低聚木糖生产可行性报告.

1、 Henan University of Technology低聚木糖生产可行性报告学院：生物工程专业：生物工程班级：04级1班姓名：林婉虹学号：20044850123指导老师：李浪 目录一、项目总论-3（一）低聚木糖概述-3（二）低聚木糖的功能-3（三）项目提出的背景-3二、国内外市场需求-5三、原材料及资源情况-7四、设计方案-7（一）低聚木糖生产原料木聚糖的制备-8（二）低聚木糖的生产方法-8（三）本项目采用的方案-10（四）工艺计算-10五、建厂规模与厂址选择-11（一）建厂规模-11（二）厂址选择-11六、设备选择-11七、产品指标-12八、环境评价-12九、企业组织、劳动定员和人员

2、培训-12十、评价结论-13一、项目总论（一）低聚木糖概述低聚木糖又称木寡糖，是由2-7个木糖分子以（1-4）糖苷键结合而成的功能性聚合糖。 低聚木糖（Xylo-oligosaccharides）是由28个木糖以-1,4-糖苷键连接而成的低度聚合糖类的总称。有效成分为聚合度为25的组分。低聚木糖系淡黄色粉末，甜度约为蔗糖的50%，甜味纯正，类似蔗糖。（二）低聚木糖的功能一般认为,低聚木糖是由木二糖木十糖等组成的,其中以木二糖、木三糖为主要有效成分。在自然界中,竹笋等天然植物中含有少量的低聚木糖。另外,一部分植物半纤维素在人体大肠内也可以被分解转化为低聚木糖。低聚木糖中, 木二糖的甜度为蔗糖的4

3、0 % ,含量为50 %的低聚木糖产品甜度约为蔗糖的30 % ,还可作为保湿剂在食品中使用。其粘度很低,且随温度升高而迅速下降。比其他功能低聚糖更耐酸、耐热,5 %低聚木糖水溶液在pH215810 范围内加热1h 后无明显变化,100 加热1h ,几乎不分解。因此低聚木糖可广泛用于酸性或需高温处理的食品,如日本已将低聚木糖添加到黑醋中生产出保健醋饮料。此外,低聚木糖可作为低热量食品添加剂,即便过量摄食,也不会导致肥胖。低聚木糖具有良好的生理学特性,主要表现在以下几方面:(1) 显著的双歧杆菌增殖能力。低聚木糖有明显的双歧杆菌增殖作用,而且除青春双歧杆菌、婴儿双歧杆菌和长双歧杆菌外,大多数肠道菌

4、对低聚木糖的利用都比较差。低聚木糖是目前发现有效用量最少的低聚糖。实验表明,每天只需口服017 g ,2 周后大肠杆菌中的双歧杆菌的比例从819 %增加到1719 % ,而拟杆菌(可能的致病菌) 则从5216 %减少到4414 %;三周后,双歧杆菌的比例增加到2012 % ,拟杆菌降至3219 %。(2) 不被消化特性。与其他的低聚糖相比,木二糖在消化系统中最稳定,不被消化酶水解,且代谢不依赖胰岛素,可满足患有诸如糖尿病、肥胖病和高血脂症等特殊人群的需要。另外,与某些低聚糖产品含有可消化性单糖相比,他的主要伴随成分为木糖,略有特殊气味,具爽口甜味,也是一种不消化单糖,因此可不采用色谱分离技术进

5、行分离纯化,普通浓度的低聚木糖产品就能满足食品加工的要求,同时又降低了生产成本。(3) 无龋齿性 。低聚木糖不能被口腔内变异链球菌等细菌分解成粘着性的单糖如葡萄糖、果糖、半乳糖等,与蔗糖并用时能阻止蔗糖被龋齿病原菌作用而生成水不溶性的高分子葡聚糖(牙垢) ,因此无龋齿性并具有抗龋齿性,适合作为儿童食品的甜味添加剂。(4) 促进人体对钙的吸收 。摄入低聚木糖后, 大鼠对钙的消化吸收率可提高23 % ,体内钙的保留率提高21 %。因此低聚木糖可作为开发孕妇、老年食品的理想原料。由于低聚木糖具有良好的理化特性, 可添加在低pH 的食品中,如乳酸饮料、醋饮料中,即便长期保存,也不会分解而影响其保健效果

