甘露醇的生產與應用研究進展

魏倩倩

（河南科技大學化工與制藥學院，河南洛陽471003）

甘露醇的生產與應用研究進展

魏倩倩

（河南科技大學化工與制藥學院，河南洛陽471003）

甘露醇是重要的精細化工產品，在醫藥及食品等行業具有重要的用途。本文對甘露醇的性質、生產技術及應用進行了綜述。

甘露醇，生產，應用

甘露醇（mannitol）是一種天然的六碳糖醇，最早發現存在于南瓜、蘑菇、洋蔥、海藻中。1806年，Proust首先從甘露蜜樹中成功地分離得到，甘露醇由此而得名。甘露醇廣泛存在于海藻、水果、植物葉和植物體內，幾乎所有的蔬菜中都少量存在。其在甘露中含量最為豐富，甘露可通過加熱甘露蜜樹的樹皮制得，它約含30%～50%的甘露醇。海藻，特別是褐藻，甘露醇的含量也相當豐富，根據收獲時間的不同，含量約為10%～20%。甘露醇通常還可以在各種真菌的菌絲體中找到，在新鮮蘑菇中約含1%。由于甘露醇具有不吸濕，甜度適宜，熱量低，不致齲齒，無毒副作用等特性［1］，目前被廣泛應用于醫藥、食品、化工等領域。近年來，隨著科學技術的發展，甘露醇的生產工藝及在新領域的應用不斷拓展，現對其生產與應用的研究進展綜述如下。

1 甘露醇的理化特性

甘露醇（D-mannitol，mannite，mannitolum，mannitolo，manna sugar）學名己六醇，又名D-甘露醇、木蜜醇，分子式C6H14O6，分子量182.17，與山梨醇是同分異構體。純品為無色或白色針狀或斜方狀晶體或結晶狀粉末，具有清涼甜味，甜度約為蔗糖的40%～50%。熔點165～168℃，沸點290～295℃（0.466～0.467kPa），能量8.36kJ/g，相對密度1.49［1］。

甘露醇的穩定性好，對稀酸、稀堿穩定，不易被空氣中的氧氣所氧化。溶于甘油、吡啶、苯胺，微溶于乙醇、甲醇，溶于熱乙醇，幾乎不溶于大多數常見的有機溶劑（如醚、酮、烴類），易溶于水。

2 甘露醇的生產技術研究進展

甘露醇的工業生產始于1937年，在此之前，主要是從西西里島的花白蠟樹的樹液中提取得到。目前，國內外生產甘露醇的方法主要有海藻提取法、發酵法、化學氫化法、電化學法等［1］。提取法主要是從制取了碘和海藻酸鈉的工業廢料中提取，是制碘工業的副產品，該法收率低，精制工序繁瑣，生產成本高，在商業化生產中已不具有優勢；發酵法生產甘露醇，相對于化學氫化法有幾個明顯優勢，如糖完全轉化成甘露醇，不會產生副產品（而化學氫化法會產生很難分離的山梨醇），反應條件溫和，介質純度不需要很高等；化學氫化法是目前商業化生產甘露醇的主要方法；電化學法由于成本較高尚未實現工業化生產。

2.1 甘露醇的海藻提取法生產技術

提取法是我國生產甘露醇的主要方法。從海藻中提取甘露醇，用經浸泡后的海藻制取海藻酸鈉，浸泡水加堿沉淀并過濾，濾液經酸化、氧化后用離子交換樹脂吸附其中的碘，解析后分子碘即可結晶析出。被樹脂吸附碘后所剩水溶液中含有大量的甘露醇，可通過乙醇提取法、水重結晶法或電滲析法從中分離提純出甘露醇。該法可得到單一的甘露醇，精制純度高，但該法收率低，精制工序繁瑣，生產成本高，原料來源受地區限制［2］。

