木糖醇的生产工艺设计综述

1 前 言1.1 概述木植物纤维原料是自然界中最丰富的可再生资源，我国每年产有农作物秸秆5亿多吨、 玉米芯1000多万吨、甘蔗渣400多万吨，这些资源目前大部分不仅没有得到充分的利用， 而且常常造成不同程度的环境污染。如何有效利用植物纤维资源，已成为世界上许多国家 研究的重要领域之一。将植物纤维资源中的半纤维素转化成木糖，再进一步发酵生产木糖 醇，对于植物资源利用、环境保护和可持续发展都具有重要意义。木糖醇现已广泛应用于 食品工业、医药工业、化学工业等领域。传统的木糖醇生产工艺是以纯木糖为原料，经高 温高压催化加氢而成。采用生物方法生产木糖醇，可利用简单脱毒处理过的半纤维素水解 液发酵生产木糖醇，反应条件温和，生产成本比较低，近年来已受到了国内外的广泛关注。糖醇甜度相当于蔗糖，热量与葡萄糖相当，能调节代谢异常，是糖尿病人的营养剂甜 味剂和治疗剂；有较强的抗酮体作用，可用以抢救酮体病人；能减慢血浆中脂肪酸的生成 速度，但不会使血糖上升，也是肝炎病人的保肝药物。木糖醇热稳定性好，和氨基酸一起 加热不产生化学反应，可以和氨基酸配制各种制剂作为营养药物。作为食品添加剂还具有 特殊的抗龋功能，此外，在国防、塑料、轻工业中也有广泛应用。1.2 木糖醇的性质及应用1.2.1 木糖醇的理化性质木糖醇（英文名xylilol,化学名称：1,2,3,4,5- Pentahydroxypentane（分子量152.15g/mol）其化学结构式如图1.2.1所示。h2c_ohHCOHIHOCHIHCOHIhOH图 1.2.1木糖醇是由木糖衍生的一种五碳多元糖醇类，最早于1891 年由 EIllil、Fishcr 合成 成功。木糖醇呈白色粉末状或白色晶体状，其分子式为 5 12 5 ，是糖醇中最甜的一种， 具有与蔗糖相同的甜度，但热量只有蔗糖的三分之一。木糖醇相对密度 1.5，具有一定的 吸湿性，无毒无臭，具有清凉甜味，极易溶于水，微溶于乙醇和甲醇，热稳定性好。木糖 醇是人体葡萄糖代谢过程中的正常代谢中间产物，广泛存在于自然界中的多种水果、蔬菜 中，在一些酵母中也有少量存在。1.2.2 木糖醇的药用性质（1）木糖醇可以作为糖尿病人的营养剂和治疗剂 糖尿病是由于胰岛分泌胰岛素机能障碍，胰岛素分泌不足，引起糖代谢异常，血糖升 高，尿中有糖，且有三多症状（多尿、多饮、多食）。胰岛素是胰岛 p 细胞分泌的一种蛋白 质激素，它能帮助糖类透过细胞膜，促进糖类的代谢；促进肌肉、肝脏和脂肪组织中的合 成代谢，抑制其中的分解。特别是增高糖元合成、脂肪酸合成和蛋白质合成的速度，抑制 糖元裂解、脂肪酸裂解等分解过程；胰岛素还降低一些酶的浓度，如丙酮酸梭化酶和果糖1,6-二磷酸酶，进而减少糖元的异生。当胰岛素供应不足时，首先是糖代谢异常，正常的 糖代谢紊乱，磷酸戊糖途径也受到影响。其结果是：糖元合成减少，分解加速：糖异生作 用加强；葡萄糖转化为 6磷酸葡萄糖减弱；糖酵解和三羧酸循环减弱；肌肉和脂肪组织 中葡萄糖进入细胞膜减慢。由于糖的生成增加而分解减慢导致高血糖及糖尿，同时乙酞 COA 通过三梭酸循环分解减少，在NADH和NADP下转化为酮体，使糖尿病人时常并发酮血症及 酮尿症。由于糖的氧化下降，细胞内能量不足，产生饥饿感。大量的糖从尿中排出，同时 带走水分引起口渴。由于木糖醇在体内代谢不需要胰岛素的促进，并有自己独特的代谢途径，故当糖尿病 人使用木糖醇以后，木糖醇通过葡萄糖醛酸木酮糖支路，和磷酸戊NADPH，ATP等的增加， 适用于年老和体弱的人。（2）木糖醇可作为非肠道营养的能量来源 非肠道营养就是一种流动的能量、营养和电解质平衡溶液，它能提供能量、氨基酸和 无机盐等。在直接外伤或手术后的恢复阶段，身体对能量的需求量很大，因此必须供给病 人足够的能量。但手术的能量消耗导致了组织器官储备能量（肝糖原）己局部耗尽，又因外 伤可能严重干扰人体各方面的代谢机能，因此外伤病人通常不容易建立稳定的代谢体系。 最显著的变化就是对葡萄糖的利用程度减弱了。但此时身体对能量的需求却又增加不少。 在这样的情况下，非肠道注入葡萄糖液，也不能立即重新建立起平衡的代谢体系。木糖醇 通过肠壁吸收比葡萄糖缓慢得多，木糖醇进入体内各组织，分布广，耐容性较高，并且代 谢速度快，有利于机体的利用闭。因此，除了葡萄糖外，注射木糖醇，能起到改善代谢的 作用。此外，木糖醇有较强的抗酮体作用，抗酮体性能比山梨醇更优越。以木糖醇静脉注 射，抢救酮体病人，有较好的疗效。(3) 调节肠道功能研究人员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。北京联合大学组织进行的动 物试验表明，木糖醇和低聚糖类相似，也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，具有缓慢吸收作用，可促进肠道内有益菌群即双歧杆菌的增殖。按测算，每 人每天服用木糖醇 15g 左右，即可达到调节肠道功能作用。口服木糖醇以后，被肠壁吸收速度比其它糖类缓慢得多，因此初服者，特别一次服较多的， 会产生轻度的腹泻。利用这个特性，木糖醇可作为缓泻药物使用，只要每次口服木糖醇几 十克，没有任何痛苦和副作用，就可以顺利通便。(4) 木糖醇的防龋特性 日常食品中不可能完全排除可发酵性糖类。研究发现，经常食用含蔗糖的点心和小吃， 会使牙斑的 PH 下降并长时间保持在临界值 PH57 以下。结果，牙齿的脱矿时间超过 了修补时间，续而出现了龋齿。