糖基生物質(zhì)生產(chǎn)食品化工產(chǎn)品研究進(jìn)展

白凈，張璐，方書起，陳俊英，常春，程曉輝，楊富穎，梁騰波

（1 鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001；2 河南鑫中聯(lián)建工有限公司，河南 鄭州 450009； 3 河南駐馬店電力公司，河南 駐馬店 463000）

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，生物質(zhì)資源豐富。在生物或化學(xué)催化劑的作用下，利用生物質(zhì)為原料通過生物和化工技術(shù)制取化工產(chǎn)品可以有效合理地利用農(nóng)作物副產(chǎn)品，減少污染。目前食品添加劑的生產(chǎn)原料大多來源于石油化工行業(yè)，少數(shù)來源于天然生物原料。以糖基生物質(zhì)為原料生產(chǎn)的食品添加劑，與天然產(chǎn)品來源相似，安全可靠，人們更易于接受[1]。同時(shí)經(jīng)生物化學(xué)方法生產(chǎn)的生物質(zhì)基食品添加劑可經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)生成其他多種高附加值的化工產(chǎn)品。目前有可能商品化的食品化工產(chǎn)品主要有1,4-二羧酸基四碳酸類（琥珀酸，反丁烯二酸和蘋果酸）、天冬氨酸類、谷氨酸類、丙三醇類、山梨醇類和木糖醇/阿拉伯樹膠酸類。這些食品化工產(chǎn)品的生產(chǎn)原料主要是淀粉類多糖生物質(zhì)，原料來源廣泛，價(jià)廉易得。但是以糖基生物質(zhì)為原料生產(chǎn)食品化工產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝和技術(shù)仍不成熟，生產(chǎn)成本較高，產(chǎn)品開發(fā)中仍存在較多的技術(shù)難題，如果這些技術(shù)難點(diǎn)得以突破，那么糖基生物質(zhì)食品化工產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和潛力將會(huì)得到極大提升。因此從食品安全角度和降低生產(chǎn)成本方面考慮，進(jìn)一步開發(fā)生物質(zhì)基食品化工產(chǎn)品前景廣闊。本文重點(diǎn)介紹以糖基生物質(zhì)原料生產(chǎn)食品化工產(chǎn)品的研究進(jìn)展和技術(shù)開發(fā)難題，以期為更深層次的糖基生物質(zhì)食品化工產(chǎn)品的開發(fā)提供參考。

1 1,4-二羧酸基四碳酸

常見的化工產(chǎn)品原料琥珀酸、反丁烯二酸、蘋果酸等都是1,4-二羧酸基四碳酸。1,4-二羧酸基四碳酸在食品行業(yè)中應(yīng)用廣泛，可用作酸味劑、調(diào)味劑用于飲料與糖制品；其中蘋果酸為天然果汁的重要成分，具有特殊香味，不損害口腔與牙齒，不積累脂肪，被生物界和營(yíng)養(yǎng)界譽(yù)為“理想的食品酸味劑”。2013年以來在老年及兒童食品中正取代檸檬酸成為最具競(jìng)爭(zhēng)力的食品酸味劑。

這些1,4-二羧酸基四碳酸大多參與生物體內(nèi)的三羧酸循環(huán)，可以由糖基生物質(zhì)為原料采用生物化學(xué)轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)。其中具有代表性的琥珀酸生物化學(xué)轉(zhuǎn)化途徑為：生物質(zhì)基葡萄糖→厭氧菌發(fā)酵→琥珀酸鹽→離子交換→琥珀酸。

目前源自糖基生物質(zhì)的1,4-二羧酸基四碳酸產(chǎn)品具有非常良好的市場(chǎng)前景，其產(chǎn)業(yè)化的主要技術(shù)難點(diǎn)是如何有效降低發(fā)酵成本。根據(jù)文獻(xiàn)資料報(bào)道有兩種糖基生物質(zhì)原料（六碳糖或五碳糖）發(fā)酵生產(chǎn)琥珀酸工藝與石化基琥珀酸相比具有一定的經(jīng)濟(jì)性[2]。目前與石化基產(chǎn)品相比，該類產(chǎn)品的發(fā)酵成本需要低于每千克0.61美元才有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，這在短時(shí)期難以獲得突破。但隨著化石能源的逐漸枯竭，以糖基生物質(zhì)為原料生產(chǎn)1,4-二羧酸基四碳酸產(chǎn)品將會(huì)有非常良好的市場(chǎng)前景。