6、; 添加量小,效果显著,故不会破坏原有食品的风味; 添加在焙烤食品中,可保持食品水分,改变面团的流变特性。最近,日本学者应用小鼠实验研究表明,喂养含低聚木糖食物的小鼠,其体重以及脂肪组织重量均低于正常喂养的小鼠 。用低聚木糖作为营养物栽培的农作物,具有抗病、生长迅速和果实产量大等优良性状。我国学者在“九五”期间也对其作为生物农药的应用可能性及机理进行了深入研究,并取得了一定的进展(尚未发表数据) 。由于低聚木糖具有表面活性部位,可吸附肠道有毒物质及病原菌,提高机体抗病力,激活免疫系统,因此可在医药中广泛应用。含有低聚木糖的难消化性低聚糖可以预防和治疗腹泻11以及降低幼儿耳炎发病率12等。此外,

7、低聚木糖还是一种效果良好的饲料添加剂。（三）项目提出的背景在日本,低聚木糖被认为是最有前途的功能性低聚糖之一,已实现工业化生产并广泛应用,目前其年产量已超过1 500 t 。经日本保健食品学术委员会审定,厚生省第64号许可证认定低聚木糖为特定保健用食品添加剂。我国低聚木糖的生产目前还处于研制阶段,尚未有工业化产品面市。日本市场上销售的低聚木糖产品是三得利公司酶法生产的低聚木糖,有以下4 种产品形式:低聚木糖70 (液态) ,2 500 日元/ kg ;低聚木糖35 (粉末) ,3 000 日元/ kg ; 低聚木糖20 (粉末) ,1 900 日元/ kg (其中数字表示低聚木糖对总糖含量百分

8、数) ,片剂(114 g ×48 粒,木聚糖含量25 %) ,每盒单价1 580 日元 ,且已经应用于饮料和调味醋等产品。其他关于低聚木糖的研究仍以日本为多。如野口等人用纸浆漂白用的芽孢杆菌木聚糖酶来制备低聚木糖,又如荒木等用产碱杆菌( A lcaligenes) 生产的21 ,32木聚糖酶。法国Pat rice 等用梭状芽孢杆菌( Clost ri di um) 的木聚糖酶从玉米芯制备低聚木糖21 。建议从农林业的废弃物,如玉米芯、麸皮、啤酒糟、桉树中提取木聚糖,再用物理、化学或生物技术方法制备低聚木糖和木糖醇,并开展应用于药物和食品工业的研究,特别提出了要进行低聚木糖的纯化,结构

9、特征及其作为抗炎药或抗肿瘤剂生物活性量化的研究。低聚木糖的研究在国内仍处于研究阶段。国内很多有关专业的研究人员正在努力：1997 年蔡静平等报道了真菌分解玉米芯生产低聚木糖的研究。19992000 年吴克,洪枫,袁其朋,杨瑞金等陆续报道了他们制备低聚木糖的研究结果。二、国内外市场需求近年来，无论国际还是国内，功能性低聚糖作为食品添加剂的重要组成部分，它的应用日益广泛。随着功能食品、功能饮料、功能乳品的快速发展，功能糖的市场容量也在急剧扩张。据有关资料显示，世界主要发达国家2000年有低聚糖产量已达到30多万吨，主要用于保健食品、医药、饲料等方面。根据北京东一信达营销顾问 近日完成的 中国低聚糖

10、市场研究报告)提供的数据，日本年需求低聚糖1O万吨，欧美各国年需120万吨，预计在1O 年内，功能食品所占的比例将为普通食品的25-30，未来食品领域将对低聚糖有很大的需求量。     据统计，我国在众多保健食品中，用来调节人体生态平衡的占40以上。微生态学者提出通过整肠来抑制机体衰老，将肠道微生态保持在与青壮年相似状态，可延缓衰老、减少疾病。基于这一发现，日本早在上世纪八九十年代就对调节人体微生态、整肠有特殊功效的低聚糖类进行研究，使用低聚糖作为配料加入食品饮料及保健食品中，以发挥其独特的保健作用。    在临床上，近年来发展的微生