大量试验证明木糖醇不能被大多数口腔微生物所发酵，牙 齿与木糖醇接触不会引起牙斑 PH 的下降。将木糖醇与牙斑接触两年，也没有发现牙斑微 生物对木糖醇的发酵能力有何影响。这种微生物紧紧依附在齿冠上，利用细胞外葡萄糖生 长和代谢，且在酸性(PHW5.0)活性大，而其他微生物在酸性环境下均无代谢活力。1.2.3 木糖醇的应用(1) 木糖醇在食品工业中的应用 由于木糖醇的理化性质与蔗糖相近，又独具特性，因此凡使用蔗糖的食品基本上都可 以使用木糖醇，使用方法基本同蔗糖。功能性糖果方面，木糖醇主要作为糖的替代物添加于口香糖、硬糖和其他口腔卫生品 种的良好甜味剂。它们能有效地预防、抑制蛀齿的发生；保持或提高糖果的甜味，降低糖 果的含糖量。现在流行世界的无糖口香糖就是用木糖醇等糖类替代蔗糖生产，其薄荷香味 和清凉的感觉受到人们的喜爱。食疗作用的蛋糕类甜食，木糖醇添加与此适合糖尿病患者使用。食疗法中，木糖醇既 是甜味添加剂，又具有食疗功能。酒类添加剂，白酒中加 1.5%木糖醇，白酒口味清爽醇厚，香味浓郁；清酒中加入木糖 醇，微生物的危害降低。以木糖醇、麦芽糖、砂糖和果糖等作为复合甜味剂制得维生素饮料。木糖醇主要改善 饮料的甜味及赋予其清凉感，麦芽糖给予饮料以质体感，海带提取物用来缓解维生素的异 味，使成品饮料风味柔和，成为爽口的新型饮料。木糖醇的使用控制了热量值，同时稳定 了维生素功效。木糖醇可以替代巧克力制品中的蔗糖。原料木糖醇必须是经过精磨的粉末 料，在生产过程中要调节好空气的相对湿度。若空气的相对湿度超过85，制出的产品贮 存一段时间后会出现粗糙的“沙质”结构。这种用木糖醇代替蔗糖的巧克力适合糖尿病患者 食用。（2）木糖醇在医药工业中的用途木糖醇无毒，甜度和蔗糖相仿，可以作为糖尿病人的代糖品。它不仅为糖尿病人提供 了甜食的来源，而且对糖尿病人具有调节新陈代谢、减轻“三多”（吃得多、喝得多、小便多） 症状、恢复体力等明显功效。经常服用木糖醇，对降低转氨酶，改善肝功能，也有一定的 作用。此外，在消除酮症方面，木糖醇也具有特殊的功效。（3）木糖醇在化学工业中的用途木糖醇和9个C的脂肪酸合成木糖醇酸酯，可用作塑料的耐热增塑剂；与7个C的脂 肪酸，合成木糖醇脂肪酸酯，可作皮革的加脂剂；各种木糖醇酸酯与环氧乙烷加成，可以 制备木糖醇表面活性剂系列产品；与环氧丙烷缩合，制成一种新型的聚醚树脂，用此树脂 制造泡沫塑料，工艺简便，收率高，产品强度高、耐热性和保温性好。在油漆、涂料工业 中，替代甘油制备改性酚醛涂料；与合成脂肪酸、桐油反应，制备中油度的醇酸树脂，用 塔尔油酯化，合成干性油漆；与丙烯酸反应，生产具有良好绝缘性的木糖醇丙烯酸醋涂料 等。（4）木糖醇的其他用途作为一种多元醇，木糖醇对人体皮肤无刺激作用，可作为化妆品类的润湿调整剂用于 洗面乳、美容霜、化妆水等卫生用品。在牙膏制造业中，木糖醇可作为防冻保湿剂；在造 工业上作为增塑剂以生产玻璃纸、牛皮纸、铜版纸合钢版纸等；在卷烟生产中可用作卷烟 的加香保湿剂；在国防工业上，用木糖醇代替甘油进行硝化，生成的木糖醇五硝酸酯及脱 水木糖醇三硝酸酯，是具有良好物化性能和爆炸性能的炸药原料。木糖醇的酯类和羟乙基化产品作为表面活性剂可应用于有机农药的乳化剂，石油加工中脱除微量水分的破乳剂1.3 国内外研究综述及技术对比分析目前工业生产木糖醇主要采用化学法，但该法生产成本较高且对环境污染较大，因而 寻求高效、便于工业化生产、低污染的木糖醇生产方法已经成为亟待解决的问题，目前利 用植物纤维原料中的半纤维素水解液发酵生产木糖醇成为目前的研究热点。本研究是以柑橘皮渣为试材，采用硫酸水解柑橘皮渣半纤维素，再利用氢氧化钙。大 孔吸附树脂对水解液进行脱毒，并系统地研究了脱毒水解液发酵生产木糖醇的工艺，确定 了每个单元操作的最佳工艺参数。通过实验得出了如下研究结果：1测定了不同产地的柚皮渣和橙皮渣的戊聚糖含量。在柚皮渣中，产地重庆梁平的 柚皮渣中戊聚糖含量最高；在橙皮渣中，产地四川荣县的橙皮渣戊聚糖含量最高。2通过单因素试验和正交试验考查了硫酸浓度、水解温度、水解时间、液料比对水 解的影响。确定了最佳水解工艺为：硫酸浓度为3%,液料比为7.5:1,提取温度115C, 提取时间2h。此条件下，重庆梁平柚皮渣水解液的木糖得率为69.67%，四川荣县橙皮渣 水解液的木糖得率为65.83%。3.通过单因素实验，分别考察了温度、PH值、时间和液料比对S-8大孔吸附树脂的影 响，确定了 S-8大孔吸附树脂氢氧化钙的最佳脱毒条件为：水解液用氢氧化钙粉末调PH值 至1011，4000r/min下离心10min，上清液用浓磷酸调PH至6.0，4000r/min下离心10min 得到上清液，以液料比5:1加入S-8大孔吸附树脂，35C下处理10h。在此条件下，多酚化 合物、单酚化合物和糠醛的去除率分别为89.3%、 92.7%和58.1%，木糖损失率为15.2%。4对氢氧化钙大孔吸附树脂脱毒水解液的发酵进行了初步研究，分别考查了种子龄 接种量、装液量、初始、发酵温度、氦源组成、碳源组成以及盐类添加对发酵的影响，确 定生产木糖醇的最佳发酵上艺为：Candida sp种子龄20h, 250ml三角瓶接种量l00ml(4%),装液量125ml(50%),初始PH7.0,发酵温度28C，发酵时间74h,氮源10ml:酵母膏(20g/L)和胰蛋白胨(40g/L)的混 合液,葡萄糖4 g/L，NaCl添加量为6g/L。此条件下，发酵液的最高木糖醇浓度达到28.96g/L, 木糖转化率为72.4%。