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    低聚木糖的提取方法及其在食品工業(yè)中的應用

    2024-12-31 00:00:00楊繼敏張振中肖林王新明
    中國果菜 2024年9期

    摘 要:低聚木糖是一類具有益生元活性的功能性低聚糖,無毒副作用,穩(wěn)定性好,來源廣泛。本文結(jié)合國內(nèi)外關于低聚木糖的研究進展,總結(jié)了低聚木糖的生物學特性和提取方法(物理法、化學法、生物酶法等),并對其在果蔬飲料、乳制品、焙烤制品等食品工業(yè)方面的應用進行了綜述,以期提高低聚木糖工業(yè)化生產(chǎn)效益及拓寬其在市場上的應用。

    關鍵詞:低聚木糖;提取方法;生物學特性;食品工業(yè)

    中圖分類號:TS244.5 文獻標志碼:A 文章編號:1008-1038(2024)09-0030-06

    DOI:10.19590/j.cnki.1008-1038.2024.09.006

    The Extraction Methods and Application in the Food Industry

    of Xylooligosaccharide

    YANG Jimin1, ZHANG Zhenzhong1, XIAO Lin2, WANG Xinming2

    (1. Shandong Harvey Pharmaceutical Co., LTD., Heze 274000, China; 2. Shandong Long Live Bio-technology CO., LTD., Dezhou 251200, China)

    Abstract: Xylooligosaccharides are a kind of functional oligosaccharides with prebiotic activity, non-toxic side effects, good stability and wide sources. Based on the research progress of xylooligosaccharides at home and abroad, the biological functional characteristics were summarized, and the extraction methods of xylooligosaccharides were summarized and analyzed. The application of xylooligosaccharides in fruit and vegetable drinks, dairy products, baked products was reviewed, in order to improve the industrial production efficiency of xylooligosaccharides and expand its application in the market.

    Keywords: Xylooligosaccharide; extraction methods; biological functional characteristics; food industry

    低聚木糖(xylooligosaccharide,XOS)又稱木寡糖,是以木聚糖為底物通過內(nèi)切木聚糖酶水解木聚糖的β-1,4糖苷鍵而成的直鏈低聚糖,主要以木二糖、木三糖為成分的低聚木糖混合物[1],而木二糖和木三糖是低聚木糖中主要的功能性成分,其含量越高,低聚木糖制品的純度越高、活性越強[2]。與其他低聚糖相比,低聚木糖在pH 2.5~8.0下非常穩(wěn)定,低聚木糖還具有耐高溫性,加熱到100 ℃也不變性[3]。

    低聚木糖作為一種功能性低聚糖,可以促進機體對礦物質(zhì)的吸收,尤其是鈣;能夠提高動物腸道組織內(nèi)消化酶、蛋白酶、淀粉酶的活性,從而提高動物生產(chǎn)性能。低聚木糖還可以用作抗氧化劑,預防貧血、動脈硬化、糖尿病、骨質(zhì)疏松和一些癌癥,還有很強的增殖腸道益生菌的功能[4]。低聚木糖被證明具有降血脂、抗菌、抗炎、抗過敏等作用[5]。提取低聚木糖的原材料來源非常廣泛,包括玉米芯、秸稈、麥麩、甘蔗渣、棉花稈等富含半纖維素的農(nóng)作物廢棄物,然而目前提取低聚木糖的方法在提取成本、耗時、制備低聚木糖純度、提取率以及提取穩(wěn)定性等方面存在的問題。因此,本文結(jié)合國內(nèi)外有關低聚木糖的研究進展,從物理法、化學法和生物酶法方面分析總結(jié)了各類低聚木糖提取方法的優(yōu)缺點,闡述了低聚木糖的生物學功能特性以及在食品領域中的應用,為提高低聚木糖的工業(yè)化生產(chǎn)以及在生活各領域的應用提供理論基礎。

