半纤维素的应用

２００５年第４期２００６年第２期本文简要介绍了半纤维素的基础知识，着重强调了近几年来半纤维素及其改性的或衍生的聚合物在各方面的应用。

关键词：半纤维素甘露聚糖木聚糖半乳聚糖木葡聚糖１半纤维素的定义植物细胞的细胞膜外具有细胞壁。

构成细胞壁的物质种类很多，特别重要的有构架物质—纤维素，主要衬质—半纤维素和果胶质等。

１８９１年，舒尔茨（ｓｃｈｕｌｚｅ）认为在植物组织中较易分离出的一类多糖是纤维素的半成品，或是纤维素的前体分子，所以把它称作半纤维素。

２半纤维素的分类半纤维素一般为非葡萄糖聚合而成的多糖，没有化学通式。

根据其化学组成中主要单糖的成分，可以分为以下几个大类。

１．甘露聚糖该类半纤维素的主链由甘露糖以β￣１，４糖苷键连接而成。

甘露聚糖是针叶树半纤维素的主要成分。

２．木聚糖是由β￣１，４糖苷键连成的木糖链状分子，大约每１０个木糖残基有７个乙酰化。

蕨类、裸子、被子植物均含有这类半纤维素。

３．半乳聚糖该类半纤维素的主要代表是阿拉伯半乳聚糖。

落叶松中存在着丰富的阿拉伯半乳聚糖。

４．木葡聚糖该类半纤维素分子包括象纤维素那样的β￣ｌ，４链的葡聚糖骨架，在糖苷键６位上接了很多木糖侧链。

从以上介绍可以看出，半纤维素的种类很多，结构十分复杂，而且随植物种类的不同而有较大差异，所以对其化学结构的研究还有大量的工作要做，但从水解产物来看，主要是木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖和葡萄糖等。

３半纤维素的应用半纤维素大量存在于植物的茎干、种子、果壳等部分，如在针叶树中其量占细胞壁干重的１０％￣１５％，阔叶树中占了１８％￣２３％，禾草类中占了２０％￣２５％。

半纤维素可用于化学、食品、造纸、制药及涂料等工业生产中。

如在制纸工业中，半纤维素（多戊糖）的含量对纸浆的“打浆”过程和纸张的质量（白度和透明度）产生一定的作用，其含量必须在一定范围（３０％￣５０％）内才较理想。

半纤维素还可制酒精、糠醛，培养饲料酵母等。

下面分别介绍一下半纤维素在各方面的应用。

３．１在生物和医药上的应用近年来，半纤维素特别是木聚糖在生物和制药工业中的应用引起人们的广泛兴趣，但是人们还没有完全认识到半纤维素利用的潜力。

木聚糖很容易从农林废弃物（如玉米芯、稻壳、农作物秸秆）、果皮、果壳、刨花和锯末等中获得，半纤维素的分离也相对容易。

从几种禾本科植物分离出的阿拉伯糖木葡聚糖具有免疫刺激行为。

从肉桂树皮中分离出的阿拉伯糖木聚糖与网状内皮组织系统（医）有关。

从车前草种子中分离的高分枝度的半纤维素具有很强的抗补体行为，其结构主链为部分Ｏ－乙酰化的β－１，４－Ｄ－木聚糖，侧链为末端β－Ｄ－吡喃木聚糖单元和酸性二糖。

从木姜子属植物中分离出来的高分枝度、水溶性半纤维素的应用张盆胡惠仁石淑兰（天津科技大学，天津，３００２２２）摘要·收稿日期：２００６－１－４１６２００５年第４期２００６年第２期的阿拉伯糖木聚糖，经水煎熬出的汁在斯里兰卡用作土产医药。

据报道，从富含木聚糖的一年生植物废弃物（如竹叶，玉米秆，小麦草）和从日本山毛榉中分离的４－Ｏ－甲基葡萄糖醛酸木糖，具有明显的抑制恶性肿瘤－１８０及其他肿瘤的行为，这大概是由于其对非特异性免疫防御主体的直接刺激所致。