2 木糖醇的生产工艺及技术分析木糖醇的制备方法分为固液萃取法、化学加氢法和生物转化法三种。2.1 工艺过程分析2.1.1固液萃取法木糖醇存在于天然的水果蔬菜中,在酵母和蘑菇中也有发现。虽然可以用固液萃取的方法将其从这些原料中提取出来,但因为木糖醇含量很低121大量制备困难而且不经济。2.1.2化学加氢法传统的生产木糖醇的方法是,将农业植物纤维废料如玉米芯、棉籽壳、蔗糖渣等水解,使其中的戊聚糖水解为木糖,木糖经镍催化氢化,便得到木糖醇。它的化学反应过程方程 如下:GHgO/n+nMO叫日启多缩戊糖+1水酸木糖C5H10O5+H2 C5H12O5木糖+H2a木糖醇从化学反应上看,似乎只需水解、氢化两步。但在工业生产中,则需要许多的工序先 将水解液中含有的酸、色素、胶体、灰分等有害杂质除去。只有使水解液中的木糖纯度达 到95%以上,才适合于加氢制木糖醇。氢化工序要求较高纯度的木糖液,是因为若木糖液 中有很多杂质，将导致加氢过程的催化剂中毒和很快失去活性。氢化工序要求在80-120C, 50 at m,镍催化条件F进行。目前化学加氢主要的工艺方法有中和法、离子交换脱酸法和结晶木糖法等，主要工序 为： 中和法：原料-预处理-水解，中和脱色-蒸发-氢化-二次浓缩-结晶-离心-结晶木糖 醇。 离子交换脱酸法：原料-预处理-水解-脱色-离子交换-蒸发-离子交换-氢化-二次浓 缩-结晶-离心-结晶木糖醇。 结晶木糖法：原料-预处理-水解-中和-蒸发-甲醇沉淀-蒸发-木糖结晶-氢化-二次 浓缩-结晶-离心-结晶木糖醇。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。氢化步骤还要求高温高压,镍催化剂又会污染环境。因此不需要高纯度木糖 液为原料,且在温和条件下进行的生物转化法己成为当前研究的热点。2.1.3 生物转化法(1) 木糖醇生物合成的代谢途径 在自然界的微生物当中只有很少一部分细菌可以生成木糖醇，丝状真菌产木糖醇的效 率并不高，而酵母则比较容易将木糖转化成木糖醇。现已发现，产木糖醇性能优越的菌株木糖木酮糖木糖醇主要有：bacteriafilamentous fungi,yeats 5-磷酸木酮糖组织成分丙酮酸V乙醇图 2.1.3 酵母细胞代谢木糖途径木糖可以通过两条路径转化成HMP途径的中间产物5-磷酸木酮糖：一条是木糖由木糖 异构酶异构为木酮糖，再由木酮糖激酶磷酸化形成 5-磷酸木酮糖。另一条路径是木糖由 NADPH依赖的木糖还原酶还原为木糖醇，再由NADH依赖的木酮糖酶氧化成木酮糖，后者再 被磷酸化成 5-磷酸术酮糖。其中氧化还原路径是酵母吸收利用木糖的主要路径。5-磷酸木 酮糖由HMP途径最终转化为磷酸丙糖，进入糖酵解途径。其代谢路线如图b所示。(2) 半纤维素水解液的制备 植物纤维素原料主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，草本植物与木本植物的三大 组分的相对含量上有一定的差异，如表 2.1.4所示。表 2.1.4 植物纤维原料主要成分的含量组分纤维素()半纤维素(%)木质素()草本植物40 5012 3420 30木本植物36 4525 3815 25纤维素是由D-吡喃葡萄糖基以0-1,4糖苷键连接而成的天然链状高分子化合物，在纤维素链之间存在氢键，分子式可以表示为(C6Hl0O5)n,n为纤维素聚合度。纤维素经处理 后，纤维素的聚合度会降低，完全水解后得到葡萄糖。纤维素与淀粉在结构上的差别仅在 于葡萄糖基连接的构型不同，淀粉是通过a-1,4糖苷键连接而成。这一不同之处使水解的 难易程度相差悬殊。半纤维素是植物纤维原料主要成分之一，它是带有支链的多聚糖的总称，其结构单元 包括戊糖基、己糖基和乙酸基，其中戊糖主要为木糖和阿拉伯糖。玉米秸秆和玉米芯中半 纤维素的主链是D-吡喃木糖基以及B -1,4糖苷键连接而成的长链。木质素是具有网状空间立体结构的高分子芳香族化合物，由苯丙烷基单元（C6C3）通过醚键和碳碳键连接而成的。木质素有一定的塑性，不溶于水，一定浓度的酸或碱可使 其部分溶解。木质素作为水解剩余物常用作燃料，如在催化剂存在下加氢裂解可得到多种 酚类、甲醇、丙酮及燃气等。木糖醇生产是利用植物纤维原料中的半纤维素水解生成木糖。半纤维素是比较容易水 解的物质，亦称易水解多糖，它的主要成分是多缩戊糖。多缩戊糖可看成是一个环戊糖分子的半缩醛基与另一环戊糖分子的第四个碳原子上的去羟基经脱水缩合而成的多聚物。半纤维素在有酸的水溶液中加热会溶解并进一步水解，即加水分解成为很多单分子的 戊糖。多缩戊糖水解生成的戊糖，有木糖和阿拉伯糖两种。一般玉米芯、蔗渣、棉籽壳等 的多缩戊糖，水解后生成的戊糖有 90左右是木糖，这就是生产木糖醇的基本原料。（3）植物纤维原料的水解植物半纤维素水解液的制备方法决定了水解液的发酵性能，也是利用植物纤维原料水 解液制备木糖醇的关键步骤。通过植物纤维原料的预处理、水解条件的调整以及水解液的 脱毒预处理均可以有效地提高水解液的发酵性能。 植物纤维原料的预处理对植物纤维原料的预处理主要包括：粉碎处理、水处理、碱处理、稀酸处理、蒸汽爆 破处理和氨处理等。由于粉碎处理只能使原料的颗粒变小，而成分不变。水处理也只能去 除原料中的灰分，故这两种方法对发酵效果影响不大。蒸汽爆破处理对纤维物料的影响较 大，处理条件温和时，作用不明显，处理条件太剧烈时，半纤维素和纤维素分解严重，并 产生对微生物生长有抑制作用的副产物。 