木糖醇的生产工艺及应用研究进展

木糖醇的生产工艺及应用研究进展杨建翔(云南中医学院,11级食科班,食品科学与工程)摘要:综述了木糖醇的2种不同的生产工艺,分析了各种工艺的优缺点,并介绍了对传统工艺的改进,还阐述了木糖醇在医药、食品、塑料等领域中的应用研究进展。关键词:木糖醇;合成;生物转化;发酵;应用木糖醇(Xylitol)是一种白色粉末或白色晶体的五碳糖醇，热量低于蔗糖，甜度和溶解度与蔗糖相近[1]，具有良好的热稳定性、吸湿性、不易发酵、不易发生美拉德反应等多种加工特性，同时还具有防龋齿、改善肝功能、抗酮体功能、促进肠道内双歧杆菌的增殖等多种保健功能[2]。因此，木糖醇作为一种糖源常出现在功能食品中。在人们日益注重健康、注重保健的今天，木糖醇在食品中的应用研究虽已有许多报道[3]。在自然界中，其广泛存在于黄梅、覆盆子、草莓、莴苣、花椰菜等许多水果和蔬菜中，但含量很低，直接提取不仅困难而且经济性差，目前工业上主要用木糖催化加氢的方法生产。商品木糖醇是用玉米芯、甘蔗渣等，经过深加工而制得的，是一种天然健康的甜味剂。木糖醇有一定的吸湿性,并具有甜味,甜度相当于蔗糖,发热量相当于葡萄糖,且精制木糖醇可食用并易被人体吸收,故具有广泛的用途。近年来,国内外科学工作者对木糖醇的生产工艺进行了坚持不懈的研究与开发,在工艺改进方面取得了不错的进展.1木糖醇的生产工艺木糖醇的生产工艺大致可分成2种：化学合成法、生物转化法。1.1化学合成法化学合成法其基本原理为多缩戊糖(如木聚糖)经酸(如HCl、H2SO4)水解可得D-木糖,D-木糖在镍催化剂的作用下加氢制得木糖醇,反应式如下:[C5H8O4]n+nH2On[C5H10O5]C5H10O5+H2C5H12O5多缩戊糖水木糖木糖氢气木糖醇化学合成法有2条典型工艺,即:中和脱酸工艺和离子交换脱酸工艺[3]。1.1.1中和脱酸工艺中和脱酸工艺就是在净化水解液时采用中和法。此法的工艺路线如下:原料→水解→中和→浓缩→脱色→离子交换→浓缩→加氢→浓缩→结晶→分离→包装中和脱酸工艺的优缺点:中和脱酸工艺比较简单,酸碱消耗少,可降低成本,设备也比较简单,易操作,投资少。但由于它是初始工艺,必然有不足之处,它的缺点主要来自工艺本身。众所周知,石膏虽然在水中的溶解度小,但也不是绝对不溶解,在进入下个浓缩工序时,随着水解液变浓,石膏在水解液中呈过饱和状态,此时就有一部分石膏又沉淀出来,沉积在蒸发器的管壁上,形成隔热层,降低蒸发效果,浪费蒸汽,降低设备利用率。由于这层结垢很难除去,特别是很难用化学方法除去,不得不用机械法清除结垢,不但麻烦,而且劳动强度很大,对设备也有不同程度的损伤,降低了设备的使用寿命。1.1.2离子交换脱酸工艺离子交换脱酸工艺就是采用离子交换树脂利用离子交换的方法将硫酸根除去。此法的工艺路线如下:原料→水解→脱色→离子交换→浓缩→离子交换→加氢→离子交换→浓缩→结晶→分离→包装离子交换脱酸工艺比较复杂,树脂用量较大,设备较多,投资大,增加了酸碱消耗,加大了成本。但离子交换脱酸工艺还有它不可替代的优点,它克服了中和脱酸工艺中设备结垢的缺点,提高了设备的利用率,延长了设备的使用寿命,减少了水解液中的灰分和酸的含量,提高了水解液的质量,相应地提高了产品质量。由于离子交换脱酸工艺有众多的优越性,新建厂大都采用此工艺。1.1.3工艺改进鉴于以上2种工艺都有不少的缺点,科研人员经过不懈努力,并借鉴其他行业的先进经验,又对其进行了较大的改进[4]。改进之一:玉米芯正式水解前进行三步预处理。传统工艺在加酸水解前只进行一步稀酸除杂,由于我国北方气候干燥,风沙较大,玉米芯酸镍、催化剂中夹杂的杂质较多,只进行一步稀酸除杂,不能有效地将杂质清除。新的水解工艺是在正式水解前进行三步预处理:即水洗、酸煮、水煮,然后再加酸水解,从而将玉米芯中的灰分彻底清洗,使最终产品质量得到了保证。改进之二:省去中和工序,水解液直接脱色。传统工艺是在脱色之前用石灰对水解液中和。