Особенности фруктозы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фруктоза (fructose)

Фруктоза є одним з найбільш поширених видів натурального цукру. Вона присутня у вільному вигляді майже у всіх солодких ягодах і плодах. Половину сухої частини меду складає фруктоза. Фруктоза відноситься до групи моносахаридів і є одним з найважливіших природних сахарів. Деякі з'єднання фруктози зустрічаються у вигляді природних продуктів. Найбільш важливою серед них є сахароза, тобто звичайний цукор, молекули якого складаються з однієї молекули фруктози і однієї молекули глюкози. Полісахариди, що утворюються фруктозою, як наприклад, інулін і флеїн, є запасами живильних речовин для рослин. Раніше фруктоза виготовлялася з інсуліну, і тому, виробництво її в чистому вигляді було трудомістким і дорогим. Тільки останніми роками навчилися отримувати фруктозу також і шляхом додаткового очищення сахарози. Властивості, які відрізняють її від звичайного цукру, як наприклад, можливість застосування в харчовому раціоні хворих цукровим діабетом, відомі вже десятки років. З покон століть фруктоза в різному вигляді входила в живлення людини. Вона добре засвоюється організмом, не роблячи шкідливого впливу на здоров'ї і не викликаючи побічних явищ. Фруктоза утворює безводі кристали у вигляді голок, температура плавлення 102-105 С. Молекуряний вага 180,16; питома вага 1,60 г/см3; калорійна цінність приблизно та ж, що і інших цукрів, 4 ккал на 1 р. Фруктозі властива деяка гігроскопічність. Концентровані склади фруктози зберігають вологу. Фруктоза легко розчиняється у воді і спирті. При 20 C° насичений розчин фруктози має концентрацію в 78,9%, насичений розчин сахарози - 67,1%, а насичений розчин глюкози - тільки 47,2 %. В'язкість розчинів фруктози нижча за в'язкість розчинів сахарози і глюкози. З хімічної точки зору, фруктоза поводиться як нормальний редукуючий цукор. Типова реакція з аміногрупами, відома під назву реакції Майяра, протікає порівняно активно. Фруктоза, подібно до глюкози, при нагріванні з кислотами перетворюється в оксиметилфурфурол і, далі, в левулинову кислоту. Як у кристалічній формі, так і в певних похідних, фруктоза зустрічається у формі фруктопераноза. Відомі також деякі з'єднання, в яких фруктоза знаходиться в кетоформе з прямим ланцюгом. Хімія фруктози досліджена, в порівнянні з глюкозою та іншими альдогексозами, вельми мало. Фруктоза має ряд цікавих, властивих тільки для неї, реакцій. Вона володіє здатністю створювати деякі органічні сполуки, з яких, наприклад, фруктозат кальцію має значення у харчовому режимі. Значення фруктози, як створювача комплексів, може виявитися великим.

Дуже цікаві біологічні властивості фруктози.

На відміну від глюкози, фруктоза абсорбується з травного тракту людини тільки шляхом пасивної дифузії. Цей процес займає порівняно довгий час. Метаболізм фруктози відбувається швидко і протікає, в основному, в печінці, але також і у стінках кишечника, і в нирках, зважаючи на особливий ланцюг фруктозо-1-фосфата, яка не регулюється інсуліном. З цього виходить, що фруктоза є придатною як підсолоджуюча речовина і джерело вуглеводів для хворих цукровим діабетом. Дослідження показали, що фруктоза прискорює метаболізм алкоголю в організмі людини. Вона застосовується, наприклад, при лікуванні отруєння алкоголем людини, причому фруктоза в цьому випадку вводиться внутрішньовенно. По деяких відомостях, під час сну метаболізм алкоголю з фруктозою, у відмінності від метаболізму без фруктози, відбувається з максимальною швидкістю. В даний час ведуться дослідження про позитивну дію фруктози на похмільний синдром. Жовтий наліт, що утворюється на зубах, менш інтенсивний і легше віддаляється при використанні в їжі фруктози, чим сахарози. Фруктозний наліт містить леван, а сахарозний - декстран. При заміні в раціоні сахарози фруктозою ураженість зубів знижується на 30 - 40%. Завдяки особливому обміну, фруктоза допомагає адаптації організму при тривалому стані напруги: водінні автомобіля, в спорті і т.д. Після ухвалення фруктози не спостерігається швидкого підвищення і потім подальшого пониження рівня цукру в крові, що властиве глюкозі і сахарозі. В стані напруженості джерелом енергії для організму служить глікоген, що утворився з фруктози, який забезпечує організм енергією більш рівномірно, в міру необхідності. З цієї причини останнім часом фруктозу почали додавати в препарати, призначені спортсменам для компенсації втрат рідині і солі в стані граничного навантаження організму.

