蔗渣开发木糖醇技术进展

蔗渣开发木糖醇技术进展

陈华琴

广西广业贵糖糖业集团有限公司 广西贵港市 537100

摘要：蔗渣是一种产量较大并且可再生的资源，在使用当中可以利用最古老和简单的方式对其进行改造，如作为生物质燃料、制浆造纸等，对蔗渣的其他利用方式最为常见的是用开发木糖醇，这对于木糖醇的制取来说有了较大的帮助。就目前情况来看，使用蔗渣开发木糖醇的技术逐渐增多，能够将蔗渣的价值体现，让其成为具有较强优越性的原料。

关键词：蔗渣；开发；木糖醇；技术

木糖醇是一种有机化合物，化学式是C5H12O5，原产于芬兰，是从白桦树、橡树、玉米芯、甘蔗渣等植物原料中提取出来的一种天然甜味剂。在自然界中，木糖醇的分布范围很广，广泛存在于各种水果、蔬菜、谷类之中，但含量很低。对于人体来说，木糖醇也不是一种“舶来品”，它本就是人们身体正常糖类代谢的中间体。根据我国《食品添加剂使用卫生标准》（GB2760-1996）中规定：木糖醇可代替糖按正常生产需要用于糖果、糕点、饮料。在标签上说明适用糖尿病人食用。

木糖醇除作为糖的替代品外，还是一种在许多行业广泛使用的物品，如医药行业、造纸工业等。相关数据显示，现阶段全球木糖醇需求量已经高达10万吨以上，而每年的总产量也只有6万吨，这就导致市场资源紧缺，但是也明确了木糖醇工业的前景。也正是因为这样，才需要使用更加先进的技术和原料来制取木糖醇，促进我国木糖醇工业的发展，提升供应量。

二、开发木糖醇的技术现状

最早对木糖醇进行开发的国家是芬兰和俄罗斯等国家，因为这些国家拥有着较为丰富的白桦树资源，所以成为了木糖醇开发大国。现如今在，这些国家依旧会使用蒸煮桦木的方式去生产木糖醇。在实际生产的时候会使用水蒸气蒸煮白桦木片的方式得到粗糖液，之后在精心制取就可以得到结晶木糖和木糖醇产品。使用此种方式生产的时候不仅需要消耗较多的森林资源，并且产品没有较高的回收率。而我国在对木糖醇开发的时候所使用的是化学水解方式，玉米芯是最开始的原料，在经过酸解和水提取等工序之后得到结晶木糖，在上个世纪60年代末每年产量可以达到300吨。而随着科学技术的不断提升，以玉米芯和甘蔗渣为原料的制取木糖醇的技术也开始逐渐增多和变得成熟，很多地区都开始建设玉米芯以及蔗渣的木糖生产企业。近几年我国木糖醇工业发展比较快，一直处在粗放型规范扩张的情况中，而由于国内生产木糖醇的企业逐渐增多，但是规模却比较小，没有充足的在技术研发当中投入，许多阻碍行业发展的节能减排技术没有得到快速的发展，并且受到了一定的阻碍^[2]。

新建的木糖醇产业或者是扩展的产业主要集中在北方，而这些产业将玉米芯当作原料。在北方中，玉米芯是生产木糖醇的主要原料，并且还可以生产糠醛。近几年来，木糖醇和糠醛的产量逐渐提升，导致玉米芯的使用量和价格也在逐渐增加，生产木糖醇的玉米芯出现了紧缺的情况。

甘蔗是我国南方中重要的经济产物，甘蔗在进行压榨工艺之后会生产出大量的蔗渣，目前很多蔗渣都会用在造纸和燃料等方面，没有较高的经济效益。而对于糖厂来说，具有非常丰富的蔗渣资源，价格比较低，比较容易储存，并且具有较高的商品木糖收率。但是因为规模和技术等方面的影响，就目前情况来看，我国南方很多将蔗渣当做开发木糖醇原料的企业已经停产，所以如何可以使用高新技术改造传统的木糖生产工艺，发挥资源的优势，减少国际市场波动对于木糖的行业具有较大的冲击，对制糖企业提升资源利用率以及延长产业链等有着较为重大的意义。

三、蔗渣开发木糖醇的技术

（一）蔗渣利用前的预处理

新鲜的蔗渣当中会含有约百分之二的糖分以及百分之五十的水分，并且还会有百分之四十的蔗髓。这些物质会让蔗渣的综合利用情况受到影响，降低产品的质量，所以在制取木糖醇之前需要进行预处理工作^[1]。

首先要做的就是将糖分还有水分降低。如果是新鲜的蔗渣可以将其储存三个月，让蔗渣中含有的水分降低为百分之二十五，而糖分自然会在这三个月中发酵。蔗渣的外观一般呈黄白色，如果变为黄色和黑色最好不好使用。