这样,一方面可使物料基本呈中性,另一方面也可除去大量的SO42-,减轻了后续工序的压力但事实上,木糖是一种酸性条件下稳定,碱性条件下极不。稳定的还原糖,当用石灰中和水解液时,局部的pH值过高必然会使一些木糖分子异构而影响产品的质量,同时中和过程中也带进了一些Ca2+,增加了阳离子交换柱的负担。为此,将中和工序省去,改用水解液直接脱色。改进之三:采用脱色树脂与活性炭并用的脱色工艺代替单一的活性炭脱色。传统的木糖醇生产中脱色工艺采用脱色剂固相吸附分离色素的方法。脱色剂一般选用活性炭,由于吸附色素后的活性炭回收再利用率很低,完全采用活性炭脱色生产成本高,而且劳动强度大,环境污染严重。新工艺采用了大孔吸附树脂进行脱色,用稀酸、稀碱再生,树脂可反复使用,不仅大大降低了生产成本,而且提高了中间产品的质量指标。改进之四:离子交换工艺与离子交换设备。采用了无顶压离子交换器代替敞口式离子交换器,使操作更加方便,并且大大缩短了操作周期,提高了设备的生产能力,同时采用无顶压逆流再生及连续交换工艺,使树脂再生及交换利用更加完全,大大降低了酸碱的消耗。改进之五:多效蒸发器的应用。蒸发工序采用多效降膜蒸发器替代老式中央循环管蒸发器,使蒸发一吨料液所需蒸汽降低了50%多,且蒸发操作温度低,蒸发速度快,提高了产品质量和产量。改进之六:间歇加氢工艺替代连续加氢工艺。加氢工序采用间歇式高压釜加氢替代连续加氢工艺,使生产能力及木糖转化率大为提高,而且加氢浓度高,减少了后道工序的蒸汽用量,降低了生产成本。改进之七:真空结晶工艺的应用。传统的结晶工艺中存在收率低,产品品质差,成品晶形不规则,流动性差,晶粒无光泽等缺点。采用最新超滤技术及物料补偿性连续真空结晶的工艺,使得产品无论从外观还是从内在的品质都有了质的提高,高效液相色谱分析纯度提高了4%,达到了医药级标准,且木糖醇的收率提高了5%。经实践验证,新的生产工艺不仅大大降低了原辅料消耗,同时也明显改善了木糖醇产品质量,使产品质量全部达到美国FCCIV版和美国药典USP23版的标准。1.2生物转化法［4］由于化学法需高温(115~135。C)、高压(约6.5*106Pa)、易燃易爆的高压氢气及对溶液纯度要求很高的镍催化剂、繁杂的分离和净化工序,以及基本建设投资及操作费用高,并且污染较严重。这就促使国内外科研工作者努力探索出木糖醇生产的新途径——生物转化法。生物转化法的基本原理为农业废弃物(如稻草、蔗渣、玉米芯等)所含的多缩戊糖经稀酸水解后所得主要产物是木糖的水解液,然后利用微生物发酵水解液中的木糖可得木糖醇。-目前,发现并可以利用的微生物为酵母菌株,如Candidaspiecies、Pachysolentannophilus、Debarycomyceshansenii、Kluyveromycesfiagilis,其中以Candidaguilliennondii和Candidatropicalis的转化能力较强。在往水解液中加入酵母之前,要用离子交换法除去水解液中抑制酵母生长的有害物质如糖醛、乙酸等,还须加入酵母生长所需的培养基如碳源、氮源、无机离子和有机营养物质。碳源占整个培养基的10%~60%,最好为20%~50%,用作碳源的物质主要有己糖如葡萄糖和果糖,二糖如蔗糖和乳糖,多糖如淀粉。碳源可一次性全部加入,也可在发酵过程中分批加入。可用作氮铵盐。无机盐有镁离子、钾离子、铁离子和锰离子。有机营养物如维生素、氨基酸以及含有此成分的物质如酵母膏、麦芽膏、蛋白脉和玉米浸膏等。发酵的最适pH值因酵母菌株的不同而不同,如Candidatropicalis发酵产木糖醇的最适pH值为2.5,而CandidaShehatae发酵产木糖醇的最适pH值为3.5~4.0。大多数酵母的最适生长温度为20~30℃。发酵时间以主要碳源被基本消耗完为准,一般为3~8d。然后用离心和过滤法将固体物质除去,余下的溶液用活性炭和离子交换树脂进行脱色和除盐,最后结晶,得木糖醇成品。