3.3 结晶果糖
3.3.1 概述
结晶果糖的生产一般是先获得高纯度果糖浆，再通过控制结晶而得到。结晶果糖的国家标准见GB/T 26762—2011。对于高纯度果糖浆的生产，原料主要有菊粉、蔗糖及淀粉，也有关于苹果作为原料的相关报道。其中，利用菊粉为原料由于酶及工艺复杂性很难工业化应用。蔗糖较淀粉而言，由于制备过程中不会产生低聚糖，产品纯度高，因此在医药行业应用较多，近几年相关报道及应用较多。然而，目前结晶果糖主要加工工艺仍然是以淀粉为原料，经液化、糖化、异构化、果葡分离，得到纯度90%以上的果糖浆，再采取缓慢的、精细控制冷却而得到。
对于结晶果糖的生产，分离和结晶工艺是极为重要的。其中，果糖的结晶工艺是最主要的一步限制性操作。众所周知，工业结晶方法主要包括蒸发法、冷却法、真空冷却法和溶析法以及反应结晶法。果糖属于热敏性物质，不适用于蒸发法；真空冷却法由于能耗高，操作不易控制，在结晶果糖的生产中也较少应用；果糖溶解度对温度的变化率很大这一特点决定了结晶果糖最理想的生产方法是冷却法；针对果糖在有机溶剂中溶解度较小的性质，结合溶析法也是常被采用的方法。
果糖结晶过程中最主要的不利因素是果糖溶解度很大。果糖达到结晶要求的过饱和度时体系黏度极高，不利于结晶。升温降黏亦不可行，因为果糖是热敏性物质，增加温度易导致其发生降解，使果糖液颜色加深。结合添加有机溶剂的溶析法是降黏的可行方法，但添加有机溶剂会增加生产成本，也易导致自发成核而使产品的粒径特征不佳。此外，果糖的结晶操作中还存在许多影响因素。例如pH值偏低时二果糖酐形成较多，而二果糖酐会阻碍晶核的形成与晶体的长大；pH值太高又会产生一些有颜色的物质，影响感官品质，因此需严格控制果糖浆的pH值。通常结晶果糖是无水结晶果糖，属于正交晶系，但若结晶控制不佳，也易生成带有半个或两个结晶水的结晶态果糖，这种晶体吸水性比无水结晶大得多，且熔点接近室温，给储运造成困难，因此在结晶过程中应尽量避免它们的形成。自发成核是最常见的导致果糖晶体粒径特征不佳的原因，为了尽量减少自发成核的产生，就必须在结晶过程中十分仔细地使果糖浆维持在较低的过饱和水平。果糖的变旋作用有可能对果糖的结晶过程产生影响。
美国于20世纪50年代起致力于结晶果糖的生产研究。Holstein和Holsing最早申请了生产结晶果糖的专利（US3050444）。欧洲国家于20世纪60年代开始进行工业化规模的结晶果糖生产。由于果糖的水溶解度高，结晶困难，技术含量高，目前世界上仅有美国、以色列和丹麦等少数国家形成了规模化生产。我国关于结晶果糖的研究相对滞后，目前国内还没有具备大规模生产结晶果糖的厂家。这种局面与我国的果葡糖浆发展滞后的现状不无关系。国内对果糖结晶的研究起步较晚，研究成果相对较少。国内生产的结晶果糖在纯度方面大多可以达到要求，但普遍存在结晶时间过长，产品外形、粒径较差，成本高，产率低，不利于工业生产等问题。
2008年，山东西王集团投资建设了年产万吨的结晶果糖生产线，填补了国内结晶果糖规模化生产的空白。该公司针对色谱分离和结晶这两项技术进行了技术攻关，掌握了模拟移动床色谱分离技术及连续降温结晶技术，并成功应用于工业化生产，解决了结晶果糖生产过程中的结晶、分离及干燥三个环节的技术难题，为国内结晶果糖的工业化生产提供了技术平台，多项技术已经拥有自主知识产权。2010年，西王集团生产的小包装结晶果糖成功问世，并进入大众餐桌。2015年底，广东徐闻永青结晶果糖有限公司利用当地甘蔗资源建立了利用蔗糖生产结晶果糖的生产线。
3.3.2 结晶果糖的生产工艺
3.3.2.1 分离
果葡糖浆中果糖的分离，主要有离子交换树脂分离法、色谱分离法、结晶分离法、硼酸盐分离法、复盐分离法、参数泵分离法等，其中离子交换树脂分离法与色谱分离法分离效果好，而且可以连续化操作，实现工业规模化生产，是较理想的分离方法。但同时，存在着技术复杂、设备投资大等缺点。
