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木糖醇的生产技术及应用

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木糖醇发酵菌株。 液体种子培养:将木糖与其他营养成分分开灭 菌,1 21 ̄(2灭菌20min,混合后培养基最终成分为20g/L 木糖、10g/L酵母膏、0.2g/L MgSO4・7H2O、5扎KH2PO4, 在250ml锥形瓶中装液50ml,接人斜面种子1环, 在30℃、转速200r/min的摇床上培养22h。 发酵培养:发酵培养基灭菌方式与种子培养 基完全一样。培养基组成基本成分为商品木糖、 酵母膏、KH2PO4、(NH)zHPO4、NaC1、MgSO4・7H20,各 组分浓度和培养基体积由试验最后确定。培养基 pH自然,接人10%液体种子,于30℃、200r/min、 250ml摇瓶培养96h后终止发酵,取样检测。 2.2.2采用莫格氏假丝酵母,4℃下保存在马铃薯一 琼脂斜面上。 斜面培养基:马铃薯一琼脂培养基。 利呼 弱钙 ( ):木糖40、莆i萄糖20、(NH hHPO 4、 (NH )2S0 1、酵母浸膏6、KH:PO 1、MgSO 1、蛋白 胨6.50。 发酵培养基(g/L):木糖25、(NH ) ̄HPO 0.36、 (NH4)2SO4 3.92、KH2SO4 1.95、MgSO4 0.49、酵母浸膏 6.59、蛋白胨1.46、CaC1 0.1。 将2.53%海藻酸钠与种子悬浮液以8:1的体积 比混合,经固定化装置滴人1.5%CaC1:溶液中,形 成海藻酸钙凝胶珠,并钙化3h,将制得的海藻酸 钙凝胶珠与0.6%壳聚糖进行成膜反应15min。用 0.15%的海藻酸钠溶液处理微胶囊表面5min,再用 0.055rnol/L的柠檬酸囊内液化30min。 种子培养挑取保存在斜面的菌种3环,接到 装有120m1种子培养基的250ml的三角瓶中,于 30 ̄C下旋转摇床培养48h,转速为200r/min。所得 菌体离心洗涤两次,悬浮于加有玻璃珠的无菌生 理盐水中备用。 将游离的离子固定化及微胶囊固定化细胞按 相同的接种量分别接人装有1 20ml培养基的250ml i角瓶中,于0 ̄C下旋转摇床培养,摇床转速 200r/min。发酵过程中每隔若干小时取样,分析木 糖、木糖醇、细胞的浓度。 在发酵法的转化液中还含有未被转化的支链 木糖醇,必须纯化除去。但两者分子结构及性状 非常相似,要获得高纯度有较大的难度,可以选 用较佳的从微生物转化液中分离纯化的工艺路线。 发酵液经离心(3000r/arin)除去菌体,并采用 截留分子量为1万的超滤膜去除杂蛋向,滤出液 经活性炭纤维脱色,于80 ̄C7l<浴加热0.5h后减压 抽滤。收集滤出液。 微生物转化法生产木糖醇的分离纯化工艺是 在当含有2O%木糖转化液与2mol NaOH溶液混合 体积比为1:29下回流约2h时,残留在转化液中的 木糖就降解为相应的酸和盐类,经阴、阳离子交 换 总 可 在 工 白 速 固 比为1:4。利用固定化细胞重复进行发酵,木糖醇 得率为73.7%。固定化细胞密度高、抗逆性强、发 酵性能稳定,水解液未经脱色与离子交换便可转 化成木糖醇。 酶法合成木糖醇,主要是通过木糖还原酶辅 酶因子的代谢平衡来实现连续高效生产。 一些霉菌也能发酵木糖产生木糖醇。在含有 木糖的培养基中,一些丝状真菌,如青霉、曲霉、 根霉、胶杆菌、漆斑红菌能够产生低浓度的木糖 醇。所用的菌种可以是假丝酵母如**滑假丝酵 母、热带假丝酵母、季氏假丝酵母等,在有氧和 限氧下产量最高的是莫格假丝酵母ATCC18364, 加大D一木糖浓度可加快D一木糖的吸收和木糖醇 的形成,而比生长速度保持相对稳定。木糖醇脱 氢酶在加氧条件下提高了NADH的水平,由于D一 木糖和木糖醇的平衡从而得到较高的产量。 