木糖醇的发现、研究及应用
文 罗佳彤 河南农业大学
木糖醇是生活中最常用的代糖材料之一，使用广泛，具有很大的开发前景。近年来，木糖醇流行世界，其可以防治蛀牙的功效也获得了认可。木糖醇本身又是一类富有高营养价值的甜味化合物，可以天然获得，是人体内葡萄糖代谢的重要中间体。文章主要叙述了木糖醇的发现、作用原理、结构特点及木糖醇的制备技术等，并对木糖醇的最新应用——木糖醇的保护功能，进行了必要的阐述。
木糖醇，化学式C5H12O5。广泛存在于桦树、橡木、玉米芯及甘蔗渣中，也可作为天然甜味剂使用。木糖醇作为食品添加剂，在国外已有100多年历史。随着科学技术的发展，木糖醇已成为现代食品工业不可缺少的重要原料之一，其用途非常广泛。尤其在食品工业方面应用更为普遍。木糖醇是一种白色的晶体或者结晶粉末，容易溶解在水中，微溶于乙醇及乙醇中，熔点92℃-96℃，沸点216℃。pH值在溶液5.0-7之间。
木糖醇甜度和蔗糖相当，但溶于水后仍能吸收大部分热能，是各种糖醇甜味剂中吸热系数最高的一类。木糖醇不致龋，且具有预防龋齿的功能。代谢不受人体控制。对高血压患者来说，是最佳的代糖食品。在人体内代谢完全，热量值约10kJ/g，可供给热量，还可作为高血压患者的热能源。
图1 木糖醇分子立体模型及结构简式
1.1 木糖醇的发现和甜味剂功能研究
木糖醇于约1890年由德国化学家Fisher、Stahe和法国化学家Betrand在木糖与钠汞齐的反应中发现。因此，德国化学家Fisher于1902年获得诺贝尔化学奖。
1943年，在芬兰白桦树中首次发现天然存在的木糖醇。
1962年，在哺乳动物组织中发现了涉及木糖醇的生理过程。木糖醇被认定为一种天然的生理化合物。同年，木糖醇被引入肠胃外疗法（输液疗法）。重症患者可以服用木糖醇，这表明木糖醇可以被人体高效率地代谢。
1963年，经美国食品与药品监督管理局批准后，木糖醇可以正式地用于特殊饮食目的。
20年后的1983年，世界卫生组织/粮农组织联合专家委员会（JECFA）宣布木糖醇为安全糖。
1.2 木糖醇的防龋功能研究
从1977年芬兰化学家生产木糖醇的专利被批准，第一批商业木糖醇口香糖几乎同时在芬兰和美国上市。之后，欧洲各个国家的牙科健康机构也纷纷认可使用木糖醇，并继续开展对该功能的研究和对结论补充。
因数据证明，下颌关节松动无力或发炎症状与过长时间咀嚼口香糖有关，1990年，世界上第一颗可含化吞咽的木糖醇护齿糖在芬兰出现。
1997年，新的研究表明纯木糖醇产品可显著预防儿童耳部感染。
2.1 对食品
木糖醇的甜度是蔗糖的1.3倍，几乎等于蔗糖的甜度，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，木糖醇已成为生产低能甜点的糖的良好替代品。市场上出现了由木糖醇制成的无糖食品，这在想要减肥和倡导健康生活的现代年轻人中很受欢迎。同时，与麦芽糖醇、与甘露醇和山梨醇相比，木糖松饼最接近蛋糕，木糖的吸湿性也能改善风味。食品中使用的木糖醇也有利于甜点中微生物的稳定性和成品的保质期。这是因为在相同浓度下，水中木糖醇的活性低于水中蔗糖的活性。二甲苯是甜点糖的最佳替代品。
2.2 对人体
木糖醇可以添加到口腔护理产品中，因此口腔中的酸性微生物不能使用木糖醇。在人体内，木糖醇在缓慢消化和吸收后，可以通过细胞膜迅速被细胞吸收和使用，而不依赖于胰岛素的代谢，因此不会引起血糖的快速波动。因此，木糖醇常被用作高血压患者的甜味剂。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。
