¿Cuáles son los métodos de producción de polvo de xilitol?

xilitol, also known as pentane-5-ol, is unpolyhydric alcohol with the molecular formula C₅H₁₂Os ya relative molecular mass de152.15. 15, appearance is white crystalline powder, no odor, melting point is 92~96℃, easily solubleenwater, solubility 169g(20℃), heat desolutiel- 145.6J/g, heat energy 16.99J/g]. Slightly soluble enmethanol, ethanol, yacetic acid; insoluble enether ychloroform. Xylitol is hygroscopic, sweet, yhas a sweetness equivalent asucrose ya caloric value equivalent to glucose. Xylitol is a chemical product with high practical value that makes comprehensive use deagricultural waste yis produced usandohigh-tech methods [2].

El xilitol es ampliamente utilizado en las industrias químicas, farmacéuticas y alimentarias. Puede ser utilizado para hacer surfac, emulgentes, demulsificadores, resinas alquiladas y recubrimientos. También se puede utilizar en lugar de gliceren el papel, las necesidades diarias, y las industrias de defensa nacional. También es una materia prima para la industria farmacéutica para hacer varios medicamentos. Dado que el metabolismo del xilitol en el cuerpo humano no está relacionado con la insulina, es adecuado para la producción de alimentos para diabéticos. Sólo unos pocos países en el mundo, como China, Rusia, Finlandia, los Estados Unidos e Italia, producen xilitol, y la producción no es grande y la historia de producción no es larga. En los últimos años, la demanda del mercado de xilitol ha estado creciendo. China es un gran país agrícola con abundantes materias primas, y está en una posición única para desarrollar la industria del xilitol. Recientemente, académicos en el país y en el extranjero han hecho mucha investigación teórica sobre los campos de preparación y aplicación del xilitol. El autor resume sistemáticamente los principales métodos de producción de xilitol y discute los puntos calientes actuales y las tendencias en la producción de xilitol y la investigación de aplicación.

Tecnología de producción de 1 xilitol

Hay tres principalesTecnologías de producción de xilitol: extracción, síntesis química y fermentación biológica. El método de extracción tiene bajo rendimiento y alto costo, y no puede satisfacer la demanda del mercado. En la producción industrial, el xilitol se produce principalmente por el método de hidrogenación química tradicional, pero esto tiene muchas desventajas. El método de fermentación biológica es actualmente un hotspot de investigación, pero la mayoría de los resultados de la investigación están todavía en la etapa de laboratorio [3].

1.1 método de extracción

Ya en 1890, los científicos alemanes Fisher y Stahe y el científico francés Betiydescubrieron xilitol, pero el primer descubrimiento de xilitol en las plantas en la naturaleza fue en 1943. El xilitol se encuentra ampliamente en varias frutas y verduras. [4], su contenido (en miligramos de xilitol por 100 gramos de materia seca o por 100 mililitros de jugo) es el siguiente (en miligramos): plátano 21.0, ciruverde 925.0, fresa 362.0, jugo de manzana 120.0, piña 21.0, calab96.5, espinacas 107.0, lechuga 131.0, col 94.0, hinojos 92.0, coliflor 300.0, zanahoria 86.5, cebol89.0, setas blancas 128.0, etc.

Xilitol se prepara por extracción, que implica el uso de extracción sólido-líquido para extraer xilitol de frutas y verduras. Aunque el xilitol se encuentra ampliamente en varias frutas y verduras, su contenido es relativamente bajo. El contenido de xilitol en coliflor es relativamente alto, pero es sólo el 0,3% de la masa seca, lo que hace que la producción a gran escala sea difícil y antieconómica (S). Finlandia, Rusia y otros países europeos tienen una abundancia de recursos de abedu, lo que los hace grandes productores de xilitol. Incluso hoy en día, estos países todavía utilizan el método tradicional de cocción de abedul para producir xilitol, que consiste en asar al vapor astillas de madera de abeducon agua para obtener un líquido de azúcar crudo, que luego se refinpara obtener el producto cristalxilitol. Senembargo, este método no sólo consume una gran cantidad de recursos forestales, sino que también tiene un bajo rendimiento.