其次要做的就是除髓的处理。在利用蔗渣之前需要进行除髓工作，将蔗髓在蔗渣当中分离出来。主要是因为，蔗渣纤维具有两种形式，第一种是真纤维，第二种是蔗髓。真纤维的硬壁细胞组织较为强韧，具有细长的形状，是一种具有较高利用价值的纤维，此种细胞占有百分之六十左右。而对于蔗髓来说，细胞壁比较柔软，具有海绵状的结构，在蔗渣中占有百分之三十五左右。真纤维和蔗髓具有较为相似的化学组织，但是其结构具有较大的差异。在湿态的状态当中，真纤维膨胀系数比较高，并且干燥的时候会收缩，此种特性让它的强度较高。蔗髓的吸收液体性能比较强，对于制浆造纸等有着较大的影响。

（三）强制循环水解技术

在生产木糖的时候，水解工序是第一道工序，也是生产木糖的主要环节，会对后续的加工以及木糖的质量产生较大的影响。如果在这个环节当中没有掌握好水解液的质量，这会为后续工序带来较多的麻烦，影响到最终产品的质量。木糖的水解率对木糖产糖率有着决定作用，水解液质量和浓度也会影响到木糖的纯度，甚至对木糖生产企业节能以及降低成本等起着决定性的作用

^[3]。

传统的木糖水解工艺主要是利用蒸汽对他们加热的，因为汽凝水会进入到水解系统当中，没有稳定的催化剂浓度。除此之外，蒸汽会直接加热，热度并不均匀，这就会造成局部水解温度过高的情况，影响木糖水解的质量和水解率。针对传统木糖工艺当中所出现的问题，在开发木糖的时候会增加强制循环间接加热水解的工艺，此种工艺方式使用的是间接加热循环系统，升温的时候利用循环泵将水解锅当中的液体间接加热，再利用布料系统将其送回后重复操作，确保水解锅的每一个部分具有均匀且完全的物料传热以及传质，从而让锅中的物料可以升温，保证液比恒定，酸浓度较为均匀。除此之外，液比可以降低，装锅系数也可以达到百分之八十五以上。所以强制循环水解将水解锅单位容积生产能力提升，缩短了水解周期。与此同时将木糖的浓度提升。传统工艺在水解之后木糖液的浓度比较低，而在使用强制循环水解技术之后可以让木糖液的浓度比之前上升一半左右，并且其纯度也会提升^[4]。

水解工序需要注意原料净化方面的问题，原料需要精心筛选和洗涤，清除其中的杂质，并且不要因为人为因素把杂质引入到水解液当中，导致水解液质量不足。其中催化剂、水解温度和时间是水解工序参数三要素。在催化剂方面进行分析，催化剂的选择和设备的防腐有着较大的联系。在选择催化剂之后，水解过程中是否具有稳定的催化剂浓度，对于水解率有着决定作用。水解温度也对水解率有着重要的影响，温度过低会导致无法完全的水解，温度过高会导致水解液当中的木糖继续出现脱水生成糠醛，或者是生成等级较低的醋酸等碳水化合物，也会促使大量的蛋白质水解，生成有机色素和胶体，这对于后续的净化工作有着较大的影响。水解的时间如果不足或者是过长，会导致水解不完全，并且木糖的转化也会对水解产生影响。

（三）膜预浓缩技术

传统的多级真空蒸发浓缩技术具有消耗能源较多，加热时间长等不足，并且对于热敏性物质很容易分解，从而对浓缩液的质量产生影响，尤其是对于木糖生产来说，如果出现了水解液浓度较低的情况，那么蒸发浓度过程中的能耗问题也会不断的突出。膜浓缩技术是膜分离技术的主要分支，将纳滤和反渗透技术当做依托，是一种较为传统的工艺，能够将高效纯化浓缩技术实现。在实际使用当中会根据成分以及液体的分子量的不同实现定向分离，起到浓缩的作用。和传统的加热浓度进行对比，能耗比较低，常温下对产品的影响比较小，目前已经在果汁和医药制剂等多个领域开始广泛使用。

针对传统木糖工艺蒸发浓缩出现了能耗较高的问题，联合膜设备生产企业开始了研发工作，利用纳滤浓缩系统，在进入传统降膜蒸发器之前，对离交液进行了预浓缩的处理。利用膜浓缩后蒸发器，可以提升进料的浓度，而蒸汽消耗可以降低至百分之六十左右^[5]。