通過生物化學(xué)方法修飾1,4-二羧酸基四碳酸的多功能官能團(tuán)可以將其轉(zhuǎn)化為多種化工產(chǎn)品，這些產(chǎn)品大多具有極大的潛在市場(chǎng)前景。如圖1 所示以琥珀酸為例，采用生物化學(xué)轉(zhuǎn)化方法將1,4-二羧酸基四碳酸轉(zhuǎn)化為其他化工產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)化途徑可分為以下3 種。

（1）把1,4-二羧酸基四碳酸加氫還原，可以生產(chǎn)四氫呋喃（THF）、丁二醇（BDO）和γ-丁內(nèi)酯（GBL）等化工產(chǎn)品。目前該技術(shù)亟待突破的難點(diǎn)是如何控制選擇性還原的程度，即控制醇類、內(nèi)酯和呋喃內(nèi)還原酸的含量；如何保證溫和的加氫還原反應(yīng)工藝環(huán)境（壓力、溫度等）；如何開發(fā)出對(duì)抑制劑高耐受性和長(zhǎng)壽命的催化劑等。利用該方法生產(chǎn)的生物基化工產(chǎn)品（THF、BDO、GBL 等）能用做溶劑行業(yè)和光纖行業(yè)中的原料和中間體。

（2）利用氨基化還原反應(yīng)以1,4-二羧酸基四碳酸原料生產(chǎn)吡咯烷基類（例如吡咯烷酮）化工產(chǎn)品[3]。該技術(shù)目前在產(chǎn)業(yè)化過程中遇到的難點(diǎn)主要有如何在生產(chǎn)中控制酸式鹽的選擇性還原程度；如何保證溫和（壓力、溫度等）的氨基化還原反應(yīng)工藝環(huán)境；如何開發(fā)出對(duì)抑制劑高耐受性的催化劑和在連續(xù)生產(chǎn)中如何保證催化劑的壽命。利用該方法生產(chǎn)的吡咯烷基類化工產(chǎn)品衍生物可以用于生產(chǎn)一些環(huán)境友好的溶劑、水溶劑和水基高分子材料。

圖1 理論上以琥珀酸為原料可以生產(chǎn)的化工產(chǎn)品

（3）以1,4-二羧酸基四碳酸為原料直接聚合反應(yīng)生產(chǎn)直鏈高分子材料和支鏈聚合物產(chǎn)品[4]。前者不存在任何技術(shù)難題，并且已經(jīng)有產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品問世，例如生物基光纖材料等；后者產(chǎn)業(yè)化的難點(diǎn)是如何控制聚合支鏈的選擇性酯化作用以及如何控制聚合反應(yīng)生成的聚合物分子質(zhì)量和特性，截止目前該技術(shù)仍未有任何進(jìn)展。

2 天冬氨酸

天冬氨酸是包括人類在內(nèi)的動(dòng)物體內(nèi)必不可少的代謝物質(zhì)。其有幾種同分異構(gòu)體，最常見的有L-天冬氨酸和D-天冬氨酸兩種，食品工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的是L-天冬氨酸，在食品行業(yè)中主要用于鮮味劑和高甜味劑，同時(shí)是一種良好的營(yíng)養(yǎng)增補(bǔ)劑，添加于各種清涼飲料；L-天冬氨酸也是糖代用品阿斯巴甜的主要生產(chǎn)原料[5]。

