木糖醇的應(yīng)用及其生產(chǎn)工藝研究模板

木糖醇應(yīng)用及其生產(chǎn)工藝研究摘要：伴隨時(shí)代發(fā)展，木糖醇廣泛被應(yīng)用在食品等領(lǐng)域。為了對(duì)木糖醇有更為深入了解，本文將從木糖醇基礎(chǔ)概況、生理功效、木糖醇應(yīng)用、木糖醇生產(chǎn)工藝及其在中國發(fā)展情況和前景對(duì)木糖醇進(jìn)行初步研究。關(guān)鍵詞：木糖醇、應(yīng)用、生產(chǎn)工藝1.木糖醇基礎(chǔ)概況木糖醇英文名稱是Xylitol木糖醇分子式為C5H12O5,是一個(gè)五碳糖醇。木糖醇分子量為152.15，純度>98.0%(T)木糖醇原產(chǎn)于芬蘭，是從白樺樹、橡樹、玉米芯、甘蔗渣等植物中提取出來一個(gè)天然植物甜味劑。有利于牙齒清潔度，不過過食用過分可能帶來腹瀉等副作用[1]。木糖醇結(jié)構(gòu)式為：木糖醇物化性質(zhì)：木糖醇是白色結(jié)晶或粉末，味甜，似綿白糖，甜度是蔗糖1.05倍，熱量和葡萄糖相同，吃在口中有清涼感，這是因?yàn)樗兹苡谒?，并在溶解時(shí)會(huì)吸收一定熱量。木糖醇微溶于酒精，難溶于有機(jī)溶劑，熔點(diǎn)92~95℃，有吸濕性，木糖醇是糖類在人體內(nèi)正常代謝中間體，即使大家不吃糖，在人體血液里也含有0.03~0.06%木糖醇[2]天然物質(zhì)木糖醇含量，如表1所表示[3]2.木糖醇生理功效木糖醇是糖類代謝正常中間體，它在沒有胰島素時(shí)，也能透過細(xì)胞膜被組織吸收利用，即使是在人體糖代謝發(fā)生障礙時(shí)，木糖醇代謝也十分完全。木糖醇能減慢血漿中產(chǎn)生脂肪酸速度，但不會(huì)使血糖上升。4.56%木糖醇溶液和血液等滲，當(dāng)用木糖醇作靜脈注射時(shí)，血中乳酸、丙酮酸、葡萄糖含量下降，并使胰島素有輕微上升。肝臟中肝糖會(huì)隨之增加。故木糖醇既是糖尿病人診療劑和營養(yǎng)劑，也是肝炎病人保肝藥品，對(duì)于糖尿病和肝炎并發(fā)癥病人，木糖醇是最理想藥品。木糖醇有較強(qiáng)抗酮體作用，比山梨酸更優(yōu)越。以木糖醇靜脈注射，搶救酮體病人，有很好療效。木糖醇熱穩(wěn)定性好，和氨基酸一起加熱不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，能夠和氨基酸配制種種制劑作為營養(yǎng)藥品。木糖醇還能促進(jìn)胃液分泌，促進(jìn)胰臟和膽活性，促進(jìn)腎上腺皮質(zhì)激素等增加，適適用于老年人和體弱人[4]。3.木糖醇應(yīng)用：結(jié)合木糖醇生理功效，使木糖醇在很多領(lǐng)域有著很多應(yīng)用，下面將對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用方面介紹。3.1.在食品領(lǐng)域應(yīng)用因?yàn)槟咎谴荚隗w內(nèi)代謝，和胰島素沒相關(guān)系，所以木糖醇應(yīng)用于糖尿病患者食品生產(chǎn)。同時(shí)木糖醇在口中能夠有清涼感，而且在口中不被細(xì)菌發(fā)酵生成乳酸，對(duì)微生物而言是不良培養(yǎng)基，所以不會(huì)產(chǎn)生齲齒，故而可用于制作口香糖。木糖醇作為食糖代用具含有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，木糖醇在食品加工時(shí)不會(huì)因加熱而發(fā)生“美拉德”褐變反應(yīng)，這是因?yàn)槟咎谴己吞穷惒灰粯樱瑳]有醛基，不會(huì)和氨基酸發(fā)生反應(yīng)使食品色澤加深。木糖醇不受酵母菌和細(xì)菌作用、不發(fā)生霉變，能夠延長食品保留期限。