在微生物中,酵母转化木糖生产木糖醇的性 能较为优越。Candida属酵母转化能力较强,如C. guilliermondii、棒状杆菌等种属,木糖转化为木糖 醇的转化率可达70%以上。 在某些酵母细胞中,通气能够刺激糖的传输。 很多菌株如假丝酵母、克鲁维酵母、毕赤酵母属 酵母糖的吸收需要氧气。通气培养能提高木糖向 木糖醇的转化量,这是因为木糖醇的生产直接同 生物量的增加相联系,并且受氧气消耗量的影响 极大。 一般而言,当通气率维持在一定限度下能提 高木糖醇的转化率,微通气率对于木糖醇生产有 利。 要有效生产木糖醇,首先要考虑培养基中微 生物细胞能快速积累,这可以通过在介质中溶解 氧来解决。在整个培养过程中介质维持高水平的 溶解氧将会导致形成的木糖醇再度氧化生成木酮 糖。培养早期维持高水平的溶解氧,然后在产木 糖醇的时期降低微生物的呼吸率。 在批量处理中,如果微生物能够耐受高浓度 的糖分和高渗透压,初始糖浓度的增加能提高生 产速率和转化率。 在木糖初始浓度20~50 L时,C.guillemondii 菌株的最大生长率可以达到最大值。 维普资讯 http://www.cqvip.com

: .  ...一 .  .一 一一 一 . .. 在较高浓度木糖和较高通气率的情况下,细 胞浓度很高且木糖醇产量也很高。 利用微生物中的还原酶来生产木糖醇,它可 有效降低木糖醇的生产成本。发酵法不仅能省去 木糖醇纯化步骤,还可以简化木糖醇的分离步骤, 是一种很有前途的生产方法。 采用现代发酵工艺代替化学合成工艺,生产 天然食品添加剂和生物活性物质备受人们关注。 如用热带假丝酵母生产木糖醇,不仅产量高,而 且还无乙酸盐及化学溶剂残留。微生物发酵法生 产具有较高的经济价值。 2.2.3所用菌种为热带假丝酵母(Candidatropicalis), 在酵母繁殖生长过程中,酵母中的辅酶细胞壁中的 活性氢(离子氢)使木糖还原加氢成木糖醇,而净化 液中的六碳糖,如:葡萄糖、半乳糖、甘露糖等 则作为细胞的营养剂消耗在细胞生长过程中,五 碳糖中的阿拉伯糖依然存在于发酵液中。 耍把阿拉伯糖从发酵液中分离出去才能保征 结晶木糖醇中的残糖含量合格。在这方面,已研 发了柱上分离技术,此项技术属于首创,处于世 界领先水平。发酵过程中的酵母菌种可以多次重 复使用,而且发酵效果一次比一次高。第一次发 酵后加入絮凝剂,经过絮凝分离,分离后的菌种 可重复使用,并且第一次发酵周期50h左右。从 第二次开始发酵周期在12~14h左右。采用木糖生 物发酵加氢的热带假丝菌株,发酵速度快,木糖 醇生成速率>12g/(L・h),木糖转化率>90%,菌株可 以重复使用,发酵周期短,发酵专一性能好。 2.2.4采用海藻酸钙固定化热带假丝酵母细胞发 酵氨水浸泡稻秸半纤维素水解液生产木糖醇。 发酵在250ml锥形瓶中进行。初始pH和细胞 干浓度分别为4~5和1.22g/L。在这些条件下,进 行固定化细胞重复法较高浓缩度水解液的试验。 固定化细胞能在初始木糖浓度为104.2g/L的水解 液中重复发酵5次,木糖醇平均得率和生产速率 分别为0.737和0.533g/(L.h)。 2.2.5 以稻秸为原料生产木糖醇 用来发酵生产木糖醇的植物半纤维素水解液 中,含有许多对发酵菌有抑制作用的物质。为了 减少抑制成分,一般在发酵前对水解液进行脱毒 处理。但是,抑制物主要在水解过程中产生,原 料中含有的木质素、乙酰基等是抑制ng5 ̄-的重要 来源。因此,可以尝试在水解前对原料进行预处 理,去掉抑制物的发生源,减少水解时抑制物的 生成。氨浸泡预处理是其中的一种,对去除原料 中的木质素、乙酰基和部分提取物效果显著。这 种办法在纤维原料的乙醇发酵中主要能提高纤维 素的水解率并减少芳香抑制物而产生的。 通过活性炭吸附、中和、过中和等方法来除 去水解液中的抑制物。 在实验中以稻秸为原料,尝试了用氨浸泡预 处理这种方法来提高稻秸水解液的可发酵性。稻 秸风干粉碎至约7mm ̄2mm,保存备用。