木糖醇的應用及其生產(chǎn)工藝研究畢業(yè)論文

1、茂名職業(yè)技術學院畢 業(yè) 論 文題目 木糖醇的應用及生產(chǎn)研究 系 （部） 化學工程系 專 業(yè) 石油化工生產(chǎn)技術班 級 姓 名 指導教師 日 期 2012/12/18 摘 要隨著時代的發(fā)展，木糖醇廣泛的被應用在食品等領域。為了對木糖醇有更為深入的了解，本文將從木糖醇的基本概況、生理功能、木糖醇的應用、木糖醇的生產(chǎn)工藝及其在我國的發(fā)展狀況和前景對木糖醇進行初步研究。關鍵詞：木糖醇、應用、生產(chǎn)工藝目 錄1.木糖醇的基本概況木糖醇的英文名稱是xylitol木糖醇的分子式為c5h12o5,是一種五碳糖醇。木糖醇分子量為152.15，純度98.0%(t)木糖醇原產(chǎn)于芬蘭，是從白樺樹、橡樹、玉米芯、甘蔗渣等植

2、物中提取出來的一種天然植物甜味劑。有助于牙齒的清潔度，但是過食用過度可能帶來腹瀉等副作用 1 。木糖醇的結構式為木糖醇的物化性質：木糖醇是白色結晶或粉末，味甜，似綿白糖，甜度是蔗糖的1.05倍，熱量與葡萄糖相似，吃在口中有清涼感，這是因為它易溶于水，并在溶解時會吸收一定熱量。木糖醇微溶于酒精，難溶于有機溶劑，熔點9295，有吸濕性，木糖醇是糖類在人體內(nèi)正常代謝的中間體，即使人們不吃糖，在人體的血液里也含有0.030.06%的木糖醇 2 。天然物質木糖醇的含量，如表1所示3 2.木糖醇的生理功能木糖醇是糖類代謝的正常中間體，它在沒有胰島素時，也能透過細胞膜被組織吸收利用，即使是在人體糖代謝發(fā)生障

3、礙時，木糖醇的代謝也十分完全。木糖醇能減慢血漿中產(chǎn)生脂肪酸的速度，但不會使血糖上升。4.56%的木糖醇溶液和血液等滲，當用木糖醇作靜脈注射時，血中乳酸、丙酮酸、葡萄糖含量下降，并使胰島素有輕微上升。肝臟中的肝糖會隨之增加。故木糖醇既是糖尿病人的治療劑和營養(yǎng)劑，也是肝炎病人的保肝藥物，對于糖尿病和肝炎的并發(fā)癥病人，木糖醇是最理想的藥物。木糖醇有較強的抗酮體作用，比山梨酸更優(yōu)越。以木糖醇靜脈注射，搶救酮體病人，有較好的療效。木糖醇熱穩(wěn)定性好，和氨基酸一起加熱不產(chǎn)生化學反應，可以和氨基酸配制種種制劑作為營養(yǎng)藥物。木糖醇還能促進胃液的分泌，促進胰臟和膽的活性，促進腎上腺皮質激素等增加，適用于老年人和體

4、弱的人4。3.木糖醇的應用結合木糖醇的生理功能，使木糖醇在許多領域有著很多的應用，下面將對其進行應用方面的介紹。3.1.在食品領域的應用因為木糖醇在體內(nèi)的代謝，和胰島素沒有關系，所以木糖醇應用于糖尿病患者食品的生產(chǎn)。同時木糖醇在口中可以有清涼感，并且在口中不被細菌發(fā)酵生成乳酸，對微生物而言是不良的培養(yǎng)基，所以不會產(chǎn)生齲齒，故而可用于制作口香糖。木糖醇作為食糖的代用品具有獨特的優(yōu)點，木糖醇在食品加工時不會因加熱而發(fā)生“美拉德”褐變反應，這是因為木糖醇與糖類不同，沒有醛基，不會和氨基酸發(fā)生反應使食品色澤加深。木糖醇不受酵母菌和細菌的作用、不發(fā)生霉變，可以延長食品的保存期限。所以木糖醇廣泛應用在口香

5、糖、巧克力、飲料、食用糖果等制品中以代替蔗糖、麥芽糖、果糖、砂糖等5-6。3.2 在藥學領域的應用3.2.1 藥劑的輔料木糖醇外觀呈白色結晶粉末狀，甜度相當于蔗糖，不霉變，且對酸、熱穩(wěn)定， 存性能良好，即使暴露在大氣中也不會吸水受潮，作為制劑的輔料常用于顆粒劑、丸劑、糖漿劑等劑型中。3.2.2 木糖醇類表面活性劑 多元醇類非離子表面活性劑中，眾所周知的有山梨醇脂肪酸酯，也就是國際上通用的span(司盤)和tween(吐溫)。木糖醇和山梨醇都是多元醇，只是木糖醇比山梨醇少一個碳和一個羥基，物化性質極其相似。木糖醇類表面活性劑有兩種2 ，一種為木糖醇和硬脂酸在堿性介質中，在200210下，酯化2

