金志平
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摘要：以生物质为原料利用生物和化工技术制取化工产品可以有效合理地利用农作物副产品，减少污染。在当下石化资源愈加紧缺和生产工艺技术越来越成熟的情况下，糖基生物质食品化工产品的市场竞争力和潜力将会得到极大提升，生物基化工产品的发展将会推动生物炼制技术和化工技术的变革与进步，产生巨大经济效益和社会效益。本文重点介绍以糖基生物质原料生产食品化工产品的研究进展和技术开发难题，以期为更深层次的糖基生物质食品化工产品的开发提供参考。
关键词：糖基生物质；食品化工产品；研究
我国是农业大国，生物质资源丰富。以糖基生物质为原料生产的食品添加剂，与天然产品来源相似，安全可靠，易于被人们接受。目前食品添加剂的生产原料大多来源于石油化工行业，少数来源于天然生物原料。经生物化学方法生产的生物质基食品添加剂可经过化学反应生成其他多种高附加值的化工产品。这些食品化工产品的生产原料主要是淀粉类多糖生物质，原料来源广，价廉易得。但是以糖基生物质为原料生产食品化工产品的生产工艺和技术仍不成熟，生产成本较高，产品开发中仍存在较多的技术难题，技术难点难以突破。
一、1.4-二羧酸基四碳酸
琥珀酸、反丁烯二酸、苹果酸等都是1.4-二羧酸基四碳酸。1.4-二羧酸基四碳酸可用作酸味剂、调味剂用于饮料与糖制品，在食品行业中应用广泛，被生物界和营养界誉为“理想的食品酸味剂”，在老年及儿童食品中正取代柠檬酸成为最具竞争力的食品酸味剂。1.4-二羧酸基四碳酸大多参与生物体内的三羧酸循环，可以由糖基生物质为原料采用生物化学转化法生产。
目前源自糖基生物质的1，4-二羧酸基四碳酸产品具有非常良好的市场前景，如何有效降低发酵成本是其产业化的主要技术难点。根据文献资料报道有两种糖基生物质原料（六碳糖或五碳糖）发酵生产琥珀酸工艺与石化基琥珀酸相比具有一定的经济性。目前与石化基产品相比，该类产品的发酵成本需要低于每千克0.61美元才有市场竞争力，这在短时期难以获得突破。但随着化石能源的逐渐枯竭，以糖基生物质为原料生产1.4-二羧酸基四碳酸产品将会有非常良好的市场前景。通过生物化学方法修饰1.4-二羧酸基四碳酸的多功能官能团可以将其转化为多种化工产品，这些产品大多具有极大的潜在市场前景。
以琥珀酸为例，采用生物化学转化方法将1，4-二羧酸基四碳酸转化为其他化工产品，其转化途径可分为以下3种。
（1）把1，4-二羧酸基四碳酸加氢还原，可以生产四氢呋喃、丁二醇和y-丁内酯等化工产品。目前该技术亟待突破的难点是如何控制选择性还原的程度， 即控制醇类、内酯和呋喃内还原酸的含量；如何保证温和的加氢还原反应工艺环培（压力、温唐等），如何开发出对抑制剂高耐受性和长寿命的催化剂等。利用该方法生产的生物基化工产品能用做溶剂行业和光纤行业中的原料和中间体。
（2）利用氨基化还原反应以1，4-二羧酸基四碳酸原料生产吡咯烷基类（例如吡咯烷酮）化工产品】。该技术难点主要有如何在生产中控制酸式盐的选择性还原程度；如何保证温和（压力、温度等）的氨基化还原反应工艺环境；如何开发出对抑制剂高耐受性的催化剂和在连续生产中如何保证催化剂的寿命。利用该方法生产的吡咯烷基类化工产品衍生物可以用于生产一些环境友好的溶剂、水溶剂和水基高分子材料。
（3）以1.4-二羧酸基四碳酸为原料直接聚合反应生产直链高分子材料和支链聚合物产品。前者不存在任何技术难题，并且已经有产业化的产品问世，例如生物基光纤材料等；后者产业化的难点是如何控制聚合支链的选择性酯化作用以及如何控制聚合反应生成的聚合物分子质量和特性，截止目前该技术仍未有任何进展。
二、天冬氨酸
