аспартам

<час />

Фон

Аспартам - это искусственный подсластитель, используемый в продуктах с пониженной калорийностью. Он образован в основном из двух природных аминокислот, химически объединенных и обозначенных химическим названием N-L-ааспартил-L-фенилаланин-1-метиловый эфир (APM). Случайно обнаруженный в 1965 году, он был позже запатентован и в настоящее время является наиболее часто используемым искусственным подсластителем в Соединенных Штатах.

Аспартам представляет собой белый кристаллический порошок без запаха. Он примерно в 200 раз слаще сахара и легко растворяется в воде. У него сладкий вкус без горького химического или металлического послевкусия, характерного для других искусственных подсластителей. Эти свойства делают его хорошим ингредиентом для использования в качестве заменителя сахара во многих рецептах еды. Однако аспартам, как правило, взаимодействует с другими пищевыми ароматизаторами, поэтому он не может полностью заменить сахар. Если используется аспартам, необходимо изменить рецепты выпечки, конфет и других продуктов. Хотя аспартам можно использовать в микроволновых печах, он чувствителен к сильному нагреванию, что делает его непригодным для выпечки.

Тот факт, что аспартам обеспечивает сладость и аромат, не придает других физических характеристик, таких как объем или калорийность, как другие подсластители, делает его уникальным. Еще одна полезная черта заключается в том, что он оказывает синергетический эффект с другими подсластителями, что позволяет использовать меньшее количество подсластителей. Помимо подслащивающих продуктов, аспартам используется для уменьшения калорийности, усиления и расширения фруктовых вкусов.

История

Люди желали сладких блюд на протяжении тысячелетий. Древние наскальные рисунки в Аране в Испании изображают человека эпохи неолита, который берет мед из гнезда дикой пчелы. Было высказано предположение, что древние люди могли использовать сладкий вкус продуктов, чтобы сказать им, какие из них можно было бы безопасно есть. Считается даже, что тяга к сладкому может быть врожденной человеческой чертой. К сожалению, многие из естественно сладких продуктов содержат относительно большое количество калорий и углеводов.

Для придания сладкого вкуса без лишних калорий были разработаны альтернативные подсластители. Они также обеспечивают дополнительные преимущества в виде улучшения вкусовых качеств фармацевтических препаратов, помощи в лечении диабета и обеспечения экономичного источника там, где сахар недоступен. Первый из них, сахарин, был открыт в 1879 году и использовался в таких продуктах, как зубная паста, жидкость для полоскания рта и жевательная резинка без сахара.

Сахарный вкус аспартама был случайно обнаружен Джеймсом Шлаттером, американским исследователем лекарств из G.D. Searle and Co. в 1965 году. Работая над противоязвенным препаратом, он случайно пролил немного APM на руку. Полагая, что материал не токсичен, он приступил к работе, не смывая его. Он обнаружил сладкий вкус APM, когда лизнул палец, чтобы взять лист бумаги для взвешивания. Этот первоначальный прорыв привел к тому, что компания продемонстрировала сотни модифицированных версий APM. Однако ни один из этих материалов не обладал всеми преимуществами исходного соединения, включая экономичность производства, превосходные вкусовые качества и эффективность, естественные метаболические пути для пищеварения, превосходную стабильность и очень низкую токсичность. В результате компания получила патент США 3 492 131 и различные международные патенты, и первоначальное открытие было коммерциализировано. Патент США истек в 1992 году, и теперь технология доступна любой компании, которая хочет ее использовать.

После многих лет испытаний на токсичность FDA первоначально одобрило использование аспартама в качестве подсластителя в 1980 году. Однако отличительной чертой синтетических химикатов, используемых в пищевых продуктах, является то, что их безопасность находится под постоянным контролем. Аспартам не является исключением, и с момента его появления вокруг его безопасности ведутся споры. Большинство этих опасений было снято в конце 1984 года, когда после расследования различных жалоб, связанных с аспартамом, FDA и Центры по контролю за заболеваниями пришли к выводу, что это вещество безопасно и не представляет серьезного риска для здоровья. Этот вывод был дополнительно подтвержден Американской медицинской ассоциацией в 1985 году, и с тех пор аспартам завоевывает долю рынка. Помимо использования в Соединенных Штатах, аспартам также был одобрен для использования в более чем 93 зарубежных странах.

