综述：β-甘露聚糖酶及其在益生元（甘露寡糖）制备中的应用

《Food Bioscience》：β-mannanase and its application in prebiotic (mannooligosaccharides) preparation

本综述系统阐述了β-甘露聚糖酶（β-mannanase）在利用富含β-甘露聚糖的农业副产物（如椰粕、棕榈仁粕）高效制备益生元β-甘露寡糖（β-MOS）方面的最新进展。文章重点探讨了不同来源（细菌、真菌）β-甘露聚糖酶的酶学特性（如最适pH、温度、底物特异性）、其水解机制（保留型/反转型）以及对β-MOS产物聚合度（DP）的影响，强调了酶法生产β-MOS的环境友好、低成本和高产率优势，为开发新型功能性食品和饲料添加剂提供了重要理论依据和技术路径。

　　

β-甘露聚糖酶：从生物质到益生元的绿色转化利器

摘要

功能性食品需求的日益增长推动了对新型有效益生元及其低成本生产工艺的广泛研究。其中，源自含β-甘露聚糖生物质（主要是各行业的副产品或废弃物）的植物源益生元——β-甘露寡糖（β-MOS），近年来备受关注。利用β-甘露聚糖酶（一种通过随机切割β-1,4-甘露糖苷键降解甘露聚糖的内切酶）水解这些生物质，是实现β-MOS大规模生产的理想途径。大量研究表明，β-MOS能被肠道微生物群选择性利用，并具有潜在的健康益处，如抗氧化和免疫调节活性。本综述聚焦于2017年至2022年间β-MOS生产的研究进展，涵盖了其市场、β-甘露聚糖酶的新来源、作为β-MOS生产底物的潜在农业废弃物等方面。

引言

甘露寡糖（MOS）主要有α和β两种形式，区别在于连接其甘露糖单元的糖苷键的异头构型。β-甘露寡糖（β-MOS）是由β-1,4-连接的甘露糖残基组成的短链碳水化合物，通常从β-甘露聚糖、半乳甘露聚糖、葡甘露聚糖和半乳葡甘露聚糖等多糖中释放出来。与源自酿酒酵母细胞壁甘露聚糖的α-MOS不同，β-MOS作为植物源益生元，因其对双歧杆菌和乳酸菌等有益菌的生长促进作用而日益受到重视。随着全球益生元市场预计以年复合增长率（CAGR）14.9%的速度增长，对包括MOS在内的益生元需求也在不断增加。

甘露聚糖和杂甘露聚糖可通过酶水解和化学/物理水解两种主要方法转化为β-MOS。酶水解被认为是一种更精确、更受青睐的方法，它利用β-甘露聚糖酶特异性切割多糖骨架内的β-(1-4)糖苷键。该方法效率高、条件温和，且不产生有害副产物。相比之下，化学和物理水解法缺乏底物特异性，可能导致目标寡糖降解并造成环境危害。因此，酶水解被视为生产适用于益生元和动物饲料的高质量β-MOS的优选策略。

β-甘露聚糖酶及其特性

β-甘露聚糖酶可由细菌、真菌、动物和植物产生，其中细菌和真菌来源的酶最为常见且具有工业意义。细菌β-甘露聚糖酶通常在pH 5.0–7.0、温度37–55 °C条件下活性最佳，并对半乳甘露聚糖的活性高于葡甘露聚糖。真菌β-甘露聚糖酶则通常在更极端的条件下起作用，最适温度范围在40–70 °C之间。

β-甘露聚糖酶是一种内切酶，能随机催化各种β-甘露聚糖底物（如半纤维素）中β-1,4-糖苷键的水解，产生β-MOS和甘露糖。木质纤维素生物质中的半纤维素约占植物组分的三分之一，是自然界中第二丰富的多糖群。它同样存在于农业残余物中，如椰粕（CM）、棕榈仁粕（PKM）、豆粕（SBM）和废咖啡渣（SCG）。利用这些来源生产β-MOS具有成本效益，并能实现废物增值。β-甘露聚糖酶催化水解β-甘露聚糖底物产生的β-MOS，其聚合度（DP）通常在2到7之间。这些β-MOS能被特定微生物选择性发酵，刺激有益菌生长并产生可作为宿主能量来源的短链脂肪酸（SCFA），从而对宿主健康产生多重益处。

根据氨基酸序列相似性，内切β-甘露聚糖酶被归类为糖苷水解酶（GH）家族5、26、113和134。GH5、GH26和GH113属于最大的糖苷水解酶家族A（GH-A），具有典型的TIM（β/α)₈-桶状折叠结构。而GH134则呈现溶菌酶样折叠。酶的催化残基在其活性位点裂隙中通常是保守的，但底物结合位点差异显著，这影响了其底物特异性和最终产物的DP分布。例如，偏好线性底物的酶（如BoMan26A）主要产生甘露二糖（DP2），而能容纳半乳糖侧链的酶（如BoMan26B）则能产生DP2-6的多种寡糖。因此，根据目标β-MOS的 profile 选择合适的β-甘露聚糖酶来源至关重要。

