12月5日,，“生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)木糖醇新工藝”通過了由中國科學院生命科學與生物技術(shù)局組織的專家鑒定,。以中國工程院院士范云六研究員為主任的鑒定專家委員會認為，這一新工藝首次在年產(chǎn)千噸級規(guī)模的木糖醇中試生產(chǎn)得到應用，其轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)量和產(chǎn)率等主要指標均達到較高水平。
江寧 中國科學院微生物研究所研究員,、中國微生物學會副秘書長。
成本制約木糖醇產(chǎn)業(yè)化
木糖醇為天然的五碳糖醇,，是重要的功能性食品添加劑之一,。木糖醇的甜度是蔗糖的1.05倍，熱量與蔗糖相當,，其代謝不需要胰島素,，可替代蔗糖作為糖尿病患者食用的甜味劑。木糖醇不被細菌發(fā)酵,，用在口香糖中作為甜味劑,，具有維持口腔酸堿平衡、預防齲齒的功能,。有研究表明,，木糖醇可阻止細菌與人體細胞的結(jié)合，預防呼吸道感染,；木糖醇還有促進腸道對鈣質(zhì)的吸收,，減少骨質(zhì)流失，維持正常骨密度以及降低肝臟轉(zhuǎn)氨酶等作用,。近年來,，木糖醇的市場需求不斷擴大，國內(nèi)木糖醇的年產(chǎn)值已超過10億元,。
木糖醇存在于許多水果和蔬菜中,，但含量都很低，直接提取困難且費用昂貴,。木糖化學催化加氫法是目前工業(yè)生產(chǎn)木糖醇的主要方法,，但這一生產(chǎn)工藝需要單獨制氫,，并要在高溫高壓下反應，工藝復雜,、安全性差,。由于反應無專一性，必須以價格較高的純木糖為原料,，否則產(chǎn)品中會有多種雜醇不易分離而影響質(zhì)量,，成本較高。
針對化學法生產(chǎn)木糖醇存在的問題,，國際上從20世紀70年代開始研究用微生物發(fā)酵法來生產(chǎn)木糖醇,。生物發(fā)酵法的原理是利用細胞內(nèi)的木糖還原酶，將木糖還原為木糖醇,，氫來自細胞內(nèi)的還原性輔酶和氫離子,，不需另行制氫,。微生物反應在常溫常壓下進行,，能耗低、設備簡單,、操作安全,，又由于酶的底物專一性，使原料不必高度精制,。盡管微生物法有這些優(yōu)勢,，但由于培養(yǎng)一批細胞只能生產(chǎn)一批木糖醇，因此相當一部分成本被用于培養(yǎng)細胞,，成本仍然較高,，其生產(chǎn)成本與化學法比較尚不具競爭優(yōu)勢，至今生物技術(shù)生產(chǎn)木糖醇仍未能實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,。
新菌種效率世界第一
在中國科學院重點項目“酶法生產(chǎn)木糖醇”,、中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向項目“生物質(zhì)高值化關(guān)鍵技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化示范工程”、中國科學院知識創(chuàng)新工程領(lǐng)域前沿項目“生物質(zhì)高效降解和綜合利用關(guān)鍵技術(shù)的研究”和“973”“秸稈資源生態(tài)高值化關(guān)鍵過程的基礎研究”等支持下,，中國科學院微生物研究所從1996年開始生物技術(shù)生產(chǎn)木糖醇的研究,，從生產(chǎn)菌種的篩選與鑒定、實驗室轉(zhuǎn)化木糖產(chǎn)木糖醇的研究,，直到在生產(chǎn)線上進行轉(zhuǎn)化玉米芯水解液和木糖廢母液產(chǎn)木糖醇的工業(yè)性試驗,，開展了大量卓有成效的工作。
經(jīng)過多年努力,，終于選育得到了一株生產(chǎn)木糖醇的優(yōu)良菌種—麥芽糖假絲酵母Xu316，其轉(zhuǎn)化木糖產(chǎn)木糖醇的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率都很高,，并且菌種穩(wěn)定性好,，可適應較粗放的原料,。該菌種尚未見條件致病的報道，比現(xiàn)在國際上發(fā)酵法使用的條件致病假絲酵母菌種更適合生產(chǎn)食品,。該菌種具有多次反復使用的能力,，單位細胞的木糖醇產(chǎn)量可高出國際最高水平近10倍，單位體積發(fā)酵罐培養(yǎng)細胞轉(zhuǎn)化的木糖醇產(chǎn)率可高出國際最高水平20倍以上,。生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)木糖醇,，提高了細胞效率，降低了發(fā)酵成本,，簡化了工藝過程,，降低了設備投資和操作費用，并簡化了后處理過程,，提升了產(chǎn)品質(zhì)量,，是優(yōu)于化學法和發(fā)酵法的木糖醇生產(chǎn)新工藝，這一新菌種使木糖醇的產(chǎn)出效率遠遠超過目前國際上的最高水平,。
