【文献解读】CARBOHYD POLYM综述：利用木质纤维素制备低聚木糖益生元

背景简介

低聚木糖（xylooligosaccharides, XOS），或称木寡糖，是近年来兴起的一种功能性低聚糖。木寡糖由β-D木糖单元通过β-1, 4糖苷键连接形成，它耐热、耐酸、不能被消化系统分解，能进入结肠选择性地增殖益生菌（乳酸菌、双歧杆菌），从而改善肠道健康，是一种重要的益生元（prebiotics），目前已广泛应用于食品工业、医药保健品、农业饲料添加剂等行业。目前，低聚木糖主要通过木聚糖（xylan）水解（酸水解、酶水解）制备而得，而某些木质纤维素中半纤维素富含木聚糖，因此以可再生的木质纤维素为原料制备具有高附加值的低聚木糖益生元是目前的一个研究热点。

最近，来自University of Chile的Oriana Salazar课题组综述了以木质纤维素制备低聚木糖的相关研究进展，主要介绍了木质纤维素原料选取，低聚木糖的制备、提纯及表征方法，益生元效益的测试方法，详细讨论了木质纤维素原料的预处理及木聚糖酶水解的相关研究。

图文导读

木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素三大组分构成（如图2），其中半纤维素的一个主要成分是木聚糖（60-90%， w/w）。木聚糖是一种异质多糖，其聚合度在50-200，在木质纤维素中的比重最高可达34%（w/w）。木聚糖的主链是由D-木糖通过β-1, 4糖苷键连接形成，侧链上有不同的取代基团（如阿拉伯糖、葡萄糖醛酸等），经水解后可制备聚合度较低的木寡糖。研究表明，聚合度在2-6的木寡糖具有最佳的益生元效益，如何水解木聚糖从而得到特定聚合度的木寡糖值得深入研究。

目前，从木质纤维素制备低聚木糖主要有两种途径，一步法（自动水解）和两步法（预处理-酶水解）（图三）。

一步法是直接利用水或水蒸气在高温高压下处理木质纤维素，经自电离产生的氢质子催化水解半纤维素中的木聚糖生成木寡糖，未反应的纤维素和木质素经离心或过滤除去。一步法反应中通常加入乙酸强化水的自电离，或者加入无机酸（如硫酸）催化木聚糖水解。一步法反应速度快，但剧烈的反应条件下木聚糖通常会直接水解成木糖，并有大量副产物（葡萄糖、糠醛及5-羟甲基糠醛等）产生，导致木寡糖得率较低，且后续分离提纯难。

两步法首先采用物理法（水热法）或化学法（酸法或碱法）对木质纤维素进行预处理（section 4），打破其顽抗性结构使半纤维素可及性增大，然后再用利用内切木聚糖酶和辅助酶（针对水解侧链取代基团）催化木聚糖水解为木寡糖（section 5, 6）。作者对比了各种预处理方法后认为碱法预处理最优，这是因为碱溶解半纤维素后无需再分离纤维素和木质素，将碱预处理液中的半纤维素沉淀回收后可直接进行酶水解。酶解后，富含木寡糖的水解液可通过膜分离（超滤、纳滤）或色谱分离（凝胶色谱、活性炭吸附色谱）进行提纯（section 9）。两步法中酶水解的木寡糖得率高，副产物少，但缺点是木质纤维素必须经过预处理，否则酶水解效率受到严重影响。另外，与酸水解相比，酶水解的反应速率较慢，成本更高。为了提高酶水解的效率和降低反应成本，重复利用固定化酶、重组酶，蛋白质工程产酶等方法已被深入研究（section 7-8）。

作者也总结了低聚木糖的表征及定量方法（section 10），二硝基水杨酸法（DNS法）可以测定木寡糖的总量，木寡糖的结构（糖苷键组成、异头构型等）可用核磁共振技术表征，质谱（ESI，MALDI-TOF）、薄层色谱（TLC）可表征木寡糖的分子量、聚合度，高效液相色谱（HPLC）、高效阴离子交换色谱（HPEAC）、气相色谱可用于木寡糖的定量分析。木寡糖的益生元效益主要通过益生菌（双歧杆菌、乳酸菌）的体外、体内发酵实验表征（section 11）。

结论

木质纤维素中富含木聚糖的半纤维素经过预处理后使用木聚糖酶催化水解可制备具有益生元效益的低聚木糖。作者强调，由于木糖不具有益生元效应，不应该将木糖归于低聚木糖进行得率计算。另外，低聚木糖的得率应基于未预处理的半纤维素进行计算，以包含对预处理效果的评价。未来，木寡糖可由酶催化木糖通过自下而上的方法进行合成，另外木寡糖的益生元效益还需进行深入研究。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.117118

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