本发明属于功能糖醇生产技术领域，具体涉及一种低聚合度低聚木糖及其制备方法和应用。
背景技术：
低聚木糖是由β-1，4内切木聚糖酶水解β-1，4糖苷键形成。低聚木糖可以作为双歧因子使人体肠道内的有益菌双歧杆菌成倍增长，改善有机体(人和动物)消化道菌群平衡，促进消化道有益细菌的生长，抑制有害微生物的繁殖，促进营养吸收，提高机体免疫力。
低聚木糖中的木二糖是不能为人体消化吸收但可发酵的糖类物质，具双歧杆菌增殖效能，木三糖为三个木糖分子以β-1，4糖苷键相连而成，同样是不为人体消化吸收但可发酵的糖类物质，也具有双歧杆菌增殖效能，木四糖与木三糖功能相似。卜晓莉、余世袁等(低聚木糖各组分的层析分离及对双歧杆菌的增殖)研究发现：聚合度为2-5的低聚木糖对青春双歧杆菌的增殖效能明显强于聚合度为6-8低聚木糖。可见，低聚合度XOS2-4是低聚木糖产品中的主要有效成分，其含量的多少对其双歧因子增殖作用起着关键作用。另外，提升低聚合度低聚木糖的比例含量，可间接通过去除高聚合度的低聚木糖的方法达到。
目前低聚木糖产品主要由聚合度2-9的木聚糖组成，产品中聚合度7-9的木聚糖占有较大的比例含量，产品中木二糖、木三糖、木四糖纯度只有60％左右，使产品的双歧因子增殖效能大打折扣。在目前专利及文献资料中，制备低聚合度低聚木糖主要采用聚丙烯酰胺凝胶、活性炭等介质分离洗脱以及酶生物催化与膜分离结合等技术制备：专利CN 1847254A采用聚丙烯酰胺凝胶为层析介质洗脱、分离，制备出各种聚合度的低聚木糖；专利CN101632877A中介绍了一种利用活性炭对低聚木糖各单一组分进行分离纯化，制备出各种聚合度低聚木糖；专利102796783A采用多功能糖酶生物催化与膜分离结合的技术，制备聚合度为3-8的功能葡聚糖产品。这些制备方法中分离分化步骤比较繁琐、也不适用于工业化生产应用。专利CN1364911A通过控制里氏木霉产酶前期和后期的反应条件，产生高活力的木聚糖酶，利用该木聚糖酶酶解木聚糖制备聚合度为2-5的低聚木糖。但是，该制备方法中初始原料为木聚糖，经过乙醇沉淀、超滤、纳滤柱层析等方法提纯得到，限制了该技术的应用范围。
技术实现要素：
为弥补现有技术之缺陷，本发明提供一种低聚合度低聚木糖的制备方法。本发明采用前处理工艺及酶解技术，结合电渗析方法对低聚木糖液净化处理，可减少树脂处理过程中酸碱损耗，同时可对电渗析后的残液回收利用，制备出对功能性双歧因子有益增殖、生产工艺简单、生产效率高的低聚合度低聚木糖，不仅可以提高低聚糖品质，而且可以提高生产效率。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明的第一方面，提供一种低聚合度低聚木糖的制备方法，包括如下步骤：
(1)以木质纤维生物质为原料，经过稀碱/热水前处理，过滤液体，对固相采用高温降解或蒸汽爆破预处理方式，将木质纤维质原料中的半纤维素长链降解，使其中的木聚糖溶出，预处理后料液中的木糖含量控制在5-20％；降温待用；
(2)步骤(1)中的预处理液加入木质纤维生物质干重0.01-0.03％的木聚糖酶进行酶解反应；
(3)酶解液经灭酶、净化、浓缩、干燥处理制备出低聚合度低聚木糖。
优选的，所述步骤(1)中木质纤维生物质包括：棉籽壳、玉米芯、玉米秸秆、甘蔗渣或麸皮中的一种或多种；进一步优选所述木质纤维生物质为玉米芯；
优选的，所述步骤(1)中木质纤维生物质原料前处理方法具体为：
热水法：将所述木质纤维生物质原料与工艺水按1:(6-12)的质量比混合，50-100℃热水处理30min-90min，过滤液体；