    1 低聚木糖的功能特性

    1.1 功能特性

    1.1.1 改善腸道健康

    低聚木糖具有重要的營養(yǎng)特性,主要功能有促進雙歧桿菌增殖,改善腸道菌群環(huán)境,降低致病菌的致病能力等。由于人體的消化系統(tǒng)中沒有能夠水解β-1,4糖苷鍵的酶類,因而低聚木糖在人體內(nèi)不能被消化、吸收,則會停留在大腸內(nèi)被腸道內(nèi)的雙歧桿菌利用,發(fā)酵降解成短鏈脂肪酸、雙歧因子、抗生素等物質(zhì),抑制腸內(nèi)原有腐敗細菌和外源性致病菌的增殖,減少有毒發(fā)酵產(chǎn)物,對腸道功能有非常顯著的改善作用[3]。魏濤等[6]以小鼠為研究對象,在小鼠飼料中添加雙歧桿菌,喂食14 d后,小鼠體內(nèi)的雙歧桿菌等一系列腸道有益菌數(shù)量明顯提高,有效促進了腸道健康。

    腸道的有益菌乳酸桿菌可通過占位定植,分泌過氧化氫和細菌素等抑菌物質(zhì),進而防止致病微生物的生長繁殖,同時乳酸菌和雙歧桿菌可利用低聚木糖發(fā)酵產(chǎn)生大量短鏈脂肪酸,進而抑制多種致病微生物生長[7]。范程瑞[8]發(fā)現(xiàn),在培養(yǎng)基(存在其他糖類)中添加不同濃度低聚木糖后,致病菌的生長被抑制,可能是由于低聚木糖阻止了致病菌對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,并對致病菌的結(jié)構造成了破壞,從而起到抑菌作用。

    1.1.2 調(diào)節(jié)血糖血脂

    低聚木糖是一類不能被人體和動物消化系統(tǒng)消化吸收的功能性低聚糖,多數(shù)被大腸中的有益微生物菌群利用,因此其攝入量與人體血糖測定值沒有直接關系。Khat-riri等[9]研究發(fā)現(xiàn),在Ⅱ型糖尿病大鼠飼料中補充0.05%從稻殼提取的低聚木糖,能夠通過改善腸道微生物菌群和減輕內(nèi)毒素血癥癥狀,實現(xiàn)對血糖的控制。陳海珊等[10]選取肥胖型小鼠連續(xù)喂食木二糖,發(fā)現(xiàn)小鼠血清中的甘油三酯和膽固醇含量顯著降低,從而說明木二糖可以有效降低血糖和血脂,而且小鼠體內(nèi)的脂肪堆積得到了有效抑制。

    1.1.3 抗齲齒

    同時食用低聚木糖和蔗糖時,低聚木糖能阻止蔗糖被微生物利用、生成不溶性的高分子葡萄糖,防止牙齒表面的牙釉質(zhì)脫落,起到一定的保護作用。低聚木糖具有較好的耐酸性,難以被消化酶消化,不能被口腔細菌作為底物利用,可阻止蔗糖被細菌利用,抑制口腔致病菌的生長,具有抗齲齒作用[11]。變異鏈球菌是口腔中最重要的致齲菌,林丹樂等[12]研究發(fā)現(xiàn),相較于蔗糖,高質(zhì)量濃度的低聚木糖可降低變異鏈球菌的生長及產(chǎn)酸水平。作為無齲齒性及抗齲齒性甜味添加劑,低聚木糖在兒童食品中具有較大的應用潛力。

    1.1.4 促進礦物質(zhì)吸收

    低聚木糖能促進維生素和礦物質(zhì)的吸收利用,提高機體免疫機能。Kobayashi等[13]對缺鐵性貧血小鼠使用酸性低聚木糖,肝臟的鐵調(diào)素和小腸中鐵轉(zhuǎn)運蛋白的含量顯著降低,表明低聚木糖能夠提高機體對鐵的吸收能力。郜航[14]研究飲水中添加不同濃度的XOS對小鼠鈣轉(zhuǎn)運和骨骼生長發(fā)育的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)飲水中添加4% XOS可以促進腸絨毛生長,增強腸道鈣轉(zhuǎn)運蛋白表達,同時降低盲腸pH,促進難溶性鈣鹽的溶解和吸收轉(zhuǎn)運,能夠在小鼠生長階段促進鈣的有效利用。

