Fruktóz [1] [2] | |
---|---|
Tábornok | |
Szisztematikus név |
(3S,4R,5R)-1,3,4,5,6-pentahidroxi-hexán-2-on ( D - fruktóz), (3R,4S,5S) -1,3 ,4,5,6-pentahidroxi-hexán-2-on ( L -fruktóz) |
Hagyományos nevek | Fruktóz, gyümölcscukor, gyümölcscukor, levulóz, arabino-hexulóz |
Chem. képlet | C6H12O6 _ _ _ _ _ |
Fizikai tulajdonságok | |
Állapot | színtelen kristályok |
Moláris tömeg | 180,159 g/ mol |
Sűrűség | 1,598 g/cm³ |
Termikus tulajdonságok | |
Hőfok | |
• olvadás | β - D -fruktóz: 102-104°C |
• forralás | 440 °C |
• gyújtás | 219 °C |
Entalpia | |
• olvadás | 33,0 kJ/mol |
• feloldódás | –37,69 kJ/kg |
Kémiai tulajdonságok | |
Sav disszociációs állandó | 11.90 |
Oldhatóság | |
• vízben | 400 g/100 ml |
• etanolban | 6,71 18 °C g/100 ml |
Forgás |
α - D -fruktóz: -133,5° → -92° β - D -fruktóz: -63,6° → -92° |
Optikai tulajdonságok | |
Törésmutató | 1.617 |
Szerkezet | |
Dipólmomentum | 15,0 D |
Osztályozás | |
Reg. CAS szám | 57-48-7 |
PubChem | 5984 |
Reg. EINECS szám | 200-333-3 |
MOSOLYOK | O[CH]1[CH](O)[CH](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 |
Biztonság | |
LD 50 | 15 g/kg (nyulak, intravénásan) [3] |
Az adatok standard körülményeken (25 °C, 100 kPa) alapulnak, hacsak nincs másképp jelezve. | |
Médiafájlok a Wikimedia Commons oldalon |
A fruktóz (levulóz, gyümölcscukor), C 6 H 12 O 6 a ketohexóz csoport monoszacharidja , a glükóz izomerje . Az egyik leggyakoribb cukor a természetben: egyedi állapotban és diszacharidok ( szacharóz ) és poliszacharidok ( inulin ) részeként egyaránt megtalálható. Az élelmiszeriparban széles körben használják édesítőszerként . Fontos biokémiai funkciókat lát el az emberi szervezetben.
A fruktózt Augustin Pierre Dubrunfaud fedezte fel 1847-ben a cukornád-szacharózból nyert cukor tejsavas és alkoholos erjesztésének összehasonlító vizsgálata során . Dubrunfaud felfedezte, hogy a tejsavas erjedés során a fermentációs folyadékban cukor van jelen, amelynek elfordulási szöge eltér az akkor már ismert glükóztól [4] .
Alekszandr Mihajlovics Butlerov 1861-ben formaldehid (formaldehid) kondenzációjával cukrok keverékét - "formózt" szintetizálta katalizátorok: Ba (OH) 2 és Ca (OH) 2 jelenlétében , ennek a keveréknek az egyik összetevője fruktóz [5] .
A fruktóz monoszacharid és a ketohexóz osztályba tartozik . Ez egy polihidroxi-keton, C-2- ben egy ketocsoport és öt hidroxilcsoport . A fruktóz szerkezete három királis szénatomot tartalmaz, így ez a szerkezet nyolc sztereoizomernek (négy enantiomerpárnak ) felel meg: magának a fruktóznak, valamint sztereoizomereinek, a szorbóznak , a tagatóznak és a pszicóznak [6] .
