第3章　果糖

3.1　概述

3.1.1　果糖產品種類

果糖（fructose）是一種簡單的單糖，也是最甜的天然營養(yǎng)型甜味劑，主要存在于水果和蜂蜜等食品中，在其他植物中也存在，尤以菊科植物為多。然而，由于各種植物中果糖含量并不是特別高，傳統(tǒng)工業(yè)中并未以果糖生產甜味劑，直到20世紀60年代中期利用酶法異構化技術將葡萄糖轉變?yōu)楣呛螅I(yè)上才開始生產含有果糖的糖漿，即果葡糖漿，并逐漸形成了第一代（F42）、第二代（F55）和第三代（F90）果葡糖漿制品，進而促進了淀粉制糖工業(yè)的發(fā)展。

除了果葡糖漿以外，與果糖相關的另一個產品是結晶果糖。盡管三代果葡糖漿的開發(fā)為食品工業(yè)提供了一種性質優(yōu)良的安全的甜味劑，但F42的甜度僅與蔗糖相當，而F55和F90的甜度約為蔗糖的1.1倍和1.4倍，因此果葡糖漿不能充分體現(xiàn)果糖高甜度的特性，加之果葡糖漿中的葡萄糖降低了果糖在代謝方面的優(yōu)勢，為此，人們希望獲得純度更高的結晶果糖。然而，由于果糖吸濕性強而結晶性較差，因此結晶果糖目前主要是在得到果糖純度90%以上果葡糖漿的基礎上，通過緩慢的、精細控制的冷卻制成。

3.1.2　果糖的異構化

3.1.2.1　果糖異構體平衡體系

1847年，法國科學家A.P.Dubrunfaut從蔗糖中分離出果糖，并揭示了果糖的結構。果糖為己酮糖，分子式為C₆H₁₂O₆，分子量180.16。自然界的果糖均以D-果糖的形式存在。果糖鏈式結構中第二個碳原子為酮基，而環(huán)狀結構主要存在兩個六環(huán)（吡喃型）和兩個五環(huán)結構（呋喃環(huán)）的異構體。其中游離的果糖以吡喃型為主，而寡糖和果聚糖中處于結合狀態(tài)的果糖，則以呋喃型和其他糖聯(lián)結。果糖在水溶液中異構平衡狀態(tài)見圖3-1。

果糖異構體平衡體系受溫度、濃度、濕度等諸多因素影響。其中，結晶果糖為β-D-六環(huán)果糖，甜度最高，為蔗糖的1.8倍。但一旦溶解到水中，果糖傾向轉變?yōu)樘鸲容^低的異構體。溫度和濃度對果糖平衡體系影響見表3-1。可以看出，果糖在低濃度（20%）時，異構體間轉化較為明顯，尤其是隨著溫度的降低，β-D-六環(huán)果糖含量逐漸增加，即甜度增加，因此果糖具有冷甜性質，這一性質對于其應用具有重要意義。而在高濃度（80%）時，異構體間的轉化受到抑制，這對于維持產品穩(wěn)定性具有一定作用。

3.1.2.2　果糖與葡萄糖的異構化反應

葡萄糖和果糖都是單糖，葡萄糖為醛己糖，果糖為酮己糖，兩者互為同分異構體。以鏈式結構為例，它們的差別僅僅在C1和C2碳原子上。異構化反應實質是葡萄糖分子C2上氫原子轉移到C1上，形成果糖分子。異構化并不是單向的，而是可逆的。適宜條件下，果糖也可以異構為葡萄糖。

葡萄糖的堿性異構化在1895年由Bruyn等發(fā)現(xiàn)。通常認為，堿性條件下，葡萄糖α-羰基去質子化后，形成1，2-烯二醇式中間體，隨后C1原子經歷質子化生成果糖。該反應過程中由于C2原子失去手性構型，質子會從正反兩個方向進攻C2原子，生成D-葡萄糖的同時，還會生成其差向異構體D-甘露糖，反應歷程見圖3-2。

堿性異構化過程中除了生成甘露糖以外，還會經歷斷裂重排等反應生成阿洛酮糖、有機酸等多種副產物。此外，堿性異構化果糖的轉化率較低，一般僅21%～27%，糖分損失10%～15%。采用較高的反應溫度、較短的反應時間和較高的糖濃度時堿性催化效果較好，轉化率可提升至33%～35%，糖分損失率可降低到2%～3%。在已嘗試的無機堿和堿性鹽中（表3-2），NaOH和KOH效果較好，其中NaOH效果最好，且反應后易于用離子交換樹脂除掉，是較為理想的堿性催化劑。1943年，美國利用堿性異構化葡萄糖生產含20%果糖的糖漿，用于煙草保濕劑。然而，堿性異構化生產的果葡糖漿，由于顏色和不正常的風味，以及低的果糖產率等問題，沒有進行大量商品生產。

