Фруктоза

Фруктоза(левулоза, фруктовый сахар), C6H12O6—моносахаридиз группыкетогексоз,изомерглюкозы. Один из наиболее распространённых в природесахаров: встречается как в индивидуальном состоянии, так и в составе дисахаридов (сахарозы) и полисахаридов (инулина). Широко применяется впищевой промышленностикакподсластитель. Выполняет важные биохимические функции в организме человека.
Фруктоза была открытаОгюстеном Пьером Дюбрюнфов 1847 году в ходе сравнительного исследования молочнокислого и спиртового брожениясахара, полученного из сахарозы сахарного тростника. Дюбрюнфо обнаружил, что в ходе молочнокислого брожения в ферментационной жидкости присутствует сахар, угол вращения которого отличается от уже известной в то время глюкозы.
В 1861 годуАлександр Михайлович Бутлеровсинтезировал смесь сахаров — «формозу» — конденсациейформальдегида (муравьиного альдегида)в присутствии катализаторов: Ba(OH)2и Ca(OH)2, одним из компонентов этой смеси является фруктоза.
Фруктоза являетсямоносахаридоми принадлежит к классукетогексоз. Это полигидроксикетон скетогруппойпри атоме C-2 и пятьюгидроксильными группами. В структуре фруктозы есть трихиральныхатома углерода, поэтому такой структуре соответствует восемьстереоизомеров(четыре парыэнантиомеров): сама фруктоза, а также её стереоизомерысорбоза,тагатозаипсикоза.
В твёрдом состоянии и в растворах фруктоза существует не в линейной форме, а в виде циклическогополуацеталя, образованного в результате присоединения ОН-групп при атоме С-5 или С-6 к кетогруппе. Этот полуацеталь устойчив: в растворе доля открытоцепной формы составляет лишь 0,5 %, тогда как остальные 99,5 % приходятся на циклические формы. Если в циклизации участвует гидроксильная группа при С-5, образуется пятичленный цикл, который называетсяфуранозным(от названияфурана— пятичленногогетероциклас одним атомом кислорода), а циклическуюD-фруктозу называютD-фруктофуранозой. Если циклизация происходит за счёт гидроксильной группы при C-6, образуется шестичленный,пиранозныйцикл (от названияпирана), а такая циклическаяD-фруктоза называетсяD-фруктопиранозой.
При описанной циклизации возникает новый стереоцентр при полуацетальном атоме углерода С-2, поэтому фуранозная и пиранозная формыD-фруктозы могут дополнительно существовать в виде двухдиастереомеров, называемыханомерами: α-D-фруктофуранозы и β-D-фруктофуранозы; α-D-фруктопиранозы и β-D-фруктопиранозы. Обычно циклические формыD-фруктозы изображают при помощипроекций Хеуорса— идеализированных шестичленных циклов с заместителями над и под плоскостью цикла.
Более точно структуру аномеровD-фруктозы изображают в виде конформации «кресло», которая является наиболее устойчивой для пиранозного цикла, и в виде конформаций «конверт» и «твист» для фуранозного цикла. Точная конформация для фураноз неизвестна.
В растворе эти формыD-фруктозы находятся в равновесии. Среди них преобладает пиранозная форма, но при повышении температуры её доля немного уменьшается. Преобладание β-D-фруктопиранозы объясняют наличиемводородной связимежду гидроксильными группами при С-1 и С-3. В 10%-м растворе при комнатной температуреD-фруктоза имеет следующее распределение циклических форм:
КристаллическаяD-фруктоза представляет собой β-D-фруктопиранозу; другие циклические изомеры выделены только в виде производных. В таких соединениях, каксахароза,рафинозаиинулин,D-фруктоза находится в виде β-D-фруктофуранозы.
L-фруктоза не встречается в природе, но её можно синтезировать химически либо получить микробиологически изL-маннозы илиL-маннита.
D-фруктоза представляет собой бесцветные кристаллы в виде призм или игл стемпературой плавления103—105 °С. Обычно кристаллизуется в безводном виде, но ниже 20 °С устойчивы также полугидрат и дигидрат.
D-фруктоза растворима в воде,пиридине,хинолине,ацетоне,метаноле,этаноле, ледянойуксусной кислоте. Её растворимость в воде выше, чем у других сахаров и составляет 4 г на 1 г воды при 25 °С. Доля сухого вещества в насыщенном растворе фруктозы при 20 °С составляет 78,9 %, а при 55 °С — 88,1 %. Из-за такой высокой растворимости при промышленной кристаллизации фруктозы из растворов возникают проблемы с высокой вязкостью этих растворов: при 50 °Сдинамическая вязкостьнасыщенного раствора фруктозы составляет 1630 мПа·с, тогда как длясахарозыона равна всего 96,5 мПа·с.