美国衣阿华州立学院实验表明：肺部感染病人在口服木糖醇后，原本比正常人提高二倍的气道黏膜盐浓度迅速又回复至正常人水准。这说明木糖醇虽没有抗菌性质，却能够具有防止呼吸道传染的作用。
近年来，随着研究的深入，又发现了木糖醇可以和游离钙离子形成复合物，以促进对钙的吸收和减少流失、稳定胰岛素、护肤、减少来自口腔微生物的血液感染等功能。
2.3 理化性质
此外，木糖醇性能也比较稳定，且近乎惰性，因此能够被加热至完全融化（熔点95℃）而不会引起其他改变。
3.1 木糖醇生产的新方法与现状
今天，工业上使用的木糖醇是由纯D-木糖在高温高压下通过镍催化氢化获得的。该方法具有反应条件差、生产成本高、安全性差和资源损失。科学家们正在积极寻找生物方法。
生物转化因其条件温和、质量稳定、安全性高等优点，已成为木糖醇生产的最佳方法。木糖醇是在生物转化过程中通过微生物发酵产生的。
微生物发酵可以利用秸秆、玉米芯、甘蔗渣等植物中的半纤维素作为原料。通过水解和发酵，一方面可以提供高纯度的优质木糖醇，另一方面可以充分利用农业废弃物，实现农业废弃物向高附加值木糖醇的转化，降低经济成本，增加利润。
微生物发酵的基本原理是利用微生物细胞内木糖还原酶，使木糖还原为木糖醇。自然界中存在着大量的微生物，如酵母、真菌和细菌等。其中，酵母由于其资源丰富、来源广泛、生长迅速且具有较强的加工能力而备受关注。近年来，随着生物技术的迅速发展，利用微生物发酵法生产木糖醇已成为一种新的途径。目前，世界上已有30多个国家和地区开展了以酵母菌为原料生产木糖醇的研究工作。在实际应用中，生物发酵制备木糖醇技术还停留在实验室阶段，普遍存在菌种匮乏、木糖利用率不高、木糖醇生成量不高、木糖难以循环利用等问题，限制着微生物发酵在产业化中的普及与发展。
3.2 影响生物发酵的外界条件
3.2.1 木糖初始浓度
木糖既作为反应原料，又为微生物生长代谢提供了能源。当木糖的初始浓度较低时，可以促进酵母细胞对木糖醇的发酵；
木糖在液体培养基中具有良好的稳定性，且随着培养时间的延长而逐渐降解。但由于木糖的初始高浓度会导致发酵液的渗透压增大和底物抑制等现象，不利于木糖醇的生产。不同菌种对木糖初始浓度的要求并不完全一致，所以实际发酵时，要结合具体情况，通过试验考察来确定最佳浓度。
3.2.2 溶解氧
溶解氧的量是决定木糖发酵或呼吸的关键因素之一，然后调节生长和生物转化的碳消耗平衡。发现菌株生长所需的溶解氧和木糖醇的积累是不同的。当氧气充足时，细菌生长迅速，但木糖转化率低；
在有限的氧气状态下，木糖很容易转化为木糖醇，乙醇产量低。与乙醇和丁醇发酵一样，培养条件对木糖醇发酵的影响是互补的，它们在发酵过程中协同工作。
3.3 对技术的改良
3.3.1 改造发酵工艺
木糖醇生产中的大多数生物反应是通过分批发酵进行的，很少有分批发酵或混合发酵的报道。本发明的进料可获得高底物浓度，并进一步提高木糖醇的产率。使用化学水解纤维素作为发酵底物也可以有效降低抑制剂的毒性。
随着工业生产更加趋向于分批发酵，细胞回收成为增加木糖醇产能的一个难题。从微生物发酵法和酶法两方面综述了细胞提取木糖醇工艺进展情况。其中，以微生物为原料的生物转化法是目前工业上最常用的方法之一，在此基础上提出了进一步研究方向。细胞固定化技术由于具有细胞浓度大、生长停滞持续时间短、反应速度快、重复性好、成本较低、酶稳定性强，降低酶活性损失和增强抗污染等特殊优势而在生物发酵制备木糖醇过程中得到了广泛运用。
其他的改造工艺还有：在发酵过程中添加共底发酵物、运用机械搅拌、超声辅助机械搅拌等手段强化应激反应，以改变细胞膜的渗透性。