（1）离子交换树脂分离法 离子交换树脂是带有活性基团、具有网状结构、不溶性的高分子化合物。离子交换树脂分离法是用离子型树脂做固相交换剂与溶液中离子进行可逆性化学反应进行分离的一种方法。果糖可与离子树脂的活性基团形成络合物而留在树脂上，而果葡糖浆中的葡萄糖则不能结合在树脂上，大部分被洗脱下来。因此通过离子交换树脂，将果葡糖浆过柱，经过交换、洗脱、收集、蒸发浓缩等工序就可以得到高纯度的高果糖浆。分离的效果取决于离子交换树脂的类型及交联度，在H+、Ca2+、OH-、
等几种不同类型的离子交换树脂中，以Ca2+型树脂与果糖的络合效果最好，提高了分离果葡糖浆的纯度。
（2）色谱分离法 色谱分离技术可成功地分离果葡糖浆组分，是目前应用最为普遍的一种分离方法。色谱法分离原理是利用不同组分在固定相和流动相中物理化学性质的差别，使各组分在两相中以不同的速率移动而进一步分离。在果葡糖浆中，离子交换树脂或钙盐型分子筛对果糖组分的亲和力较强，而对葡萄糖的亲和力较弱，因此大部分葡萄糖不被吸附先从分离柱内流出，分离柱内吸附剂对果糖的吸附作用强而最后流出，达到了分离果糖与葡萄糖的目的。
色谱分离经过了从固定床到模拟移动床的发展历程，实现了果葡糖浆分离的连续化与工业化。连续环状离子交换色谱分离是另一种可实现连续分离的色谱分离方法，果糖与葡萄糖在环状色谱床中迁移形成螺旋谱带，从不同的出口角度位置流出，得以分离。
（3）结晶分离法 先通过蒸发使得一代果葡糖浆浓缩至78°Bé，后经冷却至5℃，加入葡萄糖晶种，在搅拌下形成葡萄糖结晶，然后去除葡萄糖晶体得到纯度的二代果葡糖浆。最后通过离心分离出产品，留下的糖膏可用作下一次结晶的晶种，实现连续化生产。
（4）复盐分离法 首先将果葡糖浆经过氯化钙作用形成果糖-氯化钙混合物，也有研究是利用氯化钠，形成了葡萄糖-氯化钠混合物，向这些混合物中加入乙醇等有机溶剂或冷却的方法使沉淀析出，去除沉淀，浓缩得到的液体即可得到含量较高的果糖溶液，从而达到分离的目的，但该方法效率低。
3.3.2.2 结晶
果糖结晶方法按照生产工艺的连续性分为间歇（分批）操作和连续操作。间歇结晶操作的优点是灵活，可生产不同粒度分布的晶体。缺点是产率低，批次间产品的一致性难以得到保障，需要较大的储罐来养晶并且需为每个储罐设立单独的冷却系统。连续结晶的优缺点与分批操作相反。目前结晶果糖生产工艺较成熟的发达国家主要采取连续结晶工艺以获得高的产率和大的生产规模。从结晶工艺上可分为三类：干燥果糖浆法、从水中结晶和从有机溶剂的水溶液中结晶。其中，US Pat NO.4517021描述了干燥果糖浆来生产颗粒状半晶态果糖的方法，得到了水分含量低于2%、结晶果糖占60%、无定形果糖占35%的产品。但该产品纯度未达到食品化学法典（Food Chemicals Codex）的标准，因而不能被称作纯果糖，且吸水性很大，不利于贮藏与运输。因此，后两种更具可操作性。
（1）从水中结晶 对于从水中结晶，相关专利较多。美国专利（4199373）结晶方法通过在高果糖浆中加晶种并使晶体在50～90℉1和低于70%的相对湿度的静置条件下自然长大，结晶需2～72h，且产品的颗粒较大。美国专利（3513023）的结晶方法是在pH=3.5～8.0下将原料真空浓缩至水分含量为2%～5%，再冷却至60～85℃，然后在强烈搅拌下加入晶种。据称可以获得不黏团的、流动性好的晶体，并且避免了真空浓缩中较易形成的玻璃态。部分专利结合结晶设备对结晶过程进行了研究。例如美国专利（4666527）描述了一种连续结晶的方法，使结晶罐的上部和下部产生一个温度梯度，结晶由上至下进行，起初需加入晶种，设备运行后可将从上部溢出的部分作为晶种而实现连续结晶。
