非酶法催化木質纖維原料轉化制備低聚木糖研究進展

張威偉, 張 波， 張樂平， 蔣建新*

(1.北京林業大學 材料科學與技術學院；林業生物質材料與能源教育部工程研究中心，北京 100083; 2.北京林業大學 生物科學與技術學院，北京100083)

隨著人們生活水平的提高和健康意識的增強，消費者更熱衷于天然產品用作藥膳來治療相關疾病，并對食品營養價值和健康益處提出了更高的要求。不可消化的碳水化合物如膳食纖維和功能性低聚糖等已經被證實對健康具有良好的促進作用[1-3]。低聚木糖(XOS)是由2～10個木糖以β-1,4-糖苷鍵連接形成直鏈或支鏈的低聚糖，因聚合度(DP)越小對人體健康的改善效果越明顯，通常聚合度2～7的XOS被認為是功能性XOS[3-4]。與低聚果糖和大豆低聚糖等相比，XOS具有優異的理化性質和顯著的雙歧桿菌增殖效果，而且用量小、耐酸、耐熱，被廣泛應用于食品、飲料、醫療保健品、寵物食品和飼料等領域[5-7]。然而，自然界中天然XOS的量極少，而XOS需求量正在不斷增加，開發綠色、高效、低成本的XOS生產方法成為近20年國內外研究的熱點之一[8]。利用成本低廉且資源豐富的木質纖維原料(LCMs)生產XOS得到了廣大科研工作者的認可[9]。目前，XOS生產方法主要分為酶法和非酶法。酶法生產XOS是利用內切型木聚糖酶定向分解木聚糖，副產物較少，有利于后續工藝中XOS的分離和純化。但是內切酶的價格昂貴，酶法生產XOS所需周期過長；且幾乎沒有能被木聚糖酶直接利用的原料，需要對原料進行預處理，加大了生產成本和生產周期[10]。非酶法生產XOS無需木聚糖酶降解，只需一步處理直接把原料中的半纖維素降解成XOS，很大程度地縮短了生產周期、降低生產成本[10-12]。我國是農、林業大國，木質纖維原料儲量豐富且廉價易得。木質纖維原料，如農林廢棄物，主要由纖維素、半纖維素和木質素構成[13-15]。如果能將農林廢棄物中的半纖維素制備成高附加值的XOS，不僅可以合理處理農林廢棄物，變廢為寶，而且可以促進我國XOS行業的長遠發展。目前用于XOS生產的農林廢棄物主要有小麥秸稈[16-17]、玉米秸稈[18-19]、玉米芯[20-21]、甘蔗渣[22-23]、白樺殘枝[24]、楊樹鋸屑[25]、榛子殼[26]、油茶殼[10]、開心果殼[27]等。作者就XOS的理化性質、生理功能及非酶法生產XOS工藝的研究進展進行綜述，旨在為相關領域的學者利用LCMs高效制備XOS和實現商業化XOS生產提供參考。

1 低聚木糖的理化性質和生理功能

低聚木糖(XOS)是一種乳白色或淺黃色粉末。由2～7個D-木糖通過β-1,4-糖苷鍵連接形成的聚合物稱為功能性XOS，由2～5個D-木糖單元連接形成的XOS通常稱為低聚合度的XOS，其中以木二糖和木三糖為主要的有效成分[28]。XOS具有良好的耐酸和耐熱性，將其儲存在37 ℃、pH值2.5～8的條件下，性質幾乎不發生變化；同時當pH值為2～7，在100 ℃加熱1 h仍然不會分解[5,29-30]，這說明XOS具有良好穩定性，可廣泛用于酸性或需要高溫處理的食品中。XOS的甜度約為蔗糖的40%～50%，甜質與砂糖相似。此外，XOS的平均熱量為14.3 J/g，其中木二糖和木三糖的熱量均約為8.4 J/g，可作為低熱量的食品添加劑[31-33]。

