（制糖工程专业论文）基于微生物法生产木糖醇的水解副产物抑制因子的研究.pdf

广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：妄1 患 2 0 1 0年6 月2 0 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名：彳幻，佃薄2 。1 。年6 月2 。日 删 基于微生物法生产木糖醇的水解副产物抑制因子的研究 摘要 木糖醇是一种重要的甜味剂，在许多领域具有广泛的应用。目前，利 用微生物转化法生产木糖醇的新方法克服了化学法的缺点，成为研究热点。 但是，半纤维素的木糖水解液中存在抑制微生物发酵的副产物，相关问题 的解决成为微生物转化生产木糖醇的关键。本论文从微生物转化法生产木 糖醇的现状出发，着重研究水解液中副产物抑制因子。通过响应面对蔗渣 常压加酸水解工艺进行了优化，并对水解液中主要三类副产物进行了测定， 重点研究了3 大类副产物中的主要8 种物质对发酵的影响。 实验结果如下： 1 响应面优化蔗渣常压水解木糖的最佳工艺：温度1 0 2 ，硫酸浓度 8 2 2 ，水解时间11 0m i n ，液料比1 7 2 5 ：1 ，在此条件下木糖得率为2 1 5 7 。 2 本文研究了利用气相色谱法测定水解液中弱酸的条件，以及福林酚 法、分光光度法分别测定水解液中酚类物质和呋喃衍生物的含量。 3 研究了8 种水解副产物对季也蒙假丝酵母发酵木糖醇的影响作用。 ( 1 ) 甲酸对发酵木糖醇的抑制作用最为明显，1g l 。甲酸对发酵就具 有较为明显地抑制作用，5g l d 甲酸几乎完全抑制了发酵。lg - l j 乙酸、乙 酰丙酸有利于发酵的进行，当它们的浓度小于2g - l j 时，对发酵没有明显 地抑制作用，但当它们的浓度达到8g l d 时完全抑制了发酵的进行。 ( 2 ) 糠醛和5 羟甲基糠醛对于发酵木糖醇的抑制作用较强。1g l j5 羟甲基糠醛对发酵基本没有影响，lg l 。1 的糠醛对发酵有一定的促进作用， 当它们的浓度大于lg l 1 对发酵的抑制作用较为明显，浓度达到6g l 1 时 发酵被完全抑制。 ( 3 ) 酚类物质对发酵抑制作用均较为明显，1g - l 。的邻苯二酚对发酵 就具有较为明显地抑制，但1g - l 1 的4 羟基苯甲酸和香草醛对发酵没有明 显地抑制作用。当它们的浓度达到5 6g l 。1 时几乎完全抑nt 发酵的进行。 ( 4 ) 水解液中的弱酸类或者呋喃衍生物的同类副产物共存时，对于发 酵木糖醇的抑制影响基本呈现累加效应，较低浓度的酚类物质共存时，对 发酵的抑制作用增强，表现出协同作用。 ( 5 ) 弱酸类和呋喃衍生物共同存在时，抑制作用增强，表现出协同抑 制作用；弱酸类和酚类共存时，表现出抑制物的累加效应；呋喃衍生物和 酚类共存时，抑制作用减小，表现出拮抗抑制作用。当三类副产物质共存 时，对木糖醇的发酵基本呈累加抑制效应。 关键词：木糖水解木糖醇副产物抑制发酵 s t u d y0 nt h eh y d r o l y t i cb y - p r o d u c t sb a s e d o nt h ex y l i t o lp r o d u c t i o nb ym i c r o b i o l o g i c a l m e t h o d a b s t r a c t x y l i t o li sak i n do fi m p o r t a n ts w e e e t e n i n ga g e n t ，a n di su s e di nm a n y a s p e c t s a tp r e s e m ，i th a sb e e nb e c o m et h eh o ts p o ts t u d y i n gt om a k eu s eo ft h e n e wm e t h o do fm i c r o b i a lc o n v e r s i o nf o rt h ee f f e c t i v e p r o d u c t i o no fx y l i t o l ， w h i c ho v e r c o m e st h es h o r t c o m i n go fc h e m i c a lm e t h o d h o w e v e r , t h e r ea r e b y p r o d u c t si nt h ec e l l u l o s eh y d r o l