12月5日，“生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)木糖醇新工藝”通過(guò)了由中國(guó)科學(xué)院生命科學(xué)與生物技術(shù)局組織的專家鑒定,。以中國(guó)工程院院士范云六研究員為主任的鑒定專家委員會(huì)認(rèn)為,，這一新工藝首次在年產(chǎn)千噸級(jí)規(guī)模的木糖醇中試生產(chǎn)得到應(yīng)用，其轉(zhuǎn)化率,、產(chǎn)量和產(chǎn)率等主要指標(biāo)均達(dá)到較高水平,。
江寧 中國(guó)科學(xué)院微生物研究所研究員、中國(guó)微生物學(xué)會(huì)副秘書長(zhǎng),。
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(dāng),，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(xì)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(yù)防齲齒的功能,。有研究表明，木糖醇可阻止細(xì)菌與人體細(xì)胞的結(jié)合,，預(yù)防呼吸道感染,；木糖醇還有促進(jìn)腸道對(duì)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(lái),，木糖醇的市場(chǎng)需求不斷擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)木糖醇的年產(chǎn)值已超過(guò)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(fèi)用昂貴,。木糖化學(xué)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(dú)制氫，并要在高溫高壓下反應(yīng),，工藝復(fù)雜,、安全性差。由于反應(yīng)無(wú)專一性,，必須以價(jià)格較高的純木糖為原料,，否則產(chǎn)品中會(huì)有多種雜醇不易分離而影響質(zhì)量，成本較高,。
針對(duì)化學(xué)法生產(chǎn)木糖醇存在的問題,，國(guó)際上從20世紀(jì)70年代開始研究用微生物發(fā)酵法來(lái)生產(chǎn)木糖醇。生物發(fā)酵法的原理是利用細(xì)胞內(nèi)的木糖還原酶,，將木糖還原為木糖醇,，氫來(lái)自細(xì)胞內(nèi)的還原性輔酶和氫離子，不需另行制氫,。微生物反應(yīng)在常溫常壓下進(jìn)行,，能耗低、設(shè)備簡(jiǎn)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(shì),，但由于培養(yǎng)一批細(xì)胞只能生產(chǎn)一批木糖醇，因此相當(dāng)一部分成本被用于培養(yǎng)細(xì)胞,，成本仍然較高,，其生產(chǎn)成本與化學(xué)法比較尚不具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，至今生物技術(shù)生產(chǎn)木糖醇仍未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,。
新菌種效率世界第一
在中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目“酶法生產(chǎn)木糖醇”,、中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)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(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程領(lǐng)域前沿項(xiàng)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(guò)程的基礎(chǔ)研究”等支持下,，中國(guó)科學(xué)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(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化木糖產(chǎn)木糖醇的研究，直到在生產(chǎn)線上進(jìn)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(yàn),，開展了大量卓有成效的工作,。
經(jīng)過(guò)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(yīng)較粗放的原料,。該菌種尚未見條件致病的報(bào)道,，比現(xiàn)在國(guó)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(fù)使用的能力,，單位細(xì)胞的木糖醇產(chǎn)量可高出國(guó)際最高水平近10倍,，單位體積發(fā)酵罐培養(yǎng)細(xì)胞轉(zhuǎn)化的木糖醇產(chǎn)率可高出國(guó)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(xì)胞效率,，降低了發(fā)酵成本，簡(jiǎn)化了工藝過(guò)程,，降低了設(shè)備投資和操作費(fèi)用,，并簡(jiǎn)化了后處理過(guò)程,，提升了產(chǎn)品質(zhì)量,，是優(yōu)于化學(xué)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前國(guó)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(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程領(lǐng)域前沿項(xiàng)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(guó)科學(xué)院微生物研究所與山東威龍工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司合作進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn),。該公司在原有木糖生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上,，增添了生物轉(zhuǎn)化的相關(guān)設(shè)備，初步建設(shè)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(xué)法以同樣原料生產(chǎn)的產(chǎn)品,，甚至還優(yōu)于化學(xué)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(diǎn)：一是原料利用率高,?；瘜W(xué)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(wú)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(shí)減輕了環(huán)境污染,。二是能耗低,、產(chǎn)品質(zhì)量更好?；瘜W(xué)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(shè)備簡(jiǎn)單,，操作簡(jiǎn)便安全,。化學(xué)法需制氫,，加氫在高溫高壓下進(jìn)行,，設(shè)備要求高；發(fā)酵法主要設(shè)備是發(fā)酵罐,，也較復(fù)雜,；生物轉(zhuǎn)化法只用極少發(fā)酵罐，并且整個(gè)生物轉(zhuǎn)化過(guò)程是在常溫,、常壓下進(jìn)行,，并且無(wú)需無(wú)菌操作。與化學(xué)法或發(fā)酵法比較,，操作更簡(jiǎn)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),，可望成為今后木糖醇生產(chǎn)的主要方法。鑒定專家委員會(huì)認(rèn)為,，該項(xiàng)成果首次在年產(chǎn)千噸級(jí)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(biāo)達(dá)到較高的水平,，菌體多次重復(fù)使用,，工藝參數(shù)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)化性能居國(guó)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(chǔ)
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(dāng)前木糖利用方式中產(chǎn)品市場(chǎng)最大、附加值最高的,。鑒定專家委員會(huì)認(rèn)為,，該項(xiàng)成果用生物技術(shù)以生物質(zhì)為原料生產(chǎn)木糖醇，對(duì)資源的綜合利用和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)有積極意義,。
在年產(chǎn)千噸級(jí)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(guó)家和中國(guó)科學(xué)院對(duì)基礎(chǔ)研究的持續(xù)支持,，正是通過(guò)在分子水平對(duì)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),；同時(shí)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(chǔ)上，風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān),，共同制定試驗(yàn)方案,，縮短了試驗(yàn)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(jìn)一步降低,，更多的糖尿病患者和消費(fèi)者將能使用到木糖醇,，工業(yè)化生產(chǎn)后經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著,。這一擁有自主知識(shí)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，推廣應(yīng)用后將使我國(guó)成為世界上第一個(gè)能大規(guī)模用生物技術(shù)生產(chǎn)木糖醇的國(guó)家,。