稻秸中纤 维素、半纤维素和木质素的含量分别为44.0%、 20.1% 铂19.0%。 菌种Candida tropicalis As2.1776,4℃保存于 试管斜面上,培养基由未浓缩的氨浸稻秸半纤维 素水解液加入1%的酵母膏和2%的琼脂配制。 (1)氨水浸泡预处理稻秸 称取一定量粉碎的稻秸放人锥形瓶中,按固液 比(g:m1)1:10加入10%的氨水,密封,25oC、150r/min 件下于摇床中振荡48h后,滤去浸泡得到的黑液, 再用自来水洗涤稻秸2次后烘干备用。处理得到 的稻秸中纤维素、半纤维素和木质素的含量分别 为59.2%、23.9%和7.5%。 (2)水解液的制备 将稻秸与1%的H SO4按照固液比(g:m1)1:10 混合均匀,在水解锅中于121 oC下反应1.Oh,然后 抽滤水解混合物,滤液即为半纤维素水解液。水 解液用CaC0。调pH至5.0左右,用旋转蒸发仪在 70':115]下减压浓缩。浓缩水解液经离心除去沉淀后, 于4℃保存备用,保存期不超过1Od。 (3)液体种子培养 培养基成分(g/L):木糖10、葡萄糖20、酵母膏 10、蛋白胨2.5、KH2PO4 5、MgS04-7H20 0.4,于250ml 锥形瓶中装入50ml培养基,接人1勺斜面种子, 30 ̄t2、200r/arin下于摇床中振荡培养24h。 (4)固定化细胞的制备 液体种子于4 ̄C下静置过夜,使菌体充分沉淀 形成菌泥,倾去上清液,与液体种子培养50%体 积的2%海藻酸钠溶液充分混合,通过蠕动泵匀速 滴人2%的CaC1 溶液中,形成直径约3mm的凝胶 珠,4℃下固化6h后接人发酵培养基。 (5)水解液的木糖醇发酵 培养基:每1L水解液中补充酵母膏2.6g、 MgSO ̄’7H20 0.38g、NaC1 2.0g、KH2P04 3.75g和 (NH ) HPO 2.5g,水解液与其他成分分开灭菌。 发酵条件:250ml三角瓶中装入100ml培养 基,接人5ml固定化细胞种子,200r/min、30 ̄t2下 在恒温振荡培养箱中培养,定期取样检测。发酵 过程中不控制培养液pH。 在半纤维素水解液的木糖醇发酵中,培养基 的初始pH关系到水解液中各种有机酸,特别是乙 酸的解离程度,从而影响细胞的活性,因而是一 个很重要的参数。乙酸只有以分子态存在时,才 会对细胞产生抑制,所以为了避免乙酸以分子态 出现在培养基中,一般将培养基初始pH调节在较 高值来进行发酵,或者除去乙酸后进行发酵。文 维普资讯 http://www.cqvip.com

ys& Rley  i ew s  中采用了氨浸泡法预处理稻秸,检测发现,经预 处理的原料水解液中不含有乙酸成分,预计初始 pH的影响应该会呈现不同的结果。因此本文对这 一因素的影响进行了研究。所采用的水解液被浓 缩了4.2倍,初始木糖的浓度为68 L,在发酵进 行60h时取样检测。 在初始pH为3时,水解液中的木糖没有任何 消耗,也没有木糖醇生成,说明酵母的代谢完全 被抑制。初始pH在4~7范同内时,木糖的消耗快 速增加,酵母能消耗72%以上的木糖,积累的木 糖醇为理论值的69%以上。初始pH为5时,残余 木糖最少,木糖醇得率最大,为0.75g/g。初始DH 为7时,木糖醇得率降低至0.64g/s。这些说明, 氨浸泡预处理得到的水解液并不需要通过提高初 始pH或者其他方法来克服乙酸的抑制作用,最适 宜pH与普通合成培养基基本一致。 在不影响发酵结果的前提下,培养基中添加 的营养成分少,不仅能降低原材料成本,还能简 化产品的分离提纯工艺。由于稻秸中含有一定量 的营养成分,所以文中尝试了不向水解液中补充任 何营养成分的发酵实验,将结果与补充营养成分对 照,补充营养成分的种类与浓度参照文献进行。 不补充酵母膏和无机盐等营养物质时,木糖 的消耗明显慢于补充营养物质时的速度,相应的 木糖醇的生产也减慢,以致木糖消耗殆尽时,木 糖醇的生产速率差异较大,分别为0.42g/(L-h)和 0.52g/(L・h),可见向水解液中补充营养物质能加 快木糖消耗和木糖醇生产。 