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随着全球人口持续增长、耕地资源约束加剧以及极端天气事件频发，传统食品体系正面临资源限制、环境压力和成本上升的多重挑战，并对公共健康产生影响。与此同时，全球老龄化趋势加速以及高血压、高血脂、高血糖患病率的扩大，正推动食品需求从“满足基本需求”向“促进健康”快速转
随着全球人口持续增长、耕地资源约束加剧以及极端天气事件频发，传统食品体系正面临资源限制、环境压力和成本上升的多重挑战，并对公共健康产生影响。与此同时，全球老龄化趋势加速以及高血压、高血脂、高血糖患病率的扩大，正推动食品需求从“满足基本需求”向“促进健康”快速转变。2023年，联合国强调了农业发展、粮食安全和营养对全球可持续发展的重要性，而非洲联盟的《2063年议程》也提出要提高现代农业的生产力和农产品的附加值，以确保粮食和营养安全。近年来，国务院办公厅明确呼吁树立“大食物观”，构建多元化食物供给体系，利用森林食物资源，并从植物中获取热量和蛋白质。2025年，中国森林食品年产量约为2.4亿吨。此外，研究强调应拓展直接和间接食物来源，挖掘新型食物资源，确保多样化食品的有效供给。因此，保障未来粮食供应不仅依赖于增加产量，更在于向更可持续、高效和健康导向的食品体系转型。
在本论文中，研究人员提出了一种可调控解聚与分级利用木质纤维素生物质以制备纤维食品的策略。纤维食品产品主要指通过绿色生物炼制技术从木质纤维素生物质中制备的功能性产品（如单糖、低聚糖、蛋白质和膳食纤维）。木质纤维素生物质的主要化学成分包括40%–50%的纤维素、25%–35%的半纤维素和15%–30%的木质素，目前主要用于能源、材料和化学品领域。由于其富含碳水化合物，在纤维食品和功能性营养产品的生产中具有巨大潜力。纤维食品的健康益处主要归因于其富含膳食纤维、益生元低聚糖和可发酵蛋白质。这些天然衍生成分已被证明可以调节消化道中的葡萄糖吸收、改善肠道菌群、促进胆固醇代谢，并显著控制餐后血糖、血压和炎症反应。大量研究表明，功能性纤维食品在患有慢性疾病的老年人群的营养调节和疾病预防方面具有巨大潜力。
预处理技术是将木质纤维素生物质转化为纤维食品的关键步骤。其主要目标是破坏木质纤维素复杂的细胞壁结构，提高纤维素和半纤维素的可及性，并尽可能保留天然功能成分。目前，木质纤维素生物质预处理技术主要包括物理方法、化学方法、生物方法及其组合技术。尽管这些技术在生物燃料和生物基化学品的生产中已得到广泛应用，但其在食品生产中的直接应用仍受到食品级安全性、化学残留、能耗和成本等问题的阻碍。因此，未来用于生产纤维食品的预处理技术应重点关注食品级标准、环境友好性和可持续性。
研究背景与意义
在全球人口持续增长、耕地资源日益紧张以及极端气候事件频发的背景下，传统食品体系正面临资源约束、环境压力和成本攀升等多重挑战，并对公众健康产生深远影响。同时，全球老龄化进程加速以及高血压、高血脂、高血糖等慢性病患病率不断上升，驱动着食品需求从“满足基本温饱”向“促进健康”方向快速转变。2023年，联合国强调了农业发展与粮食安全对全球可持续发展的重要性；非洲联盟《2063年议程》亦提出提升现代农业生产力与农产品附加值以保障粮食与营养安全。近年来，中国国务院办公厅明确提出要树立“大食物观”，构建多元化食物供给体系，开发森林食物资源，并从植物中获取热量与蛋白质。2025年中国森林食品年产量已达约2.4亿吨。研究进一步指出，保障未来粮食供应的关键在于向更可持续、高效和健康的食品体系转型。基于此，研究人员提出利用木质纤维素生物质通过可控解聚与分级利用策略制备纤维食品（Fibrous Foods），旨在开辟非粮来源的新型功能性食品原料路径。该研究发表于《The Innovation》。
关键技术方法
研究人员采用了多种绿色生物炼制技术以实现木质纤维素生物质的分级转化。主要方法包括：（1）酶水解策略，用于从纤维素和半纤维素中定向释放单糖（如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖）和功能性低聚糖（如低聚木糖XOSs、低聚甘露糖MOSs、低聚果糖FOSs、低聚纤维糖COSs）；（2）固态发酵技术，利用特定微生物菌株（如解脂耶氏酵母Yarrowia lipolytica）将可发酵糖转化为微生物蛋白；（3）水热预处理提取技术，通过选择性去除木质素并调控纤维素与半纤维素结构，实现膳食纤维的高效提取与功能修饰。这些方法均以食品级安全、环境友好和可持续性为导向。
