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:
酸 镍、催化剂 [C5H8O4]n+nH2O n[C5H10O5] C5H10O5+ H2 C5H12O5 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
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(115~135C)、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Candida spiecies、Pachysolen tannophilus、Debarycomyces hansenii、Kluyveromyces fiagilis,其中以Candida guilliennondii和Candida tropicalis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Candida tropicalis发酵产木糖醇的最适pH值为2.5,而Candida Shehatae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3~8 d。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