2.2.6水解液的生物.物理脱毒法及柱上分离 在半纤维素水解过程中生成一系列对生物代 谢有抑制作用的gE4Y ̄",只有除去这些对生物代谢 有抑制作用的有毒物质,才能有效的提高菌株对 木糖的生物发酵性能。生物 物理脱毒方法,脱毒 后完全满足了发酵的工艺要求。 水解液中的木糖绝大部分加氢生成了木糖醇, 只-f极少部分还残留在发酵液中,但是阿拉伯糖 并没有被发酵加氢,仍然留在发酵液中,水解液 中的六碳糖,如:葡萄糖、甘露糖、半乳糖等已 没有了,在发酵过程中作为营养剂被酵菌株消耗 掉了。 在术糖生物发酵加氢生成木糖醇中,酵母菌 株能重复使用。发酵液加入絮凝剂,絮凝沉淀后, 经分离得到的菌株还可以重复利用,而且分离后 得到的菌株发酵能力越来越强,发酵周期越来越 短,第一次发酵周期为50h左右,从第二次开始, 发酵周期只有12~14h。发酵体系始终处于高密度 菌株的状态下,大幅度地提高了发酵的生产效率, 发酵过程高效而便捷,大大降低了菌株的培养成 本,相应的降低了生产成本。生物.物理法在脱毒 了,只有木糖、阿拉伯糖和木糖醇,所以柱上分 离只是糖和醇的分离,糖和醇的性质相差较大, 木糖、阿拉伯糖和木糖醇的分离峰重叠不大,分 离效果较好。柱上分离能一次除去发酵液中的 100%的阿拉伯糖、90%色素、8o%@-f ̄-,柱上分 离周期约1.5h,置柱串连操作,每柱可连续工作 12批次,有效减轻了后续的离子交换负担,极大 简化了木糖醇的精制过程。柱上分离技术几乎不 存在于难于进一-5 ̄4E的结晶母液,从而大幅度 提高了从原料到木糖醇产品的收率。 柱上分离后,分离纯度较高,木糖能全部除 掉,阿托伯糖-rE几乎全部除掉。分离液中只有木 糖醇成分,没有其他杂质成分。 2.3氢化 生物发酵加氢工艺是木糖醇生产工艺的突破 性进展,可以说开创了木糖醇生产工艺的新纪元, 生物加氢生产木糖醇的现有水平已经明显优于化 学工艺。突出体现在如下方面: 在化学加氢工艺中,为了净化水解液,在水 解前要在水解釜中加入稀酸进行一次酸预处理。 但生物发酵工艺中,后序净化功能较强,对水解 液的质量要求不是很高,所以对原料处理只需要 热水预煮处理,而不需稀酸预水解。这样不仅节 约了能量,也减少了木糖酸预处理时的损失,同 时减少了酸预处理的酸消耗和酸污水的排放,节 约了水量和热量,减少了污染。 在化学加氢工艺中,为了提高木糖醇的质量, 采取了木糖结晶法,就是把木糖先结晶成晶体木 糖,进行一次提纯,然后把木糖溶解成溶液再去 加氢。生物发酵加氢工艺简化了糖浆的净化过程, 不需要木糖结晶工序。酵母专一性地将水解液中 的木糖转化成木糖醇、葡萄糖等六碳糖,这些六 碳糖作为酵母的营养剂完全消耗于酵母细胞生长, 而不会生成相应的糖醇。因此,生物1二艺生产木 糖醇无需化学工艺所必不可少的木糖结晶纯化步 骤,也不需对水解糖浆进行特别精制,同时可有 效简化木糖醇的分离,从而大幅度降低了水、能 源和木糖的消耗,提高了产品的收率。 生物加氢的成本包括两5--方面,发酵过程的水 ()维普资讯 http://www.cqvip.com

: … : .  .、. .. : 一 20◇电成本与培养基的辅料成本。目前已经实现在木糖 2OOg/L的条件下,木糖醇生成速率达到>12 (L・h), 在发酵过程中生产It木糖醇水电成本大约在几百 元。培养基的辅料基本上只添加原料预处理过程 中所得的某些液体,成本也极其低廉。同时生物 发酵加氢工艺可以完全避免,因为生物发酵加氢 没有制氢工序,也降低了蒸气、水、电等能源的 消耗和原材物料(如活性炭、玉米芯等)的消耗,大 大提高了产品的收率,从而大大降低了产品的成 本,比化学法生产木糖醇降低成本在2O%左右。 