10的氨水处理条件温和，半纤维素的损失也不 大，还可以提高原料的水解效率，故是一种较好的处理方法。氨处理可以除去92的木质 素和所有的醋酸，大大提高水解液的发酵性能。Dominguez等发现：利用酵母细胞发酵1： 10固液比处理过的半纤维素水解液，用氨处理两天的水解液发酵效果与弱碱阴离子树脂的 处理效果基本一样，发酵水解液5小时后可得336的木糖醇浓度，木糖醇得率可达74。 水解条件的选择 按无机酸在水解过程中的催化活性，盐酸最好，硫酸较差。但由于盐酸的腐蚀性大， 且有挥发性，故采用较少。目前采用较多的是硫酸作为催化剂。酸浓度增加，水解反应速 度也加快，但随着酸浓度的增加，其它非糖有机杂质也会增加。温度总能促进反应速度， 温度每增加10，反应速度一般能提高1. 3倍。温度太高会促使木糖分解，产生糠醛等 有害的副产物。而温度太低则会因水解速度太慢而影响水解效率。水解时间越长，则半纤 维素的水解越彻底，但副产物的量也越大。液固比越高则水解得越彻底，木糖的得率也越 大，但液固比太大则导致酸的消耗很大，且木糖的浓度太低会增加后续浓缩的成本。表 2.1.5 列出了对于不同的原料所采用的水解条件。表 2.1.5 对于不同原料所采用的不同水解条件原料酸温度（C）时间固液比（w/v）桉树木3%硫酸1301h1： 8杂交白杨木0.3M 盐酸1211h1： 10甘蔗渣98%硫酸12020min1： 10稻草0.7%硫酸14520min1： 10玉米芯1.0%硫酸1211h1： 45为了使半纤维素中的多缩戊糖水解生成术糖，这就需要一定的酸和高温环境，但这将 使原料中含有的一些其它有机物溶解或破坏。因此需要控制水解条件，尽可能多地使多缩 戊糖水解，减少其他非糖有机杂质进入水解液，并且尽可能减少副反应的发生。多缩戊糖水解过程中酸度会增加，这主要是植物半纤维素中的少量植物胶体等成分在 水解过程中的分解生成有机酸。如植物粘胶物质含有粘胶酸，在水解时会分解，生成糖醛 酸、醋酸等。木糖高温氧化会生成木糖酸。在水解过程中如果温度时间等条件控制适当，一般不会 发生这一反应。但在较高的温度（例如180C）下经过较长的时间，则木糖不仅脱水生成糠 醛，而且还生成甲酸。有研究表明，100克木糖，在O. 5%的硫酸中180C温度下加热l 小时，则只剩下木糖8.2 克，其余副产物为：糠醛46 克，甲酸113克，腐植酸65 克， 并且生成的糠醛又进一步分解产生 50%的甲酸和 415%的腐植酸。水解过程中水解液色泽会加深，这是因为植物原料中的天然色素会溶解到水解液中显 色。此外植物原料中的氨基酸、糖类和多肽经过加温也会产生有色物质；少量的木质素也 会在水解时溶解而加深半纤维素水解液的颜色。 半纤维素水解液的脱毒以半纤维素水解液为底物发酵生产木糖醇，目前存在的主要问题是水解液中含有很多 抑制酵母生长的有毒物质，如醋酸、糠醛、四氢吠喃、单宁、重金属离子、酚类等。如何 有效脱毒处理半纤维素水解液，提高菌种对水解液的适应性是当前研究热点之一。国内外对不同半纤维素水解液脱毒进行了多方面的研究。采用石灰或碳酸钙中和半纤 维素水解液均能去除其中的单宁、重金属离子以及硫酸根离子。用碳酸钙中和时水解液始 终保持酸性，这样可以减少糖的破坏，但不能彻底地去除醋酸以及由木质素水解产生的酚 类化合物，而这些物质比水解液中的其他成分对酵母细胞生长更有抑制性。这种方法比较 适合于结合氨预处理使用。用石灰乳过中和水解液至 PHlO 时，可以较彻底地去除醋酸以 及部分的酚类化合物，但这样会导致木糖的破坏。中和后的水解液加入亚硫酸钠可以改善 水解液的氧化还原电势，提高水解液的发酵性能。活性炭脱色可以使未经氨处理，但经石 灰中和处理的水解液的发酵性能得到很大的提高。Lourdes采用石灰乳将水解液由PH0.5中和至pH7.0,再用磷酸回调至pH5.5,然后用 2.4的活性炭吸附处理， Candida guilliermondii 发酵最终木糖醇得率可以达到 79， 木糖醇生产速率可达到0.47g/(L-h)。而对于木材水解液的发酵，Silva等人发现当水解 液先用石灰乳调pH值到8.4,再用磷酸调pH值到6.0,可以达到最大的木糖醇浓度59g/L。此外，采 用汽提法与真空浓缩法均可在提高水解液糖浓度的同时去除水解液中的有害物质，提高水 解液的发酵性能, Rodrigues 等人利用真空浓缩方法降低水解液中抑制物浓度,提高发酵 木糖醇得率，最终木糖醇得率和浓度分别达到了 54.00%和24.339g/L。2.2 过程条件分析目前，目前国内外以纯木糖为底物发酵生产木糖醇，对发酵过程中参数的优化进行了 以下几个方面研究：2.2.1 溶氧氧对酵母的生长代谢十分重要，人们目前对木糖醇需氧代谢的生化和生理机理进行了 研究。这一机理说明木糖醇需氧代谢和氧化磷酸化过程中糖的运输、辅酶的再生以及 ATP 的生成均有关系。在好氧条件下，糖的消耗主要用于菌体的生长，而在微好氧条件下大部 分的木糖转化为木糖醇而酒精的产量很小。一些学者认为，木糖代谢中木糖还原酶还原木 糖需要NADPH,而木糖醇脱氢酶氧化木糖为木酮糖需要NAD+,在微好氧的条件下，NADH过 量产生，从而阻碍了木糖醇的氧化，促进了木糖醇在发酵液中的积累。在摇瓶培养中装液 量和摇床转速均会影响溶氧，对于上罐发酵来说，影响溶氧的主要是通气量和搅拌桨的转 速。对于D.hansenii NRRL Y-7426的摇瓶培养（250mL三角瓶中，装液量50mL）,在转速 100rpm时，木糖消耗很慢，木糖醇的产量也很低。