所以木糖醇廣泛應(yīng)用在口香糖、巧克力、飲料、食用糖果等制品中以替換蔗糖、麥芽糖、果糖、砂糖等[5-6]。3.2在藥學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用3.2.13.2.2木糖醇類表面活性劑多元醇類非離子表面活性劑中，眾所周知有山梨醇脂肪酸酯，也就是國際上通用Span(司盤)和Tween(吐溫)。木糖醇和山梨醇全部是多元醇，只是木糖醇比山梨醇少一個(gè)碳和一個(gè)羥基，物化性質(zhì)極其相同。木糖醇類表面活性劑有兩種[2，一個(gè)為木糖醇和硬脂酸在堿性介質(zhì)中，在200~210℃下，酯化2h生成木糖醇硬脂酸酯，可用于雙氧水脫色，其性質(zhì)和司盤63.3在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用木糖醇能夠作為優(yōu)質(zhì)輸液載體。木糖醇注射液可和多數(shù)注射液配伍，因?yàn)槟咎谴紵岱€(wěn)定性好，木糖醇注射液pH范圍比葡萄糖注射液pH范圍寬(4．5～7．0)，另外木糖醇沒酮基和醛基，其化學(xué)性質(zhì)比葡萄糖穩(wěn)定。木糖醇能和抗菌藥、心腦血管用藥、消化系統(tǒng)用藥、抗腫瘤藥、維生素類等其它藥品制成輸液。除了作為優(yōu)質(zhì)輸液載體之外，木糖醇還能夠用作腸道外營養(yǎng)物、糖尿病診療、預(yù)防齲齒、肝病診療和預(yù)防呼吸道感染等方面起到一定作用[7]。3.4.在化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用木糖醇可用于生產(chǎn)有抑菌性質(zhì)表面活性劑；在合成樹脂工業(yè)中，用于生產(chǎn)多個(gè)醇酸樹脂；在皮革鞣制行業(yè)，木糖醇和苯酚、甲醛、磷酸等反應(yīng)制得無色皮革鞣劑，含有良好水溶性及鞣性，且存放穩(wěn)定，不會(huì)氧化發(fā)暗，用于鞣制白色皮革。木糖醇可替換甘油，應(yīng)用于造紙、日用化工產(chǎn)品及國防工業(yè)中經(jīng)硝化可制爆炸物質(zhì)；和合成脂肪酸作用可制得不易揮發(fā)增塑劑；木糖醇本身還含有乳化、分散、消泡等作用；它比六元醇耐熱性和抗腐蝕性能優(yōu)異，是應(yīng)用前景較佳關(guān)鍵乳化劑。伴隨木糖醇在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大和生產(chǎn)發(fā)展，木糖醇需求量將有較大增加[8]。4.木糖醇生產(chǎn)工藝及比較現(xiàn)在針對(duì)木糖醇生產(chǎn)工藝有很多個(gè)，下面列舉三個(gè)，并對(duì)其進(jìn)行比較。4.1.花生殼提取木糖醇工藝及參數(shù)4.1這種關(guān)鍵采取現(xiàn)在國際中國普遍采取離子交換脫酸法,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定技術(shù)改善,其關(guān)鍵工藝路線為:花生殼→預(yù)處理→水解→脫色→離子交換→第一次濃縮→離子交換→加氫→離子交換→二次濃縮→→結(jié)晶→離心分離→晶體成品。4.1.①預(yù)處理。將發(fā)霉、變質(zhì)花生殼篩選、分揀出來,用水洗去沙土及污物,破碎至1～22cm。先在100℃溫度下,蒸煮60min,把水排除,再加入低濃度稀鹽酸于120℃蒸煮60～②水解。水解就是將花生殼中以多縮戊糖為主組成纖維素,在酸催化作用下裂解并和水結(jié)合生產(chǎn)糖過程。以花生殼用量17%～20%一定濃度鹽酸在水解釜中采取常壓水解方法進(jìn)行水解。水解溫度為120℃,水解時(shí)間為4h③脫色。