y s i sl i q u i d ，w h i c hc a ni n h i b i tt h ef e r m e n t a t i o n o f m i c r o o r g a n i s m a sar e s u l t ，i ti st h ek e yt os o l v et h ei n t e r r e l a t e dp r o b l e mf o r m i c r o b i a lc o n v e r s i o nf o rx y l i t o lp r o d u c t i o n t h i st h e s i s ，f o l l o w i n gt h ec u r r e n t s i t u a t i o no fm i c r o b i a lc o n v e r s i o nf o rx y l i t o lp r o d u c t i o n ，m a i n l yh a sc a r d e do u t r e s e a r c ho ni n h i b i t i n gf a c t o r so fb y p r o d u c t si nt h eh y d r o l y s i sl i q u i d o p t i m i z e n o r m a la t m o s p h e r eh y d r o l y s i sp r o c e s so f x y l o s ef r o mb a g a s s et h r o u g hr e s p o n s e s u r f a c e ，a n dt h e nt h r e ec a t e g o r i e so fb y p r o d u c t sh a v eb e e nt e s t e d ，a n dm a i n l y f o c u s eo ne f f e c t so fe i g h tk i n d so f h y d r o l y s i sb y p r o d u c t so nt h ef e r m e n t a t i o no f x y l i t 0 1 e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa sf o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 r e s p o n s es u r f a c eo p t i m i z a t i o no f n o r m a la t m o s p h e r eh y d r o l y s i sp r o c e s s o fd o s ef r o b a g a s s e ，c o n c l u s i , w i t h 2 2 s u l f u r cnotx y l o s et r o mb a g a s s ec o n c l u s i o n ：w i t h8s u l f u r i ca c i dc o n c e n t r a t i o n ， 3 e f f e c t so fe i g h tk i n d so f h y d r o l y s i sb y - p r o d u c t so nt h ef e r m e n t a t i o no f x y l i t o lb yc a n d i d ag u i l l i e r m o n d i ih a v eb e e ns t u d i e d ： ( 1 ) t h ef e r m e n t a t i o no fx y l i t o li sm o s to b v i o u s l yi n h i b i t e db yf o r m i ca c i d ， e v e na tt h ec o n c e n g a t i o no f1g - l 一1 ，a n dt h ef e r m e n t a t i o no f x y l i t o li sa l m o s t c o m p l e t e l yi n h i b i t e dw i t ht h ec o n c e n t r a t i o no f5g l 一1 1g l - 1a c e t i ca c i do r l e v