1.2 síntesis química

La Comisión transmitió al Consejo una proposición de modificación de la proposición de directiva concerniente al acercamiento de las legislaciones

La xilosa se puede producir hidrolizando xilano en materias primas de fibra vegetal (como paja de arroz, mazde maíz, etc.) con la ayuda de un catalizador ácido diluido. El xilitol se produce hidrogenando xilosa bajo una cierta presión con níquel como catalizador.

Este es el método más común de aplicación industrial hoy en día, pero requiere altas temperaturas (115~135°C), altas presiones (alrededor de 6,5 MPa), inflamable y explosivo gas de hidrógeno de alta presión, catde níquel con requisitos de alta pureza para la solución, y complicados procesos de separación y purificación. Este método tiene una alta inversión de capital y costos de operación, causa una grave contaminación, y es difícil de producir productos acabados de alta pureza.

1.2.2 mejora y desarrollo del proceso de hidrogenación química

Los investigadores han mejorado continuamente la síntesis de hidrogenación química de la tecnología de xilitol. El centro tecnológico de Shandong Yucheng Futian Pharmaceutical Co., Ltd. ha realizado importantes mejoras en varias secciones del proceso tradicional. 6, las principales son: 3 pasos de pretratamiento antes de la hidrólisis formal de la materia prima: lavado, ebulliácido, ebulli, y luego hidrólisis ácida, para limpiar a fondo la ceniza en la materia prima y garantizar la calidad del producto; Eliminando el proceso de neutr, el hidrolisado es decolordirectamente; Utilizando una resina de decoloración y carbón activo juntos para reemplazar la decoloración de un solo carbón activo; Se utiliza un intercambiiónico senpresión en lugar de un intercambiiónico de extremo abierto; Un evaporador de película descendente multiefecto se utiliza en el proceso de evaporpara reemplazar el antiguo evaporde tubo de circulación central, reduciendo el consumo de vapor de evaporde una tonelada de líquido en más del 50%; El proceso de hidrogenación por lotes se utiliza en lugar del proceso de hidrogenación continua; Se utiliza la última tecnología de ultrafiltración y el proceso de cristal vacío continuo con compensación de material. El proceso de producción mejorado no sólo reduce el consumo de materias primas y auxiliares, sino que también mejora todos los indicadores del producto para cumplir con los estándares de la edición FCC IV de EE.UU. y la edición USP 23 de la farmacopea de EE.UU..

1.2.3 síntesis de xilitol por reducción electrolítica

There have been reports dexilitolsynthesis porelectrolytic reduction. Ji Yanguang et al. [7] used a homemade electrode as the cathode, a Pt electrode as the anode, yan H-type electrolytic cell with a diaphragm for electrolysis. The cathodic potential was -1.2V, the initial cell voltage was 4.2V, and the catholyte was 2g xi«dissolved en60mL water. The supporting electrolytes were HCl, H₂SO₄, MgSO₄, LiCl, AcOH, and Mg(AcO)₂. The electrolytic temperature was 30–70°C and the electrolysis time was 18.5 h. Xylose is reduced to a neutral molecule, which does not move enan electric field. Then, electrodialysis is used to remove anions and cations to achieve purification. The crude product liquid enters the electrodialysis apparatus through the channel, and after 5 stages deseparation, the water is evaporated until it becomes a viscous liquid, which is then transferred to a petri dish. The xilitolproduct is dried in an 80°C drying oven. Huang Yuxiu 8 prepared xilitolusing the electrolytic reduction method, achieving a xylose conversion rate deover 95%. This process is simple to handle and does not require pressurized equipment, but the electrode catalytic activity is insufficient and energy consumption is high, so it needs to be further improved and enhanced.

1.3 método de bioconversión

Debido a las obvideficiencias y deficiencias de los métodos de extracción y síntesis química, los investigadores científicos nacionales y extranjeros han encontrado, después de la exploración diligente, una nueva manera de producir xilitol, el método de bioconversión. El principio básico del método de bioconversión es que la xilosa contenida en los residuos agrícolas (como paja de arroz, bagazo, mazde de maíz, etc.) es hidrolizada con ácido dilupara obtener un hidrolizado de xilosa, y luego el xilitol se obtiene fermentando la xilosa en el hidrolizado con microorganismos. El método de fermentación microbiana no sólo tiene el potencial de eliminar la etapa de purificación de xilosa, sino que también simplifica la etapa de separación de xilitol. Es un método de producción prometedor. 9 sin embargo, en la actualidad, la producción de xilitol por fermentación biológica se encuentra todavía en fase de laboratorio, y las aplicaciones de producción industrial son escasas.

