糖基生物質(zhì)生產(chǎn)食品化工產(chǎn)品研究進(jìn)展探討

□ 栗 琳 河南省開封市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗測試中心

作為農(nóng)業(yè)大國，我國有著非常豐富的生物質(zhì)資源。通過對生物質(zhì)的利用，然后在生物或者化學(xué)催化劑的實際作用下，借助化工和生物技術(shù)從而制作并獲取到化工產(chǎn)品。對農(nóng)作物副產(chǎn)品進(jìn)行合理利用，可以控制污染情況的發(fā)生。現(xiàn)階段食品添加劑所采用的生產(chǎn)原料，更多的是從石油化工行業(yè)獲取的，只有部分是來自于天然生物原料。在生產(chǎn)食品添加劑上，將糖基生物質(zhì)作為主要原料生產(chǎn)，和天然產(chǎn)品的來源有著較大的相似之處，有著較高的安全性和可靠性，從心理上人們更容易接受。生物質(zhì)基食品添加劑，在通過采取生物化學(xué)方法生產(chǎn)之后，可以經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)生成各種各樣的化工產(chǎn)品，而且這些生成的化工產(chǎn)品有著較高的附加值?，F(xiàn)階段以天冬氨酸類、谷氨酸類等為主，是有可能商品化的食品化工產(chǎn)品。在生產(chǎn)這些食品化工產(chǎn)品時，所采用的生產(chǎn)原料主要以淀粉類多糖生物質(zhì)為主，有著廣泛的原料來源，價格低廉，還比較容易獲取。但是生產(chǎn)食品化工產(chǎn)品上，所采取的將糖基生物質(zhì)作為原料的技術(shù)和生產(chǎn)工藝仍然不夠成熟，需要花費(fèi)較高的生產(chǎn)成本，開發(fā)產(chǎn)品期間依舊存在著諸多的技術(shù)難題，如果可以真正意義上的突破這些技術(shù)難點，那么就將會顯著的提高糖基生物質(zhì)食品化工產(chǎn)品，在市場上的競爭優(yōu)勢，增加其未來的發(fā)展空間。因此，從食品安全層面，以及控制生產(chǎn)成本角度思考，對生物質(zhì)基食品化工產(chǎn)品進(jìn)行深入的開發(fā)，將會有著非常廣闊的發(fā)展前景。

本文對生產(chǎn)食品化工產(chǎn)品，以采取糖基生物質(zhì)為原料的生產(chǎn)進(jìn)展進(jìn)行了研究，并對開發(fā)技術(shù)所存在的難題進(jìn)行了重點介紹，旨在為更進(jìn)一步開發(fā)糖基生物質(zhì)食品化工產(chǎn)品提供有價值的參考。在當(dāng)前石化資源越來越缺乏，以及生產(chǎn)工藝技術(shù)日益成熟的背景下，這讓糖基生物質(zhì)食品化工產(chǎn)品，不管是在市場中的競爭力，還是未來發(fā)展的潛力都得到了顯著的提高。生物煉制技術(shù)和化工技術(shù)，勢必會因為生物基化工產(chǎn)品的發(fā)展而得到有效的變革和顯著的進(jìn)步，從而產(chǎn)生明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 1,4-二羧酸基四碳酸

蘋果酸等都是較為常見的化工產(chǎn)品原料，且全部都是二羧酸基四碳酸。而在食品行業(yè)中，二羧酸基四碳酸也有著非常多的應(yīng)用，可以在飲料和糖制品中，用作酸味劑和調(diào)味劑；其中作為天然果汁中一個重要的成分，蘋果酸具有很多優(yōu)點，如香味特殊，不會對口腔和牙齒造成損害等。也正是因為其有這么多的優(yōu)點，這讓其正式取代檸檬酸，成為了老年和兒童食品中頗具競爭力的食品酸味劑。

在生物體內(nèi)的三羧酸循環(huán)中，大部分都有1,4-二羧酸基四碳酸的參與，可以在原料選擇上以糖基生物質(zhì)維護(hù)組，實施生物化學(xué)轉(zhuǎn)化的方法進(jìn)行生產(chǎn)。從1,4-二羧酸基四碳酸產(chǎn)品來源于糖基生物質(zhì)的發(fā)展情況來看，其將會擁有較好的市場情景，其產(chǎn)業(yè)化的重要技術(shù)重點，是如何將發(fā)酵成本降低到最小。按照文獻(xiàn)資料顯示[1]，在原料上主要是兩種糖基生物質(zhì)。經(jīng)過發(fā)酵之后生產(chǎn)按照每1 000 克小于0.61美元的標(biāo)準(zhǔn)，對此類產(chǎn)品的發(fā)酵成本進(jìn)行控制，才可能在市場上具有強(qiáng)大的競爭力，這在短時間內(nèi)是難以真正實現(xiàn)突破的。但隨著日益消耗的化石能源，1,4-二羧酸基四碳酸產(chǎn)品在生產(chǎn)上，通過將糖基物質(zhì)作為主要原料的生產(chǎn)，將會擁有非常好的市場發(fā)展前景。

