Fruktóza [1] [2] | |
---|---|
Všeobecné | |
Systematický název |
(3S,4R,5R)1,3,4,5,6-pentahydroxyhexan-2-on( D -fruktóza), (3R,4S,5S) -1,3 ,4,5,6-pentahydroxyhexan-2-on ( L -fruktóza) |
Tradiční jména | Fruktóza, ovocný cukr, ovocný cukr, levulóza, arabinohexulóza |
Chem. vzorec | C6H12O6 _ _ _ _ _ |
Fyzikální vlastnosti | |
Stát | bezbarvé krystaly |
Molární hmotnost | 180,159 g/ mol |
Hustota | 1,598 g/cm³ |
Tepelné vlastnosti | |
Teplota | |
• tání | p - D - fruktóza: 102-104 °C |
• vroucí | 440 °C |
• zapalování | 219 °C |
Entalpie | |
• tání | 33,0 kJ/mol |
• rozpuštění | –37,69 kJ/kg |
Chemické vlastnosti | |
Disociační konstanta kyseliny | 11,90 |
Rozpustnost | |
• ve vodě | 400 g/100 ml |
• v ethanolu | 6,71 18 °C g/100 ml |
Otáčení |
α - D -fruktóza: –133,5° → –92° β - D -fruktóza: –63,6° → –92° |
Optické vlastnosti | |
Index lomu | 1,617 |
Struktura | |
Dipólový moment | 15,0 D |
Klasifikace | |
Reg. Číslo CAS | 57-48-7 |
PubChem | 5984 |
Reg. číslo EINECS | 200-333-3 |
ÚSMĚVY | O[CH]1[CH](O)[CH](O[C]i(O)CO)CO |
InChI | InChI=lS/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 |
Bezpečnost | |
LD 50 | 15 g/kg (králík, intravenózně) [3] |
Údaje jsou založeny na standardních podmínkách (25 °C, 100 kPa), pokud není uvedeno jinak. | |
Mediální soubory na Wikimedia Commons |
Fruktóza (levulóza, ovocný cukr ) , C6H12O6 je monosacharid ze skupiny ketohexózy , izomer glukózy . Jeden z nejběžnějších cukrů v přírodě: nachází se jak v individuálním stavu, tak jako součást disacharidů ( sacharóza ) a polysacharidů ( inulin ). Široce používané v potravinářském průmyslu jako sladidlo . V lidském těle plní důležité biochemické funkce.
Fruktózu objevil Augustin Pierre Dubrunfaud v roce 1847 během srovnávací studie mléčného a alkoholového kvašení cukru získaného ze sacharózy z cukrové třtiny. Dubrunfaud zjistil, že při mléčném kvašení je ve fermentační kapalině přítomen cukr, jehož úhel natočení se liší od v té době již známé glukózy [4] .
V roce 1861 Alexandr Michajlovič Butlerov syntetizoval směs cukrů - "formózu" - kondenzací formaldehydu (formaldehydu) za přítomnosti katalyzátorů: Ba (OH) 2 a Ca (OH) 2 , jednou ze složek této směsi je fruktóza [5] .
Fruktóza je monosacharid a patří do třídy ketohexózy . Je to polyhydroxyketon s keto skupinou na C-2 a pěti hydroxylovými skupinami . Struktura fruktózy má tři chirální atomy uhlíku, takže této struktuře odpovídá osm stereoizomerů (čtyři páry enantiomerů ): samotná fruktóza, stejně jako její stereoizomery sorbóza , tagatóza a psikóza [6] .
