第3章　果糖

3.1　概述

3.1.1　果糖产品种类

果糖（fructose）是一种简单的单糖，也是最甜的天然营养型甜味剂，主要存在于水果和蜂蜜等食品中，在其他植物中也存在，尤以菊科植物为多。然而，由于各种植物中果糖含量并不是特别高，传统工业中并未以果糖生产甜味剂，直到20世纪60年代中期利用酶法异构化技术将葡萄糖转变为果糖后，工业上才开始生产含有果糖的糖浆，即果葡糖浆，并逐渐形成了第一代（F42）、第二代（F55）和第三代（F90）果葡糖浆制品，进而促进了淀粉制糖工业的发展。

除了果葡糖浆以外，与果糖相关的另一个产品是结晶果糖。尽管三代果葡糖浆的开发为食品工业提供了一种性质优良的安全的甜味剂，但F42的甜度仅与蔗糖相当，而F55和F90的甜度约为蔗糖的1.1倍和1.4倍，因此果葡糖浆不能充分体现果糖高甜度的特性，加之果葡糖浆中的葡萄糖降低了果糖在代谢方面的优势，为此，人们希望获得纯度更高的结晶果糖。然而，由于果糖吸湿性强而结晶性较差，因此结晶果糖目前主要是在得到果糖纯度90%以上果葡糖浆的基础上，通过缓慢的、精细控制的冷却制成。

3.1.2　果糖的异构化

3.1.2.1　果糖异构体平衡体系

1847年，法国科学家A.P.Dubrunfaut从蔗糖中分离出果糖，并揭示了果糖的结构。果糖为己酮糖，分子式为C₆H₁₂O₆，分子量180.16。自然界的果糖均以D-果糖的形式存在。果糖链式结构中第二个碳原子为酮基，而环状结构主要存在两个六环（吡喃型）和两个五环结构（呋喃环）的异构体。其中游离的果糖以吡喃型为主，而寡糖和果聚糖中处于结合状态的果糖，则以呋喃型和其他糖联结。果糖在水溶液中异构平衡状态见图3-1。

果糖异构体平衡体系受温度、浓度、湿度等诸多因素影响。其中，结晶果糖为β-D-六环果糖，甜度最高，为蔗糖的1.8倍。但一旦溶解到水中，果糖倾向转变为甜度较低的异构体。温度和浓度对果糖平衡体系影响见表3-1。可以看出，果糖在低浓度（20%）时，异构体间转化较为明显，尤其是随着温度的降低，β-D-六环果糖含量逐渐增加，即甜度增加，因此果糖具有冷甜性质，这一性质对于其应用具有重要意义。而在高浓度（80%）时，异构体间的转化受到抑制，这对于维持产品稳定性具有一定作用。

3.1.2.2　果糖与葡萄糖的异构化反应

葡萄糖和果糖都是单糖，葡萄糖为醛己糖，果糖为酮己糖，两者互为同分异构体。以链式结构为例，它们的差别仅仅在C1和C2碳原子上。异构化反应实质是葡萄糖分子C2上氢原子转移到C1上，形成果糖分子。异构化并不是单向的，而是可逆的。适宜条件下，果糖也可以异构为葡萄糖。

葡萄糖的碱性异构化在1895年由Bruyn等发现。通常认为，碱性条件下，葡萄糖α-羰基去质子化后，形成1，2-烯二醇式中间体，随后C1原子经历质子化生成果糖。该反应过程中由于C2原子失去手性构型，质子会从正反两个方向进攻C2原子，生成D-葡萄糖的同时，还会生成其差向异构体D-甘露糖，反应历程见图3-2。

碱性异构化过程中除了生成甘露糖以外，还会经历断裂重排等反应生成阿洛酮糖、有机酸等多种副产物。此外，碱性异构化果糖的转化率较低，一般仅21%～27%，糖分损失10%～15%。采用较高的反应温度、较短的反应时间和较高的糖浓度时碱性催化效果较好，转化率可提升至33%～35%，糖分损失率可降低到2%～3%。在已尝试的无机碱和碱性盐中（表3-2），NaOH和KOH效果较好，其中NaOH效果最好，且反应后易于用离子交换树脂除掉，是较为理想的碱性催化剂。1943年，美国利用碱性异构化葡萄糖生产含20%果糖的糖浆，用于烟草保湿剂。然而，碱性异构化生产的果葡糖浆，由于颜色和不正常的风味，以及低的果糖产率等问题，没有进行大量商品生产。

