任春霖,董紅麗,王風(fēng)芹,宋安東

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,河南 鄭州,450002)

低聚木糖(xylooligosaccharides,XOS)是近年來備受關(guān)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(wěn)定性好、耐酸耐高溫等優(yōu)點(diǎn)[1]。除此之外,XOS不能被人體吸收,只能被腸道內(nèi)的微生物利用,從而促進(jìn)腸道內(nèi)雙歧桿菌(Bifidobacterium)、乳酸菌等有益菌產(chǎn)生對(duì)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(zhǎng),因此XOS被認(rèn)為是具有益生元活性的可溶性膳食纖維[2-4],已被廣泛應(yīng)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(chǎn)。XOS是由木糖殘基鏈組成的寡糖,一般由2～7個(gè)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(cè)基修飾形成支鏈結(jié)構(gòu),不同的木聚糖來源和不同的工藝生產(chǎn)出的XOS的聚合度(degree of polymerization,DP)、側(cè)基以及側(cè)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(duì)近年來XOS的生產(chǎn)技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié),并介紹了XOS作為飼料添加劑對(duì)動(dòng)物的益生作用,以期為XOS的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用提供依據(jù)。

1 低聚木糖生產(chǎn)原料

木質(zhì)纖維素作為農(nóng)林業(yè)廢棄物,其主要由纖維素(cellulose)、半纖維素(hemicellulose)和木質(zhì)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(zhì)纖維素中半纖維素的主要成分,因此,在工業(yè)生產(chǎn)中大多以農(nóng)業(yè)殘余物作為原料生產(chǎn)具有高附加值的XOS。表1列舉了幾種常見木質(zhì)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(chǎn)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(duì)較高,是XOS工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用的原料。

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

2 低聚木糖生產(chǎn)技術(shù)研究進(jìn)展

由于木質(zhì)纖維素中木質(zhì)素、果膠(pectin)等物質(zhì)會(huì)影響木聚糖的提取率,因此需要打破木質(zhì)纖維素的致密結(jié)構(gòu),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(xué)方法直接生產(chǎn),也可以在物理、化學(xué)預(yù)處理技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合木聚糖酶酶解生產(chǎn)。表2和表3總結(jié)了近年來文獻(xiàn)中報(bào)道的XOS生產(chǎn)技術(shù)。

2.1 物理、化學(xué)生產(chǎn)法

2.1.1 自水解法

在高溫高壓的環(huán)境中,木質(zhì)纖維素中半纖維素發(fā)生水解斷裂,使木聚糖發(fā)生自身水解反應(yīng)釋放出XOS和木糖[15]。SUREK等[16]發(fā)現(xiàn)自水解的溫度和保溫時(shí)間對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)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(dá)到原料木聚糖的62%。要想使低DP的XOS的百分比達(dá)到最大,在此溫度下則需要30 min的保溫時(shí)間,并且木糖、乙酸和糠醛濃度隨處理強(qiáng)度的增加而增加。ZHANG等[17]在200 ℃的條件下對(duì)甘蔗渣進(jìn)行自水解,在10 min內(nèi)得到的XOS產(chǎn)率為50.35%,若想生產(chǎn)低DP的XOS則需要更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間,而隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,大量的木聚糖和XOS被降解為木糖和副產(chǎn)物。反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)造成了副產(chǎn)物的大量產(chǎn)生,不僅不能保證XOS的產(chǎn)率,還對(duì)XOS的純度造成影響。

表2 化學(xué)/物理法生產(chǎn)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(chǎn)率。有研究用玉米芯生產(chǎn)XOS和可發(fā)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(duì)玉米芯進(jìn)行處理,在所選擇的酸中,乙酸處理XOS的收率最高達(dá)到45.91%,與另外2種酸相比,經(jīng)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(xù)的纖維素酶解[18]。GUO等[9]在不同溫度和時(shí)間下用自生產(chǎn)的木糖酸共同生產(chǎn)XOS和葡萄糖。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)玉米芯在145 ℃反應(yīng)75 min時(shí)XOS收率最高為54.16%,并且纖維素酶解效率可達(dá)到100%。

2.1.3 無機(jī)鹽法

與酸處理相比,無機(jī)鹽溶液處理對(duì)設(shè)備的腐蝕性低,且有更高的催化活性。無機(jī)鹽處理主要利用了路易斯酸(Lewis acid)和酸堿質(zhì)子理論(Br?nsted-Lowry acid-base theory)的特性,在水中添加無機(jī)鹽發(fā)生水解反應(yīng),金屬離子和水形成復(fù)雜的絡(luò)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(chǎn)DP為2～5的XOS,發(fā)現(xiàn)在質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5% ZnCl2催化下于170 ℃ 蒸煮30 min時(shí)XOS的產(chǎn)率最大達(dá)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(fā)現(xiàn)無機(jī)鹽共催化比單種無機(jī)鹽處理增加了XOS的總產(chǎn)量,并且提高了木二糖和木三糖的產(chǎn)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(chǎn)XOS的方法。蒸汽爆破對(duì)環(huán)境污染小成本低、處理時(shí)間短,在蒸汽爆破期間,將植物生物質(zhì)進(jìn)料到爆破容器中通入蒸汽,使木質(zhì)纖維素經(jīng)受一段時(shí)間的高壓和高溫,在高溫高壓的環(huán)境中,木質(zhì)纖維素中半纖維素發(fā)生水解破裂,然后快速減壓使物料的結(jié)構(gòu)變得分散,實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素各個(gè)部分的有效分離[15,21-22]。