Проте маючи безліч позитивних якостей, для фруктози властиве те, що, потрапляючи в організм, вона мине особливий ензим - фруктокиназу-1. А він несе відповідальність за переробку вуглеводів, що поступають в організм, в енергію і вирішує, на що ж перетворити отримані вуглеводи: у глікоген або в жир. Комплексні вуглеводи, такі як вівсянка, макарони, рис, потрапивши в організм, перетворюються, в основному, в глікоген, і в цьому вигляді відкладаються в печінці і м'язах. Відбувається це до тих пір, поки в «запасниках» вашого організму залишатиметься вільне місце, і лише потім ці вуглеводи почнуть перероблятися в жир (згідно з науковими даними, людський організм здатний відкласти про запас порядка 250-400 грамів вуглеводів у формі глікогену). Фруктозу ж печінка перетворює на жир, який, потрапляючи в кров, негайно вбирається жировими клітинами. Тому, присутня в комплексі ДД «Мікстура синього йоду» фруктоза, поступаючи в кров, більш поволі проходить через печінку, так званий, своєрідний фільтр організму. Таке уповільнення викликає крохмаль. Це дуже поважно, оскільки, коли фруктоза попаде в печінку, процес перетворення її в глікоген буде плавнішим. Організм не блокує будь-які інші вуглеводи, що поступають, як в печінку, так і в м'язи через печінку. До мінімуму зведений процес, коли незатребувані комплексні вуглеводи перетворяться не на дорогоцінний м'язовий глікоген, який здатний забезпечити могутній прилив енергії, а на ненависний жир!

Вживання фруктози в комплексі ДД «Мікстура синього йоду» ліквідовує деякі негативні її властивості - погіршення функції рецептора, відомого під назвою альфа-поліфосфорная кислота, унаслідок чого знімається проблема зростання процесу ожиріння, спостережуваного в світі. У складі препарату відчувається сприятливіші умови метаболічних процесів, не сприяючих накопиченню жиру.

Фруктоза (левулоза) принадлежит к кетогексозам. Фруктоза по сравнению с глюкозой более лабильна при действии кислот и оснований.

По степени сладости и физиологическому действию фруктоза превосходит глюкозу и сахарозу. Метаболизм фруктозы в организме человека, в отличие от глюкозы, проходит по иному механизму, что позволяет в умеренном количестве употреблять ее даже больным сахарным диабетом.

Существует несколько способов получения фруктозы : гидролиз сахарозы, изомеризация глюкозы, гидролиз фруктозосодержащих полимеров.

Из растворов, содержащих другие углеводы, фруктоза может быть выделена различными способами.

В промышленных условиях кристаллическую фруктозу получают из гидролизатов сахарозы или глюкозно-фруктозных сиропов, полученных изомеризацией гидролизатов крахмала.

Наиболее перспективным является производство фруктозы из сахарозы или крахмала с применением ионообменной технологии. По этому способу гидролиз сахарозы проводится при помощи ионообменной смолы. Крахмал гидролизуют, и изомеризуют глюкозу с применением ферментов. Разделение изомеризата на отдельные компоненты затем осуществляется хроматографическим методом на полистиролсульфонатном катионите в Са-форме.

Принципиальная схема получения фруктозы и глюкозы из сахарозы и крахмала приведена на рис.1.

Согласно приведенной схеме, раствор сахара 50% концентрации вначале подвергают ионообменной очистке для удаления главным образом минеральных несахаров. Очищенный раствор затем подвергают инверсии и хромато-графическому разделению. Для проведения этих операций целесообразно использовать хромато-графическую колонку с катионитом, который не полностью насыщен Са2+. Если инверсия осуществляется отдельно, то хромато-графическое разделение проводят на катионите, полностью переведенном в Са-форму. Отбор глюкозной и фруктозной фракций с колонки проводят так, чтобы они имели чистоту 95 %.