由于碱法异构诸多不足，目前工业化生产中更多采用酶法异构，酶法采用的异构化酶专一催化葡萄糖形成果糖，反应效率高，副产物相对少。20世纪50年代人们发现游离的醛糖能够在异构酶作用下转变为相应的酮糖，例如1953年发现乳酸菌和嗜水假单胞杆菌能催化D-木糖异构化为D-木酮糖，但当时认为这种反应仅能作用于D-木糖，直到1957年美国Marshall和Kooi才确认该酶在特定条件下亦能催化D-葡萄糖转化为D-果糖，并申请专利。尽管该方法还存在异构酶产率低、培养需要价格昂贵的木糖、催化剂毒性、异构转化率低等问题，但却为异构化反应及果糖生产相关研究打开了一扇大门。

20世纪60年代，日本在该方向展开了深入的研究。研究证明异构酶是胞内酶，通常培养碳源为木糖，在适当条件下转化率能达到平衡状态的50%。通过菌种筛选，发现了以葡萄糖、山梨醇或甘油等为碳源的菌种，无需添加有毒砷盐催化剂的菌种，以及特异性催化葡萄糖的菌种。后续研究发现放线菌链霉菌种（Streptomyces phacochronogens）产酶量高，性质稳定。1964～1965年，日本微生物工业技术研究所分离出白色的链霉菌种（Streptomyces albus），该菌种可不利用木糖而利用更为廉价的木聚糖作为碳源，甚至利用含有木聚糖的农副产品，如麸皮、玉米芯、玉米壳、稻秆、麦秆等，且产酶量高，性质较好，使生产成本大大降低，为工业生产开辟了途径。1966年，日本参松糖业株式会社用这种链霉菌异构酶生产果葡糖浆在世界上首先获得成功。美国Clinton Corn Processing公司购买了在美国全国范围内的专利权，于1967年开始小量生产果糖含量15%的果葡糖浆，并于1968年开始生产果糖含量42%的产品。

葡萄糖到果糖的异构化离不开固定化酶的发展。起初的工艺多是向葡萄糖液中加入分离的菌体，反应后过滤或离心收回菌体后再使用，但该方法会导致酶活力的降低，使酶使用次数减少，固定化酶技术解决了这一问题，大大提升了反应效率和酶的利用率。固定化载体为不溶颗粒，具有多孔性和较高强度，能制成酶柱连续使用。固定化酶的纯度高，不溶于糖液中，不影响其浓度，精制容易。酶的活力、稳定性、使用pH和温度、需要激活金属离子等多种性质经过固定化后有所改进。制备固定化酶可将酶菌体固定在载体上，也可使酶由菌体溶出来，适当精制后固定在载体上，再进行清洗以除去非酶物质。目前制备方法有很多，例如吸附、包埋、共价键、离子键等。应用的固定化酶载体也有许多种，如明胶戊二醛交联、丙烯酰胺凝胶、DEAE-纤维素、醋酸纤维、离子交换树脂、多孔玻璃等。

异构化酶酶活受到金属离子的影响，研究表明，Mg²⁺、Co²⁺、Mn²⁺等对该酶有激活作用，而Ca²⁺、Hg²⁺、Cu²⁺等则起抑制作用。酶的最适pH偏碱性，酸性条件会极大降低酶活。最适pH一般为7～9，而更高pH不仅降低酶活，而且有助于碱法异构的发生，有研究表明，随着体系pH值的增大，碱法转化率持续增加，而酶法转化率先增加后减少。为了减少碱性异构化的并行发生，工艺上利用酶法生产时会避免pH过高，一般在pH=7时进行，但所制备的果葡糖浆中仍然含有微量的阿洛酮糖和甘露糖等副产物，前者一般在0.3%以下，后者更少，对食品应用几乎无影响。

由葡萄糖向果糖转化的反应是吸热反应，因此，增加温度可使异构化方向向生成果糖方向移动，即可提高果葡糖浆中果糖含量。葡萄糖异构酶最适反应温度一般在70～80℃，部分异构酶耐受最高温度可达90℃，但商业生产操作一般在60℃。过高的温度不仅易导致酶失活，且糖容易受热分解，产生有色物质。增加果葡糖浆中果糖含量的另一个方法是加入硼酸盐，其机理主要是由于硼酸盐可与果糖生成络合物，相对减少果糖含量，从而使反应平衡向果糖方向移动。同时，这种络合物是不稳定的，在酸性条件下，络合物分解，进而回收硼酸盐。能供此用的硼酸盐包括水溶性钠硼酸盐、钾硼酸盐、偏硼酸盐、四硼酸盐等和水溶解度低或不溶解的镁、锂、钡、锶、锰硼酸盐等。硼酸与醇和苯酚生成的有机酯和硼酸型阴离子交换树脂也能用。不溶于水或微溶于水的硼酸盐为硼酸镁和硼酸钡，对于异构化反应没有抑制作用，所以能使用较高浓度的葡萄糖溶液，这对工业应用是个优点。硼酸盐最好在反应开始之前添加，也可在反应进行一段时间后或达到平衡状态后添加。增加硼酸盐浓度能显著提高葡萄糖向果糖的转化率，但过高的硼酸盐浓度对该反应反而不利。

