Fruktose [1] [2] | |
---|---|
Generel | |
Systematisk navn |
(3S,4R,5R)-1,3,4,5,6-pentahydroxyhexan-2-on( D- fructose), (3R,4S,5S)-1 ,3 ,4,5,6-pentahydroxyhexan-2-on ( L- fructose) |
Traditionelle navne | Fruktose, frugtsukker, frugtsukker, levulose, arabino-hexulose |
Chem. formel | C6H12O6 _ _ _ _ _ |
Fysiske egenskaber | |
Stat | farveløse krystaller |
Molar masse | 180,159 g/ mol |
Massefylde | 1.598 g/cm³ |
Termiske egenskaber | |
Temperatur | |
• smeltning | β - D- fructose: 102-104°C |
• kogning | 440°C |
• tænding | 219°C |
Entalpi | |
• smeltning | 33,0 kJ/mol |
• opløsning | –37,69 kJ/kg |
Kemiske egenskaber | |
Syredissociationskonstant | 11,90 |
Opløselighed | |
• i vand | 400 g/100 ml |
• i ethanol | 6,71 18 °C g/100 ml |
Rotation |
α - D -fructose: –133,5° → –92° β - D -fructose: –63,6° → –92° |
Optiske egenskaber | |
Brydningsindeks | 1,617 |
Struktur | |
Dipol moment | 15,0 D |
Klassifikation | |
Reg. CAS nummer | 57-48-7 |
PubChem | 5984 |
Reg. EINECS nummer | 200-333-3 |
SMIL | O[C@H]1[C@H](O)[C@H](O[C@]1(O)CO)CO |
InChI | InChI=1S/C6H12O6/c7-1-3(9)5(11)6(12)4(10)2-8/h3,5-9,11-12H,1-2H2/t3-,5-, 6- /m1/s1BJHIKXHVCXFQLS-UYFOZJQFSA-N |
CHEBI | 48095 |
ChemSpider | 5764 |
Sikkerhed | |
LD 50 | 15 g/kg (kaniner, intravenøst) [3] |
Data er baseret på standardbetingelser (25 °C, 100 kPa), medmindre andet er angivet. | |
Mediefiler på Wikimedia Commons |
Fructose (levulose, frugtsukker), C 6 H 12 O 6 er et monosaccharid fra ketohexosegruppen , en isomer af glucose . Et af de mest almindelige sukkerarter i naturen: det findes både i en individuel tilstand og som en del af disaccharider ( saccharose ) og polysaccharider ( inulin ). Udbredt i fødevareindustrien som sødemiddel . Det udfører vigtige biokemiske funktioner i den menneskelige krop.
Fructose blev opdaget af Augustin Pierre Dubrunfaud i 1847 under en sammenlignende undersøgelse af mælkesyre- og alkoholgæring af sukker opnået fra sukkerrørsaccharose. Dubrunfaud opdagede, at der under mælkesyregæringen er sukker til stede i gæringsvæsken, hvis rotationsvinkel adskiller sig fra den glukose, der allerede var kendt på det tidspunkt [4] .
I 1861 syntetiserede Alexander Mikhailovich Butlerov en blanding af sukkerarter - "formose" - ved kondensation af formaldehyd (formaldehyd) i nærværelse af katalysatorer: Ba (OH) 2 og Ca (OH) 2 , en af komponenterne i denne blanding er fruktose [5] .
Fructose er et monosaccharid og tilhører ketohexoseklassen . Det er en polyhydroxyketon med en ketogruppe ved C-2 og fem hydroxylgrupper . Strukturen af fructose har tre chirale carbonatomer, så denne struktur svarer til otte stereoisomerer (fire par enantiomerer ): fructose selv, såvel som dens stereoisomerer sorbose , tagatose og psicose [6] .
I fast tilstand og i opløsninger eksisterer fructose ikke i en lineær form, men i form af en cyklisk hemiacetal dannet som følge af tilføjelsen af OH-grupper ved C-5- eller C-6-atomet til ketogruppen. Denne hemiacetal er stabil: i opløsning er andelen af den åbne kædeform kun 0,5%, mens de resterende 99,5% er cykliske former. Hvis en hydroxylgruppe ved C-5 er involveret i ringslutningen, dannes en femleddet cyklus, som kaldes furanose (af navnet på furan - en femleddet heterocyklus med et oxygenatom), og cyklisk D- fructose er kaldet D- fructofuranose. Hvis der sker ringslutning på grund af hydroxylgruppen ved C-6, dannes en seksleddet pyranosering (af navnet pyran ), og sådan en cyklisk D- fructose kaldes D- fructopyranose [6] .