V pevném stavu a v roztocích se fruktóza nevyskytuje v lineární formě, ale ve formě cyklického poloacetalu vytvořeného v důsledku adice OH skupin na atomu C-5 nebo C-6 ke ketoskupině. Tento poloacetal je stabilní: v roztoku je podíl formy s otevřeným řetězcem pouze 0,5 %, zatímco zbývajících 99,5 % jsou cyklické formy. Pokud se cyklizace účastní hydroxylová skupina na C-5, vzniká pětičlenný cyklus, který se nazývá furanóza (od názvu furan - pětičlenný heterocyklus s jedním atomem kyslíku) a cyklická D -fruktóza nazývaná D -fruktofuranóza. Dojde-li k cyklizaci vlivem hydroxylové skupiny na C-6, vznikne šestičlenný, pyranózový kruh (od názvu pyran ) a taková cyklická D -fruktóza se nazývá D -fruktopyranóza [6] .
S popsanou cyklizací vzniká nové stereocentrum na atomu uhlíku C-2 poloacetalu, takže formy furanózy a pyranózy D - fruktózy mohou navíc existovat jako dva diastereomery , nazývané anomery : α - D -fruktofuranóza a β- D - fruktofuranóza; α - D -fruktopyranózy a β- D - fruktopyranózy. Obvykle jsou cyklické formy D - fruktózy znázorněny pomocí Haworthových projekcí - idealizovaných šestičlenných kruhů se substituenty nad a pod rovinou kruhu [6] .
Izomerní formy D - fruktózy | ||
---|---|---|
forma otevřeného řetězce | Cyklické formy | |
a- D - fruktofuranóza |
β - D - fruktofuranóza | |
a- D - fruktopyranóza |
β - D - fruktopyranóza |
Přesněji řečeno, struktura D - fruktózových anomerů je znázorněna jako "židlová" konformace, která je nejstabilnější pro pyranózový kruh, a jako "obálková" a "twist" konformace pro furanosový kruh. Přesná konformace pro furanózu není známa [6] .
V roztoku jsou tyto formy D - fruktózy v rovnováze. Mezi nimi převažuje pyranózová forma, ale s nárůstem teploty její podíl mírně klesá [7] . Převaha β - D -fruktopyranózy se vysvětluje přítomností vodíkové vazby mezi hydroxylovými skupinami na C-1 a C-3. V 10% roztoku při pokojové teplotě má D -fruktóza následující rozdělení cyklických forem:
Krystalická D -fruktóza je p- D - fruktopyranóza; ostatní cyklické izomery jsou izolovány pouze jako deriváty. Ve sloučeninách, jako je sacharóza , rafinóza a inulin , se D -fruktóza nachází jako β- D - fruktofuranóza [6] .
L -fruktóza se v přírodě nevyskytuje, ale lze ji syntetizovat chemicky nebo získat mikrobiologicky z L -manózy nebo L -mannitolu [6] .
D -fruktóza jsou bezbarvé krystaly ve formě hranolů nebo jehliček s teplotou tání 103-105 °C. Obvykle krystalizuje v bezvodé formě, ale pod 20 °C jsou stabilní i hemihydrát a dihydrát [8] .
D -fruktóza je rozpustná ve vodě, pyridinu , chinolinu , acetonu , methanolu , ethanolu , ledové kyselině octové . Jeho rozpustnost ve vodě je vyšší než u jiných cukrů a je 4 g na 1 g vody při 25 °C. Podíl sušiny v nasyceném roztoku fruktózy při 20 °C je 78,9 % a při 55 °C 88,1 %. Vzhledem k tak vysoké rozpustnosti při průmyslové krystalizaci fruktózy z roztoků vznikají problémy s vysokou viskozitou těchto roztoků: při 50 °C je dynamická viskozita nasyceného roztoku fruktózy 1630 mPa s, zatímco u sacharózy je to pouze 96,5 mPa s [2] .
Fruktóza je nejsladší přírodní cukr. Krystalická fruktóza je 1,8krát sladší než krystalická sacharóza. To umožňuje, aby byla fruktóza považována za slibné sladidlo, které poskytuje stejnou sladkost jako sacharóza, ale má nižší nutriční hodnotu . Sladkost fruktózy v roztocích závisí na teplotě, pH a koncentraci: zvyšuje se při ochlazení roztoku (vysvětluje se to zvýšením podílu sladších forem pyranózy [9] ) a při okyselení roztoku [2] .
