木糖醇的用途、產業現狀及其生產方法分析綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u1605木糖醇的用途、產業現狀及其生產方法分析綜述 1294581.1木糖醇特征 1319981.2木糖醇用途 1299961.2.1用于食品行業 1302081.2.2用于醫藥、保健品 2301731.2.3應用于化妝品 2296731.3國內外研究現狀 2130021.3.1產業現狀 2300251.3.2木糖醇主要生產方法 3291421.4設計的背景與方法 41.1木糖醇特征木糖醇也被稱作戊五醇，其化學式為C5H12O5，外觀為白色的晶體，極易溶于水。嚴格來說木糖醇是一種舶來品，它原產于芬蘭，由當地人從白樺樹或者是橡樹中制取出來。[1]我國自上世紀60年代末開始生產木糖醇，其中大部分用于出口。作為一種五碳糖醇，木糖醇與其他糖類有著許多不同的地方。第一，木糖醇的溶解熱大約是蔗糖的十倍，因此木糖醇溶于水后會吸收大量的熱，導致相關產品在入口后會有清涼的獨特口感；第二，木糖醇作為一種甜味劑，其甜度接近蔗糖，由于其結構中無醛基，[2]所以與氨基酸加熱后不會產生美拉德褐變反應，不會使食品加工后的顏色變暗淡，可用于生產不同風味的烘焙食品；第三，木糖醇不利于微生物的生長繁殖且不會被酵母發酵，使用木糖醇的食品可獲得更長的保質期；第四，木糖醇有一定的吸濕性，用它制作出的點心柔軟性比添加蔗糖的更加持久，但不適于加工較為酥脆的食品。[3]1.2木糖醇用途木糖醇不僅甜度可與蔗糖相媲美，且熱量更低，可被糖尿病人所食用。獨特的性質使木糖醇在許多領域都有廣泛的應用，比如食品行業、醫藥行業、塑料工業、化妝品行業。1.2.1用于食品行業作為一種自然健康的甜味劑添加于食品，使用量可按需求適量增減，由于它的甜度與蔗糖相當，并且沒有發酵性，所以廣泛應用飲料、面包、餅干等食品，我國生產的木糖醇半數以上應用于食品工業。木糖醇在人體的代謝途徑很特別，主要是通過磷酸戊糖支路代謝生成磷酸核糖，繼而進一步獲得能量或者合成糖元。[4]作為糖代謝的中間體，即便沒有食用過木糖醇，它也會在人體內有少量的存在。木糖醇的代謝可以不需要胰島素進行促進，而是越過細胞膜供給細胞能量。因此木糖醇可以作為糖代謝異常患者的理想甜味劑。此外，木糖醇可有效地預防齲齒，由于它可抑制細菌的繁殖，所以能保護牙齒的健康，[5]添加木糖醇制成的膠姆糖被用于牙科病人的使用。1.2.2用于醫藥、保健品木糖醇的代謝不經過胰島素的作用，并且可以促進胰島素的分泌，因此用作糖尿病人的輔助治療劑和營養劑，可以有效地減輕癥狀并抑制并發癥的產生。木糖醇還可改善肝功能，減少轉氨酶的數量，是肝臟病人的護肝劑。此外，木糖醇在腸胃中的吸收速度比其他糖類慢，因此可用于治療便秘，無任何的副作用。雖然木糖醇的吸收較慢，但是當其進入細胞之后，代謝速度是十分迅速的。1.2.3應用于化妝品木糖醇的保濕作用以及改善皮膚粗糙的效果可以媲美甘油，而且在使用時十分清爽，沒有粘膩感，可以添加于護膚品中，在牙膏中也有添加。1.3國內外研究現狀上世紀80年代開始，木糖醇工業開始蓬勃發展，自1985年批準木糖醇可作為食品添加劑以來，我國迎來了木糖醇的發展黃金時代。木糖醇具有一定的生理活性，[6]被批準可以按照生產需求使用。1.3.1產業現狀迄今為止，以化學轉化法生產的木糖醇基本可以滿足全球木糖醇需求，目前，木糖醇的生產技術一直在進步，其生產成本不斷下降。伴隨著人們物質水平的提高，對于健康越來越重視，木糖醇作為優質的甜味劑代替品，其需求量一直在增長，截至2020年達到了2.5億噸，我國木糖醇生產企業集中于山東、浙江等地，大型地企業年產量可達兩萬噸，國內生產的木糖醇遠不能滿足使用需求，至2019年進口的木糖醇總量就達到了16噸。企業在生產的過程中不斷地摸索更加溫和、安全、清潔、低耗能的生產方式，目前，利用微生物發酵生產木糖醇是企業的研究熱點，整個生產過程在不斷地優化中。