木二糖

木聚糖是半纤维素的主要成分，是一种多聚五碳糖，约占细胞的15%-35%，在自然界中是除纤维素外最为丰富的可再生资源。低聚木糖也称木寡糖，是以木聚糖为底物水解而得的以木二糖、木三糖为主要成分的低聚木糖混合物。低聚木糖主要是以富含半纤维素的玉米芯、甘蔗渣等作物秸秆为原料，经原料预处理、木聚糖酶水解、精制后得到，是一种功能性寡聚糖。低聚木糖不能被人体消化系统代谢，同时也表现出许多优良的生理特性，具有良好的肠道双歧杆菌增殖、改善肠道功能、促进肠道中乙酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸的合成、降低患结肠癌风险、增强机体免疫等作用，此外，有研究发现，低聚木糖还具有降血酯、降血糖、抗氧化等功能。
木二糖和木三糖是低聚木糖中最为有效功能性组份，其含量越高，则表明低聚木糖制品质量越好。其中木二糖（xylobiose）是由2个木糖通过β-1,4糖苷键连接而成，是商品低聚木糖的最主要成分。木二糖分子式 C10H18O9，分子量 282.5，熔点 155.5 ℃~156.0 ℃，据最新报道，其熔点为185℃~186℃，热量值为 8.4 KJ（低聚木糖平均热值 14.3 KJ），可结晶，溶于水。木二糖甜度相当于蔗糖 40%，口感适中，类似蔗糖，无杂；木二糖糖浆粘度很低，且随温度升高而迅速降低。木二糖具有独特的生物学特性，使其在食品医药保健品等领域具有潜在的应用价值，国内尚无正式的木二糖标品出售，Sigma公司纯度不超过95%的色谱级木二糖标准品1 mg超过500元。因而制备单一木二糖组分显得尤为重要，一种简单，高效的分离纯化方法有着重要的经济意义。

图1为木二糖的结构式 1.不消化性 木二糖不能被唾液、胃液、胰液和小肠液降解，在保持基团和结构完整情况下可到达结肠，在肠道里残存量高。研究表明低聚果糖和异麦芽低聚糖可被小肠消化液水解，而低聚木糖不被任何消化酶消化，木二糖也不被任何消化酶水解，在整个消化系统中其是最稳定低聚糖。因此，具此特性木二糖可用作食品和药品添加剂，作为特殊人群如肥胖病、糖尿病患者甜味剂等。
2.抗冻结性 木二糖在所有二糖中其水分活度最大，且比木糖要高，几乎与葡萄糖持平；但低于蔗糖和麦芽糖。木二糖能降低溶液水分活度，也有很强不冻性功能。研究人员配制浓度为10%，20%， 30% 含有木二糖水溶液，在零下 10℃以下，测定其在固定凝固点下不结冰水量，结果木二糖与木糖不冻水量比例大体相等，比葡萄糖、蔗糖及麦芽糖不结冰的水量多。这说明在食品中添加一定量木二糖能赋予食品不冻结性质。国外专家也证实，其可作为保湿剂在食品中应用。
3.稳定性 与其它低聚糖相比，木二糖最突出特点是耐酸、热稳定性好。研究表明，在 pH 值 2.5~8.0范围内，将其在 5℃和 37℃下分别贮存 3 个月，其性质无大的变化，表现出极强稳定性和贮藏性；将浓度为 5% 含有木二糖低聚木糖、低聚果糖和低聚半乳糖糖浆加热到沸腾状态下 1 h，低聚木糖糖浆在 pH 2.5~8.0 范围内非常稳定；加热1小时后仍能保持自身构型和构象。在饮料中添加含有木二糖低聚木糖，25℃下保存 8 个月，仍约有 99% 残存率，表现出良好稳定性。在 pH 3.4左右饮料中添加含有木二糖低聚木糖糖浆，一年后糖浆保留率高达 97% 以上。此范围几乎涵盖绝大多数食品 pH 值，因此其可广泛应用于强酸性（可乐等）或高温处理（焙烤类面包、蛋糕等）食品。 