11、态制剂广泛应用，借以调整微生态失调，保持生态平衡，促进内环境的稳定，控制某些感染性、菌群生态失调、菌群定位转移所相关的多种胃肠道疾病。微生态制剂中的一类叫益生元(Prebiotics)是指一类非消化性的物质，但可作为底物被肠道正常菌群利用，能够选择性地刺激肠内一种或几种有益的细菌生长的繁殖，抑制有害细菌生长的菌种，对宿主健康具有有益作用。低聚糖类即属于益生元。    我国是胃肠道疾病菌多发国家，据统计，全国有32亿人受到胃肠功能不好的困扰。低聚糖作为一种独特的保健食品和益生元，由于其具有超强增强殖双歧菌的特殊功效，对改善胃肠道功能、降低级血醑、调节机体平衡、提高免

12、疫力等有明显的作用。由于消费者健康意识的增强，低聚糖的众多保健功能已成开发热门。目前，低聚糖的开发进展很快，低聚糖产品在功能食品中的应用异彩纷呈。目前，双歧因子主要有低聚木糖、低聚果糖、低聚异麦芽糖、低聚半乳糖、乳果糖等，这些都可作为功能因子添加应用在营养保健食品中。1996年以来，低聚果糖、低聚异麦芽糖一直广泛被食品、保健食品行业应用。随着保健食品市场的发展，人们的需求也有所提高，保健食品也逐渐趋于具备服用方便、携带方便的条件，作为保健食品生产厂家也追求生产应用方便。在众多功能性低聚糖中，低聚木糖被视作增殖双歧杆菌功能最好、抑制病原菌腐败菌生长、净化肠道功效最佳的功能性低聚糖。与其他低聚糖相

13、比，其独特性在于：高选择性增殖双歧杆菌主要对人体有益菌，如青春双歧杆菌、长双歧杆菌、婴儿双歧杆菌有很强的增殖作用。；有效用量小、成本低，成人仅需O7克天；耐酸、耐热，稳定性好在pH25-8O的范围内相当稳定，100加热1小时几乎不分解，可应用于不适宜使用其他低聚糖的食品(或保健食品)中，特另U是酸性和需要进行高温处理的食品(或保健食品)；除本身很难为人体消化酶系统所分解外，低聚木糖的伴随成分木糖，也不被人体消化吸收，因此无须高度纯化木二糖含量高的产品，就能满足特殊人群，如糖尿病、肥胖和高血脂患者的食用要求。    经日本保健用食品学术委员会审定和日本厚生省第64号

14、许可证认定为“特定保健用食品添加剂” ，每人每天的摄入量为O775克。可直接作为保健食品销售，也可作为保健食品功能因子开发高效保健食品。低聚木糖由于添加量小、稳定性好、选择性高，从现在流行的携带、服用比较方便的胶囊、片剂等剂型来考虑，低聚木糖也是众多保健食品厂家的首选。因为，低聚木糖添加量比他功能性因子都小，所以在开发胶囊等体积小的产品方面占极大优势，这些优势是其他低聚糖无法比拟的。在人类食品安全问题日益得到世界各国重视的今天，低聚木糖作为新型饲料添加剂，对于动物健康和生产性能促进作用就某些方面来说并不亚于抗生素。抗生素作为一种饲料添加剂能显著提高畜禽的饲料利用率、日增重及经济效益。同时，随着

15、抗生素产业的迅猛展，滥用抗生素给人类带来了越来越大的副作用。因此，许多国家纷纷立法，越来越多的抗生素品种被禁止作为饲料添加剂使用，如欧盟已全面禁止抗生素的使用。政策的调整引发产业研究方向的变革与创新，世界各国学者开展了能克服抗生素上述弊端、无毒副作用、无残留的绿色饲料添加剂一一新型饲料添加剂的研究。益生菌和益生元也是目前饲料工业中研究热点，作为微生态制剂的益生菌已被各国认可，并投入使用，低聚木糖等产品属于益生元(Prebiotics)类，它是为消化道已有的有益细菌直接提供可发酵底物，作为益菌一一双歧杆菌增殖因(bifidusfactor)，促进双歧杆菌大量增加，以调节消化道的微生态平衡。国内已

