木糖醇的發(fā)現(xiàn)、研究及應用

文 羅佳彤 河南農(nóng)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(jīng)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(nóng)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(chǎn)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(jù)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)

3.1 木糖醇生產(chǎn)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(chǎn)成本高、安全性差和資源損失?？茖W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(chǎn)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(chǎn)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(nóng)業(yè)廢棄物，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物向高附加值木糖醇的轉化，降低經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)。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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)更加趨向于分批發(fā)酵，細胞回收成為增加木糖醇產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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。