    2 低聚木糖的提取方法

    目前,低聚木糖提取方法主要有物理方法、化學方法和生物酶法等。

    2.1 物理方法

    低聚木糖物理提取法是在高溫高壓的環(huán)境下,木質(zhì)纖維素中的半纖維素發(fā)生水解斷裂,從而使木聚糖發(fā)生自身水解反應,釋放出低聚木糖和木糖[15]。物理提取法中水解的溫度和保溫時間對低聚木糖產(chǎn)量有較大的影響,生產(chǎn)低聚合度低聚木糖則需要更長的反應時間,但隨著反應時間的延長,大量的木聚糖和低聚木糖則會被降解為木糖和其他副產(chǎn)物。由于副產(chǎn)物的大量產(chǎn)生,不僅無法提高低聚木糖產(chǎn)率,還可能影響其純度。因此,物理法提取低聚木糖由于提取溫度較高、提取率較低,在低聚木糖工業(yè)化生產(chǎn)中應用較少。

    Surek等[16]發(fā)現(xiàn)自水解的溫度和保溫時間對產(chǎn)物產(chǎn)量有極大影響,在190 ℃、保溫5 min條件下處理榛子殼,低聚木糖得率達到原料木聚糖的62%。Zhang等[17]在200 ℃對甘蔗渣進行自水解,在10 min內(nèi)得到的低聚木糖產(chǎn)率為50.35%。

    2.2 化學方法

    目前提取制備低聚木糖常用的化學方法有酸提取法、堿浸提法和無機鹽處理法。

    2.2.1 酸提取法

    強無機酸可以有效地裂解和催化木聚糖骨架中相鄰木糖單元之間的糖苷鍵,在一定濃度的酸溶液、特定的溫度下,通過酸水解一段時間木聚糖,從而高度聚合形成XOS。酸提取法是通過酸處理來提高半纖維素水解程度,從而提高低聚木糖的產(chǎn)率,目前常用的酸有硫酸、乙酸等。酸提取低聚木糖制備方法雖然簡單,但是酸水解提取效率不高,制備出來的成品中雜質(zhì)較多,并且低聚木糖的含量較低。Wang等[18]利用硫酸水解法,得出在水解硫酸濃度0.7 mol/L、溫度90 ℃、時間60 min條件下,低聚木糖提取率為6.15%。Zhang等[19]利用乙酸水解法,發(fā)現(xiàn)在45%乙酸、溫度86 ℃、時間20 min條件下,低聚木糖提取率為20.14%。

    2.2.2 堿處理法

    在提取低聚木糖的原料中加入NaOH溶液,固定料液比,在一定的浸提溫度和浸提時間下,對原料中的木聚糖進行浸提。堿處理的主要作用是去除原料中的木質(zhì)素、果膠、脂肪和蛋白質(zhì)等,具有操作簡便、對設備要求低、易投入生產(chǎn)等特點,但是化學試劑的加入會對后續(xù)分離提純等操作增加困難。與酸處理和水加熱處理相比,堿性預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,利于后續(xù)的酶解過程[20]。Singh等[21]優(yōu)化兩步堿預處理的工藝,用質(zhì)量分數(shù)為10%的NaOH溶液在65 ℃條件下孵育檳榔殼8 h,然后在121 ℃條件下水熱處理1 h,經(jīng)過酶水解后得到35 g/100 g的低聚木糖。

    2.2.3 無機鹽處理法

    無機鹽處理法主要利用路易斯酸(Lewis acid)和酸堿質(zhì)子理論(Brnsted-Lowryacid-base theory)的特性,在水中添加無機鹽使其發(fā)生水解反應,使金屬離子和水形成復雜的絡合物,配位的化合物和水中的氫鍵能幫助半纖維素降解。與酸處理和堿處理法相比,無機鹽溶液處理對設備的腐蝕性較低,而且催化活性更高。You等[22]使用ZnCl2催化活化油茶殼生產(chǎn)聚合度為2~5的低聚木糖,研究發(fā)現(xiàn)在質(zhì)量分數(shù)0.5% ZnCl2催化條件下,在170 ℃蒸煮30 min時,低聚木糖產(chǎn)率最大,可達到61.38%。