而转速提高到300rpm时，木糖消耗很 快，木糖醇的浓度可达99. 67g/L。在转速200rpm时，木糖的消耗速度虽然很慢，但木糖 醇的浓度却可以达到113. 54g/L。这是因为转速太高时，溶氧浓度大，木糖消耗用于细胞 生长的部分大。但转速太低时，溶氧浓度太小（厌氧环境），由于缺少TCA途径产生的NADH 和NADPH,木糖的吸收无法进行。2.2.2 其他糖类葡萄糖的存在，是影响酵母发酵木糖生产木糖醇的一个关键因素。采用 Candida parapsilosis 发酵木糖和葡萄糖的混合液时，葡萄糖首先被消耗。这样在木糖被利用前就 有个延滞期以合成木糖代谢所必需的酶。葡萄糖含量低于5g/L时木糖醇的产量不会降低, 因为此时葡萄糖进行的是有氧代谢，不产生乙醇。而当葡萄糖的浓度大于 5g/L 时，有氧 代谢消耗不掉的部分便通过无氧代谢而产生乙醇,木糖醇的产量降低。这是因为木糖生成 木糖醇和葡萄糖生成乙醇的反应均为氧化还原反应,会形成竞争氧化还原势,所以当葡萄 糖超过一定的量,发生无氧代谢产生酒精时就会抑制木糖醇的生成。也有人认为葡萄糖的 存在可能会抑制将木糖转化为木糖醇过程中的关键酶木糖还原酶的活力,从而导致木糖醇 得率降低例。 Timothy 等利用类似的两阶段发酵法来避免葡萄糖的抑制作用。若添加比木糖更易于利用的糖类作为碳源,阻抑木糖消耗于细胞生长及 NADH 再生, 则木糖醇的实际转化率有可能达到或超过理论转化率。Oh等在葡萄糖/木糖为10%20% 条件下培养Candida tropicalisKFCC-10960，木糖醇转化超过0.9g/g，当葡萄糖比例超 过 20%,会大量生成乙醇,严重降低木糖醇生成速率。在术糖醇发酵过程中，C.guilliermondii及C.tropicalis吸收利用葡萄糖、甘露糖、 半乳糖的速率分别是木糖的2.2、 1.0、 1.8倍，这些己糖主要用于酵母细胞生长，一般不 会积累相应的多元醇。2.2.3 温度PH 值对酵母菌的生长代谢都有很大的影响。虽然大多数酵母菌的适宜生长温度在20-30C，但研究表明，随着温度的上升，酵母转化成木糖的能力有所提高，例如Nurdan 等人发现C.shehatae在温度从22C升到36C时产木糖醇的能力提高。对于D.hansenii NRRLY-7426的摇瓶培养，发酵温度在28-37C之间，木糖醇的产率 基本稳定，木糖消耗很快，木糖醇的产率高（约100g/L）;但超过这个限度，木糖的消耗 很慢，木糖醇的产出很低（41.88g/L）。对于Candida sp.B-22,温度在34-45C时，木糖 醇的生产速率均稳定，但达到45C或更高时，发酵速率大大降低。2.2.4 PH 值PH值对菌体代谢和产物生成均有很大影响，不同的酵母发酵最佳初始PH值不同。一 般情况下，酵母适应的PH值范围是3.55.5，但不同的菌株也有差别，而且擦很难升木 糖醇的最适PH也不尽相同。如管囊酵母在PH为3.05.8时得到最大产量的木糖醇，摇 瓶培养，木糖发酵产木糖醇的最适PH在4.5到5.5之间，休哈塔假丝酵母产生木糖醇的 最适 PH 在 3.54.0。多数酵母菌在发酵过程中 PH 值不断下降，如 Kastner 等就注意到利用也蒙假丝酵母 发酵木糖 48h 后，发酵液 PH 降低 3 个单位。这是因为在代谢过程中产生的酸性物质造成 的。一些酵母细胞的生长对PH要求不高，在PH2.0和PH8.0时均有相当量的木糖醇产生。 而对于Candida bodinii在PH4.5到8.0之间随着PH的升高，木糖醇的生成速度和转化 率均有升高。2.2.5 底物浓度在一定浓度范围内提高发酵培养基中木糖浓度，既有利于提高产物木糖醇的浓度，也 有利于提高木糖醇得率和体积生产速率。木糖消耗速率与木糖醇生成速率在整个发酵过程中呈线性关系，这表明可以通过提高 初始木糖醇的浓度来增加木糖醇得率。C.guilliermondii及C.parasilosis的木糖还原酶（XR）活性显著受到木糖浓度的影 响，获得最大产物生成速率及最大产物转化率的木糖浓度，基本上位于木糖还原酶活性达 到最大值的木糖浓度附近。Candida tropicalis在初始木糖浓度为172 g/L时，木糖醇得 率最大，随着木糖浓度的增加，木糖还原酶活性增大，而对木糖醇脱氢酶（XDH）的影响不 大。但是当木糖浓度超过300 g/L，渗透压将影响木糖醇的产生，对此可以采取分批补料 的方法予以消除。对于D.hansenii NRRLY-7426的摇瓶培养（250mL三角瓶中，装液量50mL，转速300rpm），在初始木糖浓度低时，木糖可以迅速而有效地转化为木糖醇。当初始木糖 浓度很高（217.00和279.24g/L）时，由于高渗作用的影响木糖开始时消耗速度较慢。木糖 浓度因消耗而降低后，渗透压减小，木糖的消耗速度迅速增加，最终木糖醇得率可以达到 79.76%和79.19%。C.guilliermondii在摇瓶培养时（装液比4/5, 150rpm），随着初始木 糖浓度的增加木糖醇的产生速率也增加，木糖醇得率也是如此。 C.mogii 在摇瓶培养（装液 比2/5, 125rpm）时，当底物浓度达到150g/L时，木糖醇的产生速度和得率均最高，超过 最佳底物浓度后这两项指标均迅速下降，出现了明显的底物抑制现象。2.2.6 氮源木糖醇的积累受氮源的显著影响。同样氮源在不同培养基，不同酵母菌株之间存在很 大差异。