1.抗龋齿 蛀牙产生主要是口腔中有害细菌（主要是变异链球菌）利用蔗糖等产生不溶性葡聚糖，并覆盖在牙釉质表面形成牙垢，在适当条件下，细菌利用蔗糖发酵，在菌斑和牙釉质间产酸，H+与牙釉质发生反应使牙齿脱矿，进而产生龋齿。木二糖因不能被口腔内变异链球菌（Streptococcus mutans）等细菌分解利用，所以不会造成对牙齿侵蚀，且如与蔗糖同时使用能阻止蔗糖被细菌利用，不能产生不溶于水的高分子葡聚糖。由于木二糖具有抗龋齿特性，可在一些含糖类食品中加入木二糖以防龋齿。
2.降血脂、降血糖、降血压 将46名高血脂患者摄入含木二糖低聚木糖糖浆持续5 周后，其心脏舒张压平均下降799.8Pa（6mmHg），持续两周至三个月，血清总胆固醇可降低20~50 dl；还可提高女性血中高密度脂蛋白胆固醇比率。研究表明，含有木二糖低聚木糖溶液可显著降低高血脂症小鼠血中胆固醇、总甘油三酯和高密度脂蛋白胆固醇量（喂食小鼠模型）。糖尿病动物实验表明，低聚木糖可明显降低高血糖小鼠血糖，对糖尿病治疗效果明显，且对肝功能无明显损害，可作为特定保健食品用于预防肥胖、高血糖、高血脂等疾病。
3.促进矿物质吸收 研究表明，动物每天食物添加寡聚糖，会增加动物对 Ca2+、Mg2+、Zn2+吸收。这可能是喂食低聚糖后，与在大肠中发酵，使肠道内容物 pH 值降低、胆酸和脂肪酸（VFA）含量增高有关。实验证明，大鼠每日取食 2% 低聚木糖水溶液，7天后，大鼠对钙消化吸收率提高23%，其体内对钙保留率提高 21%。这也是低聚木糖促进双歧杆菌在人体肠道内繁殖，产生代谢产物乳酸和醋酸，显著提高对钙、磷、铁利用率，促进对铁和维生素 D 吸收。
4.增殖双歧杆菌 研究表明，若每人每天摄入低聚木糖 0.7 克，就会有显著增殖双歧杆菌效果，而低聚果糖要达 3 克量才能有效。双歧杆菌具有很多生理功能：
1）抑菌，双歧杆菌代谢产生短链脂肪酸能降低肠道pH 值，抑制腐败菌、病原菌生长和繁殖。
2）增强免疫作用，双歧杆菌活菌、死菌及裂解成分等均有免疫作用，可作为免疫原使 M-Ψ系统吞噬作用增强；双歧杆菌具有调节人体免疫功能并能使免疫系统发挥抗肿瘤作用。
3）改善维生素代谢，双歧杆菌菌体内含有众多维生素，如：VB1、V B2、V B6、V B12等，菌体裂解后可供人体新陈代谢所用。目前双歧杆菌增殖途径主要是口服活菌剂和双歧因子使其在肠道菌群中占优。然而双歧杆菌是一种厌氧菌，很易受到氧气、光线、pH、温度等影响而死亡；直接服用片剂等，易受胆汁、胃酸等作用，能到达肠胃活菌数很少。而食用木二糖类益生元促进双歧杆菌增殖会更有效，因木二糖类为非消化类糖，可直达肠道更稳定、安全、有效。研究表明，对双歧杆菌细胞提取液进行 TLC 分析，发现产物是木二糖、木三糖，没有木糖；也就是说，以木二糖、木三糖和木四糖为碳源培养基对双歧杆菌增殖效果最好。 对木二糖分离方法有很多，包括膜分离、分子筛分离、离子交换色谱分离等；但主流方法仍集中在柱层析分离。
1.排阻色谱
排阻色谱又称为分子筛色谱、凝胶色谱，其按相对分子质量大小进行筛分。由于低聚糖是同系物混合物，所以可选择适当分离度凝胶树脂进行分离。目前用于分离低聚木糖凝胶主要有：聚丙烯酰胺凝胶（Bio-Gel）、葡聚糖凝胶、琼脂糖凝胶等。
2.吸附色谱
