Фруктоза ( / ˈ f r ʌ k t oʊ s , - oʊ z / ), или фруктовый сахар , является кетоновым простым сахаром , встречающимся во многих растениях, где он часто связан с глюкозой , образуя дисахарид сахарозу . Это один из трех диетических моносахаридов, наряду с глюкозой и галактозой , которые всасываются кишечником непосредственно в кровь воротной вены во время пищеварения . Затем печень преобразует большую часть фруктозы и галактозы в глюкозу для распределения в кровотоке или отложения в гликоген. [6]
Фруктоза была открыта французским химиком Огюстеном-Пьером Дюбрюнфо в 1847 году. [7] [8] Название «фруктоза» было придумано в 1857 году английским химиком Уильямом Алленом Миллером . [9] Чистая, сухая фруктоза — это сладкое, белое, не имеющее запаха кристаллическое вещество, наиболее растворимое в воде из всех сахаров. [10] Фруктоза содержится в меде , фруктах деревьев и винограда, цветах, ягодах и большинстве корнеплодов .
В коммерческих целях фруктоза производится из сахарного тростника , сахарной свеклы и кукурузы . Высокофруктозный кукурузный сироп представляет собой смесь глюкозы и фруктозы в качестве моносахаридов. Сахароза представляет собой соединение , в котором одна молекула глюкозы ковалентно связана с одной молекулой фруктозы. Все формы фруктозы, включая те, которые содержатся во фруктах и соках, обычно добавляются в продукты питания и напитки для улучшения вкуса и аромата , а также для подрумянивания некоторых продуктов, таких как выпечка. По состоянию на 2004 год ежегодно производилось около 240 000 тонн кристаллической фруктозы. [11]
Чрезмерное потребление сахара, включая фруктозу (особенно из подслащенных сахаром напитков), может способствовать развитию резистентности к инсулину , ожирению , повышению уровня холестерина ЛПНП и триглицеридов , что приводит к метаболическому синдрому . Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов (EFSA) заявило в 2011 году, что фруктоза может быть предпочтительнее сахарозы и глюкозы в подслащенных сахаром продуктах и напитках из-за ее меньшего влияния на уровень сахара в крови после приема пищи [12] , а также отметило потенциальный недостаток, заключающийся в том, что «высокое потребление фруктозы может привести к метаболическим осложнениям, таким как дислипидемия , резистентность к инсулину и повышенное висцеральное ожирение». [12] [13] В 2015 году Научно-консультативный комитет Великобритании по питанию оспорил утверждения о том, что фруктоза вызывает нарушения обмена веществ, заявив, что «недостаточно доказательств, подтверждающих, что потребление фруктозы в количествах, потребляемых в обычном рационе питания в Великобритании, приводит к неблагоприятным последствиям для здоровья независимо от каких-либо эффектов, связанных с ее присутствием в качестве компонента общих и свободных сахаров». [14]
Слово «фруктоза» было образовано в 1857 году от латинского слова fructus (фрукт) и общего химического суффикса для сахаров, -ose . [9] [15] Его также называют фруктовым сахаром и левулозой или левулозой из-за его способности вращать плоскополяризованный свет левовращательным образом ( против часовой стрелки/влево), когда луч проходит через него в растворе. Аналогично, декстроза (изомер глюкозы) получила свое название из-за его способности вращать плоскополяризованный свет правовращательным образом ( по часовой стрелке/вправо). [15]
Фруктоза — это 6-углеродный полигидроксикетон. [16] Кристаллическая фруктоза принимает циклическую шестичленную структуру, называемую β- d -фруктопираноза, из-за стабильности ее полукетальной и внутренней водородной связи. В растворе фруктоза существует как равновесная смесь таутомеров β - d - фруктопиранозы , β- d - фруктофуранозы , α -d -фруктофуранозы, α -d -фруктопиранозы и кето - d -фруктозы (нециклическая форма). [17]
Распределение таутомеров d -фруктозы в растворе связано с несколькими переменными, такими как растворитель и температура. [18] Распределение d -фруктопиранозы и d -фруктофуранозы в воде было определено несколько раз как примерно 70% фруктопиранозы и 22% фруктофуранозы. [19]
Фруктоза может анаэробно ферментироваться дрожжами и бактериями . [20] Ферменты дрожжей преобразуют сахар ( сахарозу , глюкозу и фруктозу, но не лактозу ) в этанол и углекислый газ . [21] Часть углекислого газа , образующегося в процессе ферментации, останется растворенной в воде, где она достигнет равновесия с углекислотой . Растворенный углекислый газ и углекислота производят карбонизацию в некоторых ферментированных напитках , таких как шампанское .