Szilárd halmazállapotban és oldatokban a fruktóz nem lineáris formában létezik, hanem ciklikus félacetál formájában, amely a C-5 vagy C-6 atomon OH-csoportoknak a ketocsoporthoz való hozzáadásával jön létre. Ez a félacetál stabil: oldatban a nyitott láncú forma aránya mindössze 0,5%, míg a maradék 99,5% ciklikus forma. Ha a gyűrűzárásban egy 5-ös szénatomon hidroxilcsoport vesz részt, akkor egy öttagú ciklus jön létre, amelyet furanóznak neveznek (a furán nevéből egy öttagú heterociklus egy oxigénatommal), és a ciklusos D -fruktóz. D -fruktofuranóznak nevezik . Ha a ciklizáció a 6-os szénatomon lévő hidroxilcsoport miatt következik be, akkor egy hattagú piranóz gyűrű (a piran névből ) képződik, és az ilyen ciklikus D -fruktózt D - fruktopiranóznak nevezik [6] .
A leírt ciklizációval egy új sztereocentrum keletkezik a C-2 félacetál szénatomján, így a D - fruktóz furanóz és piranóz formái ezenkívül két diasztereomerként létezhetnek, ezeket anomereknek nevezzük : α - D -fruktofuranóz és β - D -fruktofuranóz; α - D -fruktopiranózisok és β - D -fruktopiranózisok. Általában a D -fruktóz ciklikus formáit Haworth-vetületek segítségével ábrázolják – idealizált hattagú gyűrűk, amelyekben a gyűrűsík felett és alatt vannak szubsztituensek [6] .
A D - fruktóz izomer formái | ||
---|---|---|
nyitott láncú forma | Ciklikus formák | |
α - D -fruktofuranóz |
β - D -fruktofuranóz | |
α - D -fruktopiranóz |
β - D -fruktopiranóz |
Pontosabban, a D - fruktóz anomerek szerkezetét "szék" konformációként ábrázolják, amely a legstabilabb a piranóz gyűrű számára, valamint "burok" és "csavar" konformációként a furanóz gyűrű számára. A furanóz pontos konformációja nem ismert [6] .
Az oldatban a D -fruktóz ezen formái egyensúlyban vannak. Közülük a piranóz forma dominál, de a hőmérséklet emelkedésével aránya kissé csökken [7] . A β - D -fruktopiranóz túlsúlya a C-1 és C-3 hidroxilcsoportok közötti hidrogénkötéssel magyarázható . Szobahőmérsékleten 10%-os oldatban a D -fruktóz ciklusos formái a következő eloszlással rendelkeznek:
A kristályos D -fruktóz β- D -fruktopiranóz; más ciklusos izomereket csak származékként izolálnak. Az olyan vegyületekben, mint a szacharóz , raffinóz és inulin , a D -fruktóz β - D -fruktofuranózként található [6] .
Az L -fruktóz a természetben nem fordul elő, de kémiai úton szintetizálható, vagy mikrobiológiai úton előállítható L -mannózból vagy L -mannitból [6] .
A D -fruktóz színtelen kristályok prizmák vagy tűk formájában, olvadáspontja 103-105 °C. Általában vízmentes formában kristályosodik, de 20 °C alatt a hemihidrát és a dihidrát is stabil [8] .
A D -fruktóz vízben, piridinben , kinolinban , acetonban , metanolban , etanolban , jégecetben oldódik . Vízben való oldhatósága nagyobb, mint más cukroké, és 25 °C-on 4 g/1 g víz. Telített fruktózoldatban a szárazanyag aránya 20 °C-on 78,9%, 55 °C-on 88,1%. A fruktóz oldatokból történő ipari kristályosítása során fellépő ilyen nagy oldhatóság miatt problémák merülnek fel ezen oldatok magas viszkozitása miatt: 50 °C-on a telített fruktózoldat dinamikus viszkozitása 1630 mPa s, míg a szacharózé csak 96,5 mPa s [2] .
A fruktóz a legédesebb természetes cukor. A kristályos fruktóz 1,8-szor édesebb, mint a kristályos szacharóz. Ez lehetővé teszi, hogy a fruktózt ígéretes édesítőszernek tekintsék, amely ugyanolyan édességet biztosít, mint a szacharóz, de alacsonyabb a tápértéke . Az oldatokban lévő fruktóz édessége a hőmérséklettől, a pH -tól és a koncentrációtól függ : az oldat hűtésekor nő (ez az édesebb piranózformák arányának növekedésével magyarázható [9] ) és az oldat savanyításakor [2] .