（四）水解残渣锅炉节能燃烧技术

在传统的木糖生产当中，所剩下的甘蔗残渣会因为具有较多的水分，以及挥发物高等方面的影响，不能直接当做锅炉燃料使用，会对环境造成较大的影响。根据上述所说情况，在传统工艺上进行改进。所出现的盐酸对于设备具有较强的腐蚀性，并且剩下的蔗渣当中所含有的盐酸不容易进行处理，在选择水解反应催化剂的时候，选择硫酸并需要控制水解液当中的硫酸含量。水解之后所出现的红渣，利用带式压榨机连续洗涤和压榨能够得到酸性比较小的红渣。为了可以提升红渣的发热量，红渣利用风筒先经过锅炉烟道将其烘干，并确保其水分可以降低百分之三十五和四十，之后再送入锅炉燃烧。通过这样的设备可以提升蔗渣干燥处理的速度，了解水解甘蔗残渣当中的水分，解决发热量较低的问题。通过水解残渣锅炉节能燃烧技术，一方面可以将红渣所带有的环境污染减少，还可以节省大量的燃料。

（五）新技术的应用

就目前情况来看，我国已经建立了较大规模的以蔗渣为原料的木糖醇生产线，每年可以生产2500吨木糖醇。在工艺设计的过程当中，科技人员会在流程当中开始研究，做好工艺的衔接和控制工作，将原辅料、水以及其消耗等方面理性的考虑，重点对蔗渣的预处理以及膜浓缩等多个技术研究，从而让新工艺和传统生产工艺能够结合在一起，将节能水平、生产规模以及产品质量提升，确保生产线可以持续稳定的运行^[6]。

三、前景展望

（一）新技术使用之后所获得的效益

使用强制循环水解工艺之后，水解效率会有所提升，料液也会降低，并且水解液固形物浓度最高可以提升百分之五十左右。与此同时，工艺控制稳定催化剂用量会减少百分之十五左右，一次离交树脂的用量可以减少百分之二十左右。在使用膜浓缩系统之后，可以将蒸汽消耗缩减至原来的百分之六十左右。而红渣资源化利用能够让其作为锅炉的燃料，从而节约百分之六十的燃料。在使用新技术之后原料利用率有所提升，降低了原辅料的消耗以及燃料的消耗，减少污水排放。并且相关数据显示，新技术的使用可以让木糖醇生产企业将资源利用率提升，减少废弃物的排放，保护环境并节约资源，促进木糖行业的发展。

（二）蔗渣开发木糖醇技术的展望

对于纤维素原料来说，其本身是非常的廉价的，但是因为将其转换为乙醇的工艺比较复杂，并且需要消耗大量的资源，这就导致纤维素原料在市场当中没有了竞争优势。在使用蔗渣制取木糖醇和乙醇的技术可能会成为今后发展的方向，使用木糖醇和乙醇联合的方式，将原来由生物质生产单一产品的观念打破，实现原料充分利用和产品价值最大化，这对于木糖醇以及纤维素乙醇产业技术的发展有着促进的作用^[7]。

结束语

总而言之，就目前情况来看，制糖企业具有较为丰富的蔗渣资源，可以在这样便利的条件下使用强制循环水解等先进的技术开发木糖醇，满足市场需求，促进企业的发展。在长远方面进行考虑，蔗渣生产木糖醇具有较为广阔的前景，能够在实际生产当中将成本降低，减少废弃物的排放，这也是将蔗渣有效利用的关键，确保其价值可以发挥，加快相关企业的发展。

参考文献：

[1]覃香香，周玉恒，陈海珊，蔡爱华，王磊，张厚瑞. 生物脱毒改善蔗渣水解物木糖醇发酵性能的研究[J]. 广西科学院学报，2020,v.36;No.129(3):130-137.

[2]崔媛媛，刘容，许琳琳等. 热带假丝酵母发酵甘蔗渣水解液生产木糖醇[J]. 食品工业，2018，v.39;No.262(7):19-23.

[3]王蒙，张全，高慧鹏等. 生物发酵法制备木糖醇的研究进展[J]. 中国生物工程杂志，2020，v.40;No.336(3):149-158.

[4]曹玉华，王关斌，邱学良等. 色谱分离树脂在木糖醇母液中的应用研究[J]. 中国食品添加剂，2020(2):54-58.

[5]牛立沙，张连富，孙清瑞等. 糖醇的HPLC-ELSD法测定及其热稳定性研究[J]. 食品与生物技术学报， 2019, 38(9):139-144.

[6]王飞波，孟祥瑞，李敏霞等. 多元糖醇混合物的蓄放热性能[J]. 天津大学学报， 2020, 53(5):475-482.

[7]陶平，刘学文，余希文等. 酶处理蔗渣的国内研究进展[J].甘蔗糖业，2019,(4):57-62.

作者简介：陈华琴，女，壮族，广西贵港市人，大学本科学历，工程师职称，研究方向：制浆、碱回收。