可望成為木糖醇生產(chǎn)的主要方法
在中國科學院知識創(chuàng)新工程領(lǐng)域前沿項目“生物質(zhì)高效降解和綜合利用關(guān)鍵技術(shù)的研究”的支持下,，從2006起，中國科學院微生物研究所與山東威龍工業(yè)集團有限責任公司合作進行了工業(yè)性試驗,。該公司在原有木糖生產(chǎn)線的基礎上,，增添了生物轉(zhuǎn)化的相關(guān)設備，初步建設了一條年產(chǎn)千噸的木糖醇生產(chǎn)線,。在這一生產(chǎn)線上,，我們以玉米芯水解液以及木糖母液為原料生產(chǎn)木糖醇，得到了純度99％以上的結(jié)晶木糖醇,，產(chǎn)品質(zhì)量總體上不僅大大優(yōu)于化學法以同樣原料生產(chǎn)的產(chǎn)品,，甚至還優(yōu)于化學法以純木糖為原料的產(chǎn)品。
生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)木糖醇新工藝有以下特點：一是原料利用率高,?；瘜W法以純木糖為原料，玉米芯水解液中有30％以上的木糖在母液中無法利用,；生物轉(zhuǎn)化法直接以玉米芯水解液為原料,，并利用了廢木糖母液，使原料利用率有較大提高,，并在提高原料利用率的同時減輕了環(huán)境污染,。二是能耗低、產(chǎn)品質(zhì)量更好,?；瘜W法將玉米芯水解液濃縮、結(jié)晶得到木糖后重新溶解稀釋，加氫后再濃縮,、結(jié)晶,，能耗高。生物轉(zhuǎn)化法一次濃縮結(jié)晶得到木糖醇,，降低了能耗,。生物法避免了與金屬粉末催化劑的接觸，產(chǎn)品更適于作為食品,；生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)又沒有發(fā)酵系統(tǒng)的培養(yǎng)基組分,，產(chǎn)品質(zhì)量更好。三是生產(chǎn)設備簡單,，操作簡便安全,。化學法需制氫,，加氫在高溫高壓下進行,，設備要求高；發(fā)酵法主要設備是發(fā)酵罐,，也較復雜,；生物轉(zhuǎn)化法只用極少發(fā)酵罐，并且整個生物轉(zhuǎn)化過程是在常溫,、常壓下進行,，并且無需無菌操作,。與化學法或發(fā)酵法比較,，操作更簡單、最安全,。
新菌種的獲得和新工藝的建立,，使生物法木糖醇獲得明顯競爭優(yōu)勢，可望成為今后木糖醇生產(chǎn)的主要方法,。鑒定專家委員會認為,，該項成果首次在年產(chǎn)千噸級中試生產(chǎn)規(guī)模，用麥芽糖假絲酵母Xu316直接轉(zhuǎn)化玉米芯水解液和木糖廢母液生產(chǎn)出了純度99%以上的木糖醇,，轉(zhuǎn)化率,、產(chǎn)量和產(chǎn)率等主要生產(chǎn)指標達到較高的水平，菌體多次重復使用,，工藝參數(shù)穩(wěn)定,，轉(zhuǎn)化性能居國際領(lǐng)先水平。
為建立生物技術(shù)生產(chǎn)木糖醇新產(chǎn)業(yè)奠定基礎
秸稈類木質(zhì)纖維素是地球上最豐富的可再生資源,，秸稈的高值化利用是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的組成部分,。木糖是木質(zhì)纖維素降解產(chǎn)物中僅次于葡萄糖的第二大組分。由于大多數(shù)微生物利用木糖發(fā)酵的效率都不高，木糖用于生產(chǎn)木糖醇是當前木糖利用方式中產(chǎn)品市場最大,、附加值最高的,。鑒定專家委員會認為，該項成果用生物技術(shù)以生物質(zhì)為原料生產(chǎn)木糖醇,，對資源的綜合利用和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟有積極意義,。
在年產(chǎn)千噸級木糖醇規(guī)模的生產(chǎn)線上，直接轉(zhuǎn)化玉米芯水解液和木糖廢母液等粗原料生產(chǎn)出高純度的結(jié)晶木糖醇,，得益于國家和中國科學院對基礎研究的持續(xù)支持,，正是通過在分子水平對微生物木糖代謝途徑及關(guān)鍵酶、關(guān)鍵基因的研究才大幅度提高了菌種的水平,，使新工藝能具有競爭優(yōu)勢,；同時也得益于與企業(yè)的緊密合作，研究所與企業(yè)在相互信任的基礎上,，風險共擔,，共同制定試驗方案，縮短了試驗周期,，取得了良好的效果,。
新工藝將使木糖醇的生產(chǎn)成本進一步降低，更多的糖尿病患者和消費者將能使用到木糖醇,，工業(yè)化生產(chǎn)后經(jīng)濟和社會效益顯著,。這一擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的生物研究成果為建立生物技術(shù)生產(chǎn)木糖醇新產(chǎn)業(yè)奠定了堅實的基礎，推廣應用后將使我國成為世界上第一個能大規(guī)模用生物技術(shù)生產(chǎn)木糖醇的國家,。