2.1 天冬氨酸的生產(chǎn)方法

L-天冬氨酸的生產(chǎn)主要有以下3 種方法。

（1）化學(xué)合成法，如用氨水使反丁烯二酸氨基化生產(chǎn)L-天冬氨酸。

（2）蛋白質(zhì)萃取法。

（3）發(fā)酵法/生物酶轉(zhuǎn)化法。也稱生物化學(xué)轉(zhuǎn)化法，主要根據(jù)克雷伯氏循環(huán)，利用多種細(xì)菌或酶制劑把生物質(zhì)基草酰乙酸酯轉(zhuǎn)化為天冬氨酸[6]。目前生物化學(xué)法的工業(yè)應(yīng)用較廣泛，這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是副產(chǎn)物少、產(chǎn)物濃度高、生產(chǎn)率高、結(jié)晶分離容易。但是目前生物化學(xué)轉(zhuǎn)化方法也碰到很多技術(shù)難題，例如在工業(yè)化生產(chǎn)中，如何保證細(xì)菌或酶等有機(jī)體與物料液間的充分接觸反應(yīng)生產(chǎn)大量草酰乙酸酯，同時(shí)又不對(duì)有機(jī)體的發(fā)育造成傷害；如何控制酶對(duì)草酰乙酸酯的氧化程度；以及低成本產(chǎn)糖工藝開發(fā)和適宜的廉價(jià)生物質(zhì)發(fā)酵原料探索等[7]。

目前市場(chǎng)上天冬氨酸產(chǎn)品大多采用生物酶法生產(chǎn)，經(jīng)過多年研究和生產(chǎn)工藝改良，其生產(chǎn)成本仍然居高不下，這也限制了天冬氨酸的廣泛應(yīng)用[8]。因此，開發(fā)一種比生物酶轉(zhuǎn)化工藝成本更低廉的，特別是以生物質(zhì)糖為培養(yǎng)基的直接發(fā)酵工藝成為當(dāng)務(wù)之急。隨著生物技術(shù)，特別是遺傳工程技術(shù)和菌種選育工程的發(fā)展，未來一定會(huì)開發(fā)出較為經(jīng)濟(jì)的以糖類為原料的直接發(fā)酵生產(chǎn)天冬氨酸工藝。

2.2 天冬氨酸生產(chǎn)生物基化工產(chǎn)品的途徑

從2006年起，全球天冬氨酸需求量每年均保持2%～3%的增長(zhǎng)率，2016年后聚天冬氨酸類高分子材料就能替代目前市場(chǎng)流行的聚丙烯酸和聚羧化物。因此，以天冬氨酸為原料的生物基化工產(chǎn)品將會(huì)有非常廣闊的市場(chǎng)前景。圖2 所示為理論上以天冬氨酸為原料可以生產(chǎn)的生物質(zhì)基化工產(chǎn)品?？傮w來說，可以分為以下3 種途徑。

圖2 理論上能以天冬氨酸為原料生產(chǎn)的生物質(zhì)基化工產(chǎn)品

（1）利用加氫還原反應(yīng)把天冬氨酸轉(zhuǎn)化為丁 二醇胺、四氫呋喃胺、丁內(nèi)酯胺等二羧酸基四碳酸氨或結(jié)構(gòu)和性能類似的化工產(chǎn)品。這些化工產(chǎn)品在溶劑市場(chǎng)上具有良好的應(yīng)用前景。這個(gè)轉(zhuǎn)化途徑中主要的技術(shù)難點(diǎn)是如何控制選擇性加氫還原的程度、如何保證轉(zhuǎn)化過程中溫和的操作環(huán)境（常壓、常溫等）以及對(duì)抑制劑高耐受性和長(zhǎng)壽命催化劑的開發(fā)等都是亟待解決的技術(shù)難題。

（2）利用脫水反應(yīng)把天冬氨酸轉(zhuǎn)化為天冬氨 酐[9]。在酸性催化劑作用下，天冬氨酸選擇性脫水生成天冬氨酐的反應(yīng)大多被認(rèn)為是一個(gè)熱力學(xué)過程。如何降低該過程中天冬酸酐的生產(chǎn)成本是當(dāng)前的技術(shù)主要難點(diǎn)，目前的研究大多著力于能夠替代傳統(tǒng)的液相催化劑的新型多相催化劑（如固體酸）開發(fā)，另外，該催化劑能實(shí)現(xiàn)無副反應(yīng)的選擇性脫水反應(yīng)。

（3）利用直接聚合反應(yīng)把天冬氨酸轉(zhuǎn)化為新 型高分子材料[10]。利用該技術(shù)法能合成可生物降解的特殊高分子材料，例如聚天冬氨酸和聚天冬氨酸酯（PAA），這些新型高分子材料的性質(zhì)可能與聚合谷氨酸類似，可能可以代替聚丙烯酸和聚羧化物[11]。這個(gè)合成技術(shù)理論上并不困難，但一直沒有突破，主要的技術(shù)問題是控制聚天冬氨酸等高分子支路反應(yīng)的酯化作用程度和聚合物分子質(zhì)量與性質(zhì)較為困難[12]。