稀碱法：将所述木质纤维生物质原料与工艺水按1:(6-12)的质量比混合，加入所述木质纤维生物质原料干重百分比0.01-0.5％的碱溶液，50-100℃热水处理30min-90min，过滤液体，并水洗至固相接近pH至7；其中碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水或氨基钠的一种或多种；
所述前处理方式还包括其它与本发明具有等同效果的前处理工艺；
优选的，所述步骤(1)中对固相进行高温降解方法具体为：固相与工艺水按1:(6-12)的质量比混合加入固相干重百分比为0.3-1.5％的弱酸催化剂，在160-170℃蒸煮30min-90min；
优选的，所述步骤(1)中对固相进行蒸汽爆破方法具体为：固相与工艺水按1:(1-5)的质量比混合，加入固相干重百分比0.3-1.2％的弱酸催化剂，处理压力1.5-2.5MPa，时间30s-300s；
上述高温降解方法和蒸气爆破方法中弱酸催化剂为乙酸、甲酸、柠檬酸、乳酸、亚硫酸或碳酸中的一种或多种；
所述预处理方式还包括其它与本发明具有等同效果的预处理降解方法；
进一步优选的，所述料液中木糖含量计算方法为：HPLC检测，木糖组分的峰面积占总糖峰面积的百分比；检测条件为：色谱柱为Shodex sugar KS-802，或其他具有同等分析效果的色谱柱；流动相为超纯水，柱温80℃，流速0.5-0.7ml/min；
优选的，所述步骤(1)中的具体步骤为：
以棉籽壳为原料，经稀碱法进行前处理，过滤液体，对固相采用蒸汽爆破预处理方式，将木质纤维质原料中的半纤维素长链降解，使其中的木聚糖溶出，预处理后料液中的木糖含量控制在5-20％，降温待用；
其中，所述稀碱法为将棉籽壳与工艺水按1:(6-12)的质量比混合，加入所述棉籽壳原料干重百分比0.01-0.5％的碱溶液，50-100℃热水处理30min-90min，过滤液体，并水洗至固相接近pH至7；其中所述碱为氢氧化钠；
所述蒸汽爆破预处理具体方法为：固相与工艺水按1:(1-5)的质量比混合，加入固相干重百分比0.3-1.2％的弱酸催化剂，处理压力1.5-2.5MPa，处理温度为150-190℃，时间30s-300s；其中所述弱酸催化剂为乙酸；
本发明采用以稀碱法结合蒸汽爆破法对低聚木糖进行前处理，发明人在实践研究中发现，稀碱法可以有效将原料中的木聚糖主链上的乙酰基、葡萄糖基、阿拉伯糖基去除，使得产品单糖含量大幅度降低，有利于提高产品低聚合度木聚糖所占比例；同时，通过上述添加比例，使得加入碱后的溶液pH维持在8-10之间，从而有效避免因碱性过高导致木聚糖结构破坏降低低聚木糖收率；同时也避免因碱性过低导致无法起到去除杂糖链、乙酰基及少量木质素和胶质的作用效果；而后通过蒸汽爆破法对植物细胞壁进行进一步的机械破坏，从而使得木聚糖进一步溶解在提取液中，同时，由于前期经过稀碱法处理并在蒸汽爆破法中加入弱酸催化剂，从而有效降低蒸汽爆破法反应温度和压力，避免提取液颜色较深；
同时，发明人在实践研究意外发现经过预处理后的木糖含量这一指标对于控制木聚糖降解程度和溶出效果非常重要；当木糖含量过高时(＞20％)，尽管木聚糖的解离度提高，但是副产物明显增多，导致后续酶解过程得到的低聚木糖含量比例降低，而预处理后的木糖含量较低(＜5％)时，木聚糖解离度偏低，不利于后续木聚糖酶的酶解作用，同样导致后续低聚木糖收率降低；而且，经过前处理和预处理工艺后，后续酶解时间减少，而且，木聚糖酶使用量降低，有利于工业化生产。
优选的，所述步骤(2)中木聚糖酶为里氏木霉、绿垂曲霉或具有等同效果的其它菌株进行微生物发酵处理制备的β-1,4-内切型木聚糖酶，另有β-木糖苷酶、α-L-阿拉伯糖苷酶等具有降解半纤维素的酶系辅助作用；