Фруктоза — самый сладкий из природных сахаров. Кристаллическая фруктоза в 1,8 раза слаще кристаллической сахарозы. Это позволяет рассматривать фруктозу как перспективный подсластитель, который обеспечивает такую же сладость, как сахароза, но при этом имеет более низкуюпищевую ценность. Сладость фруктозы в растворах зависит от температуры,pHи концентрации: она повышается при охлаждении раствора (это объясняют повышением доли более сладких пиранозных форм) и при подкислении раствора.
Фруктоза широко представлена в природе как в индивидуальном виде, так и в составесахарозы(в которую наряду сD-фруктозой входит остатокD-глюкозы). Во многих растениях встречаются полимерыD-фруктозы —фруктаны. Больше всего фруктозы содержится в мёде (40 г в 100 г), яблоках (6–8 г), грушах (5–9 г), черносливе (15 г).
Наиболее экономически целесообразно в качестве сырья для производства фруктозы использоватькрахмал, сахарозу иинулин. Крахмал производят преимущественно из кукурузы. Этополисахарид, который состоит из звеньевD-глюкозы. Поскольку фруктоза в крахмале не содержится, необходимо подобрать такой процесс, в котором глюкоза будет легко превращаться во фруктозу. Сахароза — это крупнотоннажный промышленный продукт, являющийся практически идеальным сырьём для производства фруктозы за счёт очень хорошей доступности, высокой чистоты и высокого изначального содержания фруктозы. Инулин — это фруктан, который получают из корнейцикория(15—20 % от общей массы) и клубнейартишока.
Фруктозу получают из крахмала в несколько стадий: крахмал разжижают (при этом происходит его частичныйгидролиз), затем разлагают его до глюкозы, полученную глюкозу изомеризуют во фруктозу, фруктозу выделяют из раствора. Разработаны ферментативные способы этих преобразований. Например, крахмал превращают в глюкозу под действиемα-амилазыиглюкоамилазы, а глюкозу во фруктозу — под действиемглюкозоизомеразы. Глюкозоизомераза на самом деле называется ксилозоизомеразой, поскольку она также превращаетD-ксилозувD-ксилулозу, аD-рибозу— вD-рибулозу. Способ получения фруктозы из крахмала был разработан в 1966 году. С 1968 года так получают 42%-ый фруктозный сироп.Хроматографическаяочистка позволяет повысить чистоту фруктозы до 90 %.
На основе сахарозы был создан первый коммерческий способ получения фруктозы: сахарозу гидролизовали, после чего полученные фруктозу и глюкозу разделяли хроматографически. Современные методы позволяют проводить гидролиз сахарозы высокоселективным ферментативным способом (под действием β-фруктофуранозидазы изSaccharomyces cerevisiae) либоминеральными кислотами(солянойилисерной). Недостатком первого способа является высокая цена фермента и невозможность проводить непрерывный процесс. С другой стороны, при гидролизе минеральными кислотами образуются нежелательные побочные продукты. Наиболее продвинутым способом является гидролиз иммобилизованными сильнокислымикатионитами: он позволяет гидролизовать 50—60%-ые растворы сахарозы при температуре 30—45 °С практически без образования побочных продуктов. Полученные сахара разделяют хроматографией, получая две фракции с чистотой выше 95 %.
Производство фруктозы из инулина, который в свою очередь получается из цикория, было организовано в середине 1990-х годов. В основе этого метода также лежит гидролиз, который можно реализовать ферментативно или под действием кислот.
Кислотный гидролиз представляет лишь научный интерес, поскольку различные испытанные кислоты (серная, соляная,фосфорная,лимонная,щавелевая,винная) приводили к разложению фруктозы и образованию побочных продуктов. Ведётся поиск других кислотных катализаторов, среди которых более мягкими показали себяцеолиты.
Среди ферментов выгодно отличаются экзоинулиназа и эндоинулиназа изAspergillus niger, смесь которых позволяет превратить инулин во фруктозу в одну стадию. Производство фруктозы из крахмала требует гораздо больше ферментативных стадий и даёт выход фруктозы лишь в 45 %. Гидролиз проводится в нейтральной или слабокислой среде при 60 °С и занимает 12—24 ч. Содержание фруктозы в сиропе составляет 85—95 %; остальное приходится на глюкозу (3—13 %) иолигосахариды(1—2 %). Полученный сироп очищают от неорганических примесей, обесцвечивают и концентрируют.