A fruktóz a természetben mind egyedi formában, mind a szacharóz részeként (amely a D - fruktóz mellett D - glükóz -maradékot is tartalmaz ) széles körben képviselteti magát a természetben. Sok növény tartalmaz D -fruktóz-fruktán polimereket . A legtöbb fruktóz a mézben (40 g/100 g), az almában (6-8 g), a körtében (5-9 g), az aszalt szilvában (15 g) található [10] .
A leggazdaságosabban a keményítő , a szacharóz és az inulin felhasználása nyersanyagként a fruktóz előállításához . A keményítőt főként kukoricából állítják elő. Ez egy poliszacharid , amely D - glükóz egységekből áll. Mivel a keményítő nem tartalmaz fruktózt, olyan eljárást kell találni, amely könnyen átalakítja a glükózt fruktózzá. A szacharóz nagy kapacitású ipari termék, amely nagyon jó elérhetősége, nagy tisztasága és magas kiindulási fruktóztartalma miatt szinte ideális alapanyag a fruktóz előállításához. Az inulin egy fruktán, amelyet cikóriagyökérből (a teljes tömeg 15-20%-a) és articsóka gumóiból nyernek [10] .
A keményítőből több lépésben nyerik a fruktózt: a keményítőt cseppfolyósítják (ebben az esetben részleges hidrolízise megy végbe ), majd glükózzá bomlik, a keletkező glükózt fruktózzá izomerizálják, az oldatból a fruktózt izolálják. Ezekre az átalakításokra enzimatikus módszereket fejlesztettek ki. Például a keményítő az α-amiláz és a glükoamiláz hatására glükózzá, a glükóz pedig a glükóz-izomeráz hatására fruktózzá alakul . A glükóz-izomerázt tulajdonképpen xilóz-izomeráznak nevezik, mivel a D -xilózt D - xilulózzá , a D -ribózt pedig D - ribulózzá alakítja . 1966-ban kidolgoztak egy módszert a fruktóz keményítőből történő előállítására. 1968 óta 42%-os fruktózszirupot állítanak elő így. A kromatográfiás tisztítás lehetővé teszi a fruktóz tisztaságának akár 90%-os növelését [10] .
A szacharózra alapozva megszületett az első kereskedelmi módszer a fruktóz előállítására: a szacharózt hidrolizálták, majd a keletkező fruktózt és glükózt kromatográfiás úton elválasztották. A modern eljárások lehetővé teszik a szacharóz hidrolízisét rendkívül szelektív enzimatikus módszerrel (a Saccharomyces cerevisiae -ből származó β-fruktofuranozidáz hatására ) vagy ásványi savakkal ( sósavval vagy kénsavval ). Az első módszer hátránya az enzim magas ára és a folyamatos folyamat végrehajtásának lehetetlensége. Másrészt az ásványi savakkal végzett hidrolízis nemkívánatos melléktermékeket eredményez. A legfejlettebb módszer az immobilizált, erősen savas kationcserélőkkel végzett hidrolízis: 50-60%-os szacharózoldatok hidrolízisét teszi lehetővé 30-45 °C hőmérsékleten, gyakorlatilag melléktermékek képződése nélkül. A kapott cukrokat kromatográfiával elválasztjuk, így két 95% feletti tisztaságú frakciót kapunk [11] .
Az 1990-es évek közepén szervezték meg a fruktóz előállítását inulinból, amelyet cikóriából nyernek. Ez a módszer is hidrolízisen alapul, amely végezhető enzimatikusan vagy savak hatására. A savas hidrolízisnek csak tudományos jelentősége van, mivel a különböző vizsgált savak (kénsav, sósav, foszforsav , citromsav , oxálsav , borkősav ) a fruktóz bomlásához és melléktermékek képződéséhez vezettek. Folyamatban van más savas katalizátorok keresése, amelyek közül a zeolitok lágyabbnak bizonyultak [12] .
