木糖醇的应用及其生产工艺研究

木糖醇的应用及其生产工艺研究摘要：随着时代的发展，木糖醇广泛的被应用在食品等领域。为了对木糖醇有更为深入的了解，本文将从木糖醇的基本概况、生理功能、木糖醇的应用、木糖醇的生产工艺及其在我国的发展状况和前景对木糖醇进行初步研究。关键词：木糖醇、应用、生产工艺1.木糖醇的基本概况木糖醇的英文名称是Xylitol木糖醇的分子式为C5H12O5,是一种五碳糖醇。木糖醇分子量为152.15，纯度98.0%(T)木糖醇原产于芬兰，是从白桦树、橡树、玉米芯、甘蔗渣等植物中提取出来的一种天然植物甜味剂。有助于牙齿的清洁度，但是过食用过度可能带来腹泻等副作用[1]。木糖醇的结构式为：木糖醇的物化性质：木糖醇是白色结晶或粉末，味甜，似绵白糖，甜度是蔗糖的1.05倍，热量与葡萄糖相似，吃在口中有清凉感，这是因为它易溶于水，并在溶解时会吸收一定热量。木糖醇微溶于酒精，难溶于有机溶剂，熔点92~95℃，有吸湿性，木糖醇是糖类在人体内正常代谢的中间体，即使人们不吃糖，在人体的血液里也含有0.03~0.06%的木糖醇[2]。天然物质木糖醇的含量，如表1所示[3]2.木糖醇的生理功能木糖醇是糖类代谢的正常中间体，它在没有胰岛素时，也能透过细胞膜被组织吸收利用，即使是在人体糖代谢发生障碍时，木糖醇的代谢也十分完全。木糖醇能减慢血浆中产生脂肪酸的速度，但不会使血糖上升。4.56%的木糖醇溶液和血液等渗，当用木糖醇作静脉注射时，血中乳酸、丙酮酸、葡萄糖含量下降，并使胰岛素有轻微上升。肝脏中的肝糖会随之增加。故木糖醇既是糖尿病人的治疗剂和营养剂，也是肝炎病人的保肝药物，对于糖尿病和肝炎的并发症病人，木糖醇是最理想的药物。木糖醇有较强的抗酮体作用，比山梨酸更优越。以木糖醇静脉注射，抢救酮体病人，有较好的疗效。木糖醇热稳定性好，和氨基酸一起加热不产生化学反应，可以和氨基酸配制种种制剂作为营养药物。木糖醇还能促进胃液的分泌，促进胰脏和胆的活性，促进肾上腺皮质激素等增加，适用于老年人和体弱的人[4]。3.木糖醇的应用：结合木糖醇的生理功能，使木糖醇在许多领域有着很多的应用，下面将对其进行应用方面的介绍。3.1.在食品领域的应用因为木糖醇在体内的代谢，和胰岛素没有关系，所以木糖醇应用于糖尿病患者食品的生产。同时木糖醇在口中可以有清凉感，并且在口中不被细菌发酵生成乳酸，对微生物而言是不良的培养基，所以不会产生龋齿，故而可用于制作口香糖。木糖醇作为食糖的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”褐变反应，这是因为木糖醇与糖类不同，没有醛基，不会和氨基酸发生反应使食品色泽加深。木糖醇不受酵母菌和细菌的作用、不发生霉变，可以延长食品的保存期限。所以木糖醇广泛应用在口香糖、巧克力、饮料、食用糖果等制品中以代替蔗糖、麦芽糖、果糖、砂糖等[5-6]。3.2在药学领域的应用3.2.1药剂的辅料木糖醇外观呈白色结晶粉末状，甜度相当于蔗糖，不霉变，且对酸、热稳定，存性能良好，即使暴露在大气中也不会吸水受潮，作为制剂的辅料常用于颗粒剂、丸剂、糖浆剂等剂型中。3.2.2木糖醇类表面活性剂多元醇类非离子表面活性剂中，众所周知的有山梨醇脂肪酸酯，也就是国际上通用的Span(司盘)和Tween(吐温)。木糖醇和山梨醇都是多元醇，只是木糖醇比山梨醇少一个碳和一个羟基，物化性质极其相似。木糖醇类表面活性剂有两种[2，一种为木糖醇和硬脂酸在碱性介质中，在200~210℃下，酯化2h生成的木糖醇硬脂酸酯，可用于双氧水脱色，其性质和司盘60相似；另一种为木糖醇油酸酯，生产工艺与司盘一样，是用途广泛的非离子表面活性剂。有学者对所合成药用非离子表面活性剂木糖醇酯进行了动物生理和药理试验，并初步应用于临床。3.3在医学领域的应用木糖醇可以作为优质的输液载体。木糖醇注射液可与多数注射液配伍，因为木糖醇热稳定性好，木糖醇注射液的pH范围比葡萄糖注射液的pH范围宽(4．5～7．