針對甘露醇傳統生產工藝存在的不足，國家海洋局杭州水處理中心與青島明月海藻工業有限公司合作，采用膜集成技術對海帶提取甘露醇的生產工藝進行創新［2］。其主要的創新工藝為：采用絮凝、氣浮和動力形成膜恒壓過濾專利技術對海帶進行浸泡處理，以除去懸浮物蛋白、糖膠等膠體和大分子有機物，再采用電滲析技術脫除原料液中95%以上的無機鹽，然后采用超濾膜技術進一步凈化海帶浸泡水，凈化后的浸泡水再采用反透膜技術進行脫水預濃縮，將甘露醇的濃度從1.2%～1.3%濃縮到4.3%左右。新工藝較原工藝每生產1t甘露醇節省蒸汽65%，節水60%，提高產品得率1%，減少蒸發器維修費用50%，降低生產成本2000元以上，經濟效益和環境效益顯著。目前該創新技術已建成規模化的工業生產線，對提高海帶提取法制備甘露醇產品的市場競爭力有重要意義。

2.2 甘露醇的發酵法生產技術

發酵法能夠利用酶系統完成立體有擇的氫化作用，所得的甘露醇產率高且不產生山梨醇，國外對發酵法生產甘露醇的研究較多，主要包括乳酸發酵法生產技術、膜式細胞循環法生產技術、酵母厭氧發酵法生產技術［3］。

2.2.1 乳酸菌發酵法 研究發現盡管一些絲狀真菌和酵母能夠將葡萄糖轉化成甘露醇，但生產速率偏低，經濟上并不可行。從目前的研究來看，乳酸菌是最有潛力的甘露醇生產菌，它能發酵產生高含量的甘露醇，如 Lactobacillus leichmanii（乳桿菌屬）、Streptococcus mutans（ 鏈 球 菌 屬）、Lactobacillus plantarum（胚芽乳桿菌）等都有實用潛力。由于乳酸菌合成甘露醇的途徑與其代謝己糖途徑密切相關，而己糖在乳酸菌中的代謝有兩種途徑，即同型發酵和異型發酵。甘露醇的合成在同型發酵乳酸菌和異型發酵乳酸菌中也略有不同。從自然乳酸菌中篩選到的生產甘露醇能力強的菌株，絕大多數屬于異型發酵乳酸菌；同型發酵乳酸菌是在發生變異的情況下產生少量甘露醇，因而用同型發酵乳酸菌生產甘露醇的研究，大都集中在對原有乳酸菌進行基因T程改造后用于生產甘露醇的實驗［3］。

到目前為止，應用異型發酵乳酸菌生產甘露醇的研究報道最多。早在1920年，Peterson和 Fred［4］就已經發酵乳酸菌 Lactobacillus pentoacetieus發酵果糖產生甘露醇。Soetaert［5］采用飼喂式分批培養Leuconostoc pseudomesenteroides發酵生產甘露醇，平均容積甘露醇產量和甘露醇產率分別是 6.3g·（L·h）-1和94%。采用1株突變菌株為發酵菌，以飼喂分批發酵方式生產甘露醇，其容積產量可達7.7g·（L·h）-1，結晶甘露醇產率為85%，甘露醇純度達99.1%。

Korakli等［6］報道，一種從酵母中分離出的乳酸菌Lactobacillus sanfranciscensis生長于果糖-葡萄糖培養基上時，可以將果糖100%轉化生成甘露醇。然而，在飼喂式分批發酵培養時，甘露醇容積產量只有0.5g·（L·h）-1。

Niklas von Weymarn等［7］從8個異型發酵菌中篩選出4個有應用前景的菌株。其中 Lactoba cillus fermentum在高生長溫度下，可提高從果糖轉化生成甘露醇的產量。為了提高異型發酵乳酸菌生產甘露醇的能力，Niklas von Weymam等［8］人采用基因操作技術對兩種乳酸菌中的相關酶基因進行了操作，但結果并不理想。袁其朋和馬潤宇［9］以 Lactobacillus fementum101菌株為發酵菌，發酵液中果糖起始質量濃度為150g/L，控制發酵液的pH為6.0，并且在發酵培養48h時向培養基中添加西紅柿汁，經過72h培養，甘露醇質量濃度達76g/L。果糖轉化率為51%，甘露醇容積產量為1.06g·（L·h）-1。Badal C.Saha等［10］人從72種細菌中篩出1株可高效生產甘露醇的乳酸菌菌株 Lactobacillus intermedius NRRLB-3693+。采用飼喂式分批發酵培養時，可將含果糖300g/L的發酵液生成最大量甘露醇的時間從136h降至92h。最近，Badal C.Saha等［11］通過實驗，開發出一種成本更低的培養基用于培養 Lactobacillus intermedius NRRLB-3693+生產甘露醇。以糖蜜為碳源，經16h可從糖蜜和果糖漿混合液（糖蜜與果糖的質量比為1∶1，總糖150g/L，果糖與葡萄糖的質量比為4∶1）中生產甘露醇104g/L。大豆蛋白胨D（5g/L）和玉米浸提液（50g/L）分別是細菌學用蛋白胨（5g/L）和細菌用酵母浸提物（5g/L）的適宜替代品，應用這兩種替代品混合物培養該菌株，經22h可從上述糖蜜和果糖漿混合液中生產甘露醇105g/L。