Az enzimek közül kiemelkedik az Aspergillus nigerből származó exoinulináz és endoinulináz , amelyek keveréke lehetővé teszi az inulin egy lépésben történő fruktózzá történő átalakítását. A fruktóz keményítőből történő előállítása sokkal több enzimatikus lépést igényel, és csak 45% fruktózt eredményez. A hidrolízist semleges vagy enyhén savas közegben, 60 °C-on végezzük, és 12-24 órát vesz igénybe.A szirup fruktóztartalma 85-95%; a többi glükóz (3-13%) és oligoszacharidok (1-2%). A kapott szirupot megtisztítják a szervetlen szennyeződésektől, színtelenítik és koncentrálják [12] .
A fruktóz szintézis utáni kristályosítása összetett lépés, ezért szükséges, hogy az oldat az oldott anyagok össztömegének legalább 90%-a fruktózt tartalmazzon. Különféle körülmények kombinációit alkalmazzák, beleértve a kristályosítást atmoszferikus vagy csökkentett nyomáson, a különféle hűtési módokat, a folyamatos vagy szakaszos eljárásokat, azonban oldószerként mindig vizet használnak, mivel az oldószer elválasztása és visszanyerése túl sok erőfeszítést igényel. A kristályos terméket centrifugákban elválasztják az anyalúgtól , majd szárítják. A glükóz szennyeződése megzavarja a kristályosodást: növeli a fruktóz oldhatóságát vízben és csökkenti az oldat túltelítettségét. Ezenkívül a kristályosodás során fruktóz-dimerek képződnek, amelyek a fruktózzal együtt kristályosodnak, és megzavarják a kristálynövekedést [13] .
A fruktóz a monoszacharidokra jellemző kémiai reakciókon megy keresztül, étereket és észtereket , valamint acetálokat és glikozidokat képezve . A karbonilcsoport jelenléte miatt nukleofil reagensek addíciós termékeit adja : aminok , aminosavak , peptidek stb. A fenilhidrazinnal a glükózéval vagy a mannózéval azonos ózont ad [14] [8] .
A fruktóz , akár enzimatikusan is redukálható mannitlá vagy szorbittá . A mannit előállításának egyik ipari módszere a fruktóz karbonilcsoportjának katalitikus hidrogénezésén alapul nikkel vagy réz katalizátor jelenlétében . Az iparban a fruktóz levegővel vagy oxigénnel történő katalitikus oxidációját szintén nemesfém alapú katalizátorok jelenlétében végzik. Ebben az esetben két fő termék képződik: 2 -keto- D - glükonsav és 5-ketofruktóz [14] .
A glükóztól és más aldózoktól eltérően a fruktóz lúgos és savas oldatokban is instabil. Lúgos közegben a fruktóz az enediol formán keresztül glükózzá és mannózzá izomerizálódik , kis mennyiségű pszlikózzal (a Lobri de Bruyn-Van Eckenstein átrendeződés). Lúgos körülmények között hevítve fruktóz fragmentálódik, ami glicerinaldehideket , tejsavat , metilglioxált és egyéb bomlástermékeket eredményez [14] [8] }.
Melegítéskor a szilárd fruktóz vagy telített oldata kiszáradáshoz és kondenzációs termékek képződéséhez vezet. Az aminosavak jelenlétében végzett hevítés színes és szagú Maillard-reakciótermékekhez vezet . Ha sav jelenlétében melegítjük, akkor dehidratáció is megtörténik, és 5-hidroxi-metil-furfurol képződik . Ez a tulajdonság a fruktózra adott kvalitatív reakció alapja – Selivanov tesztjei [14] .
A D -fruktóz elérhetősége és alacsony költsége meghatározza a sztereoszelektív szintézisben való alkalmazását királis kiindulási vegyületként. Különösen olyan ritka cukrokat nyernek belőle, mint a D -pszicóz [14] .
Néhány különleges tulajdonsága miatt a fruktózt széles körben használják édesítőszerként . Fokozott édessége és más édesítőszerekkel szinergikus hatása lehetővé teszi, hogy kevesebb cukrot adjunk az élelmiszerekhez, ezért gyakran használják alacsony kalóriatartalmú ételekben. A gyümölcs ízét is fokozhatja. A fruktóz alacsony hőmérsékleten jól oldódik, és nagymértékben csökkenti oldatainak olvadáspontját, ezért alkalmazása fagylaltgyártásban érdekes, ahol ezek a tulajdonságok fontosak a termék állaga szempontjából [15] .