Кристаллизацияфруктозы после синтеза является сложной стадией, поэтому необходимо, чтобы раствор содержал минимум 90 % фруктозы от общей массы растворённых веществ. Применяют различные комбинации условий, включая кристаллизацию при атмосферном либо пониженном давлении, различные режимы охлаждения, непрерывные или периодические процессы, однако в качестве растворителя всегда используется вода, поскольку отделение и регенерация растворителя требует слишком много усилий. Кристаллический продукт отделяют отматочного растворавцентрифугах, а затем сушат. Кристаллизации мешает примесь глюкозы: она повышает растворимость фруктозы в воде и снижает пересыщенность раствора. Также в процессе кристаллизации образуются димеры фруктозы, которые сокристаллизуются с фруктозой и мешают росту кристаллов.
Фруктоза вступает в химические реакции, типичные для моносахаридов, образуяпростыеисложные эфиры, а такжеацеталиигликозиды. За счёт наличиякарбонильной группыона даёт продукты присоединениянуклеофильныхреагентов:аминов,аминокислот,пептидови др. Сфенилгидразиномона даётозазон, идентичный озазону глюкозы или маннозы.
Фруктозу можновосстановить, в том числе ферментативно, доманнитаилисорбита. На каталитическом гидрировании карбонильной группы фруктозы в присутствииникелевогоилимедногокатализатораоснован промышленный способ получения маннита. В промышленности также проводят каталитическоеокислениефруктозы воздухом или кислородом в присутствии катализаторов на основе благородных металлов. При этом образуются два основных продукта: 2-кето-D-глюконовая кислота и 5-кетофруктоза.
В отличие от глюкозы и других альдоз, фруктоза неустойчива как в щелочных, так и кислых растворах. В щелочной среде фруктоза через ендиольную форму изомеризуется вглюкозуиманнозус небольшой примесьюпсикозы(перегруппировка Лобри де Брюина — Ван Экенштейна). При нагревании в щелочных условиях фруктоза фрагментируется, даваяглицеральдегиды,молочную кислоту,метилглиоксальи другие продукты разложения.
При нагревании твёрдой фруктозы или её насыщенного раствора приводит кдегидратациии образованию продуктов конденсации. Нагревание в присутствии аминокислот приводит к окрашенным и пахучим продуктамреакции Майяра. При нагревании в присутствии кислоты также происходит дегидратация и образуется5-гидроксиметилфурфурол. Это свойство является основой для качественной реакции на фруктозу —пробы Селиванова.
ДоступностьD-фруктозы и её низкая стоимость обуславливают её использование встереоселективном синтезев качествехиральногоисходного соединения. В частности, из неё получают такие редкие сахара, какD-псикозу.
Благодаря некоторым особенным свойствам фруктоза широко используется какподсластитель. Её повышенная сладость исинергетическоедействие с другими подсластителями позволяет добавлять в продукты меньше сахара, поэтому её часто используют в низкокалорийной пище. Также она способна усиливать фруктовые вкусы. Фруктоза обладает высокой растворимостью при низких температурах и сильно понижает температуру плавления своих растворов, поэтому её использование представляет интерес в производстве мороженого, где эти свойства важны для текстуры продукта.
Фруктоза широко применяется внапитках(газированных, спортивных, низкокалорийных и т. д.),замороженных десертах,выпечке,консервированныхфруктах,шоколаде,конфетахимолочных продуктах. Благодаря хорошей растворимости в этаноле она применяется в сладких ликёрах.
Всасывание фруктозы происходит втонкой кишкеза счёт облегчённой диффузии под действиембелка-переносчикаGLUT5. В кровь фруктоза попадает черезворотную вену, а затем переносится впечень, где преимущественно и накапливается. При повышенном потреблении она частично метаболизируется долактатауже в слизистой кишечника, который затем в печени превращается в глюкозу. Фруктоза метаболизируется в организме путём фосфорилирования под действиемфруктокиназыдофруктозо-1-фосфата. Он затем разлагается надигидроксиацетонфосфатиD-глицериновый альдегид. Триозокиназа затем превращает последний вглицеральдегид-3-фосфат. Таким образом, при метаболизме фруктоза даёт преимущественно глюкозу,гликогени лактат.
Влияние фруктозы на уровень глюкозы в крови очень маленькое. Еёгликемический индексравен 32, что объясняется её частичным превращением в глюкозу в печени. Фруктоза слабо стимулируетсекрециюинсулинаи может проникать в клетки без его участия, поэтому она рекомендована как подсластитель длядиабетиков.
С потреблением фруктозы связано такое редкоегенетическое заболевание, какнаследственная непереносимость фруктозы. Оно связано с отсутствием фермента, разлагающего фруктозо-1-фосфат, из-за чего происходит накопление последнего в печени. Это ведёт к блокировкегликолизаиглюконеогенеза, а затем кгипогликемии.