0)，另外木糖醇没酮基和醛基，其化学性质比葡萄糖稳定。木糖醇能与抗菌药、心脑血管用药、消化系统用药、抗肿瘤药、维生素类等其他药品制成输液。除了作为优质的输液载体之外，木糖醇还可以用作肠道外营养物、糖尿病的治疗、预防龋齿、肝病治疗以及预防呼吸道感染等方面起到一定的作用[7]。3.4.在化学领域的应用木糖醇可用于生产有抑菌性质的表面活性剂；在合成树脂工业中，用于生产多种醇酸树脂；在皮革鞣制行业，木糖醇与苯酚、甲醛、磷酸等反应制得无色皮革鞣剂，具有良好的水溶性及鞣性，且存放稳定，不会氧化发暗，用于鞣制白色皮革。木糖醇可替代甘油，应用于造纸、日用化工产品及国防工业中经硝化可制爆炸物质；与合成脂肪酸作用可制得不易挥发的增塑剂；木糖醇本身还具有乳化、分散、消泡等作用；它比六元醇的耐热性和抗腐蚀性能优异，是应用前景较佳的重要乳化剂。随着木糖醇在工业应用领域的扩大和生产的发展，木糖醇需求量将有较大的增长[8]。4.木糖醇的生产工艺及比较目前针对木糖醇的生产工艺有很多种，下面列举三个，并对其进行比较。4.1.花生壳提取木糖醇工艺及参数4.1.1工艺技术及路线这种主要采用目前国际国内普遍采用的离子交换脱酸法,在此基础上进行了一定的技术改进,其主要的工艺路线为:花生壳→预处理→水解→脱色→离子交换→第一次浓缩→离子交换→加氢→离子交换→二次浓缩→→结晶→离心分离→晶体成品。4.1.2工艺流程①预处理。将发霉、变质的花生壳筛选、分拣出来,用水洗去沙土及污物,破碎至1～22cm。先在100℃的温度下,蒸煮60min,把水排除,再加入低浓度的稀盐酸于120℃蒸煮60～90min。②水解。水解就是将花生壳中以多缩戊糖为主组成的纤维素,在酸的催化作用下裂解并与水结合生产糖的过程。以花生壳用量的17%～20%的一定浓度的盐酸在水解釜中采用常压水解的方法进行水解。水解温度为120℃,水解时间为4h左右。③脱色。以粉状和颗粒状混合的活性炭做为脱色剂,采用常压操作,活性炭用量一般为糖液的12%～15%。脱色速度要快,温度不要过高。一般控制在75～80℃。④离子交换。此次交换为第一次交换,其主要目的是为了除去水解液中的无机酸和有机酸。CLl是阴离子,所以,第一次是采用阴离子交换树脂,阴离子交换树脂可选用大孔阴树脂D296等,它不但可以除去阴离子,还可以吸附除掉很多胶体杂质和色素。⑤一次浓缩。离子交换除酸后的糖液通过减压蒸发,使糖液浓度提高到30%～35%，蒸发时间为8h左右。⑥离子交换。第二次交换的目的是为了除去灰份和阳离子,所以采用阳离子交换树脂,阳离子交换树脂可选723型强酸阳离子树脂。它不仅可以除去阳离子杂质,还可以吸附除去胶体和非糖体、含氮化合物等。⑦加氢处理。采用间歇釜式悬浮镍催化加氢,当反应温度为120～130℃,压力为70～80kg/cm-2,pH值为6.5左右,剂糖质量比为2%,反应时间为90～120min,转化率可达99%以上,产品色度好。⑧离子交换。第三次交换是为了氢化液的净化,净化后的木糖浆经过加氢会增加酸度和金属离子,要进一步净化,以除去这些杂质,该过程宜采用阳柱阴柱混合床的组合,混合床的交换负荷特别低,使木糖醇的纯度更高。⑨二次浓缩。采用真空蒸发结晶。蒸发浓缩前,先过滤除去氢化液中其他杂质及少量催化剂细未,蒸发浓缩过程温度控制75℃,真空度700mm汞柱以上。当浓缩液含醇量为90%时,既可进入结晶环节。⑩结晶、成品。当醇膏温度降到64℃左右加入适当晶种,慢慢搅拌助晶,每小时降温l℃,直到比室内温度稍高时,即可分离取得成品[9]。4.2利用玉米芯制取木糖醇4.2.1工艺流程玉米芯→预处理→水解→一次脱色→一次净化→一次浓缩→二次脱色→二次净化→二次浓缩→加氢→三次脱色→三次净化→三次浓缩→结晶→离心→干燥→检验→内外包装→入库2.2操作要点①水解将预处理好的玉米芯经玉米芯水解设备装置进行水解。水解控制参数:水解压力0．11～0.15MPa,水解温度115～130℃,水解酸度1.0%～1.5%,水解时间4h,水解的好坏,影响到玉米芯出糖率的高低,是木糖醇生产的关键工序之一。