Среднюю смешанную фракцию используют для приготовления раствора сахарозы. После фильтрования и обесцвечивания растворы глюкозы и фруктозы сгущают до получения сиропов с концентрацией СВ 50-70%. Из фруктозной фракции получают фруктозные сиропы с содержанием 90 и 95% фруктозы на СВ. Кристаллизацией из фруктозного сиропа можно получить 50% кристаллической фруктозы. Если же кристаллизация проводится с применением метанола, то выход кристаллической фруктозы возрастает до 80%. Для увеличения выхода фруктозы глюкозный сироп может быть подвергнут изомеризации с получением изосиропа. Этот сироп в отличие от глюкозы обладает такой же сладостью, как сахароза, и может применяться как ее заменитель или может быть подвергнут хроматографическому разделению.

Для получения 1 кг фруктозы с 100% содержанием СВ необходимо 2,1 кг сахарозы, если не проводится изомеризация глюкозы, а если она проводится, то 1,5 кг.

Применение фруктозы, полученной из сахарозы в качестве подслащивающего вещества, позволяет заменить 3/4 сахарозы. Из сахарозы кроме фруктозы получается также глюкоза с выходом 50%. Глюкоза может быть использована, например, для производства витамина С.

Переработка крахмала с получением фруктозосодержащих растворов рассмотрена далее.

Глюкозно-фруктозные сиропы

В качестве полноценного заменителя сахарозы в пищевой промышленности широко используют глюкозно-фруктозные сиропы (ГФС). Их получают из крахмала путем многостадийного ферментативного процесса с применением б -амилазы, амилоглюкозидазы и глюкоизомеразы. Производят ГФС с 42, 55 и 90% содержанием фруктозы.

В качестве субстрата для изомеризации используют растворы глюкозы концентрацией 35-50%. Каждый ферментный препарат имеет свой оптимум рН, определяемый экспериментально, в основном, в пределах 7,5-8,2. Оптимальное значение температуры для большинства препаратов лежит в области 58-65 С.

Изомеризация глюкозы во фруктозу является обратимой реакцией. Равновесное состояние характеризуется содержанием 48-52% фруктозы и зависит от температуры реакции (табл.1).

Таблица 1 - Влияние температуры на процесс изомеризации глюкозы

фруктоза изомеризация глюкоза крахмал

Процесс получения фруктозосодержащих продуктов из крахмала представлен в виде схемы на рис.2. Он включает этапы гидролиза крахмала, изомеризации глюкозы, выделения фруктозы.

Рис.2 Принципиальная технологическая схема получения из крахмалаглюкозно-фруктозного сиропа

Гидролиз крахмала

В соответствии с разработанной технологией 38-40% суспензию кукурузного крахмала смешивают с рециркулирующей частью разжиженного крахмала и проводят двухстадийное разжижение крахмала ферментным препаратом (основной фермент -- б -амилаза) из расчета 0,02 масс. % препарата от массы СВ. Крахмальное молоко шнековым насосом из сборника подается в инжектор, предназначенный для быстрого нагревания суспензиии острым паром. Нагретый крахмальный клейстер (110°С) подается в выдерживатель, где поддерживается давление 0,3-0,4 МПа, затем в емкость-разжижитель, где из-за вскипания происходит дополнительная деструкция крахмала. Продолжительность выдерживания в разжижителе -- 15-30 мин (100°С). Степень гидролиза на первой стадии составляет 2-3% РВ. Частично гидролизованный крахмал подается в инжектор, в котором сироп нагревается до 140°С и впрыскивается в испаритель. Температура в испарителе устанавливается 85-90°С, и оттуда сироп подается на вторую ступень разжижения, иногда называемую стадией декстринизации. В сироп после испарителя подается фермент б -амилаза; обычно на эту стадию дается 2/3 всей нормы фермента. В конце второй ступени разжижения (1,5-3 ч) степень осахаривания достигает 14-17% РВ.

После разжижения крахмала гидролизат содержит 34-35% СВ, не дает синего окрашивания с иодом, глюкозный эквивалент его составляет 18-20%, вязкость -- 20-25 МПа*с. Осахаривание амилоглюкозидазой (0,3масс % препарата от массы СВ) осуществляют при 50-60°С, рН=4,5 (4,2-4,7), 48-72ч. Осахаривание сиропа ведут до достижения РВ 97-98%, что соответствует содержанию глюкозы в сиропе 93-94%. По достижении глюкозного эквивалента 97-98% (содержание глюкозы 96-97%) осахаривание крахмала прекращают, нагревая сироп до 90°С.