Считается, что чрезмерное потребление продуктов, богатых фруктозой, приводит к негативным последствиям для здоровья. В отличие от глюкозы, метаболизм которой более жёстко управляется ферментомфосфофруктокиназой-1, метаболизм и регулирование обмена фруктозы происходит менее сложным способом. Ферментфруктокиназа, активирующий фруктозу внутриклеточно с помощью фосфорилирования для включения её в метаболические пути, не подвергается отрицательному обратному контролю со стороны последующих промежуточных звеньев гликолиза,цикла Кребсаили энергоносителей, как имеет место в случае глюкозы. Это может приводить к эшелонированию большого количестваацетил-КоА, образующегося в результате метаболизма фруктозы, в реакции биосинтеза жирных кислот. Активация путей биосинтеза жирных кислот приводит к значительному увеличению скорости генерации и накопления различных жиров. Предполагается, что у некоторых впадающих вспячкумлекопитающих такое слабо регулируемое использование фруктозы может иметь положительную адаптивную роль. Быстрое накопление жира за счёт употребления спелых плодов с высоким содержанием фруктозы, поспевших осенью, позволяет им за короткое время сформировать значительный запас энергии. У некоторых животных, обитающих в местах с ярко выраженнойсезонностью, этот механизм также может способствовать накоплению жира для повышения выносливости и выживания зимой, когда количество добываемой пищи резко снижается. Считается, что этот механизм присутствует также уприматов, в том числе и у человека. Более того, его остаточные эффекты могут принести больше вреда, чем пользы, поскольку в современном обществе спячка не является движущей силой отбора, а человеческий метаболизм не приспособился справляться с чрезмерным потреблением калорий/углеводов.
Умеренное потребление фруктов обычно не увеличивает содержания фруктозы в крови, посколькутонкая кишкапреобразует её в глюкозу.Однако при искусственном добавлении фруктозы в пищевые продукты или употреблении большого количества фруктозы или плодов, богатых сахарозой (состоящей из глюкозы и фруктозы) она может заметно достигать системного кровообращения. Системная биодоступность фруктозы положительно коррелирует с повышенным de novoлипогенезом, торможениемокисления жирных кислот, повышенным содержанием жиров в печени, постпрандиальныхтриглицеридов,холестерина,липопротеинов низкой плотности(ЛПНП),липопротеинов высокой плотности(ЛПВП) иС-реактивного белка. Эти эффекты значительно более выражены в отношении потребления фруктозы по сравнению с избыточным потреблением глюкозы. Более того, липогенный эффект фруктозы усиливается на фоне потребления насыщенных жирных кислот. Такое синергетическое действие, скорее всего, возникает в случае рационов, на основефастфудов, в которые, как правило, добавляются большие количества сахара и переработанных масел с высоким содержанием жиров.
Промежуточные продукты метаболизма фруктозы также могут активироватьгликолитический путь, входя в него через глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат, что может быть особенно пагубным при онкологических заболеваниях из-заэффекта Варбурга. Транзиторное внутриклеточное истощение фосфатов из-за чрезмерного фосфорилирования фруктозы фруктокиназой также может влиять напуриновый метаболизм, приводя к повышенной выработке мочевой кислоты.Мочевая кислота, в свою очередь, может способствовать липогенезу, а также выступать посредником в других патологических процессах, которые играют важную роль в развитииметаболического синдрома,высокого артериального давленияиподагры. Отрицательные метаболические эффекты фруктозы усугубляются её неспособностью, в отличие от глюкозы, вызывать чувство насыщения. Это может быть причиной менее контролируемого или чрезмерного потребления пищи, богатой фруктозой.
Наследственный дефицит фруктокиназы, по-видимому, не имеет каких-либо явных негативных последствий для здоровья человекаи даже, напротив, может приводить к улучшенному прогнозу в популяциях, рационы которых включают большое количество фруктозы. Скорее всего, в отсутствие нормальной активности фруктокиназы метаболизм экзогенной фруктозы будет снижаться, поскольку метаболиты фруктозы не смогут ни включаться в биосинтез ацетил-КоА, ни стимулировать синтез и накопление липидов. Чрезмерное количество фруктозы будет просто выделяться с мочой, приводя к фруктозурии — практически безвредному медицинскому состоянию, которое может быть случайно обнаружено во времямедицинского осмотрапо несвязанным причинам. Показано, что ингибирование фруктокиназы может быть полезным и при остромишемическомпоражении почек, так как при этом нарушении фруктоза опосредует окислительный стресс и повреждение клеток. Предполагается, что предотвращение или снижение метаболизма экзогенной фруктозы будет благоприятным с точки зрения углеводного и липидного обмена, а также снизит выработку мочевой кислоты, что также является положительным моментом, поскольку увеличение накопления мочевой кислоты вызывает окислительный стресс и воспаление. Лютеолин, ингредиент некоторых БАДов, использовался в исследованиях на животных для ингибирования метаболизма фруктозы и показал благоприятные эффекты при нарушении патологических процессов, опосредованного фруктозой. Однако клиническая значимость этих результатов для человека неизвестна.