②脱色脱色是采用粉末活性炭去除糖液中的色素、胶体等杂质,达到初步净化的目的,一般加入粉末活性炭的比例为糖液干物含量的3%～10%,脱色温度为70～80℃,搅拌转速为200r/min,脱色时间为40～60min。③净化净化是采用阴、阳离子交换树脂去除糖液中的阴、阳离子,达到净化提纯的目的。净化提纯的好坏,关系到成品木糖醇的灰份含量,是木糖醇生产的关键工序之一。④加氢加氢是木糖醇生产的核心工序,将木糖液加入到WHFS-5型反应釜中,调节pH=7.5～8.0,按糖液干物含量的3%～10%加入雷尼镍催化剂,控制反应温度120～140℃,反应压力810～1010MPa,反应时间2h,使木糖液转化为木糖醇液。⑤结晶通过控制降温速度,一般每小时降低1度,使处于过饱和状态的木糖醇晶体生长、成形并析出,达到得到晶体木糖醇的目的。⑥离心通过控制离心机的离心转速,一般每分钟1000～1500转,使木糖醇与母液分离,达到进一步提纯的目的。⑦干燥通过控制烘干机的温度与环境湿度,使木糖醇中的水分蒸发,烘干温度为50～60℃,环境的相对湿度≤65%,干燥时间≤30min[10]。4.3利用微生物进行木糖醇的生产4.3.1可产生木糖醇的微生物众所周知，能资化（同化）木糖的酵母在特定的培养条件下，可以在培养基质中积累木糖醇代谢产物。在有关发酵法生产木糖醇的研究中，这类酵母是最常利用的。作为从木糖到产生木糖醇的酵母有假丝酵母属、毕赤氏酵母菌属、德巴利氏酵母属等多种。特别是热带假丝酵母等酵母大多产生木糖醇的能力高，收率（生成物质量/消耗基质质量）大约在70%~85%。另外，还发现了丝状菌、细菌肠杆菌科、肠杆菌属变种和纤维单胞菌菌等，也能利用木糖转化生产木糖醇。4.3.2酵母生产木糖醇的机制（机理）假丝酵母菌属的酵母通过如图2所示的代谢路线生产木糖醇。木糖原料（基质）首先在木糖还原酶（XR）作用下还原成木糖醇。然后在木糖醇脱氢酶作用下氧化生成D－木糖。D－木糖磷酸化以后，通过戊糖磷酸代谢路线代谢。相对于第一个反应的催化剂主要利用的辅酶NADPH，第二个反应的催化剂XDH（木糖醇脱氢酶）是利用NAP+作为辅助酶发生作用的，XR是利用NADPH和NADH两者而存在。酵母细胞内NADP主要通过戊糖磷酸的代谢路线转化成NADPH。另一方面NADH在好气条件下经过呼吸反应链（氧化的磷酸化）的反应后，再生成NAD+（见图1）。生产木糖醇的酵母在微好气条件下（溶存氧质量浓度：0.1mg/L~1mg/L）累积木糖醇最多，在这种限制供氧条件下，木糖的代谢过程由于不能充分地将NADH再生成NAD+，因此细胞内NADH浓度高。其结果是：一方面XDH阻碍了由木糖醇迅速转化为木糖的氧化反应，因此木糖醇积聚了起来。另一方面，在完全的好气条件下，由于通过呼吸链NADH充分再生成NAD+，因此木糖醇被迅速的代谢过程耗尽了，积蓄的量也就减少了。同时，在嫌气条件下，在木糖醇利用的能力显著低下的同时，乙醇成为主要的生成物了。关于XR与XDH两种辅酶特异性不同，在微好气条件下形成细胞内的氧化还原平衡失调，然而他却是累积木糖醇的原因。正如上述的生成机制可以知悉，培养基中溶存氧的浓度是可以影响木糖醇生产的最重要因素。其余原因，如培养基组成、基质（木糖）的浓度、辅助基质、氮源、初发菌的浓度等也影响木糖醇的生产。4.3.3生产过程利用常见的啤酒酵母通过遗传基重组方法将木糖同化酵母毕赤氏酵母属菌的XR导入以后，成功地取得极高的收率（95%），将木糖变换为木糖醇。但是，像这样高收率的木糖醇生产，还必须添加葡萄糖等辅助基质。啤酒酵母与假丝酵母属酵母不同，在木糖是碳源的场合，戊糖磷酸代谢路线的活动弱，从NADP+转化为NADPH的再生是有限的，因此为了辅助酶的再生，添加葡萄糖是必须的。而大部分实际生产中，都是利用葡萄糖而生产出木糖醇，如图2，即为利用葡萄糖由重组枯草芽孢杆菌合成木糖醇的代谢路线[11]。4.4三种工艺的综合比较及分析①前两种工艺原料来源广