由于堿法異構諸多不足，目前工業(yè)化生產中更多采用酶法異構，酶法采用的異構化酶專一催化葡萄糖形成果糖，反應效率高，副產物相對少。20世紀50年代人們發(fā)現(xiàn)游離的醛糖能夠在異構酶作用下轉變?yōu)橄鄳耐牵?953年發(fā)現(xiàn)乳酸菌和嗜水假單胞桿菌能催化D-木糖異構化為D-木酮糖，但當時認為這種反應僅能作用于D-木糖，直到1957年美國Marshall和Kooi才確認該酶在特定條件下亦能催化D-葡萄糖轉化為D-果糖，并申請專利。盡管該方法還存在異構酶產率低、培養(yǎng)需要價格昂貴的木糖、催化劑毒性、異構轉化率低等問題，但卻為異構化反應及果糖生產相關研究打開了一扇大門。

20世紀60年代，日本在該方向展開了深入的研究。研究證明異構酶是胞內酶，通常培養(yǎng)碳源為木糖，在適當條件下轉化率能達到平衡狀態(tài)的50%。通過菌種篩選，發(fā)現(xiàn)了以葡萄糖、山梨醇或甘油等為碳源的菌種，無需添加有毒砷鹽催化劑的菌種，以及特異性催化葡萄糖的菌種。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)放線菌鏈霉菌種（Streptomyces phacochronogens）產酶量高，性質穩(wěn)定。1964～1965年，日本微生物工業(yè)技術研究所分離出白色的鏈霉菌種（Streptomyces albus），該菌種可不利用木糖而利用更為廉價的木聚糖作為碳源，甚至利用含有木聚糖的農副產品，如麩皮、玉米芯、玉米殼、稻稈、麥稈等，且產酶量高，性質較好，使生產成本大大降低，為工業(yè)生產開辟了途徑。1966年，日本參松糖業(yè)株式會社用這種鏈霉菌異構酶生產果葡糖漿在世界上首先獲得成功。美國Clinton Corn Processing公司購買了在美國全國范圍內的專利權，于1967年開始小量生產果糖含量15%的果葡糖漿，并于1968年開始生產果糖含量42%的產品。

葡萄糖到果糖的異構化離不開固定化酶的發(fā)展。起初的工藝多是向葡萄糖液中加入分離的菌體，反應后過濾或離心收回菌體后再使用，但該方法會導致酶活力的降低，使酶使用次數(shù)減少，固定化酶技術解決了這一問題，大大提升了反應效率和酶的利用率。固定化載體為不溶顆粒，具有多孔性和較高強度，能制成酶柱連續(xù)使用。固定化酶的純度高，不溶于糖液中，不影響其濃度，精制容易。酶的活力、穩(wěn)定性、使用pH和溫度、需要激活金屬離子等多種性質經過固定化后有所改進。制備固定化酶可將酶菌體固定在載體上，也可使酶由菌體溶出來，適當精制后固定在載體上，再進行清洗以除去非酶物質。目前制備方法有很多，例如吸附、包埋、共價鍵、離子鍵等。應用的固定化酶載體也有許多種，如明膠戊二醛交聯(lián)、丙烯酰胺凝膠、DEAE-纖維素、醋酸纖維、離子交換樹脂、多孔玻璃等。

異構化酶酶活受到金屬離子的影響，研究表明，Mg²⁺、Co²⁺、Mn²⁺等對該酶有激活作用，而Ca²⁺、Hg²⁺、Cu²⁺等則起抑制作用。酶的最適pH偏堿性，酸性條件會極大降低酶活。最適pH一般為7～9，而更高pH不僅降低酶活，而且有助于堿法異構的發(fā)生，有研究表明，隨著體系pH值的增大，堿法轉化率持續(xù)增加，而酶法轉化率先增加后減少。為了減少堿性異構化的并行發(fā)生，工藝上利用酶法生產時會避免pH過高，一般在pH=7時進行，但所制備的果葡糖漿中仍然含有微量的阿洛酮糖和甘露糖等副產物，前者一般在0.3%以下，后者更少，對食品應用幾乎無影響。

由葡萄糖向果糖轉化的反應是吸熱反應，因此，增加溫度可使異構化方向向生成果糖方向移動，即可提高果葡糖漿中果糖含量。葡萄糖異構酶最適反應溫度一般在70～80℃，部分異構酶耐受最高溫度可達90℃，但商業(yè)生產操作一般在60℃。過高的溫度不僅易導致酶失活，且糖容易受熱分解，產生有色物質。增加果葡糖漿中果糖含量的另一個方法是加入硼酸鹽，其機理主要是由于硼酸鹽可與果糖生成絡合物，相對減少果糖含量，從而使反應平衡向果糖方向移動。同時，這種絡合物是不穩(wěn)定的，在酸性條件下，絡合物分解，進而回收硼酸鹽。能供此用的硼酸鹽包括水溶性鈉硼酸鹽、鉀硼酸鹽、偏硼酸鹽、四硼酸鹽等和水溶解度低或不溶解的鎂、鋰、鋇、鍶、錳硼酸鹽等。硼酸與醇和苯酚生成的有機酯和硼酸型陰離子交換樹脂也能用。不溶于水或微溶于水的硼酸鹽為硼酸鎂和硼酸鋇，對于異構化反應沒有抑制作用，所以能使用較高濃度的葡萄糖溶液，這對工業(yè)應用是個優(yōu)點。硼酸鹽最好在反應開始之前添加，也可在反應進行一段時間后或達到平衡狀態(tài)后添加。增加硼酸鹽濃度能顯著提高葡萄糖向果糖的轉化率，但過高的硼酸鹽濃度對該反應反而不利。