益生元的概念由Gibson和Roberfroid首次提出[34]，是指不易被消化的食物成分可以選擇性地刺激宿主腸道中的一種或幾種細菌生長，從而有利于宿主的健康[35-36]。XOS，尤其是聚合度(DP)2～5的XOS，可以選擇性地促進雙歧桿菌等有益菌地增殖，顯著抑制腸道內有害菌地生長，從而改善腸道微生態環境，提高機體免疫力，預防疾病發生[37-39]。因此，XOS可以作為益生元使用。此外，XOS具有低甜度和低能量的特點，并且人體消化酶系統很難分解XOS，因此不易將其轉化為脂肪和膽固醇，可供患有肥胖癥和糖尿病等的患者食用[40-42]。當XOS和蔗糖并用時，能夠有效阻止蔗糖被齲齒病原菌利用而生成牙垢，同時可抑制葡萄糖在牙齒上的附著，起到預防齲齒的功效[43-46]。此外，XOS與鈣共同食用時，能夠促進鈣吸收，是開發孕婦和老年食品的理想原料[47-49]。當XOS添加到寵物食品中，通過其在寵物腸道中的調節作用能夠減少食物在腸道中的停留時間，使得多余的營養物質不被吸收而排出體外，從而降低寵物肥胖癥發生的幾率。同時，XOS能夠促進寵物幼崽對鈣的吸收，有利于寵物幼崽骨骼的形成[50-51]。

2 非酶法催化生產XOS

目前，非酶法生產XOS的方法主要包括酸水解[52-53]、蒸汽爆破[54-55]、自動水解[56]、亞臨界CO2輔助自動水解[57-58]和無機鹽催化[59-60]等。

2.1 酸水解法

2.1.1酸水解法機理 酸水解催化降解半纖維素的機理為酸在水中解離生成的氫離子(H+)能夠與水結合生成水合氫離子(H3O+)，生成的H3O+能使半纖維素中的糖苷鍵上的氧原子迅速質子化，形成共軛酸減弱糖苷鍵鍵能而使其發生斷裂；被降解的半纖維素末端形成的正碳離子與水反應最終生成低聚糖或單糖，同時釋放出質子；釋放的質子又與水反應生成H3O+，繼續參與新的水解反應[61-63]。根據反應溫度的高低，半纖維素的稀酸水解可分為高溫水解(>160 ℃)和低溫水解。通常在高溫條件下進行稀酸水解，半纖維素降解反應相當快，多用于單糖和糠醛的生產；因此稀酸水解法生產XOS多在較低溫度下進行，通過部分水解原料中半纖維素中的木聚糖生產XOS。酸水解法包括無機酸水解和有機酸水解，常用的無機酸包括鹽酸(HCl)[53]、硫酸(H2SO4)[62-63]等，常用的有機酸包括甲酸[64]、乙酸[65-67]、葡萄糖酸[68-69]、木糖酸[70]等。

2.1.2無機酸水解 Zhang等[53]報道了HCl和H2SO4對玉米芯生產XOS的影響。研究表明:0.002 mol/L HCl(pH值2.7)在150 ℃處理玉米芯30 min，XOS(DP2～6)的得率為22.54%，木糖得率為11.39%，糠醛和5-HMF的質量濃度分別為0.97和0.28 g/L;同等條件下用0.001 mol/L(pH值2.7)的H2SO4處理玉米芯，XOS(DP2～6)的得率僅為9.38%，木糖得率為4.10%，并且生成了0.09 g/L的糠醛和0.05 g/L的5-HMF;經過0.002 mol/L HCl和0.001 mol/L H2SO4處理后的玉米芯，XOS得率很低，主要是在較低溫度(150 ℃)、較低酸濃度的條件下木聚糖并不能有效地降解為XOS。Otieno等[63]研究發現當用濃度為0.01 mol/L的H2SO4在145 ℃處理甘蔗渣60 min時，木聚糖(DP2～20)的總得率為32.22%，其中XOS(DP2～6)得率為22.77%，木糖得率為1.12%。在較低溫度下，稀酸處理木質纖維原料(LCMs)生產XOS，XOS得率先隨著時間的延長而增加，當增加到最大值后會隨著時間的延長而降低，主要是因為在酸性條件下LCMs中的木聚糖降解先生成聚合度不同的XOS，繼續增加反應時間，XOS會進一步水解生成單糖甚至單糖降解產物。無機酸水解制備XOS的工藝條件及得率如表1所示，反應溫度、反應時間及酸濃度對XOS的得率起著主導作用，因此，合理地控制反應溫度、反應時間及酸濃度能夠有效提高XOS得率，降低木糖得率。但是，酸水解速度快、水解條件很難控制、對設備腐蝕性大、產生大量酸性廢水污染環境等缺點極大程度地限制了無機酸生產XOS的應用[10-12]。

