文 羅佳彤 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)

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(rèn)可。木糖醇本身又是一類富有高營養(yǎng)價(jià)值的甜味化合物，可以天然獲得，是人體內(nèi)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)及木糖醇的制備技術(shù)等，并對木糖醇的最新應(yīng)用——木糖醇的保護(hù)功能，進(jìn)行了必要的闡述。

木糖醇，化學(xué)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(xué)技術(shù)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(yīng)用更為普遍。木糖醇是一種白色的晶體或者結(jié)晶粉末，容易溶解在水中，微溶于乙醇及乙醇中，熔點(diǎn)92℃-96℃，沸點(diǎn)216℃。pH值在溶液5.0-7之間。

木糖醇甜度和蔗糖相當(dāng)，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(yù)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(xué)家Fisher、Stahe和法國化學(xué)家Betrand在木糖與鈉汞齊的反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)。因此，德國化學(xué)家Fisher于1902年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

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(rèn)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(zhǔn)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(xué)家生產(chǎn)木糖醇的專利被批準(zhǔn)，第一批商業(yè)木糖醇口香糖幾乎同時(shí)在芬蘭和美國上市。之后，歐洲各個(gè)國家的牙科健康機(jī)構(gòu)也紛紛認(rèn)可使用木糖醇，并繼續(xù)開展對該功能的研究和對結(jié)論補(bǔ)充。

因數(shù)據(jù)證明，下頜關(guān)節(jié)松動無力或發(fā)炎癥狀與過長時(shí)間咀嚼口香糖有關(guān)，1990年，世界上第一顆可含化吞咽的木糖醇護(hù)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(yù)防兒童耳部感染。

2.木糖醇的性質(zhì)與功能特點(diǎn)

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(diǎn)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(dǎo)健康生活的現(xiàn)代年輕人中很受歡迎。同時(shí)，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(fēng)味。食品中使用的木糖醇也有利于甜點(diǎn)中微生物的穩(wěn)定性和成品的保質(zhì)期。這是因?yàn)樵谙嗤瑵舛认?，水中木糖醇的活性低于水中蔗糖的活性。二甲苯是甜點(diǎn)糖的最佳替代品。

2.2 對人體

木糖醇可以添加到口腔護(hù)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(nèi)，木糖醇在緩慢消化和吸收后，可以通過細(xì)胞膜迅速被細(xì)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(xué)院實(shí)驗(yàn)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(fù)至正常人水準(zhǔn)。這說明木糖醇雖沒有抗菌性質(zhì)，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(fù)合物，以促進(jìn)對鈣的吸收和減少流失、穩(wěn)定胰島素、護(hù)膚、減少來自口腔微生物的血液感染等功能。

2.3 理化性質(zhì)

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(diǎn)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(yīng)條件差、生產(chǎn)成本高、安全性差和資源損失?？茖W(xué)家們正在積極尋找生物方法。

生物轉(zhuǎn)化因其條件溫和、質(zhì)量穩(wěn)定、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，已成為木糖醇生產(chǎn)的最佳方法。木糖醇是在生物轉(zhuǎn)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(zhì)木糖醇，另一方面可以充分利用農(nóng)業(yè)廢棄物，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物向高附加值木糖醇的轉(zhuǎn)化，降低經(jīng)濟(jì)成本，增加利潤。

微生物發(fā)酵的基本原理是利用微生物細(xì)胞內(nèi)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(xì)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(qiáng)的加工能力而備受關(guān)注。近年來，隨著生物技術(shù)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(gè)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(shí)際應(yīng)用中，生物發(fā)酵制備木糖醇技術(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)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(yīng)原料，又為微生物生長代謝提供了能源。當(dāng)木糖的初始濃度較低時(shí)，可以促進(jìn)酵母細(xì)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(shí)間的延長而逐漸降解。但由于木糖的初始高濃度會導(dǎo)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(shí)際發(fā)酵時(shí)，要結(jié)合具體情況，通過試驗(yàn)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(guān)鍵因素之一，然后調(diào)節(jié)生長和生物轉(zhuǎn)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(dāng)氧氣充足時(shí)，細(xì)菌生長迅速，但木糖轉(zhuǎn)化率低；在有限的氧氣狀態(tài)下，木糖很容易轉(zhuǎn)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(bǔ)的，它們在發(fā)酵過程中協(xié)同工作。