2.2.2 膜式細胞循環法 目前微生物分批發酵生產甘露醇，遇到的普遍問題是甘露醇的產率和容積生產速率較低。通過篩選菌株可以提高甘露醇的產率，而采用膜式細胞循環生物反應器（MCRB）可提高其容積生產速率。2002年，Weymarn等［7］人研究了異型發酵乳酸菌在休眠狀態下發酵生產甘露醇的情況，提出了一種新型的生物工藝，即將膜式細胞再循環技術和高密度細胞分批培養相結合來生產甘露醇。

在初步實驗中，鑒定了一種高效的異型菌株（L.mesenteroides ATCC-9135）。將MCRB技術運用于半連續生產中，甘露醇的容積生產速率達到20g/L·h，轉化率達到0.9mol/mol。通過簡單的提取技術，結晶產量高達85%（摩爾分數）。結晶甘露醇的總轉化率為：0.777g/g果糖，0.52g/g（葡萄糖/果糖）。此外，每得到1g結晶甘露醇僅生成0.69g副產品。若采用傳統化學方法生產，1g原料糖可制得0.39g結晶甘露醇，每制得1g結晶甘露醇得到1.58g副產品。

2.2.3 酵 母厭氧發 酵 法 2003 年，Roeland Costenoble等［13］探討了通過 mtlD基因在釀酒酵母Δgpd1和Δgpd2雙重缺陷型突變株中的表達進而產甘露醇在工程學上的可能。作者采取分段控制法（有氧到無氧）研究了工程菌的生理特性。在實驗中，突變株和對照菌株先在有氧條件下（通風）培養至對數生長前期，然后改通氮氣，在厭氧的條件下完成目標產物（甘露醇）的積累。

2.3 甘露醇的氫化法生產技術

目前，商業化生產甘露醇主要是通過催化氫化果糖、蔗糖（轉化糖）或者果葡糖漿（加HFCS，高果糖玉米糖漿）來進行生產。

甘露醇的氫化作用一般需要在高壓高溫、金屬催化和通氫氣的條件下進行。在該催化氫化反應中，只有β-果糖能氫化成甘露醇，α-果糖則被氫化成山梨醇。1947年，法國、荷蘭等國直接用蔗糖水解成轉化糖催化氫化生產山梨醇、甘露醇。50年代，美國也開始采用轉化糖（蔗糖水解產物）催化加氫制備甘露醇。但隨著蔗糖價格上漲及轉化糖加氫路線甘露醇的收率較低，70年代開始，捷克的Bilik、美國ICI Amoricas公司的Walter M.Kruse先后研究葡萄糖在酸性條件下，鉬酸鹽作為催化劑，在70～100℃反應5～10h，約25%～30%的葡萄糖異構化為甘露醇，然后在堿性條件下，催化加氫，以提高甘露醇的收率。

此后，葡萄糖制甘露醇的工藝得到進一步的研究發展。根據Takemura等［12］人的專利報道，D-葡萄糖首先通過化學異構作用生成D-甘露糖（產率30%～36%），甘露糖再氫化成甘露醇。從甘露糖轉化為甘露醇的理論產率為101%，總產率可高達36%。當然純甘露醇也可以作為氫化的初始原料，但基于甘露糖的價格較高，在經濟上并不可行。為此，Takemura等人建議以葡萄糖為原料，經葡萄糖異構酶作用生成D-果糖，再氫化成甘露醇。采用此工序，甘露醇的總產率達到50%。但與甘露醇的售價相比，該法生產的成本過高。

