結晶果糖生產關鍵技術現狀分析

◎ 馮軍偉，劉世欣，段蘭蘭

（河南飛天農業開發股份有限公司，河南 淇縣 456750）

果糖（D-fructose）的學名為D-果糖，結構為β-D-六環果糖異構體，屬于還原糖，比旋光度為-92.4°，又稱左旋糖[1]。純凈的果糖呈無色針狀或三棱形結晶，故稱結晶果糖。果糖具有明顯的冷甜性，其甜度大約為葡萄糖的3倍，蔗糖的1.2～1.8倍。其溶解性好、保持性良好、發酵性較好、滲透性強，且不易結晶[1]。水果、蜂蜜和菊科植物中都含有豐富的果糖，可以作為提取高純度果糖的原料。

作為一種健康甜味劑，結晶果糖具有抗齲齒、食用后不引起血糖波動、不引起人體肥胖、代謝不需要胰島素控制、減輕腸胃功能負擔、減少術后蛋白質流失以及對酒精分解速度快等功能，被大量應用于食品、藥品和保健品的生產中[2]。隨著人們對低GI健康飲食觀念的增強，結晶果糖作為一種新型低GI的糖源，終將走進大眾餐桌。結晶果糖在全球的銷量以每年超過20%的速度遞增，具有廣闊的市場前景，是全球21世紀替代蔗糖、葡萄糖的新型功能性健康糖[3]。

我國結晶果糖產業雖然已實現工業化生產，但生產工藝尚不夠完善，生產效率低。其生產工藝中的關鍵技術主要是葡萄糖的異構化、果葡糖漿分離、果糖的結晶等[4]。果糖結晶要求的高純度、本底結晶特性，使得高效的分離技術和穩定的結晶技術成為其大規模工業生產的難點[5]。

1 果糖的國內外市場與生產分析

結晶果糖已經成為世界公認的健康食品，影響著人們的日常生活。結晶果糖功能特性顯著，在歐美、日本等發達國家已用于功能食品、藥品、營養保健食品、冷飲以及低熱值食品和運動型飲料配方中。果糖注射液作為一種新的營養型注射液，已被美、英、日德等國家錄入藥典，并被大量應用于糖尿病、肝病患者的治療中。

在國內，隨著生理代謝知識的普及，人們對食糖認識的局限將被進一步打開，果糖的發展領域有相當大的潛力空間，飲料及食品行業有果糖代替食用蔗糖的趨勢，醫藥行業更是一個不小的市場，市場對結晶果糖的需求將不斷擴大。各個生產廠家應加大這方面的推廣力度，提高技術，降低成本，共同培育出一個健康的果糖市場。

1.1 國外結晶果糖生產的發展

20世紀60年代，歐洲利用蔗糖進行果糖結晶的工業化生產，采用離子排斥技術進行分離和純化，控制果糖的結晶過程，制造時間為一周。生產過程中以蔗糖為原料，不帶入其他低聚糖雜質，產品純度較高，適合藥用級結晶果糖的生產，同時是一種較廉價且直接的方法。隨著葡萄糖和果糖分離技術的發展，1980年左右，國外開始了第二、三代果葡糖漿的工業化生產。法國利用蔗糖和玉米糖漿的一種混合物制備結晶果糖。美國在UOP公司實現了果糖和葡萄糖的模擬移動床連續分離后，Xyrolin公司于1981年應用此技術將玉米糖漿轉化成為純結晶果糖，年產量為1萬t，拉開了淀粉糖轉化生產結晶果糖的序幕。目前國外結晶果糖的制備工藝多是以淀粉果葡糖漿生產工藝為基礎，釆用模擬移動床技術將果葡糖液分離為果糖組分與葡萄糖組分，然后采用水相結晶的方式制備結晶果糖。此種工藝與其他糖類的生產工藝相比，結晶難度大，晶粒生成很小，結晶時間很長。

