Українська
English
Русский
Пропозиції імпорту
Фруктоза (левулоза, фруктовий цукор), C6H12O6 – моносахарид із групи кетогексоз, ізомер глюкози.
Один із найбільш поширених у природі цукрів: зустрічається як в індивідуальному стані, так і у складі дисахаридів (сахарози) та полісахаридів (інуліну). Широко застосовується у харчовій промисловості як підсолоджувач. Виконує важливі біохімічні функції у людини.
Фруктоза була відкрита Огюстеном П’єром Дюбрюнфо в 1847 році в ході порівняльного дослідження молочнокислого та спиртового бродіння цукру, отриманого з цукрози цукрової тростини. Дюбрюнфо виявив, що в ході молочнокислого бродіння у ферментаційній рідині присутній цукор, кут обертання якого відрізняється від уже відомої на той час глюкози.
У 1861 році Олександр Михайлович Бутлеров синтезував суміш цукрів – “формозу” – конденсацією формальдегіду (мурашиного альдегіду) у присутності каталізаторів: Ba(OH)2 і Ca(OH)2, одним із компонентів цієї суміші є фруктоза.
Фруктоза є моносахаридом і належить до класу кетогексозу. Це полігідроксикетон з кетогрупою при атомі C-2 та п’ятьма гідроксильними групами. У структурі фруктози є три хіральні атоми вуглецю, тому такій структурі відповідає вісім стереоізомерів (чотири пари енантіомерів): сама фруктоза, а також її стереоізомери сорбозу, тагатоз і псикоза.
У твердому стані та в розчинах фруктоза існує не в лінійній формі, а у вигляді циклічного напівацеталю, утвореного в результаті приєднання ОН-груп при атомі С-5 або С-6 до кетогрупи. Цей напівацеталь стійкий: у розчині частка відкритоланцюгової форми становить лише 0,5 %, тоді як решта 99,5 % припадає на циклічні форми. Якщо в циклізації бере участь гідроксильна група при С-5, утворюється п’ятичленний цикл, який називається фуранозним (від назви фурану – п’ятичленного гетероциклу з одним атомом кисню), а циклічну D-фруктозу називають D-фруктофуранозою. Якщо циклізація відбувається за рахунок гідроксильної групи при C-6, утворюється шестичленний, піранозний цикл (від назви пірану), а така циклічна D-фруктоза називається D-фруктопіранози.
При описаній циклізації виникає новий стереоцентр при напівацетальному атомі вуглецю С-2, тому фуранозна і піранозна форми D-фруктози можуть додатково існувати у вигляді двох діастереомерів, званих аномерами: α-D-фруктофуранози та β-D-фруктофуранози; α-D-фруктопіранози та β-D-фруктопіранози. Зазвичай циклічні форми D-фруктози зображують за допомогою проекцій Хеуорса – ідеалізованих шестичленних циклів із замісниками над та під площиною циклу.
L-фруктоза не зустрічається в природі, але її можна синтезувати хімічно або отримати мікробіологічно з L-маннози або L-маніту.
D-фруктоза є безбарвними кристалами у вигляді призм або голок з температурою плавлення 103—105 °С. Зазвичай кристалізується у безводному вигляді, але нижче 20 °С стійкі також напівгідрат та дигідрат.
D-фруктоза розчинна у воді, піридині, хіноліні, ацетоні, метанолі, етанолі, крижаній оцтовій кислоті. Її розчинність у воді вища, ніж в інших цукрів і становить 4 г на 1 г води за 25 °С. Частка сухої речовини в насиченому розчині фруктози при 20 ° С становить 789%, а при 55 ° С – 881%. Через таку високу розчинність при промисловій кристалізації фруктози з розчинів виникають проблеми з високою в’язкістю цих розчинів: при 50 °С динамічна в’язкість насиченого розчину фруктози становить 1630 мПа•с, тоді як для сахарози вона дорівнює всього 96,5 мПа•с.
Фруктоза – найсолодший із природних цукрів. Кристалічна фруктоза в 1,8 рази солодша за кристалічну сахарозу. Це дозволяє розглядати фруктозу як перспективний підсолоджувач, який забезпечує таку ж насолоду, як сахароза, але має нижчу харчову цінність. Насолода фруктози в розчинах залежить від температури, pH і концентрації: вона підвищується при охолодженні розчину (це пояснюють підвищенням частки солодших піранозних форм) і при підкисленні розчину.
