木寡糖的应用

概述^[1]

木寡糖作为益生元广泛应用于保健食品产业，其还可作为保湿剂或低热量添加剂在食品中使用。农产品加工副产物中蕴含丰富的木聚糖资源。木寡糖是以木聚糖为底物通过木聚糖酶水解β-1，4木糖苷键而得到的以木二糖、木三糖和木四糖等为主要成分的低聚木糖混合物。玉米芯、甘蔗渣、稻壳中均有较高木聚糖含量，是制备木寡糖的理想天然原料。然而，由于天然木聚糖分子是一种杂合多聚糖，主链与侧链分子间的交联致使木聚糖形成了难以被酶解的复杂网络化底物结构，现有酶解木聚糖工艺存在酶解效率低，工艺成本高等问题。因此，亟需设计一种能够一定程度克服上述缺陷的方法。

水解^[2]

木寡糖是由含有木聚糖的木质纤维素材料通过化学法、敏感底物的直接酶解法、或者是化学法与酶法处理相结合制得的。木寡糖直到2000年的生产和应用状况在以前已有所综述，该项目的目的是纵览同一领域内的近期发展情况，提出一条可行性方案，该方案包含至少一种水处理(热水、压缩水或蒸汽)以导致木聚糖降解以溶解碳水化合物。

当含有木聚糖的木质纤维素材料的水化过程(自动水解或热水处理)在合适的操作条件下得以进行时，半纤维素链会在水合氢离子的水解作用下分解，得到可溶性产品，然后在固相中残留具有些许化学变化的纤维素和木质素。自动水解的残留固体还可进一步加以利用，例如可以用于纤维素的酶解，还可用于饲料、燃料或者用于结构材料。

在该领域木质纤维素产出多产品的过程具有良好的经济前景，并有效降低了温室气体的排放量。水解反应得到的主要可溶性产品通常指的是寡糖，这些寡糖的DP范围通常在3~10之间，分子量较大的可用作食用纤维，木聚糖与木寡糖降解产品的主要化学区别是DP。近来研究发现，对许多木材进行化学处理可以生产木寡糖，包括谷物残渣、甘蔗渣、硬木、玉米穗轴、裸壳、酿酒厂的残余谷物、杏核、谷物纤维、亚麻下脚料、麦杆以及竹子。

在自动水解处理过程中，木寡糖是一种传统的反应媒介物，浓度通过严格的条件达到，分子量分布依赖于所运用的基质以及反应条件，提高严格性的处理导致聚合度降低，同时也提高了将木寡糖分解为木糖的程度，从多种基质生产木寡糖的动力学研究最近也作了相关报道。从自动水解得到的木寡糖极具代表性，保留了天然木聚糖的主要结构特征，例如，与运用碱性物质处理过程导致的皂化作用相比，热水处理过程只造成小部分酯基的分裂。

应用^[3]

a)作为功能性食品添加剂

通常我们把含有2-7个木糖的低聚糖，称为木寡糖，其中，木二糖和木三糖是主要的有效成份。木寡糖作为独特的食品基料，因其具有耐酸、耐热和难发酵的特性，使其在食品尤其是酸性和发酵食品中得到广泛应用。目前，日本已将其用于碳酸饮料和黑醋调味液中，日本厚生省允许被称为“特定保健食品”的种类中，超过半数以上的品种都有不同含量木寡糖的添加。

b)在制药工业上的应用

在医药上，木寡糖可用于预防和治疗急慢性肠胃炎，骨质疏松症，皮肤痰痒症以及耳炎等，此外，可增加肠道蠕动，维持粪便的持水性，其主要原理是活化肠道有益菌。通过小鼠体内试验证实，用含有木寡糖的饲料喂养小鼠，可增加肠胃中双歧杆菌的数量，同时可增加小鼠盲肠中短链脂肪酸的量，从而使得肠道中pH下降，这样一方面可抑制病原性微生物的生长，同时可刺激肠道的蠕动，增加粪便的持水性。另外，人体临床试验表明，木寡糖是人体益生菌群的碳源，口服24hr后在粪便、尿中并未检测到木寡糖，由于木寡糖并不能为唾液酶、胰液酶、胃汁等分解，因此，可认为它是由小肠菌群所利用的，这样便可减少腹泻，同时可润肠和防止便秘。

c)作为饲料添加剂

采用含有木寡糖的饲料喂养生畜和养鱼，可提高生畜的免疫力，减少各种疾病，同时，可使生畜的生长周期缩短。

d)在农业上的应用

木寡糖可用作农作物的生长刺激剂和生长促进剂，可用作催熟剂来喷撒水果和蔬菜，并可显著提高农作物的产量。

制备^[1]

木寡糖的制备：

1)耐高温木聚糖内切酶的制备：将以耐耐高温木聚糖内切酶基因构建的重组质粒pET-28b-CoXynA热激转化进入EscherichiacoliTransetta(DE3)宿主，构建表达耐高温木聚糖内切酶的基因工程菌。将上述基因工程菌于37℃培养，当菌液OD600值达到0.8时，在37℃条件下，使用异丙基硫代吡喃半乳糖苷(IPTG)诱导6h，后经高压均质法破碎菌体后，将菌液上清依次过亲和层析柱(镍柱)、阴离子交换柱和分子筛(Superdex75)后制得耐高温木聚糖内切酶酶液(5.1mg/mL)。耐高温木聚糖内切酶在NCBI数据库中的编号为ADQ03732。

2)双功能木聚糖水解酶的制备：将以双功能木聚糖水解酶基因构建的重组质粒pET-28b-CLH10热激转化进入EscherichiacoliBL21-Gold(DE3)宿主，构建表达双功能木聚糖水解酶的基因工程菌。将上述基因工程菌于37℃培养，当菌液OD600值达到0.8时，降温至18℃，在18℃条件下，使用异丙基硫代吡喃半乳糖苷(IPTG)诱导12h，后经高压均质法破碎菌体后，将菌液上清依次过亲和层析柱(镍柱)和分子筛(Superdex75)后制得双功能木聚糖水解酶酶液(4.9mg/mL)。双功能木聚糖水解酶在NCBI数据库中的编号为WP014043093。

3)底物预处理：将玉米芯粉碎，烘干后过60目筛后称重。

4)酶解反应：在50mL的密闭容器中进行10mL酶催化体系。称取10％wt玉米芯为底物，加入300U/mL双功能木聚糖水解酶。在pH7.0，90℃水浴，摇床转速300rmp，反应24h。向上述所得反应液中加入200U/mL双功能木聚糖水解酶，在75℃水浴摇床，转速200rmp，反应24h，离心获得包含木寡糖的酶解上清液。以灭活的酶液执行相同方法作为空白对照。

5)产物分析：经HPLC分析，产物中含木寡糖324mg，其中木二糖97mg、木三糖178mg、木四糖49mg。

主要参考资料

[1] CN201910020125.3木寡糖的制备方法

[2] 木寡糖的研究进展

[3] 木寡糖的研究及其进展