综述：纤维寡糖和木寡糖：乳酸杆菌和双歧杆菌的生产工艺、潜在益生元及代谢途径

《Food Research International》：Cellooligosaccharides and xylooligosaccharides: production processes, potential prebiotics, and metabolism routes by Lactobacillus and B ifidobacterium

本综述系统阐述了从木质纤维素生物质生产纤维寡糖（COS）和木寡糖（XOS）的物理化学预处理和酶解技术，重点探讨了二者作为益生元被乳酸杆菌和双歧杆菌代谢产生短链脂肪酸（SCFAs）的途径及其在预防心血管疾病、肥胖等方面的健康效益，为开发功能性食品和药物提供了重要见解。

　　

纤维寡糖（COS）和木寡糖（XOS）：充满潜力的益生元

在人们日益关注健康生活方式的背景下，纤维寡糖（COS）和木寡糖（XOS）这两种由葡萄糖和木糖单元构成的非消化性寡糖正崭露头角。它们因其潜在的益生元和抗氧化效应而受到广泛关注。

从废弃生物质到高价值产品

木质纤维素材料（如番石榴渣、甘蔗渣、玉米芯、麦秸等）的副产品是生产寡糖的宝库。这些农业废弃物来源广泛、成本低廉，但其细胞壁结构复杂，主要包含纤维素、半纤维素和木质素。为了将生物质转化为COS和XOS等高附加值产品，必须采用物理化学预处理和酶处理来降低其结构复杂性，分离各组分。预处理技术旨在降低纤维素结晶度、溶解半纤维素和去除木质素，从而为后续的酶解处理创造有利条件。

COS与XOS的特性

COS是由2至9个葡萄糖单元通过β-1,4-糖苷键连接而成的寡聚体。链长在6个葡萄糖单位以下的COS可溶于水。XOS则是木糖的寡聚物，通过β-(1,4)糖苷键连接，聚合度在2到10之间，其结构可能带有分支，如乙酰基、阿拉伯糖等取代基，这导致了其生理功能的多样性。

益生元活性与健康益处

益生元是指不被宿主消化、却能选择性促进肠道内有益微生物（如乳酸杆菌、双歧杆菌、乳酸球菌和链球菌）生长的化合物。COS（链长≤6）和XOS正是这样的潜在益生元。这些有益菌代谢寡糖会产生短链脂肪酸（SCFAs）等物质，从而带来诸多健康益处，包括预防心血管疾病、肥胖、骨质疏松、糖尿病、高胆固醇血症、胃肠道感染和结肠癌。此外，寡糖的抗氧化活性有助于消除自由基，减缓氧化应激对细胞的损害。

不过，过量摄入寡糖可能导致腹泻、腹痛和腹胀，这是由于肠道发酵产气过多所致。

乳酸杆菌和双歧杆菌的代谢奥秘

乳酸杆菌和双歧杆菌是能够发酵糖类产生乳酸的重要益生菌。它们代谢葡萄糖（COS的基本单元）主要通过糖酵解（EMP）途径和磷酸戊糖（PK）途径等。

对于XOS的代谢，则更具特异性。仅有部分菌株，如植物乳杆菌和短双歧杆菌，能够利用XOS。它们通过一系列酶（如β-木糖苷酶、外切木聚糖酶、α-阿拉伯呋喃糖苷酶等）将XOS在细胞内切割成木糖，进而通过磷酸酮醇酶（PK）途径等进行代谢。这些代谢过程的终产物——短链脂肪酸，尤其是乙酸、丙酸和丁酸，是发挥健康效益的关键。

挑战与未来展望

尽管COS和XOS在食品、制药和化学工业中应用潜力巨大，但其大规模生产仍面临诸多挑战。生产过程复杂且成本高昂，需要先进的设备、化学试剂和酶。生物质本身的顽固性导致生产效率通常较低。此外，表征和纯化方法缺乏标准化。未来的研究需要聚焦于开发更高效、环保的预处理和转化技术，优化生产工艺以降低成本，并深入探索COS和XOS对不同菌株的具体作用机制及其对人体健康的长期影响。

结论

木质纤维素生物质是生产COS和XOS的丰富、可再生且低成本的原料。这些寡糖以其益生元效应和抗氧化活性著称，能够促进乳酸杆菌和双歧杆菌等有益菌的生长，并产生有益健康的短链脂肪酸。克服生产过程中的技术挑战，将有助于充分释放这些高价值化合物在促进人类健康和可持续发展方面的巨大潜力。