1.3.1 cepas y vías de fermentación 

Hay muchos tipos de microorganismos en la naturaleza que pueden utilizar xilosa, incluyendo bacterias, actinomicetos, mohos y levaduras. Hasta la fecha, sólo un pequeño número de especies en los géneros Corynebacterium, Enterobacter y Mycobacterium, como Corynebacterium sp, Enterobacter liquefaciens y Mycobacterium smegmatis, pueden fermentar xilosa para producir xilitol. Sin embargo, dado que el xilitol es sólo un producto intermedio en el metabolismo fisiológico normal de estas bacterias, el rendimiento es bastante pequeño, por lo que todavía no tiene ningún valor de producción. Izumori et al. i10 encontraron que M. smegmatis tiene una fuerte capacidad para convertir xilosa a xilitol, con una tasa de conversión del 70%.

Muy pocos hongos pueden fermentar xilosa para producir xilitol, como Penicillium, Aspergillus, Rhizopus, Byssochlamys y Neuraspora SPP., que pueden producir bajas concentraciones de xilitol en un medio que contiene xilosa. Dahiya'1 Petromyces albertensisinoculada en un medio con una concentración inicial de xilosa de 100 g/L y cultivada durante 10 días. La concentración en masa medida de xilitol fue de 39.8 g/L.

Entre los microorganismos, la levadura es el más superior en su capacidad de convertir xilosa para producir xilitol. 9 levaduras del género Candida CandidaCandidaCandidaCandidaCandidaCandidatienen fuertes capacidades de conversión [12-13], tales como C. tropicalis14], C. guillermondi, C. mogii, y C. parasilosis¹⁵]. Otras especies con fuertes capacidades de conversión incluyen el género Debaryomyces, como D. Hansenii, y el género Pachysolen, como Ptannophilus⁶]. Barbosa descubrió que C. guillermondiy C. tropicalis podían utilizar más del 90% de d-xilosa en 24 horas entre 44 especies de levadura. Otras especies como el género Sachuromyces y el género Schizosaccharomyces también tienen un cierto grado de capacidad de conversión.

El proceso de fermentación utiliza el hidrógeno activo (hidrógeno ionizado) en las paredes celulares de los microorganismos para reducir la xilosa en el hidrolizado a xilitol bajo la acción de la xilosa reductasa 18-19], mientras se puriel hidrolizado de azúcares hexosa como glucosa, galactosa y manosa, que luego son consumidos como nutrientes por las células durante el crecimiento celular.

1.3.2 proceso de fermentación

The process flow for producing xilitolfrom microbial fermentation deplant fiber raw materials is as follows. Before xylitol can be produced porfermentation, the hemicellulose raw materials must be pretreated. On the one hand, pretreatment and acid hydrolysis can reduce the molecular polymerization degree dethe fiber crystals, change the spatial configuration, and make it easier to undergo enzymatic reactions; on the other hand, detoxification can remove harmful substances and improve the fermentation performance dethe hydrolysate.

Gong Xiao etal. 16 propuque los principales factores que afectan a la producción de xilitol por fermentación son: aireación, concentración inicial de xilosa, fuente de nitrógeno, concentración celular inicial, temperatura, pH, otros monosacáridos, iones metálicos y métodos de fermentación, que proporcionan una base para el estudio del proceso de fermentación de xilitol. Zhang Xiaoyuan et al. 20 usaron levadura tropical para estudiar las condiciones de fermentación para producir xilitol a partir de xilosa. Las condiciones óptimas del medio se obtuvieron optimizando el proceso utilizando una fermentación en botella: xilosa inicial 50 g/L, peptona 5 g/L, levadura en polvo 10 g/L, sulfato de magnesio 0. 5g/L, fosfato de dihidrógeno potásico 5g/L, sulfato de amonio 1 g/L. Las condiciones óptimas de fermentación son: pH 6.0, agitación volumen líquido de fermentación en botella 50mL/250mL, velocidad de rotación 200r/min, temperatura de fermentación 30℃, tiempo de fermentación 28h.