u l i n i ca c i di sb e n e f i c i a lt ot h ef e r m e n t a t i o n ，a n df e r m e n t a t i o ni n h i b i t i o ni sn o t o b v i o u sw h e nt h e i rc o n c e n t r a t i o ni sl e s st h a n2 g l 一1 ，w h i l et h ef e r m e n t a t i o no f x y l i t o li sa l m o s tc o m p l e t e l yi n h i b i t e da tt h ec o n c e n t r a t i o no f8g l 1 ( 2 ) i n h i b i t i o ni sv e r ys t r o n gf o rt h ef e r m e n t a t i o no fx y l i t o lw i t hf u r f u r a la n d 5 - h y d r o x y m e t h y lf u r f u r a l f e r m e n t a t i o nh a sn o ts h o w nt oh a v ea ne f f e c tw h e n t h ec o n c e n t r a t i o no f5 - h y d r o x y m e t h y lf u r f u r a li s 1 g - l 一，w h i l et h ep r o m o t i n g e f f e c to nf e r m e n t a t i o nh a sb e e no b s e r v e dw i t h 1 g l f u r f u r a l ，b u tt h e f e r m e n t a t i o no fx y l i t o li so b v i o u s l yi n h i b i t e dw h e ne i t h e rc o n c e n t r a t i o ni sm o r e t h a n1g l ，w h i l et h e i rc o n c e n t r a t i o nu pt o6g l 。1a l m o s tc o m p l e t e l yi n h i b i t e d t h ef e r m e n t a t i o no fx y l i t 0 1 ( 3 ) p h e n o l i cc o m p o u n d sh a v eb e e ne x e r t e dac o n s i d e r a b l ei n h i b i t o r ye f f e c t v i nt h ef e r m e n t a t i o no fx y l i t o l ，a n do b v i o u si n h i b i t i o ni so b s e r v e dw h e nt h e c o n c e n t r a t i o no fc a t e c h o li slg l ，b u tlg l 14 - h y d r o x y b e n z o i ca c i do rv a n i l l i n h a ss h o w nt oh a v en oe f f e c ti nt h ef e r m e n t a t i o n f e r m e n t a t i o no fx y l i t o li s a l m o s tc o m p l e t e l yi n h i b i t e dw h e nt h e i rc o n c e n t r a t i o ni su pt o5 6 g l 一 ( 4 ) i n h i b i t i o no fx y l i t o lf e r m e n t a t i o nb a s i c a l l ya s s u m e sa d d i t i v ee f f e c t w h e nt h eb y p r o d u c t so fs a m es o r to fw e a ka c i d so rf u r a nd e r i v a t i v e sc o e x i a ， a n di n h