含有羧甲基化木聚糖的木材半纤维素具有刺激Ｔ－淋巴细胞和免疫细胞的作用，被称为中国新的抗癌药物。

同样发现，从某些植物中分离出的４－Ｏ－甲基葡萄糖醛酸木糖和高分枝度乙酸异木糖具有抗发炎性。

磷酸化的木聚糖及其他多糖的抗凝血作用可与硫酸化多糖相媲美。

在欧洲，近３０年来从山毛榉葡萄糖醛酸木糖衍生的戊聚糖多硫酸盐（ＰＰＳ）一直被作为抗凝血剂，其抗凝血能力可比得上肝素。

另外ＰＰＳ的生物学行为非常广泛，目前文献中对其应用方面的报道也越来越多。

与肝素钠对比，ＰＰＳ能延迟皮肤过敏反应，能够降低患有结石的老鼠体内血清中胆固醇和甘油三酸酯的水平。

此外研究表明，ＰＰＳ不仅是一种有效的抗癌剂，还对疼痛、急症和间质性膀胱炎等的治疗有显著疗效。

标记了红色的木聚糖硫酸盐可以做一种新型荧光探针，用来探测人类克隆组织的冷冻切片中肿瘤细胞的位置，它还具有将细胞素的化合物运输到克隆组织的作用。

半纤维素还可以作为一种新型的预防和治疗变性关节疾病的药物，或作为胆固醇抑制剂、镇静剂、药片分解剂和艾滋病毒抑制剂等用于医药卫生行业。

３．２在食品上的应用在食品工业中，半纤维素可作为食品黏合剂、增稠剂、稳定剂、水凝胶、食用纤维、薄膜形成剂及乳化剂，如应用在面包生产中可增加面包的体积和吸水量，并提高面包的质量。

谷类原料中的阿拉伯糖木聚糖能够抑制细胞之间冰的形成，该性质使之可以用于生产冷冻食品。

谷类原料中的半纤维素可以作为一种潜在的发酵原料，用于生产乙醇、丙酮、丁醇和木糖醇。

如目前利用生物工程菌Ｅ．ｃｏｌｉＡＴＣＣｌｌ３０３（该菌株携带含ＰＥＴ操纵子的质粒ｐＬＯⅠ２９７）能够以９４％理论最大效率转化半纤维素水解物为乙醇。

在一可比系统中，该转化效率高于已经报道的利用五碳糖酵母最高转化效率的１５％。

木糖醇是一种多羟基化合物，它具有甜味及胰岛素一独立代谢作用的性质，能够用于食品工业生产之中。

木聚糖也可以作为食用纤维。

半纤维素是用碱性溶液从纤维中提取的杂多糖类物质，其产品Ｆｉｂｒｅｘ是甜菜纤维制成的脂肪替代品，能耐高温，常用于肉制品中。

３．３在造纸上的应用木聚糖在造纸工业中是一种优良的添加剂。

山毛榉、玉米芯中分离出的富含木聚糖的半纤维素和季铵基改性的半纤维素在造纸中经常使用，这些衍生物能提高漂白硫酸盐浆和未漂热磨机械浆的强度性质，增加细小纤维的留着。

用３－氯－２－羟丙基三甲基氯化铵（ＣＨＭＡＣ）在碱性水溶液中对蔗渣、白杨木粉和玉米芯进行烷基化，得到用水可抽提的富含木聚糖的多糖，木聚糖的得率为原始木聚糖的６０％，白杨木中三甲基铵－２－羟丙基（ＴＭＡＨＰ）木聚糖可以作为打浆添加剂，它能够使打浆阻力加倍，显著增加漂白云杉有机溶剂溶解浆的撕裂强度。

阳离子木聚糖具有抗菌性，能够抵抗某些革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌，使植物原料抵抗细菌侵蚀的能力增加。

３．４在涂料上的应用对麦草中半纤维素的广泛研究发现，天然半纤维素胶乳具有良好的制造装饰涂料的性质，可以用来生产商用装饰涂料。

木聚糖－２，３－双（苯氨基甲酸酯）、木聚糖－２，３－双（甲基苯氨基甲酸酯）和木聚糖苯醚，这些衍生物可以作为热塑性原料用于工业生产。

羟丙基木聚糖是一种低分子质量、分枝的水溶性多糖，它具有低特性黏度和热塑性，可用于相关原料的工业生产。

３．５在其他工业上的应用改性后的半纤维素可作为表面活性剂，应用在洗涤和肥皂等化学工业生产中。

４聚糖的应用更重要的是改性的或衍生的聚合物为进一步开发利用半纤维素的各种性质提供了新的机会。

下面就对改性的或衍生的聚合物的应用作一下介绍。

４．１葡萄糖的应用成对电解葡萄糖在阳极得到葡萄糖酸和葡萄糖酸盐，在阴极得到山梨醇和甘露醇，是葡萄糖在有机电合成中的具体应用。

４．２低聚半乳糖的应用低聚半乳糖热稳定性和酸稳定性高，因此可用于要求加工温度较高的产品或酸性产品，诸如烘焙食品，糖果，果酱，清凉饮料，糕点，调味品，疗效食品等产品中。