1995年，Devos等［13］推出生產甘露醇的新方法。以高果糖漿（葡萄糖含量低于15%）為原料，先在甘露糖異構酶作用下生成果糖/甘露糖/葡萄糖的混合糖漿。用層析法分離出富集甘露糖部分，果糖含量仍較高。通過氫化作用，甘露糖專一轉化成甘露醇，而果糖則轉化成甘露醇和山梨醇的混合物。將富集果糖部分注入異構化柱頂端，重新反應制備甘露醇。如用純果糖作為初始原料時，結晶甘露醇的總產率高達70%。但要達到此產率，富集果糖部分需重復回收多次，同時反應母液連續結晶多次。另外，由于甘露糖異構酶尚未商業化生產，異構化反應需要大量富含甘露糖異構酶的細胞液，細胞通過載體固定交聯并裝柱。

基于高果糖漿的成本高，有人以蔗糖為原料水解得果糖與葡萄糖，再將部分葡萄糖轉化為甘露糖制得果糖/葡萄糖/甘露糖/的混合液，再氫化生產甘露醇。該工藝原料來源豐富，流程短，生產成本低，是化學氫化法生產甘露醇中較有前景的一種方法。

2005年，王關斌等［14-15］對雙異構法制備晶體甘露醇進行了研究，以葡萄糖為原料，在0.3%（對干計葡萄糖）鉬銨的作用下，pH 3～4，溫度100℃，異構反應3h，葡萄糖部分轉化為甘露糖；將葡萄糖-甘露糖混合液在固定化葡萄糖異構酶的作用下再異構，使剩余葡萄糖部分轉化為果糖；在鐳尼鎳催化劑的作用下對葡萄糖-甘露糖-果糖的混合液進行加氫還原。然后通過結晶方法使山梨醇和甘露醇分離，得到晶體甘露醇和液體山梨醇。在氫化液中甘露醇含量可達47%左右，通過兩次結晶分離，晶體甘露醇純度為98.5%，收率38.9%。以葡萄糖為原料合成甘露醇的工藝具有流程短、設備投資相對少、原料來源穩定、生產期限不受限制，而且產品容易提純的特點，因此具有廣闊的發展前景。

2.4 甘露醇的電化學法生產技術

采用電解加氫還原蔗糖制甘露醇、山梨醇，國外研究報道不多，根據國內一些報道，電化學法生產甘露醇選用的原料主要有葡萄糖、蔗糖（轉化糖）、果葡糖漿、果糖等。電化學法具有原料易得，轉化率高等優點。但由于甘露醇通常只是反應的副產物（主要產物是山梨醇），且反應慢，能耗高，目前仍沒有工業規模生產的報道，主要還是在實驗室實驗或中試階段［16-17］。

國內報道，如顧登平等［18］用成對電合成法對葡萄糖進行氧化和還原，利用陽極氧化葡萄糖制備葡萄糖鹽，陰極還原葡萄糖制備甘露醇和山梨醇。該方法同時在陰陽兩極得到產物，還原糖在陰極的轉化率為74.6%，而總電流效率達164.9%。這在實際生產中非常重要，但該方法要求兩電極的電極效率要一致，過程的操作控制還有很多問題需要解決。劉艷春等［19］以蔗糖為原料經過水解、鉬酸銨轉化后，再使用Raney Ni粉做陰極代替Raney Ni電極，DSA（釕/鈦）電極做陽極在隔膜電解槽中電解還原制取甘露醇、山梨醇。在糖濃度0.50mol/L時可獲得最大的轉化率，總糖的轉化率達84%，產物中甘露醇的質量分數為46%，比以前用葡萄糖為原料經鉬酸鹽轉化后合成甘露醇、山梨醇的方法高出了十幾百分點。韋少平等［20］采用Raney Ni為催化劑，Na2SO4為支持電解質，以蔗糖為原料經水解得葡萄糖、果糖后進行電解催化加氫制備甘露醇和山梨醇，通過控制反應條件，使還原糖的轉化率達到95%以上，比國內普遍報道85%的總糖轉化率高出十個百分點。

3 甘露醇在工業中的應用

甘露醇由于在體內基本不吸收，并發生代謝，是一種較強的自由基清除劑。以其滲透性脫水和利尿作用，在臨床上大量作用。加之甘露醇特殊的物理性能，化學結構上有6個羥基，使其在食品、化工等行業也廣為應用。