2.1.3有機酸水解 相對無機酸而言，有機酸對設備的腐蝕性小、綠色環保，近幾年引起了科研工作者的廣泛關注[64-68]。Zhou等[66]采用10%的乙酸在150 ℃、 30 min條件下處理甘蔗渣，XOS(DP2～6)的得率為39.10%，木糖的得率為7.88%，同時生成0.46 g/L的糠醛和0.09 g/L的5-HMF。Lai等[67]研究發現楊樹鋸屑經5%乙酸在170 ℃處理30 min，總XOS的得率為37.60%，木糖的得率為19.19%，雖然在高溫下有大量的木糖生成，但是生成糠醛的質量濃度僅為0.26 g/L。這表明乙酸預處理生產XOS能夠有效地把LCMs中的木聚糖降解為XOS和木糖。相對于無機酸而言，有機酸降解木糖生成糠醛需要更高的活化能，使得木糖更難降解為糠醛，所以也會很大程度降低糠醛等有害物質的生成[67-68]。嚴羽歡[64]以有機酸甲酸為催化劑處理玉米芯生產XOS，研究發現0.2 mol/L甲酸處理玉米芯60 min時，反應溫度從140 ℃升高至150 ℃時，XOS(DP2～6)得率由17.52%增加至34.42%，當預處理溫度為160 ℃時，獲得最大XOS得率(38.30%)，木糖的得率為11.85%。Han等[69]利用0.6 mol/L的葡糖酸在154 ℃處理玉米芯，XOS(DP2～6)的得率高達56.20%。Guo等[70]研究表明木糖酸在145 ℃下處理玉米芯75 min, XOS(DP2～6)的得率為54.16%，木糖得率為22.31%，同時生成的糠醛質量濃度僅為0.23 g/L。有機酸水解制備XOS的工藝條件及得率亦見表1。

相對無機酸預處理而言，有機酸預處理LCMs更適合應用于XOS的生產，其不但能夠提高XOS得率，而且能夠有效抑制糠醛的生成，但大量的木糖生成會一定程度地降低XOS的得率，且有機酸一般酸性較弱，所需有機酸濃度高，加大了生產成本。因此后續關于有機酸生產XOS的研究工作應該圍繞如何降低木糖得率以及更大程度提高XOS得率進行，同時應該開發更多常見的有機酸(如乳酸)用于處理生產XOS。

2.2 蒸汽爆破法

蒸汽爆破法處理LCMs的原理是將氣相蒸煮和蒸汽爆破過程相結合，其本質上是一個熱機械化學過程。在高溫高壓處理過程中，蒸汽先把物料迅速加熱到所需的預處理溫度，半纖維素側鏈的乙酰基等基團水解生成有機酸，有機酸能夠作為催化劑促進半纖維素的降解。同時，高壓條件下水蒸氣通過擴散作用滲透到LCMs的細胞壁內，使復合胞間層的木質素發生軟化和部分降解，一定程度上削弱了纖維之間的粘合作用。其次，在蒸汽爆破的過程中，由于壓力的驟降，細胞壁里的冷凝水蒸氣瞬間蒸發，對周圍的細胞壁結構產生一個剪切力，導致木質纖維細胞壁破裂，有利于半纖維素的降解[71]。該法生產XOS具有工藝簡單、無污染、能耗低、生產周期短等優點[54-55]。Carvalho等[54]利用蒸汽爆破在150 ℃處理甘蔗渣30 min，得到的XOS(DP2～6)的得率僅為5.20%。周曉青等[55]將100 g紅柳在溫度200 ℃、維持壓力2 min的條件下進行蒸汽爆破，總XOS的得率為49.80%。 Bhatia等[71]將芒草在200 ℃維持壓力1.5 MPa、 10 min條件下進行蒸汽爆破，總XOS得率約為50%，其中XOS(DP2～5)得率約為40%，木糖得率為10.30%，糠醛的質量濃度為4.4 g/L，5-HMF的質量濃度為3.7 g/L。蒸汽爆破法在較高的處理溫度時會導致大量有毒的糠醛和5-HMF 的生成，生成的XOS顏色較深，增加了后期純化和精制的成本。