Фруктоза широко представлена в природі як в індивідуальному вигляді, так і в складі сахарози (до якої поряд з D-фруктозою входить залишок D-глюкози). У багатьох рослинах зустрічаються полімери D-фруктози – фруктани. Найбільше фруктози міститься в меді (40 г у 100 г), яблуках (6-8 г), грушах (5-9 г), чорносливі (15 г).
Найбільш економічно доцільно як сировину для виробництва фруктози використовувати крохмаль, сахарозу та інулін. Крохмаль виробляють переважно із кукурудзи. Це полісахарид, що складається з ланок D-глюкози. Оскільки фруктоза в крохмалі не міститься, необхідно підібрати такий процес, в якому глюкоза легко перетворюватиметься на фруктозу. Сахароза – це великотоннажний промисловий продукт, що є практично ідеальною сировиною для виробництва фруктози за рахунок дуже хорошої доступності, високої чистоти та високого початкового вмісту фруктози. Інулін — це фруктан, який одержують із коріння цикорію (15—20 % від загальної маси) та бульб артишоку.
Фруктозу одержують з крохмалю в кілька стадій: крохмаль розріджують (при цьому відбувається його частковий гідроліз), потім розкладають його до глюкози, отриману глюкозу ізомеризують у фруктозу, виділяють фруктозу з розчину. Розроблено ферментативні методи цих перетворень. Наприклад, крохмаль перетворюють на глюкозу під дією α-амілази та глюкоамілази, а глюкозу на фруктозу – під дією глюкозоізомерази. Глюкозоізомераза насправді називається ксилозоізомеразою, оскільки вона також перетворює D-ксилозу на D-ксилулозу, а D-рибозу – на D-рибулозу. Спосіб отримання фруктози з крохмалю було розроблено 1966 року. З 1968 року так отримують 42% фруктозний сироп. Хроматографічна очистка дозволяє підвищити чистоту фруктози до 90%.
На основі сахарози було створено перший комерційний спосіб одержання фруктози: сахарозу гідролізували, після чого отримані фруктозу та глюкозу розділяли хроматографічно. Сучасні методи дозволяють проводити гідроліз сахарози високоселективним ферментативним способом (під дією β-фруктофуранозідази із Saccharomyces cerevisiae) або мінеральними кислотами (соляною або сірчаною). Недоліком першого способу є висока ціна ферменту та неможливість проводити безперервний процес. З іншого боку, за гідролізу мінеральними кислотами утворюються небажані побічні продукти. Найбільш просунутим способом є гідроліз іммобілізованими сильнокислими катіонітами: він дозволяє гідролізувати 50-60% розчини сахарози при температурі 30-45 ° С практично без утворення побічних продуктів. Отримані цукру поділяють хроматографією, отримуючи дві фракції з чистотою понад 95%.
Виробництво фруктози з інуліну, який у свою чергу виходить із цикорію, було організовано у середині 1990-х років. В основі цього методу лежить гідроліз, який можна реалізувати ферментативно або під дією кислот. Кислотний гідроліз становить лише науковий інтерес, оскільки різні випробувані кислоти (сірчана, соляна, фосфорна, лимонна, щавлева, винна) призводили до розкладання фруктози та утворення побічних продуктів. Ведеться пошук інших кислотних каталізаторів, серед яких м’якшими показали себе цеоліти.
Серед ферментів вигідно відрізняються екзоінуліназ і ендоїнуліназ з Aspergillus niger, суміш яких дозволяє перетворити інулін на фруктозу в одну стадію. Виробництво фруктози з крохмалю вимагає набагато більше ферментативних стадій і дає вихід фруктози лише 45%. Гідроліз проводиться в нейтральному або слабокислому середовищі при 60 ° С і займає 12-24 год. Вміст фруктози в сиропі становить 85-95%, решта посідає глюкозу (3-13%) і олігосахариди (1-2%). Отриманий сироп очищають від неорганічних домішок, знебарвлюють та концентрують.
Кристалізація фруктози після синтезу є складною стадією, тому необхідно, щоб розчин містив щонайменше 90 % фруктози від загальної маси розчинених речовин. Застосовують різні комбінації умов, включаючи кристалізацію при атмосферному або зниженому тиску, різні режими охолодження, безперервні або періодичні процеси, проте як розчинник завжди використовується вода, оскільки відділення і регенерація розчинника вимагає занадто багато зусиль. Кристалічний продукт відокремлюють від маточного розчину у центрифугах, а потім сушать. Кристалізації заважає домішка глюкози: вона підвищує розчинність фруктози у воді та знижує пересиченість розчину. Також у процесі кристалізації утворюються димери фруктози, які скристалізуються з фруктозою і заважають росту кристалів.