    2.3 生物酶法

    生物酶法是生產(chǎn)低聚木糖的主要方法,利用內(nèi)切型木聚糖酶定向酶解木聚糖,且副產(chǎn)物較少,有利于后續(xù)低聚木糖的分離和純化。生物酶法是一種反應條件溫和的提取方法,主要是利用微生物中分泌的木聚糖酶對木聚糖進行水解[23]。作為安全、無害提取低聚木糖的方法,該法已經(jīng)被重視,加以利用并逐步發(fā)展,且更適合工業(yè)化生產(chǎn)。

    通常低聚木糖預處理過程可以去除雜質(zhì)和果膠等化合物,使低聚木糖生產(chǎn)更高效。戴沙等[24]利用堿性過氧化氫(alkaline hydrogen peroxide,AHP)預處理后的蘋果渣酶解制備低聚木糖,研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)3%的AHP預處理后,蘋果渣半纖維素含量由12.3%上升到16%,木質(zhì)素的去除率達46.6%;在酶解溫度55 ℃、酶解pH 6.0、酶添加量7 000 U/g、酶解時間18 h,酶解液中XOS得率最高,為27.08%。

    2.4 其他提取方法

    超聲波提取法是一種新型優(yōu)良的提取技術,提取效率高、時間短,提取工藝運行成本低,不破壞提取物結(jié)構,操作簡單易行[25]。宋娜等[26]以玉米秸稈為原料,利用超聲波-復合酶法制備XOS,超聲溫度56 ℃、時間40 min,添加0.8%復合酶并酶解30 min后,酶解液中還原糖含量36.43 mg/g、可溶性總糖含量74.32 mg/g、平均聚合度2.04。顧翰琦等[27]以酒糟為原料,利用響應面試驗優(yōu)化超聲波輔助堿法提取木聚糖工藝,在NaOH濃度8%、料液質(zhì)量比1∶20、提取溫度58 ℃、超聲波功率955 W和提取時間20 min條件下,木聚糖提取率為72.31%,通過超聲輔助堿溶液降低木聚糖提取能耗和木聚糖相對分子量,有效提高XOS酶解得率。

    3 低聚木糖在食品工業(yè)中的應用

    目前,低聚木糖在食品中主要作為食品原料,在果蔬飲料、乳制品和焙烤制品等食品中廣泛應用。低聚木糖可添加到低pH值的飲料中,如乳酸型飲料、醋型飲料等,其生物穩(wěn)定性較好,不會分解,也不影響產(chǎn)品口感與生物效果,可長期保存;添加到乳制品中,可以改善人體腸道微生物平衡;添加到蛋糕、餅干等焙烤產(chǎn)品中,可以保持產(chǎn)品水分、改變面團流變特性,從而提高食用性能,延長貨架期[28]。

    3.1 在果蔬類飲料中的應用

    低聚木糖穩(wěn)定性較好,具有較高的耐熱和耐酸性能,作為一種優(yōu)質(zhì)雙歧因子,具有促進雙歧桿菌生長的效果。目前添加低聚木糖的果蔬類飲料研究較多,邊國等[29]以低聚木糖和山楂為原料,發(fā)酵制成的山楂醋飲料風味濃郁、口味純正、營養(yǎng)豐富,含有醋酸發(fā)酵過程中微生物代謝產(chǎn)物和低聚木糖,具有降血壓、降血糖、降血脂等功效。金艷梅等[30]以低聚木糖和蘋果梨為原料,發(fā)酵制成具有一種天然保健功能的蘋果梨醋飲料。

    3.2 在乳制品中的應用

    乳制品以其高營養(yǎng)價值一直深受消費者的喜愛,乳制品中添加低聚木糖,可以增加潤腸通便、提高機體免疫力等功效。易文芝等[31]為解決褐色益生菌乳飲料在生產(chǎn)和貯藏過程中出現(xiàn)的沉淀、分層問題,在產(chǎn)品中添加0.3%復配增稠劑作為基礎穩(wěn)定劑,添加4種低聚糖(低聚果糖2.0%、低聚異麥芽糖1.56%、大豆低聚糖1.0%、低聚木糖0.6%),提高了益生菌乳飲料的穩(wěn)定性。黎素玲等[32]以牛奶和番茄汁為主要原料,添加適量木薯變性淀粉作為穩(wěn)定劑,同時添加低聚木糖作為益生菌增殖因子,以嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌作為發(fā)酵菌種,制得的酸奶品質(zhì)和組織狀態(tài)較好,呈均勻的淡粉色,口感細膩,酸甜適中,兼具酸奶與番茄的風味。