优选的，所述步骤(3)中净化步骤包括活性炭脱色和电渗析脱盐，其中所述活性炭脱色采用的脱色温度为50-90℃，活性炭添加量为0.1-2％，脱色时间为20-90min，脱色完成后板框过滤；电渗析脱盐后达标料液电导率≤800μs/cm，pH＝4-8，电渗析温度15-42℃，其中阳离子交换膜和阴离子交换膜的膜压差为0.2-0.8MPa，阳极室和阴极室残液进行回收利用。
本发明的第二个方面，公开了上述制备方法制备得到的低聚合度低聚木糖。经上述制备方法得到的低聚木糖，聚合度(Degree of Polymerization，简称DP)为2-6之间，低聚木糖纯度≥75％，其中聚合度2-4低聚木糖纯度≥70％，同时研究发现，所述低聚木糖不含阿拉伯糖、乙酰基侧链，结构式如下所示：其中n＝0～4，A、B、C和D分别对应于二维核磁共振波谱解析中的4个端基；
本发明的第三个方面，公开了上述低聚合度低聚木糖在动物双歧杆菌及干酪乳杆菌增殖中的应用。由于制备方法不同，所得到的低聚木糖产品中低聚木糖的纯度、各聚合度低聚木糖比例、杂质的组分比例并不相同，现有技术并未提供本发明所属结构和/组成的低聚木糖，而本发明制备得到的低聚木糖产品，经试验验证，对动物双歧杆菌及干酪乳杆菌增殖具有良好的效果。
本发明的有益效果为：
本发明通过前处理和预处理工艺的协同作用，能够有效提高木糖溶出度和降解效果，同时有效降低提取液色度及副产物产生，并能显著降低木聚糖酶添加量，缩短酶解反应时间，提高产品纯度；
本发明在制备中采用电渗析方法替代离子交换树脂的应用，减少酸碱用量及树脂再生，节约生产成本；一步法低聚合度低聚木糖的制备，减少传统制备方法中聚丙烯酰胺凝胶、活性炭、膜分离、色谱分离等洗脱、分离步骤，简化工艺。
总之，本发明通过合理优化各工艺步骤，最终得到低聚木糖聚合度低，以木二糖、木三糖和木四糖为主，从而增强其作为双歧因子的功能性，经试验验证，所制备得到的低聚木糖对动物双歧杆菌及干酪乳杆菌增殖效果好。总之，本发明简化了工艺，提升产品品质，具有良好的应用前景。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
取棉籽壳450g，与浓度为0.05％的氢氧化钠溶液按1:7的质量比混合，升温至60摄氏度保温30min，滤除液体；水洗一遍至pH值中性；与工艺水按1:3的质量比混合，加入棉籽壳干重百分比0.7％的弱酸催化剂(乙酸)，蒸汽爆破处理，处理压力1.5-2.5MPa，时间120s；气爆液中的木糖含量为5.85％，降温待用。向蒸煮液加入0.8g木聚糖酶，酶解反应温度为60℃，酶解时间为8h，酶解液经灭酶、活性炭脱色、电渗析除盐、浓缩制备低聚合度低聚木糖。所述活性炭脱色采用的脱色温度为50-90℃，活性炭添加量为0.1-2％，脱色时间为20-90min，脱色完成后板框过滤；电渗析脱盐后达标料液电导率≤800μs/cm，pH＝4-8，电渗析温度15-42℃，其中阳离子交换膜和阴离子交换膜的膜压差为0.2-0.8MPa，阳极室和阴极室残液进行回收利用。
表1实施例1中低聚合度低聚木糖组分含量表
由表1可知：实施例1产品中，低聚合度2-6低聚木糖纯度为87.21％，不含木七糖等高聚合度低聚木糖，且聚合度2-4木聚糖纯度为83.04％。
实施例2
取玉米芯450g，与工艺水按1:6的质量比混合升温至80摄氏度保温40min,滤除液体；加入玉米芯干重百分比为0.8％的乙酸，高温蒸煮处理，处理条件为：蒸煮温度165℃，蒸煮时间50min，将玉米芯中的木聚糖溶出，蒸煮液中的木糖含量为15.75％，降温待用。向蒸煮液加入0.1g木聚糖酶，酶解反应温度为80℃，酶解时间为8h，酶解液经灭酶、活性炭脱色、电渗析除盐、浓缩制备低聚合度低聚木糖。所述活性炭脱色采用的脱色温度为50-90℃，活性炭添加量为0.1-2％，脱色时间为20-90min，脱色完成后板框过滤；电渗析脱盐后达标料液电导率≤800μs/cm，pH＝4-8，电渗析温度15-42℃，其中阳离子交换膜和阴离子交换膜的膜压差为0.2-0.8MPa，阳极室和阴极室残液进行回收利用。
