Isoglukóza

Dnešní doba klade neúprosné a někdy až docela přehnané a neurotizující nároky na kvalitu ve všech oblastech lidské existence. I proto máme skoro na všechno ISO normu. Od ISO normy na velikost kyselých okurek až po ISO normu na optimální zabarvení hlasu rozhlasového moderátora. My diabetologové se nejčastěji “oháníme” ISO normou 15197:2013, která stanovuje mantinely pro přesnost měření glykémie pomocí glukometrů, a je pro bezpečí pacientů a spolehlivost našeho rozhodování velmi užitečná. I proto vzhledem k zmíněnému může samotný pojem isoglukóza být docela zavádějícím, a neinformovaný jedinec, ať už laik nebo odborník jej může vnímat třeba jako „správnou“ nebo „vhodnou“ glukózu.  Nenechme se ale touto předponou zmást, isoglukóza nemá s ISO normou nic společného, je odvozena od slova isomer, nebo isomerizace. Ale jelikož žijeme v době norem, i na její výrobu a použití máme u nás v Evropské Unii normu, konkrétně Regulation (EC) No. 1924/2006

Definice

Isoglukóza je v evropské nomenklatuře pojmenování pro v Americe zaužívaný pojem high-fructose corn syrup (HFCS), neboli glukózo-fruktózový sirup, případně fruktózo-glukózový sirup - pokud je podíl fruktózy v roztoku větší než 50%). Jedná se o sladidlo vyráběné z kukuřičného škrobu pomocí enzymatického štěpení, které jej rozloží na glukózu. Část glukózy je následně procesem isomerizace transformována na fruktózu. První průmyslovou produkci HFCS na přelomu 60-70. let dvacátého století spustila americká společnost Clinton Corn Processing Company.

Historie

Glukóza i fruktóza jsou isomery. Mají totožný molekulární vzorec (C6H12O6), ovšem rozdílnou strukturu a tudíž i fyzikální a chemické vlastnosti. V roce 1957 objevili Richard Marshallův a Earl Kooi mikrobiální enzym, který isomerizoval glukózu na fruktózu, ovšem pouze za přítomnosti jedovatého arsenového činidla. Tento technologický zádrhel o několik let později  vědci v Japonsku vyřešili, a tak již nic nebránilo expanzi průmyslové výroby HFCS. První isoglukóza obsahovala 15% fruktózy, později následoval HFCS-42 obsahující v roztoku 42% fruktózy, jehož sladivost je stejná jako u sacharózy, a prodával se pod názvem Isomerie. Tento produkt se začal již ve velkém využívat v potravinářském průmyslu zejména při výrobě cukrovinek, pečiva, nealkoholických nápojů, dresinků, zmrzlin apod. Ještě koncentrovanější HFCS-55, v němž již fruktóza převažuje nad glukózou, se na trhu objevil v roce 1980. Prudký vzestup výroby HFCS zapříčinila zejména vysoká cena sacharózy na americkém trhu, a tak již v roce 1974 oznámila společnost Coca-Cola, že nápoje Sprite, Mr. Pibb a Fanta mohou obsahovat až 25% HFCS. Podobně i ostatní globální výrobcové slazených nápojů z ekonomických důvodů přešli k používání isoglukózy při výrobě svých produktů.

Výroba isoglukózy

Současný proces výroby isoglukózy spočívá v několika krocích. Prvním z nich je mlýnské zpracování kukuřice, jehož výsledným produktem je kukuřičný škrob. Následně se roztok škrobu acidifikuje za účelem iniciace uvolňování vazeb mezi uhlovodany. Poté již „nastupují“ enzymy - nejdříve alfa-amyláza, která rozloží dlouhé řetězce škrobu na oligosacharidy, z nichž se po přidání glukoamylázy získají molekuly glukózy. Z roztoku se následně odfiltrují proteiny, demineralizuje se pomocí ionexů (iontoměničů) a purifikuje pomocí aktivního uhlí. Do vzniklého roztoku se poté přidá klíčový enzym, tedy isomeráza, která konvertuje glukózu na fruktózu. Vznikne HFCS 90, který se dále ředí glukózovým sirupem. Výsledný roztok tvoří z 24% voda, zbytek poté obsahuje 42 nebo 55% fruktózy, glukózu a nerozštěpené oligosacharidy.