有机氮源可以降低 C.shehatae 中的木糖醇脱氢酶水平， Dalliya 比较了四种不同 的有机氮源，酵母粉的效果最佳。用稻草半纤维素水解物培养C.guilliermondii，在PH4.5 时用尿素作氮源比硫酸铵好，木糖醇转化率提高25%。而在PH5.3和PH6.0的条件下，这 两种氮源差异明显。此外，无机氮源如尿素和磷酸按也可以作为生产木糖醇的有效氮源。2.3 工艺流程图图 2.3 木糖醇生产的工艺流程2.4 木糖醇结晶动力学分析采用木糖催化加氢法生产木糖醇时，因为镍氢催化剂对原料中木糖纯度要求很高，所 以木糖醇产物中的杂质含量较少，采用常规结晶方法即能从木糖醇母液中结晶出木糖醇晶 体。而采用微生物发酵法制备木糖醇，由于发酵液组成复杂，产物中木糖醇含量相对较低， 采用活性炭脱色、离子交换树脂吸附等方法尽管可以除去发酵液中大部分杂质，但少量残 留杂质可能会对木糖醇结晶过程造成不同程度的影响。目前国内外在这方面研究报道很 少，从发酵液中结晶制备木糖醇目前还处于探索阶段，至今没有取得突破性进展。针对这些特点，对木糖醇结晶进程中主要特征进行了系统的研究，并在此基础上，考 察了发酵液中残糖等因子对木糖醇结晶动力学的影响，得到了适宜的木糖醇结晶工艺参 数。2.4.1 过饱和木糖醇发酵液的制备 经活性炭脱色和离子交换树脂脱盐净化处理后的木糖醉发酵液，在旋转蒸发仪 (RE52-98上海亚荣生化仪器厂)中，蒸发浓缩发酵液中木糖醇浓度至一定值。2.4.2 木糖醇发酵液结晶在 250 mL 结晶容器中加入 100mL 木糖醇饱和溶液或浓缩后的木糖醇发酵液，在一定 条件下结晶特定时间，待结晶完毕，木糖醇母液2500 rpm离心5 min,过滤得到木糖醇 晶体。木糖醇晶体溶于纯净水中， HPLC 法测定晶体离心中木糖醇纯度。2.4.3 木糖醇发酵液真空浓缩木糖醇在常温(250C)下溶解度很大，约为65g/100g水。经活性炭脱色和离子交换树 脂脱盐净化处理后的木糖醇发酵液中，木糖醇浓度约为69.10 g/L,这还远远没有达到木 糖醇溶液的饱和状态，所以必须对木糖醇发酵液进行浓缩。木糖醇发酵液浓缩前后成分变 化见表2.4.3所示：表 2.4.3 木糖醇发酵液浓缩前后成分变化表试验浓缩温度(C)浓缩后木糖醇(g/L)浓缩后残糖浓度(g/L)残糖损失率(%)16045032.35026060043.13036075053.94046090064.72057045032.34067060043.12077075053.90087090064.71098045032.300108060043.010.36118075053.500.84128090064.120.97表2.4.3结果表明，在70C温度下真空旋转蒸发浓缩发酵液，发酵液中的木糖醇和残 糖浓度同比例增加。但如果提高浓缩温度到80C以上，木糖醇发酵液色泽加深，这不利于 木糖醇发酵液下一步结晶，所以采用70C下蒸发浓缩木糖醇发酵液较为适宜。2.4.4 晶种对木糖醇结晶的影响由图a可知，在750g/L木糖醇溶液中添加1%。木糖醇晶种，能明显缩短木糖醇结晶诱 导期的延续时间，提高木糖醇结晶速率，溶液中木糖醇浓度在结晶 60h 后不再降低，木糖 醇结晶完毕。而未补加晶种的木糖醇溶液，结晶诱导期延续时间约为18 h，随后木糖醇浓 度开始下降，84 h后结晶完成。对比试验表明，添加1%。木糖醇晶种对木糖醇结晶得率没 有提高，但可以缩短结晶时间。这是因为晶种的存在，可以增大木糖醇分子在晶种上的相 变速度，降低木糖醇结晶过程相变的活化能，从而提高木糖醇结晶速率。/(C700650600550500-450*I1I1I1I1I1I020406080100t/h图 a 添加晶种与不添加晶种纯木糖醇溶液的结晶进程表 b 为不同木糖醇晶种投入量对木糖醇结晶的影响。从表 2.4.5 可以看，结晶母液中 少量的木糖醇晶种能明显地提高木糖醇结晶速率。补加1%0的晶种比未补加晶种结晶速率 提高了 29.16%。但木糖醇晶种的添加量超过l%o后，木糖醇结晶速率不再明显提高。这是 因为 1%的木糖醇晶种已经使木糖醇溶液中结晶活性中心饱和，继续增加晶种量并不能进 一步提高了结晶率和投加木糖醇结晶的成本，适宜的木糖醇晶种投入量速率141综合考虑 结晶速为1%。表 b 木糖醇晶种量对结晶的影响木糖醇晶种(。)结晶平均速率(g/h)晶体得率(%)晶体纯度(%)木糖醇得率(%)05.1758.199.958.10.56.8058.099.958.01.07.2558.299.958.11.57.2558.299.858.12.07.2558.099.958.02.57.2558.199.958.12.4.5 残糖对木糖醇结晶的影响在假丝酵母利用玉米芯半纤维素水解液发酵木糖醇的过程中，发酵培养基中的阿拉伯 糖很难被假丝酵母代谢，它最终以残糖形式进入到发酵液中。因为阿拉伯糖分子结构和物 化性质与木糖醇相似，它不容易被活性炭或离子交换树脂吸附除去。为了进一步考察残糖 对木糖醇结晶动力学的影响，在750 g/L纯木糖醇溶液中添加适量阿拉伯糖，木糖醇结晶 结果如表 a。表 2.4.5 阿拉伯糖对木糖醇结晶的影响阿拉伯糖浓度(g/L)结晶平均速率(g/h)晶体得率(%)晶体纯度(%)木糖醇得率(%)07.2558.099.958.0107.7158.199.958.1207.9258.099.958.0308.0858.199.858.1408.1258.299.958.2508.2258.199.958.1608.4558.099.857.9708.5858.199.057.480&6158.198.256.8由表可知，溶液中添加适量阿拉伯糖能提高木糖醇结晶速率。