Фруктоза подвергается реакции Майяра , неферментативному потемнению, с аминокислотами . Поскольку фруктоза существует в большей степени в форме открытой цепи, чем глюкоза, начальные стадии реакции Майяра происходят быстрее, чем с глюкозой. Таким образом, фруктоза может способствовать изменению вкусовых качеств пищи , а также другим питательным эффектам, таким как чрезмерное потемнение, уменьшение объема и нежности во время приготовления торта и образование мутагенных соединений. [22]
Фруктоза легко дегидратируется с образованием гидроксиметилфурфурола («ГМФ», C
6ЧАС
6О
3), который может быть переработан в жидкий диметилфуран ( С
6ЧАС
8O ). Этот процесс в будущем может стать частью недорогой, углеродно-нейтральной системы по производству заменителей бензина и дизельного топлива из растений. [23]
Основной причиной коммерческого использования фруктозы в пищевых продуктах и напитках, помимо ее низкой стоимости, является ее высокая относительная сладость. Это самый сладкий из всех встречающихся в природе углеводов . Относительная сладость фруктозы, как сообщается, составляет от 1,2 до 1,8 раза больше, чем у сахарозы. [24] [25] [26] [27] Однако именно 6-членная кольцевая форма фруктозы слаще; 5-членная кольцевая форма имеет примерно такой же вкус, как обычный столовый сахар. Нагревание фруктозы приводит к образованию 5-членной кольцевой формы. [28] Следовательно, относительная сладость уменьшается с повышением температуры. Однако было замечено, что абсолютная сладость фруктозы идентична при 5 °C и 50 °C, и, таким образом, относительная сладость по отношению к сахарозе обусловлена не аномерным распределением, а уменьшением абсолютной сладости сахарозы при более высоких температурах. [26]
Сладость фруктозы ощущается раньше, чем сладость сахарозы или глюкозы, а вкусовые ощущения достигают пика (выше, чем у сахарозы) и уменьшаются быстрее, чем у сахарозы. Фруктоза также может усиливать другие вкусы в системе. [24] [26]
Фруктоза проявляет эффект синергии сладости при использовании в сочетании с другими подсластителями. Относительная сладость фруктозы, смешанной с сахарозой, аспартамом или сахарином, воспринимается как более сладкая, чем сладость, рассчитанная по отдельным компонентам. [29] [26]
Фруктоза имеет более высокую растворимость в воде, чем другие сахара, а также другие сахарные спирты. Поэтому фруктозу трудно кристаллизовать из водного раствора. [24] Сахарные смеси, содержащие фруктозу, такие как конфеты, мягче, чем те, которые содержат другие сахара, из-за большей растворимости фруктозы. [30]
Фруктоза быстрее впитывает влагу и медленнее выделяет ее в окружающую среду, чем сахароза, глюкоза или другие питательные подсластители. [29] Фруктоза является отличным увлажнителем и удерживает влагу в течение длительного периода времени даже при низкой относительной влажности (RH). Поэтому фруктоза может придать более приятную текстуру и продлить срок хранения пищевым продуктам, в которых она используется. [24]
Фруктоза оказывает большее влияние на понижение точки замерзания, чем дисахариды или олигосахариды, которые могут защищать целостность клеточных стенок фруктов, уменьшая образование кристаллов льда. Однако эта характеристика может быть нежелательной в мягких или сильно замороженных молочных десертах. [24]
Фруктоза увеличивает вязкость крахмала быстрее и достигает более высокой конечной вязкости, чем сахароза, поскольку фруктоза снижает температуру, необходимую для желатинизации крахмала , что приводит к большей конечной вязкости. [31]
Хотя некоторые искусственные подсластители не подходят для домашней выпечки, во многих традиционных рецептах используется фруктоза. [32]
Естественные источники фруктозы включают фрукты, овощи (включая сахарный тростник) и мед. [33] Фруктоза часто дополнительно концентрируется из этих источников. Самыми высокими диетическими источниками фруктозы, помимо чистой кристаллической фруктозы, являются продукты, содержащие белый сахар (сахарозу), кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы , нектар агавы , мед , патоку , кленовый сироп , фрукты и фруктовые соки , так как они имеют самые высокие проценты фруктозы (включая фруктозу в сахарозе) на порцию по сравнению с другими распространенными продуктами и ингредиентами. Фруктоза существует в продуктах питания либо в виде свободного моносахарида , либо в связанном с глюкозой виде сахарозы, дисахарида . Фруктоза, глюкоза и сахароза могут присутствовать в пище; однако разные продукты питания будут иметь различные уровни каждого из этих трех сахаров.
