《Fermentation》：Xylitol Biomanufacturing: Production Technologies, Industrial Applications and Future Opportunities
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木糖醇是一种五碳糖醇，因其低热量值、低血糖生成指数及非致龋特性，被广泛应用于食品、制药、口腔护理及个人护理行业。当前工业生产主要依赖木糖的催化加氢工艺，该路线虽转化效率较高，但存在能耗大、催化剂成本高及纯化流程复杂等问题。微生物发酵作为一种可持续替代路径，可利
木糖醇是一种五碳糖醇，因其低热量值、低血糖生成指数及非致龋特性，被广泛应用于食品、制药、口腔护理及个人护理行业。当前工业生产主要依赖木糖的催化加氢工艺，该路线虽转化效率较高，但存在能耗大、催化剂成本高及纯化流程复杂等问题。微生物发酵作为一种可持续替代路径，可利用可再生木质纤维素生物质生产木糖醇。本综述系统梳理了木糖醇生产的最新进展，重点聚焦于微生物生物制造领域，深入探讨了木质纤维素生物质利用、代谢工程改造、辅因子平衡调控、溶氧控制及发酵工艺优化等关键发展节点，并从效率、可持续性及工业适用性维度对化学法与生物法生产路线进行了批判性比较。同时，综述还涵盖了下游分离纯化技术及生物炼制一体化集成的最新研究进展。尽管已取得显著进展，抑制剂毒性、菌株鲁棒性不足、发酵生产效率偏低及纯化成本过高等挑战仍制约着其大规模商业化进程。未来研究应致力于原料增值利用、系统代谢工程、过程强化及绿色分离技术开发，以提升生物基木糖醇生产的经济与环境可持续性。
1. 引言
膳食结构的转变及健康消费意识的增强推动了减糖需求的上升，木糖醇作为功能性食品配料的研究开发备受关注。木糖醇化学名为戊烷-1,2,3,4,5-五醇，分子式为C5H12O5，其甜度与蔗糖相近且具有独特的吸热溶解特性，产生清凉口感。营养学上，木糖醇热量约为2.4 kcal/g，低于蔗糖的4 kcal/g，且血糖反应温和，不被致龋微生物发酵产酸，因此在无糖食品、口香糖、医药及口腔护理制剂中应用广泛。相较于山梨醇、麦芽糖醇、赤藓糖醇及甘露醇等其他糖醇，木糖醇在甜味品质、非致龋性及配方兼容性方面具有综合优势，可通过抑制菌斑产酸、干扰致龋菌代谢及促进唾液分泌等多重机制维护口腔健康。市场数据显示，全球木糖醇市场规模预计从2025年的10.5亿美元增长至2034年的14.8亿美元，复合年增长率约为3.82%，食品饮料领域占比达39.5%。由于天然来源含量极低，工业提取不具备经济性，目前主要依赖化学合成法，即以富含木聚糖的玉米芯、桦木屑及甘蔗渣等木质纤维素为原料，经水解、高温高压金属催化加氢及复杂的纯化结晶工序制备。然而，该工艺存在高能耗、严苛操作条件及金属残留等问题。生物技术路线利用微生物细胞或胞内氧化还原酶系，在温和条件下将D-木糖还原为木糖醇，可利用农林废弃物为底物，符合绿色制造与生物质增值利用的发展趋势，但仍面临水解抑制物耐受性差、菌株鲁棒性弱、溶氧与氧化还原平衡调控困难及下游纯化成本高等瓶颈。本综述旨在整合木糖醇的理化功能特性与生产工艺，对比化学合成与生物转化的优劣，并展望其在多领域的应用潜力与可持续发展路径。
2. 木糖醇基本性质
2.1 理化性质与功能特征
木糖醇相对分子质量为152.15，易溶于水，微溶于乙醇和甲醇，常呈白色结晶或结晶性粉末状，熔点为92–96 °C，10%水溶液pH值为5.0–7.0，具有良好的热稳定性且不参与美拉德反应。其甜度接近蔗糖，热量低，胰岛素反应弱，适合糖尿病患者作为代糖使用。此外，木糖醇还具有保肝护肝、调节脂质代谢的生理活性，并凭借优异的吸湿性和保湿性，在食品、医药及化工领域用作保湿剂和防冻剂。
