结晶果糖生产关键技术现状分析

◎ 冯军伟，刘世欣，段兰兰

（河南飞天农业开发股份有限公司，河南 淇县 456750）

果糖（D-fructose）的学名为D-果糖，结构为β-D-六环果糖异构体，属于还原糖，比旋光度为-92.4°，又称左旋糖[1]。纯净的果糖呈无色针状或三棱形结晶，故称结晶果糖。果糖具有明显的冷甜性，其甜度大约为葡萄糖的3倍，蔗糖的1.2～1.8倍。其溶解性好、保持性良好、发酵性较好、渗透性强，且不易结晶[1]。水果、蜂蜜和菊科植物中都含有丰富的果糖，可以作为提取高纯度果糖的原料。

作为一种健康甜味剂，结晶果糖具有抗龋齿、食用后不引起血糖波动、不引起人体肥胖、代谢不需要胰岛素控制、减轻肠胃功能负担、减少术后蛋白质流失以及对酒精分解速度快等功能，被大量应用于食品、药品和保健品的生产中[2]。随着人们对低GI健康饮食观念的增强，结晶果糖作为一种新型低GI的糖源，终将走进大众餐桌。结晶果糖在全球的销量以每年超过20%的速度递增，具有广阔的市场前景，是全球21世纪替代蔗糖、葡萄糖的新型功能性健康糖[3]。

我国结晶果糖产业虽然已实现工业化生产，但生产工艺尚不够完善，生产效率低。其生产工艺中的关键技术主要是葡萄糖的异构化、果葡糖浆分离、果糖的结晶等[4]。果糖结晶要求的高纯度、本底结晶特性，使得高效的分离技术和稳定的结晶技术成为其大规模工业生产的难点[5]。

1 果糖的国内外市场与生产分析

结晶果糖已经成为世界公认的健康食品，影响着人们的日常生活。结晶果糖功能特性显著，在欧美、日本等发达国家已用于功能食品、药品、营养保健食品、冷饮以及低热值食品和运动型饮料配方中。果糖注射液作为一种新的营养型注射液，已被美、英、日德等国家录入药典，并被大量应用于糖尿病、肝病患者的治疗中。

在国内，随着生理代谢知识的普及，人们对食糖认识的局限将被进一步打开，果糖的发展领域有相当大的潜力空间，饮料及食品行业有果糖代替食用蔗糖的趋势，医药行业更是一个不小的市场，市场对结晶果糖的需求将不断扩大。各个生产厂家应加大这方面的推广力度，提高技术，降低成本，共同培育出一个健康的果糖市场。

1.1 国外结晶果糖生产的发展

20世纪60年代，欧洲利用蔗糖进行果糖结晶的工业化生产，采用离子排斥技术进行分离和纯化，控制果糖的结晶过程，制造时间为一周。生产过程中以蔗糖为原料，不带入其他低聚糖杂质，产品纯度较高，适合药用级结晶果糖的生产，同时是一种较廉价且直接的方法。随着葡萄糖和果糖分离技术的发展，1980年左右，国外开始了第二、三代果葡糖浆的工业化生产。法国利用蔗糖和玉米糖浆的一种混合物制备结晶果糖。美国在UOP公司实现了果糖和葡萄糖的模拟移动床连续分离后，Xyrolin公司于1981年应用此技术将玉米糖浆转化成为纯结晶果糖，年产量为1万t，拉开了淀粉糖转化生产结晶果糖的序幕。目前国外结晶果糖的制备工艺多是以淀粉果葡糖浆生产工艺为基础，釆用模拟移动床技术将果葡糖液分离为果糖组分与葡萄糖组分，然后采用水相结晶的方式制备结晶果糖。此种工艺与其他糖类的生产工艺相比，结晶难度大，晶粒生成很小，结晶时间很长。

目前国内结晶果糖依然依赖进口，主要以美国和欧洲为主。国外的结晶果糖生产商有美国ADM、芬兰丹尼斯克（Danisco Sweeteners Oy，原料为蔗糖）、美国泰莱公司（Tate&Lyle）[6]、以色列格莱姆公司（原料为甜菜糖）等。到达上海港价格为12 000～12 500元/t，市售价13 500～14 000元/t。

1.2 国内结晶果糖生产的发展

结晶果糖由于其工艺难度大，国内生产量很小，进口价格较高(医药级8万元/t、食品级0.95～1.30万元/t)，在国内不能得到广泛推广。但21世纪后，随着果葡糖浆产业的迅速发展，果葡糖浆分离纯化技术越来越成熟，中小批量生产的结晶果糖项目逐渐在我国落地。