3 谷氨酸

谷氨酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的20 種常見α 氨基酸之一，參與動(dòng)物、植物和微生物中的許多重要化學(xué)反應(yīng)。谷氨酸最重要的產(chǎn)品是谷氨酸鈉，俗稱味精，在食品行業(yè)中，對(duì)香味具有增強(qiáng)作用。谷氨酸及其相關(guān)的化工產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，目前工業(yè)級(jí)的谷氨酸均是將糖基生物質(zhì)通過微生物發(fā)酵獲得，但微生物發(fā)酵產(chǎn)酸率較低，一般為6%～9%，最高值不超過11.3%[13]。當(dāng)前的技術(shù)研究集中于優(yōu)選一種性能優(yōu)異的谷氨酸發(fā)酵菌種，既能大量減少其他副產(chǎn)物酸生成，又能大幅提高發(fā)酵產(chǎn)量和產(chǎn)酸率。目前主要的技術(shù)難點(diǎn)是低成本發(fā)酵工藝的開發(fā)，提高最終發(fā)酵濃度和整體生產(chǎn)率。只要該類產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)成本低于0.63 美元/千克，就會(huì)比石油基原料生產(chǎn)的產(chǎn)品更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

圖3 所示為理論上以谷氨酸為原料可以生產(chǎn)的生物質(zhì)基化工產(chǎn)品。谷氨酸可通過加氫還原生成二醇類（1,5-戊二醇）、二酸類（1,5-戊二酸）和氨基類（5-氨基-1-丁醇）化工產(chǎn)品。同時(shí)作為一種五碳糖，理論上谷氨酸可通過聚合反應(yīng)生成五碳糖類聚合物的高分子材料，例如聚酯纖維和聚酰胺。并且與以石油煉制物乙胺單體為原料采用化學(xué)方法獲得的高聚物相比，這些谷氨酸基高聚物可能有許多不同的功能，也有很多新的用途[14-16]。

圖3 理論上能以谷氨酸為原料生產(chǎn)的生物質(zhì)基化工產(chǎn)品

但是，目前仍未獲得谷氨酸轉(zhuǎn)化為聚合物高分 子材料過程中的化學(xué)選擇性還原反應(yīng)機(jī)理，特別是在水溶液狀態(tài)下二者間的反應(yīng)機(jī)理。以谷氨酸為原料的生物質(zhì)基化工產(chǎn)品開發(fā)中遇到的主要困難較多，需要開發(fā)出一個(gè)還原反應(yīng)環(huán)境溫和（常溫、常壓等）的生產(chǎn)工藝，該生產(chǎn)工藝中的各個(gè)反應(yīng)盡量不生成酸式鹽，并且能控制選擇性還原脫氨基反應(yīng)程度；還需要選育出比較強(qiáng)壯和能耐受生物質(zhì)基發(fā)酵原料的優(yōu)良菌株[13]。谷氨酸基化工產(chǎn)品開發(fā)中要求其每升發(fā)酵液每小時(shí)最少產(chǎn)量為2.5g，否則就沒有經(jīng)濟(jì)性可言；另外，發(fā)酵生產(chǎn)應(yīng)盡量在偏酸性的環(huán)境中進(jìn)行，最終發(fā)酵產(chǎn)酸率和發(fā)酵濃度越高越好。

4 甘油

甘油是重要的工業(yè)原材料，在食品工業(yè)中通常被用作甜味劑和保濕劑，大多出現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)食品和代乳品中。甘油可以直接消費(fèi)，也可以經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)生成甘油單月桂酸酯、聚甘油脂肪酸酯等多種食品化工產(chǎn)品。由于甘油是一種低毒、可食用、能生物降解的化合物，所以甘油基食品添加劑產(chǎn)品更容易被公眾接受。

盡管用途廣泛，但甘油的市場(chǎng)價(jià)格仍較低，并且仍沒有一個(gè)完善的價(jià)格機(jī)制，目前，甘油的較高價(jià)格約為0.9～1.3 美元/千克。甘油是生物柴油生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵副產(chǎn)物，隨著生物柴油市場(chǎng)的擴(kuò)大，甘油產(chǎn)量會(huì)越來越大，生產(chǎn)成本也會(huì)越來越低，同時(shí)甘油自身也具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，因此以甘油為原料生產(chǎn)的化工產(chǎn)品將會(huì)具有巨大的市場(chǎng)潛力。

