皂荚“废料”变身益生元，北林大团队开发绿色催化新技术

皂荚是传统药食两用资源，在医药和食品领域有着广泛应用，果实和种子均富含多糖及多种活性成分。然而在长期利用过程中，其果皮因缺乏直接用途常被丢弃，种子在提取有效成分后也会产生大量残渣，这些副产物难以高效利用，既造成资源浪费，也带来处理压力。如何实现其高值化转化成为一个亟待解决的问题。近年来，低聚木糖和低聚甘露糖作为功能性益生元受到关注，被证实能够促进有益菌增殖和短链脂肪酸生成，在调节肠道微生态和增强免疫方面展现出应用潜力。然而，现有生产工艺存在显著瓶颈：酶法特异性强但成本高昂，酸法反应迅速却易产生糠醛和 5-HMF 等副产物，降低产物质量并带来食品安全风险。在此背景下，开发一种绿色高效的新型生产策略，对推动低聚糖产业化具有重要意义。

近期，北京林业大学朱莉伟教授团队在 Journal of Agricultural and Food Chemistry 发表研究“Efficient Production of Mano/Xylo-Oligosaccharides with Excellent Probiotic Activity through Coupling Catalysis”，提出了一种基于丙酮酸与 Fe²⁺ 构建的偶联催化体系，成功将皂荚果皮和种子加工残渣转化为高活性的低聚木糖和低聚甘露糖，实现了农业副产物的高值化利用。

研究团队设计的 PYA-Fe²⁺ 协同催化体系在较低温度条件下即可高效发挥作用。丙酮酸主要促进半纤维素中复杂侧链与部分主链的断裂，而 Fe²⁺ 通过配位效应抑制了关键 β-1,4-糖苷键的过度水解，从而避免了葡萄糖和木糖等副产物的过量生成。该体系的显著优势在于条件温和、反应过程清洁，不产生有毒副产物，也无需复杂的分离步骤，能够直接获得食品级的低聚糖产品。

图 | 基于PYA-Fe²⁺偶联催化的皂荚废弃物高效转化策略，生成高活性益生元低聚糖

图 | 基于PYA-Fe²⁺偶联催化的皂荚废弃物高效转化策略，生成高活性益生元低聚糖

研究团队首先对比了单一催化剂与偶联催化体系的差异。使用丙酮酸或 Fe²⁺ 单独处理时，半纤维素的水解效率有限，目标低聚糖的产率不理想，并且伴随生成了较多单糖副产物。相比之下，PYA-Fe²⁺ 协同体系在较温和条件下即可显著提高转化效率，从皂荚果皮中获得的低聚木糖得率达到 67.12%，从种子中获得的低聚甘露糖得率为 57.32%，均显著高于对照组。进一步分析产物组成发现，该体系不仅提升了总体收率，还有效控制了寡糖的聚合度分布，大部分产物集中在 DP2–5 区间，其中 XOS₂₋₅ 比例高达 84.05%，MOS 同样呈现理想分布，避免了过度降解生成无益的单糖。这种选择性水解在功能性寡糖生产中尤为关键。

在益生元活性评价中，研究团队采用青春双歧杆菌作为模式菌株，比较了复合产物 PFMX 与商业低聚果糖的差异。结果显示，PFMX 能够显著促进菌群增殖，菌数浓度达到 3.4×10⁸ CFU/mL，较 FOS 高出 144%，显示出更强的选择性和促进作用。同时，发酵过程中短链脂肪酸的总量达到 15.09 g/L，其中丙酸和丁酸的含量分别为 1.44 g/L 和 0.15 g/L。与对照相比，偶联催化所得产物显著提升了这些关键代谢物的水平，而它们在维持肠道屏障功能、调控免疫反应和抗炎方面具有重要作用。这些数据表明， PYA-Fe²⁺ 体系不仅在产率和产物质量上优于传统方法，还能赋予产物更显著的益生元功能，凸显了其应用潜力。

图|复合寡糖 PFMX 展现出显著的协同增效作用

值得注意的是，该方法在高固体负荷条件下依旧展现出良好的反应效率，通过体系优化能够有效降低酶用量，进一步增强工艺的经济性。这种可扩展性为未来的大规模产业化提供了可能，使其不仅能够服务于食品和保健品领域，也具备在饲料添加剂市场中推广的潜力。

该研究的重要意义在于为农林副产物的高值化利用提供了一条可行路径，既降低了环境负担，也提升了废弃物的利用效率。更为关键的是，研究团队提出的有机酸与金属离子偶联催化策略，为功能性寡糖的精准合成开辟了新方向。这种方法通过简单、绿色且高效的催化过程，实现了对目标聚合度组分的可控获取，体现了合成生物学在食品健康应用中的前沿价值。

从更广的角度来看，这项成果展示了绿色生物制造与合成生物学结合的巨大潜力。未来，基于该策略的功能性寡糖生产工艺有望被进一步优化并应用于工业化生产，不仅能够为功能性食品和保健品产业提供关键原料，还可能在调节肠道菌群、改善免疫功能等方面展现出新的应用价值。这一方向的持续推进有望推动农林废弃物利用模式的转型升级，为构建可持续的生物制造体系提供有力支撑。

1.Qiu Y, Li L, Zhang L, Jiang J, Zhu L. Efficient Production of Mano/Xylo-Oligosaccharides with Excellent Probiotic Activity through Coupling Catalysis. J Agric Food Chem. Published online September 8, 2025. doi:10.1021/acs.jafc.5c03503

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