鉴于低聚半乳糖具有便于利用的理化性质和优异的生理学特性，它在我国应有广阔的应用前景。

１７２００５年第４期２００６年第２期４．３低聚木糖的应用低聚木糖作为功能性生理活性物质可广泛应用于食品工业（包括饮料、糖果、糕点、冰淇淋、奶粉、乳制品及调味品的功能性食品添加剂或制成保健饮料、保健食品），如低聚木糖可添加到焙烤食品中，可保持食品水分，改变面团的流变特性。

低聚木糖还可添加到低ｐＨ值的食品中。

低聚木糖也可作为添加剂应用于饲料工业。

作为饲料添加剂具有提高动物免疫力，降低饲养用药量，提高饲料转化率，提高动物生产性能和产品品质的功效。

同时，由于其很高的化学稳定性和热稳定性，低聚木糖在饲料加工（例如高温造粒）、运输、储存以及在动物胃低ＰＨ环境停留过程中不发生分解作用，避免了酶制剂和益生素等添加剂在使用过程中稳定性差的缺点。

用低聚木糖作为营养物栽培的农作物，具有抗病、生长迅速和果实产量大等优良性状。

另外，由于低聚木糖具有表面活性部位，可吸附肠道内有毒物质及病原菌，提高机体抗病力，激活免疫系统，因此可在医药中广泛应用。

５小结总之，半纤维素是一种取之不尽而又亟待开发利用的碳水化合物，对它们的合理开发利用必将带来巨大的社会效益和经济效益。

参考文献［１］许风，孙润仓，詹怀宇．非木材半纤维素研究的新进展．中国造纸学报，２００３，１８（１）：１４５～１５１［２］孙讯，王宜磊，邓振旭．半纤维素生物转化研究进展．微生物学杂志，１９９７，１７（１）：５０～５５［３］孙越，崔宝秋，赵建玲，顾登平．成对电解葡萄糖研究新进展的介绍．河北师范大学学报（自然科学版），２０００，２４（２）：２４０～２４３［４］何熙，丁淑娟，高大维．低聚半乳糖的研究进展．食品工业，２０００，３：１５～１６［５］勇强，徐勇等．低聚木糖饲料添加剂的研究与开发．农业新技术，２００４，１，４６～４７［６］章中，徐桂花．关于低聚木糖的浅谈．宁夏农学院学报，２００３，（２４）３：７５～７８［７］苏小冰，翁明辉．超强益生元―低聚木糖．广州食品工业科技，２０００，１９（增刊）：７５～７８［８］顾登平，张越．成对电解同时合成甘露醇、山梨醇和葡萄糖酸盐．精细化工，２０００，１７（１０）：５７６～５８０（上接第７页）再如，制浆工业最需要的原材料———木片资源，全世界的总贸易量目前仅有１５００万绝干吨（ｔ）。

日本每年进口１２００万ｔ、占８０％，韩国和我国的台湾各占４％（６０万ｔ）共１２０万ｔ。

那么，可供量将只剩下１２％（１８０万ｔ）。

中国绝不可能完全拿过来，即使全部拿下，也远远解决不了中国造纸工业之需求！前面也曾分析过，恐怕连一个山东省的需求也满足不了。

另外，再看看国际上商品木浆资源情况，椐杨懋暹先生研究分析认为：“国际上生产商品木浆的国家可以分为传统的北方五国，加拿大、美国、瑞典、芬兰、挪威，即所谓Ｎｏｒｃａｎ国家；和南方的巴西、智利、西班牙、印尼、南非等国新兴的商品浆生产基地。

预测：北方五国２０２０年商品木浆上市量为２４３８万ｔ，南方五国２０２０年商品浆上市量为４０４３万ｔ，南北二方上市量将为６４８１万ｔ。

另预测：２０２０年国际上商品木浆需求量为５７３１万ｔ，如此２０２０年国际上可能取得的商品浆资源为６４８１－５７３１＝７５０万ｔ。

中国（即使）千方百计扩大进货渠道，充其量为１０００万ｔ（２００３年进口木浆为６０３．４０万ｔ）。

杨先生还预测出：２０２０年中国纸浆需求量为９５００万ｔ，其中木浆需求量为３５１５万ｔ。

如此还有３５１５－１０００＝２５１５万ｔ的木浆资源没有着落，也就是说：国际上的（商品木浆）资源不足以满足中国造纸工业快速增长的需求，只有立足于国内发展速生丰产林来解决这一问题”。