i b i t o r ye f f e c tf o rx y l i t o lf e r m e n t a t i o ni n c r e a s e s ，c a l l e ds y n e r g e t i ce f f e c t ， w h e nl o wc o n c e n t r a t i o n so f p h e n o l i cc o m p o u n d sc o e x i s t ( 5 ) i n b i b i t i o na s s u m e ss y n e r g e t i c e f f e c tw h e n w e a ka c i d sa n df u r a n d e r i v a t i v e sc o e x i s t ，a n da d d i t i v ee f f e c th a sb e e no b s e r v e dw h e nw e a ka c i d sa n d f u r a nd e r i v a t i v e sc o e x i s t ，b u ti n h i b i t o r ye f f e c tf o rx y l i t o lf e r m e n t a t i o nd e c r e a s e s ， c a l l e da n t a g o n i s m ，w h e nf u r a nd e f i v a t i v e sa n d p h e n o l i cc o m p o u n d sc o e x i s t k e y w o r d s ：x y l o s e ；h y d r o l y s i s ；x y l i t o l ；b y p r o d u c t ；i n h i b i t i o n ；f e r m e n t a t i o n 目录 第一章绪论1 1 1 选题目的和意义l 1 2 木糖醇及其理化性质2 1 3 木糖醇的生理功能4 1 4 木糖醇的应用5 1 5 木糖醇的生产6 1 6 微生物转化法生产木糖醇研究现状9 1 7 存在的主要问题1 l 1 8 本文研究的内容1 2 第二章水解液中主要副产物的测定1 3 2 1 气相色谱法测定水解液中的弱酸1 4 2 1 1 主要试剂与仪器。1 4 2 1 2 实验方法1 4 2 1 3 水解样品的测定1 5 2 1 4 方法精密度及回收率实验1 6 2 2 分光光度法测定糠醛和5 羟甲基糠醛17 2 2 1 测定原理1 7 2 2 2 主要试剂和仪器18 2 2 3 测定方法。18 2 2 4 样品的测定1 9 2 3 福林酚法测定水解液中总酚的含量1 9 2 3 1 主要试剂与仪器1 9 2 3 2 实验方法2 0 2 3 3 样品的测定2 0 2 4 本章小结2 1 第三章蔗渣酸水解工艺一2 2 3 1 原料、试剂和仪器2 3 3 2 实验方法2 3 3 3 结果与分析2 5 3 3 1 蔗渣主要成分的含量2 5 3 3 2 水解温度对木糖得率的影响2 5 3 3 3 硫酸浓度对木糖得率的影响2 6 3 3 4 水解时间对木糖得率的影响2 7 3 3 5 液料比对木糖得率的影响2 7 3 3 6 响应面分析及工艺优化2 8 3 4 木糖最佳优化工艺的确定3 2 3 5 副产物的测定3 3 3 6 本章小结3 6 第四章水解副产物对发酵木糖醇影响的研究3 7 4 1 菌种与培养基：3 7 4 1 1 菌种3 7 4 1 2 培养基：3 7 4 2 发酵实验。：3 7 4 3 分析方法3 8 4 4 结果分析3 9 4 5 试剂与设备4 0 4 6 发酵条件对c a n d i d ag u i l l i e r m o n d i i2 0 0 6 3 发酵木糖醇的影响4 0 4 6 1 初始p h 值的影响4 0 4 6 2 初始木糖浓度的影响4 1 4 6 3 接种量的影响4 2 4 7 水解副产物对发酵木糖醇影响的研究4 3 4 7 1 弱酸类。