從技術(shù)的角度來看，甘油的開發(fā)可以通過9 種不同的途徑，如圖4 所示，總體來說，可以歸納為以下3 種方式。

（1）通過氧化反應(yīng)把甘油轉(zhuǎn)化為不飽和聚合物（類似PLA）和甘油酸，這些不飽和聚合物性能優(yōu)異，可作為具有新功能聚酯纖維的原料。利用選擇性氧化技術(shù)可以將甘油轉(zhuǎn)化為一些新的化學(xué)中間體，或一些新的化合物，例如歧化聚酯纖維、尼龍等，這些產(chǎn)品市場(chǎng)潛力巨大。2011年，全球聚酯纖維年產(chǎn)量為3870 萬(wàn)噸，價(jià)格大約為2.2～7.7 美元/ 千克[17]。該技術(shù)難點(diǎn)是需要開發(fā)出能進(jìn)行選擇性氧化的催化劑，其能應(yīng)用于諸如甘油的多官能團(tuán)分子的操作上，能控制醇羥基直接轉(zhuǎn)化為羧酸基的途徑。這個(gè)氧化過程要盡量使用簡(jiǎn)單的氧化劑，例如氧氣或空氣，去完成所需的轉(zhuǎn)化。

圖4 理論上能以甘油為原料生產(chǎn)的生物質(zhì)基化工產(chǎn)品

（2）通過氫解作用將甘油中的C—C 和C—O的選擇性斷裂生成丙二醇和1,3-丙二醇[18]，這些化工產(chǎn)品可以用作防凍劑、潤(rùn)濕劑等的原料，也可以用于生產(chǎn)新型光纖等。利用新的氫解作用技術(shù)也可以將甘油轉(zhuǎn)化為貴重的化工中間體。丙二醇（PG）和1,3-丙二醇（PDO）是較有市場(chǎng)前景的化工產(chǎn)品，它們能通過開發(fā)相似的催化系統(tǒng)技術(shù)來生產(chǎn)。雖然PDO 可由需氧發(fā)酵生產(chǎn)，但是由甘油到PDO 的直接氫解生產(chǎn)途徑的成本可能更低廉。美國(guó)的丙二醇年消費(fèi)量達(dá)68 萬(wàn)噸，隨著PG 生產(chǎn)能力的提高， PG 可以為甘油提供一個(gè)非常巨大的潛在市場(chǎng)。甘油氫解技術(shù)的關(guān)鍵是開發(fā)出一個(gè)成本比當(dāng)前的石化途徑更低廉的氫解生產(chǎn)工藝。另外，一個(gè)非常重要的技術(shù)難點(diǎn)是需要開發(fā)出性能優(yōu)異的催化劑，其不但能完成C—C 和C—O 的選擇性斷裂，而且能耐受生物質(zhì)流體中的各種抑制劑。

（3）通過直接聚合作用把甘油轉(zhuǎn)化為歧化聚酯纖維和多羥基化合物[19]，它們可以作為不飽和聚亞胺酯和用于隔音、隔熱絕緣樹脂材料的生產(chǎn)原料。該技術(shù)的難點(diǎn)是聚合工藝過程控制，即控制歧化反應(yīng)的選擇性酯化作用程度，控制聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量和性能。

5 山梨醇

山梨醇是一種用途廣泛的食品化工原料，具有低熱值、低糖、防齲齒等功效，可在食品行業(yè)中用作甜味劑和防腐劑等。山梨醇的生產(chǎn)多采用鎳基催化劑對(duì)葡萄糖進(jìn)行加氫還原的方法，工業(yè)中多采用間歇工藝生產(chǎn)，這種方法沒有任何技術(shù)難點(diǎn)，而且能確保葡萄糖完全被轉(zhuǎn)化，山梨醇的生產(chǎn)率可達(dá)99.7%。采用這種方法的原因是山梨醇主要應(yīng)用于食品和化妝品等行業(yè)，這些行業(yè)對(duì)山梨醇中所含雜質(zhì)酸量有嚴(yán)格的要求。盡管在實(shí)驗(yàn)室中用生物法生 產(chǎn)山梨醇得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也不錯(cuò)，但僅限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，大規(guī)模生產(chǎn)必須尋找一種經(jīng)濟(jì)的、高效的適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的分離方法。