Deng Lihong et al. [21] encontraron que la tasa de conversión de xilitol es más alta cuando la concentración inicial de xilosa es de alrededor de 80 g/L; Condiciones restringidas de oxígeno son propicias para la acumulación de xilitol. Extracto de levadura y peptona son fuentes de nitrógeno orgánico más adecuados para la producción de xilitol, mientras que el extracto de levadura es más propicio para el crecimiento de células de levadura. Kwon et al. 22 utilizaron una pseudocerevisiae tropical hiperosmótica para comparar los métodos de fermentación. Los resultados mostraron que en cultivo por lotes, esta levadura producxilitol a una tasa máxima de 3,5 g/(L·h) con una concentración inicial de masa de xilosa de 200 g/L. En cultivo alimentado por lotes, la concentración de masa de xilosa se mantuvo en 260 g/L, y después de 48 h, la concentración de masa de xilitol alcanzó 234 g/L, con una tasa de producción de 4,88 g/(L·h); En la fermentación de reciclaje de células, se utilizó un biorreactor de membrana profunda para fermentar xilitol mediante la inyección de aire para hacer circular las células de levadura. Después de 19.5 h de fermentación, la concentración Medios de comunicaciónde xilitol fue de 180 g/L, la tasa de generación fue de 8.5 g/(L·h), y la tasa de conversión fue de 85%. La tasa de producción y el rendimiento total de xilitol en la fermentación de reciclaje celular fueron 3,4 y 11,0 veces mayores que en la fermentación por lotes, respectivamente.

1.3.3 desarrollo e investigación de tendencias en la fermentación

1.3.3.1 selección y selección de cepas mediante tecnología genética

En los últimos años, con el desarrollo de la tecnología de ingeniería genética, el uso de la tecnología de ingeniería genética para criar cepas y mejorar la capacidad de las cepas para convertir xilosa para producir xilitol se ha convertido en un tema de investigación candente. Jeun et al. 23 clonaron el gen de xilosa reductasa XP y el gen transportador STH de P. stipitis y Azotobacter vinelandii, ylos introdujeron en la cepa S. cerevisiae BJ3505 para obtener la cepa recombinante S. cerevisiae BJ3505/XR/STH, y luego llevaron a cabo la fermentación de xilosa. La concentración de masa inicial de xilosa fue de 100 g/L, ylos resultados medidos son los siguientes: la concentración de masa de xilitol fue de 60.0 g/L, y la tasa de producción fue de 1.58 g/(L·h). Es muy superior a la de la cepa inicial (7,50 g/L, 0,20 g/(L·h)).

1.3.3.2 la tecnología de células inmovilizse aplica en la industria del xilitol

En comparación con la fermentación libre, la fermentación inmovilizpuede ser reutilizada, lo que mejora considerablemente la eficiencia de reacción. Lin et al. [24 utilizaron alcohol polivinílico como el principal agente inmovilizpara inmovilizar Candida guillier-mondii, y añadialginato de sodio y carbón activado como aditivos. La relación del agente de incrustfue 8% de alcohol polivinílico, 1% de alginato de sodio (SA) y 1,5% de carbón activado (C). Carvalho et al. 2 usaron alginato de calcio para inmovilizar C. guilliermondii para convertir xilosa de hidrolizado de bagde caña de azúcar. La tasa de conversión pudo alcanzar 0.81 g/g después de 120 h de fermentación, y la tasa de concentración y producción de xilitol fue de 47.5 g/L y 0.40 g/(L·h), respectivamente.

1.3.3.3 producción de xilitol por fermentación de glucosa como sustr[18]

Si la fermentación se puede llevar a cabo utilizando glucosa como sustr, que es ampliamente disponible y barato, sin duda reducirá el costo de producción de xilitol y promover su producción a gran escala. Sin embargo, no se han encontrado microorganismos en la naturaleza que puedan fermentar directamente la glucosa para producir xilitol. Algunos investigadores han probado un método de fermentación mixta, que utiliza tres microorganismos con diferentes funciones metabólicas para fermentar la glucosa como sustrde partida en tres pasos: en el primer paso, D. Hansenii fermenta la glucosa para producir D-arabinitol; Yfinalmente, C. guilliermondii reduce la xilulosa a xilitol. Sin embargo, este proceso es lento, el rendimiento es bajo, el rendimiento de subproductos es alto, y la purificación es difícil. Cómo reducir el rendimiento de subproductos y hacer la purificación más fácil se ha convertido en un punto caliente de investigación.