在微生物发酵法中,因为培养液中不纯物质含量低,因而分离和收集木糖醇较化学法要简单得多,产品纯度相应得到提高。此外,其专一性强,可省去高压设备和大量催化剂,节省能耗,简化工艺,减少农业废弃物处理不当造成的环境污染,变废为宝,为农民增加经济收入。由于微生物法有着上述化学法无可比拟的优越性,因此随着生物工程技术的不断提高,生物转化法必然在未来的木糖醇生产中占主导地位。2木糖醇的应用2.1在医药工业中的应用2.1.1治疗糖尿病[8]木糖醇化合物对糖尿病人治疗有较好效果,因木糖醇在代谢过程中,不需要胰岛素参与作用,能快速进入细胞,被完全利用,不至于影响血糖浓度。木糖醇并能供给糖尿病人能量,缓和病人脂肪与蛋白质的不正常分解现象,防止酮体生成,预防病人发生酸血症及昏睡症,其作用远较葡萄糖、果糖或其他五碳糖类要强。2.1.2治疗肺感染[8,9]木糖醇的该功能是美国衣阿华州立大学于2000年发现的,引起了医学界关注。医药研究人员认为,人的肺黏膜和呼吸道表面都覆盖着薄薄的一层黏液,它们是人体抵御空气中有害微生物与病毒侵犯体内安全的一道天然屏障。如若呼吸道肺黏膜上的这层黏液的盐度增加,来自空气中的有害微生物就会/趁虚而入0,引起肺部感染。只要让受感染者吃一些含有木糖醇的食品或饮料,其呼吸道黏液的盐度很快就会恢复至正常水平。这表明,木糖醇虽非抗菌物质,但它能使患者呼吸道表面黏液层中盐度下降,故有利于患者恢复预防肺部感染的能力。而且木糖醇不像其他的抗生素那样在杀死细菌的同时也为其提供了抗体,从而增加了没被杀死的细菌的抗药性,而木糖醇只是将有害细菌驱赶走而已。2.1.2木糖醇的防龋齿功能木糖醇的防龋齿特性在所有的甜味剂中效果最好，首先是木糖醇作为无糖口香糖的甜味剂不会被龋齿微生物发酵并产生酸性物质，所以它不会腐蚀牙齿。其次咀嚼无糖口香糖，可以增加唾液流量。唾液能中和口腔内的酸性物质，其含有的丰富的矿物质还可帮助牙齿的再矿化，防止龋齿和减少牙斑的产生，巩固牙齿。2.1.3木糖醇的减肥功能木糖醇为人体提供能量，合成糖原，减少脂肪和肝组织中蛋白质的消耗，使肝脏受到保护和修复，消除人体内有害酮体的产生，不会因食用而为发胖忧虑。2.1.4改善肝功能[6]木糖醇可促进肝糖元的合成,降低转氨酶,减慢血浆中脂肪酸的产生,使血液中乳酸、丙酮酸、葡萄糖含量下降,胰岛素含量上升,改善肝功能,起到护肝保肝作用。此外,木糖醇能仰制人体脂肪的生长,所以长期服用木糖醇能起到减肥的效果。在外科手术的麻醉剂中加入木糖醇可起到葡萄糖不能起到的作用。2.2在食品工业中的应用[5,6,10,11]以前国外就有人做过用木糖醇代替食糖对老鼠的防龋齿试验,证明木糖醇是不致龋齿的。比较全面和长期地做人体试验,是芬兰的图尔库(Turku)大学牙科研究所,他们从1973年到1975年对在校学生进行的2年饮食试验,证明:木糖醇作为甜食中的食糖替代品,其防龋齿效率达90%;山梨醇作为食糖替代品,其防龋齿效率为40%。木糖醇之所以有防龋齿功能,是由于木糖醇不被诱发龋齿的细菌所利用。木糖醇在口腔中不产生酸,而是在口腔中转为中性,防止了牙齿被酸蚀。进一步的木糖醇口香糖试验证明:人们每天吃木糖醇口香糖3~5片,不仅能预防龋齿,而且对消除已经形成的牙斑也有一定祛除作用。木糖醇作为食糖代用品具有独特的优点。木糖醇在食品加工时不会因加热而发生美拉德褐变。2.3在其他工业中的应用利用木糖醇具有五个羟基的特点及和甘油相似的性质,可代替甘油,作为轻工、化工等多种工业产品的重要原料。在油漆涂料工业中,可替代甘油和醇酸树脂,节约大量甘油和食用油;在塑料工业中,可作为增塑剂、聚氯乙烯电缆线的添加剂及硬质泡沫塑料的基本原料;在皮革工业中,可作为皮革鞣剂和加脂剂;在国防工业中,木糖醇不仅可作为液体炸药的乳化剂,还可以脱水后经硝化生成硝基炸药。此外,还可以用于造纸、卷烟、牙膏、橡胶管等生产,还可用来制作石油破乳剂、农药乳化剂、化纤助剂、抗静电剂、防冻剂等。综上所述,木糖醇的用途遍及各个工业领域,是重要的有机化工原料。木糖醇的生产工艺一旦出现生产技术上