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化学化工学院化学工程与工艺0601班学生冯其龙课程设计第1页共24页济南大学课程设计用纸1前言1.1概述木植物纤维原料是自然界中最丰富的可再生资源，我国每年产有农作物秸秆5亿多吨、玉米芯1000多万吨、甘蔗渣400多万吨，这些资源目前大部分不仅没有得到充分的利用，而且常常造成不同程度的环境污染。如何有效利用植物纤维资源，已成为世界上许多国家研究的重要领域之一。将植物纤维资源中的半纤维素转化成木糖，再进一步发酵生产木糖醇，对于植物资源利用、环境保护和可持续发展都具有重要意义。木糖醇现已广泛应用于食品工业、医药工业、化学工业等领域。传统的木糖醇生产工艺是以纯木糖为原料，经高温高压催化加氢而成。采用生物方法生产木糖醇，可利用简单脱毒处理过的半纤维素水解液发酵生产木糖醇，反应条件温和，生产成本比较低，近年来已受到了国内外的广泛关注。糖醇甜度相当于蔗糖，热量与葡萄糖相当，能调节代谢异常，是糖尿病人的营养剂甜味剂和治疗剂；有较强的抗酮体作用，可用以抢救酮体病人；能减慢血浆中脂肪酸的生成速度，但不会使血糖上升，也是肝炎病人的保肝药物。木糖醇热稳定性好，和氨基酸一起加热不产生化学反应，可以和氨基酸配制各种制剂作为营养药物。作为食品添加剂还具有特殊的抗龋功能，此外，在国防、塑料、轻工业中也有广泛应用。1.2木糖醇的性质及应用1.2.1木糖醇的理化性质木糖醇(英文名xylilol，化学名称：1,2,3,4,5-Pentahydroxypentane(分子量152.15g/mol)其化学结构式如图1.2.1所示。HCCOHCHOHOCOHCOHH2HH2H图1.2.1木糖醇是由木糖衍生的一种五碳多元糖醇类，最早于1891年由EIllil、Fishcr合成成功。木糖醇呈白色粉末状或白色晶体状，其分子式为C5H12O5，是糖醇中最甜的一种，具有与蔗糖相同的甜度，但热量只有蔗糖的三分之一。木糖醇相对密度1.5，具有一定的吸湿性，无毒无臭，具有清凉甜味，极易溶于水，微溶于乙醇和甲醇，热稳定性好。木糖醇是人体葡萄糖代谢过程中的正常代谢中间产物，广泛存在于自然界中的多种水果、蔬菜中，化学化工学院化学工程与工艺0601班学生冯其龙课程设计第2页共24页济南大学课程设计用纸在一些酵母中也有少量存在。1.2.2木糖醇的药用性质(1)木糖醇可以作为糖尿病人的营养剂和治疗剂糖尿病是由于胰岛分泌胰岛素机能障碍，胰岛素分泌不足，引起糖代谢异常，血糖升高，尿中有糖，且有三多症状(多尿、多饮、多食)。胰岛素是胰岛p细胞分泌的一种蛋白质激素，它能帮助糖类透过细胞膜，促进糖类的代谢；促进肌肉、肝脏和脂肪组织中的合成代谢，抑制其中的分解。特别是增高糖元合成、脂肪酸合成和蛋白质合成的速度，抑制糖元裂解、脂肪酸裂解等分解过程；胰岛素还降低一些酶的浓度，如丙酮酸梭化酶和果糖l,6-二磷酸酶，进而减少糖元的异生。当胰岛素供应不足时，首先是糖代谢异常，正常的糖代谢紊乱，磷酸戊糖途径也受到影响。其结果是：糖元合成减少，分解加速：糖异生作用加强；葡萄糖转化为6．磷酸葡萄糖减弱；糖酵解和三羧酸循环减弱；肌肉和脂肪组织中葡萄糖进入细胞膜减慢。由于糖的生成增加而分解减慢导致高血糖及糖尿，同时乙酞COA通过三梭酸循环分解减少，在NADH和NADP下转化为酮体，使糖尿病人时常并发酮血症及酮尿症。由于糖的氧化下降，细胞内能量不足，产生饥饿感。大量的糖从尿中排出，同时带走水分引起口渴。由于木糖醇在体内代谢不需要胰岛素的促进，并有自己独特的代谢途径，故当糖尿病人使用木糖醇以后，木糖醇通过葡萄糖醛酸木酮糖支路，和磷酸戊NADPH，ATP等的增加，适用于年老和体弱的人。（2）木糖醇可作为非肠道营养的能量来源非肠道营养就是一种流动的能量、营养和电解质平衡溶液，它能提供能量、氨基酸和无机盐等。在直接外伤或手术后的恢复阶段，身体对能量的需求量很大，因此必须供给病人足够的能量。