目前國內結晶果糖依然依賴進口，主要以美國和歐洲為主。國外的結晶果糖生產商有美國ADM、芬蘭丹尼斯克（Danisco Sweeteners Oy，原料為蔗糖）、美國泰萊公司（Tate&Lyle）[6]、以色列格萊姆公司（原料為甜菜糖）等。到達上海港價格為12 000～12 500元/t，市售價13 500～14 000元/t。

1.2 國內結晶果糖生產的發展

結晶果糖由于其工藝難度大，國內生產量很小，進口價格較高(醫藥級8萬元/t、食品級0.95～1.30萬元/t)，在國內不能得到廣泛推廣。但21世紀后，隨著果葡糖漿產業的迅速發展，果葡糖漿分離純化技術越來越成熟，中小批量生產的結晶果糖項目逐漸在我國落地。

2014年，廣東湛江徐聞縣建立了我國第一個以白砂糖為原料的結晶果糖生產線，年產1萬t[7]。早在1992年，其采用無機分子篩模擬移動床設備，實現了中試生產每年1 000 t，后由于技術、成本的原因停滯下來；山東西王集團于2008年投資建設了年產量為2萬t的結晶果糖生產線，填補了國內淀粉糖生產結晶果糖的空白[8]，并于2010年將小包裝結晶果糖推廣至大眾餐桌。其利用連續離交技術有效去除了果葡糖漿中5-羥甲基糠醛的影響[9]。可以將5-羥甲基糠醛從80～900 mg·kg-1降至20 mg·kg-1及以下，使其不再是困擾結晶果糖生產企業的難題；保齡寶生物以葡萄糖為原料，建設了年產量為2萬t的結晶果糖生產線；河北華旭藥業以葡萄糖為原料，通過自主研發的高效模擬移動床GX-SMB分離得到了果糖含量＞98%的高果糖漿，最終得到食用級結晶果糖（0.5萬t/年），再二次結晶可得到醫藥級果糖。其結晶母液采用自主創新研發的催化劑HD-01催化加氫，最終得到甘露醇，從而實現了結晶果糖、醫藥甘露醇的高效聯產[10-11]。

2 原料選擇與轉化途徑

2.1 菊糖途徑

人們曾利用存在于大麗花等植物球根中的菊粉（又稱菊糖，由多個果糖分子通過β-（1→2）鍵連接），通過控制水解分裂糖苷鍵，使占絕大多數的呋喃果糖轉變成更穩定的吡喃果糖異構物。酸法水解副產物較多，而且酸法水解所用菊粉酶的價格高，再者此方法所用原料受季節性限制，不適于結晶果糖大規模工業連續生產。

2.2 蔗糖途徑

蔗糖分子中含有一分子葡萄糖和一分子果糖，是工業生產果糖最豐富的原料，將蔗糖進行水解、分離、結晶生產結晶果糖是一種較廉價和直接的方法[12]。以蔗糖為原料，可以不帶入其他低聚糖雜質，產品純度較高，適合藥用級結晶果糖的生產。

2.3 淀粉糖途徑

我國是農業大國，每年收獲的小麥、玉米、甘薯和馬鈴薯等農產品近億公斤，其中大部分用來生產淀粉及其深加工產品。特別是河南省地處華北平原，是小麥、玉米種植大省，淀粉制品是本省的支柱產業。果糖的價格是葡萄糖的5倍，是淀粉的3倍，如果用農產品來生產果糖將會帶來可觀的經濟利潤。早在2 000年時，我國開始對制糖工業進行政策調整，使得商品蔗糖價格上漲，為淀粉果葡糖漿的發展帶來了一次難得的機遇。目前工業生產多采用玉米淀粉水解制葡萄糖，再經葡萄糖異構酶轉化為42%果糖，然后經色譜分離、結晶，最終得到結晶果糖。