3.1.3　果糖的特性

果糖的熔點102～104℃，能溶于乙醇，在18℃為6.71g/100mL。果糖在水中溶解度較高，與蔗糖和葡萄糖相比，果糖更易溶解。表3-3列舉了不同溫度條件下果糖、蔗糖及葡萄糖的溶解度。若將蔗糖水解為果糖與葡萄糖比例1∶1的轉化糖，其溶解度與蔗糖接近。

在相同濃度條件下，果糖溶液的黏度高于蔗糖和葡萄糖。表3-4為三種糖在不同溫度下的黏度。在溫度較低時，由于結晶性較強，蔗糖及葡萄糖難以形成穩(wěn)定流體，而果糖在較大溫度范圍內均可測到黏度值。果糖較高的吸濕性有利于液態(tài)保持，從而方便儲運。此外，在焙烤食品加工過程中使用，可有效提高產品的保水性，從而維持松軟的狀態(tài)。果糖溶液還能在較大范圍內使用，例如快餐、糕點加工中能與淀粉混合使用，能形成更為可口的凝膠體；焙烤類食品中使用較蔗糖更利于產品體積膨脹。

果糖吸濕性較強，但結晶性較差，這在結晶果糖生產中極為不利。果糖在結晶過程中面臨兩大難題：其一是果糖在水溶液中溶解度大，致使飽和溶液黏度大，較大黏度會降低母液流動性，阻礙結晶過程中的傳質；其二是果糖理化性質活潑，結晶后產品極易吸水潮解。因此，如何降黏和控制產品貯存條件是控制果糖結晶、提高產品品質的重要手段。

研究表明，果糖具有一定的生理功能，與葡萄糖相比，其代謝不依賴胰島素，故可在短期內用于糖尿病人補充能量，而不會影響血糖濃度。葡萄糖在糖酵解過程中，需己糖激酶及6-磷酸果糖激酶-1（PFK1）兩個關鍵酶的催化生成1，6-二磷酸果糖，其中PFK1是葡萄糖糖酵解過程中重要的限速酶，胰島素可誘導它生成。因此，葡萄糖代謝必須依賴胰島素，在體內代謝慢，容易使得患者體內血糖不穩(wěn)定，加重糖尿病癥狀。與葡萄糖相比，果糖在細胞內主要經1-磷酸果糖途徑代謝，需果糖激酶和1-磷酸果糖醛羧酶兩種關鍵酶生成1，6-二磷酸果糖。因此，果糖可以繞過糖酵解的主要限速酶PFK1，而果糖激酶活性不依賴于胰島素調控，可在無胰島素情況下代謝為糖原。另一方面，果糖進入胃腸道后，通過位于小腸上皮細胞的果糖特異性轉運子GLUT5的作用轉運至小腸細胞內，通過GLUT2的作用迅速彌散至血液，并通過門脈入肝。與葡萄糖相比，果糖的攝入不會刺激胃分泌抑胃肽（可刺激胰島素分泌），而且胰腺不含GLUT5，使其不能攝取果糖而刺激胰島素分泌。此外，研究表明，果糖在細胞保護、增強有絲分裂、提升血小板功能、改善記憶、促進兒童對鐵的吸收、清除血液中酒精等方面具有一定的作用。

盡管食用果糖具有較多好處，但過量攝入會導致諸多疾病（圖3-3）。研究表明，分解果糖的果糖激酶在肝外組織無表達，因此與葡萄糖作為能量來源被所有組織器官利用不同，果糖攝入后絕大部分在肝臟代謝。由于果糖進入肝細胞后，不需經過葡萄糖糖酵解限速酶的分解，在果糖激酶作用下能迅速轉為1-磷酸果糖，再轉化為丙酮酸和乙酰輔酶A，最終除部分代謝為葡萄糖，主要代謝為脂肪酸并進一步合成甘油三酯。肝中甘油三酯的沉積會增加脂肪肝發(fā)病風險和胰島素抵抗，其余甘油三酯可被轉運到其他組織器官，增加胰島素抵抗、肥胖和心血管系統(tǒng)疾病的發(fā)病風險。此外，近年研究表明，過量攝入果糖也易導致高血壓、Ⅱ型糖尿病、高尿酸血癥、腸易激綜合征、痛風等疾病。