4 3 4 7 1 1 乙酸对季也蒙假丝酵母发酵木糖醇的影响4 4 4 7 1 2 甲酸对季也蒙假丝酵母发酵木糖醇的影响4 5 4 7 1 3 乙酰丙酸对季也蒙假丝酵母发酵木糖醇的影响4 6 4 7 2 呋喃衍生物4 8 4 7 2 1 糠醛对季也蒙假丝酵母发酵木糖醇的影响4 8 4 7 2 25 羟甲基糠醛对季也蒙假丝酵母发酵木糖醇的影响4 9 4 7 3 酚类化合物51 4 7 3 14 羟基苯甲酸对季也蒙假丝酵母发酵木糖醇的影响5 1 4 7 3 2 香草醛对季也蒙假丝酵母发酵木糖醇的影响5 2 4 7 3 3 邻苯二酚对季也蒙假丝酵母发酵木糖醇的影响5 3 4 7 4 副产物共存对发酵影响的研究5 5 4 7 4 1 弱酸共存对季也蒙假丝酵母发酵木糖醇的影响5 5 4 7 4 2 呋喃衍生物共存对季也蒙假丝酵母发酵木糖醇的影响5 6 4 7 4 3 酚类物质共存对季也蒙假丝酵母发酵木糖醇的影响5 6 4 7 4 4 三类副产物共存对季也蒙假丝酵母发酵木糖醇的影响5 7 4 8 本章小结5 8 第五章结论与展望6 0 5 1 全文总结6 0 5 2 存在问题6 1 5 3 展望j 6 1 参考文献6 2 蜀l 谢6 7 攻读学位期间发表的学术论文6 8 广。西大掌硕士学位论文 基于微生物发生产木糖醇的水解；q 产物抑制因子的研究 1 1 选题目的和意义 第一章绪论 近年来，随着人口的增长和资源的消耗，可再生资源的开发利用已成为世界各国以 及一些国际组织共同关注的焦点问题之一。在植物的光合作用产物中，半纤维素为仅次 于纤维素的一大类碳水化合物。甘蔗渣中的半纤维素是一种取之不尽而又待开发的可再 生资源，其降解后所产生的木糖可以用作基本碳源生产木糖醇。 木糖醇是人体糖代谢的中间产物之一，其甜度与蔗糖相当，能量相当于葡萄糖，因 其具有防龋特性，人体代谢无需胰岛素参与等功能，被广泛用作功能性甜味剂。另外， 临床实验表明，木糖醇对改善肝功能、治疗急慢性肝炎、急性心肌炎、糖尿病( 包括隐 性糖尿病) 、肾功能衰竭等也有较好的效果。木糖醇也被广泛应用于化工、轻工以及国 防等领域。据相关统计数据表明，木糖醇年国际市场需求量在4 万吨以上，但实际供应 量只有2 万吨左右。另外，由于目前木糖醇的价格相对较高，国内的木糖醇生产大部分 出口，换取外汇。但随着社会的不断进步和经济的不断发展，人民群众的生活水平日益 提高，保健意识的增强以及对木糖醇诸多功能的认识，预计我国将从目前的世界木糖醇 生产和出口大国逐渐变成木糖醇生产和消费大国。 目前，国内外工业化生产木糖醇采用的是化学合成法。该法一般是先以玉米芯、甘 蔗渣等富含半纤维素的植物纤维原料，经过高温高压的酸水解后分离纯化得到木糖，再 经过高温高压催化加氢、重结晶等步骤制得木糖醇。整个工艺包含了一系列复杂的分离 纯化步骤，工艺流程长，成本高，以致使木糖醇的价格较高，一定程度上限制了国内的 消费市场，客观上制约了木糖醇的应用。然而，生物法生产木糖醇因生物催化的专一性 强、条件温和、可节省高压设备和大量的催化剂、节省能耗、简化工艺、减轻污染，特 别是提纯工艺简单、产品纯度高，因此开展生物法生产木糖醇的研究具有重要意义。 国内外对生物转化法生产木糖醇的研究不断深入。但是，利用微生物直接发酵半纤 维素水解液生产木糖醇，也需要解决很多问题。其中最为突出的问题是木质纤维素原料 水解过程伴随产生对于微生物有毒的副产物，如木糖的降解产物糠醛，半纤维素脱乙酰 基生成醋酸，木质素降解生成酚类化合物等。这些物质都能不同程度地抑制微生物细胞 生长，影响半纤维素水解液的木糖醇发酵性能。 因此，只有经过脱毒工艺处理过的半纤维素水解液，才能用于微生物发酵生产木糖 醇。已有的水解液脱毒方法不是脱毒效果不理想，就是脱毒成本过高，木糖醇的水解液 发酵生产与化学法生产相比没有表现出明显优势。因此，水解液中副产物的相关问题成 为微生物转化生产木糖醇的关键。 本研究从微生物转化法生产木糖醇的现状出发，结合国内外相关的研究报道，对其 基于微生物发生产木糖醇的水解吾n 产物抑制因子的研究 半纤维素水解液及副产物的主要成分进行定性和定量的分析，并对副产物对木糖醇发酵 的影响进行研究，为开发适宜的减少抑制的策略提供依据，为进一步提高利用蔗渣等木 质纤维素原料发酵生产木糖醇及发酵菌种的改造提供一定的理论基础，以求从根本上提 高木糖醇的产量。 1 2 木糖醇及其理化性质 1 2 1 木糖醇 木糖醇( x y l i t 0 1 ) ，是由木糖衍生的一种五碳糖醇，化学分子式c 5 h 1 2 0 5 ，相对分子 量为1 5 2 1 5 。化学结构式如图1 1 所示。 h 2 - o h i h c o h i h 肚c h i i h2coh 图1 - 1 木糖醇化学结构式 f i g 1 - 1c h e m i c a ls t r u c n j r a lf 0 n n u l ao f x y l i t o l 木糖醇呈白色粉末状或白色晶体状，是糖醇中最甜的一种，具有与蔗糖相当的甜度， 但热量只有蔗糖的三分之一i l 】。