Fruktóza je v přírodě široce zastoupena jak v individuální formě, tak jako součást sacharózy (která spolu s D -fruktózou zahrnuje D - glukózový zbytek ). Mnoho rostlin obsahuje polymery D - fruktózy -fruktanů . Nejvíce fruktózy je v medu (40 g na 100 g), jablkách (6-8 g), hruškách (5-9 g), sušených švestkách (15 g) [10] .
Ekonomicky nejvýhodnější je použití škrobu , sacharózy a inulinu jako surovin pro výrobu fruktózy . Škrob se vyrábí hlavně z kukuřice. Je to polysacharid , který se skládá z jednotek D -glukózy. Vzhledem k tomu, že škrob neobsahuje fruktózu, je nutné najít proces, který snadno přemění glukózu na fruktózu. Sacharóza je velkokapacitní průmyslový produkt, který je pro svou velmi dobrou dostupnost, vysokou čistotu a vysoký počáteční obsah fruktózy téměř ideální surovinou pro výrobu fruktózy. Inulin je fruktan, který se získává z kořenů čekanky (15–20 % celkové hmoty) a hlíz artyčoku [10] .
Fruktóza se ze škrobu získává v několika fázích: škrob se zkapalní (v tomto případě dojde k jeho částečné hydrolýze ), poté se rozloží na glukózu, vzniklá glukóza se izomerizuje na fruktózu, z roztoku se izoluje fruktóza. Pro tyto transformace byly vyvinuty enzymatické metody. Například škrob je přeměněn na glukózu působením a-amylázy a glukoamylázy a glukóza na fruktózu působením glukózoizomerázy . Glukózaizomeráza se ve skutečnosti nazývá xylózaizomeráza, protože také převádí D -xylózu na D - xylulózu a D - ribózu na D - ribulózu . Metoda získávání fruktózy ze škrobu byla vyvinuta v roce 1966. Od roku 1968 se tímto způsobem získává 42% fruktózový sirup. Chromatografické čištění umožňuje zvýšit čistotu fruktózy až na 90 % [10] .
Na základě sacharózy byl vytvořen první komerční způsob výroby fruktózy: sacharóza byla hydrolyzována, načež byla výsledná fruktóza a glukóza separována chromatograficky. Moderní metody umožňují hydrolýzu sacharózy vysoce selektivní enzymatickou metodou (působením β-fruktofuranosidázy ze Saccharomyces cerevisiae ) nebo minerálními kyselinami ( solná nebo sírová ). Nevýhodou prvního způsobu je vysoká cena enzymu a nemožnost provádět kontinuální proces. Na druhé straně hydrolýza minerálními kyselinami vytváří nežádoucí vedlejší produkty. Nejpokročilejší metodou je hydrolýza s imobilizovanými silně kyselými katexy : umožňuje hydrolýzu 50-60% roztoků sacharózy při teplotě 30-45°C prakticky bez tvorby vedlejších produktů. Získané cukry se oddělí chromatografií a získají se dvě frakce s čistotou nad 95 % [11] .
Výroba fruktózy z inulinu, který se získává z čekanky, byla organizována v polovině 90. let. Tato metoda je také založena na hydrolýze, která může být provedena enzymaticky nebo za působení kyselin. Kyselá hydrolýza je pouze vědecky zajímavá, protože různé testované kyseliny (sírová, chlorovodíková, fosforečná , citrónová , šťavelová , vinná ) vedly k rozkladu fruktózy a tvorbě vedlejších produktů. Probíhá hledání dalších kyselých katalyzátorů, mezi nimiž se zeolity ukázaly jako měkčí [12] .
