木糖醇的發(fā)現(xiàn)、研究及應用

文 羅佳彤 河南農業(yè)大學

木糖醇是生活中最常用的代糖材料之一，使用廣泛，具有很大的開發(fā)前景。近年來，木糖醇流行世界，其可以防治蛀牙的功效也獲得了認可。木糖醇本身又是一類富有高營養(yǎng)價值的甜味化合物，可以天然獲得，是人體內葡萄糖代謝的重要中間體。文章主要敘述了木糖醇的發(fā)現(xiàn)、作用原理、結構特點及木糖醇的制備技術等，并對木糖醇的最新應用——木糖醇的保護功能，進行了必要的闡述。

木糖醇，化學式C5H12O5。廣泛存在于樺樹、橡木、玉米芯及甘蔗渣中，也可作為天然甜味劑使用。木糖醇作為食品添加劑，在國外已有100多年歷史。隨著科學技術的發(fā)展，木糖醇已成為現(xiàn)代食品工業(yè)不可缺少的重要原料之一，其用途非常廣泛。尤其在食品工業(yè)方面應用更為普遍。木糖醇是一種白色的晶體或者結晶粉末，容易溶解在水中，微溶于乙醇及乙醇中，熔點92℃-96℃，沸點216℃。pH值在溶液5.0-7之間。

木糖醇甜度和蔗糖相當，但溶于水后仍能吸收大部分熱能，是各種糖醇甜味劑中吸熱系數(shù)最高的一類。木糖醇不致齲，且具有預防齲齒的功能。代謝不受人體控制。對高血壓患者來說，是最佳的代糖食品。在人體內代謝完全，熱量值約10kJ/g，可供給熱量，還可作為高血壓患者的熱能源。

圖1 木糖醇分子立體模型及結構簡式

1.木糖醇的發(fā)現(xiàn)與功能的研究歷程

1.1 木糖醇的發(fā)現(xiàn)和甜味劑功能研究

木糖醇于約1890年由德國化學家Fisher、Stahe和法國化學家Betrand在木糖與鈉汞齊的反應中發(fā)現(xiàn)。因此，德國化學家Fisher于1902年獲得諾貝爾化學獎。

1943年，在芬蘭白樺樹中首次發(fā)現(xiàn)天然存在的木糖醇。

1962年，在哺乳動物組織中發(fā)現(xiàn)了涉及木糖醇的生理過程。木糖醇被認定為一種天然的生理化合物。同年，木糖醇被引入腸胃外療法（輸液療法）。重癥患者可以服用木糖醇，這表明木糖醇可以被人體高效率地代謝。

1963年，經美國食品與藥品監(jiān)督管理局批準后，木糖醇可以正式地用于特殊飲食目的。

20年后的1983年，世界衛(wèi)生組織/糧農組織聯(lián)合專家委員會（JECFA）宣布木糖醇為安全糖。

1.2 木糖醇的防齲功能研究

從1977年芬蘭化學家生產木糖醇的專利被批準，第一批商業(yè)木糖醇口香糖幾乎同時在芬蘭和美國上市。之后，歐洲各個國家的牙科健康機構也紛紛認可使用木糖醇，并繼續(xù)開展對該功能的研究和對結論補充。

因數(shù)據證明，下頜關節(jié)松動無力或發(fā)炎癥狀與過長時間咀嚼口香糖有關，1990年，世界上第一顆可含化吞咽的木糖醇護齒糖在芬蘭出現(xiàn)。

1997年，新的研究表明純木糖醇產品可顯著預防兒童耳部感染。

2.木糖醇的性質與功能特點

2.1 對食品

木糖醇的甜度是蔗糖的1.3倍，幾乎等于蔗糖的甜度，可以1:1的比例被蔗糖替代。然而，木糖醇只能提供10kg/g的能量，比蔗糖低40%，因此，木糖醇已成為生產低能甜點的糖的良好替代品。市場上出現(xiàn)了由木糖醇制成的無糖食品，這在想要減肥和倡導健康生活的現(xiàn)代年輕人中很受歡迎。同時，與麥芽糖醇、與甘露醇和山梨醇相比，木糖松餅最接近蛋糕，木糖的吸濕性也能改善風味。食品中使用的木糖醇也有利于甜點中微生物的穩(wěn)定性和成品的保質期。這是因為在相同濃度下，水中木糖醇的活性低于水中蔗糖的活性。二甲苯是甜點糖的最佳替代品。

2.2 對人體

木糖醇可以添加到口腔護理產品中，因此口腔中的酸性微生物不能使用木糖醇。在人體內，木糖醇在緩慢消化和吸收后，可以通過細胞膜迅速被細胞吸收和使用，而不依賴于胰島素的代謝，因此不會引起血糖的快速波動。因此，木糖醇常被用作高血壓患者的甜味劑。由于木石的抗氧化功能，它可以消除自由基并控制自由基的形成。