6、h生成的木糖醇硬脂酸酯，可用于雙氧水脫色，其性質和司盤60相似；另一種為木糖醇油酸酯，生產(chǎn)工藝與司盤一樣，是用途廣泛的非離子表面活性劑。有學者對所合成藥用非離子表面活性劑木糖醇酯進行了動物生理和藥理試驗，并初步應用于臨床。3.3 在醫(yī)學領域的應用木糖醇可以作為優(yōu)質的輸液載體。木糖醇注射液可與多數(shù)注射液配伍，因為木糖醇熱穩(wěn)定性好，木糖醇注射液的ph范圍比葡萄糖注射液的ph范圍寬(4570)，另外木糖醇沒酮基和醛基，其化學性質比葡萄糖穩(wěn)定。木糖醇能與抗菌藥、心腦血管用藥、消化系統(tǒng)用藥、抗腫瘤藥、維生素類等其他藥品制成輸液。除了作為優(yōu)質的輸液載體之外，木糖醇還可以用作腸道外營養(yǎng)物、糖尿病的治療、預防

7、齲齒、肝病治療以及預防呼吸道感染等方面起到一定的作用7。3.4.在化學領域的應用木糖醇可用于生產(chǎn)有抑菌性質的表面活性劑；在合成樹脂工業(yè)中，用于生產(chǎn)多種醇酸樹脂；在皮革鞣制行業(yè)，木糖醇與苯酚、甲醛、磷酸等反應制得無色皮革鞣劑，具有良好的水溶性及鞣性，且存放穩(wěn)定，不會氧化發(fā)暗，用于鞣制白色皮革。木糖醇可替代甘油，應用于造紙、日用化工產(chǎn)品及國防工業(yè)中經(jīng)硝化可制爆炸物質；與合成脂肪酸作用可制得不易揮發(fā)的增塑劑；木糖醇本身還具有乳化、分散、消泡等作用；它比六元醇的耐熱性和抗腐蝕性能優(yōu)異，是應用前景較佳的重要乳化劑。隨著木糖醇在工業(yè)應用領域的擴大和生產(chǎn)的發(fā)展，木糖醇需求量將有較大的增長8。4.木糖醇的生產(chǎn)

8、工藝及比較目前針對木糖醇的生產(chǎn)工藝有很多種，下面列舉三個，并對其進行比較。4.1.花生殼提取木糖醇工藝及參數(shù)4.1.1工藝技術及路線這種主要采用目前國際國內(nèi)普遍采用的離子交換脫酸法, 在此基礎上進行了一定的技術改進, 其主要的工藝路線為:花生殼預處理水解脫色離子交換第一次濃縮離子交換加氫離子交換二次濃縮結晶離心分離 晶體成品。4.1.2工藝流程預處理。將發(fā)霉、變質的花生殼篩選、分揀出來, 用水洗去沙土及污物, 破碎至122cm。先在100的溫度下, 蒸煮60min, 把水排除, 再加入低濃度的稀鹽酸于120蒸煮60 90min。水解。水解就是將花生殼中以多縮戊糖為主組成的纖維素, 在酸的催化作

9、用下裂解并與水結合生產(chǎn)糖的過程。以花生殼用量的17%20% 的一定濃度的鹽酸在水解釜中采用常壓水解的方法進行水解。水解溫度為120, 水解時間為4h 左右。脫色。以粉狀和顆粒狀混合的活性炭做為脫色劑, 采用常壓操作, 活性炭用量一般為糖液的12%15%。脫色速度要快, 溫度不要過高。一般控制在7580。離子交換。此次交換為第一次交換, 其主要目的是為了除去水解液中的無機酸和有機酸。cl l 是陰離子, 所以, 第一次是采用陰離子交換樹脂, 陰離子交換樹脂可選用大孔陰樹脂d296 等, 它不但可以除去陰離子, 還可以吸附除掉很多膠體雜質和色素。一次濃縮。離子交換除酸后的糖液通過減壓蒸發(fā), 使糖液