但手术的能量消耗导致了组织器官储备能量(肝糖原)己局部耗尽，又因外伤可能严重干扰人体各方面的代谢机能，因此外伤病人通常不容易建立稳定的代谢体系。最显著的变化就是对葡萄糖的利用程度减弱了。但此时身体对能量的需求却又增加不少。在这样的情况下，非肠道注入葡萄糖液，也不能立即重新建立起平衡的代谢体系。木糖醇通过肠壁吸收比葡萄糖缓慢得多，木糖醇进入体内各组织，分布广，耐容性较高，并且代谢速度快，有利于机体的利用闭。因此，除了葡萄糖外，注射木糖醇，能起到改善代谢的作用。此外，木糖醇有较强的抗酮体作用，抗酮体性能比山梨醇更优越。以木糖醇静脉注射，抢救酮体病人，有较好的疗效。(3)调节肠道功能研究人员发现木糖醇同低聚糖类似，具有明显改善胃肠功能，促进肠道有益菌群的增殖，达到调节胃肠免疫功能和促进双歧杆菌、乳酸菌的增殖。北京联合大学组织进行的动物试验表明，木糖醇和低聚糖类相似，也有明显改善小鼠胃肠功能的效果。木糖醇在动物肠道中滞留，具有缓慢吸收作用，可促进肠道内有益菌群即双歧杆菌的增殖。按测算，每人每天服用木糖醇15g左右，即可达到调节肠道功能作用。化学化工学院化学工程与工艺0601班学生冯其龙课程设计第3页共24页济南大学课程设计用纸口服木糖醇以后，被肠壁吸收速度比其它糖类缓慢得多，因此初服者，特别一次服较多的，会产生轻度的腹泻。利用这个特性，木糖醇可作为缓泻药物使用，只要每次口服木糖醇几十克，没有任何痛苦和副作用，就可以顺利通便。(4)木糖醇的防龋特性日常食品中不可能完全排除可发酵性糖类。研究发现，经常食用含蔗糖的点心和小吃，会使牙斑的PH下降并长时间保持在临界值PH5．7以下。结果，牙齿的脱矿时间超过了修补时间，续而出现了龋齿。大量试验证明木糖醇不能被大多数口腔微生物所发酵，牙齿与木糖醇接触不会引起牙斑PH的下降。将木糖醇与牙斑接触两年，也没有发现牙斑微生物对木糖醇的发酵能力有何影响。这种微生物紧紧依附在齿冠上，利用细胞外葡萄糖生长和代谢，且在酸性(PH≤5.0)活性大，而其他微生物在酸性环境下均无代谢活力。1.2.3木糖醇的应用（1）木糖醇在食品工业中的应用由于木糖醇的理化性质与蔗糖相近，又独具特性，因此凡使用蔗糖的食品基本上都可以使用木糖醇，使用方法基本同蔗糖。功能性糖果方面，木糖醇主要作为糖的替代物添加于口香糖、硬糖和其他口腔卫生品种的良好甜味剂。它们能有效地预防、抑制蛀齿的发生；保持或提高糖果的甜味，降低糖果的含糖量。现在流行世界的无糖口香糖就是用木糖醇等糖类替代蔗糖生产，其薄荷香味和清凉的感觉受到人们的喜爱。食疗作用的蛋糕类甜食，木糖醇添加与此适合糖尿病患者使用。食疗法中，木糖醇既是甜味添加剂，又具有食疗功能。酒类添加剂，白酒中加1.5%木糖醇，白酒口味清爽醇厚，香味浓郁；清酒中加入木糖醇，微生物的危害降低。以木糖醇、麦芽糖、砂糖和果糖等作为复合甜味剂制得维生素饮料。木糖醇主要改善饮料的甜味及赋予其清凉感，麦芽糖给予饮料以质体感，海带提取物用来缓解维生素的异味，使成品饮料风味柔和，成为爽口的新型饮料。木糖醇的使用控制了热量值，同时稳定了维生素功效。木糖醇可以替代巧克力制品中的蔗糖。原料木糖醇必须是经过精磨的粉末料，在生产过程中要调节好空气的相对湿度。若空气的相对湿度超过85％，制出的产品贮存一段时间后会出现粗糙的“沙质”结构。这种用木糖醇代替蔗糖的巧克力适合糖尿病患者食用。（2）木糖醇在医药工业中的用途木糖醇无毒，甜度和蔗糖相仿，可以作为糖尿病人的代糖品。它不仅为糖尿病人提供了甜食的来源，而且对糖尿病人具有调节新陈代谢、减轻“三多”(吃得多、喝得多、小便多)症状、恢复体力等明显功效。经常服用木糖醇，对降低转氨酶，改善肝功能，也有一定的作用。此外，在消除酮症方面，木糖醇也具有特殊的功效。（3）木糖醇在化学工业中的用途化学化工学院化学工程与工艺0601班学生冯其龙课程设计第4页共24页济南大学课程设计用纸木糖醇和9个C的脂肪酸合成木糖醇酸酯，可用作塑料的耐热增塑剂；与7个C的脂肪酸，合成木糖醇脂肪酸酯，可作皮革的加脂剂；各种木糖醇酸酯与环氧乙烷加成，可以制备木糖醇表面活性剂系列产品；与环氧丙烷缩合，制成一种新型的聚醚树脂，用此树脂制造泡沫塑料，工艺简便，收率高，产品强度高、耐热性和保温性好。