淀粉和葡萄糖转化为果糖的研究

高洪增

摘要：在全球工业和经济飞速发展的当今社会，化石能源开始逐渐减少，并且生态恶化和环境污染问题日益严重。其中果糖作为最重要的一种衍生化学品，也是最为活跃的、用来制备生物机化学品的原材料，市场对于果糖需求较大。本文立足于绿色化学的宗旨，将葡萄糖和淀粉当作原材料，结合现阶段葡萄糖异构化反应中存在的各种问题进行分析，以期为今后果糖实现规模化生产奠定坚实的理论基础。

一、淀粉和果葡糖的概述以及应用

淀粉的概述和应用。淀粉是自然界一种常见的物质，主要存在于植物的块根、种子以及果实中，属于常见的一种植物储备能量，作为一种白色的无定型粉末，不具有还原性，分为直链和支链淀粉两种。其在无机酸或者酶的催化作用下会发生水解反应，从而生成葡萄糖，具体的水解过程如下所示：

（C H O） +nH O→nC H O

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通过上述水解反应式不难发现，淀粉水解成为葡萄糖期间也存在链切断出增加的水分子，也就是葡萄糖分子的形成会增加单位水分子重量，这在化学领域被称为“化学增重”。作为日常饮食中较为常见的一种碳水化合物，其储存量只在木质纤维素下面，因为其丰富的储存量、低廉的价格、方便运输而且容易储存等優势，从而在工业生产领域中得到广泛的应用，也属于相对重要的一种工业原料。

果葡糖浆概述以及应用。果葡糖浆也被称为高果糖浆，属于澄清、透明的一种粘稠状液体，通过淀粉的水解作用产生的糖化液，利用葡萄糖的异构化反应能够将葡萄糖转变为果糖，混合着果糖和葡萄糖的糖浆。其中葡萄糖占据50%左右，果糖则占据42%，其余的都是低聚木糖。当前工业上主要通过酶法对果葡萄糖进行生产，原料选择为淀粉，使用淀粉糖化酶催化水解淀粉成为葡萄糖，再通过葡萄糖异构酶转变为果葡萄糖。

二、果糖的性质和应用

分子结构。其实，用糖类作为原材料能够制备出市场价值较大的化学品。六碳糖属于相对重要的一种单糖，根据结合分子式中所含酮基、醛基的不同，分为果糖和葡萄糖。果糖和葡萄糖属于同分异构体，其开链结构式中酮基为第二碳原子；葡萄糖开链结构式中醛基为第二碳原子。果糖容易溶于醇、水、丙酮等有机溶剂中。自然界中的果糖则主要储存在蜂蜜和水果浆汁中。

性质。首先，对其甜度进行分析，作为天然糖中甜度最高的物质，果糖的相对甜度为蔗糖的1.5倍左右，还受到温度、浓度和溶液pH的影响，主要是因为果糖的分子构型有两种，一般α结构的果糖甜度要高于β结构的果糖甜度。其次，果糖溶解度在温度相同的环境下，其高于葡萄糖和蔗糖，且果糖在水溶液中扩散的相对快速，这对于生产果酱、果脯以及水果罐头有着积极的作用。最后为化学稳定性，果糖所具有的还原性较为显著，其热稳定性相对较差，受热容易出现分解，并且出现显著的焦化反应，生成各种有色产物，也容易和蛋白质、氨基酸等物质出现美拉德反应，生成口味较为特殊的棕褐色类黑素，所以在面包或者其他糕点制作中加以使用，能够达到口感松软、外观黄亮、焦香味浓郁的要求。另外，溶液的pH也会对果糖稳定性产生影响，从常规角度来分析，果糖在碱性或者酸性环境中性质容易出现变化，分解成相应的有色物质。

果糖的应用。首先，在食品中的应用愈加广泛。食品中最初将果糖当作蔗糖来使用，其作为甜味剂所发挥出的优势是蔗糖难以比拟的，属于营养、天然的一种甜味剂，不仅具有纯正的甜度，还具有无毒副作用、营养丰富的优势。在果糖工业化、大规模生产环境下，其逐渐替代蔗糖在饮料、烘焙食品、营养保健品、冷冻食品中得到广泛应用。

其次，果糖在医疗保健中的应用也较为广泛。人体内对果糖的代谢和吸收速度远远低于蔗糖和葡萄糖，果糖代谢期间不会有胰岛素参与其中，并且是人体肠道直接进行消化，其升糖指数要低于其他各种甜味剂，也不会出现蔗糖和葡萄糖诱发的人体餐后血糖高峰新现象。

最后，可在工业中广泛合成应用。作为制备具有较高附加值且相对活跃的原材料，在生产塑料、绿色有机溶剂、润滑油等材料的乙酰丙酸和HMF原材料，其中HMF具有活泼的化学性质，通过氧化、水解、醚化、加氢、酯化等化学反应制备成附加值较高的衍生物，其属于相对重要的化学品，并且广泛应用在医药、材料和能源领域。该种物质能够从淀粉、纤维素、葡萄糖、麦芽糖、蔗糖以及高果糖等各种碳水化物中得到。另一种就是非环状反应线路，经过直链中间形成HMF。

三、果糖制备

酶法制备。使用淀粉作为原材料来制备果糖。首先将淀粉分解成葡萄糖，经过异构酶催化成为果糖，这时果糖含量为40%左右，经过分离纯化得到含量为90%的糖浆，经过结晶工艺生产获得结晶果糖。其次是以（2-1）的链连接成为多糖，通过菊粉酶来对菊粉进行催化反应得到纯度较高的果糖。最后，用蔗糖制作果糖，蔗糖属于双糖结构，在蔗糖转换酶催化作用下成为果糖和葡萄糖，再经过葡萄糖异构酶催化异构作用成为果糖，经过分离纯化之后得到相应的产物。

化学法生产。大规模工业生产果糖的方法当属酶法，该种方法生产的优势是酶的催化反应选择性以及专一性都相对较高，能够制作成浓度较高的果糖，酶法反应条件相对温和，对于设备要求较低，但是，酶本身价格较高，对于反应条件有着严格要求。常规环境下葡萄糖异构酶适应的温度为60℃，适用的pH则为7。为了能够对酶法所存在的缺陷进行弥补，进一步放宽反应条件的限制，保证反应速度得到提升，很多研究活动开始通过一系列措施开发出廉价、绿色、清洁的化学催化剂。

淀粉和葡萄糖转化为果糖的研究工作依然在继续，当前淀粉两步法制备果糖的效率相对较高，首先是通过对超低酸水解淀粉的使用来制作果糖；第二步则是通过碱性催化剂催化异构葡萄糖制作果糖。不过还要进一步优化传热、传质等反应环境，保证反应效率得到提升，让能源利用率逐渐增加，创造出更加显著的经济以及社会效益。