自发成核现象是在冷却结晶的过程最易导致产品品质不佳的主要原因。自发成核主要产生三个方面的不利影响：一是产品的粒度偏小，且粒径分布较宽，影响感官品质；二是大量晶核形成极大地提高了体系黏度，使后续的离心操作很难进行；三是微小的晶体容易结块，不利于产品的干燥与贮藏。解决自发成核的主要方式是对过饱和度的合理控制。研究表明，自发成核最易发生在晶种添加后的初期及过饱和度过高的情况下。解决办法是控制添加晶种时果糖浆的过饱和度，以及谨慎控制冷却速率使过饱和度始终维持在较低的水平。
美国专利（3928062）将加晶种的高果糖浆通过常压冷却结晶或减压蒸发结晶，使过饱和度保持在一定的浓度和温度范围内，即控制过饱和度始终处于半水化合物晶体开始形成的过饱和度以下，从而避免含结晶水的晶体产生。美国专利（3883365）介绍的方法是在58～65℃的浓缩果糖浆中加入晶种，并通过使晶种保持适度短的距离及维持过饱和度处于1.1～1.2来减少自发成核，产品粒径为200～600μm。美国专利（0613953）通过严格控制冷却速率，采取非线性降温方式始终将过饱和度控制在较低水平，获得了外形与粒径令人满意的产品。所采取的降温方式是：初始阶段以稍快的速率冷却，之后在自发成核最易发生的“关键期”降低冷却速率，将过饱和度维持在1.05～1.2，在“关键期”内，糖浆的密度迅速上升，晶体长大到期望的尺寸。当糖浆的密度足够大后，可以加快结晶速率而不会发生自发成核。整个结晶过程需20～60h。
总之，从水溶液中结晶果糖必须十分小心地控制冷却速率以免过饱和度过高而导致自发成核现象的发生。由于果糖饱和溶液黏度异常高，而且随温度的下降黏度会更高，根据晶体生长的扩散学说，结晶由溶质分子的扩散和表面反应两个步骤组成，高黏度对于结晶这一传质过程来说是非常不利的。因此从水溶液中结晶往往需要较长的时间，常超过50h甚至更长。另一个缺点是产量低，一般低于40%，这也是果糖在水溶液中极高的溶解度造成的。
（2）从有机溶剂的水溶液中结晶 为了解决结晶时间长和产率低的问题，人们尝试添加有机溶剂进行结晶果糖的生产。有机溶剂的选择十分关键，通常要求这种有机溶剂能与水形成共沸物，以便于蒸发除去。常用的有机溶剂主要是乙醇，也有甲醇、异丙醇或上述低级醇的混合物。从含醇的水溶液中结晶利用了醇的双重效应：一方面，醇的存在能显著降低体系黏度，有利于加速晶体的生长；另一方面，低级醇与水分子的亲和力大于果糖与水分子间的亲和力，可以将果糖与水分子有效地分离，从而促进结晶。这种方法的弊端在于大量有机溶剂的消耗提高了成本。此外，醇的加入使至少包括果糖、葡萄糖和水三种组分的复杂体系的相平衡变得更加复杂，添加醇的操作又易导致自发成核的发生，这进一步对精确控制冷却过程中的过饱和度提出了技术难题。
美国专利（4199374）采取在果糖浆中加入乙醇后冷却的方式得到结晶果糖，为了得到流动性良好的产品，在降温过程中需要严格控制果糖浆和乙醇的含水量。美国专利（4724006）则在50～80℃下加入与果糖质量比为（3∶1）～（1∶3）的乙醇，之后保持46～75℃，可以获得粒径为150～500μm的晶体。欧洲专利（0613954）采取了一种新颖的结晶果糖的工艺，将结晶操作分为五步：将经真空浓缩到一定浓度的果糖浆快速冷却至添加晶种的温度以尽可能减轻果糖的热解；添加晶种；缓慢降温使晶种长大；缓慢加入一定量的乙醇；最后慢速冷却使晶体长大至达到成品的粒度。这条工艺的新颖之处在于将添加晶种与混入乙醇的操作顺序加以颠倒，并将加入乙醇的方式由快速加入、剧烈搅拌改为缓慢逐步地加入。据称这种改进克服了以往从溶剂的水溶液中结晶存在的溶剂消耗大、自发成核严重的缺点。