Фруктоза вступає у хімічні реакції, типові для моносахаридів, утворюючи прості та складні ефіри, а також ацеталі та глікозиди. За рахунок наявності карбонільної групи вона дає продукти приєднання нуклеофільних реагентів: амінів, амінокислот, пептидів та ін.
Фруктозу можна відновити, зокрема ферментативно, до маніту або сорбіту. На каталітичному гідруванні карбонільної групи фруктози в присутності нікелевого або мідного каталізатора заснований промисловий спосіб отримання маніту. У промисловості також проводять каталітичне окиснення фруктози повітрям або киснем у присутності каталізаторів на основі благородних металів. При цьому утворюються два основні продукти: 2-кето-D-глюконова кислота і 5-кетофруктоза.
На відміну від глюкози та інших альдоз, фруктоза нестійка як у лужних, так і кислих розчинах. У лужному середовищі фруктоза через ендіальну форму ізомеризується в глюкозу та маннозу з невеликою домішкою псікози (перегрупування Лобрі де Брюїна – Ван Екенштейна). При нагріванні в лужних умовах фруктоза фрагментується, даючи гліцеральдегіди, молочну кислоту, метилгліоксаль та інші продукти розкладання.
При нагріванні твердої фруктози або її насиченого розчину призводить до дегідратації та утворення продуктів конденсації. Нагрівання в присутності амінокислот призводить до забарвлених та пахучих продуктів реакції Майяра. При нагріванні в присутності кислоти також відбувається дегідратація і утворюється 5-гідроксиметилфурфурол. Ця властивість є основою якісної реакції на фруктозу — проби Селіванова.
Доступність D-фруктози та її низька вартість зумовлюють її використання у стереоселективному синтезі як хіральне вихідне з’єднання. Зокрема, з неї отримують такі рідкісні цукри, як D-псікозу.
Завдяки деяким особливим властивостям фруктоза широко використовується як підсолоджувач. Її підвищена насолода та синергетична дія з іншими підсолоджувачами дозволяє додавати в продукти менше цукру, тому її часто використовують у низькокалорійній їжі. Також вона здатна посилювати фруктові уподобання. Фруктоза має високу розчинність при низьких температурах і сильно знижує температуру плавлення своїх розчинів, тому її використання цікавить виробництво морозива, де ці властивості важливі для текстури продукту.
Фруктоза широко застосовується у напоях (газованих, спортивних, низькокалорійних тощо), заморожених десертах, випічці, консервованих фруктах, шоколаді, цукерках та молочних продуктах. Завдяки хорошій розчинності в етанолі вона застосовується у солодких лікерах.
Всмоктування фруктози відбувається у тонкій кишці рахунок полегшеної дифузії під впливом білка-переносника GLUT5. У кров фруктоза потрапляє через ворітну вену, а потім переноситься до печінки, де переважно і накопичується. При підвищеному споживанні вона частково метаболізується до лактату вже в слизовій оболонці кишечника, який потім у печінці перетворюється на глюкозу. Фруктоза метаболізується в організмі шляхом фосфорилювання під дією фруктокінази до фруктозо-1-фосфату. Він потім розкладається на дигідроксиацетонфосфат та D-гліцериновий альдегід. Тріозокіназа потім перетворює останній на гліцеральдегід-3-фосфат. Таким чином, при метаболізмі фруктоза дає переважно глюкозу, глікоген та лактат.
Вплив фруктози на рівень глюкози у крові дуже маленький. Її глікемічний індекс дорівнює 32, що пояснюється її частковим перетворенням на глюкозу в печінці. Фруктоза слабо стимулює секрецію інсуліну і може проникати у клітини без його участі, тому вона рекомендована як підсолоджувач для діабетиків.
Зі споживанням фруктози пов’язане таке рідкісне генетичне захворювання, як спадкова непереносимість фруктози. Воно пов’язане з відсутністю ферменту, що розкладає фруктозо-1-фосфат, через що відбувається накопичення останнього у печінці. Це веде до блокування гліколізу та глюконеогенезу, а потім до гіпоглікемії.