2014年，广东湛江徐闻县建立了我国第一个以白砂糖为原料的结晶果糖生产线，年产1万t[7]。早在1992年，其采用无机分子筛模拟移动床设备，实现了中试生产每年1 000 t，后由于技术、成本的原因停滞下来；山东西王集团于2008年投资建设了年产量为2万t的结晶果糖生产线，填补了国内淀粉糖生产结晶果糖的空白[8]，并于2010年将小包装结晶果糖推广至大众餐桌。其利用连续离交技术有效去除了果葡糖浆中5-羟甲基糠醛的影响[9]。可以将5-羟甲基糠醛从80～900 mg·kg-1降至20 mg·kg-1及以下，使其不再是困扰结晶果糖生产企业的难题；保龄宝生物以葡萄糖为原料，建设了年产量为2万t的结晶果糖生产线；河北华旭药业以葡萄糖为原料，通过自主研发的高效模拟移动床GX-SMB分离得到了果糖含量＞98%的高果糖浆，最终得到食用级结晶果糖（0.5万t/年），再二次结晶可得到医药级果糖。其结晶母液采用自主创新研发的催化剂HD-01催化加氢，最终得到甘露醇，从而实现了结晶果糖、医药甘露醇的高效联产[10-11]。

2 原料选择与转化途径

2.1 菊糖途径

人们曾利用存在于大丽花等植物球根中的菊粉（又称菊糖，由多个果糖分子通过β-（1→2）键连接），通过控制水解分裂糖苷键，使占绝大多数的呋喃果糖转变成更稳定的吡喃果糖异构物。酸法水解副产物较多，而且酸法水解所用菊粉酶的价格高，再者此方法所用原料受季节性限制，不适于结晶果糖大规模工业连续生产。

2.2 蔗糖途径

蔗糖分子中含有一分子葡萄糖和一分子果糖，是工业生产果糖最丰富的原料，将蔗糖进行水解、分离、结晶生产结晶果糖是一种较廉价和直接的方法[12]。以蔗糖为原料，可以不带入其他低聚糖杂质，产品纯度较高，适合药用级结晶果糖的生产。

2.3 淀粉糖途径

我国是农业大国，每年收获的小麦、玉米、甘薯和马铃薯等农产品近亿公斤，其中大部分用来生产淀粉及其深加工产品。特别是河南省地处华北平原，是小麦、玉米种植大省，淀粉制品是本省的支柱产业。果糖的价格是葡萄糖的5倍，是淀粉的3倍，如果用农产品来生产果糖将会带来可观的经济利润。早在2 000年时，我国开始对制糖工业进行政策调整，使得商品蔗糖价格上涨，为淀粉果葡糖浆的发展带来了一次难得的机遇。目前工业生产多采用玉米淀粉水解制葡萄糖，再经葡萄糖异构酶转化为42%果糖，然后经色谱分离、结晶，最终得到结晶果糖。

2.4 其他途径

通过利用甘露异构酶对甘露醇的分解作用生产出果糖溶液，经过再结晶得出果塘也是一种生产方法，但是需要解决甘露醇的来源问题；最近有业内人士提出一种不同的生产结晶果糖的方法，使用酶法转化葡萄糖为-D葡萄糖醛酮，而后氢化果糖，再结晶回收果糖；此外，有以苹果为原料生产果糖的方法，但成本过高，难以被生产企业所接受。

3 结晶果糖生产中关键技术与存在问题

3.1 葡萄糖的异构化

葡萄糖经葡萄糖异构酶转化为果糖，此异构化反应为可逆反应，随着反应的进行，果糖的浓度逐渐增大，对反应的抑制作用也越来越大，严重影响了果糖的转化率。根据现有酶制剂的特性及酶解条件，目前大多数企业的果糖转化率在42%～45%，果糖含量最大限度约为55%[13]，所以如何减小果糖对异构化反应的抑制作用，提高果糖的转化率，是目前急需解决的问题。

3.1.1 异构酶的装填

目前国内主要有两种异构酶的装填方式，一种是先在水化罐内对异构酶进行水化处理，然后再转移到异构柱中；一种是直接在异构柱中进行水化，但这种操作方式对异构酶的要求较高，需要异构酶能在短时间内水化完全[14]。对于异构酶的装填量而言，国内装填量一般在异构柱的容积的50%～60%，很少达到70%以上。异构柱的高径比一般在4～6，一般建议异构酶的床层体积应占异构柱体积的50%以上，最大可装至异构柱体积的75%左右。

3.1.2 异构糖浆浓度

目前国内的果糖生产厂家配料浓度基本在33%～35%，只有嘉吉的工厂配料浓度能提高到37%～38%。而国外有的果糖厂已将配料浓度提高到40%～42%，这样就省去了异构前的一套蒸发流程。在此过程中，需要有合适的液化酶、糖化酶配合使用，不能因为提高浓度而降低葡萄糖的质量。有工厂将配料浓度提高到50%左右，此操作可减小焦亚硫酸钠和七水硫酸镁的使用量（按体积比添加），进而有效减轻去除焦亚硫酸钠和七水硫酸镁的负担，同时缓解二次蒸发时由美拉德反应引起的果糖损失和色泽加深问题。