其相对密度1 5g c m o ，具有一定的吸湿性，极易溶于水， 溶解度1 6 0 秒1 0 0 m l ，微溶于乙醇和甲醇，热稳定性好1 2 j 。熔点9 2 9 6 ，沸点2 1 6 ( 一个标准大气压) ，1g 木糖醇全部代谢产生4 0 6c a l 的热量，与葡萄糖相当。木糖醇 广泛存在于果蔬中，但含量都很低，所以从天然水果和蔬菜中提取木糖醇是相当困难的， 成本太高，工业化是不可能的。木糖醇在蔬菜、水果中的含量如表1 1 所示p j 。 表1 - 1 果蔬中木糖醇的含量 t 出1 e1 - 1c o n t e n to f x y l i t o li nv e g e t a b l em d 舢i t 名称 含量( m # l o og 干物质) 名称 含量( r a 9 1 0 0g 干物质) 香蕉 2 1 洋葱 8 9 草莓 3 6 2 莴苣 1 3 1 菠萝 2 l 菠菜 1 0 7 青梅 9 3 5韭菜5 3 胡萝卜8 6 5 白蘑菇1 2 8 2 厂。西大掌硕士学位论文 一 基于微生物发生产木糖醇的水解；n 产物抑制因子的研究 1 2 2 木糖醇的甜度 木糖醇作为国际上公认的安全食品添加剂，它是一种具有营养价值的甜味物质，是 所有多元醇中甜度最高的一种。木糖醇具有和蔗糖相似的甜度，已广泛在高档食品中用 作甜味剂或者增味剂。日常生活中，食糖过多容易产生龋齿，鉴于这个问题，人们一直 在寻求新型食糖替代品【4 】。国外比较常见的营养性食糖替代品，主要是山梨醇和甘露醇， 它们外观和蔗糖相仿，但甜度不及蔗糖的一半，所以用作蔗糖的替代品并不理想。然而， 木糖醇的甜度与蔗糖相似，还比蔗糖略高，能够跟蔗糖同样地食用和应用于食品加工业。 此外，木糖醇不造成龋齿和不影响糖尿病人的血糖值，所以木糖醇是蔗糖等甜味剂的理 想替代品。木糖醇的甜度与其它天然甜味料比较【5 】如表1 2 ( 一般甜度比较，是指1 0 的水溶液在2 0 时的甜度) 。 表1 2 常见甜味料的甜度 t a b l e1 - 2 s a c c h a r i n i t yo fc o m m o ns w e e t e n i n ga g e n t 1 2 3 木糖醇的清凉感 木糖醇晶体具有较高的溶解热一1 5 2j g ，比蔗糖的溶解热约大1 0 倍，即木糖醇溶 解时，吸收大量的热量，使介质温度降低【5 】。所以当在食品中加入木糖醇后，会产生清 凉的口感，可以增强薄荷风味。但是，在无定型和液体状态时无此感觉，只有食品制成 结晶状，才能保证食用时产生凉爽感。因此，木糖醇溶解后制成的饮料，饮用时就没有 清凉感了。 1 2 4 木糖醇的吸湿性 随着相对湿度的变化，木糖醇的吸湿性也随之产生变化，如表1 3 所示。与纯粹的 蔗糖相比，木糖醇具有一定的吸湿性，故木糖醇不适于制取干脆的食品，例如用木糖醇 代替蔗糖制饼干，烘烤成后，在空气中放久后，就会变软。但如果用其制作一些松软的 点心时，比如蛋糕，则能比使用蔗糖保持更长时间的松软性5 1 。 3 广西大学硕士学位论文基于微生物发生产木糖醇的水解蕃u 产物抑制因子的研究 表1 - 3 木糖醇在不同相对湿度下的吸湿性 t a b l e1 3h y g r o s c o p i c i t yo fx y l i t o lu n d e rd i f f e r e n tr e l a t i v eh u m i d i t y 嘞相对删 一天筹三天 2 37 6o 0 40 1 1 80 3 0 8 2 38 03 87 6 42 5 2 2 39 22 1 73 7 79 2 3 4 3 7 4 5 0 0 4 8 一一 3 75 50 0 5 4 一一 3 76 30 0 5 4 一一 1 3 木糖醇的生理功能 木糖醇在所有食用糖醇中，其生理活性最好。它在防龋齿、不增加血糖值、作为糖 尿病人的食品方面，都显示了比其它糖醇，如山梨醇、麦芽糖醇、甘露醇，更为明显地 优势【6 1 。 木糖醇作为一种功能性甜味剂，能参与人体代谢，进入血液后，不需要胰岛素就能 透入细胞，而且代谢速度快，不会引起血糖值升高，是最适合于糖尿病人食用的有营养 性的蔗糖替代t 6 1 ，惟一成为医药主管部门批准为糖尿病人辅助治疗的品种。 1 3 2 改善肝功能 当用木糖醇作为静脉注射时，血中乳酸、丙酮酸、葡萄糖含量下降，并使胰岛素有 轻微的上升，肝脏中的肝糖原随之增加，血糖不会上升【7 1 。对肝病患者有一定的改善肝 功能和抗脂肪肝的作用，可作为肝炎并发症病人的理想辅助药物嘲。 