A fruktózt széles körben használják italokban (szénsavas, sport, alacsony kalóriatartalmú stb.), fagyasztott desszertekben, pékárukban, gyümölcskonzervekben, csokoládéban, cukorkákban és tejtermékekben. Az etanolban való jó oldhatósága miatt édes likőrökben használják [15] .
A fruktóz felszívódása a vékonybélben történik a GLUT5 hordozó fehérje hatására bekövetkező diffúzió megkönnyítése miatt . A fruktóz a portális vénán keresztül jut be a véráramba , majd a májba kerül , ahol főként felhalmozódik. Fokozott fogyasztás esetén már a bélnyálkahártyában részben laktáttá metabolizálódik , ami aztán a májban glükózzá alakul. A szervezetben a fruktóz a fruktokináz által végzett foszforilációval metabolizálódik fruktóz-1-foszfáttá . Ezután dihidroxiaceton-foszfátra és D - gliceraldehidre bomlik . Ezután a triosekináz az utóbbit gliceraldehid-3-foszfáttá alakítja . Így, amikor metabolizálódik, a fruktóz túlnyomórészt glükózt, glikogént és laktátot termel [16] .
A fruktóznak a vércukorszintre gyakorolt hatása nagyon kicsi. Glikémiás indexe 32, ami azzal magyarázható, hogy a májban részlegesen glükózzá alakul. A fruktóz gyengén serkenti az inzulinszekréciót , és inzulin részvétele nélkül képes behatolni a sejtekbe, ezért cukorbetegek számára édesítőszerként ajánlott [16] .
A fruktózfogyasztással összefüggő ritka genetikai rendellenesség az örökletes fruktóz intolerancia . A fruktóz-1-foszfátot lebontó enzim hiányával jár, ami az utóbbi felhalmozódását okozza a májban. Ez a glikolízis és a glükoneogenezis blokkolásához, majd hipoglikémiához vezet [16] .
A fruktózban gazdag élelmiszerek túlzott fogyasztása negatív egészségügyi hatásokhoz vezet. [17] [18] [19] A glükóztól eltérően, amelynek metabolizmusát a foszfofruktokináz-1 enzim szabályozza szigorúbban , a fruktóz metabolizálódik és kevésbé bonyolult módon szabályozódik. A fruktokináz enzim , amely a fruktózt intracellulárisan foszforilálva aktiválja, hogy beépüljön a metabolikus utakba, nincs kitéve a későbbi glikolízis közbenső termékek, a Krebs-ciklus vagy az energiahordozók negatív visszacsatolási szabályozásának, mint a glükóz esetében. [20] [21] [22] Ez nagy mennyiségű acetil-CoA szétválását eredményezheti , amely a fruktóz metabolizmusa során keletkezik a zsírsav-bioszintézis reakciójában. [23] [24] A zsírsavak bioszintetikus útvonalainak aktiválása a különféle zsírok képződésének és felhalmozódásának jelentős növekedéséhez vezet. Feltételezik, hogy egyes hibernált emlősöknél ennek a lazán szabályozott fruktózfelhasználásnak pozitív adaptív szerepe lehet. [25] Az ősszel érő, magas fruktóztartalmú gyümölcsök fogyasztása miatti gyors zsírfelhalmozódás lehetővé teszi számukra, hogy rövid időn belül jelentős energiatartalékot tudjanak felhalmozni. Egyes állatoknál, amelyek erősen szezonális területeken élnek , ez a mechanizmus elősegítheti a zsír felhalmozódását is, így növelve az állóképességet és a túlélést télen, amikor a táplálékellátás drasztikusan csökken. [26] Úgy gondolják, hogy ez a mechanizmus a főemlősökben is jelen van , beleértve az embert is. Sőt, maradványhatásai több kárt okozhatnak, mint használnak, hiszen a hibernáció nem szelektív erő a mai társadalomban, és az emberi anyagcsere nem alkalmazkodott a túlzott kalória/szénhidrát bevitelhez. [21] [26]