2.4 其他途徑

通過利用甘露異構酶對甘露醇的分解作用生產出果糖溶液，經過再結晶得出果塘也是一種生產方法，但是需要解決甘露醇的來源問題；最近有業內人士提出一種不同的生產結晶果糖的方法，使用酶法轉化葡萄糖為-D葡萄糖醛酮，而后氫化果糖，再結晶回收果糖；此外，有以蘋果為原料生產果糖的方法，但成本過高，難以被生產企業所接受。

3 結晶果糖生產中關鍵技術與存在問題

3.1 葡萄糖的異構化

葡萄糖經葡萄糖異構酶轉化為果糖，此異構化反應為可逆反應，隨著反應的進行，果糖的濃度逐漸增大，對反應的抑制作用也越來越大，嚴重影響了果糖的轉化率。根據現有酶制劑的特性及酶解條件，目前大多數企業的果糖轉化率在42%～45%，果糖含量最大限度約為55%[13]，所以如何減小果糖對異構化反應的抑制作用，提高果糖的轉化率，是目前急需解決的問題。

3.1.1 異構酶的裝填

目前國內主要有兩種異構酶的裝填方式，一種是先在水化罐內對異構酶進行水化處理，然后再轉移到異構柱中；一種是直接在異構柱中進行水化，但這種操作方式對異構酶的要求較高，需要異構酶能在短時間內水化完全[14]。對于異構酶的裝填量而言，國內裝填量一般在異構柱的容積的50%～60%，很少達到70%以上。異構柱的高徑比一般在4～6，一般建議異構酶的床層體積應占異構柱體積的50%以上，最大可裝至異構柱體積的75%左右。

3.1.2 異構糖漿濃度

目前國內的果糖生產廠家配料濃度基本在33%～35%，只有嘉吉的工廠配料濃度能提高到37%～38%。而國外有的果糖廠已將配料濃度提高到40%～42%，這樣就省去了異構前的一套蒸發流程。在此過程中，需要有合適的液化酶、糖化酶配合使用，不能因為提高濃度而降低葡萄糖的質量。有工廠將配料濃度提高到50%左右，此操作可減小焦亞硫酸鈉和七水硫酸鎂的使用量（按體積比添加），進而有效減輕去除焦亞硫酸鈉和七水硫酸鎂的負擔，同時緩解二次蒸發時由美拉德反應引起的果糖損失和色澤加深問題。

3.1.3 異構出口果糖含量

對于模擬移動床分離能力不足的廠家，提高異構柱出口果糖含量是一種值得考慮的方法。目前國內中糧、嘉吉的果糖工廠基本都將異構柱出口果糖含量提高到了44%～45%。但若能進一步提高到45%～46%，將會進一步降低果糖整體生產的運行費用。浙江工業大學柳志強等人[15]設計了葡萄糖異構酶高通量篩選模型，建立了耐高溫的葡萄糖異構酶庫，培育了多株高活力的耐高溫葡萄糖異構酶工程菌株，獲得了具有高活力與強穩定性、工業性能優良的固定化耐高溫葡萄糖異構酶，在85～90 ℃下酶活高達414.3 U/(g WCW)，催化果糖得率＞55%，主要性能指標優于國際同類產品，并率先應用于一步法制備F55糖漿的規模化生產。同時，該技術成果也將打破國外葡萄糖異構酶對國內市場的壟斷。目前國內葡萄糖異構酶市場基本被諾維信和杰能科所壟斷，價格昂貴，使得葡萄糖異構酶成為國內果糖制造產業中的卡脖子技術之一。