Med den beskrevne ringslutning opstår et nyt stereocenter ved C-2 hemiacetal-carbonatomet, så furanose- og pyranoseformerne af D - fructose kan desuden eksistere som to diastereomerer , kaldet anomerer : α - D- fructofuranose og β -D- fructofuranose; α - D- fructopyranoser og β -D- fructopyranoser. Normalt er de cykliske former for D - fructose afbildet ved hjælp af Haworth-projektioner - idealiserede seks-leddede ringe med substituenter over og under ringplanet [6] .
Isomere former for D - fructose | ||
---|---|---|
åben kæde form | Cykliske former | |
a - D- fructofuranose |
β - D- fructofuranose | |
a - D- fructopyranose |
β - D- fructopyranose |
Mere præcist er strukturen af D - fructoseanomerer afbildet som "stol"-konformationen, som er den mest stabile for pyranoseringen, og som "kappe"- og "twist"-konformationen for furanoseringen. Den nøjagtige konformation for furanose er ukendt [6] .
I opløsning er disse former for D - fructose i ligevægt. Blandt dem dominerer pyranoseformen, men med en stigning i temperaturen falder dens andel lidt [7] . Overvægten af β - D- fructopyranose forklares ved tilstedeværelsen af en hydrogenbinding mellem hydroxylgrupperne ved C-1 og C-3. I en 10% opløsning ved stuetemperatur har D- fructose følgende fordeling af cykliske former:
Krystallinsk D- fructose er β -D- fructopyranose; andre cykliske isomerer isoleres kun som derivater. I forbindelser som saccharose , raffinose og inulin findes D- fructose som β -D- fructofuranose [6] .
L -fructose forekommer ikke i naturen, men det kan syntetiseres kemisk eller opnås mikrobiologisk fra L -mannose eller L - mannitol [6] .
D -fructose er farveløse krystaller i form af prismer eller nåle med et smeltepunkt på 103-105 °C. Det krystalliserer normalt i vandfri form, men under 20 °C er hemihydrat og dihydrat også stabile [8] .
D- fructose er opløseligt i vand, pyridin , quinolin , acetone , methanol , ethanol , iseddikesyre . Dens opløselighed i vand er højere end for andre sukkerarter og er 4 g pr. 1 g vand ved 25 °C. Andelen af tørstof i en mættet fructoseopløsning ved 20 °C er 78,9 %, og ved 55 °C er den 88,1 %. På grund af en så høj opløselighed under den industrielle krystallisation af fructose fra opløsninger opstår der problemer med den høje viskositet af disse opløsninger: ved 50 °C er den dynamiske viskositet af en mættet fructoseopløsning 1630 mPa s, mens den for saccharose kun er 96,5 mPa s [2] .
Fruktose er det sødeste naturlige sukker. Krystallinsk fruktose er 1,8 gange sødere end krystallinsk saccharose. Dette gør det muligt for fructose at blive betragtet som et lovende sødestof, der giver samme sødme som saccharose, men har en lavere næringsværdi . Fructoses sødme i opløsninger afhænger af temperatur, pH og koncentration: den stiger, når opløsningen afkøles (dette forklares ved en stigning i andelen af sødere pyranoseformer [9] ) og når opløsningen syrnes [2] .
Fructose er bredt repræsenteret i naturen både i individuel form og som en del af saccharose (som sammen med D- fructose omfatter en D - glucoserest ). Mange planter indeholder polymerer af D- fructose- fructaner . Mest fruktose findes i honning (40 g pr. 100 g), æbler (6-8 g), pærer (5-9 g), svesker (15 g) [10] .
Det er mest økonomisk gennemførligt at anvende stivelse , saccharose og inulin som råmateriale til fremstilling af fruktose . Stivelse fremstilles hovedsageligt af majs. Det er et polysaccharid , der består af D- glucoseenheder. Da stivelse ikke indeholder fruktose, er det nødvendigt at finde en proces, der let vil omdanne glucose til fruktose. Saccharose er et industrielt produkt med stor kapacitet, som er et næsten ideelt råmateriale til fremstilling af fruktose på grund af dets meget gode tilgængelighed, høje renhed og høje begyndelsesindhold af fructose. Inulin er en fructan, der fås fra cikorierødder (15-20% af den samlede masse) og artiskokknolde [10] .