Содержание сахара в распространенных фруктах и овощах представлено в Таблице 1. В целом, в продуктах, содержащих свободную фруктозу, соотношение фруктозы к глюкозе составляет приблизительно 1:1; то есть продукты с фруктозой обычно содержат примерно равное количество свободной глюкозы. Значение выше 1 указывает на более высокую пропорцию фруктозы к глюкозе, а ниже 1 — на более низкую пропорцию. Некоторые фрукты имеют большую пропорцию фруктозы к глюкозе по сравнению с другими. Например, яблоки и груши содержат более чем в два раза больше свободной фруктозы, чем глюкозы, в то время как для абрикосов эта пропорция составляет менее половины фруктозы к глюкозе.
Яблочный и грушевый соки представляют особый интерес для педиатров , поскольку высокая концентрация свободной фруктозы в этих соках может вызвать диарею у детей. Клетки ( энтероциты ), выстилающие тонкий кишечник детей, имеют меньшее сродство к всасыванию фруктозы , чем к глюкозе и сахарозе. [34] Невсосавшаяся фруктоза создает более высокую осмолярность в тонком кишечнике, что приводит к попаданию воды в желудочно-кишечный тракт, что приводит к осмотической диарее. Это явление более подробно обсуждается в разделе «Влияние на здоровье».
Таблица 1 также показывает количество сахарозы, обнаруженное в обычных фруктах и овощах. Сахарный тростник и сахарная свекла имеют высокую концентрацию сахарозы и используются для коммерческого приготовления чистой сахарозы. Извлеченный сок тростника или свеклы очищается, удаляя примеси; и концентрируется путем удаления избытка воды. Конечный продукт - 99,9%-ная сахароза. Сахара, содержащие сахарозу, включают обычный белый сахар и сахарную пудру , а также коричневый сахар . [35]
Все данные с единицей измерения г (грамм) основаны на 100 г продукта питания. Соотношение фруктоза/глюкоза рассчитывается путем деления суммы свободной фруктозы плюс половина сахарозы на сумму свободной глюкозы плюс половина сахарозы.
Фруктоза также содержится в промышленном подсластителе , кукурузном сиропе с высоким содержанием фруктозы (HFCS), который производится путем обработки кукурузного сиропа ферментами , преобразующими глюкозу во фруктозу. [37] Общепринятые обозначения содержания фруктозы, HFCS-42 и HFCS-55, указывают процент фруктозы, присутствующей в HFCS. [37] HFCS-55 обычно используется в качестве подсластителя для безалкогольных напитков , тогда как HFCS-42 используется для подслащивания обработанных пищевых продуктов, сухих завтраков , хлебобулочных изделий и некоторых безалкогольных напитков. [37]
[35] для HFCS и USDA для фруктов и овощей и других рафинированных сахаров. [36]
Тростниковый и свекловичный сахара использовались в качестве основных подсластителей в производстве продуктов питания на протяжении столетий. Однако с развитием HFCS произошел значительный сдвиг в типе потребления подсластителей в некоторых странах, особенно в Соединенных Штатах. [38] Однако, вопреки распространенному мнению, с ростом потребления HFCS общее потребление фруктозы относительно общего потребления глюкозы не претерпело существенных изменений. Гранулированный сахар на 99,9% состоит из сахарозы, что означает, что он имеет одинаковое соотношение фруктозы и глюкозы. Наиболее часто используемые формы HFCS, HFCS-42 и HFCS-55, имеют примерно одинаковое соотношение фруктозы и глюкозы с небольшими различиями. HFCS просто заменил сахарозу в качестве подсластителя. Поэтому, несмотря на изменения в потреблении подсластителей, соотношение потребления глюкозы и фруктозы осталось относительно постоянным. [39]
Фруктоза, содержащая 368 ккал на 100 грамм сухого порошка (таблица), имеет 95% калорийности сахарозы по весу. [40] [41] Порошок фруктозы на 100% состоит из углеводов и не содержит других питательных веществ в значительном количестве (таблица).
Фруктоза существует в пищевых продуктах либо как моносахарид (свободная фруктоза), либо как единица дисахарида (сахароза). Свободная фруктоза является кетоновым простым сахаром и одним из трех пищевых моносахаридов, которые усваиваются непосредственно кишечником. Когда фруктоза потребляется в форме сахарозы, она переваривается (расщепляется), а затем усваивается как свободная фруктоза. Когда сахароза вступает в контакт с мембраной тонкого кишечника, фермент сахараза катализирует расщепление сахарозы с образованием одной единицы глюкозы и одной единицы фруктозы, которые затем усваиваются. После всасывания она попадает в воротную вену печени и направляется в печень.