Hlavní typy isoglukózy (HFCS)

HFCS 42 (42% fruktózy, sladivost stejná jako sacharóza) - využívá se při výrobě nápojů, polotovarů, cereálií a pečiva

HFCS 55 (55% fruktózy, sladší než sacharóza) - zejména při výrobě slazených nápojů

Konzumace HFCS vzrostla v USA mezi roky 1970 až 1999 o 1000% a v současnosti tvoří isoglukóza více než 40% sladidel používaných v potravinářském průmyslu a představuje tak hlavní dietní zdroj fruktózy.

Vliv fruktózy na lidský organismus

Zájem odborné i laické veřejnosti o možný negativní vliv sacharózy a isoglukózy na zdraví člověka vyvstal v posledních dvou desetiletích ruku v ruce s epidemií obezity a diabetu 2. typu a rovněž s řadou vědeckých důkazů o vlivu nadměrné konzumace jednoduchých cukrů na incidenci těchto nemocí. Bližší zkoumání jednotlivých sacharidů odhalilo určité více i méně významné rozdíly mezi účinky glukózy a fruktózy na intermediární metabolismus. Zejména hypertriglyceridémie je v současnosti považována za klíčový patofyziologický prvek při rozvoji inzulínové rezistence, přičemž složkou zodpovědnou za vzestup hladiny triglycidů při nadměrném užívání sacharózy či isoglukózy je fruktóza.

Většina glukózy pocházející z potravy je stejně tak jako fruktóza transportována portálním oběhem do jater, ale následně bez zastávky dále do periferních tkání, kde je využita jako energetický substrát, případně pro tvorbu glykogenových a lipidových zásob. Převážná část fruktózy naopak setrvává v játrech, kde se použije pro syntézu triglyceridů. Rozdíly v utilizaci glukózy a fruktózy v játrech souvisí s rozdílnou aktivitou jaterních enzymů glukokinázy a fruktokinázy, zapojených do jejich utilizace. Velká kapacita jater syntetizovat prekurzory triglyceridů, tedy mastné kyseliny, glycerolfosfát a vydávat je ve formě VLDL triglyceridů do cirkulace je hlavní příčinou tzv. hypertriglyceridemického efektu, vyvolaného zvýšeným přívodem fruktózy. Fruktóza nabízející játrům velké množství trióza-fosfátu, sloužícího jako prekurzor pro syntézu mastných kyselin, je tedy velmi lipogenní. Na rozdíl od glukózy je zvýšená utilizace fruktózy v játrech zvyšována zachována i za stavů, kdy utilizace glukózy ve tkáních je výrazně snížena, například při diabetu a hladovění.11 Fruktóza na rozdíl od glukózy zvyšuje koncentraci malých denzních LDL částic a oxidovaného LDL cholesterolu, což jsou složky lipidového spektra svázané s vysokým aterogenním rizikem. Zvláště negativní z hlediska patofyziologie metabolických abnormalit je zjištění, že fruktózou indukované lipidy se ukládají především v oblasti viscerální tukové tkáně.

Co se týče vztahu fruktózy k ovlivňování příjmu potravy, na rozdíl od glukózy neovlivňuje uvolňování inzulínu (beta-buňky pankreatu neobsahují fruktózový transportér GLUT 5), a její podávání tak nezvyšuje inzulínem zprostředkovaný nárůst plazmatických hladin leptinu. Nízké hladiny tohoto hormonu jsou přitom asociovány s nárůstem tělesné hmotnosti a obezitou. Experimenty na dobrovolnících ukázaly, že podání potravy s vysokým podílem fruktózy zvyšuje následující den pocit hladu, a vede ke zvýšenému příjmu potravy ve srovnání s podáním potravy obsahující energeticky srovnatelné množství glukózy. Příčinou je opět rozdílný vliv fruktózy a glukózy na leptin a ghrelin a tudíž i na příjem potravy.

Konzumace fruktózy může mít ovšem i některé pozitivní aspekty, mezi něž patří snížení přijatého množství potravy, pokud je fruktóza podána ještě před jídlem, nižší glykemické index ve srovnání s glukózou a zlepšení výdrže při konzumaci během cvičení.