對1,4-二羧酸基四碳酸的多功能官團(tuán)，通過采取生物化學(xué)方法進(jìn)行修飾，可以將其往多種化工產(chǎn)品上進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這些產(chǎn)品大部分都擁有著非常大的市場發(fā)展情景。以琥珀酸為例，采取生物化學(xué)轉(zhuǎn)化方法，可將1,4-二羧酸基四碳酸往其他化工產(chǎn)品上進(jìn)行轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化的方式可以分為如下幾種。

第一，將 1,4-二羧酸基四碳酸，通過對氨基化還原反應(yīng)的利用，從而生產(chǎn)吡咯烷基類化工產(chǎn)品。此技術(shù)在現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)化期間，所碰到的主要難點在于怎么在生產(chǎn)期間對酸式鹽的選擇性還原程度進(jìn)行控制；怎么將對抑制劑有著超高耐受性的催化劑開發(fā)出來，以及在連續(xù)生產(chǎn)過程中，應(yīng)該如何才可以確保催化劑的壽命。通過對此方法生產(chǎn)的吡咯烷基類化工產(chǎn)品衍生物的利用，能夠適用于生產(chǎn)部分水溶劑等。

第二，使1,4-二羧酸基四碳酸作為原料，將直鏈高分子材料，以及支鏈聚合物產(chǎn)品，通過直接聚合反應(yīng)的方式生產(chǎn)出來。在技術(shù)上前者未有任何難題情況存在，并且已有產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品正式出現(xiàn)，比如生物基光纖維材料等；在技術(shù)上后者產(chǎn)業(yè)的主要難點在于如何對聚合反應(yīng)生成的聚合物分子，所具有的質(zhì)量和特征性進(jìn)行較好的控制，截至目前，此技術(shù)還未得到明顯的突破。

2 天冬氨酸

可以說在包括人類在內(nèi)的動物體內(nèi)，天冬氨酸是一個非常重要的代謝物質(zhì)。其以D-天冬氨酸和L-天冬氨酸，為最為常見的同分異構(gòu)體，而L-天冬氨酸在食品工業(yè)中應(yīng)用的最為普遍，高甜味劑和鮮味劑則在食品行業(yè)中有著較多的應(yīng)用，同時也是比較好的營養(yǎng)增補(bǔ)劑，在各式爽口的飲料中均有添加。

2.1 天冬氨酸的生產(chǎn)方法

生產(chǎn)L-天冬氨酸的方法主要有三種：第一，化學(xué)合成法；第二，蛋白質(zhì)萃取法；第三，發(fā)酵法/生物酶轉(zhuǎn)化法。但現(xiàn)階段市場上天冬氨酸產(chǎn)品，更多的是采取生物酶法進(jìn)行生產(chǎn)，經(jīng)過常年不斷的研究，對改良生產(chǎn)工藝，其生產(chǎn)成本依舊無法得到根本的控制，這也在較大程度上，對天冬氨酸產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生了明顯的限制。因此，相對比生物酶轉(zhuǎn)化工藝，就非常有必要開發(fā)出一種比此工藝具有更低成本的工藝，尤其是在直接發(fā)酵工藝上，將生物質(zhì)糖為培養(yǎng)基的就成為了當(dāng)前非常緊迫的一件事情。隨著不斷深入發(fā)展的生物技術(shù)等，相信在不久的未來，一定會將直接發(fā)酵生產(chǎn)天冬氨酸工藝開發(fā)出來，且所采用的原料還是經(jīng)濟(jì)實惠的糖類。

2.2 天冬氨酸生產(chǎn)生物基化工產(chǎn)品的途徑

全球天冬氨酸需求量從2006年開始起，就以平均每年2%～3%的速度迅速增長。聚天冬氨酸類高分子材料的轉(zhuǎn)變要從2016年以后講起，這主要是因為在這一年后，其就可以代替現(xiàn)階段市場上比較流行的聚羧化物等。因此，生物基化工產(chǎn)品，將天冬氨酸作為原料，在未來市場上將會有非常大的發(fā)展前景?？傮w來講，可以分為如下幾種途徑。

第一，通過對加氫還原反應(yīng)的利用，將天冬氨酸往結(jié)構(gòu)比較相似的化工產(chǎn)品等上進(jìn)行轉(zhuǎn)化。在溶劑市場上，這些化工產(chǎn)品有著較好的應(yīng)用前景。此轉(zhuǎn)化途徑中所存在的技術(shù)難點，主要是在于怎么對加氫還原的程度進(jìn)行控制等，這些都是當(dāng)前急需解決的重要技術(shù)難題。