En la fermentación microbiana, debido a que el medio de cultivo contiene bajos niveles de impurezas, es mucho más sencillo separar y recoger xilitol que en los métodos químicos, y la pureza del producto se mejora en consecuencia. Además, su especificidad es fuerte, lo que puede eliminar la necesidad de equipos de alta presión y grandes cantidades de catalizadores, ahorrar el consumo de energía, simplificar el proceso, reducir la contaminación ambiental y convertir los residuos en tesoros. Con la mejora continua de la tecnología de bioingeniería, el método de conversión biológica inevitablemente dominará la producción de xilitol en el futuro.

2 funciones y aplicaciones del xilitol

Xylitol is an important five-carbon sugar alcohol and the variety with the best physiological activity among all edible sugar alcohols. It has many unique functions and is widely used in the food, pharmaceutical, and chemical industries.

2.1 aplicaciones en la industria alimentaria

Xylitol is used in the producciónof food for diabetics because its metabolism in the body is not related to insulin. Xylitol has a cooling effect in the mouth and is not fermented porbacteria to produce lactic acid in the mouth, making it an undesirable mediofor microorganisms. It is therefore non-cariogenic and can be used to make chewing gum. Xylitol has unique advantages as a sugar substitute . During food processing, it does not undergo the Maillard browning reaction due to heating, because unlike sugars, xylitol does not have an aldehyde group and will not react with amino acids to darken the color of the food. Xylitol is not affected poryeast and bacteria, does not cause mold, and can extend the shelf life of food. Therefore, xylitol is widely used in products such as chewing gum, chocolate, beverages, and candy [26-28]. Xylitol can be used as an additive in alcoholic beverages. Japanese research has found that adding 0.5% to 3.0% xylitol can improve the color, aroma and taste of the alcohol, giving it a full-bodied, rich, mellow and delicious flavor, and reducing the spoilage caused pormicroorganisms [29].

2.2 aplicaciones en la industria farmacéutica

2.2.1 tratamiento de la diabetes [30-31]

Xylitol compounds have a good effect on the treatment of diabetes patients, because xylitol does not require insulin to participate in the metabolic process, can quickly enter cells, and be completely utilized, without affecting blood Glucosa en glucosa (glucosa glucosa en glucosaconcentration. Xylitol can also suministroenergy to diabetic patients, alleviate the abnormal decomposition of fat and protein in patients, prevent the producciónof ketone bodies, and prevent patients from developing acidosis and lethargy. Its effect is much stronger than that of glucose, fructose or other pentoses.

2.2.2 Xylitol's propiedades anti-caries [32-33]

El xilitol no puede ser fermentado por bacterias cariogénicas en la boca, inhibiendo el crecimiento de estreptococos y la producción de ácido. También puede promover la secreción salival, ralentizar la disminución del pH, reducir la erosión ácida de los dientes, prevenir la caries dental y reducir la producción de placa dental, y fortalecer los dientes.

2.2.3 mejora la función hepática [29]

Xilitol puede promover la síntesis de glucógeno en el hígado, reducir la transaminasa, y retrasar la producción de ácidos grasos en el plasma sanguíneo. También puede reducir los niveles de ácido lác, piruvato y glucosa en la sangre, mientras aumenta el nivel de insulina. Esto mejora la función hepática y protege el hígado. 2 en 2005, el informe clínico sobre la función de protección del hígado de xilitol realizado por el Hospital Xiyuan de la Academia China de medicina tradicional China señaló que: un ensayo clínico controlado se llevó a cabo en 100 pacientes con enfermedad hepática, y el grupo de prueba fue obligado a consumir 30g de xilitol por día durante 3 meses. Los resultados mostraron que el grupo de xilitol tenía un cierto efecto en la restauración de la función hepática. También tuvo un efecto beneficioso en los pacientes' El hígado graso y la hiperlipidemia, y sus síntomas clínicos, la función hepática y los lípidos sanguíneos mejoraron. Esto muestra que el xilitol es un suplemento de salud que puede ayudar a proteger el hígado y regular los lípidos.

