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木糖醇应用及其生产工艺研究
摘要：伴随时代发展，木糖醇广泛被应用在食品等领域。为了对木糖醇有更为深入了解，本文将从木糖醇基础概况、生理功效、木糖醇应用、木糖醇生产工艺及其在中国发展情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.木糖醇基础概况
木糖醇英文名称是Xylitol木糖醇分子式为C5H12O5,是一个五碳糖醇。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一个天然植物甜味剂。有利于牙齿清洁度，不过过食用过分可能带来腹泻等副作用[ 1 ]。木糖醇结构式为：
木糖醇物化性质：木糖醇是白色结晶或粉末，味甜，似绵白糖，甜度是蔗糖1.05倍，热量和葡萄糖相同，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中间体，即使大家不吃糖，在人体血液里也含有0.03~0.06%木糖醇 [ 2 ]。
天然物质木糖醇含量，如表1所表示[3]
2.木糖醇生理功效
木糖醇是糖类代谢正常中间体，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，木糖醇代谢也十分完全。
木糖醇能减慢血浆中产生脂肪酸速度，但不会使血糖上升。4.56%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。肝脏中肝糖会随之增加。故木糖醇既是糖尿病人诊疗剂和营养剂，也是肝炎病人保肝药品，对于糖尿病和肝炎并发症病人，木糖醇是最理想药品。木糖醇有较强抗酮体作用，比山梨酸更优越。以木糖醇静脉注射，抢救酮体病人，有很好疗效。
木糖醇热稳定性好，和氨基酸一起加热不产生化学反应，能够和氨基酸配制种种制剂作为营养药品。木糖醇还能促进胃液分泌，促进胰脏和胆活性，促进肾上腺皮质激素等增加，适适用于老年人和体弱人[4]。
3.木糖醇应用：
结合木糖醇生理功效，使木糖醇在很多领域有着很多应用，下面将对其进行应用方面介绍。
3.1.在食品领域应用
因为木糖醇在体内代谢，和胰岛素没相关系，所以木糖醇应用于糖尿病患者食品生产。同时木糖醇在口中能够有清凉感，而且在口中不被细菌发酵生成乳酸，对微生物而言是不良培养基，所以不会产生龋齿，故而可用于制作口香糖。木糖醇作为食糖代用具含有独特优点，木糖醇在食品加工时不会因加热而发生“美拉德”褐变反应，这是因为木糖醇和糖类不一样，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作用、不发生霉变，能够延长食品保留期限。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替换蔗糖、麦芽糖、果糖、砂糖等[5-6]。
3.2 在药学领域应用
3.2.1 药剂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，作为制剂辅料常见于颗粒剂、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，众所周知有山梨醇脂肪酸酯，也就是国际上通用Span(司盘)和Tween(吐温)。木糖醇和山梨醇全部是多元醇，只是木糖醇比山梨醇少一个碳和一个羟基，物化性质极其相同。木糖醇类表面活性剂有两种[2 ，一个为木糖醇和硬脂酸在碱性介质中，在200~210℃下，酯化2 h生成木糖醇硬脂酸酯，可用于双氧水脱色，其性质和司盘60相同；另一个为木糖醇油酸酯，生产工艺和司盘一样，是用途广泛非离子表面活性剂。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 在医学领域应用
木糖醇能够作为优质输液载体。木糖醇注射液可和多数注射液配伍，因为木糖醇热稳定性好，木糖醇注射液pH范围比葡萄糖注射液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。木糖醇能和抗菌药、心脑血管用药、消化系统用药、抗肿瘤药、维生素类等其它药品制成输液。
除了作为优质输液载体之外，木糖醇还能够用作肠道外营养物、糖尿病诊疗、预防龋齿、肝病诊疗和预防呼吸道感染等方面起到一定作用[7]。
3.4.在化学领域应用
木糖醇可用于生产有抑菌性质表面活性剂；在合成树脂工业中，用于生产多个醇酸树脂；在皮革鞣制行业，木糖醇和苯酚、甲醛、磷酸等反应制得无色皮革鞣剂，含有良好水溶性及鞣性，且存放稳定，不会氧化发暗，用于鞣制白色皮革。木糖醇可替换甘油，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；和合成脂肪酸作用可制得不易挥发增塑剂；木糖醇本身还含有乳化、分散、消泡等作用；它比六元醇耐热性和抗腐蚀性能优异，是应用前景较佳关键乳化剂。伴随木糖醇在工业应用领域扩大和生产发展，木糖醇需求量将有较大增加[8]。