16、有厂家拿到农业部核发的饲料添加剂低聚木糖的生产许可证，并办理了35和75两个规格的低聚木糖产品批准文号。目前，低聚木糖饲料添加剂已生产82吨。低聚木糖属国际新型低聚糖类产品，以其功效强而受到业内人士的关注。美国、日本近年来将功能食品称之为2 1世纪食品，其研究开发十分活跃。我国的营养保健食品的发展业已形成或一定规模并呈较快的发展趋势。预计今年的销售总额将超过500亿元，市场前景非常乐观。低聚木糖具有优越的生理学特性，使之不仅可广泛适用于保健食品、饮料、乳制品、糖果、饼和饮料等多种食品中，同时又可用作食品、化工、医药、饲料行业的原料，是国内外食品、生物、化学工业界研究的热门领域。低聚木糖作为新型

17、饲料添加剂，且为绿色产品，有望成为抗生素的替代产品具有良好的市场前景。三、原材料及资源情况低聚木糖的生产以玉米芯、蔗渣、棉籽壳为原料。玉米、棉花和水稻是我国三大经济作物，进行玉米加工时，会有极大数量的下脚料玉米芯产生。据统计，年产量约为1.2亿吨。按生产1千克玉米同时可得到1/3千克玉米芯计算，我国玉米芯年产量约0.4亿吨，产量极其可观。目前我国对玉米芯的利用相对来说还很少，仅有4050万吨用于糠醛、木糖、木糖醇及酚类生产。另外，棉子壳、稻壳的产量也极其可观。目前我国对玉米芯的利用很少，绝大部分作为农家燃料被自自烧掉，棉子饼粕基本上全作为饲料蛋自原料1而稻壳几乎全部被燃烧掉，能将玉米心、棉子饼

18、粕和稻壳类可再生植物资源生产低聚木糖，可提高其经济价值，又可减少环境污染，并且可带动产区产品结构调整，提高种植者的经济收入，形成新的产业，促进当地的经济发展，具有极其重要的现实意义和可持续发展的长远意义。四、设计方案低聚木糖的生产方法主要包括酸水解法、高温降解法、生物降解法和微波降解法四种。酸水解法、高温降解法和微波降解法由于存在技术难度大、反应速度很难控制、设备投资大和反应副产物多不利于分离纯化等缺点而工业应用前景不大。生物酶法降解反应速度易于控制、专一性强且副产物少，因此酶法降解是低聚木糖最有工业应用前景的方法。（一）低聚木糖生产原料木聚糖的制备制备低聚木糖的原料为木聚糖,它在玉米芯、甘蔗

19、渣、棉子壳和燕麦、桦木等农林产品中含量相对较高,平均可达30 %左右。存在于植物细胞的细胞壁中,与其他的一些成分以一定的方式相互作用。在低聚木糖生产过程中,这些成分会防碍木聚糖与木聚糖酶之间的作用,从而降低形成速率和产率,因此在水解之前,必须对原料进行有效地处理,提取出木聚糖。木聚糖的制备方法通常有以下几种:(1) 直接高温蒸煮提取木聚糖。Sasaka等在1995 年提出的直接高温蒸煮提取法是利用木聚糖含有的乙酰基侧链在高温蒸煮时脱乙酰,形成乙酸,从而使体系的pH 值下降,木聚糖分子发生自水解而溶解度增加。但高温蒸煮法的提取液中还原糖与总糖之比较低,不利于低聚木糖的生产,且其他副反应随温度变化

20、而较明显。(2) 碱法提取木聚糖。日本的Isao 在酶法制备木聚糖的研究中对原料预处理进行了研究,采用不同稀碱溶液提取木聚糖,取得了较好的结果。(3) 酸法提取木聚糖。目前,酸法提取木聚糖已成功用于木糖生产。但提取木聚糖存在较大的缺点,比如提取液中木糖比例很高,不能满足低聚木糖的生产要求;在提取过程中会产生许多副反应并生成一些可能的致癌物质,从而影响到终产品的安全性。杨瑞金等在高温蒸煮法的基础上提出酸预处理后湿法蒸煮的方法,副反应大大降低,且工艺上较为可行。（二）低聚木糖的生产方法国内已有文献报道以玉米芯为原料,采用霉菌深层发酵直接生产低聚木糖 。他们筛选出1 株产低聚木糖的微生物,直接接种到