3.1.3　果糖的特性

果糖的熔点102～104℃，能溶于乙醇，在18℃为6.71g/100mL。果糖在水中溶解度较高，与蔗糖和葡萄糖相比，果糖更易溶解。表3-3列举了不同温度条件下果糖、蔗糖及葡萄糖的溶解度。若将蔗糖水解为果糖与葡萄糖比例1∶1的转化糖，其溶解度与蔗糖接近。

在相同浓度条件下，果糖溶液的黏度高于蔗糖和葡萄糖。表3-4为三种糖在不同温度下的黏度。在温度较低时，由于结晶性较强，蔗糖及葡萄糖难以形成稳定流体，而果糖在较大温度范围内均可测到黏度值。果糖较高的吸湿性有利于液态保持，从而方便储运。此外，在焙烤食品加工过程中使用，可有效提高产品的保水性，从而维持松软的状态。果糖溶液还能在较大范围内使用，例如快餐、糕点加工中能与淀粉混合使用，能形成更为可口的凝胶体；焙烤类食品中使用较蔗糖更利于产品体积膨胀。

果糖吸湿性较强，但结晶性较差，这在结晶果糖生产中极为不利。果糖在结晶过程中面临两大难题：其一是果糖在水溶液中溶解度大，致使饱和溶液黏度大，较大黏度会降低母液流动性，阻碍结晶过程中的传质；其二是果糖理化性质活泼，结晶后产品极易吸水潮解。因此，如何降黏和控制产品贮存条件是控制果糖结晶、提高产品品质的重要手段。

研究表明，果糖具有一定的生理功能，与葡萄糖相比，其代谢不依赖胰岛素，故可在短期内用于糖尿病人补充能量，而不会影响血糖浓度。葡萄糖在糖酵解过程中，需己糖激酶及6-磷酸果糖激酶-1（PFK1）两个关键酶的催化生成1，6-二磷酸果糖，其中PFK1是葡萄糖糖酵解过程中重要的限速酶，胰岛素可诱导它生成。因此，葡萄糖代谢必须依赖胰岛素，在体内代谢慢，容易使得患者体内血糖不稳定，加重糖尿病症状。与葡萄糖相比，果糖在细胞内主要经1-磷酸果糖途径代谢，需果糖激酶和1-磷酸果糖醛羧酶两种关键酶生成1，6-二磷酸果糖。因此，果糖可以绕过糖酵解的主要限速酶PFK1，而果糖激酶活性不依赖于胰岛素调控，可在无胰岛素情况下代谢为糖原。另一方面，果糖进入胃肠道后，通过位于小肠上皮细胞的果糖特异性转运子GLUT5的作用转运至小肠细胞内，通过GLUT2的作用迅速弥散至血液，并通过门脉入肝。与葡萄糖相比，果糖的摄入不会刺激胃分泌抑胃肽（可刺激胰岛素分泌），而且胰腺不含GLUT5，使其不能摄取果糖而刺激胰岛素分泌。此外，研究表明，果糖在细胞保护、增强有丝分裂、提升血小板功能、改善记忆、促进儿童对铁的吸收、清除血液中酒精等方面具有一定的作用。

尽管食用果糖具有较多好处，但过量摄入会导致诸多疾病（图3-3）。研究表明，分解果糖的果糖激酶在肝外组织无表达，因此与葡萄糖作为能量来源被所有组织器官利用不同，果糖摄入后绝大部分在肝脏代谢。由于果糖进入肝细胞后，不需经过葡萄糖糖酵解限速酶的分解，在果糖激酶作用下能迅速转为1-磷酸果糖，再转化为丙酮酸和乙酰辅酶A，最终除部分代谢为葡萄糖，主要代谢为脂肪酸并进一步合成甘油三酯。肝中甘油三酯的沉积会增加脂肪肝发病风险和胰岛素抵抗，其余甘油三酯可被转运到其他组织器官，增加胰岛素抵抗、肥胖和心血管系统疾病的发病风险。此外，近年研究表明，过量摄入果糖也易导致高血压、Ⅱ型糖尿病、高尿酸血症、肠易激综合征、痛风等疾病。