10、濃度提高到30%35%，蒸發(fā)時間為8h左右。離子交換。第二次交換的目的是為了除去灰份和陽離子, 所以采用陽離子交換樹脂, 陽離子交換樹脂可選723 型強酸陽離子樹脂。它不僅可以除去陽離子雜質, 還可以吸附除去膠體和非糖體、含氮化合物等。加氫處理。采用間歇釜式懸浮鎳催化加氫, 當反應溫度為120 130, 壓力為70 80kg/cm-2, ph值為6. 5 左右, 劑糖質量比為2% , 反應時間為90120m in, 轉化率可達99% 以上, 產(chǎn)品色度好。離子交換。第三次交換是為了氫化液的凈化,凈化后的木糖漿經(jīng)過加氫會增加酸度和金屬離子,要進一步凈化, 以除去這些雜質, 該過程宜采用 陽柱陰柱混

11、合床的組合, 混合床的交換負荷特別低, 使木糖醇的純度更高。二次濃縮。采用真空蒸發(fā)結晶。蒸發(fā)濃縮前,先過濾除去氫化液中其他雜質及少量催化劑細未,蒸發(fā)濃縮過程溫度控制 75, 真空度700mm 汞柱以上。當濃縮液含醇量為90% 時, 既可進入結晶環(huán)節(jié)。結晶、成品。當醇膏溫度降到64左右加入適當晶種, 慢慢攪拌助晶, 每小時降溫l, 直到比室內(nèi)溫度稍高時, 即可分離取得成品 9。4.2利用玉米芯制取木糖醇4.2.1工藝流程玉米芯預處理水解一次脫色一次凈化一次濃縮二次脫色二次凈化二次濃縮加氫三次脫色三次凈化三次濃縮結晶離心干燥檢驗內(nèi)外包裝入庫4.2.2操作要點水解將預處理好的玉米芯經(jīng)玉米芯水解設備裝

12、置進行水解。水解控制參數(shù): 水解壓力0110.15mpa, 水解溫度115130, 水解酸度1.0%1.5% , 水解時間4h, 水解的好壞, 影響到玉米芯出糖率的高低, 是木糖醇生產(chǎn)的關鍵工序之一。脫色脫色是采用粉末活性炭去除糖液中的色素、膠體等雜質, 達到初步凈化的目的,一般加入粉末活性炭的比例為糖液干物含量的3%10% , 脫色溫度為70 80, 攪拌轉速為200 r /min, 脫色時間為4060min。凈化凈化是采用陰、陽離子交換樹脂去除糖液中的陰、陽離子, 達到凈化提純的目的。凈化提純的好壞, 關系到成品木糖醇的灰份含量, 是木糖醇生產(chǎn)的關鍵工序之一。加氫加氫是木糖醇生產(chǎn)的核心工序

13、,將木糖液加入到whfs - 5型反應釜中, 調節(jié)ph= 7.58.0, 按糖液干物含量的3% 10%加入雷尼鎳催化劑, 控制反應溫度120140, 反應壓力8101010mpa, 反應時間2h, 使木糖液轉化為木糖醇液。結晶通過控制降溫速度, 一般每小時降低1度, 使處于過飽和狀態(tài)的木糖醇晶體生長、成形并析出, 達到得到晶體木糖醇的目的。離心通過控制離心機的離心轉速, 一般每分鐘10001500轉, 使木糖醇與母液分離,達到進一步提純的目的。干燥通過控制烘干機的溫度與環(huán)境濕度, 使木糖醇中的水分蒸發(fā), 烘干溫度為50 60, 環(huán)境的相對濕度 65% , 干燥時間30min10。4.3利用微生

14、物進行木糖醇的生產(chǎn)4.3.1可產(chǎn)生木糖醇的微生物眾所周知，能資化（同化） 木糖的酵母在特定的培養(yǎng)條件下，可以在培養(yǎng)基質中積累木糖醇代謝產(chǎn)物。在有關發(fā)酵法生產(chǎn)木糖醇的研究中，這類酵母是最常利用的。作為從木糖到產(chǎn)生木糖醇的酵母有假絲酵母屬、畢赤氏酵母菌屬、德巴利氏酵母屬等多種。特別是熱帶假絲酵母等酵母大多產(chǎn)生木糖醇的能力高，收率（生成物質量/ 消耗基質質量） 大約在70% 85%。另外，還發(fā)現(xiàn)了絲狀菌、細菌腸桿菌科、腸桿菌屬變種和纖維單胞菌菌等，也能利用木糖轉化生產(chǎn)木糖醇。4.3.2酵母生產(chǎn)木糖醇的機制（機理）假絲酵母菌屬的酵母通過如圖2所示的代謝路線生產(chǎn)木糖醇。木糖原料（基質） 首先在木糖還原酶

