工業(yè)規(guī)模上實(shí)現(xiàn)，工藝調(diào)整具有靈活性[50]。值得注意的是，機(jī)械作用會(huì)增加提取液的復(fù)雜性，使更多的物質(zhì)轉(zhuǎn)移到溶劑內(nèi)，包括一些水解產(chǎn)物和提取得到的其他分子(蛋白質(zhì)、木質(zhì)素和無(wú)機(jī)鹽)。因此，若借助雙螺桿擠出機(jī)等機(jī)械作用輔助提取木聚糖，對(duì)于后續(xù)開(kāi)發(fā)高效的分離純化步驟十分重要。

在提取木聚糖的過(guò)程中適當(dāng)?shù)厥┘映暬蛭⒉ǎ軌蛴行У卦黾酉嗤瑫r(shí)間下的木聚糖提取率。Jiang等[51]研究了木聚糖的超聲輔助提取工藝，當(dāng)超聲波功率從200 W增加到500 W時(shí)，水不溶性阿拉伯木聚糖的產(chǎn)率從21.64%增加到25.39%，當(dāng)達(dá)到600 W時(shí)產(chǎn)率迅速下降。隨著超聲或微波輔助提取時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)品得率可能會(huì)降低。Buranov等[41]發(fā)現(xiàn)，隨著微波照射時(shí)間的增加，半纖維素產(chǎn)量會(huì)降低，這可能是大分子木聚糖的降解所致。超聲和微波輔助提取的最大優(yōu)勢(shì)是能夠極大地減少提取所需要的時(shí)間，如果提取時(shí)間繼續(xù)增加可能就會(huì)引起提取物的降解。

在酶法輔助提取的過(guò)程中，木聚糖酶、纖維素酶也常用于輔助提取木聚糖。Vandenbossche等[49]利用纖維素酶和半纖維素酶輔助提取甜玉米、甘蔗渣等植物材料的半纖維素。此外，Morais等[52]開(kāi)拓性地開(kāi)發(fā)硬木木聚糖的深共晶溶劑提取法，由氯化膽堿和尿素或乙酸形成深共晶溶劑，應(yīng)用響應(yīng)面法優(yōu)化木聚糖的溶解條件(深共晶溶劑水溶液的溫度、摩爾比和濃度)，并以此條件提取藍(lán)桉木木聚糖，收率為14.81%。

1.3 分離純化

離心分離是木聚糖分離純化過(guò)程的常用方法。無(wú)論是溶劑提取完成后生物質(zhì)殘?jiān)c提取液的分離，還是酸或醇沉降后的固液分離都需要利用離心力將兩相分開(kāi)，這種物理作用雖然不會(huì)對(duì)提取物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)造成影響，但是分離效果卻直接影響雜質(zhì)的含量以及產(chǎn)物的純度和收率。此外，酶解也能提高提取液的木聚糖純度，通過(guò)淀粉酶、蛋白酶、葡萄糖淀粉酶等的生物催化作用能有效地去除溶解在提取液中的淀粉和蛋白質(zhì)[18,53,54]。相比于離心分離和酶解，膜分離和沉淀分離是純化木聚糖更重要的方法。因此，只有充分了解各種純化方法的特點(diǎn)，優(yōu)化分離條件，才能夠提高混合物中各組分的分離程度，為進(jìn)一步的純化或應(yīng)用做鋪墊。

1.3.1 膜分離

膜分離是濃縮和純化木聚糖提取液的高效方法。工業(yè)上，不同分子量截止膜可以純化和濃縮復(fù)雜的多糖混合物，在濃度差或壓力的作用下，分子質(zhì)量較低的溶質(zhì)透過(guò)膜，而大分子則被截留在另一側(cè)。膜分離可用于分離木聚糖溶液中的低聚糖和小分子物質(zhì)，如酸、堿、鹽等。Wijaya等[55]使用RS50超濾膜(截留分子量150 000 Da)先回收酶解液中的大分子木聚糖，再使用NTR-7410納濾膜(截留分子量3 000 Da)和NTR-7450納濾膜(截留分子量600-800 Da)將低聚木糖與單糖(木糖)分離。Sukhbaatar等[42]應(yīng)用超濾膜ETNA10PP (截留分子量10 000 Da)分離高分子量的半纖維素分子，再用納濾膜ETNA01PP(截留分子量1 000 Da)和Alfa Laval-NF (截留分子量400 Da)分離低分子量和單體半纖維素組分。木聚糖提取液中含有部分低聚糖和單糖，納濾膜可用于分離這些副產(chǎn)物。低聚木糖通常由木聚糖水解產(chǎn)生，水解液中的木糖被認(rèn)為是低聚木糖生產(chǎn)中不需要的副產(chǎn)品[56]。Lian等[57]通過(guò)150-200 Da的納濾膜去除木聚糖酶解液中的低分子量物質(zhì)，能夠回收酶解液中84.15%的低聚木糖和87.45%的木聚糖。當(dāng)溶液中組分與膜的平均截留分子量相近時(shí)，容易引發(fā)膜孔隙堵塞，導(dǎo)致滲透通量急劇下降[58]。