如何將小規模的實驗室生產擴大至工業化生產，并且穩妥地解決微生物在轉化率、能量需求、生產力等方面的問題是當今企業面臨的共同難題。圖1-1國內木糖醇需求量預測單位：噸/年1.3.2木糖醇主要生產方法木糖醇的生產方式大致可分為三種，即直接提取法、生物轉化法、化學合成法。木糖醇天然存在于一些水果蔬菜之中，然而其中天然糖醇和功能糖的含量微乎其微，限制了它們的應用，[7]考慮到經濟因素，若直接粉碎原料，通過固液萃取法提取木糖醇，顯然是不合乎實際生產的。工業生產中廣泛采取化學合成法進行木糖醇的生產，這個過程可分為兩步，首先將含木聚糖較多的原料如甘蔗、玉米芯、稻草等進行處理，在這些原料的半纖維素部分含有多縮戊糖，這就是木糖醇的前身，經過水解部分分子斷裂在與水分子結合生成木糖；然后將獲得的木糖在一定條件下催化加氫，生產木糖醇[8]。整個過程雖然說起來簡單，但在實際的加工過程中因需要一些高溫高壓條件而更加復雜且危險，進行加氫工藝之前，木糖溶液要進行多次純化，木糖純度需要達到95%以上，極大地提升了生產成本。此外，整個加工過程也不是很環保，使用的催化劑等產生的污染較多。化學法生產木糖醇的反應式為：在此背景下，科研人員不斷尋求新的生產工藝，自上世紀70年代開始探索出了生物發酵法制取木糖醇的方法，這種方法生產條件更加溫和，避免了化學法生產的危險以及污染問題，更加的清潔安全，而且在一定程度上妥善處理了一些農業副產物，其中木質纖維素材料的應用對于發展循環經濟至關重要。[9]目前用于生產木糖醇的菌種大多數是酵母菌，尤其是熱帶假絲酵母。[10]其次還有一些霉菌和細菌也可生產木糖醇，但他們的生產能力遠不及酵母菌。酵母菌可以轉化D-木糖為木糖醇，優秀的菌株木糖轉化率可達80%以上，野生菌株由于代謝木糖的途徑存在差異，[11]所以需要不斷地培育挑選，選出最佳菌株用于生產。近些年隨著基因工程的發展成熟，研究人員開始將重點放在利用基因工程技術改造目標菌種上，以此獲得轉化率更高的菌株。目前，生物轉化法生產木糖醇還未大規模地應用于工業生產，生產成本還比較高昂，多停留于實驗室研究階段。1.4設計的背景與方法1.4.1市場背景生產木糖醇所用的原料要求必須含有多縮戊糖，目前工業多利用甘蔗渣、玉米芯、稻殼等生產木糖醇，幾種農業廢棄物所含的多縮戊糖如下：表1-1不同原料多縮戊糖含量名稱多縮戊糖含量玉米芯38~47稻殼15~21甘蔗渣26~30油菜殼25~28棉桿20.8玉米是我國的第二大糧食作物，尤其是在北方被大面積地種植，我國從十六世紀開始引進種植玉米，到現在玉米的種植面積大概有三億畝，年產量可達1.2億噸，位居世界第三。玉米的用途十分廣泛，既可以做口糧或者飼料，也可以用作工業原料。目前我國玉米芯的年產量可達3000萬噸左右，價格在300元/噸左右，有很大的開發利用潛力。[12]之前很多人認為脫了粒的玉米芯沒有什么用處，最多拿來當柴燒，實際上它的用途十分廣泛，近幾年成為了搶手的香餑餑，可用來粉碎做飼料、提煉木糖醇、提取石墨烯等，實現了真正意義上的變廢為寶。目前木糖醇的市場價為23000元/噸左右，木糖醇的產量遠不能滿足市場的需求，利潤還有較大的提升空間。表1-2玉米芯成分名稱含量易水解物39.63%難水解物36.51%多縮戊糖37.42%纖維素39.34%木質素16.7%五碳糖40.43%灰分1.79%含氮物0.3%糖醛酸5.85%油脂抽出物2.01%木糖醇是21世紀的新型保健糖源，一些有影響力的國際組織例如世界衛生組織、聯合國糧農組織等都將木糖醇視為最安全的甜味劑，我國生產的木糖醇主要用于出口以及食品工業。作為近些年才出現的名詞，木糖醇的一系列優勢還沒有得到廣大群眾的充分認識，但是隨著持續的宣傳，尤其是在預防齲齒以及作糖尿病人的甜味劑方面，讓越來越多的人注意到了這種特殊的物質。當今社會牙齒