表1 酸水解制備XOS的工藝條件及得率

2.3 自動水解

自動水解是指在高溫高壓條件下，水自水解生成的H3O+及半纖維素上脫落的乙酰基生成的乙酸促進半纖維素主鏈的糖苷鍵斷裂，從而導致半纖維素的聚合度降低生成XOS[50,56]。因此，自動水解一定程度上可以歸結為酸處理的一種，但該過程無需使用除水以外的任何化學試劑，沒有額外加入酸，對設備無腐蝕性，生產周期短，在反應較溫和的條件下生成少量的單糖及其降解產物，是一種環境友好型的XOS生產方法[72-73]。此外，高選擇性是自動水解的另一個優點，在自動水解過程中，半纖維素被降解為可溶性的XOS和單糖，而纖維素保留在固體殘渣中可進一步利用，如用于酶解發酵生產乙醇[10,50]。近年來開展了許多關于自水解法制備XOS的反應動力學研究，對XOS、木糖及其降解產物建立了一系列動力學模型，研究發現較高的水解溫度導致自水解產物選擇性地偏向于XOS[72-73]。Xiao等[74]利用自動水解法處理竹子生產XOS的研究中發現，當竹子在180 ℃處理 30 min， 總XOS的得率為47.49%，其中XOS(DP2～5)的得率為19.16%，木糖得率為4.79%，糠醛的質量濃度為0.36 g/L，5-HMF的質量濃度為0.15 g/L。Surek等[26]在150～200 ℃，采用水熱法處理榛子殼5～45 min，當處理條件為190 ℃、 5 min 時，總XOS獲得最大得率為62%, 其中XOS(DP2～5)的得率僅有10%左右。本課題組研究了在160～200 ℃水熱法處理對甘蔗渣生產XOS，在180 ℃、 10 min時，總XOS的得率為30.86%，其中XOS(DP2～5)的得率僅為9.13%，幾乎沒有木糖生成(得率為0.08%)；當溫度為200 ℃處理10 min時，XOS(DP 2～5)得率為50.35%，木糖的得率為14.59%[10]。自動水解制備XOS的工藝條件及得率如表2所示。

表2 自動水解制備XOS的工藝條件及得率

在自動水解過程中，XOS表現為典型的反應中間產物，在中等水解反應條件下達到最大產量。XOS或半纖維素的相對分子質量的分布既依賴于所用的底物，也依賴于反應條件(處理溫度和時間)。加重處理條件雖然能夠降低XOS的聚合度，但是也會導致XOS分解生成大量的木糖和糠醛。為解決以上問題，本課題組通過引入富含乙酰基的白樺鋸屑來促進自動水解的進行，研究發現甘蔗渣在160 ℃處理100 min時，總XOS的得率為43.08%，其中XOS(DP2～5)的得率為31.43%；當35%的白樺代替部分甘蔗渣進行自動水解時，在同樣條件下處理，總XOS的得率為49.65%，其中XOS(DP2～5)的得率為36.94%[10]。在溫和處理溫度下，富含乙酰基的白樺的引入能夠生成乙酸進一步促進半纖維素的降解，從而能夠提高XOS的產量，乙酰基輔助自動水解甘蔗渣制備XOS的過程如圖1所示。乙酰基輔助自動水解在溫和條件下能夠提高總XOS得率，同時，還能增加低聚合度XOS(DP2～5)的產量。換句話說，相對于單一自動水解，在獲得相同XOS得率時，乙酰基輔助自動水解所需處理溫度更低，說明乙酰基的引入能夠在一定程度上降低反應溫度，從而能夠降低能耗、節約生產成本。但是，自動水解和乙酰基輔助自動水解方法生產XOS仍需要在較高溫度(160～220 ℃)下進行，得到的XOS顏色偏黃，需進一步脫色、純化處理。

圖1 乙酰基輔助自動水解甘蔗渣制備XOS[10]