以粉狀和顆粒狀混合活性炭做為脫色劑,采取常壓操作,活性炭用量通常為糖液12%～15%。脫色速度要快,溫度不要過高。通?？刂圃?5～80℃④離子交換。此次交換為第一次交換,其關(guān)鍵目標(biāo)是為了除去水解液中無機(jī)酸和有機(jī)酸。CLl是陰離子,所以,第一次是采取陰離子交換樹脂,陰離子交換樹脂可選擇大孔陰樹脂D296等,它不僅能夠除去陰離子,還能夠吸附除掉很多膠體雜質(zhì)和色素。⑤一次濃縮。離子交換除酸后糖液經(jīng)過減壓蒸發(fā),使糖液濃度提升到30%～35%，蒸發(fā)時(shí)間為8h左右。⑥離子交換。第二次交換目標(biāo)是為了除去灰份和陽離子,所以采取陽離子交換樹脂,陽離子交換樹脂可選723型強(qiáng)酸陽離子樹脂。它不僅能夠除去陽離子雜質(zhì),還能夠吸附除去膠體和非糖體、含氮化合物等。⑦加氫處理。采取間歇釜式懸浮鎳催化加氫,當(dāng)反應(yīng)溫度為120～130℃,壓力為70～80kg/cm-2,pH值為6.5左右,劑糖質(zhì)量比為2%,反應(yīng)時(shí)間為90～120min,轉(zhuǎn)化率可達(dá)99%以上,⑧離子交換。第三次交換是為了氫化液凈化,凈化后木糖漿經(jīng)過加氫會(huì)增加酸度和金屬離子,要深入凈化,以除去這些雜質(zhì),該過程宜采取"陽柱陰柱混合床"組合,混合床交換負(fù)荷尤其低,使木糖醇純度更高。⑨二次濃縮。采取真空蒸發(fā)結(jié)晶。蒸發(fā)濃縮前,先過濾除去氫化液中其它雜質(zhì)及少許催化劑細(xì)未,蒸發(fā)濃縮過程溫度控制<75℃,真空度700mm汞柱以上。當(dāng)濃縮液含醇量為90%時(shí),⑩結(jié)晶、成品。當(dāng)醇膏溫度降到64℃左右加入合適晶種,慢慢攪拌助晶,每小時(shí)降溫l℃,直到比室內(nèi)溫度稍高時(shí),即可分離取得成品[9]4.2利用玉米芯制取木糖醇4.2玉米芯→預(yù)處理→水解→一次脫色→一次凈化→一次濃縮→二次脫色→二次凈化→二次濃縮→加氫→三次脫色→三次凈化→三次濃縮→結(jié)晶→離心→干燥→檢驗(yàn)→內(nèi)外包裝→入庫2.2操作關(guān)鍵點(diǎn)①水解將預(yù)處理好玉米芯經(jīng)玉米芯水解設(shè)備裝置進(jìn)行水解。水解控制參數(shù):水解壓力0．11～0.15MPa,水解溫度115～130℃,水解酸度1.0%～1.5%,水解時(shí)間4h,水解好壞,影響到玉米芯出糖率高低,②脫色脫色是采取粉末活性炭去除糖液中色素、膠體等雜質(zhì),達(dá)成初步凈化目標(biāo),通常加入粉末活性炭百分比為糖液干物含量3%～10%,脫色溫度為70～80℃,攪拌轉(zhuǎn)速為200r/min,脫色時(shí)間為40～60min③凈化凈化是采取陰、陽離子交換樹脂去除糖液中陰、陽離子,達(dá)成凈化提純目標(biāo)。凈化提純好壞,關(guān)系到成品木糖醇灰份含量,是木糖醇生產(chǎn)關(guān)鍵工序之一。④加氫加氫是木糖醇生產(chǎn)關(guān)鍵工序,將木糖液加入到WHFS-5型反應(yīng)釜中,調(diào)整pH=7.5～8.0,按糖液干物含量3%～10%加入雷尼鎳催化劑,控制反應(yīng)溫度120～140℃,反應(yīng)壓力810～1010MPa,反應(yīng)時(shí)間2h,使木糖液轉(zhuǎn)化為木糖醇液。⑤結(jié)晶經(jīng)過控制降溫速度,通常每小時(shí)降低1度,使處于過飽和狀態(tài)木糖醇晶體生長、成形并析出,達(dá)成得到晶體木糖醇目標(biāo)。⑥離心經(jīng)過控制離心機(jī)離心轉(zhuǎn)速,通常每分鐘1000～1500轉(zhuǎn),使木糖醇和母液分離,達(dá)成深入提純目標(biāo)。