Осахаренный сироп направляют на станцию механического фильтрования для удаления нерастворимых примесей.

От растворимых примесей раствор очищают угольной и ионообменной очисткой. Угольная очистка проводится обычно в две стадии. Общий расход порошкообразного угля составляет 10-15 кг/1т СВ. На стадии очистки глюкозных гидролизатов используется около 40% общего количества угля, для очистки фруктозосодержащих сиропов -- 60%. При использовании гранулированного угля сорбент может быть регенерирован водяным паром при 600-800°С и использован повторно.

Очищенный от красящих веществ и части растворимых примесей глюкозный сироп поступает на ионообменную очистку. Обычно используются сульфостирольные катиониты и слабоосновные аниониты, например КУ-2-8 и АНТ-Э21. Колонны с ионитами обычно работают попарно -- сироп последовательно проходит катионо- и анионообменник.

Изомеризация глюкозы

Основной операцией производства ГФС является изомеризация глюкозы во фруктозу, которую проводят с использованием ферментных препаратов глюкоизомеразы, закрепленных (иммобилизованных) на твердой основе, например : оксид титана -- 30%, ДЭАЭ-целлюлоза -- 30%, полистирол -- 40 %. Оптимальными условиями для изомеризации являются: 55-57°С, рН=7,5ч7,8. Ингибиторами глюкоизомеразы являются кислород, ионы кальция, меди, никеля, цинка и некоторые другие примеси. Для стабилизации фермента добавляют соли магния и гидросульфит натрия. Обычно на изомеризацию подается сироп концентрацией 40-45% СВ.

Продолжительность контактирования сиропа с ферментом составляет 20-24 ч, расход фермента -- 0,07-0,1 масс.% от массы СВ. Для активации фермента перед изомеризацией в сироп добавляют MgSO4(0,025-0,015 моль/л) или CoSO4(0,0003-0,003 моль/л), а для подавления микрофлоры -- бисульфит натрия или калия (0,008-0,016 масс.% от массы СВ).

Вследствие обратимости реакции равновесие устанавливается при эквимолярном соотношении глюкозы и фруктозы; на практике реакцию прекращают по достижении концентрации фруктозы, равной 40-42% от массы СВ. Глюкоизомеразу используют в течение 28-30 сут., после чего она теряет свою активность, и ее выводят из производства. После изомеризации сироп очищают ионитами (катионит анионит) от солей жесткости и обесцвечивают активным углем; затем раствор фильтруют, концентрируют до 70-74% СВ под вакуумом и охлаждают до 25-30°С.

Применение ГФС-42 в некоторых случаях затрудняется образованием осадка глюкозы. Для предотвращения кристаллизации глюкозы сироп обогащают фруктозной фракцией и получают ГФС-55. По сладости ГФС-55 несколько превышает сахарозу, и образования осадка глюкозы в нем в период хранения при обычных условиях не происходит.

Получение фруктозы

Хроматографическое разделение глюкозы и фруктозы проводится в колонне, заполненной смолой с размерами частиц 0,3-0,35 мм. В верхнюю часть колонны вводится ГФС-42, который вытесняется водой. Для разделения используют сульфополистирольную смолу, для сшивки которой используют 4-6 % дивинилбензола. Сульфокислотные группы содержат ионы кальция. Фруктоза, образуя комплексы с ионами кальция, медленнее проходит через слой сорбента, чем глюкоза. Поэтому глюкоза вымывается первой из колонны и направляется на изомеризацию; затем выводится фракция, обогащенная фруктозой. Разделение проводят при 60°С, концентрация сиропа 40-60%. Фруктозная фракция с содержанием фруктозы около 90% (ГФС-90) добавляется к ГФС-42 с получением ГФС-55. Обогащенный фруктозой сироп дополнительно очищается на ионитах и активным углем, концентрируется до 75-77% СВ и в виде продукта ГФС-55 отправляется потребителям. ГФС-42 называют сиропами 1-го поколения, ГФС-55 -- сиропами 2-го поколения.

Небольшую часть ГФС-90 применяют для приготовления продуктов диетического питания и в фармацевтической промышленности.

Размещено на Allbest.ru