第二，通過對脫水反應(yīng)的利用，將天冬氨酸往天冬氨酐上轉(zhuǎn)化[2]。天冬氨酸選擇性脫水在酸性催化劑的作用下，大部分將其所生成的天冬氨酐的反應(yīng)當(dāng)成是一個熱力學(xué)過程。怎么將此期間所生產(chǎn)的天冬氨酐成本進(jìn)行有效的控制，這也成為了現(xiàn)階段的主要技術(shù)難點，現(xiàn)階段的研究，更多的關(guān)注點是在于開發(fā)可替代傳統(tǒng)液相催化劑的新型多相催化劑[3]。

3 甘油

作為一個重要的工業(yè)原材料，甘油在食品工業(yè)當(dāng)中，更多的是用來當(dāng)保濕劑和甜味劑，在代乳品和運(yùn)動食品中出現(xiàn)得比較多。甘油可以用來直接消費(fèi)，也能夠經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)之后，生成多種食品化工產(chǎn)品，如聚甘油脂肪酸酯等。因為甘油可以食用，能夠被生物所降解的一種化合物，所以大眾更容易接受甘油基食品添加劑產(chǎn)品[4]。

雖然有著較為廣泛的用途，但甘油的市場價格整體還是偏低，其價格機(jī)制并不完善，現(xiàn)階段，甘油大約0.9～1.3美元每千克，價格比較高。在生物柴油生產(chǎn)過程中，甘油可以說是一個重要的副產(chǎn)物，隨著逐漸擴(kuò)大的生物柴油市場，這讓甘油的產(chǎn)量也呈現(xiàn)出日益上漲的趨勢，其生產(chǎn)成本也會逐漸變低，同時甘油自身也擁有獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)以及分子結(jié)構(gòu)，因此在化工產(chǎn)品的生產(chǎn)中，將甘油作為原料將會有著比較大的市場發(fā)展空間。

4 山梨醇

作為一種有著廣泛用途的食品化工原料，山梨醇擁有預(yù)防齲齒等方面的顯著功效，可以用作防腐劑和甜味劑在食品行業(yè)中使用。大部分是采取鎳基催化劑加氫還原葡萄糖的方式，來實現(xiàn)對山梨醇的生產(chǎn)。在實際工業(yè)中大部分采取間歇工藝的生產(chǎn)方式，此種方法在技術(shù)上不存在任何的難點，而且可以充分地保障葡萄糖的真正轉(zhuǎn)化，能夠達(dá)到99.7%的山梨醇的生產(chǎn)率。實施此種方法最根本的原因是在化妝品和食品當(dāng)中，山梨醇和其是相適應(yīng)的，上述這些行業(yè)，對山梨醇中所包括的雜質(zhì)酸量的要求非常嚴(yán)格。雖然在實驗室中實施生物法對山梨醇進(jìn)行生產(chǎn)，也可以獲取到不錯的實驗結(jié)果，但在僅僅限制于實驗室的生產(chǎn)規(guī)模，要想對其進(jìn)行更大規(guī)模的生產(chǎn)，就勢必要尋找到一種和工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)相適應(yīng)的分離方法。作為一種化工產(chǎn)品，山梨醇有著廣泛的發(fā)展前景，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

5 結(jié)論

當(dāng)前在生產(chǎn)食品化工產(chǎn)品上利用糖基生物質(zhì)進(jìn)行生產(chǎn)的技術(shù)仍然不夠成熟，在應(yīng)用比較普遍的發(fā)酵和催化生產(chǎn)工藝期間，依舊存在未有較高反應(yīng)效率，發(fā)酵產(chǎn)量偏低等難題情況。基于此，在以后研究糖基生物質(zhì)化工的重點和內(nèi)容，應(yīng)該從這幾個方面著手：第一，選擇操作條件溫和和開發(fā)成本較少的生產(chǎn)糖基食品化工產(chǎn)品工藝；第二，開發(fā)選擇性和穩(wěn)定性高，以及經(jīng)濟(jì)實惠并且環(huán)保的生物催化劑或者化學(xué)催化劑；第三，開發(fā)有著較高的附加值和功能性的新型食品化工產(chǎn)品，如新型酸制劑等。

[1]吳云,柏玉香,夏柳溪,等.葡萄糖基-β-環(huán)糊精的“一鍋法”合成及其分離純化[J].2017.

[2]杜余輝,蔡志鵬,江慎華,等.丁香有效部位清除超氧陰離子及對LDL糖基化抑制作用[J].食品工業(yè)科技,2016(15):80-85.

[3]張群.農(nóng)林生物質(zhì)生產(chǎn)生物基燃料/化學(xué)品的關(guān)鍵技術(shù)[J].食品與生物技術(shù)學(xué)報,2016(10):1120-1120.

[4]翟婭菲,李紅,劉現(xiàn)偉,等.原核生物蛋白O-糖基化的研究進(jìn)展[J].微生物學(xué)通報,2017(4):970-975.