3.1.3 异构出口果糖含量

对于模拟移动床分离能力不足的厂家，提高异构柱出口果糖含量是一种值得考虑的方法。目前国内中粮、嘉吉的果糖工厂基本都将异构柱出口果糖含量提高到了44%～45%。但若能进一步提高到45%～46%，将会进一步降低果糖整体生产的运行费用。浙江工业大学柳志强等人[15]设计了葡萄糖异构酶高通量筛选模型，建立了耐高温的葡萄糖异构酶库，培育了多株高活力的耐高温葡萄糖异构酶工程菌株，获得了具有高活力与强稳定性、工业性能优良的固定化耐高温葡萄糖异构酶，在85～90 ℃下酶活高达414.3 U/(g WCW)，催化果糖得率＞55%，主要性能指标优于国际同类产品，并率先应用于一步法制备F55糖浆的规模化生产。同时，该技术成果也将打破国外葡萄糖异构酶对国内市场的垄断。目前国内葡萄糖异构酶市场基本被诺维信和杰能科所垄断，价格昂贵，使得葡萄糖异构酶成为国内果糖制造产业中的卡脖子技术之一。

3.2 果糖和葡萄糖的分离

工业化生产果糖溶液含有葡萄糖和低聚糖等杂质，且果糖和葡萄糖是同分异构体（葡萄糖是醛己糖，C1碳原子上连接的是醛基，而果糖是酮己糖，C2碳原子上连接的是酮基），理化性质相近，分离非常困难，如何实现果糖和葡萄糖的高效分离是果糖生产中亟需解决的问题。果糖和葡萄糖的分离方法主要有结晶法、硼酸盐分离法、复盐法、色谱分离法、化学分离法、反渗透分离法、液-液萃取分离法、离子交换树脂分离法、参数泵分离、氧化葡萄糖酸钙分离和果糖钙沉淀分离等[16]。

目前国内外大多数企业主要采用的是色谱分离法。随着色谱分离技术的发展，分离设备已从固定填充床发展到自动模拟移动床（SMB），实现了分离的连续化、工业化，已于21世纪80年代用于第二代、第三代果葡糖浆的工业化生产，可使果糖的提取率高达92%，果糖纯度可达90%以上[17-18]。而且以上海兆光生物工程设计研究院为代表的淀粉糖工厂设计公司已突破果糖和葡萄糖的高效分离难题，并实现了国产化。

模拟移动床采用的是逆流连续操作方式，通过变换固定床吸附设备的物料进出口位置，产生吸附剂连续向下移动而物料连续向上移动的效果。工业上色谱分离柱采用的载体为钙型树脂或阳离子交换树脂，其中钙型树脂对果糖的亲和能力强于葡萄糖，使葡萄糖和果糖先后被冲洗分离。但与葡萄糖异构酶情况相似，具备优良性能的色谱树脂基本上依赖进口。模拟移动床树脂用量少，分离效果好，产品质量稳定，自动化程度高，可以实现大规模的连续化生产。但此技术工艺复杂，生产耗能高，分离组分浓度低，并有大量的物料回流，要求有计算机等配套的自动精确控制系统（一旦平衡状态破坏，难以恢复正常操作）[19-21]，设备投资大，许多中小型企业难以承受。

3.3 果糖的结晶

经色谱分离后的果糖液中仍含有少量葡萄糖和低聚糖，采用结晶方法可使果糖析出，而葡萄糖和低聚糖则留在母液中，从而进一步分离精制，获得果糖含量为99.0%以上的无水结晶果糖。其中，影响结晶的因素有很多，包括温度、pH、纯度、起始浓度和过饱和度。国内结晶果糖生产工艺还比较落后，普遍存在结晶时间过长，产品外形、粒径特征不佳，成本高，产率低等问题，且果糖结晶的性能、机理、动力学等理论研究相对缺乏[22]。

3.3.1 水相冷却结晶

水相冷却结晶虽然具有成本低、污染小、操作简单等优点，但必须同时控制冷却温度、冷却速率以及溶液的过饱和度，避免出现自发成核现象，对产品的质量造成影响。在水相结晶时往往需要超过50 h，并且由于果糖自身在水溶液中溶解度大，此方法产量较低。

3.3.2 有机相结晶

有机相结晶法常用的有机溶剂有甲醇、乙醇、异丙醇等，有机溶剂可使果糖浆的黏度明显降低，加速晶体生长，缩短结晶时间，提高结晶率。由于乙醇具有挥发性，有利于后续分离，所以一般多采用乙醇。但是这种方法需要耗费大量的有机溶剂，提高了生产成本，增加了生产的危险性。最致命的问题在于有机溶剂的加入会造成晶体自发成核，这一关键性技术问题使得有机溶剂结晶生产果糖的工业化进程停滞不前。

4 结语

我国结晶果糖产业面临的矛盾为国内生产能力（年产4.5万t）不能满足不断增长的应用市场需求，使得结晶果糖严重依赖进口。拓展加工原料使用范围，加快以小麦为原料的结晶果糖产业布局，可有效缓解市场供需矛盾。此外，需要集中开展葡萄糖异构酶和色谱分离树脂两项技术的攻关突破，强化并提高果糖结晶特性、机理、动力学等理论研究，以更好地促进结晶果糖的生产进程。