Zvýšený přívod sacharózy nebo fruktózy zvyšuje kromě krevních triglyceridů i koncentraci neesterifikovaných mastných kyselin (NEMK), které mohou být primární abnormalitou vedoucí ke snížené utilizaci glukózy ve tkáních a následně k hyperinzulinemii. Mohou také stimulovat glukoneogenezi, a tím přispívat k hyperglykemii, inzulinové rezistenci a k rozvoji diabetu 2. typu. Ke snižování citlivosti na inzulín může fruktóza přispívat i modifikací střevní mikroflóry a změnami střevní permeability, která může vyústit ke zvýšeným plazmatickým koncentracím bakteriálních lipopolysacharidů a endotoxinů a subklinickému zánětu. Inzulínová rezistence a hyperinzulinémie jsou rovněž v přímé souvislosti se vzestupem krevního tlaku (prostřednictvím aktivace sympatického nervového systému a renální reabsorpce sodíku). A konečně vysoký příjem fruktózy způsobuje intracelulární zmnožení aldehydů, kteréžto modifikují membránové proteiny, např. vápníkové kanály, čímž dochází k vzestupu vápníku v svalových buňkách cévní stěny a zvýšené vaskulární rezistenci.

Dalším negativním důsledkem zvýšeného přívodu fruktózy je porušená schopnost inzulinu potlačit uvolňování mastných kyselin z tukové tkáně. To vede k trvale zvýšeným hladinám NEMK a k ektopickému ukládání triglyceridů a dalších lipidových metabolitů ve svalové a jaterní tkáni a v pankreatických ostrůvcích. Tato ektopická akumulace triglyceridů v těchto tkáních je dnes považována za jednu z hlavních příčin inzulinové rezistence a poruch sekrece inzulinu a je pojítkem mezi jaterní nealkoholickou steatózou (NASH) a inzulínovou rezistencí. U zdravých dobrovolníků vedla dieta s obsahem 25 % celkové energie ve formě sacharózy zvýšila hladiny jaterních enzymů AST a ALT již po 18 dnech podávání.

Epidemiologická studie ukázala, že osoby s jaterní steatózou v porovnání s kontrolní skupinou nebo běžnou populací konzumovaly dvojnásobné množství sladkých nápojů. V mechanismu negativních účinků fruktózy na jaterní steatózu hraje patrně důležitou úlohu vyčerpání ATP (adenosintrifosfátu) při fosforylaci fruktózy na fruktózo-1-fosfát enzymem fruktokinázou, které je dáváno do souvislosti s rozvojem zánětu a progresí steatózy do steatohepatitidy.

Fruktóza může zvyšovat riziko KV poruch nejen zvýšenou tvorbou malých aterogenních lipoproteinových částic, ale i negativním vlivem na funkci endotelu v důsledku vystupňovaného oxidačního stresu a snížené dostupnosti oxidu dusnatého. Recentní studie zdůrazňují možnou souvislost fruktózou vyvolaných zvýšených hladin kyseliny močové se zvýšeným kardiovaskulárním rizikem. Význam tohoto zjištění souvisí s tím, že kyselina močová signifikantně snižuje endoteliální hladiny vasodilatačně působícího oxidu dusnatého. Opakovaně bylo pozorováno, že plazmatické koncentrace kyseliny močové byly zvýšeny o vysokém příjmu stravou fruktózy. Rozbor dat z epidemiologického sledování zdraví americké populace NHANES III ukazuje, že spotřeba cukrem slazených nápojů je významně spojena s koncentracemi kyseliny močové v plazmě. Kromě toho je spotřeba fruktózy byl v přímém vztahu k výskytu chorob souvisejících s metabolismem kyseliny močové jako je dna a tvorba ledvinových kamenů.

Meta-analýza vlivu konzumace fruktózy na metabolismus z roku 2014, která zahrnovala 15 studií, prokázala pozitivní asociaci fruktózy se zvýšenou hladinou glykémie nalačno, triglyceridů a systolickým krevním tlakem (p=0,002) a negativní vztah k hladině HDL cholesterolu (p=0,001). Nicméně jednotlivé studie vykazovaly u jednotlivých zkoumaných parametrů značnou nesourodost, která může statistickou významnost výsledků této meta-analýzy do určité míry nahlodat.