Fructose opnås fra stivelse i flere trin: stivelse gøres flydende (i dette tilfælde sker dens delvise hydrolyse ), derefter nedbrydes den til glucose, den resulterende glucose isomeriseres til fruktose, fructose isoleres fra opløsningen. Enzymatiske metoder til disse transformationer er blevet udviklet. For eksempel omdannes stivelse til glucose ved virkningen af a-amylase og glucoamylase , og glucose til fructose ved virkningen af glucose-isomerase . Glucose-isomerase kaldes faktisk xylose-isomerase, fordi den også omdanner D- xylose til D- xylulose og D- ribose til D- ribulose . En metode til at opnå fruktose fra stivelse blev udviklet i 1966. Siden 1968 er 42% fruktosesirup blevet opnået på denne måde. Kromatografisk oprensning gør det muligt at øge renheden af fructose op til 90 % [10] .
Baseret på saccharose blev den første kommercielle metode til fremstilling af fructose skabt: saccharose blev hydrolyseret, hvorefter den resulterende fructose og glucose blev adskilt kromatografisk. Moderne metoder tillader hydrolyse af saccharose ved en meget selektiv enzymatisk metode (under påvirkning af β-fructofuranosidase fra Saccharomyces cerevisiae ) eller med mineralsyrer ( salt eller svovlsyre ). Ulempen ved den første metode er den høje pris på enzymet og manglende evne til at udføre en kontinuerlig proces. På den anden side producerer hydrolyse med mineralsyrer uønskede biprodukter. Den mest avancerede metode er hydrolyse med immobiliserede stærkt sure kationbyttere : den tillader hydrolyse af 50-60% saccharoseopløsninger ved en temperatur på 30-45 °C med praktisk talt ingen dannelse af biprodukter. De opnåede sukkerarter adskilles ved kromatografi, hvorved der opnås to fraktioner med en renhed over 95 % [11] .
Produktionen af fructose fra inulin, som igen kommer fra cikorie, blev organiseret i midten af 1990'erne. Denne metode er også baseret på hydrolyse, som kan udføres enzymatisk eller under påvirkning af syrer. Syrehydrolyse er kun af videnskabelig interesse, eftersom de forskellige testede syrer (svovlsyre, saltsyre, fosforsyre , citronsyre , oxalsyre , vinsyre ) førte til nedbrydning af fructose og dannelse af biprodukter. En søgning er i gang efter andre sure katalysatorer, blandt hvilke zeolitter har vist sig at være blødere [12] .
Blandt enzymerne skiller exoinulinase og endoinulinase fra Aspergillus niger sig ud , hvis blanding tillader omdannelse af inulin til fructose i ét trin. Produktionen af fructose fra stivelse kræver mange flere enzymatiske trin og giver kun 45 % fruktose. Hydrolyse udføres i et neutralt eller let surt medium ved 60 ° C og tager 12-24 timer Fructoseindholdet i siruppen er 85-95%; resten er glucose (3-13%) og oligosaccharider (1-2%). Den resulterende sirup renses fra uorganiske urenheder, affarves og koncentreres [12] .
Krystallisation af fructose efter syntese er et komplekst trin, så det er nødvendigt, at opløsningen indeholder mindst 90% fruktose af den samlede masse af opløste stoffer. Der anvendes forskellige kombinationer af betingelser, herunder krystallisation ved atmosfærisk eller reduceret tryk, forskellige køleregimer, kontinuerlige eller batch-processer, dog anvendes vand altid som opløsningsmiddel, da separationen og genvindingen af opløsningsmidlet kræver for stor indsats. Det krystallinske produkt separeres fra moderluden i centrifuger og tørres derefter. Urenheden af glucose interfererer med krystallisation: det øger opløseligheden af fructose i vand og reducerer overmætningen af opløsningen. Også i krystallisationsprocessen dannes fruktosedimerer, som co-krystalliserer med fruktose og forstyrrer krystalvækst [13] .
Fructose gennemgår kemiske reaktioner, der er typiske for monosaccharider, og danner ethere og estere , såvel som acetaler og glycosider . På grund af tilstedeværelsen af en carbonylgruppe giver det produkter af tilsætning af nukleofile reagenser: aminer , aminosyrer , peptider osv. Med phenylhydrazin giver det en ozon identisk med den af glucose eller mannose [14] [8] .
Fructose kan reduceres , herunder enzymatisk, til mannitol eller sorbitol . En industriel metode til fremstilling af mannitol er baseret på katalytisk hydrogenering af carbonylgruppen i fructose i nærværelse af en nikkel- eller kobberkatalysator . I industrien udføres katalytisk oxidation af fructose med luft eller oxygen også i nærværelse af katalysatorer baseret på ædelmetaller. I dette tilfælde dannes to hovedprodukter: 2 -keto -D - gluconsyre og 5-ketofructose [14] .