美國衣阿華州立學院實驗表明：肺部感染病人在口服木糖醇后，原本比正常人提高二倍的氣道黏膜鹽濃度迅速又回復至正常人水準。這說明木糖醇雖沒有抗菌性質，卻能夠具有防止呼吸道傳染的作用。

近年來，隨著研究的深入，又發(fā)現(xiàn)了木糖醇可以和游離鈣離子形成復合物，以促進對鈣的吸收和減少流失、穩(wěn)定胰島素、護膚、減少來自口腔微生物的血液感染等功能。

2.3 理化性質

此外，木糖醇性能也比較穩(wěn)定，且近乎惰性，因此能夠被加熱至完全融化（熔點95℃）而不會引起其他改變。

3.木糖醇的生產

3.1 木糖醇生產的新方法與現(xiàn)狀

今天，工業(yè)上使用的木糖醇是由純D-木糖在高溫高壓下通過鎳催化氫化獲得的。該方法具有反應條件差、生產成本高、安全性差和資源損失。科學家們正在積極尋找生物方法。

生物轉化因其條件溫和、質量穩(wěn)定、安全性高等優(yōu)點，已成為木糖醇生產的最佳方法。木糖醇是在生物轉化過程中通過微生物發(fā)酵產生的。

微生物發(fā)酵可以利用秸稈、玉米芯、甘蔗渣等植物中的半纖維素作為原料。通過水解和發(fā)酵，一方面可以提供高純度的優(yōu)質木糖醇，另一方面可以充分利用農業(yè)廢棄物，實現(xiàn)農業(yè)廢棄物向高附加值木糖醇的轉化，降低經濟成本，增加利潤。

微生物發(fā)酵的基本原理是利用微生物細胞內木糖還原酶，使木糖還原為木糖醇。自然界中存在著大量的微生物，如酵母、真菌和細菌等。其中，酵母由于其資源豐富、來源廣泛、生長迅速且具有較強的加工能力而備受關注。近年來，隨著生物技術的迅速發(fā)展，利用微生物發(fā)酵法生產木糖醇已成為一種新的途徑。目前，世界上已有30多個國家和地區(qū)開展了以酵母菌為原料生產木糖醇的研究工作。在實際應用中，生物發(fā)酵制備木糖醇技術還停留在實驗室階段，普遍存在菌種匱乏、木糖利用率不高、木糖醇生成量不高、木糖難以循環(huán)利用等問題，限制著微生物發(fā)酵在產業(yè)化中的普及與發(fā)展。

3.2 影響生物發(fā)酵的外界條件

3.2.1 木糖初始濃度

木糖既作為反應原料，又為微生物生長代謝提供了能源。當木糖的初始濃度較低時，可以促進酵母細胞對木糖醇的發(fā)酵；木糖在液體培養(yǎng)基中具有良好的穩(wěn)定性，且隨著培養(yǎng)時間的延長而逐漸降解。但由于木糖的初始高濃度會導致發(fā)酵液的滲透壓增大和底物抑制等現(xiàn)象，不利于木糖醇的生產。不同菌種對木糖初始濃度的要求并不完全一致，所以實際發(fā)酵時，要結合具體情況，通過試驗考察來確定最佳濃度。

3.2.2 溶解氧

溶解氧的量是決定木糖發(fā)酵或呼吸的關鍵因素之一，然后調節(jié)生長和生物轉化的碳消耗平衡。發(fā)現(xiàn)菌株生長所需的溶解氧和木糖醇的積累是不同的。當氧氣充足時，細菌生長迅速，但木糖轉化率低；在有限的氧氣狀態(tài)下，木糖很容易轉化為木糖醇，乙醇產量低。與乙醇和丁醇發(fā)酵一樣，培養(yǎng)條件對木糖醇發(fā)酵的影響是互補的，它們在發(fā)酵過程中協(xié)同工作。

3.3 對技術的改良

3.3.1 改造發(fā)酵工藝

木糖醇生產中的大多數(shù)生物反應是通過分批發(fā)酵進行的，很少有分批發(fā)酵或混合發(fā)酵的報道。本發(fā)明的進料可獲得高底物濃度，并進一步提高木糖醇的產率。使用化學水解纖維素作為發(fā)酵底物也可以有效降低抑制劑的毒性。

隨著工業(yè)生產更加趨向于分批發(fā)酵，細胞回收成為增加木糖醇產能的一個難題。從微生物發(fā)酵法和酶法兩方面綜述了細胞提取木糖醇工藝進展情況。其中，以微生物為原料的生物轉化法是目前工業(yè)上最常用的方法之一，在此基礎上提出了進一步研究方向。細胞固定化技術由于具有細胞濃度大、生長停滯持續(xù)時間短、反應速度快、重復性好、成本較低、酶穩(wěn)定性強，降低酶活性損失和增強抗污染等特殊優(yōu)勢而在生物發(fā)酵制備木糖醇過程中得到了廣泛運用。