Mezi enzymy vynikají exoinulináza a endoinulináza z Aspergillus niger , jejichž směs umožňuje přeměnu inulinu na fruktózu v jednom kroku. Výroba fruktózy ze škrobu vyžaduje mnohem více enzymatických kroků a poskytuje pouze 45 % fruktózy. Hydrolýza se provádí v neutrálním nebo mírně kyselém prostředí při 60 ° C a trvá 12-24 hod. Obsah fruktózy v sirupu je 85-95 %; zbytek tvoří glukóza (3-13 %) a oligosacharidy (1-2 %). Vzniklý sirup se čistí od anorganických nečistot, odbarvuje a koncentruje [12] .
Krystalizace fruktózy po syntéze je složitý krok, proto je nutné, aby roztok obsahoval alespoň 90 % fruktózy z celkové hmotnosti rozpuštěných látek. Používají se různé kombinace podmínek, včetně krystalizace za atmosférického nebo sníženého tlaku, různé režimy chlazení, kontinuální nebo vsádkové procesy, nicméně jako rozpouštědlo se vždy používá voda, protože separace a regenerace rozpouštědla vyžaduje příliš mnoho úsilí. Krystalický produkt se oddělí od matečného louhu v odstředivkách a poté se suší. Nečistota glukózy interferuje s krystalizací: zvyšuje rozpustnost fruktózy ve vodě a snižuje přesycení roztoku. V procesu krystalizace také vznikají dimery fruktózy, které kokrystalizují s fruktózou a interferují s růstem krystalů [13] .
Fruktóza prochází chemickými reakcemi typickými pro monosacharidy, tvoří ethery a estery , stejně jako acetaly a glykosidy . Díky přítomnosti karbonylové skupiny poskytuje produkty adičních nukleofilních činidel: aminy , aminokyseliny , peptidy atd. S fenylhydrazinem poskytuje ozón identický s ozónem glukózy nebo manózy [14] [8] .
Fruktóza může být redukována , a to i enzymaticky, na mannitol nebo sorbitol . Průmyslový způsob výroby mannitolu je založen na katalytické hydrogenaci karbonylové skupiny fruktózy v přítomnosti katalyzátoru na bázi niklu nebo mědi . V průmyslu se katalytická oxidace fruktózy vzduchem nebo kyslíkem také provádí za přítomnosti katalyzátorů na bázi vzácných kovů. V tomto případě vznikají dva hlavní produkty: kyselina 2-keto- D - glukonová a 5-ketofruktóza [14] .
Na rozdíl od glukózy a jiných aldóz je fruktóza nestabilní v alkalických i kyselých roztocích. V alkalickém prostředí fruktóza izomeruje přes formu endiolu na glukózu a manózu s malou příměsí psikosy (přesmyk Lobri de Bruyn-Van Eckenstein). Při zahřívání za alkalických podmínek dochází k fragmentaci fruktózy, čímž vznikají glyceraldehydy , kyselina mléčná , methylglyoxal a další produkty rozkladu [14] [8] }.
Pevná fruktóza nebo její nasycený roztok při zahřívání vede k dehydrataci a tvorbě kondenzačních produktů. Zahřívání v přítomnosti aminokyselin vede k barevným a zapáchajícím produktům Maillardovy reakce . Při zahřívání v přítomnosti kyseliny také dochází k dehydrataci a vzniká 5-hydroxymethylfurfural . Tato vlastnost je základem pro kvalitativní reakci na fruktózu – Selivanovovy testy [14] .
Dostupnost D -fruktózy a její nízká cena určují její použití ve stereoselektivní syntéze jako chirální výchozí sloučeniny. Získávají se z něj zejména tak vzácné cukry jako D -psikóza [14] .