4.木糖醇生产工艺及比较
现在针对木糖醇生产工艺有很多个，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
这种关键采取现在国际中国普遍采取离子交换脱酸法, 在此基础上进行了一定技术改善, 其关键工艺路线为:
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　工艺步骤
①预处理。将发霉、变质花生壳筛选、分拣出来, 用水洗去沙土及污物, 破碎至1～22cm。先在100℃温度下, 蒸煮60min, 把水排除, 再加入低浓度稀盐酸于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纤维素, 在酸催化作用下裂解并和水结合生产糖过程。以花生壳用量17%～20% 一定浓度盐酸在水解釜中采取常压水解方法进行水解。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活性炭做为脱色剂, 采取常压操作, 活性炭用量通常为糖液12%～15%。脱色速度要快, 温度不要过高。通常控制在75～80℃。
④离子交换。此次交换为第一次交换, 其关键目标是为了除去水解液中无机酸和有机酸。CL l 是阴离子, 所以, 第一次是采取阴离子交换树脂, 阴离子交换树脂可选择大孔阴树脂D296 等, 它不仅能够除去阴离子, 还能够吸附除掉很多胶体杂质和色素。
⑤一次浓缩。离子交换除酸后糖液经过减压蒸发, 使糖液浓度提升到30%～35%，蒸发时间为8h左右。
⑥离子交换。第二次交换目标是为了除去灰份和阳离子, 所以采取阳离子交换树脂, 阳离子交换树脂可选723 型强酸阳离子树脂。它不仅能够除去阳离子杂质, 还能够吸附除去胶体和非糖体、含氮化合物等。
⑦加氢处理。采取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90～120m in, 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净化,净化后木糖浆经过加氢会增加酸度和金属离子,要深入净化, 以除去这些杂质, 该过程宜采取" 阳柱　阴柱　混合床"组合, 混合床交换负荷尤其低, 使木糖醇纯度更高。
⑨二次浓缩。采取真空蒸发结晶。蒸发浓缩前,先过滤除去氢化液中其它杂质及少许催化剂细未,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, 既可进入结晶步骤。
⑩结晶、成品。当醇膏温度降到64℃左右加入合适晶种, 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工艺步骤
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操作关键点
①水解　将预处理好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, 水解好坏, 影响到玉米芯出糖率高低, 是木糖醇生产关键工序之一。
②脱色　脱色是采取粉末活性炭去除糖液中色素、胶体等杂质, 达成初步净化目标,通常加入粉末活性炭百分比为糖液干物含量3%～10% , 脱色温度为70 ～80℃, 搅拌转速为200 r /min, 脱色时间为40～60min。
③净化　净化是采取阴、阳离子交换树脂去除糖液中阴、阳离子, 达成净化提纯目标。净化提纯好坏, 关系到成品木糖醇灰份含量, 是木糖醇生产关键工序之一。
④加氢　加氢是木糖醇生产关键工序,将木糖液加入到WHFS - 5型反应釜中, 调整pH= 7.5～8.0, 按糖液干物含量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　经过控制降温速度, 通常每小时降低1度, 使处于过饱和状态木糖醇晶体生长、成形并析出, 达成得到晶体木糖醇目标。
⑥离心　经过控制离心机离心转速, 通常每分钟1000～1500转, 使木糖醇和母液分离,达成深入提纯目标。
⑦干燥　经过控制烘干机温度和环境湿度, 使木糖醇中水分蒸发, 烘干温度为50 ～60℃, 环境相对湿度≤ 65% , 干燥时间≤30min[10]。
4.3利用微生物进行木糖醇生产
4.3.1可产生木糖醇微生物
众所周知，能资化（同化） 木糖酵母在特定培养条件下，能够在培养基质中积累木糖醇代谢产物。在相关发酵法生产木糖醇研究中，这类酵母是最常利用。作为从木糖到产生木糖醇酵母有假丝酵母属、毕赤氏酵母菌属、德巴利氏酵母属等多个。尤其是热带假丝酵母等酵母大多产生木糖醇能力高，收率（生成物质量/ 消耗基质质量） 大约在70% ~ 85%。另外，还发觉了丝状菌、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酵母生产木糖醇机制（机理）
