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本文聚焦低聚纤维素（COS），详细阐述其生产工艺，对比自下而上合成法和纤维素水解法的优劣，探讨其在食品、医药等多行业的应用潜力，剖析面临的挑战，为相关领域研究与产业发展提供全面参考。
引言
低聚纤维素（COS），也叫纤维寡聚体，是一类新兴的具有益生元潜力的寡糖。它由不可消化的碳水化合物短链构成，能被肠道微生物选择性代谢，为人体带来诸多健康益处。同时，COS 还具备独特的抗菌和技术功能特性，在食品、制药和化工等领域有着广阔的应用前景。
从纤维素可持续生产 COS，相比其他益生元来源具有显著优势，它不会与食物资源直接竞争。然而，目前开发高效且经济可行的大规模生产方法仍面临诸多难题，其中优化水解过程和纯化高价值低聚糖是关键挑战。
近年来，研究重点集中在改进 COS 生产技术，使其更具可持续性和可及性。生物技术酶水解法与传统化学路线相比，在选择性和环境影响方面表现更优，但在工艺放大、产品质量和稳定性方面仍存在障碍。本文将探讨 COS 生产的最新进展，分析实现其大规模工业应用面临的科技挑战，并探索其在新兴市场的潜力。
COS 由葡萄糖单元通过 β - 1,4 糖苷键相互连接而成，根据聚合度（DP）可分为短链和长链两类。短链 COS 由 2 - 4 个葡萄糖单体组成（纤维二糖、纤维三糖和纤维四糖），尽管纤维二糖在化学上属于二糖，但因其是 COS 的基本组成单元，且具有相同的生物学和功能特性，通常也被归为 COS。长链 COS 则包含更高分子量的低聚糖，如由 5 个葡萄糖单体构成的纤维五糖、6 个葡萄糖分子组成的纤维六糖，以及聚合度高达 20 的其他低聚糖。研究发现，COS 链的长度与其潜在应用密切相关，短链 COS 益生元特性更显著，长链 COS 在多相系统中可用作结构剂或稳定剂，技术功能特性更突出。
目前，获取 COS 的方法主要有自下而上合成法和纤维素水解法，这两种方法都涉及物理化学和酶法途径。但高产量且精准控制聚合度的 COS 生产技术仍未成熟，大规模、经济可行的生产技术尚不完善。目前，只有纤维二糖实现了商业化供应，其他优质 COS 产量低且价格高昂，是纤维二糖的数百倍。与其他寡糖（如低聚果糖（FOS）和低聚半乳糖（GOS））相比，COS 在商业应用上存在困难，除非开发出经济的合成工艺。近年来，这一挑战促使研究人员探索利用商业和重组内切葡聚糖酶通过酶水解法生产大量 COS。
低聚纤维素的生产工艺
自下而上合成 COS 的过程需借助蔗糖磷酸化酶（ScP）、纤维二糖磷酸化酶（CbP）和纤维糊精磷酸化酶（CdP）三种酶，将蔗糖和葡萄糖转化为聚合度在 3 - 6 之间的目标 COS。该过程通过 α - d - 葡萄糖 1 - 磷酸（αGlc1 - P）的线性级联反应，实现葡萄糖的迭代聚合度控制延伸。研究人员曾利用此方法获得约 93g/L 的总 COS（DP 3 - 6） ，但由于特定酶和纯商业底物成本高昂，限制了该工艺的大规模应用。
纤维素解聚制备 COS 的物理化学方法包括酸处理和水热技术。酸水解通常在酸性介质中进行，用于生产葡萄糖、木糖等多种产物。由于纤维素的刚性晶体结构，需使用浓硫酸、盐酸或磷酸等强酸或负载型酸催化剂来促进水解。这些酸随机切断纤维素的 β - 1,4 糖苷键，降低聚合度，释放 COS 和葡萄糖。但酸浓度和处理时间需严格控制，否则会导致纤维素完全解聚为葡萄糖和 5 - 羟甲基糠醛（HMF）。酸水解法得到的 COS 需经过下游处理去除杂质，增加了生产成本，且产生的酸性废水、有机物质和有毒副产物会对环境造成危害，需要进行中和、生物降解和膜过滤等处理，这些处理过程能耗高、成本大。近年来，有研究探索将功能化碳材料与酸结合作为非均相催化剂用于 COS 合成，虽取得一定成果，但高温高压条件、球磨操作以及副产物毒性研究缺失等问题限制了其大规模应用 。
水热技术是利用水作为溶剂的清洁热化学工艺，在高温高压下，水发生电离产生水合氢离子，促使多糖解聚，释放的有机酸可催化纤维素部分水解生成 COS。该技术虽有应用前景，但存在能耗高、COS 聚合度难以控制和标准化，以及需去除反应过程中生成的单体和抑制剂等问题。总体而言，物理化学过程常产生有毒废物，能耗大，对环境和人体健康存在潜在风险，因此更可持续的酶水解法受到关注。