其他的改造工藝還有：在發(fā)酵過程中添加共底發(fā)酵物、運用機械攪拌、超聲輔助機械攪拌等手段強化應激反應，以改變細胞膜的滲透性。

3.3.2 菌種改造

除了改善栽培條件、發(fā)酵工藝外，還可能采用對菌體本身結構加以改變，以得到更高產木糖醇的菌種方法，如：對菌體進行傳統(tǒng)的物理或化學誘變。

例如：浙江大學院士陳雪松、博士楊勝利等發(fā)表了《高產木糖醇菌株誘變選育及其發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)化》一文，通過將早期自然篩選所得菌株復合誘變，探索其木糖醇轉化率，并在此基礎上優(yōu)化發(fā)酵培養(yǎng)基中氮源及無機鹽含量，旨在為晚期工業(yè)化應用奠定技術基礎。在實驗中，選擇了菌種類型——以木糖醇發(fā)酵菌Y-3型（木糖醇轉化率36.5%）為主要開局的菌株類型，并對其進行了紫外和化學的綜合誘變育種篩選，最后通過二輪的綜合誘變育種篩選獲得了一株較高產的新品種木糖醇益生菌株，木糖醇轉化率達到了54.5%，較原出發(fā)菌種型增加了49.3%。

4.木糖醇的新應用——木糖醇的環(huán)保作用

隨著人們對金屬化合物的需求量日益提高，大批重金屬以不同化學形態(tài)流入了礦區(qū)土地，尤其是“十三五”后，我國政府對礦區(qū)土地生態(tài)恢復工作提出了更高要求，這導致合理管控礦區(qū)土壤重金屬污染問題成為一項重大課題。目前，在當前的土壤重金屬處置工藝技術中，化學處置工藝技術已以其成本低、見效快而受到了廣泛應用。在其中，萃取法已是一個使用普遍、成熟的化學加工方式。

土壤淋洗是指將洗滌液注入或滲透到土壤中，使其流過待處理的土層，分析土壤中的污染物，然后處理和再利用含有污染物的洗滌液的過程。單一洗脫劑的研究工作表明：可以使用多種化學試劑如EDTA和皂甙可去除重金屬離子，但由于礦區(qū)土壤中重金屬的多樣性，單一洗脫劑效果相對較小。

近年來，我們認為，如果使用復合洗脫劑的協(xié)同溶劑效應機制，有目的地應用各種洗脫劑來執(zhí)行復合作用，從而共同完成對各類有色重金屬和其他有害土壤物質的生化處理，當以低劑量使用淋洗液時，它不僅可以實現(xiàn)對土壤中有色重金屬的最高去除效果，還可以減少傾倒劑對土壤生化特性和細菌種群的有害影響。

在由李美蘭博士等人所撰寫的《木糖醇型端羧基超支化聚酯/L35復合淋洗劑對礦區(qū)污染土壤中重金屬的淋洗效果》等論文中，采用了木糖醇為中間核，以檸檬酸為共聚的單體，并通過熔融聚合成功制備了木糖醇型端羧基超支化聚酯（HBP-COOH），并同時通過振蕩淋洗法分析出在不同條件下，所生產的HBP-COOH及其在與L三十五復配后,對尾礦庫區(qū)內的不同環(huán)境Cd、Pb以及高兆的各種金屬板材所產生的淋洗效應。通過實踐與研究后，得到的主要研究成果：木糖醇型端羧基逾額化聚酯纖維/L35復合淋洗劑，對礦區(qū)污染土壤和有色重金屬的淋洗作用較強。

5.木糖醇研究的發(fā)展方向和意義

近年來，木糖醇已被證明能改善牙齒健康、減少血脂積聚、增進骨質強健和增加運動量。木糖醇也是一種功能性甜味劑，廣泛應用于各種食品中，作為高血壓和肥胖癥的優(yōu)質總膽紅素的替代品。

腸道內主要有6種細菌，其中包括雙歧桿菌、乳鏈球菌等多種有益菌。腸道內以短腸球菌為主的微生態(tài)制劑能夠改善腸道環(huán)境。木糖醇和膳食纖維如板栗多糖等是重要的益生元。但由于它不能被人體直接吸收利用，所以只能作為微生物的載體而發(fā)揮其益生元的作用，因此限制了它在食品中的應用范圍，也影響著人們對益生元功能的認識。目前，關于木糖醇及木糖醇對消化道微生物的影響研究顯示，雖然木糖醇在胃腸道菌群，尤其在一些疾病診斷與防治方面有很好的調節(jié)作用，但是對于木糖醇深層機制及益生菌的影響研究尚不充分。所以，目前關于木糖醇研究的關鍵是通過現(xiàn)代生物學技術手段探討木糖醇的益生作用、作用位點和作用方式，挖掘它更多的益生效應，有利于進一步拓寬其應用空間。木糖醇的巨大潛力也為環(huán)境保護事業(yè)打開了新的想法和思路。