天冬氨酸是包括人类在内的动物体内必不可少的代谢物质。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆其中，L-天冬氨酸是食品工业中应用最广泛的，主要用于鲜味剂和高甜味剂，是一种良好的营养增补剂，添加于各种清凉饮料：L-天冬氨酸也是糖代用品阿斯巴甜的主要生产原料。
（一）天冬氨酸的生产方法。L-天冬氨酸的生产主要有3种方法：（1）化学合成法，如用氨水使反丁烯二酸氨基化生产L-天冬氨酸。（2）蛋白质萃取法。（3）发酵法、生物酶转化法。也称生物化学转化法，主要根据克雷伯氏循环，利用多种细菌或酶制剂把生物质基草酰乙酸酯转化为天冬氨酸。目前生物化学法的工业应用较广泛，优点是副产物少、产物浓度高、生产率高、结晶分离容易。存在的技术难题是在工业化生产中，如何保证细菌或酶等有机体与物料液间的充分接触反应生产大量草酰乙酸酯，同时又不对有机体的发育造成伤害；如何控制酶对草酰乙酸酯的氧化程度；以及低成本产糖工艺开发和适宜的廉价生物质发酵原料探索等。目前市场上天冬氨酸产品大多采用生物酶法生产，其生产成本居高不下，限制了天冬氨酸的广泛应用。
（二）天冬氨酸生产生物基化工产品的途径从2006年起，全球天冬氨酸需求量每年均保持2%-3%的增长率。因此，以天冬氨酸为原料的生物基化工产品将会有非常广阔的市场前景。理论上以天冬氨酸为原料可以生产的生物质基化工产品可以分为以下3种途径。
（1）利用加氢还原反应把天冬氨酸转化为丁二醇胺、四氢呋喃胺、丁内酯胺等二羧酸基四碳酸氨或结构和性能类似的化工产品。这个转化途径中主要的技术难点是如何控制选择性加氢还原的程度、如何保证转化过程中温和的操作环境（常压、常温等）以及对抑制剂高耐受性和长寿命催化剂的开发等都是亟待解决的技术难题。
（2）利用脱水反应把天冬氨酸转化为天冬氨酐。在酸性催化剂作用下，天冬氨酸选择性脱水生成天冬氨酐的反应大多被认为是一个热力学过程。如何降低该过程中天冬酸酐的生产成本是当前的技术主要难点。
（3）利用直接聚合反应把天冬氨酸转化为新型高分子材料。利用该技术法能合成可生物降解的特殊高分子材料。这个合成技术理论上并不困难，但主要的技术问题是控制聚天冬氨酸等高分子支路反应的酯化作用程度和聚合物分子质量与性质较为困难。
三、谷氨酸
谷氨酸是构成蛋白质的20种常见a氨基酸之一，参与动物、植物和微生物中的许多重要化学反应。谷氨酸最重要的产品是谷氨酸钠，俗称味精，在食品行业中，对香味具有增强作用。谷氨酸及其相关的化工产品应用广泛，目前工业级的谷氨酸是将糖基生物质通过微生物发酵获得，但微生物发酵产酸率较低，一般为6%-9%。当前的技术研究集中于优选一种性能优异的谷氨酸发酵菌种，既能大量减少其他副产物酸生成，又能大幅提高发酵产量和产酸率。目前主要的技术难点是低成本发酵工艺的开发，提高最终发醒浓府和整体生产率。
理论上以谷氨酸为原料可以生产的生物质基化工产品。谷氨酸可通过加氢还原生成二醇类、二酸类和氨基类化工产品。同时作为一种五碳糖，理论上谷氨酸可通过聚合反应生成五碳糖类聚合物的高分子材料，例如聚酯纤维和聚酰胺。但是，目前仍未获得谷氨酸转化为聚合物高分子材料过程中的化学选择性还原反应机理。以谷氨酸为原料的生物质基化工产品开发中遇到的主要困难较多。
结语：
现阶段利用糖基生物质生产食品化工产品的技术仍不成熟，在应用最为广泛的发酵和催化生产工艺过程中，依然存在反应效率不高、发酵产量较低、催化剂的耐用性和选择性较差等难题。因此未来糖基生物质化工的研究向为开发更为经济的发酵条件、耐受性和经济性更好的催化剂、更加高效的分离工艺和更具经济效益的新型食品化工产品。
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论文作者:金志平
论文发表刊物:《防护工程》2018年第14期
论文发表时间:2018/10/9
标签：天冬论文; 化工产品论文; 生物论文; 羧酸论文; 谷氨酸论文; 氨酸论文; 碳酸论文; 《防护工程》2018年第14期论文;