⑦干燥經(jīng)過控制烘干機(jī)溫度和環(huán)境濕度,使木糖醇中水分蒸發(fā),烘干溫度為50～60℃,環(huán)境相對(duì)濕度≤65%,干燥時(shí)間≤30min[10]4.3利用微生物進(jìn)行木糖醇生產(chǎn)4.3.1眾所周知，能資化（同化）木糖酵母在特定培養(yǎng)條件下，能夠在培養(yǎng)基質(zhì)中積累木糖醇代謝產(chǎn)物。在相關(guān)發(fā)酵法生產(chǎn)木糖醇研究中，這類酵母是最常利用。作為從木糖到產(chǎn)生木糖醇酵母有假絲酵母屬、畢赤氏酵母菌屬、德巴利氏酵母屬等多個(gè)。尤其是熱帶假絲酵母等酵母大多產(chǎn)生木糖醇能力高，收率（生成物質(zhì)量/消耗基質(zhì)質(zhì)量）大約在70%~85%。另外，還發(fā)覺了絲狀菌、細(xì)菌腸桿菌科、腸桿菌屬變種和纖維單胞菌菌等，也能利用木糖轉(zhuǎn)化生產(chǎn)木糖醇。4.3.2假絲酵母菌屬酵母經(jīng)過圖2所表示代謝路線生產(chǎn)木糖醇。木糖原料（基質(zhì)）首先在木糖還原酶（XR）作用下還原成木糖醇。然后在木糖醇脫氫酶作用下氧化生成D－木糖。D－木糖磷酸化以后，經(jīng)過戊糖磷酸代謝路線代謝。相對(duì)于第一個(gè)反應(yīng)催化劑關(guān)鍵利用輔酶NADPH，第二個(gè)反應(yīng)催化劑XDH（木糖醇脫氫酶）是利用NAP+作為輔助酶發(fā)生作用，XR是利用NADPH和NADH二者而存在。酵母細(xì)胞內(nèi)NADP關(guān)鍵經(jīng)過戊糖磷酸代謝路線轉(zhuǎn)化成NADPH。其次NADH在好氣條件下經(jīng)過呼吸反應(yīng)鏈（氧化磷酸化）反應(yīng)后，再生成NAD+（見圖1）。生產(chǎn)木糖醇酵母在微好氣條件下（溶存氧質(zhì)量濃度：0.1mg/L~1mg/L）累積木糖醇最多，在這種限制供氧條件下，木糖代謝過程因?yàn)椴荒艹渥愕貙ADH再生成NAD+，所以細(xì)胞內(nèi)NADH濃度高。其結(jié)果是：首先XDH阻礙了由木糖醇快速轉(zhuǎn)化為木糖氧化反應(yīng)，所以木糖醇積聚了起來。其次，在完全好氣條件下，因?yàn)榻?jīng)過呼吸鏈NADH充足再生成NAD+，所以木糖醇被快速代謝過程耗盡了，積蓄量也就降低了。同時(shí)，在嫌氣條件下，在木糖醇利用能力顯著低下同時(shí)，乙醇成為關(guān)鍵生成物了。相關(guān)XR和XDH兩種輔酶特異性不一樣，在微好氣條件下形成細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡失調(diào)，然而她卻是累積木糖醇原因。正如上述生成機(jī)制能夠知悉，培養(yǎng)基中溶存氧濃度是能夠影響木糖醇生產(chǎn)最關(guān)鍵原因。其它原因，如培養(yǎng)基組成、基質(zhì)（木糖）濃度、輔助基質(zhì)、氮源、初發(fā)菌濃度等也影響木糖醇生產(chǎn)。4.3.3利用常見啤酒酵母經(jīng)過遺傳基重組方法將木糖同化酵母畢赤氏酵母屬菌XR導(dǎo)入以后，成功地取得極高收率（95%），將木糖變換為木糖醇。不過，像這么高收率木糖醇生產(chǎn)，還必需添加葡萄糖等輔助基質(zhì)。啤酒酵母和假絲酵母屬酵母不一樣，在木糖是碳源場所，戊糖磷酸代謝路線活動(dòng)弱，從NADP+轉(zhuǎn)化為NADPH再生是有限，所以為了輔助酶再生，添加葡萄糖是必需。而大部分實(shí)際生產(chǎn)中，全部是利用葡萄糖而生產(chǎn)出木糖醇，圖2，即為利用葡萄糖由重組枯草芽孢桿菌合成木糖醇代謝路線[11]。4.4三種工藝綜合比較及分析①前兩種工藝原料起源廣泛,廉價(jià)易得,生產(chǎn)成本低。