3.1 在醫藥工業中的應用

3.1.1 作為藥用輔料 甘露醇的化學性質穩定，在干燥狀態下，能與大多數制劑配伍，在相對濕度極高的條件下，不具有吸濕性，摻入引濕性強的賦形劑中可降低引濕性，并具有抗粘性、可壓性較強，造料性好等特點。因此，甘露醇常用作片劑的填充劑（10%～90%），由于它無吸濕性，所以用于對水分敏感的藥物壓片特別有價值，其顆粒易干燥。甘露醇因溶解時吸熱，有甜味，對口腔有舒服感，故廣泛用于醒酒藥、口中清涼劑等咀嚼片及硝酸甘油片的制造，其顆粒型專做直接壓片的賦形劑［21］。

3.1.2 作為化學合成藥的原料 甘露醇除直接藥用外，以其為原料進行化學合成的藥物品種也不斷被開發和應用。甘露醇是六元醇，其羥基可以發生取代、酯化、縮合等反應，生成一系列具有生物活性的衍生物或其中間體。如以D-甘露醇為原料與溴水進行取代反應制備的二溴甘露醇，用于臨床對慢性粒細胞性白血病有較好的療效，對霍奇金病、真性紅細胞增多癥有一定療效［22］。

3.1.3 作降壓劑、利尿劑、脫水劑 在醫藥上，甘露醇是良好的滲透性利尿劑，能預防和治療急性腎損傷，并有助于毒物的快速清除。由于其分子量較大，甘露醇分子只能在血管中流動，使組織與血管內系統間產生滲透梯度，促進液體從組織流向血管，因此可降低顱內壓、眼內壓。

另外，甘露醇在糖或糖醇中吸水性最低，具有爽口甜味，可作為低熱值、低糖的甜味劑，尤其適用于糖尿病人、肥胖病人食用。

3.2 在食品工業中的應用

目前甘露醇在食品中的最大用途是作為無糖口香糖的甜味劑或防粘劑。其次，它可制作冰淇淋和果糖的巧克力風味糖衣。甘露醇還可作為填充劑、品質改良劑、防結塊劑和保濕劑。此外，它還可添加于各種食品以延長其貨架期。甘露醇與食品中其它組分的配伍性很好，與其它甜味劑有協同增效作用。當與高倍甜味劑復合使用時，可使甜味口感達到最佳，并能降低成本，提高產品穩定性和儲藏性能。但是，甘露醇致腹瀉閾值低，價格較高，且在液體食品中易于結晶，從而限制了其在食品中的應用。在巧克力糖衣制作時，如使用甘露醇，則需添加其他糖醇（如麥芽糖醇、氫化淀粉水解物等）以提高其耐受性、降低吸熱效應。

3.3 在化學工業中的應用

甘露醇作為化工原料能與其它物質合成多種精細化學工業制品，如人工樹脂、增塑劑、紡織輔助劑、油品分散劑、工業表面活性劑等。

在塑料行業中，以甘露醇為起始劑與氧化丙烯及KOH催化劑作用下，100～150℃加壓制成的聚甘露醇-氧化丙烯醚用于硬質聚氨酯泡沫塑料的制造，其耐油性、耐熱氧化性以及尺寸穩定性均較好，耐熱度更是高達180℃。在精細化工行業中，由硬脂酸與甘露醇在堿性催化劑存在下酯化反應制得硬脂酸甘露醇酯用途廣泛：作為食品乳化劑、分散劑可廣泛用于糕點、糖果、飲料等，同時亦作涂料、紡織、日化及醫藥等工業的乳化劑和分散劑。此外，甘露醇還用于制松香酸酯及人造甘油樹脂、炸藥、雷管（硝化甘露醇），在化妝品中作保濕劑，在塑料工業中用作聚氯乙烯的增塑劑，在化學分析中用于硼的測定，在生物檢測上用作細菌培養劑等。

4 結語

目前，甘露醇的工業生產已有七十余年的歷史，生產工藝及應用技術研究相對比較成熟。其作為一種多元醇，在醫藥、食品、化工等行業已有廣泛的應用，但大部分甘露醇僅用于醫藥領域，在其他工業上的應用受價格的制約，無法大量推廣使用。因此，研究甘露醇的生產工藝，進行技術創新、技術開發，提高產品質量，降低生產成本，對于甘露醇的廣泛應用有著廣闊的前景。

［1］鄭建仙.功能性糖醇［M］.北京：化學工業出版社，2005： 147-180.