I modsætning til glucose og andre aldoser er fructose ustabil i både alkaliske og sure opløsninger. I et alkalisk medium isomeriserer fructose via endiolformen til glucose og mannose med en lille blanding af psicose (Lobri de Bruyn-Van Eckenstein-omlejringen). Ved opvarmning under alkaliske forhold, fructosefragmenter, hvilket giver glyceraldehyder , mælkesyre , methylglyoxal og andre nedbrydningsprodukter [14] [8] }.
Ved opvarmning fører fast fructose eller dens mættede opløsning til dehydrering og dannelse af kondensationsprodukter. Opvarmning i nærvær af aminosyrer fører til farvede og lugtende Maillard-reaktionsprodukter . Ved opvarmning i nærvær af en syre sker der også dehydrering, og 5-hydroxymethylfurfural dannes . Denne egenskab er grundlaget for en kvalitativ reaktion på fructose - Selivanovs tests [14] .
Tilgængeligheden af D- fructose og dens lave omkostninger bestemmer dets anvendelse i stereoselektiv syntese som en chiral udgangsforbindelse. Især fås sådanne sjældne sukkerarter som D- psicose fra det [14] .
På grund af nogle særlige egenskaber er fruktose meget brugt som sødemiddel . Dens øgede sødme og synergistiske effekt med andre sødestoffer gør det muligt at tilsætte mindre sukker til fødevarer, hvorfor det ofte bruges i fødevarer med lavt kalorieindhold. Det kan også forbedre frugtsmag. Fruktose har en høj opløselighed ved lave temperaturer og sænker i høj grad smeltepunktet for dets opløsninger, så dets anvendelse er af interesse i fremstillingen af is, hvor disse egenskaber er vigtige for produktets tekstur [15] .
Fructose er meget udbredt i drikkevarer (kulsyreholdige, sport, kaloriefattige osv.), frosne desserter, bagværk, dåsefrugter, chokolade, slik og mejeriprodukter. På grund af dets gode opløselighed i ethanol bruges det i søde likører [15] .
Fruktoseabsorption sker i tyndtarmen på grund af lettet diffusion under påvirkning af GLUT5 -bærerproteinet . Fruktose kommer ind i blodbanen gennem portvenen og overføres derefter til leveren , hvor det hovedsageligt akkumuleres. Ved øget forbrug omsættes det delvist til laktat allerede i tarmslimhinden, som så omdannes til glukose i leveren. Fructose metaboliseres i kroppen ved phosphorylering af fructokinase til fructose-1-phosphat . Det nedbrydes derefter til dihydroxyacetonephosphat og D- glyceraldehyd . Triosekinase omdanner derefter sidstnævnte til glyceraldehyd-3-phosphat . Når den metaboliseres, giver fructose overvejende glucose, glykogen og laktat [16] .
Effekten af fruktose på blodsukkerniveauet er meget lille. Dets glykæmiske indeks er 32, hvilket forklares ved dets delvise omdannelse til glukose i leveren. Fruktose stimulerer svagt insulinudskillelsen og kan trænge ind i cellerne uden insulindeltagelse , så det anbefales som sødemiddel til diabetikere [16] .
En sjælden genetisk lidelse forbundet med fructoseforbrug er arvelig fruktoseintolerance . Det er forbundet med fraværet af et enzym, der nedbryder fructose-1-phosphat, hvilket forårsager ophobning af sidstnævnte i leveren. Dette fører til blokering af glykolyse og glukoneogenese og derefter til hypoglykæmi [16] .