2.4木糖醇结晶技术 目前,国内多数的木糖醇结晶技术与装置存 在操作周期长(约40h)、出料困难、产品粒度不均 匀、晶形差、流动性差的特点,与国外产品有一 定差距。但已开发出木糖醇精制结晶新技术与设 备,生产的木糖醇产品品形完美,粒度大且分布 集中,产品流动性好,采用新工艺和新装置后, 木糖醇一次结晶收率可达到60%。 木糖醇氢化液经浓缩后进入新型结晶器,通过 计算机辅助控制的冷却结晶工艺,降温到约37℃, 生产出高质量的晶体产品,结晶操作时间在1Oh 以内。 由于木糖醇产品的粒度和流动性得到了改善, 适用于糖醇类高粘度物系的结晶生产。 一般方法生产木糖醇的木糖醇结晶母液中包 含了阿拉伯糖醇、山梨醇、半乳糖醇等多种杂醇 及木糖醇,还有胶木糖醇等。而从生物发酵加氢 生产木糖醇的母液中回收木糖醇要比从化学工艺 的结晶母液中回收木糖醇得简单多。因为生物工 艺的木糖醇结晶母液中,只含有阿拉伯糖、少量 木糖及木糖醇,只要将母液再回到柱上分离就可 以了,糖与醇的分离显然相对简捷了,母液可以 反复柱上分离,可以说生物法生产木糖醇是不存 在母液的,生产是零母液的,大大提高了木糖醇 的收率。 3木糖醇技术指标 外观:白色晶体 酉旨含量>98% 单糖<0.5% 干燥失重<8% 重金属<8mg/kg 灼烧残渣<0.4% 4应用拓展 天然的动植物油脂分解生产甘油的产量不足, 不能满足军工及日化等工业部门的需求,而合成 甘油从生产技术到产品质量都不能满足工业化生 产。为此,为了解决当前甘油紧缺的供需矛盾, 从前苏联学习、引进、开发了木糖醇产品。其初 衷就是以木糖醇代替甘油,来缓解甘油供不应求 的状况。 木糖醇是一种具有甜味剂、营养剂和治疗剂 等功能的多元醇。在医药工业上木糖醇被用于制 造各种药物,木糖醇能降低转氨酶,是治疗糖尿 病和护肝的良好药物:有补充热量、改善糖代谢、 不增加糖负荷、消除酮血症作用。在体内不经胰 岛素作用即可直接进入细胞内,代谢迅速而完全。 能增加糖尿病患者的体力,减轻饥饿感及多饮多 食多尿等症状,减少胰岛素及其他降糖药物的用 量。同时也有抑制口腔细菌,防止牙酸蚀的作用。 在医药工业中用于制造各种药物,作为营养型及 治疗型双重功能的药品。 木糖醇在人体的代谢中不但不经过胰岛素, 而且还能促进胰岛素的分泌,所以木糖醇是糖尿 病人良好的营养剂和辅助治疗剂。当用木糖醇静 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,能减少糖尿病人的“三多” ——多尿、多食、多水的症状。我国有三千六百万糖 尿病人,木糖醇的出现无疑是一个喜讯。木糖醇 能增加肝中的肝糖元,降低转氨酶,改善肝功能, 起到护肝保肝作用。木糖醇有较强的抗酮体作用, 静脉注射木糖醇对抢救酮体病人有较好的疗效, 并且是这些病人的热量补给剂。木糖醇能仰制人 体脂肪的生长,所以长期服用木糖醇能起到减肥 的效果。在外科手术的麻醉剂中加入木糖醇可起 到葡萄糖不能起的作用。 木糖醇在口中不被细菌发酵生成乳酸,作为 食糖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。木糖醇作为代糖品,甜 度和蔗糖相似,如以蔗糖为1O0的话,则木糖醇 为105。木糖醇可作为饮料的添加剂,可以改善饮 料品质,使饮料香味芳醇、浓郁饱满、绵柔可口, 并有减少微生物败坏的作用。 木糖醇工业是一个新兴工业,木糖醇的开发 和研究在国外也是刚刚开始。我国是农业大国, 原料资源丰富易得,木糖醇工艺已趋稳定并且又 有新的突破,生物发酵加氢技术的研发,使木糖 醇工业发展如虎添翼,木糖醇工业发展天地广阔, 产品用途广泛,市场前景看好,是一个很有发展 前途的工业。 参考文献 [1】彭奇均.木糖醇母液色谱分离性的优化[JJ.高析化学工程学报, 2oo2(3):270~274 维普资讯 http://www.cqvip.com

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