原因是先接晶种，更有利于溶液中果糖分子优先沉积于已存在的晶种上，而慢速混入乙醇可以避免迅速并入及剧烈搅拌引起的流体流动对结晶的不利影响。因此产品具有粒径分布窄、产率高的优点。金树人等在分离得到92%纯度高纯果糖浆的基础上，采用溶剂法，得到了纯度达到99.5%的结晶果糖。赵锡武等采用乙醇相结晶法，结晶8～60h，最终得到纯度>99%的无水结晶果糖，收率>90%。闫序东等采用乙醇相结晶法，得到的结晶果糖纯度>99%，提糖率高达56.92%。谢志平等采用乙醇相结晶法，基于热力学数据设计了晶种引晶的果糖冷却结晶工艺，过程优化得到的产品收率可达78.2%以上，纯度可达99%以上，利用粒度无关生长的粒数衡算方程建立了果糖连续结晶过程的动力学模型。
3.3.3 结晶果糖的物化特性及应用
结晶果糖是最甜的天然糖品，甜度为蔗糖的1.2～1.8倍。结晶果糖溶解性好，溶液黏度低，且呈现甜味的速度比葡萄糖和蔗糖都快；保湿性能好，可作吸水剂，能抑制食品脱水和淀粉老化，保持产品柔软，延长货架期；结晶果糖有助于保持食品原有的味觉特色，具有很好的甜味协同和苦涩味遮盖作用；发酵性好，能加快发酵速度，减少酵母的用量；渗透性强，能较好地渗透到食品内部，使其色泽鲜艳，风味浓厚，并有助于食品保藏；具有还原性和抗氧化性；与蔗糖不同，结晶果糖不会在酸性条件下分解，能使食品的甜味和风味保持长久。
3.3.3.1 果糖在食品工业中的应用
起初开发果糖产品是为了替代在食品中添加的蔗糖。果糖相对于蔗糖来说，不但可以增加食品的甜度，还可以进一步改善食品的性能、丰富食物的口感、提高食品的档次。经过实际应用证明，在酒类、饮料类、果酱类、罐头类、果糖类和烘焙制品当中，果糖可以部分取代蔗糖作为甜味剂。
作为一种天然的甜味剂，果糖虽然比人工合成甜味剂的甜度要低，但是果糖营养丰富、对人体无毒副作用、利于人体吸收和代谢方面的功能特点，越来越受到食品行业的青睐。果糖是众多甜味剂中，最能够有效降低食品中水分活度的甜味剂。细菌在高渗透压下不能生存，而果糖的渗透压较高，可以在抑制细菌生长方面起到一定作用，不但可以丰富果糖产品如果脯、果酱、蜜饯等的口感和风味，并且在延长保质期方面起到了一定作用。当果糖处于低温状态时，甜度会增加，将果糖用于冰棒和冰淇淋的生产中，不易形成结晶，并且口感更好。与其他糖类相比，果糖更容易发生Maillard反应，容易使面包、蛋糕等糕点食品产生诱人的香气，使制品变得松软可口。进入21世纪后，果糖产品已经在食品、饮料、乳制品等多个领域逐步代替蔗糖，果糖已经成为蔗糖最具有潜力的替代者。
果糖进入人体后，可以不经过胰岛素磷酸化过程而直接大量进入肝脏进行代谢，肝脏中的二磷酸果糖经过代谢分解得到丙糖，并以丙糖的形式储存。对于糖尿病患者而言，食用果糖后，不会引起体内血糖含量的升高，并且最有利于糖尿病患者服用的原因在于果糖的代谢几乎不依赖于胰岛素，所以不会对患者的身体机能造成太大压力。因此，果糖作为甜味剂正在糖尿病患者、老人和儿童的食品中进行推广。一般情况下，糖类代谢时会产生乳酸，从而造成肌肉酸痛、有倦怠感，但食用果糖后并不会出现类似的情况。有研究表明，果糖与细胞的结合能力更强，作为饮料中的添加剂在人体代谢释放能量时能更好地与细胞结合。吡喃果糖可以作为解酒剂，它可以加快身体对乙醇的代谢。
3.3.3.2 果糖在医药卫生方面的应用
果糖注射液与葡萄糖注射液在机体供能方面效力相当，但果糖注射液具有血糖波动幅度小的优点，具有较大的临床使用价值，而被收载入美国、英国、德国、日本等国药典，如甘油果糖输液、果糖氯化钠注射液及果糖片剂等，已用于心血管病、糖尿病、脑颅病等的治疗。在胰岛素发明之前，果糖曾用于治疗糖尿病，因果糖清除率快，不会引起血糖明显波动。果糖可以加快乙醇的代谢，可用于治疗乙醇中毒。此外，很多学者的研究成果都证明果糖能够有效改善人体内镁离子的平衡。