2.4 亞臨界CO2輔助自動水解

CO2的臨界溫度為31.1 ℃，臨界壓力為7.36 MPa，亞臨界CO2輔助自動水解又稱高壓CO2-H2O處理。亞臨界CO2是相對于超臨界CO2而定義的，亞臨界CO2(壓力<7.36 MPa)，所需壓力較小，能一定程度降低對設備的要求。CO2作為一種綠色、廉價的催化劑，在高壓水體系中可以生成 H2CO3，從而能夠替代傳統的無機酸。亞臨界CO2輔助自動水解因具有無需使用有毒試劑、綠色環保、成本低廉、副產物少等優點引起了廣大科研工作者的關注。在亞臨界CO2輔助自動水解過程中，高壓CO2能夠原位形成H2CO3,生成酸性環境,并且經兩步解離迅速降低體系pH值，從而能夠選擇性地促進半纖維素的降解；同時，高壓CO2很容易滲透到頑固LCMs的多孔結構中，提高了LCMs的浸潤和溶脹能力，有利于木質纖維結構解聚，從而提高半纖維素水解速率[75-76]。但是，亞臨界CO2輔助自動水解LCMs需要反應設備能夠耐高壓高溫，對設備要求較高，一定程度地增加了生產成本。Liu等[57]在亞臨界CO2輔助自動水解處理玉米秸稈研究中發現，170 ℃，40 min，CO2壓力5 MPa，XOS(DP2～4)的得率為44.4%，木糖得率為4.8%，糠醛質量濃度為0.34 g/L，5-HMF質量濃度為0.03 g/L。Zhang等[75]研究發現，在160 ℃，CO2壓力為5 MPa條件下處理甘蔗渣60 min，總XOS得率為51.01%，木糖得率為8.41%，生成的糠醛質量濃度為1.21 g/L。Ozbek等[51]在182 ℃，CO2壓力為5 MPa時處理開心果殼，總XOS得率為65.0%，單糖得率為2.4%，生成的糠醛質量濃度為0.3 g/L。Silva等[76]研究發現，在210 ℃ 、CO2壓力為6 MPa 條件下處理小麥秸稈，總XOS得率為70.6%，單糖為16.1%，糠醛質量濃度為3.2 g/L。相比自動水解生產XOS，亞臨界CO2輔助自動水解能夠一定程度地降低反應所需的溫度。亞臨界CO2輔助自動水解制備XOS的工藝條件及得率見表3。

表3 亞臨界CO2輔助自動水解制備XOS的工藝條件及得率

亞臨界CO2輔助自動水解主要受處理溫度、反應時間和CO2壓力的影響。亞臨界CO2輔助自動水解LCMs制備XOS在適當的處理條件下能夠有效地促進半纖維素降解生成XOS；反之，在較劇烈的處理條件下，會導致生成的XOS進一步降解生成單糖甚至糠醛。同自動水解和乙酰基輔助自動水解方法生產XOS一樣，亞臨界CO2輔助自動水解也需要在較高溫度下實現(160～220 ℃)，同樣存在得到的XOS顏色偏黃，需進行脫色、純化處理等問題。

2.5 無機鹽催化

相比無機酸或堿預處理，無機鹽預處理LCMs可以有效提高纖維素和半纖維素的降解效率。已經證實大多數無機鹽(MgCl2、CaCl2、FeCl2、FeSO4、Fe2(SO4)3和 FeCl3等)能夠促進半纖維素的降解，從而提高酶水解纖維素轉化葡萄糖的效率[59-60]。無機鹽催化降解半纖維素的機理是無機鹽溶于水中，由于金屬離子的吸電子作用，可以與水分子生成配合物，配合物可以起到Lewis酸的作用并促進糖苷鍵的斷裂，同時金屬陽離子配合物能夠水解生成水合氫離子，促進半纖維素的降解[12]。無機鹽水解機理反應方程如下：