Механизм всасывания фруктозы в тонком кишечнике до конца не изучен. Некоторые данные свидетельствуют об активном транспорте , поскольку было показано, что всасывание фруктозы происходит против градиента концентрации. [44] Однако большинство исследований подтверждают утверждение, что всасывание фруктозы происходит на слизистой оболочке посредством облегченного транспорта с участием транспортных белков GLUT5 . [45] Поскольку концентрация фруктозы в просвете выше, фруктоза способна течь по градиенту концентрации в энтероциты с помощью транспортных белков. Фруктоза может транспортироваться из энтероцита через базолатеральную мембрану либо GLUT2 , либо GLUT5, хотя транспортер GLUT2 имеет большую способность транспортировать фруктозу, и, следовательно, большая часть фруктозы транспортируется из энтероцита через GLUT2. [45]
Способность к абсорбции фруктозы в форме моносахарида колеблется от менее 5 г до 50 г (на индивидуальную порцию) и адаптируется с изменениями в потреблении фруктозы с пищей. [46] Исследования показывают, что наибольшая скорость абсорбции достигается, когда глюкоза и фруктоза вводятся в равных количествах. [46] Когда фруктоза потребляется как часть дисахарида сахарозы, способность абсорбции намного выше, поскольку фруктоза существует в соотношении 1:1 с глюкозой. Похоже, что скорость переноса GLUT5 может быть насыщена на низких уровнях, а абсорбция увеличивается за счет совместного поглощения с глюкозой. [47] Одним из предложенных механизмов этого явления является глюкозозависимый котранспорт фруктозы. Кроме того, активность переноса фруктозы увеличивается с потреблением фруктозы с пищей. Присутствие фруктозы в просвете вызывает повышенную транскрипцию мРНК GLUT5, что приводит к увеличению транспортных белков. Диеты с высоким содержанием фруктозы (>2,4 г/кг массы тела) увеличивают транспортные белки в течение трех дней после приема. [48]
В нескольких исследованиях измерялось всасывание фруктозы в кишечнике с помощью водородного дыхательного теста . [49] [50] [51] [52] Эти исследования показывают, что фруктоза не полностью всасывается в тонком кишечнике. Когда фруктоза не всасывается в тонком кишечнике, она транспортируется в толстый кишечник, где она ферментируется толстокишечной флорой. Водород вырабатывается в процессе ферментации и растворяется в крови воротной вены . Этот водород транспортируется в легкие, где он обменивается через легкие и измеряется водородным дыхательным тестом. Толстокишечная флора также производит углекислый газ, короткоцепочечные жирные кислоты , органические кислоты и следовые газы в присутствии невсосавшейся фруктозы. [53] Присутствие газов и органических кислот в толстом кишечнике вызывает желудочно-кишечные симптомы, такие как вздутие живота, диарея, метеоризм и желудочно-кишечные боли. [49] Упражнения, выполняемые сразу после употребления, могут усугубить эти симптомы, сокращая время прохождения по тонкому кишечнику, что приводит к попаданию большего количества фруктозы в толстый кишечник. [54]
Все три диетических моносахарида транспортируются в печень транспортером GLUT2. [55] Фруктоза и галактоза фосфорилируются в печени фруктокиназой ( Km = 0,5 мМ) и галактокиназой (Km = 0,8 мМ) соответственно. Напротив, глюкоза имеет тенденцию проходить через печень (Km печеночной глюкокиназы = 10 мМ) и может метаболизироваться в любой части тела. Поглощение фруктозы печенью не регулируется инсулином. Однако инсулин способен увеличивать обилие и функциональную активность GLUT5, транспортера фруктозы, в клетках скелетных мышц. [56]
Начальный катаболизм фруктозы иногда называют фруктолизом , по аналогии с гликолизом , катаболизмом глюкозы. При фруктолизе фермент фруктокиназа изначально производит фруктозо-1-фосфат , который расщепляется альдолазой B для получения триоз дигидроксиацетонфосфата (DHAP) и глицеральдегида . В отличие от гликолиза, при фруктолизе триозоглицеральдегид не имеет фосфатной группы . Поэтому для фосфорилирования глицеральдегида требуется третий фермент, триокиназа , для получения глицеральдегид-3-фосфата . Полученные триозы идентичны тем, которые получены при гликолизе, и могут вступать в глюконеогенный путь для синтеза глюкозы или гликогена или далее катаболизироваться через нижний гликолитический путь до пирувата .