3.3.2 菌种改造
除了改善栽培条件、发酵工艺外，还可能采用对菌体本身结构加以改变，以得到更高产木糖醇的菌种方法，如：对菌体进行传统的物理或化学诱变。
例如：浙江大学院士陈雪松、博士杨胜利等发表了《高产木糖醇菌株诱变选育及其发酵培养基优化》一文，通过将早期自然筛选所得菌株复合诱变，探索其木糖醇转化率，并在此基础上优化发酵培养基中氮源及无机盐含量，旨在为晚期工业化应用奠定技术基础。在实验中，选择了菌种类型——以木糖醇发酵菌Y-3型（木糖醇转化率36.5%）为主要开局的菌株类型，并对其进行了紫外和化学的综合诱变育种筛选，最后通过二轮的综合诱变育种筛选获得了一株较高产的新品种木糖醇益生菌株，木糖醇转化率达到了54.5%，较原出发菌种型增加了49.3%。
随着人们对金属化合物的需求量日益提高，大批重金属以不同化学形态流入了矿区土地，尤其是“十三五”后，我国政府对矿区土地生态恢复工作提出了更高要求，这导致合理管控矿区土壤重金属污染问题成为一项重大课题。目前，在当前的土壤重金属处置工艺技术中，化学处置工艺技术已以其成本低、见效快而受到了广泛应用。在其中，萃取法已是一个使用普遍、成熟的化学加工方式。
土壤淋洗是指将洗涤液注入或渗透到土壤中，使其流过待处理的土层，分析土壤中的污染物，然后处理和再利用含有污染物的洗涤液的过程。单一洗脱剂的研究工作表明：可以使用多种化学试剂如EDTA和皂甙可去除重金属离子，但由于矿区土壤中重金属的多样性，单一洗脱剂效果相对较小。
近年来，我们认为，如果使用复合洗脱剂的协同溶剂效应机制，有目的地应用各种洗脱剂来执行复合作用，从而共同完成对各类有色重金属和其他有害土壤物质的生化处理，当以低剂量使用淋洗液时，它不仅可以实现对土壤中有色重金属的最高去除效果，还可以减少倾倒剂对土壤生化特性和细菌种群的有害影响。
在由李美兰博士等人所撰写的《木糖醇型端羧基超支化聚酯/L35复合淋洗剂对矿区污染土壤中重金属的淋洗效果》等论文中，采用了木糖醇为中间核，以柠檬酸为共聚的单体，并通过熔融聚合成功制备了木糖醇型端羧基超支化聚酯（HBP-COOH），并同时通过振荡淋洗法分析出在不同条件下，所生产的HBP-COOH及其在与L三十五复配后,对尾矿库区内的不同环境Cd、Pb以及高兆的各种金属板材所产生的淋洗效应。通过实践与研究后，得到的主要研究成果：木糖醇型端羧基逾额化聚酯纤维/L35复合淋洗剂，对矿区污染土壤和有色重金属的淋洗作用较强。
近年来，木糖醇已被证明能改善牙齿健康、减少血脂积聚、增进骨质强健和增加运动量。木糖醇也是一种功能性甜味剂，广泛应用于各种食品中，作为高血压和肥胖症的优质总胆红素的替代品。
肠道内主要有6种细菌，其中包括双歧杆菌、乳链球菌等多种有益菌。肠道内以短肠球菌为主的微生态制剂能够改善肠道环境。木糖醇和膳食纤维如板栗多糖等是重要的益生元。但由于它不能被人体直接吸收利用，所以只能作为微生物的载体而发挥其益生元的作用，因此限制了它在食品中的应用范围，也影响着人们对益生元功能的认识。目前，关于木糖醇及木糖醇对消化道微生物的影响研究显示，虽然木糖醇在胃肠道菌群，尤其在一些疾病诊断与防治方面有很好的调节作用，但是对于木糖醇深层机制及益生菌的影响研究尚不充分。所以，目前关于木糖醇研究的关键是通过现代生物学技术手段探讨木糖醇的益生作用、作用位点和作用方式，挖掘它更多的益生效应，有利于进一步拓宽其应用空间。木糖醇的巨大潜力也为环境保护事业打开了新的想法和思路。
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