15、（xr） 作用下還原成木糖醇。然后在木糖醇脫氫酶作用下氧化生成d木糖。d木糖磷酸化以后，通過戊糖磷酸代謝路線代謝。相對于第一個反應的催化劑主要利用的輔酶nad ph，第二個反應的催化劑xdh （木糖醇脫氫酶） 是利用nap+ 作為輔助酶發(fā)生作用的，xr 是利用nad ph和nadh 兩者而存在。酵母細胞內(nèi)nadp 主要通過戊糖磷酸的代謝路線轉化成nad ph。另一方面nadh 在好氣條件下經(jīng)過呼吸反應鏈（氧化的磷酸化） 的反應后，再生成nad+ （見圖1）。生產(chǎn)木糖醇的酵母在微好氣條件下（溶存氧質量濃度：0.1 mg / l 1 mg / l） 累積木糖醇最多，在這種限制供氧條件下，木糖的代謝

16、過程由于不能充分地將nadh 再生成nad+，因此細胞內(nèi)nadh 濃度高。其結果是：一方面xdh 阻礙了由木糖醇迅速轉化為木糖的氧化反應，因此木糖醇積聚了起來。另一方面，在完全的好氣條件下，由于通過呼吸鏈nadh 充分再生成nad+，因此木糖醇被迅速的代謝過程耗盡了，積蓄的量也就減少了。同時，在嫌氣條件下，在木糖醇利用的能力顯著低下的同時，乙醇成為主要的生成物了。關于xr 與xdh 兩種輔酶特異性不同，在微好氣條件下形成細胞內(nèi)的氧化還原平衡失調，然而他卻是累積木糖醇的原因。正如上述的生成機制可以知悉，培養(yǎng)基中溶存氧的濃度是可以影響木糖醇生產(chǎn)的最重要因素。其余原因，如培養(yǎng)基組成、基質（木糖）的濃

17、度、輔助基質、氮源、初發(fā)菌的濃度等也影響木糖醇的生產(chǎn)。待添加的隱藏文字內(nèi)容24.3.3生產(chǎn)過程利用常見的啤酒酵母通過遺傳基重組方法將木糖同化酵母畢赤氏酵母屬菌的xr 導入以后，成功地取得極高的收率（95%），將木糖變換為木糖醇。但是，像這樣高收率的木糖醇生產(chǎn)，還必須添加葡萄糖等輔助基質。啤酒酵母與假絲酵母屬酵母不同，在木糖是碳源的場合，戊糖磷酸代謝路線的活動弱，從nadp+ 轉化為nadph 的再生是有限的，因此為了輔助酶的再生，添加葡萄糖是必須的。而大部分實際生產(chǎn)中，都是利用葡萄糖而生產(chǎn)出木糖醇，如圖2，即為利用葡萄糖由重組枯草芽孢桿菌合成木糖醇的代謝路線11。4.4三種工藝的綜合比較及分析

18、前兩種工藝原料來源廣泛, 廉價易得, 生產(chǎn)成本低。第三種菌種的選擇和實際操作中要比前兩種更為復雜、要求也更嚴格。第一種方法就第二種方法而言，水解過程所用的催化劑為鹽酸, 用其替代傳統(tǒng)木糖醇制取工藝中以硫酸為催化劑,相對硫酸的使用可以節(jié)省一半的用量。另外,生產(chǎn)廢水中的高濃度硫酸根離子也影響廢水處理效果, 用鹽酸替代硫酸消除木糖醇廢水處理的難題。水解是在常壓下進行, 節(jié)省了設備投資。整體過程，第一種要比第二種方法簡便。而因玉米芯產(chǎn)量大，多縮戊糖含量最高，結構相對疏松，易存儲，易于提取，所以第二種方法目前來說應用最多。前兩種方法較第三種方法的產(chǎn)率較低，且第三種能獲得高純度的木糖醇（約90%）。同時減

19、少了預處理的工序和成本。微生物發(fā)酵法要簡單的多,結晶也比較容易，同時也相對前兩種也更為環(huán)保且更為節(jié)省成本，具有更好的發(fā)展前景。三種方法中，前兩種每生產(chǎn)1t木糖醇，需花生殼25t、玉米芯20t。經(jīng)過計算，每生產(chǎn)1t木糖醇，前兩種方法的成本分別為13700元和15200元，而其利潤分別為4000和3000元。第三種方法，因缺乏相關數(shù)據(jù)，而沒有得出相應結果，但結合其工藝可知，其成本要高于二者，但利潤要大于二者。綜合三種方法來看，在木糖醇的生產(chǎn)過程中，通氣量、ph值、溫度、壓力等條件是獲得高產(chǎn)率的重要條件。從生產(chǎn)工藝來看，前兩種可以算作合成法生產(chǎn)，而第三種可以算作發(fā)酵法生產(chǎn)。就上文提出的應用來說，在食品領域和醫(yī)療領域采用的產(chǎn)方法多為利用蔗渣水，進行微生物發(fā)酵生產(chǎn)