假丝酵母菌属酵母经过图2所表示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，经过戊糖磷酸代谢路线代谢。相对于第一个反应催化剂关键利用辅酶NAD PH，第二个反应催化剂XDH （木糖醇脱氢酶） 是利用NAP+ 作为辅助酶发生作用，XR 是利用NAD PH和NADH 二者而存在。酵母细胞内NADP 关键经过戊糖磷酸代谢路线转化成NAD PH。其次NADH 在好气条件下经过呼吸反应链（氧化磷酸化） 反应后，再生成NAD+ （见图1）。
生产木糖醇酵母在微好气条件下（溶存氧质量浓度：0.1 mg / L ~ 1 mg / L） 累积木糖醇最多，在这种限制供氧条件下，木糖代谢过程因为不能充足地将NADH 再生成NAD+，所以细胞内NADH 浓度高。其结果是：首先XDH 阻碍了由木糖醇快速转化为木糖氧化反应，所以木糖醇积聚了起来。其次，在完全好气条件下，因为经过呼吸链NADH 充足再生成NAD+，所以木糖醇被快速代谢过程耗尽了，积蓄量也就降低了。同时，在嫌气条件下，在木糖醇利用能力显著低下同时，乙醇成为关键生成物了。相关XR 和XDH 两种辅酶特异性不一样，在微好气条件下形成细胞内氧化还原平衡失调，然而她却是累积木糖醇原因。正如上述生成机制能够知悉，培养基中溶存氧浓度是能够影响木糖醇生产最关键原因。其它原因，如培养基组成、基质（木糖）浓度、辅助基质、氮源、初发菌浓度等也影响木糖醇生产。
4.3.3生产过程
利用常见啤酒酵母经过遗传基重组方法将木糖同化酵母毕赤氏酵母属菌XR 导入以后，成功地取得极高收率（95%），将木糖变换为木糖醇。不过，像这么高收率木糖醇生产，还必需添加葡萄糖等辅助基质。啤酒酵母和假丝酵母属酵母不一样，在木糖是碳源场所，戊糖磷酸代谢路线活动弱，从NADP+ 转化为NADPH 再生是有限，所以为了辅助酶再生，添加葡萄糖是必需。而大部分实际生产中，全部是利用葡萄糖而生产出木糖醇，图2，即为利用葡萄糖由重组枯草芽孢杆菌合成木糖醇代谢路线[11]。
4.4三种工艺综合比较及分析
①前两种工艺原料起源广泛, 廉价易得, 生产成本低。第三种菌种选择和实际操作中要比前两种更为复杂、要求也更严格。
②第一个方法就第二种方法而言，水解过程所用催化剂为盐酸, 用其替换传统木糖醇制取工艺中以硫酸为催化剂,相对硫酸使用能够节省二分之一用量。另外,生产废水中高浓度硫酸根离子也影响废水处理效果, 用盐酸替换硫酸消除木糖醇废水处理难题。水解是在常压下进行, 节省了设备投资。整体过程，第一个要比第二种方法简便。而因玉米芯产量大，多缩戊糖含量最高，结构相对疏松，易存放，易于提取，所以第二种方法现在来说应用最多。
③前两种方法较第三种方法产率较低，且第三种能取得高纯度木糖醇（约90%）。同时降低了预处理工序和成本。微生物发酵法要简单多,结晶也比较轻易，同时也相对前两种也更为环境保护且更为节省成本，含有愈加好发展前景。
④三种方法中，前两种每生产1t木糖醇，需花生壳25t、玉米芯20t。经过计算，每生产1t木糖醇，前两种方法成本分别为13700元和15200元，而其利润分别为4000和3000元。第三种方法，因缺乏相关数据，而没有得出对应结果，但结合其工艺可知，其成本要高于二者，但利润要大于二者。
⑤综合三种方法来看，在木糖醇生产过程中，通气量、PH值、温度、压力等条件是取得高产率关键条件。
⑥从生产工艺来看，前两种能够算作合成法生产，而第三种能够算作发酵法生产。
⑦就上文提出应用来说，在食品领域和医疗领域采取产方法多为利用蔗渣水，进行微生物发酵生产。木糖醇生产，应结合实际质量要求、产量要求、生产能力等，选择适宜生产方法进行生产。
5.木糖醇现实状况及前景
就大部分天然产物在世界范围内应用来说木糖醇被利用时间不是很长。中国开始利用木糖醇是在20世纪50年代，当初是向前苏联学习，开展用木糖醇替换中国供不应求甘油研究，其真正进行工业生产大致是在20世纪70年代前后。现在，伴随科学技术不停发展和进步，中国中国结晶木糖醇关键用于糖尿病人辅助诊疗及多种食品糖替换品，而液体木糖醇关键用于食品配料和牙膏、卷烟、油漆代甘油等。
中国是木糖醇生产大国, 总产量占全世界40% ,不过在木糖醇新功效和对人类健康应用方面我们起步还比较晚, 还没有形成体系, 对于木糖醇功效开发, 我们做还不够。其功效和终端产品开发, 将逐步会成为以后中国木糖醇行业研究关键。伴随中国经济快速发展, 大家对于健康追求将会不停升级。现在, 在预防肺炎、耳炎方面应用, 在国外已经发展得如火如荼, 相信很快就会受到中国大众欢迎。其实木糖醇作用还不止这些, 其在预防骨质疏松方面也有很关键应用, 我们应该充足挖掘木糖醇这些优势, 使其在人类健康事业上发挥应有作用[12]。

参考文件

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[2]王涵，你了解木糖醇吗，农产品加工业，，12：45-46
[3]尤新，木糖醇功效及其食品应用，应用科技，.8.21，17（16）：13-15
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