在油漆、涂料工业中，替代甘油制备改性酚醛涂料；与合成脂肪酸、桐油反应，制备中油度的醇酸树脂，用塔尔油酯化，合成干性油漆；与丙烯酸反应，生产具有良好绝缘性的木糖醇丙烯酸醋涂料等。（4）木糖醇的其他用途作为一种多元醇，木糖醇对人体皮肤无刺激作用，可作为化妆品类的润湿调整剂用于洗面乳、美容霜、化妆水等卫生用品。在牙膏制造业中，木糖醇可作为防冻保湿剂；在造工业上作为增塑剂以生产玻璃纸、牛皮纸、铜版纸合钢版纸等；在卷烟生产中可用作卷烟的加香保湿剂；在国防工业上，用木糖醇代替甘油进行硝化，生成的木糖醇五硝酸酯及脱水木糖醇三硝酸酯，是具有良好物化性能和爆炸性能的炸药原料。木糖醇的酯类和羟乙基化产品作为表面活性剂可应用于有机农药的乳化剂，石油加工中脱除微量水分的破乳剂等。1.3国内外研究综述及技术对比分析目前工业生产木糖醇主要采用化学法，但该法生产成本较高且对环境污染较大，因而寻求高效、便于工业化生产、低污染的木糖醇生产方法已经成为亟待解决的问题，目前利用植物纤维原料中的半纤维素水解液发酵生产木糖醇成为目前的研究热点。本研究是以柑橘皮渣为试材，采用硫酸水解柑橘皮渣半纤维素，再利用氢氧化钙。大孔吸附树脂对水解液进行脱毒，并系统地研究了脱毒水解液发酵生产木糖醇的工艺，确定了每个单元操作的最佳工艺参数。通过实验得出了如下研究结果：1．测定了不同产地的柚皮渣和橙皮渣的戊聚糖含量。在柚皮渣中，产地重庆梁平的柚皮渣中戊聚糖含量最高；在橙皮渣中，产地四川荣县的橙皮渣戊聚糖含量最高。2．通过单因素试验和正交试验考查了硫酸浓度、水解温度、水解时间、液料比对水解的影响。确定了最佳水解工艺为：硫酸浓度为3％，液料比为7.5:1，提取温度115℃，提取时间2h。此条件下，重庆梁平柚皮渣水解液的木糖得率为69.67％，四川荣县橙皮渣水解液的木糖得率为65.83％。3．通过单因素实验，分别考察了温度、PH值、时间和液料比对S-8大孔吸附树脂的影响，确定了S-8大孔吸附树脂氢氧化钙的最佳脱毒条件为：水解液用氢氧化钙粉末调PH值至10～1l，4000r/min下离心10min，上清液用浓磷酸调PH至6.O，4000r/min下离心10min得到上清液，以液料比5:1加入S-8大孔吸附树脂，35℃下处理10h。在此条件下，多酚化合物、单酚化合物和糠醛的去除率分别为89.3％、92.7％和58.1％，木糖损失率为15.2％。4．对氢氧化钙大孔吸附树脂脱毒水解液的发酵进行了初步研究，分别考查了种子龄、化学化工学院化学工程与工艺0601班学生冯其龙课程设计第5页共24页济南大学课程设计用纸接种量、装液量、初始、发酵温度、氦源组成、碳源组成以及盐类添加对发酵的影响，确定生产木糖醇的最佳发酵上艺为：Candidasp种子龄20h，250ml三角瓶接种量l00ml(4％)，装液量125ml(50％)，初始PH7.0，发酵温度28℃，发酵时间74h，氮源10ml：酵母膏(20g/L)和胰蛋白胨(40g/L)的混合液，葡萄糖4g/L，NaCl添加量为6g/L。此条件下，发酵液的最高木糖醇浓度达到28.96g/L，木糖转化率为72.4％。2木糖醇的生产工艺及技术分析木糖醇的制备方法分为固液萃取法、化学加氢法和生物转化法三种。2.1工艺过程分析2.1.1固液萃取法木糖醇存在于天然的水果蔬菜中，在酵母和蘑菇中也有发现。虽然可以用固液萃取的方法将其从这些原料中提取出来，但因为木糖醇含量很低121大量制备困难而且不经济。2.1.2化学加氢法传统的生产木糖醇的方法是，将农业植物纤维废料如玉米芯、棉籽壳、蔗糖渣等水解，使其中的戊聚糖水解为木糖，木糖经镍催化氢化，便得到木糖醇。它的化学反应过程方程如下：nC5H10O5酸(C5H8O4)n+nH2O多缩戊糖+|水酸木糖C5H10O5+H2C5H12O5木糖+H2木糖醇从化学反应上看，似