当阿拉伯糖浓度达到080g/L 时，木糖醇结晶速率随着溶液中阿拉伯糖浓度增大而缓慢增加。这可能是因为，阿 拉伯糖在木糖醇结晶体系中属于可溶性物质，这些可溶性杂质使系统的结晶稳定性降低， 木糖醇结晶诱导期缩短，从而促进了木糖醇结晶速率。但当阿拉伯糖浓度大于60g/L,木 糖醇晶体纯度开始下降，分析其原因:阿拉伯糖与木糖醇分子结构相似，容易与木糖醇一 起混合共结晶出来，导致木糖醇晶体纯度降低。2.4.6 木糖醇结晶动力学模型图 2.4.6 木糖醇晶体生长示意图在木糖醇过饱和溶液中己有晶核形成或加入晶种后，以过饱和度为推动力，晶核或晶种将长大，这就是木糖醇的结晶过程。按照 晶 体 生长得扩散理论，木糖醇分子在水溶 液中要结晶成木糖醇晶体，木糖醇分子首先要在溶液中扩散到晶核表面，形成一层晶膜， 所以结晶过程首先是一个扩散过程。木糖醇从溶液结晶是一个新相形成的过程。该过程不仅包括木糖醇分子凝聚成固体， 并包括这些分子有规则的排列在一定的晶格中，这种有规则的排列和表面分子的化学键力 的变化有关，因此结晶过程又是一个表面化学反应过程 。木糖醇晶体的生长过程由扩散过程和表面化学过程组成，在晶体的表面始终存在着一层薄膜，经过薄膜的物质传递只能靠分子扩散叫。(3)(4)得：(C-C*)i - (C0 -C*)1-n 一Kt(n 丰 1)1-n1-n(5)分子的推动力是液相主体浓度C和晶体表面浓度Ci的差C-Ci, Ci-C*表示表面化学反 应的推动力，分子扩散过程和表面化学反应过程可以用图 2.4.6。这两个过程可以用下式表示:dC一二K (C - Ci)n扩散过程dt ddC一二K (Ci - C*)n表面反应过程(2)dt r结晶达到稳态时候,式(1), (2)合并成:dC _ (C - C*)n dT_ 1/K +1/K ds令 K 为总传质系数111= + K K Kdr(3) 式变为：dC二 K(C - C*)ndt对(4) 式积分得：J dC = J K (C - C*) n dt(6)Ln(C - C*) - Ln(C0 - C*)二-Kt(n 二 1)在式(1) (6)中,Kd: 扩散传质系数K,: 表面反应速度常数K: 木糖醇结晶传质系数C: 木糖醇在母液中浓度Ci：木糖醇在晶膜表面浓度C*:木糖醇饱和浓度n: 木糖醇动力学过程阶数在木糖醇发酵液与木糖醇溶液的结晶动力学进程中，研究了动力学过程阶数n在 0.5-2.5之间在动力学模型（5）, （6）中的线性拟合情况。力学过程阶数n =0.5时，线 性拟合常数r2均在0.9以上，且线性好于n=1.0. 1.5. 2.0. 2.5情况，是比较理想的动 力学模型参数。此外，由于木糖醇结晶过程是非均相反应过程，结晶过程中结晶母液的体 积会随木糖醇晶体的析出而缩小，这也会导致木糖醇结晶动力学过程阶数n 在线形范围内的偏差。综上所述，木糖醇结晶动力学模型为:(C - C*)0.5 - (C - C*)o.5 二0.5Kt(7)0-E温度是影响结晶速率的关键因素。由Arrhenius公式K二K EXP(一a)可知，温度每 0 RT降低10C，反应速率降低2.3倍左右。动力学试验数据表明，结晶温度越低，结晶的传质 系数 K 越大，结晶速率反而增加。这是因为，随着结晶温度降低，虽然木糖醇分子在溶液 中运动速率减慢，但同时木糖醇过饱和度随温度的降低增加很快，从而在总体上表现为结 晶速率随温度的降低反而提高。另一方面，初始木糖醇浓度越大，木糖醇溶液过饱和度就越大，结晶推动力就大，结 晶过程传质系数随之增大，从而促进糖醇结晶速率。木糖醇发酵液与木糖醇溶液的结晶动力学特征相比，传质系数略有增大，这可能是这 是因为，木糖醇发酵液中除了主要成分木糖醇外，还含有少量的残糖，它们分子结构和木 糖醇相似，在木糖醇结晶的过程中，可以促进形成木糖醇晶核，缩短结晶延滞期，从而提 高了木糖醇结晶速率。2.4.7 小结 木糖醇饱和溶液中添加少量阿拉伯糖，能缩短木糖醇结晶的延滞期，提高木糖醇结 晶速率，但当阿拉伯糖浓度大于60 g/L，木糖醇晶体纯度会下降。 宜的半纤维素发酵液结晶条件为:初始木糖醇浓度750 g/L，结晶温度-5C，木糖醇 晶种为l%o，该条件下该条件下得到结晶得率为58.00%的高纯度木糖醇晶体。 在木糖醇结晶进程中，纯木糖醇溶液在结晶初期木糖醇浓度几乎没有下降，存在一 个明显的结晶延滞期，整个结晶周期比木糖醇发酵液长。温度和初始木糖醇浓度是影响木 糖醇结晶动力学的两个关键因子。初始木糖醇浓度越大，木糖醇结晶传质系数越大，木糖醇结晶速率也越大。结晶温度降低，木糖醇分子运动速率减慢，但木糖醇溶液过饱和度随之增大，所以木糖醇结晶速率在总体上表现为增大趋势。 建了木糖醇结晶的动力学模型:(C - C*)0.5 - (C - C*)o.5 二0.5Kt0该动力学模型与试验中木糖醇结晶动力学参数线形拟合程度高( r 2 0.9),较好的反映了木糖醇结晶动态过程，并为实现木糖醇结晶过程自动化控制提供理论依据。3 可行性分析3.1 可行性分析在设备配套方案中充分考虑了发酵和提纯灌装两个分系统各自运行特点及在相互衔 接中可能遇到的技术难题，生产线配套先进合理、运行连续平稳。