木糖醇的應用及其生產(chǎn)工藝研究模板

木糖醇應用及其生產(chǎn)工藝研究摘要：伴隨時代發(fā)展，木糖醇廣泛被應用在食品等領域。為了對木糖醇有更為深入了解，本文將從木糖醇基礎概況、生理功效、木糖醇應用、木糖醇生產(chǎn)工藝及其在中國發(fā)展情況和前景對木糖醇進行初步研究。關鍵詞：木糖醇、應用、生產(chǎn)工藝1.木糖醇基礎概況木糖醇英文名稱是Xylitol木糖醇分子式為C5H12O5,是一個五碳糖醇。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]。木糖醇結構式為：木糖醇物化性質：木糖醇是白色結晶或粉末，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，這是因為它易溶于水，并在溶解時會吸收一定熱量。木糖醇微溶于酒精，難溶于有機溶劑，熔點92~95℃，有吸濕性，木糖醇是糖類在人體內正常代謝中間體，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，也能透過細胞膜被組織吸收利用，即使是在人體糖代謝發(fā)生障礙時，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，但不會使血糖上升。4.56%木糖醇溶液和血液等滲，當用木糖醇作靜脈注射時，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)生化學反應，能夠和氨基酸配制種種制劑作為營養(yǎng)藥品。木糖醇還能促進胃液分泌，促進胰臟和膽活性，促進腎上腺皮質激素等增加，適適用于老年人和體弱人[4]。3.木糖醇應用：結合木糖醇生理功效，使木糖醇在很多領域有著很多應用，下面將對其進行應用方面介紹。3.1.在食品領域應用因為木糖醇在體內代謝，和胰島素沒相關系，所以木糖醇應用于糖尿病患者食品生產(chǎn)。同時木糖醇在口中能夠有清涼感，而且在口中不被細菌發(fā)酵生成乳酸，對微生物而言是不良培養(yǎng)基，所以不會產(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特優(yōu)點，木糖醇在食品加工時不會因加熱而發(fā)生“美拉德”褐變反應，這是因為木糖醇和糖類不一樣，沒有醛基，不會和氨基酸發(fā)生反應使食品色澤加深。木糖醇不受酵母菌和細菌作用、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在藥學領域應用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碳和一個羥基，物化性質極其相同。木糖醇類表面活性劑有兩種[2，一個為木糖醇和硬脂酸在堿性介質中，在200~210℃下，酯化2h生成木糖醇硬脂酸酯，可用于雙氧水脫色，其性質和司盤63.3在醫(yī)學領域應用木糖醇能夠作為優(yōu)質輸液載體。木糖醇注射液可和多數(shù)注射液配伍，因為木糖醇熱穩(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，其化學性質比葡萄糖穩(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、預防齲齒、肝病診療和預防呼吸道感染等方面起到一定作用[7]。3.4.在化學領域應用木糖醇可用于生產(chǎn)有抑菌性質表面活性劑；在合成樹脂工業(yè)中，用于生產(chǎn)多個醇酸樹脂；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，不會氧化發(fā)暗，用于鞣制白色皮革。木糖醇可替換甘油，應用于造紙、日用化工產(chǎn)品及國防工業(yè)中經(jīng)硝化可制爆炸物質；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，是應用前景較佳關鍵乳化劑。伴隨木糖醇在工業(yè)應用領域擴大和生產(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)在針對木糖醇生產(chǎn)工藝有很多個，下面列舉三個，并對其進行比較。4.1.花生殼提取木糖醇工藝及參數(shù)4.1這種關鍵采取現(xiàn)在國際中國普遍采取離子交換脫酸法,在此基礎上進行了一定技術改善,其關鍵工藝路線為:花生殼→預處理→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→→結晶→離心分離→晶體成品。4.1.①預處理。將發(fā)霉、變質花生殼篩選、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行水解。水解溫度為120℃,水解時間為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。通常控制在75～80℃④離子交換。此次交換為第一次交換,其關鍵目標是為了除去水解液中無機酸和有機酸。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)時間為8h左右。⑥離子交換。第二次交換目標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型強酸陽離子樹脂。它不僅能夠除去陽離子雜質,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,當反應溫度為120～130℃,壓力為70～80kg/cm-2,pH值為6.5左右,劑糖質量比為2%,反應時間為90～120min,轉化率可達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)過加氫會增加酸度和金屬離子,要深入凈化,以除去這些雜質,該過程宜采取"陽柱陰柱混合床"組合,混合床交換負荷尤其低,使木糖醇純度更高。⑨二次濃縮。采取真空蒸發(fā)結晶。蒸發(fā)濃縮前,先過濾除去氫化液中其它雜質及少許催化劑細未,蒸發(fā)濃縮過程溫度控制<75℃,真空度700mm汞柱以上。當濃縮液含醇量為90%時,⑩結晶、成品。