膜通量、選擇性和污染情況是分離過(guò)程首要考慮的3個(gè)因素，通量、滯留物和污垢對(duì)超濾過(guò)程的成本有相當(dāng)大的影響[59]。Arkell等[60]發(fā)現(xiàn)降低麥麩半纖維素的黏度能夠增加超濾過(guò)程的膜通量，黏度降低25%，通量增加了約30%，通過(guò)不同截留分子量膜分離依次進(jìn)行，能更有效地純化木聚糖。

1.3.2 沉淀分離法

沉淀分離法是木聚糖分離純化的另一個(gè)重要的方法。由于木聚糖大部分溶于堿，部分溶于水，通過(guò)加酸(乙酸、鹽酸等)調(diào)整木聚糖濃縮液的pH值(3.5-7)使提取物沉降，再經(jīng)過(guò)離心、過(guò)濾等方式得到分離產(chǎn)物(水不溶性木聚糖)，酸性條件下未沉降的提取物可以通過(guò)加入乙醇使其沉淀(水溶性木聚糖)。

中和與醇沉得到的組分在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上存在差異。Jiang等[61]研究表明，中和、乙醇沉淀半纖維素收率分別為36.4%和50.4%，中和組分比醇沉組分單糖組成更均勻，兩者的物理化學(xué)性質(zhì)明顯不同，如平均分子質(zhì)量、粒徑、Zeta電位和熱穩(wěn)定性等。并且，不同乙醇濃度沉淀的提取物結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也有區(qū)別。更多高度支化的半纖維素傾向于在更高濃度的乙醇溶液中沉淀[38]。Bian等[62]采用分級(jí)醇沉的方法分離半纖維素，分析結(jié)果表明，分子量大、分支較少的半纖維素在較低的乙醇百分比濃度中沉淀，隨著乙醇濃度的增加，得到更多低分子量、高分支的半纖維素。

2 木聚糖的應(yīng)用

天然提取得到的木聚糖多應(yīng)用于食品與制藥，可作為人類(lèi)食物的植物，尤其是富含木聚糖的禾本科植物，是人們攝取膳食纖維的主要來(lái)源。哺乳動(dòng)物本身不能降解植物細(xì)胞壁多糖，而是依賴(lài)于腸道微生物的分解[63]。膳食纖維的攝入與健康的腸道微生物群、有利的體質(zhì)量以及整體代謝健康有關(guān)，同時(shí)也能夠降低心血管疾病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)和死亡率[64]。腸道微生物發(fā)酵利用富含木聚糖等成分的膳食纖維，代謝產(chǎn)生的短鏈脂肪酸SCFA(木聚糖發(fā)酵主要在小腸中產(chǎn)生丁酸[65])，既是腸道上皮細(xì)胞的主要能量來(lái)源，同時(shí)也能影響菌群結(jié)構(gòu)，參與宿主的代謝機(jī)能與生理調(diào)控[66]。Yang等[67]研究發(fā)現(xiàn)，木聚糖能夠增強(qiáng)大菱鲆幼魚(yú)腸道黏膜屏障功能和調(diào)節(jié)微生物群。Wang等[68]的研究結(jié)果表明，補(bǔ)充木聚糖可以選擇性促進(jìn)大腸內(nèi)假小鏈雙歧桿菌(Bifidobacteriumpseudocatenulatum)增殖來(lái)緩解腸道菌群失調(diào)。麥麩衍生的阿拉伯木聚糖具有刺激抗體介導(dǎo)的雞免疫應(yīng)答的潛力，可作為一種低成本的植物成分替代對(duì)抗療法藥物來(lái)預(yù)防禽球蟲(chóng)病[69]。雖然這些研究表明木聚糖具備應(yīng)用于食品與藥物領(lǐng)域的巨大潛力，但是其來(lái)源、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以及生物活性的關(guān)系未有足夠廣泛和完善的研究支撐。Gill等[70]認(rèn)為，不同膳食纖維的物理化學(xué)性質(zhì)(如溶解性、黏度和發(fā)酵性)因其來(lái)源和加工有很大差異，是其功能特性和臨床用途的決定因素。因此，未來(lái)的研究應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)特定結(jié)構(gòu)，以及同時(shí)攝入不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型復(fù)合多糖對(duì)健康益處的評(píng)估。