最初關于無機鹽處理LCMs的研究主要集中在木糖和糠醛生產方面，無機鹽催化生產XOS是近幾年新興的一種XOS制備方法。無機鹽催化相對于傳統的酸堿處理方法具有較高的催化活性、低成本、低毒性，以及對設備腐蝕性小、可回收等優點[77]。You等[12]報道了0.1 mol/L ZnCl2在170 ℃處理油茶殼30 min，XOS(DP2～5)得率高達61.38%，木糖得率為10.13%，糠醛質量濃度為2.11 g/L。Zhang等[59]利用MgCl2和FeCl2催化甘蔗渣生產XOS，甘蔗渣在0.1 mol/L MgCl2、 180 ℃處理10 min的條件下，XOS(DP2～5)的得率為53.79%,木糖的得率為12.28%，遠高于同等條件下自動水解生產XOS(DP2～5)的得率(9.13%)；當用0.1 mol/L FeCl2在140 ℃處理甘蔗渣10 min時，XOS(DP2～5)的得率為41.89%，表明在該條件下自動水解法是幾乎不能有效降解半纖維素，而MgCl2和FeCl2的加入大大提高了降解效率。在此基礎上，又通過離子耦合工藝(0.05 mol/L FeCl2+0.05 mol/L MgCl2)在140 ℃處理甘蔗渣30 min, XOS(DP2～5)的得率達到54.68%[59]，FeCl2和MgCl2共催化甘蔗渣制備XOS的過程如圖2所示。

圖2 氯化鎂和氯化亞鐵共催化甘蔗渣制備XOS[59]

海水中含有大量的無機鹽離子如Mg2+、Ca2+和少量的Fe3+，在175 ℃下，Zhang等[56]利用海水處理甘蔗渣30 min得到的XOS(DP2～5)的得率高達67.12%，單糖得率為18.75%。海水資源豐富且廉價，利用海水資源處理LCMs能夠節省大量的淡水資源，同時由于海水中存在大量的金屬陽離子，能一定程度地促進半纖維素的降解。由于金屬離子的高催化性，無機鹽預處理生產XOS比自動水解、蒸汽爆破、亞臨界CO2輔助自動水解生產XOS所需的處理溫度更低(140～180 ℃)，能降低反應能耗，同時減少對設備的要求，一定程度地能減少生產成本，且選用對人體有益的離子催化生產XOS，后期純化過程無需脫除。但是，根據所選無機鹽種類和處理溫度的不同，可能會造成XOS顏色較深、副產物較多，需后期進行純化。

3 結語與展望

我國是農業大國，每年都會產生大量的農林業廢棄物。合理利用農林業廢棄物生產高附加值XOS，不但能有效降低環境污染，還能夠促進農林生物質資源高值化利用。非酶法催化LCMs生產XOS可以克服傳統酶法生產XOS存在的效率低、生產周期長等缺點。酸水解法中，有機酸水解法能夠有效地抑制糠醛等副產物的生成；蒸汽爆破法工藝簡單，具有無污染、低能耗、生產周期短且可與后續纖維素生物轉化過程耦合等優點；自動水解法無需添加化學試劑，對設備無腐蝕，生產周期短，在較溫和的條件下生成少量的單糖及其降解產物，是一種綠色環保的XOS生產方法，乙酰基輔助自動水解法能夠降低反應溫度、提高產量、減少生產成本；亞臨界CO2輔助自動水解無需使用有毒試劑，綠色環保；無機鹽催化具有高效、低成本、可回收、對設備要求低、反應能耗低等優點。

目前大多數XOS生產方法仍然存在一些缺點，且XOS相關產品沒有被廣泛應用，因此以后關于XOS的相關研究應該圍繞以下幾個方面展開： 1) 我國對于XOS的研究和應用及規模化生產還處于起步階段，今后的發展方向應以工業化為主，優化生產工藝和純化工藝，開發更多XOS產品用于食品、藥品、飼料和保健品等領域。2) 雖然自動水解、亞臨界CO2輔助自動水解和無機鹽催化等方法生產XOS的得率較高、方法綠色、生產成本低，但是由于高溫處理會促進單糖焦糖化和Maillard等副反應而生成深色物質及木糖等還原糖降解反應產生的深色色素等會導致XOS的顏色較深，后期需經純化、脫色處理；而現有的XOS分離純化技術得到的產品具有純度不高和生產成本過高等問題，因此需利用新技術和新設備開展針對該類方法生產XOS的高效率、低成本的脫色、分離和純化技術的相關研究工作。3) 圍繞低成本、高得率、副產物少、綠色環保等要求，開發新型、高效XOS生產工藝。4) LCMs預處理能源化學品轉化與XOS聯產研究，提高生物質資源利用率，提升生物質精煉綜合效益。