Díky některým speciálním vlastnostem je fruktóza široce používána jako sladidlo . Jeho zvýšená sladkost a synergický účinek s jinými sladidly umožňuje přidávat do potravin méně cukru, proto se často používá v nízkokalorických potravinách. Může také zvýraznit ovocnou chuť. Fruktóza má vysokou rozpustnost při nízkých teplotách a značně snižuje bod tání svých roztoků, proto je její použití zajímavé při výrobě zmrzliny, kde jsou tyto vlastnosti důležité pro texturu produktu [15] .
Fruktóza je široce používána v nápojích (sycených, sportovních, nízkokalorických atd.), mražených dezertech, pečivu, konzervovaném ovoci, čokoládě, cukrovinkách a mléčných výrobcích. Pro svou dobrou rozpustnost v etanolu se používá do sladkých likérů [15] .
K absorpci fruktózy dochází v tenkém střevě díky usnadnění difúze působením nosného proteinu GLUT5 . Fruktóza vstupuje do krevního řečiště přes portální žílu a poté je přenesena do jater , kde se hlavně hromadí. Při zvýšené konzumaci se již ve střevní sliznici částečně metabolizuje na laktát , který se pak v játrech přeměňuje na glukózu. Fruktóza je v těle metabolizována fosforylací fruktokinázou na fruktóza-1-fosfát . Poté se rozkládá na dihydroxyacetonfosfát a D - glyceraldehyd . Triosekináza pak konvertuje posledně jmenovaný na glyceraldehyd-3-fosfát . Při metabolizaci tedy fruktóza produkuje převážně glukózu, glykogen a laktát [16] .
Vliv fruktózy na hladinu glukózy v krvi je velmi malý. Jeho glykemický index je 32, což se vysvětluje jeho částečnou přeměnou na glukózu v játrech. Fruktóza slabě stimuluje sekreci inzulínu a může pronikat do buněk bez účasti inzulínu, proto je doporučována jako sladidlo pro diabetiky [16] .
Vzácnou genetickou poruchou spojenou s konzumací fruktózy je dědičná intolerance fruktózy . Je spojena s absencí enzymu, který rozkládá fruktóza-1-fosfát, což způsobuje jeho hromadění v játrech. To vede k zablokování glykolýzy a glukoneogeneze a následně k hypoglykémii [16] .
Předpokládá se, že nadměrná konzumace potravin bohatých na fruktózu vede k negativním zdravotním účinkům. [17] [18] [19] Na rozdíl od glukózy, jejíž metabolismus je přísněji řízen enzymem fosfofruktokinázou-1 , je fruktóza metabolizována a regulována méně složitým způsobem. Enzym fruktokináza , který aktivuje fruktózu intracelulárně fosforylací pro začlenění do metabolických drah, nepodléhá negativní zpětné kontrole z následných meziproduktů glykolýzy, Krebsova cyklu nebo nosičů energie, jako je tomu v případě glukózy. [20] [21] [22] To může vést k oddělení velkého množství acetyl-CoA , produkovaného metabolismem fruktózy, v reakci biosyntézy mastných kyselin. [23] [24] Aktivace biosyntetických drah mastných kyselin vede k výraznému zvýšení rychlosti tvorby a akumulace různých tuků. Předpokládá se, že u některých hibernujících savců může mít toto volně regulované využití fruktózy pozitivní adaptační roli. [25] Rychlé hromadění tuku konzumací plodů s vysokým obsahem fruktózy, které dozrávají na podzim, jim umožňuje vytvořit si v krátké době významnou energetickou rezervu. U některých zvířat, která žijí ve vysoce sezónních oblastech , může tento mechanismus také podporovat akumulaci tuku pro zvýšení odolnosti a přežití během zimy, kdy je nabídka potravy drasticky omezena. [26] Předpokládá se, že tento mechanismus je také přítomen u primátů , včetně lidí. Navíc jeho reziduální účinky mohou způsobit více škody než užitku, protože hibernace není v dnešní společnosti selektivní silou a lidský metabolismus se nepřizpůsobil, aby se vyrovnal s nadměrným příjmem kalorií/sacharidů. [21] [26]