1 3 3 调节肠道功能 研究发现木糖醇同低聚糖类似，具有明显改善胃肠功能，促进肠道有益菌群的增殖， 达到调节胃肠免疫功能和促进双歧杆菌、乳酸菌的增殖【9 1o 】。北京联合大学组织进行的 动物实验表明，木糖醇有明显改善小鼠胃肠功能的效果。木糖醇在动物肠道中滞留，具 有减缓吸收的作用，可促进肠道内有益菌群，如双歧杆菌的增殖。按有关测算，每人每 4 广西大掌硕士学位论文 基于微生物发生产木糖醇的水解副产物抑制因子的研究 天食用木糖醇1 5g 左右，可达到调节肠道功能的作用【l l 】。 1 3 4 防龋齿功能 木糖醇具有防龋齿功能：首先是口腔中产生龋齿的细菌不能发酵利用木糖醇，抑制 了相关细菌的生长及酸的产生；其次木糖醇能促进唾液分泌，减慢p h 值下降，预防牙 齿的酸蚀，从而防止龋齿和减少牙斑的产生f 1 2 】。 1 4 木糖醇的应用 由于木糖醇具有上述的优良特性，其用途越来越广泛。目前，木糖醇的主要用途可 概括为下列几个方面： 1 4 1 食品中的应用 由于木糖醇的理化性质与蔗糖相近，因此，凡是使用蔗糖的食品基本上都可以用木 糖醇代替，使用方法基本同蔗糖【1 3 1 ，如生产糖果、口香糖、巧克力、饮料、果酱、点心 等。同时，木糖醇又具有其独特的生理功能，作为医疗保健食品市场前景广阔。 木糖醇的防龋特性，使木糖醇是一种理想的防龋食品。功能性糖果方面，木糖醇主 要作为食糖的替代品添加于口香糖、硬糖和其口腔卫生品种的良好甜味剂。它们能有效 地预防、抑制龋齿的发生；保持或者提高糖果的甜味，且降低糖果的含糖量。目前，无 糖口香糖就是用木糖醇等糖醇类替代蔗糖生产，其薄荷香味和清凉感，深受人们的喜爱， 但粘度略逊于蔗糖，需要加阿拉伯胶调整【1 4 1 。 食物疗法中，木糖醇既是甜味添加剂，又具有食疗的功能【1 5 j 。例如，木糖醇加入到 具有食疗作用的蛋糕类甜食中，以及替代巧克力制品中的蔗糖，适合喜爱甜食的糖尿病 患者食用。 酒类添加剂，白酒中加入1 5 木糖醇，白酒的口味滑爽醇厚，香味浓郁；同时酒 中添加木糖醇，微生物的危害度也降低【1 6 】。 以木糖醇、麦芽糖醇、砂糖和果糖等作为复合性甜味剂生产维生素饮料【1 刀。木糖醇 主要改善饮料的甜味及赋予其清凉感，且木糖醇的使用控制了热量值，同时稳定维生素 的功效。 1 4 2 医药中的应用 木糖醇已成为医药行业生产药物的重要原料之一。木糖醇注射液可作为糖尿病人的 5 广西大学硕士掌位论文基于微生物发生产木糖醇的水解副产物抑制因子的研究 营养用药，具有补充热量和体液，改善糖代谢，消除酮血症的作用，是糖尿病患者代用 品。木糖醇能促进体内胰岛素分泌，且未发现不良副作用，故是治疗轻度糖尿病的一种 有前途的药物，对中、重度糖尿病，可作为一种辅助药物。由于木糖醇的独特疗效及特 点，不仅为糖尿病人专用，是继葡萄糖、氯化钠注射液之后的新一代营养型载体输液而 广泛用于临床。木糖醇也可作为润喉药物、止咳糖浆等药物的辅料【1 8 】。 1 4 3 塑料工业 木糖醇可以作为硬质泡沫塑料的基本原料，它比甘油制造的同类产品硬度更大，可 在石油、化工等部门作为具有耐火性能的绝热材料。木糖醇还可直接作为聚氯乙烯树脂 塑料的添加剂，它能够增加塑料的相容性，提高塑料制品的质量，还可以提高塑料的电 阻，使其能够应用于高压电缆材料方面。木糖醇和低碳合成脂肪酸生成的酯，可作为增 塑剂应用在制造人造革、农用薄膜和塑料凉鞋等方面。此外，木糖醇低碳羧酸酯具有耐 热性较好的特点，在某些塑料制品中可以代替环氧大豆油等耐热增塑剂使用。 1 4 4 炸药工业 木糖醇是多羟基醇，含有的五个羟基，能被硝酸硝化，生成三硝基或五硝基木糖醇， 它们是一类高效的爆炸性物质，且具有安全性好的特点。在硝化反应过程中毒性也较小， 有益于操作工人的健康。 1 4 5 其它行业的应用 另外，木糖醇具有一定的吸湿性，可作为卷烟的加香保湿剂；在纸张加工中作为增 韧剂；在牙膏生产中，可代替部分甘油和甜味剂生产牙膏。木糖醇还能用来制造各种色 泽的调和漆、醇酸磁漆，用于建筑、家具、车厢、维修等方面。木糖醇酯类和羟乙基化 产品可作为表面活性剂，用作有机农药的乳化剂以及石油加工中脱除微量水分的破乳剂 世 弋亍口 1 5 木糖醇的生产 木糖醇的生产方法主要有：固液萃取法、化学合成法、生物转化法。如图1 2 所示。 6 西大掌硕士掌位论文基于微生物发生产木糖醇的水解菩9 产物抑制因子的研究 含半纤维素的 水果或蔬菜商品木糖 植物纤维素原料 催化剂( 酸等) 1r 萃 取 水解 剂 含木糖水解液 1r 提纯脱毒 固液萃取 h 2 上 ， r r 生物转化 催化加氢 1r 分离纯化 rj n 木 糖 醇r 图1 - 2 木糖醇生产方法 f i g 1 - 2m e t h o d so fx y l i t o lp r o d u c t i o n 1 5 1 固液萃取法 木糖醇存在于天然的水果和蔬菜中，在酵母和蘑菇中也有发现。