充分考虑到产品卫生问题，在物料灌装前后分别采用的U HT杀菌和倒盒杀菌，在提纯部分和灌装部分设计了无菌车间，为整条生产线的全部设备和管线。该生产线每小时生产能力2吨，按年工作日278天计，日产2班，班有效工时6小时计， 年工时3336小时，年生产乳制品能力6000吨。3.1.1 资金投入及使用计划(1)项目总资金项目总投资660.9万元。(2)使用计划表3.1.1使用计划项目资金(万元)厂房建设151基础建设30加工设备、配套设备294.89设计、调研费15其他流动资金及不可预计费160合计660.89(3)土建及基础建设经费预算表3.1.2 土建及基础建设经费预算项目数量(m2)单价(元/m2)金额(万元)前发酵处理车间500100050提纯灌装车间20080016保温冷库250160040周转车间50050025水电气设备 污水处理302o合计181（4）设备购置及安装表3.1.3设备购置及安装设备名称规格数量单价（万元）总价（万元）室外原料库lot14.64.6离心糖泵3t/h80.21.6锅炉2t11818容积式凸轮泵4t/h60.84.8离心水泵5t/h80.10.8双联过滤器0.5m220.51真空脱气罐3t/h11.51.5净醇机5t/h110.510.5标准化设备3t/h14040均质机3t/h14.54.5板式热交换器12m241.87.2化糖锅2t11.21.2清水罐5t122高速混料机5t/h122混料罐1t21.9万3.8空气压缩机3m2/min20.6万1.2胶体磨12kw11.21.2CIP自动清洗系统一套110万10保温罐2t61.9万11.4清洗回泵10 t/h30.4万1.2灌装机2 t/h165万65制冷系统10P116 万16管路及配件总价10%23.9安装及调试总价5%13.09分析检测设备20合计294.893.2 经济效益分析3.2.1 生产规模年产量：屋顶纸盒装木糖醇年产680万盒年工作日：278天每日班数：2班产品规格包装单位：瓶、盒、袋净重：500毫升/盒每箱：20盒 每吨成品2000盒或100箱班生产量12230盒或611箱或61吨3.2 .2 产品价格设计、产值零售价： 屋顶纸盒装木糖醇65元盒注：零售价设计为出厂价的(100+40)出厂价： 屋顶纸盒装木糖醇47元盒年产值屋顶纸盒装奶年产 680万盒产值 3196 万3.2.3 年生产固定总成本a. 人工费用人均工资： 1000 元/月职工人数：60人注：人工费用=人均月工资42个月1.11（福利）+300（劳保用品）职工总人数年人工费用预测为： 97.9 万元/年b. 工厂管理费及车间经费按 1 提取。 31.9 l 万元 / 年c设备、房屋折旧费设备 660 万元按 15 年折旧期计算 44 万元/年d设备大修基金按设备折旧费50计算=22万元年生产固定总成本预测： 195.8 万元3.2.4 年生产变动成本总成本a. 原、辅料费屋顶纸盒装CLA牛奶每盒0. 75元，年总计510万元b. 包装材料屋顶纸盒每个 0.43 元, 年总计 292.4 万元c. 包装纸箱每只 2.5 元， 年总计 85 万元d. 动力费 电装机容量 200 kw锅炉风机 60 kw其它 20 kW电费单价0. 89元/度年电费100. 8万元 水用水量 20 吨/小时 水费单价1元/吨年水费8 . 8万元 煤蒸汽用量 3 吨/小时煤单价 500 元吨e. 上级机关管理费按产值 1提取f. 销售运输费按产值 8提取g. 周转资金贷款利息年煤费 63.4 万元年提取 31.96 万元年销售费 255.68 万元240 万元贷款按年利率 5. 0计算= 12 万元年生产变动总成本预测 1360. 04 万元3.2.5 经济效益分析a. 年产值3196.00万元b. 年生产总成本1555.84万元C.销售税增值税应纳额二年产值/1.170.17-（原料+包装）/1.170.17-动力/1.13M.13=464.4-128.9-19.9=315.6应纳 315.6 万元教育附加税和城市建设附加税二增值税应纳额4%应交12.62万元两项共计销售税为=328.22 万元d. 年企业销售利润（毛利润）销售利润=年产值-年生产总成本-销售税=1311.2 万元e. 所得税所得税=销售利润33%-=432. 7 万元f. 纯利润纯利润=毛利润-所得税=878.5 万元g. 国家两项基金两金二纯利润25%=219.63万元h. 年企业净利润净利润=纯利润-两金=658.87 万元i. 利润率分析毛利润率41.03 %纯利润率 27.49 %净利润率 20. 61 %3.2.6 财务评估企业投资回收率 ROI：ROI=年销售利润+设备折旧费）/（建厂投资+周转资金）100%=110.5%企业投资利润率：投资利润率=销售利润/（建厂投资+周转资金） 投资回收期：投资回收期=（1/ ROI）年+建设试产时间=1.9年 盈亏平衡分析a. 以产量表示的盈亏平衡点 BEP:BEP=年生产固定总成本/（年销售值-年产变动总成本-销售税）匈00%=13.22%b 以出厂价表示的盈亏平衡：其计算公式：年生产总成本/（年销售值-销售税）対00%=63.19%4 结 论本研究采用硫酸水解柑橘皮渣半纤维素，再利用氢氧化钙。大孔吸附树脂对水解液进 行脱毒，并系统地研究了脱毒水解液发酵生产木糖醇的工艺，确定了每个单元操作的最佳 工艺参数。通过实验以及国内外对比分析得到了以下结论：1测定了不同产地的柚皮渣和橙皮渣的戊聚糖含量