Jaké je tedy vhodné a bezpečné množství fruktózy v potravě? Příjem samotné fruktózy potravou, zejména z ovoce a medu je v dnešním rozvinutém světě minimální a tvoří pouze 15% celkového příjmu fruktózy, zbytek konzumujeme společně s glukózou ve formě sacharózy resp. isoglukózy ve zpracovaných potravinách a nápojích, takže stanovit skutečný denní příjem je docela složité. Obvykle se uvádí poměr glukózy a fruktózy v naší stravě 5:1. Současné doporučení American Heart Association pro běžnou populaci činí maximálně 6 čajových lžiček sacharidů pro ženy a 9 lžiček pro muže (1 vrchovatá lžička je přibližně 10g cukru krupice). U naší populace pacientů s diabetem je dle standardu ČDS při uspokojivé kompenzaci diabetu do 50g/den (max. do 10% energetické spotřeby).

Isoglukóza a EU

            Používání isoglukózy v slazených nápojích nedosahuje v současnosti v Evropě takového rozmachu, protože je nutné použít sirup s obsahem minimálně 42% fruktózy, aby byla zajištěna dostatečná sladkost. Produkce isoglukózy s obsahem fruktózy vyšším než 10% ovšem podléhá v EU regulaci - konkrétně její produkce nesmí přesáhnout 5% produkce klasického cukru. K slazení nápojů v Evropě se tedy používá převážně sacharóza (obsahující mimochodem 50% fruktózy). Ve Spojených státech, kde obdobná regulace neexistuje představuje podíl isoglukózy až 40% sacharidů využívaných při výrobě nealkoholických nápojů. Regulační opatření EU má nicméně platnost pouze do října 2017, takže uvidíme jak se situace kolem isoglukózy na našem kontinentu bude nadále vyvíjet, nicméně předpokládá se výrazné zvýšení produkce isoglukózy, které může představovat až 15% celkové spotřeby cukru.

Isoglukóza a včely

K počátku využívání isoglukózy ve včelařství přispělo pozorování pracovníků továren na HFCS, kteří zaznamenali, že produkovaný roztok je pro včely „atraktivní“  a shlukují se ve velkém při tankování isoglukózy do cisteren. Zanedlouho se využití isoglukózy rozšířilo i na přikrmování včelstev za účelem podpory množení a v případě nedostatku přirozeně se vyskytujícího nektaru a pylu. Bohužel využití HFCS v této „indikaci“ sebou nese velké riziko v podobě látky zvané hydroxymetylfurfural (HMF), která vzniká dehydratací fruktózy při ohřátí isoglukózy na 45 stupňů Celsia. HMF je pro včely toxický a považuje se za možnou příčinu závažného jevu, tzv. syndromu zhroucení včelstev (angl. CCD, colony colapse disorder), kdy v krátkém okamžiku vymře celé včelstvo či celá včelí kolonie. 13

Závěr:

Po hlasitých diskusích ohledně nadměrné konzumace sacharidů koncem 90. let počala spotřeba isoglukózy v USA pozvolna klesat, zatímco epidemiologická data o nárůstu obezity, diabetu 2. typu na tento fakt nikterak nezareagovala a nadále neúprosně stoupají. Isoglukózu tedy jen stěží můžeme označit za hlavního viníka tohoto trendu, spíše ji můžeme posadit na lavici obžalovaných společně s ostatními sacharidy konzumovanými v nerozumných objemech neodpovídajících energetickému výdeji konkrétního jedince. Stejně tak fruktóza je zcela přirozenou složkou lidské potravy, pokud je konzumována v rozumné míře. V případě trvalého nadměrného příjmu fruktózy nám ovšem hrozí vzestup hladin triglyceridů spolu s ektopickým ukládáním lipidů ve tkáních, inzulinová rezistence, zhoršení glukózové tolerance, dysfunkce endotelu a další poruchy, které jsou velice závažné z hlediska nárůstu obezity, diabetu a rizika kardiovaskulárních onemocnění.

Recentní studie naznačují, že krátkodobé negativní účinky konzumace isoglukózy jsou minimální, protože lidský organismus naloží se sacharózou i isoglukózou naprosto stejným způsobem. Rozdíl mezi sacharózou, kde je podíl fruktózy a glukózy „fifty-fifty“ a isoglukózou (42% resp. 55%) nebude tedy z klinického hlediska patrně žádný. Ostatně kupříkladu jablečný džus z koncentrátu, na jehož přípravu se isoglukóza nepoužívá obsahuje až 64% podíl fruktózy. Zcela zásadní pro zdraví současného člověka, zejména pokud je obdařen genotypem pro obezitu či diabetes, bude i nadále vyvážená strava s důrazem na redukci celkové denní spotřeby sacharidů bez ohledu na konkrétní druh cukru.