表2实施例2中低聚合度低聚木糖组分含量表
由表2可知：实施例2产品中，低聚合度低聚木糖纯度为79.16％，不含木七糖等高聚合度低聚木糖，且聚合度2-4木聚糖纯度为71.18％。
实施例3
取麦秸450g，与工艺水按1:10的质量比混合升温至90摄氏度保温60min，滤除液体；与工艺水按1:8的质量比混合，加入麦秸干重百分比为1.2％的乙酸，高温蒸煮处理，处理条件为：蒸煮温度165℃，蒸煮时间60min，将麦秸中的木聚糖溶出，蒸煮液中的木糖含量为19.96％，降温待用。向蒸煮液加入0.4g木聚糖酶，酶解反应温度为80℃，酶解时间为8h，酶解液经灭酶、活性炭脱色、电渗析除盐、浓缩制备低聚合度低聚木糖。所述活性炭脱色采用的脱色温度为50-90℃，活性炭添加量为0.1-2％，脱色时间为20-90min，脱色完成后板框过滤；电渗析脱盐后达标料液电导率≤800μs/cm，pH＝4-8，电渗析温度15-42℃，其中阳离子交换膜和阴离子交换膜的膜压差为0.2-0.8MPa，阳极室和阴极室残液进行回收利用。
表3实施例3中低聚合度低聚木糖组分含量表
由表3可知：实施例3产品中，低聚合度低聚木糖纯度为75.09％，不含木七糖、木六糖等高聚合度低聚木糖，且聚合度2-4木聚糖纯度为72.11％。
对比例1
方法同实施例1，唯一不同之处在于省去稀碱法这一处理步骤，即省去“与浓度为0.05％的氢氧化钠溶液按1:7的质量比混合，升温至60摄氏度保温30min，滤除液体；水洗一遍至pH值中性”步骤。
表4对比例1中低聚合度低聚木糖组分含量表
由表4可知：对比例1产品中，低聚合度2-6低聚木糖纯度为77.79％，含木七糖，聚合度2-4木聚糖纯度为73.51％。
实施例4
对实施例1-3和对比例1中得到的低聚合度低聚木糖进行干酪乳杆菌增殖的体外厌氧培养实验：以去掉葡萄糖的MRS培养基为基础培养基，培养基中加入不同的低聚木糖替代葡萄糖作为低聚木糖培养基。以基础培养基为对照，采用比浊法测定生长量，在不同培养时间测其OD600nm，绘制生长曲线。
活化菌种：取-85℃保存的甘油冷冻管乳杆菌菌种，接种到MRS液体培养基中，接种量1％，36℃培养36h。
干酪乳杆菌增殖：将灭菌好的糖浆和葡萄糖添加到对应的液体培养基中，然后向各个培养基中接种活化好的干酪乳杆菌，接种量1％，36℃培养36h。
由体外增殖实验可看出，低聚合度低聚木糖对干酪乳杆菌的增殖效果比普通低聚木糖效果好，且实施例1-3增殖效果优于对比例1。
实施例5
对实施例1-3和对比例1中得到的低聚合度低聚木糖进行动物双歧杆菌增殖的体外厌氧培养实验：以去掉葡萄糖的MRS培养基为基础培养基，培养基中加入不同的低聚木糖替代葡萄糖作为低聚木糖培养基。以基础培养基为对照，采用比浊法测定生长量，在不同培养时间测其OD600nm，绘制生长曲线。
活化菌种：取-85℃保存的甘油冷冻管菌种，接种到基础培养基中，接种量1％，36℃培养36h。
动物双歧杆菌增殖：将灭菌好的低聚糖和葡萄糖添加到对应的液体培养基中，然后向各个培养基中接种活化好的动物双歧杆菌，接种量1％，36℃培养48h。
由体外增殖实验可看出，低聚合度低聚木糖对动物双歧杆菌的增殖效果比普通低聚木糖效果好，且实施例1-3增殖效果优于对比例1。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围。