纤维素酶水解法具有高效、环保的优点，能在温和条件下进行，避免产生不良副产物，减少纯化步骤。参与纤维素水解的酶有内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和 β - 葡萄糖苷酶。内切葡聚糖酶随机水解纤维素无定形区域的 β - 1,4 糖苷键，释放较大的低聚物；外切葡聚糖酶作用于纤维素链的末端，在结晶区域有亲和力；β - 葡萄糖苷酶则进一步将纤维二糖和其他短链 COS 水解为葡萄糖。在 COS 生产中，内切葡聚糖酶和纤维二糖水解酶 I、II 协同发挥关键作用，同时为优化生产，常需去除或抑制 β - 葡萄糖苷酶活性。此外，裂解多糖单加氧酶（LPMOs）等辅助酶可促进结晶纤维素链断裂，提高内切葡聚糖酶活性。尽管酶和纯化过程成本较高，但随着 COS 市场需求增长，酶法生产的经济可行性逐渐提高。
重组酶技术通过异源表达生产大量纤维素酶和辅助酶，已成为 COS 酶法生产的重要技术趋势。在大肠杆菌、酿酒酵母、毕赤酵母和丝状真菌等模式生物中表达异源酶，可提高 COS 生产效率和可扩展性，还能改善酶的热稳定性、最适 pH 和比活性等特性，提升产量。例如，在毕赤酵母中表达出芽短梗霉的内切葡聚糖酶，酶活性提高了 6.63 倍，能有效降解葡聚糖和葡甘露聚糖。
低聚纤维素的应用
由于 COS 生产规模难以扩大、成本高、缺乏安全监管文件，且作为新型功能性成分，其在食品工业和其他领域的单独应用报道较少，相关特性研究也有待深入。但 COS 具有多种生物、技术和物理化学特性，在多个行业具有潜在应用价值。
COS 的益生元特性使其成为新兴的重要应用方向。因其大多由 β - 1,4 键构成，能抵抗消化酶作用，几乎完整地到达大肠。在结肠中，短链 COS 可被乳酸杆菌属和双歧杆菌属等有益菌发酵，产生短链脂肪酸（SCFAs），这些短链脂肪酸在人体健康代谢中发挥重要作用，如降低肠道 pH 值抑制病原体生长、促进结肠上皮细胞生长、调节免疫细胞因子生成、协助氨和胺排出、增强免疫系统、调节矿物质吸收和脂质代谢、抑制结肠和胃癌细胞生长，预防心血管疾病和代谢紊乱等。研究发现，酶法制备的甘蔗秸秆和咖啡壳来源的 COS 在体外消化模拟实验中，经唾液淀粉酶处理未发生降解，在胃液中经胰蛋白酶作用降解率较低，且发酵后能显著促进嗜酸乳杆菌和短乳杆菌生长，分泌多种短链脂肪酸 。
COS 还具有显著的抗菌作用，尤其对梭菌属和幽门螺杆菌等病原体效果明显。通过阻断细菌对宿主细胞的粘附，刺激益生菌生长引发营养竞争，COS 有望成为抑制食品和胃肠道中病原体生长的天然替代品，可应用于食品配方（如谷物棒、烘焙食品、糖果等）、食品补充剂和药品中，调节肠道菌群。
长链 COS 在化妆品领域具有应用潜力，可提高化妆品功效。它不仅具有显著的保湿效果，还能改善皮肤屏障功能，抑制引起皮炎的细菌（如葡萄球菌属和假单胞菌属）生长。此外，COS 可作为发酵生产乙醇的底物，相较于传统以葡萄糖为底物的工艺，能避免高浓度葡萄糖的抑制作用。不过，使用 COS 为底物时需对酵母进行改造，以使其能够消化这些低聚糖，从而加快发酵过程，降低污染风险。
需要注意的是，COS 在工业应用中需考虑配方设计、法规要求和测试验证，以确保产品质量和健康功效。同时，COS 的来源、生产方法和纯度也会影响其应用效果。目前，COS 在产品应用中面临稳定性挑战，对其在热、pH 变化和工业加工（如巴氏杀菌、超声处理和高压处理）条件下的抗性研究较少。此外，COS 益生元效果的验证需要严格的临床试验，目前有效剂量数据不足，这些都是未来研究需要关注的方向。
总结与展望
综上所述，COS 作为新兴的益生元寡糖，凭借其独特的生物、技术和物理化学特性，在食品、制药和化妆品等行业具有巨大潜力。然而，寻找廉价易得的原材料，开发可扩展且经济可行的生产工艺，仍是研究人员面临的挑战。未来，可通过改进生产技术，尤其是酶水解和酶的异源表达技术，推动 COS 产业发展，使其在更多领域得到广泛应用。
