淀粉和葡萄糖轉(zhuǎn)化為果糖的研究

高洪增

摘要：在全球工業(yè)和經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)，化石能源開始逐漸減少，并且生態(tài)惡化和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。其中果糖作為最重要的一種衍生化學(xué)品，也是最為活躍的、用來制備生物機(jī)化學(xué)品的原材料，市場(chǎng)對(duì)于果糖需求較大。本文立足于綠色化學(xué)的宗旨，將葡萄糖和淀粉當(dāng)作原材料，結(jié)合現(xiàn)階段葡萄糖異構(gòu)化反應(yīng)中存在的各種問題進(jìn)行分析，以期為今后果糖實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

一、淀粉和果葡糖的概述以及應(yīng)用

淀粉的概述和應(yīng)用。淀粉是自然界一種常見的物質(zhì)，主要存在于植物的塊根、種子以及果實(shí)中，屬于常見的一種植物儲(chǔ)備能量，作為一種白色的無定型粉末，不具有還原性，分為直鏈和支鏈淀粉兩種。其在無機(jī)酸或者酶的催化作用下會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，從而生成葡萄糖，具體的水解過程如下所示：

（C H O） +nH O→nC H O

162 180

通過上述水解反應(yīng)式不難發(fā)現(xiàn)，淀粉水解成為葡萄糖期間也存在鏈切斷出增加的水分子，也就是葡萄糖分子的形成會(huì)增加單位水分子重量，這在化學(xué)領(lǐng)域被稱為“化學(xué)增重”。作為日常飲食中較為常見的一種碳水化合物，其儲(chǔ)存量只在木質(zhì)纖維素下面，因?yàn)槠湄S富的儲(chǔ)存量、低廉的價(jià)格、方便運(yùn)輸而且容易儲(chǔ)存等優(yōu)勢(shì)，從而在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，也屬于相對(duì)重要的一種工業(yè)原料。

果葡糖漿概述以及應(yīng)用。果葡糖漿也被稱為高果糖漿，屬于澄清、透明的一種粘稠狀液體，通過淀粉的水解作用產(chǎn)生的糖化液，利用葡萄糖的異構(gòu)化反應(yīng)能夠?qū)⑵咸烟寝D(zhuǎn)變?yōu)楣?，混合著果糖和葡萄糖的糖漿。其中葡萄糖占據(jù)50%左右，果糖則占據(jù)42%，其余的都是低聚木糖。當(dāng)前工業(yè)上主要通過酶法對(duì)果葡萄糖進(jìn)行生產(chǎn)，原料選擇為淀粉，使用淀粉糖化酶催化水解淀粉成為葡萄糖，再通過葡萄糖異構(gòu)酶轉(zhuǎn)變?yōu)楣咸烟恰?/p>

二、果糖的性質(zhì)和應(yīng)用

分子結(jié)構(gòu)。其實(shí)，用糖類作為原材料能夠制備出市場(chǎng)價(jià)值較大的化學(xué)品。六碳糖屬于相對(duì)重要的一種單糖，根據(jù)結(jié)合分子式中所含酮基、醛基的不同，分為果糖和葡萄糖。果糖和葡萄糖屬于同分異構(gòu)體，其開鏈結(jié)構(gòu)式中酮基為第二碳原子；葡萄糖開鏈結(jié)構(gòu)式中醛基為第二碳原子。果糖容易溶于醇、水、丙酮等有機(jī)溶劑中。自然界中的果糖則主要儲(chǔ)存在蜂蜜和水果漿汁中。

性質(zhì)。首先，對(duì)其甜度進(jìn)行分析，作為天然糖中甜度最高的物質(zhì)，果糖的相對(duì)甜度為蔗糖的1.5倍左右，還受到溫度、濃度和溶液pH的影響，主要是因?yàn)楣堑姆肿訕?gòu)型有兩種，一般α結(jié)構(gòu)的果糖甜度要高于β結(jié)構(gòu)的果糖甜度。其次，果糖溶解度在溫度相同的環(huán)境下，其高于葡萄糖和蔗糖，且果糖在水溶液中擴(kuò)散的相對(duì)快速，這對(duì)于生產(chǎn)果醬、果脯以及水果罐頭有著積極的作用。最后為化學(xué)穩(wěn)定性，果糖所具有的還原性較為顯著，其熱穩(wěn)定性相對(duì)較差，受熱容易出現(xiàn)分解，并且出現(xiàn)顯著的焦化反應(yīng)，生成各種有色產(chǎn)物，也容易和蛋白質(zhì)、氨基酸等物質(zhì)出現(xiàn)美拉德反應(yīng)，生成口味較為特殊的棕褐色類黑素，所以在面包或者其他糕點(diǎn)制作中加以使用，能夠達(dá)到口感松軟、外觀黃亮、焦香味濃郁的要求。另外，溶液的pH也會(huì)對(duì)果糖穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，從常規(guī)角度來分析，果糖在堿性或者酸性環(huán)境中性質(zhì)容易出現(xiàn)變化，分解成相應(yīng)的有色物質(zhì)。