研究结果
单糖（Monosaccharides）： 研究人员指出，葡萄糖是最直接的能量来源，可在饥饿、剧烈运动或高代谢状态下加速肌糖原合成，缓解疲劳；木糖因其低热量值和益生元特性被证实可刺激肠道有益菌增殖；阿拉伯糖则表现出调节血糖、抗氧化和改善肠道菌群的生理功能。目前食用葡萄糖工业生产主要依赖淀粉的酶法或水解转化，而木质纤维素生物质作为非粮来源，具有来源广泛、成本低廉且不与人类争粮的优势。在中国山东、河南、黑龙江等农业大省，企业已利用玉米芯和秸秆实现葡萄糖、木糖和阿拉伯糖的大规模生产。例如，安徽丰原集团可将3吨玉米秸秆转化为1吨混合糖。
低聚糖（Oligosaccharides）： 木质纤维素生物质在生产功能性低聚糖方面具有巨大潜力，常见类型包括低聚木糖（XOSs）、低聚甘露糖（MOSs）、低聚果糖（FOSs）和低聚纤维糖（COSs）。这些低聚糖在肠道中吸收率低，能选择性刺激结肠中有益菌生长，优化肠道菌群结构，发挥显著的益生元作用，同时降低肠道内脂肪酸、磷酸盐、胆固醇和甘油三酯水平。商业化生产多采用酶水解法，因其反应条件温和、产物特异性高且副产物少。酶解过程中，纤维素或半纤维素中糖单元间的糖苷键被断裂，形成聚合度范围广泛的低聚糖和单糖。
蛋白质（Proteins）： 木质纤维素生物质富含碳水化合物，可通过微生物发酵产生丰富的蛋白质，满足人类食品与补充剂产业对蛋白质的需求以及动物饲料需求。生产过程分为两步：首先通过化学预处理或酶水解分解木质纤维素复杂结构，释放可发酵糖（如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖）作为微生物生长的碳源；随后采用固态发酵技术，利用细菌、酵母或丝状真菌等特定菌株将这些可发酵糖转化为微生物蛋白。例如，利用解脂耶氏酵母进行15天固态发酵可将玉米秸秆转化为蛋白质，蛋白质含量达16.23%。研究表明，微生物蛋白营养丰富，有助于调节人体消化过程和改善血胆固醇水平；与鸡肉蛋白饮食相比，摄入微生物蛋白可显著降低总能量摄入。
膳食纤维（Dietary Fibers, DFs）： 膳食纤维是纤维食品的重要组成部分，主要由非淀粉多糖和相关的植物源成分组成，不能被人体肠道消化吸收。根据溶解性可分为可溶性膳食纤维（SDFs）和不溶性膳食纤维（IDFs）。木质纤维素生物质富含碳水化合物聚合物，是制备膳食纤维的重要非粮资源。通过预处理技术选择性去除木质素并调控纤维素与半纤维素结构，可实现膳食纤维的高效提取与功能修饰。提取的可溶性膳食纤维主要包括可溶性半纤维素、果胶和部分低聚糖，具有良好的持水持油性、黏度和发酵特性，可作为益生元促进双歧杆菌和乳酸杆菌等有益菌生长，调节肠道菌群组成与代谢活性，促进短链脂肪酸等有益代谢物产生，从而改善糖脂代谢，降低肥胖、糖尿病和心血管疾病等慢性病风险。不溶性膳食纤维具有高吸水性和膨胀性，可增加粪便体积、促进肠道蠕动、维护肠道健康。两者在维持人体代谢稳态方面具有协同效应。
总结与展望
研究人员在讨论部分指出，木质纤维素生物质作为一种丰富、易得且可再生的非粮资源，为功能性糖类及其他纤维食品的开发提供了新型原料基础。未来纤维食品的开发应从单一产品制备逐步转向梯级利用模式，即根据各组分的稳定性和附加值分步实施，优先回收蛋白质等营养成分，再选择性释放单糖和功能性低聚糖，最后将剩余纤维制备成膳食纤维产品，以实现营养成分与功能组分的协同利用，促进循环经济，并为建立非粮纤维食品体系提供可行路径。
研究结论部分翻译如下：木质纤维素生物质在生产纤维食品方面仍面临若干关键挑战，例如原料杂质多样、结构复杂导致转化率低，以及预处理过程中产生的副产物使分离工艺复杂化。未来纤维食品的发展应聚焦于食品级预处理技术的突破，优先发展水热处理、亚临界水、食品级有机酸和生物酶技术等绿色工艺；加强对副产物等潜在风险物质的管控，建立覆盖原料、预处理、分离纯化和产品评估的全链条食品安全体系。同时，应结合生命周期评价和技术经济分析，系统评估环境可持续性与经济可行性，力求实现高效转化、营养保留与食品安全之间的平衡。当前研究主要集中在上述产品的制备及其肠道调节功能，而非针对性的功能产品开发；因此，通过高温挤出成型将膳食纤维、功能性低聚糖与淀粉制备重组产品，开发低血糖指数功能性大米或面条等可食用产品，并分析其质构特性、风味特征和消费者接受度，是未来纤维食品研究的重点方向。此外，深入研究纤维食品的生理效应是实现从基础科学到健康应用的跨尺度连接的关键。