21、含木聚糖的基质中进行发酵,木二糖对木聚糖转化率可达5212 %。该法生产低聚木糖虽然工艺和设备简单,但低聚木糖的提取相对困难,且产品色泽很深,产品安全性有待测试,因此不宜用于工业生产。1998 年,日本的Hiroharu 等人17研究了将固定化米曲霉菌丝置于装有木聚糖悬浮液的反应器中,水解得到低聚木糖,结果表明,该固定菌丝可以连续生产4 批次并保持较高的酶活和稳定性,但该法生产的低聚木糖中含有大量木糖。酶法制备是目前生产低聚木糖的主要方法。利用内切木聚糖酶水解木聚糖底物得到的以木二糖、木三糖为主要成分的混合物,因此酶解法的关键在于木聚糖酶对底物的适应性,即选择合适的木聚糖酶。早在80 年代中后

22、期, 日本的入江利夫研究小组就认为,不同来源的木聚糖底物要求使用不同的微生物木聚糖酶。例如,以桦木木聚糖为底物时宜选用绿色木霉产木聚糖酶;以棉子壳、玉米芯等木聚糖为底物时宜选用球毛壳菌( Chaetomi um gracil) 产的木聚糖酶。这是因为,首先木聚糖的结构根据其来源不同而不尽相同,除了木糖残基以21 ,4 糖苷键相连构成的主链外,一般还含有其他种类的糖和其他基团形成的侧链或简单的支叉结构,有的木聚糖还含有乙酰基侧链,因此大多数木聚糖为非均一性多聚糖。其次,木聚糖酶是一类复合酶系,主要包括内切2木聚糖酶、端切木聚糖酶、2木糖苷酶等。不同来源的酶系组分有所不同。目前,已报道的能产木聚糖

23、酶的微生物有细菌、链霉菌、曲霉、青霉、木霉和毛壳霉等,它们所含的酶系不尽相同,当用于制备低聚木糖时,则希望得到仅从内部切21 ,4 糖苷键的酶,从而得到酶解产物木二糖、木三糖,而希望没有或减少从一端切21 ,4 糖苷键的酶和水解木二糖、木三糖的木糖苷酶。入江利夫等的研究指出,绿色木霉产木聚糖酶对不同来源的木聚糖底物有较好的适应性,因此是较理想的低聚木糖生产用木聚糖酶。后来,他们又转而对球毛壳霉木聚糖酶进行研究,通过对球毛壳霉菌株进行诱变,大幅度提高了球毛壳霉菌株的产木聚糖酶能力,同时也大大改善了木聚糖酶系组成。诱变后菌株( Chaetomi um gracil1161) 的木聚糖酶酶活从出发菌

24、株的21 U/ g培养物提高到2 410 U/ g 培养基(固态发酵) ,酶液用于水解桦木木聚糖得到的水解产物的低聚木糖与木糖之比也从原来的34/ 66 上升到72/ 21 。他们对球毛壳霉变异菌株1161进行进一步的215 t 规模的固态发酵生产木聚糖酶的试验,固态发酵的酶活进一步提高到2 600 U/ g 培养基。日本已将该项技术用于低聚木糖的工业化生产,用玉米芯为原料,碱法制备木聚糖后再用球毛壳菌固定发酵生产。江南大学(原无锡轻工大学) 生物工程学院陶文沂教授课题组自1996 年以来,先后承担了江苏省科技厅“九五”工业攻关项目及国家轻工总局重点科研项目“木聚糖酶的生产和应用研究”,已于2

25、000 年5 月完成了工厂8m3 发酵罐规模的生产性实验研究,已经通过江苏省科技厅以及原国家轻工总会组织的专家组验收和鉴定。选育获得了1 株产木聚糖酶菌株,该菌株不产纤维素酶,且所产的木聚糖酶酶系中几乎不含木糖苷酶,对不同来源的底物有良好的适应性。利用该菌产的木聚糖酶粗酶直接酶解麸皮、蔗渣以及玉米芯等来源的木聚糖时,所得的水解产物不含木糖,且水解得到的粗品中以木二糖和木三糖2 个组分为主,完全符合高纯度低聚木糖生产的要求。该工艺目前已经申请国家发明专利并获受理(申请号:CN0010978811)。（三）本项目采用的方案酶法制取低聚木糖(Xyloo ligo saccharide)低聚木糖是2