    3.3 在焙烤制品中的應用

    低聚木糖是一種穩(wěn)定的功能性低聚糖,其熱量值低、口感較好,適合作為糖類替代品添加到焙烤制品中。閆宏宇等[33]將低聚木糖添加到南瓜蛋糕中,不僅能保證功能型蛋糕的低糖、無糖性,而且可使人體腸道內(nèi)雙歧桿菌增殖,制作的蛋糕風味獨特、口感綿軟、組織狀態(tài)均勻,具有非常好的市場前景。杜金華等[34]將低聚木糖作為功能性食品添加劑添加到酥性餅干中,不僅能達到國家標準對餅干的要求,還賦予餅干鮮艷的色澤,提高餅干的功能性食用價值,減少酥性餅干中可消化性糖的含量,同時降低了產(chǎn)品的熱量值,滿足消費者對無糖酥性餅干的需求,增強市場競爭力。

    3.4 在其他食品中的應用

    低聚木糖由于其特有的生物活性,近年來在食品中的應用范圍更加廣泛。如李解等[35]通過研究雅安藏茶、低聚木糖及二者的復配物對便秘模型大鼠的潤腸通便作用,發(fā)現(xiàn)雅安藏茶、低聚木糖及二者的復配物均具有潤腸通便的作用,且對維持腸道菌群平衡具有較好的功效。宋娜等[36]研究發(fā)現(xiàn)在蒸制過程中,添加2.0%低聚木糖的饅頭坯相較于零添加饅頭坯,水分含量增大更快,水分活度減??;低聚木糖的添加使更多的自由水轉(zhuǎn)化成弱結(jié)合水,部分結(jié)合程度低的弱結(jié)合水轉(zhuǎn)化為與蛋白質(zhì)、淀粉分子緊密結(jié)合的強結(jié)合水時間更快。李倩文等[37]以乳清蛋白與低聚木糖為原料,采用濕法糖基化法制備糖基化乳清蛋白,研究6%低聚木糖與乳清蛋白在85 ℃下反應2 h,然后與未糖基化乳清蛋白相比,其持水性及持油性、乳化性與乳化穩(wěn)定性均提高,且表面更光滑,在pH 7時表面疏水性更高;將其替代再制干酪中60%黃油時,減脂再制干酪的硬度相較于全脂再制干酪顯著減小,融化性顯著增大,但彈性、咀嚼性等質(zhì)構特性及亮度無顯著差異,且感官加權總分與全脂再制干酪相當,從而證明該糖基化乳清蛋白具備作為脂肪替代品開發(fā)減脂食品的潛力。

    4 展望

    目前,低聚木糖生物活性研究主要集中在其耐熱性、穩(wěn)定pH值范圍、無毒性等方面,以及改善腸道健康、調(diào)節(jié)血糖血脂、防齲齒和促進礦物質(zhì)吸收等生物學功能特性上,但低聚木糖的生物活性研究大多停留在生理功效上,對于其在組織細胞中的分布和分子水平上的作用機理研究較少,且其他方面屬性則很少涉及。

    對于低聚木糖在食品領域中的應用,主要在飲料、乳制品和焙烤食品方法上,對于其他食品領域方面涉及較少,仍需要通過不斷地研究拓寬低聚木糖在其他領域方面的應用。然而對于低聚木糖其他方面的研究仍處于實驗室水平,還未能達到真正工業(yè)化應用階段;對于在酶法提取中如何由復合酶類替代單一的酶來提高提取率,如何優(yōu)化純化低聚木糖工藝,獲得更高純度的方法也是當前需要不斷投入研究的問題。

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