3.3 對技術(shù)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(yīng)是通過分批發(fā)酵進(jìn)行的，很少有分批發(fā)酵或混合發(fā)酵的報(bào)道。本發(fā)明的進(jìn)料可獲得高底物濃度，并進(jìn)一步提高木糖醇的產(chǎn)率。使用化學(xué)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(xì)胞回收成為增加木糖醇產(chǎn)能的一個(gè)難題。從微生物發(fā)酵法和酶法兩方面綜述了細(xì)胞提取木糖醇工藝進(jìn)展情況。其中，以微生物為原料的生物轉(zhuǎn)化法是目前工業(yè)上最常用的方法之一，在此基礎(chǔ)上提出了進(jìn)一步研究方向。細(xì)胞固定化技術(shù)由于具有細(xì)胞濃度大、生長停滯持續(xù)時(shí)間短、反應(yīng)速度快、重復(fù)性好、成本較低、酶穩(wěn)定性強(qiáng)，降低酶活性損失和增強(qiáng)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(yùn)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(yùn)用機(jī)械攪拌、超聲輔助機(jī)械攪拌等手段強(qiáng)化應(yīng)激反應(yīng)，以改變細(xì)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(jié)構(gòu)加以改變，以得到更高產(chǎn)木糖醇的菌種方法，如：對菌體進(jìn)行傳統(tǒng)的物理或化學(xué)誘變。

例如：浙江大學(xué)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(fù)合誘變，探索其木糖醇轉(zhuǎn)化率，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化發(fā)酵培養(yǎng)基中氮源及無機(jī)鹽含量，旨在為晚期工業(yè)化應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)中，選擇了菌種類型——以木糖醇發(fā)酵菌Y-3型（木糖醇轉(zhuǎn)化率36.5%）為主要開局的菌株類型，并對其進(jìn)行了紫外和化學(xué)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(zhuǎn)化率達(dá)到了54.5%，較原出發(fā)菌種型增加了49.3%。

4.木糖醇的新應(yīng)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(xué)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(fù)工作提出了更高要求，這導(dǎo)致合理管控礦區(qū)土壤重金屬污染問題成為一項(xiàng)重大課題。目前，在當(dāng)前的土壤重金屬處置工藝技術(shù)中，化學(xué)處置工藝技術(shù)已以其成本低、見效快而受到了廣泛應(yīng)用。在其中，萃取法已是一個(gè)使用普遍、成熟的化學(xué)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(xué)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(rèn)為，如果使用復(fù)合洗脫劑的協(xié)同溶劑效應(yīng)機(jī)制，有目的地應(yīng)用各種洗脫劑來執(zhí)行復(fù)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(zhì)的生化處理，當(dāng)以低劑量使用淋洗液時(shí)，它不僅可以實(shí)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(xì)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(fù)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(shí)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(fù)配后,對尾礦庫區(qū)內(nèi)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(yīng)。通過實(shí)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(fù)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(qiáng)。

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(jìn)骨質(zhì)強(qiáng)健和增加運(yùn)動量。木糖醇也是一種功能性甜味劑，廣泛應(yīng)用于各種食品中，作為高血壓和肥胖癥的優(yōu)質(zhì)總膽紅素的替代品。

腸道內(nèi)主要有6種細(xì)菌，其中包括雙歧桿菌、乳鏈球菌等多種有益菌。腸道內(nèi)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(yīng)用范圍，也影響著人們對益生元功能的認(rèn)識。目前，關(guān)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(diào)節(jié)作用，但是對于木糖醇深層機(jī)制及益生菌的影響研究尚不充分。所以，目前關(guān)于木糖醇研究的關(guān)鍵是通過現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)手段探討木糖醇的益生作用、作用位點(diǎn)和作用方式，挖掘它更多的益生效應(yīng)，有利于進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用空間。木糖醇的巨大潛力也為環(huán)境保護(hù)事業(yè)打開了新的想法和思路。