BHATIA等[23]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蒸汽爆破預(yù)處理?xiàng)l件為200 ℃,保溫10 min,芒草爆破產(chǎn)物中最高XOS收率達(dá)到52%。CARVALHO等[24]使用質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.5% H2SO4對(duì)甘蔗渣進(jìn)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(chǎn)方法,有能耗低、傳熱均勻、反應(yīng)即關(guān)即停等優(yōu)點(diǎn)。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(dāng)微波加熱至90 ℃時(shí)，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(xué)-酶解聯(lián)合生產(chǎn)法

酶解法生產(chǎn)XOS是一種反應(yīng)條件溫和,更適合工業(yè)生產(chǎn)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(tǒng)方法的一種替代方法,使用黑曲霉(Aspergillusniger)3T5B8產(chǎn)生的木聚糖酶對(duì)葡萄皮渣粉直接進(jìn)行酶解,得到的XOS收率高達(dá)88.68%。為了更好地發(fā)揮木聚糖酶的作用,更多研究者在酶解前會(huì)先用預(yù)處理的方式使半纖維素暴露。堿預(yù)處理的主要作用是去除木質(zhì)素以及果膠、脂肪、蛋白質(zhì)等。將木質(zhì)素溶解除去,然后可以對(duì)留下的纖維素和半纖維素進(jìn)行處理從而得到糖單體和低聚物[27]。研究發(fā)現(xiàn)，與酸處理和水熱處理相比，堿性預(yù)處理能更好地去除木質(zhì)素并暴露出更多木聚糖酶的作用位點(diǎn)，促進(jìn)后續(xù)的酶解過程[28]。SINGH等[29]優(yōu)化了兩步堿預(yù)處理工藝,檳榔皮在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH溶液中于65 ℃條件下孵育8 h,再經(jīng)過水熱處理(121 ℃持續(xù)1 h)的最佳條件下,經(jīng)過酶水解后產(chǎn)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(yù)處理?xiàng)钅?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(chǎn)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(yù)處理2 h,酶解后XOS的產(chǎn)率可以達(dá)到16.9 g/kg楊木。

表3 化學(xué)/物理預(yù)處理-酶解聯(lián)合生產(chǎn)XOSTable 3 XOS production using chemical/physical pretreatment and enzymatic hydrolysis

3 低聚木糖對(duì)動(dòng)物的益生作用研究進(jìn)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(shù)量,產(chǎn)生有利于健康的脂肪酸。PAN等[42]探討了日糧XOS對(duì)不同年齡豬的腸道微生物組成和活性的影響,發(fā)現(xiàn)在育肥期添加XOS會(huì)增加豬腸道內(nèi)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(qiáng)免疫功能

腸道屏障可以保護(hù)宿主不被致病菌危害,腸道微生物對(duì)宿主的免疫力有很大影響。有研究通過用XOS和對(duì)照飲食喂養(yǎng)小鼠進(jìn)行了腸道微生物評(píng)估,證明XOS可以改變腸道微生物群,改善腸道屏障,加強(qiáng)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(xì)胞和活躍的糜爛面,并恢復(fù)了礦物質(zhì)沉積和骨形成速率。YIN等[45]發(fā)現(xiàn)膳食補(bǔ)充XOS對(duì)生長(zhǎng)性能、血細(xì)胞、生化參數(shù)以及腸道形態(tài)幾乎沒有影響，但是XOS喂養(yǎng)的仔豬炎癥狀態(tài)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(duì)豐度。微生物的改變可能進(jìn)一步涉及碳水化合物的代謝、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞過程和信號(hào)傳導(dǎo)、脂質(zhì)代謝以及其他氨基酸的代謝。

3.3 增加動(dòng)物日重,提高飼料效率

由于應(yīng)激反應(yīng)的影響,在動(dòng)物飼養(yǎng)中很容易出現(xiàn)料肉比(feed conversion ratio,FCR)過高的現(xiàn)象,XOS可以降低FCR,增加動(dòng)物日增質(zhì)量。RIBEIRO等[46]研究了XOS對(duì)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(bǔ)充均增加了小麥日糧的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,動(dòng)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(zhuǎn)移。

研究發(fā)現(xiàn)在飼料中添加XOS喂養(yǎng)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(shù)量,增加了乳桿菌的數(shù)量[47]。ABDELMALEK等[48]發(fā)現(xiàn)在飼料中添加XOS喂養(yǎng)歐洲鱸魚(Dicentrarchuslabrax),可顯著增加體重,增加蛋白質(zhì)效率比和飼料轉(zhuǎn)化率,改善生長(zhǎng)并刺激免疫力,同時(shí)增強(qiáng)抗感染能力。

3.4 改善抗氧化能力

ABASUBONG等[49]研究木寡糖對(duì)鈍嘴鯛(Megalobramaamblycephala)的生長(zhǎng)性能、抗氧化能力和針對(duì)嗜水氣單胞菌的免疫反應(yīng)的影響,研究表明,飲食中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%XOS可以顯著改善鈍嘴鯛的生長(zhǎng)性能、抗氧化能力、先天免疫力和嗜水桿菌抗性。YU等[50]的數(shù)據(jù)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(jié)果表明,XOS與植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)均具有自由基清除活性,且聯(lián)合使用具有更好的抗氧化活性。

4 結(jié)語

XOS以其良好的穩(wěn)定性,獨(dú)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(jìn)益生菌生長(zhǎng),依靠腸道屏障減少炎癥,起到預(yù)防疾病的效果,還能增加動(dòng)物的日重,提高蛋雞的生產(chǎn)性能,在水產(chǎn)養(yǎng)殖中也能起到一定作用。隨著人們對(duì)XOS功能的探索,XOS的應(yīng)用會(huì)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(chǎn)XOS已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn),而且XOS從生產(chǎn)底物中提純的成本過高,如何簡(jiǎn)單快捷、低成本地分離XOS也將是未來研究的熱點(diǎn)。