當醇膏溫度降到64℃左右加入合適晶種,慢慢攪拌助晶,每小時降溫l℃,直到比室內溫度稍高時,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→結晶→離心→干燥→檢驗→內外包裝→入庫2.2操作關鍵點①水解將預處理好玉米芯經(jīng)玉米芯水解設備裝置進行水解。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,達成初步凈化目標,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℃,攪拌轉速為200r/min,脫色時間為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,達成凈化提純目標。凈化提純好壞,關系到成品木糖醇灰份含量,是木糖醇生產(chǎn)關鍵工序之一。④加氫加氫是木糖醇生產(chǎn)關鍵工序,將木糖液加入到WHFS-5型反應釜中,調整pH=7.5～8.0,按糖液干物含量3%～10%加入雷尼鎳催化劑,控制反應溫度120～140℃,反應壓力810～1010MPa,反應時間2h,使木糖液轉化為木糖醇液。⑤結晶經(jīng)過控制降溫速度,通常每小時降低1度,使處于過飽和狀態(tài)木糖醇晶體生長、成形并析出,達成得到晶體木糖醇目標。⑥離心經(jīng)過控制離心機離心轉速,通常每分鐘1000～1500轉,使木糖醇和母液分離,達成深入提純目標。⑦干燥經(jīng)過控制烘干機溫度和環(huán)境濕度,使木糖醇中水分蒸發(fā),烘干溫度為50～60℃,環(huán)境相對濕度≤65%,干燥時間≤30min[10]4.3利用微生物進行木糖醇生產(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)基質中積累木糖醇代謝產(chǎn)物。在相關發(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。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（生成物質量/消耗基質質量）大約在70%~85%。另外，還發(fā)覺了絲狀菌、細菌腸桿菌科、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）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。相對于第一個反應催化劑關鍵利用輔酶NADPH，第二個反應催化劑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。酵母細胞內NADP關鍵經(jīng)過戊糖磷酸代謝路線轉化成NADPH。其次NADH在好氣條件下經(jīng)過呼吸反應鏈（氧化磷酸化）反應后，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，木糖代謝過程因為不能充足地將NADH再生成NAD+，所以細胞內NADH濃度高。其結果是：首先XDH阻礙了由木糖醇快速轉化為木糖氧化反應，所以木糖醇積聚了起來。其次，在完全好氣條件下，因為經(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，在嫌氣條件下，在木糖醇利用能力顯著低下同時，乙醇成為關鍵生成物了。相關XR和XDH兩種輔酶特異性不一樣，在微好氣條件下形成細胞內氧化還原平衡失調，然而她卻是累積木糖醇原因。正如上述生成機制能夠知悉，培養(yǎng)基中溶存氧濃度是能夠影響木糖醇生產(chǎn)最關鍵原因。其它原因，如培養(yǎng)基組成、基質（木糖）濃度、輔助基質、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。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弱，從NADP+轉化為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,廉價易得,生產(chǎn)成本低。第三種菌種選擇和實際操作中要比前兩種更為復雜、要求也更嚴格。②第一個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。水解是在常壓下進行,節(jié)省了設備投資。整體過程，第一個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，結構相對疏松，易存放，易于提取，所以第二種方法現(xiàn)在來說應用最多。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%）。同時降低了預處理工序和成本。微生物發(fā)酵法要簡單多,結晶也比較輕易，同時也相對前兩種也更為環(huán)境保護且更為節(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，因缺乏相關數(shù)據(jù)，而沒有得出對應結果，但結合其工藝可知，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就上文提出應用來說，在食品領域和醫(yī)療領域采取產(chǎn)方法多為利用蔗渣水，進行微生物發(fā)酵生產(chǎn)。木糖醇生產(chǎn)，應結合實際質量要求、產(chǎn)量要求、生產(chǎn)能力等，選擇適宜生產(chǎn)方法進行生產(chǎn)。5.木糖醇現(xiàn)實狀況及前景就大部分天然產(chǎn)物在世界范圍內應用來說木糖醇被利用時間不是很長。中國開始利用木糖醇是在20世紀50年代，當初是向前蘇聯(lián)學習，開展用木糖醇替換中國供不應求甘油研究，其真正進行工業(yè)生產(chǎn)大致是在20世紀70年代前后。現(xiàn)在，伴隨科學技術不停發(fā)展和進步，中國中國結晶木糖醇關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人類健康應用方面我們起步還比較晚,還沒有形成體系,對于木糖醇功效開發(fā),我們做還不夠。其功效和終端產(chǎn)品開發(fā),將逐步會成為以后中國木糖醇行業(yè)研究關鍵。伴隨中國經(jīng)濟快速發(fā)展,