第三種菌種選擇和實(shí)際操作中要比前兩種更為復(fù)雜、要求也更嚴(yán)格。②第一個(gè)方法就第二種方法而言，水解過程所用催化劑為鹽酸,用其替換傳統(tǒng)木糖醇制取工藝中以硫酸為催化劑,相對(duì)硫酸使用能夠節(jié)省二分之一用量。另外,生產(chǎn)廢水中高濃度硫酸根離子也影響廢水處理效果,用鹽酸替換硫酸消除木糖醇廢水處理難題。水解是在常壓下進(jìn)行,節(jié)省了設(shè)備投資。整體過程，第一個(gè)要比第二種方法簡便。而因玉米芯產(chǎn)量大，多縮戊糖含量最高，結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，易存放，易于提取，所以第二種方法現(xiàn)在來說應(yīng)用最多。③前兩種方法較第三種方法產(chǎn)率較低，且第三種能取得高純度木糖醇（約90%）。同時(shí)降低了預(yù)處理工序和成本。微生物發(fā)酵法要簡單多,結(jié)晶也比較輕易，同時(shí)也相對(duì)前兩種也更為環(huán)境保護(hù)且更為節(jié)省成本，含有愈加好發(fā)展前景。④三種方法中，前兩種每生產(chǎn)1t木糖醇，需花生殼25t、玉米芯20t。經(jīng)過計(jì)算，每生產(chǎn)1t木糖醇，前兩種方法成本分別為13700元和15200元，而其利潤分別為4000和3000元。第三種方法，因缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)，而沒有得出對(duì)應(yīng)結(jié)果，但結(jié)合其工藝可知，其成本要高于二者，但利潤要大于二者。⑤綜合三種方法來看，在木糖醇生產(chǎn)過程中，通氣量、PH值、溫度、壓力等條件是取得高產(chǎn)率關(guān)鍵條件。⑥從生產(chǎn)工藝來看，前兩種能夠算作合成法生產(chǎn)，而第三種能夠算作發(fā)酵法生產(chǎn)。⑦就上文提出應(yīng)用來說，在食品領(lǐng)域和醫(yī)療領(lǐng)域采取產(chǎn)方法多為利用蔗渣水，進(jìn)行微生物發(fā)酵生產(chǎn)。木糖醇生產(chǎn)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際質(zhì)量要求、產(chǎn)量要求、生產(chǎn)能力等，選擇適宜生產(chǎn)方法進(jìn)行生產(chǎn)。5.木糖醇現(xiàn)實(shí)狀況及前景就大部分天然產(chǎn)物在世界范圍內(nèi)應(yīng)用來說木糖醇被利用時(shí)間不是很長。中國開始利用木糖醇是在20世紀(jì)50年代，當(dāng)初是向前蘇聯(lián)學(xué)習(xí)，開展用木糖醇替換中國供不應(yīng)求甘油研究，其真正進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)大致是在20世紀(jì)70年代前后。現(xiàn)在，伴隨科學(xué)技術(shù)不停發(fā)展和進(jìn)步，中國中國結(jié)晶木糖醇關(guān)鍵用于糖尿病人輔助診療及多種食品糖替換品，而液體木糖醇關(guān)鍵用于食品配料和牙膏、卷煙、油漆代甘油等。中國是木糖醇生產(chǎn)大國,總產(chǎn)量占全世界40%,不過在木糖醇新功效和對(duì)人類健康應(yīng)用方面我們起步還比較晚,還沒有形成體系,對(duì)于木糖醇功效開發(fā),我們做還不夠。其功效和終端產(chǎn)品開發(fā),將逐步會(huì)成為以后中國木糖醇行業(yè)研究關(guān)鍵。伴隨中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,