圖5 理論上能以山梨醇為原料生產(chǎn)的生物質(zhì)基化工產(chǎn)品

山梨醇是一種應(yīng)用前景廣闊的化工產(chǎn)品，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。圖5 為理論上以山梨醇為原料可以生產(chǎn)的生物質(zhì)基化工產(chǎn)品?？傮w來說，可歸納為下列3種方式。

（1）通過脫水反應(yīng)把山梨醇轉(zhuǎn)化為異山梨醇 和山梨醇糖酐[20]，后者可以生成結(jié)構(gòu)類似于對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）的高分子材料，如聚乙烯異山梨醇、聚對(duì)苯二酸鹽或酯等。該技術(shù)的難點(diǎn)是開發(fā)無副反應(yīng)的選擇性脫水工藝和新型的多相催化劑（如固體酸）。這種催化劑能在由醇羥基脫水生成糖酐或內(nèi)酯過程中起決定性作用，能用于取代當(dāng)前工藝中常用的液相催化劑。如果以上技術(shù)難點(diǎn)得以克服，可使以山梨醇為原料生產(chǎn)異山梨醇的生產(chǎn)率由目前報(bào)道的最高值76%提高至90%，這有利于降低異山梨醇的生產(chǎn)成本。

（2）利用氫解作用把山梨醇轉(zhuǎn)化為丙二醇和 乳酸等二醇類化工產(chǎn)品，這些化工產(chǎn)品可作為防凍劑和不飽和聚酯的生產(chǎn)原料。該技術(shù)的難點(diǎn)是高生產(chǎn)率的丙二醇生產(chǎn)工藝開發(fā)，該反應(yīng)工藝能在氫解過程中辨識(shí)C—C 或C—O 鍵。這是非常困難的，目前文獻(xiàn)中報(bào)道的最好的結(jié)果是產(chǎn)率是35%，而該產(chǎn)率達(dá)到60%才有商業(yè)利潤(rùn)。另外，能耐受生物抑制劑的催化劑開發(fā)也是當(dāng)前的技術(shù)難點(diǎn)之一，特別是能大幅提高丙二醇的產(chǎn)率的新型催化劑的開發(fā)尤為迫切。

（3）利用直接聚合作用把山梨醇轉(zhuǎn)化為歧化 多糖，后者可以用作水溶性高分子（水處理劑等），并且能與其他二醇類物質(zhì)共聚合生成新的化合物不飽和高分子樹脂。該技術(shù)的難點(diǎn)是如何控制歧化反應(yīng)的選擇性酯化作用程度以及如何控制高聚物分子質(zhì)量和性質(zhì)。

6 木糖醇和阿拉伯樹膠

木糖醇是木糖代謝的中間產(chǎn)物。在食品行業(yè)中可用作甜味劑和營(yíng)養(yǎng)劑。世界木糖醇總生成能力不足5 萬(wàn)噸/年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，可由五碳木糖和樹膠醛糖通過加氫還原作用生成木糖醇[21]，也可以在生物質(zhì)液體燃料開發(fā)過程中，從部分生物質(zhì)預(yù)處理溶液中萃取分離出五碳木糖，它可以在酶作用下轉(zhuǎn)化為木糖醇[22]，其技術(shù)難點(diǎn)在于從雜質(zhì)糖中分離純化出所需要的產(chǎn)品。現(xiàn)階段木糖醇已在食品、醫(yī)藥中得到了廣泛的應(yīng)用?？墒悄壳叭晕茨軐?shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)的連續(xù)生產(chǎn)，這說明在木糖轉(zhuǎn)化為木糖醇的過程中存在有很多預(yù)先未知的困難，這必然要在在工業(yè)逐級(jí)放大中才能碰到。