木聚糖交聯(lián)制備的水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，如皮膚護(hù)理材料[71]、傷口敷料[72]、藥物傳遞載體[73]等。基于木聚糖-硫辛酸(Xylan-lipoic acid)結(jié)合物的納米顆粒被開(kāi)發(fā)用于癌癥治療中靶向給藥治療[74]。由木聚糖解聚得到的低聚木糖可以作為一種益生元[75]。此外，木聚糖或一些修飾改性木聚糖(磷酸化[76]、羧甲基化[77]、羥丙基磺化[78]、季銨化[79]等)可以應(yīng)用于食品包裝、可降解薄膜、抗菌薄膜等膜材料領(lǐng)域。木聚糖的成膜能力和生物降解性使其有望成為食品塑料包裝的替代品[80-82]。木聚糖還可以應(yīng)用于造紙[83]、作為染料絮凝劑[84]或生產(chǎn)糠醛[85]、乙醇[86]等。

3 展望

本文從預(yù)處理、提取方法、分離純化方法和應(yīng)用4個(gè)方面總結(jié)了木聚糖制備和應(yīng)用相關(guān)的研究現(xiàn)狀。在預(yù)處理方法中，應(yīng)根據(jù)植物材料的淀粉、多糖、脂質(zhì)和木質(zhì)素含量來(lái)確定如何進(jìn)行脫脂、水提取預(yù)處理、脫木質(zhì)素。含種實(shí)的禾本科植物淀粉含量較高，水提取預(yù)處理是提高產(chǎn)品純度的有效預(yù)處理方法。利用亞氯酸鈉等試劑脫木質(zhì)素能有效提高產(chǎn)物純度，但是過(guò)高地追求木質(zhì)素脫除率反而會(huì)降低木聚糖產(chǎn)率并影響產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，最佳方式是以木聚糖產(chǎn)率和純度來(lái)綜合衡量脫木質(zhì)素的方法和工藝條件。在提取方法中，不同溶劑(堿、水、二甲基亞砜等)提取的木聚糖，結(jié)構(gòu)和性質(zhì)存在差異，機(jī)械作用、壓力、超聲、微波和酶等也可用于輔助溶劑提取。在分離純化方法中，膜分離能有效去除小分子雜質(zhì)，沉淀分離是獲得木聚糖的重要方法。經(jīng)過(guò)這些制備步驟獲取的木聚糖可廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、水凝膠、包裝膜材料、藥物傳遞載體、染料絮凝劑和造紙?jiān)鰪?qiáng)劑等領(lǐng)域。

復(fù)雜多樣的木聚糖結(jié)構(gòu)雖然難以清晰地被分離純化，但也正是結(jié)構(gòu)的多樣性使木聚糖應(yīng)用廣泛。大量的研究表明，不同提取方法獲得的木聚糖產(chǎn)物在結(jié)構(gòu)與性質(zhì)上有區(qū)別。提取及分離純化方法無(wú)一不是根據(jù)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)差異來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如膜分離(依據(jù)分子量)、色譜分離(依據(jù)極性、分子間作用力等)、沉淀分離(依據(jù)酸、醇不相溶性)等。未來(lái)從植物材料中獲取木聚糖，應(yīng)以結(jié)構(gòu)和性質(zhì)差異為導(dǎo)向來(lái)制定并實(shí)施提取分離純化策略，這是一個(gè)極具研究和工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的方向。以此分離得到結(jié)構(gòu)相似、性質(zhì)相同的高純度組分，才能在最適合的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮其應(yīng)有的作用。同時(shí)，在分離純化木聚糖的過(guò)程中，木質(zhì)纖維素中另外兩大組分(纖維素與木質(zhì)素)也應(yīng)得到分離，根據(jù)其化學(xué)性質(zhì)再分別開(kāi)發(fā)出一系列的生物基產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)全組分的開(kāi)發(fā)利用。以綜合收益取得效益最大化，是商業(yè)可行的關(guān)鍵。