2.2 木糖醇与其他甜味剂及糖醇的比较
木糖醇与山梨醇、麦芽糖醇、赤藓糖醇及甘露醇等同属糖醇家族，但在甜感品质、代谢途径及胃肠道耐受性上存在差异。赤藓糖醇热量极低且主要通过肾脏排泄；山梨醇和麦芽糖醇原料易得、成本低廉。木糖醇的核心竞争力在于其蔗糖般的甜感和明确的口腔健康效益。在生产路线上，化学法依赖相应糖的催化加氢，而生物法则利用微生物在温和条件下转化，后者在可再生原料利用方面具有潜力，但其工业化仍需解决转化效率、产物得率及分离成本等问题。
3. 木糖醇生产工艺
木糖醇工业化生产主要包括化学合成与生物技术两大路线。
3.1 化学合成
化学催化加氢是目前工业主导工艺。以富含聚戊糖或木聚糖的农林废弃物为原料，经水解获得含木糖的混合糖液，再经提纯去除葡萄糖、半乳糖、有机酸及酚类化合物等杂质。高纯度木糖溶液在雷尼镍（Raney Ni）等金属催化剂作用下，于高温高压条件下加氢，随后经过滤、浓缩、脱色、脱盐、色谱分离及低温结晶获得成品。该工艺路线成熟、选择性高且易于放大，研究人员开发了Co/SiO2、Ni-Re双金属纳米催化剂、Ni3Fe合金催化剂及Cu-Ni/SiO2等多种非贵金属催化体系，以降低贵金属依赖并提升催化剂稳定性。然而，该工艺对反应器耐压耐温要求高，氢气供应与安全管控严格，且金属催化剂的制备、浸出、失活再生及产品金属残留控制均增加了生产成本和环境负担。酸水解产生的糠醛、5-羟甲基糠醛等副产物亦增加了废水处理压力。
3.2 生物技术生产
生物技术利用微生物胞内氧化还原酶系将木质纤维素半纤维素释放的D-木糖选择性还原为木糖醇，反应条件温和，无需高压氢气和贵金属催化剂，且可与第二代生物炼制体系耦合。该过程涵盖原料预处理、脱毒、微生物转化及下游回收四个核心环节。
预处理是决定木糖释放率和抑制物形成的关键。稀酸预处理能有效解聚半纤维素，但易产生糠醛等抑制物并腐蚀设备；水热预处理环境友好但糖浓度较低；蒸汽爆破技术可规模化应用，但对操作参数敏感；酶法及酸酶联合预处理选择性高但酶成本昂贵；离子液体和深共熔溶剂（DES）等绿色溶剂在组分分离和木糖回收方面表现出潜力，但仍受限于高粘度、高成本和回收难题。
预处理所得水解液含有多种抑制物，需通过活性炭吸附、离子交换、过碱化或膜分离等手段进行脱毒，目标是在保证菌株耐受的前提下最大化木糖保留率。
代谢层面，木糖经木糖还原酶（XR）利用NADPH或NADH为辅因子还原为木糖醇，后者可被木糖脱氢酶（XDH）氧化为木酮糖，再经木酮糖激酶（XK）磷酸化为木酮糖-5-磷酸（X5P），进入磷酸戊糖途径（PPP）或磷酸酮解酶（PK）途径。因此，木糖醇积累依赖于XR活性、XDH活性弱化、辅因子供应及中心碳代谢通量的精准调控。溶氧控制是核心工程参数，微氧条件有利于维持辅因子再生并减少木糖醇的进一步氧化。
酵母菌因具有较强的木糖还原能力和胁迫耐受性，成为最主要的宿主。传统诱变筛选获得了Candida、Pichia、Meyerozyma等多种高产菌株。代谢工程则从木糖转运、XR过表达、XDH途径敲除、辅因子偏好性改造及转运蛋白工程等方面入手，构建了大肠杆菌（Escherichia coli）、酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）及巴斯德毕赤酵母（Pichia pastoris）等工程底盘，实现了较高的木糖醇滴度（最高可达172.4 g/L）和生产强度。天然耐受菌株适用于真实水解液的直接转化，而工程菌株则在可控条件下的性能更优，二者具有互补性。