β-甘露聚糖酶生产的潜在农业废弃物底物

甘露聚糖是软木植物细胞壁中半纤维素的主要成分之一，与纤维素和木质素紧密结合形成木质纤维素生物质。用于β-MOS生产的底物可以是商业底物（如刺槐豆胶LBG、瓜尔胶GG、柯拉辛胶、魔芋粉），也可以是富含甘露聚糖的木质纤维素生物质，如椰粕（CM）、棕榈仁粕（PKM）、废咖啡渣（SCG）和豆粕（SBM）。

椰粕（CM）是椰子加工（如榨油和椰奶产业）的副产品，含有高含量的甘露聚糖和半乳甘露聚糖（约占干物质的25-30%）。由于其含有抗营养因子，在单胃动物饲料中的应用受限，需要通过酶解等预处理改善其营养特性，这也使其成为β-MOS生产的吸引力底物。

棕榈仁粕（PKM）是油棕榨油的副产品，其非淀粉多糖（NSPs）中78%为甘露聚糖，干物质基础含量达30-35%。与CM类似，PKM也含有抗营养因子，需要通过挤压、蒸汽爆破、发酵或酶处理等物理、化学或生物方法进行改良，以提高其营养价值。

废咖啡渣（SCG）是咖啡冲泡或速溶咖啡生产的副产品。咖啡豆中含有多糖（主要是甘露聚糖或半乳甘露聚糖），约占绿咖啡豆干重的50%，其中半乳甘露聚糖的甘露糖与半乳糖比例约为100:1。大量的SCG废弃物使其成为β-MOS生产的良好候选底物。

豆粕（SBM）是大豆榨油的副产品，是饲料中重要的蛋白质来源。它含有至少1%的半乳甘露聚糖。然而，由于SBM是重要的饲料原料，其价格通常高于CM和PKM。

在选择合适的β-MOS生产底物时，需综合考虑底物的来源地（以降低运输成本）、价格以及β-甘露聚糖和半乳甘露聚糖的含量。

β-甘露寡糖（β-MOS）的酶法生产

β-甘露聚糖酶的水解机制涉及活性位点裂隙中的两个催化残基和多个结合亚位点。主要催化机制包括GH5、GH26和GH113采用的“保留”机制以及GH134采用的“反转”机制。

从各种植物基底物生产β-MOS优选酶水解法。例如，利用来自Aspergillus sojae的重组β-甘露聚糖酶从废咖啡渣（SCG）生产β-MOS，通过响应面法优化后，最高β-MOS浓度可达3,970.97 ppm。从椰粕生产β-MOS的优化工艺可获得以M6为主，其次是M2、M3和M4的寡糖混合物。使用B. ovatus的BoMan26B水解半乳甘露聚糖（GM）和乙酰化半乳葡甘露聚糖（AcGGM），可分别获得33%和30%的DP2-6 MOS产率。若辅以α-半乳糖苷酶等 accessory enzymes 处理，MOS产率可显著提高。

底物结构、浓度和预处理策略是影响酶法MOS生产效率的关键因素。底物中半乳糖或乙酰基取代会空间阻碍β-甘露聚糖酶的活性。添加 accessory enzymes（如α-半乳糖苷酶、β-葡萄糖苷酶）可显著提高产率。对于木质纤维素生物质，预处理（如稀碱处理、氨水预处理、有机酸处理）以去除木质素至关重要，它能显著改善酶的可及性，从而提高β-MOS产量。

除了作为益生元补充剂，一些细菌（如B. ovatus、R. intestinalis）具备完整的甘露聚糖降解系统，能直接代谢复杂的β-甘露聚糖，促进有益菌群生长。

β-MOS的市场前景

对具有健康益处食品和饲料需求的增长推动着膳食补充剂和功能性食品市场的持续扩张。益生元因其健康益处而具有巨大的商业兴趣。全球功能性食品市场规模庞大，预计将持续增长。β-MOS通过酶水解各种甘露聚糖底物获得，环境友好、成本低廉。除了酶法，也有研究探索非酶法（如亚临界水结合固体酸水解）生产β-MOS的绿色工艺。利用棕榈仁粕等原料通过酶解和固态发酵（SSF）生产含有MOS和酵母培养物的饲料添加剂，是提高附加值的有效途径。

结论与展望

本综述强调了β-甘露聚糖酶在β-MOS生产中的应用价值。对β-甘露聚糖酶性质和机制的深入了解有助于调控水解过程。β-MOS结构的差异取决于β-甘露聚糖酶的水解特性，尤其是其底物特异性，这可能导致显示出不同益生元效果的寡糖。利用农业废弃物作为β-MOS生产底物，将有助于降低生产成本并促进废物增值，符合循环经济原则。未来研究应集中于开发具有更高活性、稳定性和特定产物谱的重组酶，优化水解工艺以提高产率，并深入探索不同结构β-MOS的特定益生元功能及其对宿主健康的影响机制。