Аспартам продается компанией Searle с 1983 года под торговыми марками NutraSweet 'и Equal'. В настоящее время NutraSweet является очень популярным ингредиентом и используется в более чем 4000 продуктов, включая жевательную резинку, йогурт, диетические безалкогольные напитки, фруктовые соки, пудинги, крупы и порошковые смеси для напитков. По данным компании, только в США продажи NutraSweet® в 1993 году превысили 705 миллионов долларов.

Сырье

Аспартам в основном получают из соединений, называемых аминокислотами. Это химические вещества, которые используются растениями и животными для создания белков, необходимых для жизни. Из 20 аминокислот, встречающихся в природе, две, аспарагиновая кислота и фенилаланин, используются в производстве аспартама.

Все молекулы аминокислот имеют некоторые общие характеристики. Они состоят из аминогруппы, карбоксильной группы и боковой цепи. Химическая природа боковой цепи - это то, что отличает различные аминокислоты. Другой характеристикой аминокислот является способность образовывать различные молекулярные конфигурации, известные как изомеры. Эти изомеры обозначаются буквами L и D. Аспартам состоит только из L, L изомеров; ни одна из других комбинаций изомеров не имеет сладкого вкуса. Сладкий вкус аспартама невозможно было предсказать, глядя на две аминокислоты, из которых он получен. L-аспарагиновая кислота имеет ровный вкус, а L-фенилаланин горький. Однако, когда два соединения химически объединены и L-фенилаланин слегка модифицирован, достигается сладкий вкус.

Аспарагиновая кислота - одна из пяти аминокислот, имеющих «заряженную» боковую группу. Заряженная боковая группа аспарагиновой кислоты представляет собой (-CH ₂ -COOH). При попадании в воду этот материал ионизируется и становится отрицательно заряженным. Фенилаланин имеет неполярную гидрофобную боковую группу, которая несовместима с водой. Он состоит из шестиуглеродного кольца и присоединен к основной аминокислотной цепи через метил (-CH ₂ ) группа. Перед синтезом в аспартам он реагирует с метанолом. Это добавляет метильную группу, которая связана с молекулой кислородом, и соединение превращается в метиловый эфир. Метанол, необходимый для синтеза аспартама, имеет химическую структуру (CH ₃ -ОЙ). Это очень распространенный материал, который широко используется химиками-органиками для различных химических синтезов.

Производственный
процесс

Хотя его компоненты - аспарагиновая кислота, фенилаланин и метанол - естественным образом присутствуют в пищевых продуктах, сам аспартам не производится и должен производиться. NutraSweet (аспартам) производится путем ферментации и синтеза.

Ферментация

Прямая ферментация производит исходные аминокислоты, необходимые для производства аспартама. В этом процессе в больших количествах выращиваются определенные типы бактерий, которые обладают способностью вырабатывать определенные аминокислоты. В течение примерно трех дней происходит сбор аминокислот и уничтожение бактерий.

• 1 Чтобы начать процесс ферментации, образец чистой культуры бактерий помещается в пробирку, содержащую питательные вещества, необходимые для ее роста. После этой первоначальной инокуляции бактерии начинают размножаться. Когда их популяция становится достаточно большой, их переводят в семенной бак. Бактериальный Штаммы, используемые для производства L-аспарагиновой кислоты и L-фенилаланина, - это B. flavum и C. glutamicum соответственно.
• 2 Семенной бункер обеспечивает идеальную среду для роста большего количества бактерий. Он наполнен вещами, которые необходимы бактериям для процветания, включая теплую воду и углеводные продукты, такие как тростниковая патока, глюкоза или сахароза. Он также имеет источники углерода, такие как уксусная кислота, спирты или углеводороды, и источники азота, такие как жидкий аммиак или мочевина. Они необходимы бактериям для синтеза больших количеств желаемой аминокислоты. Другие факторы роста, такие как витамины, аминокислоты и второстепенные питательные вещества, дополняют содержимое семенного резервуара. Бункер для семян оборудован миксером, который поддерживает движение питательной среды, и насосом, который подает фильтрованный сжатый воздух. Когда имеется достаточный рост бактерий, содержимое семенного бункера перекачивается в бродильный чан.
• 3 Бак для брожения по сути является увеличенной версией бака для семян. Он заполнен той же питательной средой, что и в семенном баке, а также обеспечивает идеальную среду для роста бактерий. Здесь бактерии могут расти и производить большое количество аминокислот. Поскольку контроль pH жизненно важен для оптимального роста, при необходимости в аквариум добавляется вода с аммиаком.
• 4 Когда присутствует достаточное количество аминокислоты, содержимое ферментационного чана переносится наружу, и можно начинать изоляцию. Этот процесс начинается с центробежного сепаратора, который изолирует большую часть бактериальных аминокислот. Желаемую аминокислоту дополнительно разделяют и очищают в ионообменной колонке. Из этой колонки аминокислоты перекачиваются в емкость для кристаллизации, а затем в сепаратор кристаллов. Затем их сушат и готовят к фазе синтеза при производстве аспартама.