下游分离纯化是成本控制的关键。发酵液成分复杂，包含残糖、副产物（如阿拉伯糖醇、乙醇）、色素及盐分，需集成固液分离、脱色、离子交换、膜分离、色谱精制及结晶等多步工序。新型分离技术如纳滤、反渗透及超临界CO2萃取尚处于评估阶段。
总体而言，生物技术路线面临预处理成本与抑制物生成的平衡、菌株对底物波动的适应性、溶氧与代谢流的精确调控以及高成本纯化四大瓶颈。未来需转向全链条集成优化，结合适应性进化与合成生物学手段构建工业底盘，并开发高效低耗的连续分离技术。
3.3 比较评估、工业放大及下游加工
化学法工艺成熟度高，已实现连续化或半连续化生产，技术就绪水平（TRL）高；生物法则主要停留在实验室和中试阶段，全链条示范较少。生物反应器选型（搅拌罐、气升式、固定化细胞反应器）及补料分批策略对放大过程中的传质、混合及温控提出了挑战。技术经济分析（TEA）与生命周期评价（LCA）表明，只有在实现低成本原料利用、高效发酵、高回收率及联产高值产品的前提下，生物技术路线才具备经济和环境的双重优势。下游纯化需重点关注回收率、结晶得率、能耗及废水排放等指标。
4. 木糖醇应用领域
4.1 食品领域应用
木糖醇主要用于替代蔗糖生产无糖糖果、口香糖、烘焙食品及功能饮料。其保湿性有助于改善食品质构和延长货架期。在烘焙产品中，适量添加可延缓淀粉老化，但过量会削弱面筋网络结构并影响酵母发酵。木糖醇不参与典型的美拉德反应，但在长期储存的复杂基质中仍可能出现褐变现象。长期摄入木糖醇有助于降低餐后血糖波动，但其健康效应受剂量、耐受性及个体代谢差异影响，应定位于功能性减糖组分而非无限制的健康糖源。
4.2 口腔护理与防龋应用
木糖醇不被变形链球菌（Streptococcus mutans）等致龋菌发酵产酸，通过抑制细菌粘附、减少菌斑生物膜形成及促进唾液分泌发挥防龋作用。临床证据表明，每日摄入约5–6 g木糖醇可有效降低儿童龋齿风险。其与甘草提取物、氟化物等联用具有协同增效潜力。木糖醇应作为机械清洁和饮食控制的辅助手段，而非替代传统防龋措施。
4.3 医药与健康相关领域
木糖醇在结肠内可被菌群发酵产生短链脂肪酸，调节肠道微生态，具有潜在的益生元特性。在耳鼻喉及呼吸道护理中，木糖醇可降低气道表面液盐浓度，抑制病原菌粘附，用于预防急性中耳炎和改善鼻窦微环境。药理学研究显示其在体重管理、抗氧化应激、抗炎、抗肿瘤及骨代谢调节方面具有潜在活性。然而，近期研究提示循环系统中高水平木糖醇可能与血小板活化及血栓风险增加相关，需对长期高暴露人群进行系统的风险评估。
4.4 其他领域应用
凭借丰富的羟基，木糖醇可用作个人护理品中的保湿剂、皮肤调理剂及抗菌剂，有助于修复皮肤屏障和伤口护理。在高分子材料领域，木糖醇可作为结构单元通过酯化、磷酸化等反应修饰聚合物基质，用于制备可降解聚酯、组织工程支架、药物载体、环保增塑剂及阻燃纺织品，展现出作为平台分子的巨大潜力。
5. 结论与展望
木糖醇凭借其独特的感官与生理功能，已在食品、口腔护理等领域确立了稳固地位，并在医药、个护及生物基材料领域展现出广阔前景。化学加氢工艺成熟但可持续性受限，生物技术路线是绿色制造的重要发展方向。未来研究需聚焦于低成本原料利用、预处理与脱毒工艺优化、高耐受高产能菌株构建、辅因子与代谢流调控以及高效低耗分离技术开发。同时，需加强对木糖醇长期摄入的安全性评估及全生命周期的技术经济评价，推动其从单纯的蔗糖替代品向多功能多元醇和生物基平台化学品转变。