Overdreven indtagelse af fructose-rige fødevarer menes at føre til negative sundhedseffekter. [17] [18] [19] I modsætning til glucose, hvis metabolisme er mere stramt styret af enzymet phosphofructokinase-1 , metaboliseres og reguleres fructose på en mindre kompleks måde. Enzymet fructokinase , som aktiverer fructose intracellulært ved phosphorylering til inkorporering i metaboliske veje, er ikke underlagt negativ feedbackkontrol fra efterfølgende glykolysemellemprodukter, Krebs-cyklussen eller energibærere, som det er tilfældet for glucose. [20] [21] [22] Dette kan resultere i adskillelse af store mængder acetyl-CoA , produceret af fructose metabolisme, i fedtsyrebiosyntesereaktionen. [23] [24] Aktivering af biosynteseveje for fedtsyrer fører til en signifikant stigning i hastigheden for generering og akkumulering af forskellige fedtstoffer. Det antages, at hos nogle pattedyr i dvale kan denne løst regulerede fructoseudnyttelse have en positiv adaptiv rolle. [25] Den hurtige ophobning af fedt ved at spise frugter med højt fructoseindhold, der modner om efteråret, giver dem mulighed for at opbygge en betydelig energireserve på kort tid. Hos nogle dyr, der lever i meget sæsonbestemte områder , kan denne mekanisme også fremme fedtophobning for øget udholdenhed og overlevelse i løbet af vinteren, hvor fødeforsyningen er drastisk reduceret. [26] Denne mekanisme menes også at være til stede i primater , inklusive mennesker. Desuden kan dets resterende virkninger gøre mere skade end gavn, da dvale ikke er en selektiv kraft i dagens samfund, og det menneskelige stofskifte ikke har tilpasset sig til at klare overdreven kalorie-/kulhydratindtagelse. [21] [26]
Moderat frugtforbrug øger normalt ikke blodfructose, da tyndtarmen omdanner det til glukose [ specificér ] . [27] Men hvis fruktose tilsættes kunstigt til fødevarer, eller når der indtages store mængder fruktose eller frugter rige på saccharose (sammensat af glucose og fruktose), kan det mærkbart nå det systemiske kredsløb. [28] Den systemiske biotilgængelighed af fructose er positivt korreleret med øget de novo lipogenese , hæmning af fedtsyreoxidation , øget leverfedt, postprandiale triglycerider , kolesterol , low-density lipoprotein (LDL), high-density lipoprotein (HDL) og C -reaktivt protein . Disse effekter er betydeligt mere udtalte ved indtagelse af fruktose end ved overskydende glukoseindtag. [29] Desuden forstærkes den lipogene virkning af fructose af forbruget af mættede fedtsyrer. [30] Denne synergistiske effekt er mere tilbøjelig til at forekomme med fastfood -diæter, som har en tendens til at være høj i sukker og højt fedtindhold forarbejdede olier. [31]
Mellemprodukter af fructosemetabolisme kan også aktivere den glykolytiske vej , der kommer ind i den via glyceraldehyd-3-phosphat og dihydroxyacetone-phosphat, hvilket kan være særligt skadeligt ved kræft på grund af Warburg-effekten . [32] Forbigående intracellulær fosfatudtømning på grund af overdreven fosforylering af fructose af fructokinase kan også påvirke purinmetabolismen , hvilket fører til øget produktion af urinsyre. Urinsyre kan til gengæld fremme lipogenese samt mediere andre patologiske processer, der spiller en vigtig rolle i udviklingen af metabolisk syndrom , forhøjet blodtryk og gigt . [33] Fructoses negative metaboliske virkninger forværres af dens manglende evne, i modsætning til glucose, til at fremkalde mæthed. Dette kan være årsagen til mindre kontrolleret eller overdreven indtagelse af mad rig på fruktose. [34]
Arvelig fructokinasemangel synes ikke at have nogen klare negative konsekvenser for menneskers sundhed [35] og kan tværtimod føre til en forbedret prognose i populationer, hvis kost indeholder en stor mængde fructose. [36] Mest sandsynligt, i fravær af normal fructokinase aktivitet, vil metabolismen af eksogen fructose falde, da fructose metabolitter hverken kan inkluderes i biosyntesen af acetyl-CoA eller stimulere syntesen og akkumuleringen af lipider. Overdreven fruktose vil simpelthen blive udskilt i urinen, hvilket fører til fructosuri, en praktisk talt harmløs medicinsk tilstand, der kan opdages tilfældigt under en fysisk undersøgelse af ikke-relaterede årsager. [37] Hæmning af fructokinase har også vist sig at være gavnlig ved akut iskæmisk nyresygdom, da fructose medierer oxidativt stress og celleskade i denne lidelse. [38] [39] Forebyggelse eller reduktion af eksogent fruktosemetabolisme forventes at være gavnligt i forhold til kulhydrat- og lipidmetabolisme, samt reducere urinsyreproduktionen, hvilket også er en positiv udvikling, da øget urinsyreophobning forårsager oxidativt stress og inflammation . [40] Luteolin, en ingrediens i adskillige kosttilskud, er blevet brugt i dyreforsøg til at hæmme fructosemetabolisme og har vist gavnlige effekter ved fructosemedierede sygdomsforstyrrelser. Imidlertid er den kliniske betydning af disse fund hos mennesker ukendt. [37]
Sukker | |
---|---|
Sorter | |
Frigivelsesformular | |
Relaterede produkter | |
|