3.2 果糖和葡萄糖的分離

工業化生產果糖溶液含有葡萄糖和低聚糖等雜質，且果糖和葡萄糖是同分異構體（葡萄糖是醛己糖，C1碳原子上連接的是醛基，而果糖是酮己糖，C2碳原子上連接的是酮基），理化性質相近，分離非常困難，如何實現果糖和葡萄糖的高效分離是果糖生產中亟需解決的問題。果糖和葡萄糖的分離方法主要有結晶法、硼酸鹽分離法、復鹽法、色譜分離法、化學分離法、反滲透分離法、液-液萃取分離法、離子交換樹脂分離法、參數泵分離、氧化葡萄糖酸鈣分離和果糖鈣沉淀分離等[16]。

目前國內外大多數企業主要采用的是色譜分離法。隨著色譜分離技術的發展，分離設備已從固定填充床發展到自動模擬移動床（SMB），實現了分離的連續化、工業化，已于21世紀80年代用于第二代、第三代果葡糖漿的工業化生產，可使果糖的提取率高達92%，果糖純度可達90%以上[17-18]。而且以上海兆光生物工程設計研究院為代表的淀粉糖工廠設計公司已突破果糖和葡萄糖的高效分離難題，并實現了國產化。

模擬移動床采用的是逆流連續操作方式，通過變換固定床吸附設備的物料進出口位置，產生吸附劑連續向下移動而物料連續向上移動的效果。工業上色譜分離柱采用的載體為鈣型樹脂或陽離子交換樹脂，其中鈣型樹脂對果糖的親和能力強于葡萄糖，使葡萄糖和果糖先后被沖洗分離。但與葡萄糖異構酶情況相似，具備優良性能的色譜樹脂基本上依賴進口。模擬移動床樹脂用量少，分離效果好，產品質量穩定，自動化程度高，可以實現大規模的連續化生產。但此技術工藝復雜，生產耗能高，分離組分濃度低，并有大量的物料回流，要求有計算機等配套的自動精確控制系統（一旦平衡狀態破壞，難以恢復正常操作）[19-21]，設備投資大，許多中小型企業難以承受。

3.3 果糖的結晶

經色譜分離后的果糖液中仍含有少量葡萄糖和低聚糖，采用結晶方法可使果糖析出，而葡萄糖和低聚糖則留在母液中，從而進一步分離精制，獲得果糖含量為99.0%以上的無水結晶果糖。其中，影響結晶的因素有很多，包括溫度、pH、純度、起始濃度和過飽和度。國內結晶果糖生產工藝還比較落后，普遍存在結晶時間過長，產品外形、粒徑特征不佳，成本高，產率低等問題，且果糖結晶的性能、機理、動力學等理論研究相對缺乏[22]。

3.3.1 水相冷卻結晶

水相冷卻結晶雖然具有成本低、污染小、操作簡單等優點，但必須同時控制冷卻溫度、冷卻速率以及溶液的過飽和度，避免出現自發成核現象，對產品的質量造成影響。在水相結晶時往往需要超過50 h，并且由于果糖自身在水溶液中溶解度大，此方法產量較低。

3.3.2 有機相結晶

有機相結晶法常用的有機溶劑有甲醇、乙醇、異丙醇等，有機溶劑可使果糖漿的黏度明顯降低，加速晶體生長，縮短結晶時間，提高結晶率。由于乙醇具有揮發性，有利于后續分離，所以一般多采用乙醇。但是這種方法需要耗費大量的有機溶劑，提高了生產成本，增加了生產的危險性。最致命的問題在于有機溶劑的加入會造成晶體自發成核，這一關鍵性技術問題使得有機溶劑結晶生產果糖的工業化進程停滯不前。

4 結語

我國結晶果糖產業面臨的矛盾為國內生產能力（年產4.5萬t）不能滿足不斷增長的應用市場需求，使得結晶果糖嚴重依賴進口。拓展加工原料使用范圍，加快以小麥為原料的結晶果糖產業布局，可有效緩解市場供需矛盾。此外，需要集中開展葡萄糖異構酶和色譜分離樹脂兩項技術的攻關突破，強化并提高果糖結晶特性、機理、動力學等理論研究，以更好地促進結晶果糖的生產進程。