Tratamiento de infecciones pulmonares [4]

La capacidad del xilitol para tratar infecciones pulmonares fue descubierta en 2000 por la universidad estatal de Iowa en los Estados Unidos, y desde entonces ha atraído la atención de la comunidad médica. Aunque el xilitol no es una sustancia antibacteriana, puede reducir la salinidad de la capa de moco en la superficie del pacient's de las vías respiratorias, ayudando así al paciente a recuperarse y prevenir infecciones pulmonares. Por otra parte, a diferencia de otros antibióticos, xilitol no proporciona a las bacterias anticuerpos mientras las mata, aumentando así la resistencia de las bacterias que no mueren. El xilitol simplemente elimina las bacterias dañinas.

2.3 aplicaciones en la industria química [34]

El xilitol y los ésteres de ácidos grasos C5~C9 se pueden utilizar para producir plastificantes resistentes al calor para suelas de zapatos, películas agrícolas, cuero sintético artificial, materiales para cables, etc.; El xilitol puede utilizarse como agente de partida para producir poliéter, que es una materia prima básica para la síntesis posterior de espuma plástica rígida; Aprovechando el hecho de que el xilitol tiene cinco grupos hidroxilo, se puede utilizar como un sustituto de la glicery el aceite comestiy se utiliza en la fabricación de papel, productos químicos diarios y la industria de defensa. Xilitol puede ser utilizado para producir surfaccon propiedades antibacterianas. El xilitol puede ser catalizado con fenol, formaldehído, ácido ortofosfórico y ácido bórico para obtener un líquido viscoy transparente, que es un buen agente curtidor de cuero. Xilitol tiene una excelente resistencia al calor y resistencia a la corrosión en comparación con el hexanol y es un emulsionante importante con buenas perspectivas de aplicación.

3 perspectivas

Xylitol is found in many fruits and vegetablesPero el contenido es muy bajo, y la extracción directa es difícil y costosa. La hidrogenación química catalítica de xilosa es actualmente el principal método de producción industrial de xilitol. Aunque la exploración y mejora continua han logrado un buen progreso, este proceso de producción requiere la producción de hidrógeno por separado y la reacción a alta temperatura y presión. El proceso es complejo, la seguridad es pobre, el costo es alto y la contaminación es relativamente grave. La preparación de xilitol por fermentación biológica puede ahorrar energía, simplificar el proceso, reducir la contaminación ambiental y mejorar la calidad del producto. En los últimos años, los investigadores han hecho mucho trabajo en la preparación de xilitol por fermentación y también han logrado importantes resultados de investigación teórica.

En la actualidad, la cepa más ampliamente utilizada con una fuerte capacidad de transformación es pseudomyces tropicales [3-36], pero con el desarrollo de la ingeniería genética, los microorganismos con mejores efectos de transformación serán examinados más a fondo. También debería mejorarse el equipo de fermentación para aumentar la producción y aumentar la productividad. Se informó que en 2009, Tangchuan Biotechnology (Xiamen) Co., Ltd. puso con éxito la primera fase de su línea de producción de xilitol utilizando la fermentación biológica en la producción. Esta es la primera compañía en el mundo en utilizar la fermentación biológica para producir xilitol, lo que marca la industrialización gradual de la producción de xilitol por fermentación biológica. Sin embargo, su aplicación industrial apenas ha comenzado y aún necesita ser explorada y mejorada.

La industria del xilitol es una industria nueva que se está desarrollando rápidamente. Las materias primas están fácilmente disponibles, los productos tienen una amplia gama de usos, y las perspectivas de mercado son amplias. Es una industria prometedora, pero el proceso de producción es atrasado, lo que limita en gran medida el desarrollo de la industria del xilitol. Los esfuerzos para explorar el proceso de preparación de xilitol por fermentación biológica e industrialización serán la dirección futura de la producción y desarrollo de xilitol. Es necesario mantenerse al corriente de las tendencias de la industria, desarrollar activamente nuevas variedades y productos de alta gama, promover el progreso tecnológico en las empresas, mejorar la calidad del producto, reducir los costos de producción, participar en la competencia internacional, alinearse con las prácticas internacionales, dar lugar al papel de las asociaciones de la industria, y tomar el camino del desarrollo conjunto.

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