离子交换色谱分离原理是根据被分离物质以不同亲和力吸附于离子交换剂上，通过改变离子强度、pH 使其从离子交换剂上依次被洗脱下来；与凝胶分离相比，其最大特点是分离时间大大缩短。研究发现，D4020是一种对低聚木糖吸附性能较好、解吸率较高树脂。早在 1957年就用活性炭分离戊聚糖，用不同浓度乙醇溶液洗脱，木二糖和木三糖用乙醇重结晶法得到晶体。
3.膜分离
膜分离是以选择透过膜作为分离介质，通过在膜两侧施加某种推动力（如压力差、蒸汽分压、浓度差、电位差等），使原料侧组分有选择透过膜，从而达到分离、提纯和浓缩目的。用于低聚糖分离的膜技术主要有超滤、纳滤和反渗透等。
4.其它方法
通过生物发酵法可获得木二糖，如利用酵母菌Candida parapsilosis在30℃条件下发酵2.5天，将木糖和木二糖混合液中木糖选择性发酵除去，离心除去酵母后便得到经纯化木二糖溶液；将重组海栖热孢菌（Thermotoga maritime）极耐热木聚糖酶B固定于镍螯合环氧载体 EupergitC250L（固定化 Xyn B）上，水解玉米芯生产木二糖，水解15批次后仍保持 92% 水解活性，水解液含有49.8%木二糖。化学方法也可获得木二糖，如采用乙酸乙酯对低聚木糖糖浆除杂，用不同浓度乙醇溶液进行分离纯化，能分离出纯度较高木二糖。
生产木二糖方法有很多，现主要都是从低聚木糖糖浆中通过色谱柱分离；若采用微生物发酵分离或固定化酶法生产，则更具有能大规模生产优势。目前抗生素生产都采用发酵分离法制得，工业设备成熟，便于工艺流程监控。
有关木二糖的低聚木糖中有效功能性组份、理化性质、生理活性、提纯、应用是由Chemicalbook的王旭艳编辑整理。（2016-06-17) 木二糖由于提取工序复杂、纯化困难等原因，目前并没能作为单独功能性物质在各方面应用，反而含有 20% 以上木二糖、木三糖低聚木糖糖浆，广泛应用于各种食品、畜牧业、农业生产中。
1.食品
2007年凌沛学申请关于木二糖啤酒专利，能将木二糖生理功能如：整肠、控制体重、抗龋齿、尤其是瘦腹功能，结合适量乙醇舒筋活血功能，达到良好效果。将低聚木糖应用于焙烤面包中，发现其能很好充实面包内部结构、增大面包体积、增强面包保水性，色泽为浅黄色。采用Mixolab酶流变分析仪测定低聚木糖对面团机械特性影响，结果表明，低聚木糖能强化面筋、增加耐揉性、加强耐蒸煮性、降低面团吸水率。
2.农业生产
研究表明：低聚木糖溶液能显著提高仔猪体重，并还能显著降低哺乳仔猪和断奶仔猪腹泻率。在鸡饲料中添加低聚木糖可使蛋产量增加 5%~7%，鸡蛋中胆固醇含量降低30%；使 蛋 鸡群体发病率下降 70% 左右。另外，低浓度低聚木糖溶液对豆科植物种子根系能产生明显促进生长作用，如在培养基添加5~25 mg/L 低聚木糖能加倍促进银合欢种子生长，但浓度达100 mg/L时会抑制生长；而10~50 mg/L 酸性低聚木糖能有效促进日本柳杉插条生根。研究白桦制备低聚木糖对辐射松细胞及原生质体作用，结果添加5mg/L 经初步纯化低聚木糖混合液能促进培养细胞生长，可知低聚木糖具有促进植物生长与发育作用。 Xylobiose (1,4-β-D-Xylobiose, 1,4-D-Xylobiose) 是由木糖单体形成的二糖，是一种天然的底物，可以被来源于 Selenomonas ruminantium (SXA)的β-D-木糖苷酶/α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶水解。