A mérsékelt gyümölcsfogyasztás általában nem növeli a vér fruktózszintjét, mivel a vékonybél glükózzá alakítja [ meghatározás ] . [27] Ha azonban mesterségesen fruktózt adnak az élelmiszerekhez, vagy ha nagy mennyiségű fruktózt vagy szacharózban gazdag (glükózból és fruktózból álló) gyümölcsöt fogyasztanak, az észrevehetően eljuthat a szisztémás keringésbe. [28] A fruktóz szisztémás biohasznosulása pozitívan korrelál a fokozott de novo lipogenezissel , a zsírsav-oxidáció gátlásával , a megnövekedett májzsírszinttel, a posztprandiális trigliceridekkel , a koleszterinnel , az alacsony sűrűségű lipoproteinnel (LDL), a nagy sűrűségű lipoproteinnel (HDL) és a C -val. - reaktív fehérje . Ezek a hatások lényegesen kifejezettebbek fruktóz bevitel esetén, mint túlzott glükóz bevitel esetén. [29] Ráadásul a fruktóz lipogén hatását a telített zsírsavak fogyasztása fokozza. [30] Ez a szinergikus hatás nagyobb valószínűséggel jelentkezik a gyorséttermi diétáknál, amelyek általában magas cukrot és magas zsírtartalmú feldolgozott olajokat tartalmaznak. [31]
A fruktóz anyagcsere közbenső termékei szintén aktiválhatják a glikolitikus utat , amely glicerinaldehid-3-foszfáton és dihidroxi-aceton-foszfáton keresztül jut be, amelyek a Warburg-effektus miatt különösen károsak lehetnek rákban . [32] A fruktóz fruktokináz általi túlzott foszforilációja miatti átmeneti intracelluláris foszfáthiány szintén befolyásolhatja a purin anyagcserét , ami fokozott húgysavtermeléshez vezet. A húgysav viszont elősegítheti a lipogenezist, valamint más kóros folyamatokat közvetíthet, amelyek fontos szerepet játszanak a metabolikus szindróma , a magas vérnyomás és a köszvény kialakulásában . [33] A fruktóz negatív metabolikus hatásait súlyosbítja, hogy a glükóztól eltérően nem képes jóllakottságot kelteni. Ez lehet az oka a fruktózban gazdag élelmiszerek kevésbé ellenőrzött vagy túlzott fogyasztásának. [34]
Úgy tűnik, hogy az örökletes fruktokináz-hiánynak nincs egyértelmű negatív következménye az emberi egészségre nézve [35] , és éppen ellenkezőleg, javuló prognózishoz vezethet azokban a populációkban, amelyek étrendje nagy mennyiségű fruktózt tartalmaz. [36] Valószínűleg normális fruktokináz aktivitás hiányában az exogén fruktóz metabolizmusa csökkenni fog, mivel a fruktóz metabolitok nem vehetők részt az acetil-CoA bioszintézisében, és nem is serkentik a lipidek szintézisét és felhalmozódását. A túlzott fruktóz egyszerűen kiválasztódik a vizelettel, ami fruktózuriához vezet, egy gyakorlatilag ártalmatlan egészségügyi állapothoz, amely a fizikális vizsgálat során véletlenül felfedezhető , független okokból. [37] A fruktokináz gátlása jótékony hatású akut ischaemiás vesebetegségben is, mivel a fruktóz oxidatív stresszt és sejtkárosodást közvetít ebben a rendellenességben. [38] [39] Az exogén fruktóz-anyagcsere megelőzése vagy csökkentése várhatóan előnyös a szénhidrát- és lipidanyagcsere szempontjából, valamint csökkenti a húgysavtermelést, ami szintén pozitív fejlemény, mivel a fokozott húgysav-felhalmozódás oxidatív stresszt és gyulladást okoz. . [40] A luteolint, amely számos étrend-kiegészítő összetevője, állatkísérletekben a fruktóz-anyagcsere gátlására használták, és jótékony hatást mutatott a fruktóz által közvetített betegségekben. Azonban ezeknek az eredményeknek az emberekben betöltött klinikai jelentősége nem ismert. [37]
Cukor | |
---|---|
Fajták | |
Kiadási űrlap | |
Kapcsolódó termékek | |
|