［2］薛德明，王炳南，陳益棠，等.膜集成技術提取甘露醇的工業化運轉報告［J］.水處理技術，2004，30（6）：348-351.

［3］于冬梅，杜煜光.生物合成法生產D一甘露醇的研究進展［J］.農產品加工學刊，2008（1）：36-39.

［4］Peterson W H，Fred E B.Fermentation of fructose by Lactobacillus pentoaceticus［J］.Biolog Chemistry，1920（4）：431-450.

［5］SoetaertW.Production ofmannitolwith Leuconostoc mensenteroides［ J］ .Mededelingen van de facuheit landbouwwetenschappen rijksuniversiteit Gent，1990，55（4）：1549-1552.

［6］Korakli K，Schwarz E，Wolf G，et a1.Productin of mannitol by Lacobacillus sanfraneiscensis［J］.Food Science，2000（22）：l-4.

［7］Weymarn N，Hujanen M，Leisola M.Pduetion of D-mannitol by heterofermentative lactic acid bacteria［J］.Process Biochemistry，2002（37）：1207-1213.

［8］Weymarn N.Process development for mannitol production by lactic acid bacteria［R］.Helsinki University of Technology Technical Biochemistry Report，2002，TKK-BE-5.

［9］袁其朋，馬潤宇.甘露醇微生物轉化的研究［J］.微生物學通報，1999，26（4）：265-267.

［10］Saha B C.Production of mannitol and lactic acid by fermentation with Lactobacillus intermedius NRRL B-3693［J］. Biotechnol Bioeng，2003，82：864-871.

［11］Saha B C.A low-cost medium for mannitol production by Lactobacillus intermedius NRRL B-3693［J］.Appl Microbiol Biotechnol，2006.

［12］Motohiro T S，Mochihiro IK.Processforpreparing D-mannitol［P］.US4083881，1976.

［13］Francis D.Process for the manufacture of mannitol［P］. US5466795，1995.

［14］王關斌，趙光輝，賀東海，等.雙異構法制備晶體甘露醇的研究［J］.食品研究與開發，2005，26（4）：82-84.

［15］趙光輝，王關斌，賀東海，等.雙異構法制備晶體甘露醇的研究［J］.化學工程師，2005，114（3）：53-55.

［16］韋少平，張麗娟，莫炳輝，等.甘露醇制備的研究進展［J］.化工技術與開發，2007，36（2）：30-32.

［17］應偉麗，韓曉穎，李媚，等.電化學法合成甘露醇［J］.廣西民族學院學報：自然科學版，2005，11（3）：85-87.

［18］顧登平，張越.成對電解同時合成甘露醇、山梨醇和葡萄糖酸鹽［J］.精細化工，2000，17（10）：576-580.

［19］劉艷春，申鳳娟，顧登平，等.蔗糖電化學還原合成甘露醇、山梨醇的研究［J］.精細化工，2003，20（11）：676-678.

［20］韋少平，許朝芳，莫炳輝，等.蔗糖電解還原制備甘露醇、山梨醇研究［J］.化學世界，2007（8）：491-493.

［21］王良東，陳建文，吳嘉麟.淀粉制備山梨醇和甘露醇［J］.生物加工過程，2008（5）：8-11.

［22］詹天榮，宋金明.甘露醇的藥用研究進展［J］.中國海洋藥物，2003（3）：57-61.

Research progress in preparation and application of mannitol

WEI Qian-qian
（Chemical Engineering&Pharmaceutics College，Henan University of Science&Technology，Luoyang 471003，China）

Mannitol is an important product，as it can be used in pharmacy and food industry ect.This article summarized the character，preparation and application of mannitol.

mannitol；preparation；application

TS201.1

A

1002-0306（2010）12-0401-04

2009-06-24

魏倩倩（1984-），女，助教，研究方向：碳水化合物的開發與利用。