Сахар, который вдвое слаще глюкозы

Тростниковый, или свекловичный, сахар (сахароза) - важный пищевой продукт. В настоящее время мировое производство сахарозы из сахарного тростника и сахарной свеклы составляет около 85 млн. тонн. Для выращивания растительного сырья сахарной промышленности, естественно, требуются соответствующие климатические условия и хорошие почвы. Кроме того, во избежание потерь сырье необходимо перерабатывать сразу же после сбора урожая. Крахмал же, природное запасное вещество растений, можно получать из самых различных растительных объектов (картофеля, злаков, маниока, батата), а также в малопригодных для сельского хозяйства районах. Крахмал хорошо накапливается.

Как мы уже знаем, при варке пива под действием амилаз крахмал расщепляется. Однако получаемый конечный продукт глюкоза имеет один большой недостаток: она на 25% менее сладкая, чем сахароза. Следовательно, для получения одного и того же сладкого вкуса глюкозы надо взять больше, чем сахарозы. В свою очередь фруктоза (фруктовый сахар) примерно на 80% слаще сахарозы, т.е. она слаще глюкозы более чем в 2 раза. Фруктоза-это изомер глюкозы. Она имеет ту же самую химическую формулу C₆H₁₂O₆ и состоит из точно таких же атомов. Поэтому для того, чтобы увеличить сладость глюкозы в 2 раза, достаточно было бы ее просто химически превратить во фруктозу. Однако все попытки осуществить изомеризацию глюкозы во фруктозу чисто химическим путем с помощью промышленных катализаторов окончились неудачей, поскольку при этом неспецифически образовывались темноокрашенные побочные продукты с плохим вкусом. Очистка фруктозы от них была бы слишком дорогой. Здесь могли помочь только ферменты.

В 1957 г. была открыта глюкозоизомераза, которая может превращать глюкозу во фруктозу. Это внутриклеточный фермент. Его получают из различных микроорганизмов. В 1960 г. в США был запатентован ферментативный процесс превращения глюкозы во фруктозу. Позднее, в 1966 г., японская исследовательская лаборатория фирмы "Шиба сити" описала промышленный процесс с использованием растворимой глюкозоизомеразы. При промышленной изомеризации глюкозы в качестве конечного продукта получают не одну фруктозу, а смесь глюкозы и фруктозы. Эту смесь в виде сиропа, обладающего очень высокой сахаристостью, можно использовать вместо кристаллической сахарозы.

В 1967 г. американская фирма "Клинтон корн процессинг компани" приступила к производству глюкозо-фруктозного сиропа из глюкозы с помощью растворимой глюкозоизомеразы. Однако этот сироп содержал лишь 15% фруктозы. Кроме того, быстро выяснилось, что процесс с участием глюкозоизомеразы может быть рентабельным только при многократном использовании дорогостоящего фермента. К счастью, глюкозоизомераза оказалась идеальным ферментом для иммобилизации. Она стабильна при высоких температурах, а поскольку и субстрат (глюкоза), и продукт реакции (фруктоза) - очень небольшие молекулы, практически не возникает никаких проблем с их движением по колонке с иммобилизованным ферментом. Ни глюкоза, ни фруктоза не несут электростатического заряда, поэтому глюкозоизомеразу можно было адсорбировать на заряженных группировках целлюлозы. Ионогенные (заряженные) субстрат и продукт "приклеились" бы к носителю. В 1968 г. концерн "Клинтон" предложил периодический метод превращения глюкозы во фруктозу с помощью иммобилизованного фермента, при котором выход фруктозы составлял 42%.

В 1972 г. этому же концерну удалось разработать систему непрерывного получения глюкозо-фруктозного сиропа с использованием иммобилизованной глюкозоизомеразы. Упрощенная схема этого процесса представлена на рис. 32.

Рис. 32. Промышленный способ получения фруктозо-глюкозного сиропа из крахмала (очень упрощенная схема). Сначала крахмал 'разжижается' до мальтозы и фрагментов среднего размера под действием растворимой а-амилазы. Фрагменты в свою очередь расщепляются ('осахариваются') до глюкозы растворимой глюкоамилазой. Иммобилизованная глюкозоизомераза превращает глюкозу во фруктозу. Конечный продукт - глюкозо-фруктозный сироп

Однако одного лишь хорошего технологического решения было недостаточно, для того чтобы открыть дорогу этому методу. Решающую роль играло положение на мировом рынке. В 60-е годы цена на сахар составляла примерно 15-20 центов за килограмм. Фруктозный сироп ни в коей мере не мог выдержать конкуренции с сахаром: его просто невозможно было получать дешевле. К тому же еще не были преодолены и недостатки ферментной технологии. Необходимо было превозмочь не только бытовавшие предрассудки в отношении нового производства, требовался принципиально новый технологический подход: разработка сложной системы фильтров, функционирующих под давлением, а также устройств для удаления тяжелого металла кобальта, который использовался в качестве стабилизатора фермента. Но вот в ноябре 1974 г. цены на сахар возросли до 1 доллара 25 центов за килограмм. Можно сказать, что буквально за одну ночь процесс с использованием изомераз стал очень выгодным. К тому времени, кроме того, были получены иммобилизованные препараты глюкозоизомеразы, которые были дешевле, работали без добавления кобальта и выдерживали давление в больших промышленных реакторах, колонки которых нередко достигали 7 метров в высоту.

Пример с глюкозоизомеразой может служить хорошей иллюстрацией того, какую роль играют политические мотивы в развитии того или иного производства. Резкое увеличение мировых рыночных цен на сахарозу привело к появлению в США сиропа из кукурузы с высоким содержанием фруктозы; продукт быстро распространился на американском рынке. Однако в Западной Европе с учетом перспективы возрастания расходов на сахар были предприняты ответные меры, направленные на увеличение производства сахара из свеклы, что помешало проникновению сиропа из кукурузы на западноевропейский рынок.

В 1976 г. только в США было произведено 750 тонн иммобилизованной глюкозоизомеразы, с помощью которых было получено 800000 тонн 42%-ного фруктозного сиропа. Когда в конце 1976 г. цены на сахар вновь упали до 15 центов за килограмм, новая ферментная технология уже утвердилась и широко применялась. Теперь издержки производства 42%-ного - фруктозного сиропа были ниже, чем в случае сахарозы.

В 1978 г. начался новый этап в развитии этого производства. Благодаря применению новых способов разделения удалось получить 55%-ный фруктозный сироп. При этом он был всего лишь на 15-25% дороже, чем 42%-ный. В производстве таких кислых напитков, как кока-кола и пепси-кола, для замены сахарозы требовался как раз сироп, содержащий минимум 55% фруктозы. Тем самым было положено начало широкому проникновению фруктозного сиропа в еще одну важную отрасль пищевой промышленности. В настоящее время в мире получают 2150000 тонн 42%-ного и 1450000 тонн 55%-ного сиропа из кукурузы с высоким содержанием фруктозы, для чего необходимо 1500-1700 тонн иммобилизованной глюкозоизомеразы.