虽然可用固液萃取 的方法将其从这些原料中提取出来，但是由于含量很低，大量制备困难且很不经济【1 9 1 。 1 5 2 化学加氢法 化学加氢法是传统的生产方法，即将农业植物废料如玉米芯、蔗渣等水解，使其中 7 广西大学硕士学位论文 基于微生物发生产木糖醇的水解副产物抑制因子的研究 的多缩戊糖降解为木糖，木糖再经氢化，便得到木糖醇【2 0 1 。木糖的氢化实际上使木糖的 羰基在催化剂的参与下，高温高压氢化还原为羟基的反应，工序要求在8 0 - 1 2 0 ，5 0 a t m ，镍催化条件下进行【2 1 1 。 从化学反应上看，只需水解、氢化两步，但在工业生产中，需要一系列复杂的工序。 先将水解液中含有的酸、色素、灰分等杂质除去。氢化工序要求较高纯度的木糖液，如 果木糖液中含有较多杂质，将导致加氢过程的催化剂中毒并很快失去活性。只有使水解 液中的木糖浓度达到9 5 以上，才适合于加氢制成木糖醇。 目前工业化生产木糖醇的主要工艺方法有中和法、离子交换脱酸法、结晶木糖法等， 其主要工序为： ( 1 ) 中和法： ( 3 ) 结晶木糖法： i 一j i 一i _ j 由于这些方法均要在氢化前对木糖水解液进行多步的纯化处理，使得木糖醇的制备 成本大大增加。氢化步骤的镍催化剂又会污染环境。因此，这些因素增加了木糖醇的生 产成本。因此，不需要以高纯度木糖为原料，且在温和条件下进行的生物转化法生产生 产太糖醇尸成为石犴有执d i 2 2 1 1 5 3 微生物转化法 利用催化加氢的化学法生产木糖醇，必须消耗大量的蒸汽，工艺流程较长，过程损 8 广西大掌硕士掌位论文基于微生物发生产木糖醇的水解副产物抑制因子的研究 失也过多，理论上生产lt 结晶商品木糖醇需要3 5t 原料，消耗化工原料多，且反应 需要高温、高压，对反应条件要求高；加氢没有选择性，产生的杂质多，使得提取精制 困难。这些缺点都增加了生产成本，制约了木糖醇消费市场的扩大【2 3 1 。 生物转化法，即通过微生物体内的木糖还原酶将木糖转化为木糖醇。利用此法生产 木糖醇，可以克服化学合成法的缺点i 整个生产过程反应条件温和，不需要高温高压； 工艺相对简单，容易控制；由于菌种特性及微生物酶的专一性，目标产物较单一，降低 了生产的成本【2 4 】。生物转化法生产木糖醇，只要在生产木糖工厂的工艺中增加通风发酵 设备，其它单元操作可按照木糖生产中的一般工艺流程，大大节省投资。正是这些特点， 吸引着科学工作者进行深入研究，以期获得突破性进展，为社会带来更大的经济效益 【2 5 】。 1 6 微生物转化法生产木糖醇研究现状 生物转化法生产木糖醇，虽然可克服化学加氢法的诸多缺点。但由于水解液体系的 复杂性，人们首先以商品木糖为底物，对生物转化进行了研究，研究影响木糖发酵生产 木糖醇的主要因素。在此基础上，进一步研究了半纤维素酸水解液的木糖醇发酵，寻找 经济有效的水解液脱毒方法，以提高木糖醇的产率。 目前的研究主要在以下几个方面：产木糖醇菌株的筛选、发酵参数的优化、水解液 的脱毒方法、发酵液的结晶纯化。 1 6 1 产木糖醇的微生物 根据已有的研究，在自然界的微生物当中，只有较少的细菌可以将木糖转化为木糖 醇，真菌产木糖醇的效率更低，目前研究较多的是酵母。已经发现，产木糖醇性能优越 的酵母菌株主要集中于c a n d i d 属( 假丝酵母属) ，如c g u i l l i e r m o n d i i ，c t r o p i c a l i s 矧， c m o g i i l 2 7 1 ，c p a r a s i l o s i s l 2 引，部分属于d e b a r y o m y c e 属( 德巴利酵母属) ，如d h a n s e n i i 2 9 】 和p a c h y s o l e n 属( 管囊酵母属) ，如e t a n n o p h i l u s 3 0 1 。 1 6 2 发酵参数的优化 目前，国内外多以纯木糖为底物发酵生产木糖醇，对发酵过程中参数进行了优化， 主要研究了以下几个方面的内容：发酵通气量的影响、培养基的影响、木糖初始浓度、 p h 和温度的影响、接种量及种子龄的影响、发酵方法等。 1 6 3 水解液的脱毒 9 广西大掌硕士掌位论文 基于微生物发生产木糖醇的水解副产物抑制因子的研究 由于水解液中存在对发酵起抑制作用的副产物，相应的