圖6 為理論上以木糖醇為原料可以生產(chǎn)的生物質(zhì)基化工產(chǎn)品。總體來說，可歸納下列為3 種方式。

（1）通過氧化反應(yīng)把木糖醇或阿拉伯樹膠轉(zhuǎn) 化為木質(zhì)素酸、木質(zhì)纖維素酸、阿拉伯糖酸和阿拉伯樹膠酸，這些化工產(chǎn)品可能有新的應(yīng)用價(jià)值。該技術(shù)的難點(diǎn)是開發(fā)一套多種酶制劑綜合氧化作用下的高效低成本的生產(chǎn)工藝。這個(gè)工藝能較好的控制由醇羥基到羧酸基的選擇性氧化程度；在安全和生產(chǎn)需要的前提下，可以使生產(chǎn)系統(tǒng)中氧化劑的濃度盡量降低。另外，需要開發(fā)出性能可靠的密封技術(shù)，能防止外界氧化劑如空氣、氧氣和稀過氧化氫等進(jìn)入生產(chǎn)設(shè)備和管道，使得產(chǎn)物過度氧化。最后，還需要開發(fā)出一種性能優(yōu)異的催化劑，其不僅 能耐受糖基生物質(zhì)流體中所含的各種抑制劑，而且能較容易地使分子基團(tuán)中的醛基選擇性地氧化為羧酸基和使醇羥基選擇性地氧化為醛基。

圖6 理論上能以木糖醇為原料生產(chǎn)的生物質(zhì)基化工產(chǎn)品

（2）通過氫解作用使木糖醇或阿拉伯樹膠分 子基團(tuán)中的C—O 或C—C 鍵斷裂生成多羥基化合物丙二醇、乙二醇和乳酸等二醇類物質(zhì)。理論上，由木糖醇生產(chǎn)乙二醇和丙二醇的產(chǎn)率可達(dá)80%，產(chǎn)率若能提高到90%以上，經(jīng)濟(jì)性會(huì)更好。目前的技術(shù)難題是開發(fā)出一種低成本高轉(zhuǎn)化率的木糖醇?xì)浣夤に?，其能?duì)C—O 和C—C 鍵進(jìn)行特異性識(shí)別和斷裂，該工藝中的催化劑能耐受生物質(zhì)流體中所含的各種抑制劑。如果以上技術(shù)難點(diǎn)得以克服，那么二醇類化合物的生產(chǎn)成本就會(huì)相當(dāng)?shù)土?，就可以開發(fā)一種由混合糖，包括木糖、樹膠醛糖和葡萄糖等，生產(chǎn)二醇類產(chǎn)品的工藝，初級(jí)產(chǎn)品是丙二醇，次級(jí)產(chǎn)品是乙二醇。這就可以大幅提高丙二醇、乙二醇和乳酸等二醇類化工產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性。

（3）通過直接聚合反應(yīng)把木糖醇或阿拉伯樹 膠轉(zhuǎn)化為聚木糖醇、聚木質(zhì)素、聚木質(zhì)纖維素、聚酯纖維、尼龍和聚阿拉伯樹膠酸，這些聚合物可能有許多新的潛在應(yīng)用。木糖醇和阿拉伯樹膠可與二醇類化合物發(fā)生聚合反應(yīng)生成不飽和聚酯類高分子材料，這可能會(huì)產(chǎn)生許多新型高分子材料和拓展出高分子材料新的應(yīng)用領(lǐng)域。該技術(shù)的難點(diǎn)是開發(fā)出聚合反應(yīng)工藝控制技術(shù)，能控制支路反應(yīng)的選擇性酯化作用程度，以及控制生成的聚合物相對(duì)分子質(zhì)量和性質(zhì)，這對(duì)新型高分子功能材料的開發(fā)非常重要。

7 結(jié) 論

現(xiàn)階段利用糖基生物質(zhì)生產(chǎn)食品化工產(chǎn)品的技術(shù)仍不成熟，在應(yīng)用最為廣泛的發(fā)酵和催化生產(chǎn)工藝過程中，依然存在反應(yīng)效率不高、發(fā)酵產(chǎn)量較低、催化劑的耐用性和選擇性較差等難題。因此未來糖基生物質(zhì)化工的研究重點(diǎn)和內(nèi)容如下。

①開發(fā)成本低廉、操作條件溫和的糖基食品化工產(chǎn)品生產(chǎn)工藝；②開發(fā)具有高穩(wěn)定性、高選擇性、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的化學(xué)或生物催化劑；③開發(fā)出具有新型功能性和高附加值的新型食品化工產(chǎn)品，如新型抗生素、新型酶制劑、新型功能性食品化工添加劑。

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