Вважається, що надмірне споживання продуктів, багатих на фруктозу, призводить до негативних наслідків для здоров’я. На відміну від глюкози, метаболізм якої більш жорстко управляється ферментом фосфофруктокіназою-1, метаболізм та регулювання обміну фруктози відбувається менш складним способом. Фермент фруктокіназа[en], що активує фруктозу внутрішньоклітинно за допомогою фосфорилювання для включення її в метаболічні шляхи, не піддається негативному зворотному контролю з боку наступних проміжних ланок гліколізу, циклу Кребса або енергоносіїв, як має місце у разі глюкози. Це може призводити до ешелонування великої кількості ацетил-КоА, що утворюється в результаті метаболізму фруктози, у реакції біосинтезу жирних кислот. Активація шляхів біосинтезу жирних кислот призводить до значного збільшення швидкості генерації та накопичення різних жирів. Передбачається, що у деяких ссавців, що впадають у сплячку, таке слабо регульоване використання фруктози може мати позитивну адаптивну роль. Швидке накопичення жиру за рахунок вживання плодів з високим вмістом фруктози, що встигли восени, дозволяє їм за короткий час сформувати значний запас енергії. У деяких тварин, що мешкають у місцях з яскраво вираженою сезонністю, цей механізм також може сприяти накопиченню жиру для підвищення витривалості та виживання взимку, коли кількість їжі різко знижується. Вважається, що цей механізм є також у приматів, у тому числі й у людини. Більш того, його залишкові ефекти можуть принести більше шкоди, ніж користі, оскільки в суспільстві сплячка не є рушійною силою відбору, а людський метаболізм не пристосувався справлятися з надмірним споживанням калорій/вуглеводів.
Помірне споживання фруктів зазвичай не збільшує вмісту фруктози в крові, оскільки тонка кишка перетворює її в глюкозу, проте при штучному додаванні фруктози в харчові продукти або вживанні великої кількості фруктози або плодів, багатих на цукрозу (що складається з глюкози і фруктози) вона може помітно досягати системного кровообігу. . Системна біодоступність фруктози позитивно корелює з підвищеним de novo ліпогенезом, гальмуванням окислення жирних кислот, підвищеним вмістом жирів у печінці, постпрандіальних тригліцеридів, холестерину, ліпопротеїнів низької щільності (ЛПНГ), ліпопротеїнів високої щільності (ЛПВЩ). Ці ефекти значно більш виражені щодо споживання фруктози, порівняно з надмірним споживанням глюкози. Більше того, ліпогенний ефект фруктози посилюється на фоні споживання насичених жирних кислот. Така синергетична дія, швидше за все, виникає у разі раціонів, на основі фастфудів, в які, як правило, додаються великі кількості цукру та перероблених олій з високим вмістом жирів.
Проміжні продукти метаболізму фруктози також можуть активувати гліколітичний шлях, входячи в нього через гліцеральдегід-3-фосфат та дигідроксиацетонфосфат, що може бути особливо згубним при онкологічних захворюваннях через ефект Варбурга. Транзиторне внутрішньоклітинне виснаження фосфатів через надмірне фосфорилювання фруктози фруктокіназою також може впливати на пуриновий метаболізм, що призводить до підвищеного вироблення сечової кислоти. Сечова кислота, у свою чергу, може сприяти ліпогенезу, а також виступати посередником в інших патологічних процесах, які відіграють важливу роль у розвитку метаболічного синдрому, високого артеріального тиску та подагри. Негативні метаболічні ефекти фруктози посилюються її нездатністю, на відміну глюкози, викликати почуття насичення. Це може бути причиною менш контрольованого чи надмірного споживання їжі, багатої на фруктозу.
Спадковий дефіцит фруктокінази, мабуть, не має якихось явних негативних наслідків для здоров’я людини і навіть, навпаки, може призводити до покращеного прогнозу у популяціях, раціони яких включають велику кількість фруктози. Швидше за все, відсутність нормальної активності фруктокінази метаболізм екзогенної фруктози буде знижуватися, оскільки метаболіти фруктози не зможуть ні включатися в біосинтез ацетил-КоА, ні стимулювати синтез і накопичення ліпідів. Надмірна кількість фруктози просто виділятиметься із сечею, призводячи до фруктозурії — практично нешкідливого медичного стану, який може бути випадково виявлено під час медичного огляду з незв’язаних причин. Показано, що інгібування фруктокінази може бути корисним і при гострому ішемічному ураженні нирок, тому що при цьому порушенні фруктоза опосередковує стрес і ушкодження клітин. Передбачається, що запобігання або зниження метаболізму екзогенної фруктози буде сприятливим з погляду вуглеводного та ліпідного обміну, а також знизить вироблення сечової кислоти, що також є позитивним моментом, оскільки збільшення накопичення сечової кислоти викликає окислювальний стрес та запалення. Лютеолін, інгредієнт деяких БАДів, використовувався у дослідженнях на тваринах для інгібування метаболізму фруктози та показав сприятливі ефекти при порушенні патологічних процесів, опосередкованого фруктозою. Однак клінічна значимість цих результатів для людини невідома.
Відгуки
Відгуків немає, поки що.