12月5日，“生物转化法生产木糖醇新工艺”通过了由中国科学院生命科学与生物技术局组织的专家鉴定。以中国工程院院士范云六研究员为主任的鉴定专家委员会认为，这一新工艺首次在年产千吨级规模的木糖醇中试生产得到应用，其转化率、产量和产率等主要指标均达到较高水平。

　　江宁中国科学院微生物研究所研究员、中国微生物学会副秘书长。

　　成本制约木糖醇产业化

　　木糖醇为天然的五碳糖醇，是重要的功能性食品添加剂之一。木糖醇的甜度是蔗糖的1.05倍，热量与蔗糖相当，其代谢不需要胰岛素，可替代蔗糖作为糖尿病患者食用的甜味剂。木糖醇不被细菌发酵，用在口香糖中作为甜味剂，具有维持口腔酸碱平衡、预防龋齿的功能。有研究表明，木糖醇可阻止细菌与人体细胞的结合，预防呼吸道感染；木糖醇还有促进肠道对钙质的吸收，减少骨质流失，维持正常骨密度以及降低肝脏转氨酶等作用。近年来，木糖醇的市场需求不断扩大，国内木糖醇的年产值已超过10亿元。

　　木糖醇存在于许多水果和蔬菜中，但含量都很低，直接提取困难且费用昂贵。木糖化学催化加氢法是目前工业生产木糖醇的主要方法，但这一生产工艺需要单独制氢，并要在高温高压下反应，工艺复杂、安全性差。由于反应无专一性，必须以价格较高的纯木糖为原料，否则产品中会有多种杂醇不易分离而影响质量，成本较高。

　　针对化学法生产木糖醇存在的问题，国际上从20世纪70年代开始研究用微生物发酵法来生产木糖醇。生物发酵法的原理是利用细胞内的木糖还原酶，将木糖还原为木糖醇，氢来自细胞内的还原性辅酶和氢离子，不需另行制氢。微生物反应在常温常压下进行，能耗低、设备简单、操作安全，又由于酶的底物专一性，使原料不必高度精制。尽管微生物法有这些优势，但由于培养一批细胞只能生产一批木糖醇，因此相当一部分成本被用于培养细胞，成本仍然较高，其生产成本与化学法比较尚不具竞争优势，至今生物技术生产木糖醇仍未能实现大规模产业化。

　　新菌种效率世界第一

　　在中国科学院重点项目“酶法生产木糖醇”、中国科学院知识创新工程重要方向项目“生物质高值化关键技术研究与产业化示范工程”、中国科学院知识创新工程领域前沿项目“生物质高效降解和综合利用关键技术的研究”和“973”“秸秆资源生态高值化关键过程的基础研究”等支持下，中国科学院微生物研究所从1996年开始生物技术生产木糖醇的研究，从生产菌种的筛选与鉴定、实验室转化木糖产木糖醇的研究，直到在生产线上进行转化玉米芯水解液和木糖废母液产木糖醇的工业性试验，开展了大量卓有成效的工作。

　　经过多年努力，终于选育得到了一株生产木糖醇的优良菌种—麦芽糖假丝酵母Xu316，其转化木糖产木糖醇的转化率和产率都很高，并且菌种稳定性好，可适应较粗放的原料。该菌种尚未见条件致病的报道，比现在国际上发酵法使用的条件致病假丝酵母菌种更适合生产食品。该菌种具有多次反复使用的能力，单位细胞的木糖醇产量可高出国际最高水平近10倍，单位体积发酵罐培养细胞转化的木糖醇产率可高出国际最高水平20倍以上。生物转化法生产木糖醇，提高了细胞效率，降低了发酵成本，简化了工艺过程，降低了设备投资和操作费用，并简化了后处理过程，提升了产品质量，是优于化学法和发酵法的木糖醇生产新工艺，这一新菌种使木糖醇的产出效率远远超过目前国际上的最高水平。

　　可望成为木糖醇生产的主要方法

　　在中国科学院知识创新工程领域前沿项目“生物质高效降解和综合利用关键技术的研究”的支持下，从2006起，中国科学院微生物研究所与山东威龙工业集团有限责任公司合作进行了工业性试验。该公司在原有木糖生产线的基础上，增添了生物转化的相关设备，初步建设了一条年产千吨的木糖醇生产线。在这一生产线上，我们以玉米芯水解液以及木糖母液为原料生产木糖醇，得到了纯度99％以上的结晶木糖醇，产品质量总体上不仅大大优于化学法以同样原料生产的产品，甚至还优于化学法以纯木糖为原料的产品。

　　生物转化法生产木糖醇新工艺有以下特点：一是原料利用率高。化学法以纯木糖为原料，玉米芯水解液中有30％以上的木糖在母液中无法利用；生物转化法直接以玉米芯水解液为原料，并利用了废木糖母液，使原料利用率有较大提高，并在提高原料利用率的同时减轻了环境污染。二是能耗低、产品质量更好。化学法将玉米芯水解液浓缩、结晶得到木糖后重新溶解稀释，加氢后再浓缩、结晶，能耗高。生物转化法一次浓缩结晶得到木糖醇，降低了能耗。生物法避免了与金属粉末催化剂的接触，产品更适于作为食品；生物转化系统又没有发酵系统的培养基组分，产品质量更好。三是生产设备简单，操作简便安全。化学法需制氢，加氢在高温高压下进行，设备要求高；发酵法主要设备是发酵罐，也较复杂；生物转化法只用极少发酵罐，并且整个生物转化过程是在常温、常压下进行，并且无需无菌操作。与化学法或发酵法比较，操作更简单、最安全。

　　新菌种的获得和新工艺的建立，使生物法木糖醇获得明显竞争优势，可望成为今后木糖醇生产的主要方法。鉴定专家委员会认为，该项成果首次在年产千吨级中试生产规模，用麦芽糖假丝酵母Xu316直接转化玉米芯水解液和木糖废母液生产出了纯度99%以上的木糖醇，转化率、产量和产率等主要生产指标达到较高的水平，菌体多次重复使用，工艺参数稳定，转化性能居国际领先水平。

　　为建立生物技术生产木糖醇新产业奠定基础

　　秸秆类木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，秸秆的高值化利用是可持续发展战略的组成部分。木糖是木质纤维素降解产物中仅次于葡萄糖的第二大组分。由于大多数微生物利用木糖发酵的效率都不高，木糖用于生产木糖醇是当前木糖利用方式中产品市场最大、附加值最高的。鉴定专家委员会认为，该项成果用生物技术以生物质为原料生产木糖醇，对资源的综合利用和发展循环经济有积极意义。

　　在年产千吨级木糖醇规模的生产线上，直接转化玉米芯水解液和木糖废母液等粗原料生产出高纯度的结晶木糖醇，得益于国家和中国科学院对基础研究的持续支持，正是通过在分子水平对微生物木糖代谢途径及关键酶、关键基因的研究才大幅度提高了菌种的水平，使新工艺能具有竞争优势；同时也得益于与企业的紧密合作，研究所与企业在相互信任的基础上，风险共担，共同制定试验方案，缩短了试验周期，取得了良好的效果。

　　新工艺将使木糖醇的生产成本进一步降低，更多的糖尿病患者和消费者将能使用到木糖醇，工业化生产后经济和社会效益显著。这一拥有自主知识产权的生物研究成果为建立生物技术生产木糖醇新产业奠定了坚实的基础，推广应用后将使我国成为世界上第一个能大规模用生物技术生产木糖醇的国家。