Первым шагом в метаболизме фруктозы является фосфорилирование фруктозы до фруктозо-1-фосфата фруктокиназой, таким образом захватывая фруктозу для метаболизма в печени. Затем фруктозо-1-фосфат подвергается гидролизу альдолазой B с образованием DHAP и глицеральдегидов; DHAP может либо изомеризоваться в глицеральдегид-3-фосфат триозофосфатизомеразой, либо подвергнуться восстановлению до глицерин-3-фосфата глицерин-3-фосфатдегидрогеназой. Образующийся глицериновый альдегид также может быть преобразован в глицерин-3-фосфат глицерин-альдегидкиназой или далее преобразован в глицерин-3-фосфат глицерин-3-фосфатдегидрогеназой. Метаболизм фруктозы на этом этапе дает промежуточные продукты в глюконеогенном пути, ведущем к синтезу гликогена, а также синтезу жирных кислот и триглицеридов.
Полученный глицеральдегид, образованный альдолазой B, затем подвергается фосфорилированию до глицеральдегид-3-фосфата. Повышенные концентрации DHAP и глицеральдегид-3-фосфата в печени запускают глюконеогенный путь к глюкозе и последующему синтезу гликогена. [57] Похоже, что фруктоза является лучшим субстратом для синтеза гликогена, чем глюкоза, и что пополнение гликогена имеет приоритет над образованием триглицеридов. [58] После пополнения гликогена в печени промежуточные продукты метаболизма фруктозы в первую очередь направляются на синтез триглицеридов. [59]
Углерод из диетической фруктозы содержится как в свободных жирных кислотах , так и в глицериновых фрагментах триглицеридов плазмы. Высокое потребление фруктозы может привести к избыточному производству пирувата , вызывая накопление промежуточных продуктов цикла Кребса . [ 60] Накопленный цитрат может транспортироваться из митохондрий в цитозоль гепатоцитов , превращаться в ацетил-КоА цитратлиазой и направляться на синтез жирных кислот. [60] [61] Кроме того, DHAP может преобразовываться в глицерол-3-фосфат, обеспечивая глицериновый остов для молекулы триглицерида. [61] Триглицериды включаются в липопротеины очень низкой плотности (VLDL), которые высвобождаются из печени и направляются в периферические ткани для хранения как в жировых, так и в мышечных клетках.
В 2022 году Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов заявило, что существуют научные доказательства того, что фруктоза и другие добавленные свободные сахара могут быть связаны с повышенным риском нескольких хронических заболеваний: [12] [13] риск является умеренным для ожирения и дислипидемии (более 50%) и низким для неалкогольной жировой болезни печени , диабета 2 типа (от 15% до 50%) и гипертонии . EFSA далее заявило, что клинические исследования «не подтвердили положительной связи между потреблением пищевых сахаров в изокалорийном обмене с другими макронутриентами и любыми из оцененных хронических метаболических заболеваний или конечных точек, связанных с беременностью», но рекомендовало «потребление добавленных и свободных сахаров должно быть как можно ниже в контексте адекватной с точки зрения питания диеты». [13]
Когда фруктоза потребляется в избыточном количестве в качестве подсластителя в продуктах питания или напитках, это может быть связано с повышенным риском ожирения, диабета и сердечно-сосудистых заболеваний, которые являются частью метаболического синдрома . [13]
Было обнаружено, что фруктоза увеличивает уровень триглицеридов при диабете 2-го типа, но не 1-го типа, и ее умеренное использование ранее считалось приемлемым в качестве подсластителя для диабетиков, [62] возможно, потому что она не вызывает выработку инсулина β-клетками поджелудочной железы . [63] Для 50-граммового контрольного количества фруктоза имеет гликемический индекс 23 по сравнению со 100 для глюкозы и 60 для сахарозы. [64] Фруктоза также на 73% слаще сахарозы при комнатной температуре, что позволяет диабетикам использовать ее меньше на порцию. Фруктоза, потребляемая перед едой, может снизить гликемическую реакцию еды. [65] Подслащенные фруктозой продукты питания и напитки вызывают меньший рост уровня глюкозы в крови, чем те, которые производятся с использованием сахарозы или глюкозы. [12]
Группа отмечает, что эти значения подтверждают значительное снижение постпрандиальных реакций глюкозы в крови, когда фруктоза заменяет либо сахарозу, либо глюкозу.
фруктоза традиционная выпечка.