26、7 个木糖以B(14) 糖苷键结合而成的低聚糖, 是木糖的直链低聚糖。低聚木糖一般是从富含木聚糖(Xylan) 的植物(如玉米芯、蔗渣、棉籽壳和麸皮等) 为原料, 通过木聚糖酶的水解作用, 然后分离精制而获得。自然界中很多霉菌和细菌能产生木聚糖酶(Xylanase ) , 工业上多采用球毛壳霉(Chaetom ium globo sum ) 产生内切型木聚糖酶进行木聚糖的水解, 然后分离提纯而制得低聚木糖。低聚木糖产品的主要成分为木糖、木二糖、木三糖和三糖以上的木聚糖, 其中木二糖为主要有效成分。木二糖是两个木糖分子以B, 14 键相连而构成的, 甜度为蔗糖的40%。低聚木糖的生产工艺包括木聚

27、糖的提取和精制,木聚糖的水解和低聚木糖的纯化。木聚糖的提取: 乙醇、氯化钠预浸洗除去可溶性糖和粗蛋白, 氢氧化钠抽提, 乙酸中和, 最后用乙醇将木聚糖沉淀出来 12 。木聚糖的酶法水解: 低聚木糖是通过内切木聚糖酶水解木聚糖而获得, 许多丝状真菌都产木聚糖酶, 但往往不止一种酶, 如还产B21, 42木糖苷酶。B21, 42木聚糖酶在水解木聚糖时, 不会水解木二糖, 而B21, 42木糖苷酶则会水解木二糖为木糖 13 。因此, 筛选产木聚糖酶活高而B21, 42木糖苷酶活低的菌株是生产的关键。低聚木糖的生产过程包括木聚糖的提取和精制、木聚糖的水解和纯化几个步骤。具体工艺如下：玉米芯木聚糖提取精

28、制精制木聚糖液酶降解粗产品精制浓缩普通产品进一步提纯高纯产品。（四）工艺计算 1.木聚糖酶活力测定。于2. 4ml 5. 0 g/ L 桦木木聚糖溶液(pH 4. 6 柠檬酸2Na2HPO4 缓冲液配制) 中加入0. 1 ml 适当稀释的酶液,50 反应15 min ,立即加入2. 5 ml DNS 试剂终止反应,沸水浴7 min 显色,于540 nm比色。在上述条件下,以1 min 水解木聚糖产生1mol 还原糖(以木糖计) 的酶量定义为1 个酶活力国际单位( IU) 8 。 2.还原糖(RS) 测定。采用3 ,52二硝基水杨酸(DNS) 法测定还原糖(以木糖计,g/ L) 3.总糖量(TS

29、) 测定。取一定量样品,加入浓硫酸至终浓度72 g/ L ,100 水解2 h ,用5 mol/ L 的NaOH 溶液中和并定容,过滤,取滤液测定还原糖量。 4.溶出总糖量( %) 计算。酸和酶水解液于4 000 r/ min离心20 min ,取上清液测定总糖量,即为可溶性总糖量。 5.溶出总糖量( %) = 可溶性总糖量/ 风干玉米芯质量×100 6.可溶性糖平均聚合度(DP) 计算。木聚糖经酸和/ 或酶水解,其分子被降解,导致还原糖量上升,同时水溶性增加。一般可用(水解液) 可溶性糖平均聚合度(DP) 来衡量木聚糖被水解的程度,其数值越接近1. 0 ,表示水解越彻底。当用玉米芯等含有的木聚糖来制备低聚木糖时,该数值一般控制在1. 71. 8。平均聚合度(DP) = 可溶性总糖量(g) / 还原糖量(g)五、建厂规模与厂址选择（一）建厂规模拟建年产200吨低聚木粮的设备，一期目标为年产100吨，满负荷生产时产量达200吨，随着市场份额不断扩大可再