五碳醛糖发酵微生物

发布日期:2022/1/10 10:27:26

背景及概述

DL-木糖，中文别名，五碳醛糖，英文名称，α-D-xylose，分子式：C5H10O5，分子量：150.130，CAS号：25990-60-7，是一种重要的化工原料，在食品、饮料中作为无热量甜味剂，适用于肥胖及糖尿病患者。工业上，木糖主要通过加氢制备木糖醇。在食品、医药、化工、皮革、染料等领域，木糖都有着广泛的用途。近年来在国外。木糖作为食品甜味剂颇受青睐，需求量日益增长。70年代初以来，国际环境保护组织已向全球发出呼吁，建议采用“酒精－汽油”或酒精作为未来的汽车燃料。利用植物纤维原料生产的酒精作为汽车燃料。利用植物纤维资源生产酒精替代或部分替代汽油，具有广阔的应用前景。酒精尽管是传统的发酵产品，但作为一种清洁能源，越来越受到人们的重视。富含纤维素和半纤维素的植物纤维资源是最有潜力的酒精生产原料。在植物纤维原料中，五碳醛糖即戊糖占20％～30％，在植物纤维原料水解液中戊糖占30％左右，因此，戊糖发酵是决定植物纤维资源生产酒精经济可行的关键之一[1]。

木糖的性质及功能

木糖是一种白色针状结晶或结晶粉末，味甜，甜度只有蔗糖的40％，易溶于水，微溶于乙醇，熔点147～151℃，有右旋光性和变旋光性。

木糖作为一种功能性食品的基料．具有以下主要功能：(1)不被消化吸收，没有能量值，能限度地满足爱吃甜品又担心发胖者的需求；(2)活化人体肠道内的双岐杆菌并促其生长，双岐杆菌是益菌，该菌越多越有益人体健康：食用木糖能改善人体的微生物环境，提高机体的免疫能力；(3)不被口腔内微生物所利用，可防龋齿；(4)具备膳食纤维的部分生理功能，有降血脂，降低胆固醇及预防肠癌的作用[q；(5)木糖与食物的配伍性很好，食物中添加少量木糖，便能体现出很好的保健效果。木糖与钙同时摄人，可以提高人体对钙的吸收率和保留率，还能防止便秘。

木糖的制备

木糖生产的主要原料

木糖主要是通过无机酸水解农业废料来制取。从理论角度讲，只要含有半纤维素的植物均可作为木糖的生产原料．我国生产木糖原料较广泛采用玉米芯、蔗渣、稻壳等，这些原料具有半纤维素含量高、来源广、产量大、易集中、木糖收率高的优点，是比较理想的生产原料。

木糖的制备工艺

在一定压力、温度下，将无机稀酸加入到富含半纤维素的原料中，半纤维素中主要成分为多缩戊糖，多缩戊糖加酸可以水解为木糖母液。其反应式如下：

图1 木糖的制备反应式

目前，木糖的制备方法主要有中和法脱酸工艺与离子交换脱酸工艺。另外木糖制备工艺还有电渗析脱酸法、结晶木糖法以及层析分离法。中和脱酸工艺与离子交换脱酸工艺是国内比较成熟的两套生产工艺，而离子交换脱酸工艺由于较好地解决了中和脱酸工艺的缺陷，因此在工业上有着较中和脱酸工艺更广泛的应用。
中和法脱酸制备木糖工艺中和法制备木糖的工艺路线为：原料(即农业纤维废料)，先后经过原料预处理，水解，中和脱色，离子交换除杂，浓缩结晶，最后分离得到木糖晶体。其中，原料预处理除去了原料中的胶质、果胶、灰分等；经预处理后，以多缩戊糖为主要组成的半纤维素在酸催化下裂解，并与水结合成糖：中和工序主要是除去水解液中的无机酸：脱色除杂工序包括了使用活性碳和离子交换树脂．该工序可以除去木糖母液中的色素与部分杂质：浓缩结晶工序通过蒸发了水解液中微量的有机酸分，控制浓缩后木糖液的浓度与结晶时间得到木糖晶体。

离子交换脱酸制备离子交换脱酸制备木糖工艺木糖是一种酸性条件下性质稳定，碱性条件下极不稳定的还原性糖。当用石灰中和水解液时，局部的pH值过高必然会使一些木糖变性而影响成品质量。同时，中和工序既去除掉了部分硫酸根离子，也带进了一些钙离子，增加了阳离子交换柱的负担。解决了中和脱酸工艺中设备结垢的缺点。离子交换脱酸制备木糖的工艺路线为：原料(即农业纤维废料)，先后经过原料预处理，水解，脱色，离子交换除杂，浓缩结晶，最后分离得到木糖晶体。

木糖生产废水的脱色处理

用玉米芯和麦杆等农业废弃物生产木糖或木糖醇，既能处理农业废料，又能得到木糖和木糖醇，变废为宝，是一种很有潜力的生产工艺。但随之而产生的大量废水又引起极大的污染。我们采用臭氧氧化法脱色取得了令人满意的效果。脱色率达到90％，反应迅速，处理费用低。是一种较理想的方法。

取废水100-200ml，调好 pH 后置于反应器中。压缩空气经氯化钙干燥、硅胶干燥，再经水冷却后进入臭氧发生器，臭氧化空气进入反应器与废水接触反应，尾气经碱性硫代硫酸钠液吸收后排放，过程中测反应温度、分析反应前后废水 pH 、色度值变化。臭氧去除木糖废水色度非常有效，在 30 分钟即可使废水色度值达到国家一级排放标准。由反应前后水样红外光谱分析可知，臭氧易于氧化废水中显色官能团。实验表明臭氧脱色反应受 pH 、温度影响小，反应进行 30 分钟后脱色率与温度、pH 关系不显著。