果糖的應(yīng)用。首先，在食品中的應(yīng)用愈加廣泛。食品中最初將果糖當(dāng)作蔗糖來使用，其作為甜味劑所發(fā)揮出的優(yōu)勢(shì)是蔗糖難以比擬的，屬于營養(yǎng)、天然的一種甜味劑，不僅具有純正的甜度，還具有無毒副作用、營養(yǎng)豐富的優(yōu)勢(shì)。在果糖工業(yè)化、大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境下，其逐漸替代蔗糖在飲料、烘焙食品、營養(yǎng)保健品、冷凍食品中得到廣泛應(yīng)用。

其次，果糖在醫(yī)療保健中的應(yīng)用也較為廣泛。人體內(nèi)對(duì)果糖的代謝和吸收速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于蔗糖和葡萄糖，果糖代謝期間不會(huì)有胰島素參與其中，并且是人體腸道直接進(jìn)行消化，其升糖指數(shù)要低于其他各種甜味劑，也不會(huì)出現(xiàn)蔗糖和葡萄糖誘發(fā)的人體餐后血糖高峰新現(xiàn)象。

最后，可在工業(yè)中廣泛合成應(yīng)用。作為制備具有較高附加值且相對(duì)活躍的原材料，在生產(chǎn)塑料、綠色有機(jī)溶劑、潤滑油等材料的乙酰丙酸和HMF原材料，其中HMF具有活潑的化學(xué)性質(zhì)，通過氧化、水解、醚化、加氫、酯化等化學(xué)反應(yīng)制備成附加值較高的衍生物，其屬于相對(duì)重要的化學(xué)品，并且廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥、材料和能源領(lǐng)域。該種物質(zhì)能夠從淀粉、纖維素、葡萄糖、麥芽糖、蔗糖以及高果糖等各種碳水化物中得到。另一種就是非環(huán)狀反應(yīng)線路，經(jīng)過直鏈中間形成HMF。

三、果糖制備

酶法制備。使用淀粉作為原材料來制備果糖。首先將淀粉分解成葡萄糖，經(jīng)過異構(gòu)酶催化成為果糖，這時(shí)果糖含量為40%左右，經(jīng)過分離純化得到含量為90%的糖漿，經(jīng)過結(jié)晶工藝生產(chǎn)獲得結(jié)晶果糖。其次是以（2-1）的鏈連接成為多糖，通過菊粉酶來對(duì)菊粉進(jìn)行催化反應(yīng)得到純度較高的果糖。最后，用蔗糖制作果糖，蔗糖屬于雙糖結(jié)構(gòu)，在蔗糖轉(zhuǎn)換酶催化作用下成為果糖和葡萄糖，再經(jīng)過葡萄糖異構(gòu)酶催化異構(gòu)作用成為果糖，經(jīng)過分離純化之后得到相應(yīng)的產(chǎn)物。

化學(xué)法生產(chǎn)。大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)果糖的方法當(dāng)屬酶法，該種方法生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)是酶的催化反應(yīng)選擇性以及專一性都相對(duì)較高，能夠制作成濃度較高的果糖，酶法反應(yīng)條件相對(duì)溫和，對(duì)于設(shè)備要求較低，但是，酶本身價(jià)格較高，對(duì)于反應(yīng)條件有著嚴(yán)格要求。常規(guī)環(huán)境下葡萄糖異構(gòu)酶適應(yīng)的溫度為60℃，適用的pH則為7。為了能夠?qū)γ阜ㄋ嬖诘娜毕葸M(jìn)行彌補(bǔ)，進(jìn)一步放寬反應(yīng)條件的限制，保證反應(yīng)速度得到提升，很多研究活動(dòng)開始通過一系列措施開發(fā)出廉價(jià)、綠色、清潔的化學(xué)催化劑。

淀粉和葡萄糖轉(zhuǎn)化為果糖的研究工作依然在繼續(xù)，當(dāng)前淀粉兩步法制備果糖的效率相對(duì)較高，首先是通過對(duì)超低酸水解淀粉的使用來制作果糖；第二步則是通過堿性催化劑催化異構(gòu)葡萄糖制作果糖。不過還要進(jìn)一步優(yōu)化傳熱、傳質(zhì)等反應(yīng)環(huán)境，保證反應(yīng)效率得到提升，讓能源利用率逐漸增加，創(chuàng)造出更加顯著的經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)效益。