Синтез

Аспартам может быть получен различными химическими путями. Обычно фенилаланин модифицируют реакцией с метанолом, а затем объединяют со слегка модифицированной аспарагиновой кислотой, которая в конечном итоге образует аспартам.

• 5 Аминокислоты, полученные в процессе ферментации, изначально модифицируются для получения аспартама. Фенилаланин реагирует с метанолом, в результате образуется соединение, называемое метиловым эфиром L-фенилаланина. Аспарагиновая кислота также модифицируется таким образом, чтобы защитить различные части молекулы от воздействия дальнейших реакций. Один из методов заключается в реакции аспарагиновой кислоты с веществами, которые приводят к добавлению бензильных колец для защиты этих участков. Это гарантирует, что дальнейшие химические реакции будут происходить только на определенных частях молекулы аспарагиновой кислоты.
• 6 После соответствующей модификации аминокислот их перекачивают в резервуар реактора, где им дают возможность перемешиваться при комнатной температуре в течение 24 часов. Температура Затем значение увеличивается примерно до 149 ° F (65 ° C) и поддерживается в течение еще 24 часов. Затем реакционную смесь охлаждают до комнатной температуры. Его разбавляют подходящим растворителем и охлаждают примерно до 0 ° F (-18 ° C), вызывая кристаллизацию. Затем кристаллы отделяют фильтрованием и сушат. Эти кристаллы представляют собой промежуточное соединение аспартама, которое необходимо дополнительно модифицировать.
• 7 Промежуточный продукт превращается в аспартам в результате реакции с уксусной кислотой. Эта реакция проводится в большом резервуаре, заполненном водным раствором кислоты, катализатором на основе металлического палладия и водородом. Тщательно перемешивают и оставляют реагировать примерно на 12 часов.

Очищение

• 8 Металлический катализатор удаляют фильтрованием, а растворитель отгоняют, оставляя твердый остаток. Этот остаток очищают путем его растворения в водном растворе этанола и перекристаллизации. Эти кристаллы фильтруют и сушат, чтобы получить готовый порошок аспартама.

Контроль качества

Качество составов регулярно проверяется в процессе производства. Особое значение имеют частые проверки бактериальной культуры во время ферментации. Также проверяются различные физические и химические свойства готового продукта, такие как уровень pH, температура плавления и содержание влаги.

Будущее

В настоящее время в Соединенных Штатах существует только три альтернативных подсластителя, которые можно использовать в пищевых продуктах. Хотя аспартам, пожалуй, один из лучших доступных, ученые ищут новые способы сделать эти подсластители максимально похожими на сахар по вкусу. Их исследования были сосредоточены в трех областях, включая поиск новых производных, смешивание подсластителей и повышение эффективности аспартама.

Большая часть работ по химическим производным сосредоточена на поиске соединений, которые лучше подходят рецепторам вкусовых луковиц, чем традиционный аспартам. Исследователи полагают, что, используя аспартам в качестве модели, они смогут улучшить различные характеристики, внеся небольшие изменения. Например, они обнаружили, что когда одна только L-аспарагиновая кислота модифицируется определенным образом, она дает продукты, которые имеют сладкий вкус. Будущие исследования , скорее всего, сосредоточится на таких производных.

Другое направление исследований направлено на повышение термостабильности аспартама. Используя технологию капсулирования, был разработан аспартам, который можно использовать в хлебобулочных изделиях и смесях для выпечки. Первоначальные результаты испытаний положительны, и одобрение FDA было предоставлено для хлебобулочных изделий.

Поскольку только три синтетических заменителя сахара в настоящее время одобрены для использования в пищевых продуктах в США, объединение искусственных подсластителей в продуктах становится важным технологическим достижением. Здесь ученые комбинируют два или три подсластителя, чтобы сделать вкус продукта более похожим на сахар.