Literatura:

1.    Roy L. Whistler, ‎James N. BeMiller, ‎Eugene F. Paschall - 2012 - ‎Technology & Engineering Starch: Chemistry and Technology
2.    Applied Biochemistry and Bioengineering: Enzyme Technology. Academic Press. New York, 1979
3.    Sweet Stuff: An American History of Sweeteners from Sugar to Sucralose.
4.    White JS. Sucrose, HFCS, and Fructose: History, Manufacture, Composition, Applications, and Production. Chapter 2 in J.M. Rippe (ed.), Fructose, High Fructose Corn Syrup, Sucrose and Health, Nutrition and Health. Springer Science+Business Media New York 2014. ISBN 9781489980779.
5.    Čopíková J., et al. CUKERNÁ NESACHAROSOVÁ SLADIDLA A PŘÍBUZNÉ LÁTKY Chem. Listy 100, 778−783 (2006)
6.    Vyhláška č.76/2003 Sb. částka 32.
7.    http://www.europarl.europa.eu/sides/getDoc.do?pubRef=-//EP//TEXT+MOTION+B8-2015-1370+0+DOC+XML+V0//CS
8.    Bray, GA; Nielsen SJ; Popkin BM (2004). "Consumption of high-fructose corn syrup in beverages may play a role in the epidemic of obesity".American Journal of Clinical Nutrition 79 (4): 537–543. PMID 15051594.
9.    Samuel VT (February 2011). "Fructose induced lipogenesis: from sugar to fat to insulin resistance". Trends Endocrinol. Metab. 22 (2): 60–5.doi:10.1016/j.tem.2010.10.003. PMID 21067942.
10. Sievenpiper, JL; de Souza, RJ; Mirrahimi, A; Yu, ME; Carleton, AJ; Beyene, J; Chiavaroli, L; Di Buono, M; Jenkins, AL; Leiter, LA; Wolever, TM; Kendall, CW; Jenkins, DJ (21 February 2012). "Effect of fructose on body weight in controlled feeding trials: a systematic review and meta-analysis.". Annals of internal medicine 156 (4): 291–304. doi:10.7326/0003-4819-156-4-201202210-00007. PMID 22351714.
11. Kazdová, L. Negativní důsledky konzumace fruktózy při diabetu a metabolickém syndrome  LL 4/2009 
12. OECD, 2004, OECD Agricultural Outlook: 2004-2013, OECD, Paris, Glossary
13. Parker, Kay, Michelle Salas, and Veronica C. Nwosu. "High fructose corn syrup: production, uses and public health concerns." Biotechnol Mol Biol Rev 5.5 (2010): 71-78.
14. Goran, Michael I., Stanley J. Ulijaszek, and Emily E. Ventura. "High fructose corn syrup and diabetes prevalence: a global perspective." Global Public Health 8.1 (2013): 55-64.
15. Toop, C. R.; Muhlhausler, B. S.; O'Dea, K.; Gentili, S. (2015-02-01). "Consumption of sucrose, but not high fructose corn syrup, leads to increased adiposity and dyslipidaemia in the pregnant and lactating rat". Journal of Developmental Origins of Health and Disease 6 (1): 38–46. doi:10.1017/S2040174414000610. ISSN 2040-1752. PMID 25523154.
16. Rizkalla, S. W. (2010). "Health implications of fructose consumption: A review of recent data". Nutrition & Metabolism 7: 82. doi:10.1186/1743-7075-7-82. PMC 2991323. PMID 21050460.
17. Moeller SM; et al. (Dec 2009). "The effects of high fructose syrup". J Am Coll Nutr. 28 (6): 619–26. PMID 20516261.
18. Kelishadi R, Mansourian M, Heidari-Beni M. Association of fructose consumption and components of metabolic syndrome in human studies: a systematic review and meta-analysis. Nutrition. 2014 May;30(5):503-10. doi: 10.1016/j.nut.2013.08.014.
19. Tappy L, Lê KA. Metabolic effects of fructose and the worldwide increase in obesity. Physiol Rev. 2010 Jan;90(1):23-46. doi: 10.1152/physrev.00019.2009.
20. White J.S. Challenging the Fructose Hypothesis: New Perspectives on Fructose Consumption and Metabolism. Adv Nutr March 2013 Adv Nutr vol. 4: 246-256, 2013