Mírná konzumace ovoce obvykle nezvyšuje krevní fruktózu, protože ji tenké střevo přeměňuje na glukózu [ upřesněte ] . [27] Pokud je však fruktóza uměle přidávána do potravin nebo při konzumaci velkého množství fruktózy nebo ovoce bohatého na sacharózu (skládající se z glukózy a fruktózy), může se znatelně dostat do systémové cirkulace. [28] Systémová biologická dostupnost fruktózy pozitivně koreluje se zvýšenou de novo lipogenezí , inhibicí oxidace mastných kyselin , zvýšeným jaterním tukem, postprandiálními triglyceridy , cholesterolem , lipoproteinem s nízkou hustotou (LDL), lipoproteinem s vysokou hustotou (HDL) a C - reaktivní protein . Tyto účinky jsou výrazně výraznější při příjmu fruktózy než při nadměrném příjmu glukózy. [29] Lipogenní účinek fruktózy se navíc zvyšuje konzumací nasycených mastných kyselin. [30] Tento synergický efekt se pravděpodobněji vyskytuje u diet rychlého občerstvení , které mají tendenci obsahovat vysoký obsah cukru a zpracovaných olejů s vysokým obsahem tuku. [31]
Meziprodukty metabolismu fruktózy mohou také aktivovat glykolytickou dráhu a vstupují do ní přes glyceraldehyd-3-fosfát a dihydroxyacetonfosfát, což může být zvláště škodlivé u rakoviny kvůli Warburgovu efektu . [32] Přechodné intracelulární vyčerpání fosfátů v důsledku nadměrné fosforylace fruktózy fruktokinázou může také ovlivnit metabolismus purinů , což vede ke zvýšené produkci kyseliny močové. Kyselina močová může zase podporovat lipogenezi a také zprostředkovávat další patologické procesy, které hrají důležitou roli při rozvoji metabolického syndromu , vysokého krevního tlaku a dny . [33] Negativní metabolické účinky fruktózy jsou umocněny její neschopností, na rozdíl od glukózy, navodit pocit sytosti. To může být důvodem méně kontrolované nebo nadměrné konzumace potravin bohatých na fruktózu. [34]
Zdá se, že dědičný deficit fruktokinázy nemá žádné jednoznačné negativní důsledky pro lidské zdraví [35] a naopak může vést ke zlepšení prognózy u populací, jejichž strava obsahuje velké množství fruktózy. [36] S největší pravděpodobností při absenci normální aktivity fruktokinázy se metabolismus exogenní fruktózy sníží, protože metabolity fruktózy nemohou být zahrnuty do biosyntézy acetyl-CoA ani stimulovat syntézu a akumulaci lipidů. Nadměrná fruktóza bude jednoduše vylučována močí, což vede k fruktosurii, což je prakticky neškodný zdravotní stav, který lze náhodně objevit během fyzického vyšetření z nesouvisejících důvodů. [37] Inhibice fruktokinázy se také ukázala být prospěšná u akutní ischemické choroby ledvin, protože fruktóza zprostředkovává oxidační stres a poškození buněk u této poruchy. [38] [39] Očekává se, že prevence nebo snížení exogenního metabolismu fruktózy bude přínosné z hlediska metabolismu sacharidů a lipidů, stejně jako snížení produkce kyseliny močové, což je také pozitivní vývoj, protože zvýšená akumulace kyseliny močové způsobuje oxidační stres a zánět . [40] Luteolin, složka několika doplňků stravy, byl použit ve studiích na zvířatech k inhibici metabolismu fruktózy a prokázal příznivé účinky při chorobných poruchách zprostředkovaných fruktózou. Klinický význam těchto nálezů u lidí však není znám. [37]
Cukr | |
---|---|
Odrůdy | |
Uvolňovací formuláře | |
Související produkty | |
|