Аспартам: сладкая наука за низкокалорийными продуктами

Общие сведения

Аспартам — искусственный подсластитель, используемый в низкокалорийных продуктах. Он получается преимущественно из двух естественно встречающихся аминоэскизов, химически соединенных и обозначенных химическим именем N-L-аспартил-L-фенилаланин-1-метиловый эфир (APM). Обнаруженный случайно в 1965 году, позже запатентован и в настоящее время является наиболее используемым искусственным подсластителем в США.

Аспартам — белое, безапашное, кристаллическое порошок. Он примерно в 200 раз слаще сахара и легко растворим в воде. Имеет сладкий вкус без горького химического или металлического послевкуса, сообщаемого для других искусственных подсластителей. Эти свойства делают его хорошим ингредиентом для замены сахара во многих рецептах. Однако аспартам склонен взаимодействовать с другими пищевыми вкусами, поэтому не может идеально заменить сахар. Рецепты выпечки, конфет и других продуктов должны модифицироваться при использовании аспартама. Хотя аспартам можно использовать в микроволновке, он чувствителен к длительному нагреванию, что делает его неподходящим для выпечки.

Тот факт, что аспартам дает сладость и вкус без придавания других физических характеристик, таких как объем или калории, как другие подсластители, делает его уникальным. Другое полезное свойство — синергетический эффект с другими подсластителями, позволяя использовать меньше общего подсластителя. Помимо подслащения продуктов, аспартам используют для снижения калорий, усиления и продления фруктовых вкусов.

История

Люди жаждали продуктов со сладким вкусом тысячелетиями. Древние пещерные рисунки в Аране в Испании показывают неолитический человек, забирающий мед из дикой пчелиной колонии. Предполагали, что ранние люди могли использовать сладкий вкус еды, чтобы определять, какие из них безопасны для еды. Даже думали, что желание сладкого вкуса может быть врожденной человеческой чертой. К сожалению, многие естественно сладкие продукты содержат относительно большие количества калорий и углеводов.

Альтернативные подсластители разрабатывались для обеспечения сладкого вкуса без лишних калорий. Они также дают дополнительные преимущества: улучшение вкуса фармацевтики, помощь в управлении диабетом и экономичный источник там, где сахар недоступен. Первый, сакхарин, открыт в 1879 году и использовался в продуктах вроде зубной пасты, ополаскивателя для рта и жвачки без сахара.

Сладкий вкус аспартама был открыт случайно Джеймсом Шлаттером, американским исследователем препаратов в G.D. Searle and Co. в 1965 году. Работая над антиязвенным препаратом, он случайно пролил немного АПМ на руку. Решив, что материал не токсичен, продолжил работу без смывания. Он обнаружил сладкий вкус АПМ, когда облизнул палец, чтобы поднять кусочек взвешивательной бумаги. Этот первоначальный прорыв привел компанию к скринингу сотен модифицированных версий АПМ. Однако ни один из материалов не предлагал всех преимуществ, найденных в оригинальном соединении, включая экономичное производство, отличное качество вкуса и потенцию, естественные метаболические пути переваривания, отличную стабильность и очень низкую токсичность. Следовательно, компания добилась и получила американский патент 3,492,131 и различные международные патент, и первоначальное открытие было коммерциализировано. Американский патент истек в 1992 году, и технология теперь доступна любой компании, желающей ее использовать.

После многих лет токсикологического тестирования FDA изначально одобрил использование аспартама как подсластителя в 1980 году. Однако особенность синтетических химикатов в пищевых продуктах — их безопасность находится под постоянным контролем. Аспартам не исключение и с введения окружен некоторыми 논란 по поводу безопасности. Большинство этих опасений были сняты в конце 1984 года, когда после расследования различных жалоб, связанных с аспартамом, FDA и Центры по контролю заболеваний заключили, что вещество безопасно и не представляет широко распространенного риска для здоровья. Этот вывод был дополнительно поддержан Американской медицинской ассоциацией в 1985 году, и аспартам набирал долю рынка с тех пор. Помимо использования в США, аспартам также одобрен для использования в более чем 93 иностранных странах.

Аспартам продавался с 1983 года компанией Searle под брендами NutraSweet® и Equal®. В настоящее время NutraSweet® — очень популярный ингредиент, используемый в более чем 4000 продуктах, включая жвачку, йогурт, диетические газировки, фруктовые соки, пудинги, хлопья и сухие напитки. Только в США продажи NutraSweet® достигли $705 млн в 1993 году, по данным компании.

Сырье

Аспартам преимущественно получают из соединений, называемых аминокислотами. Это химикаты, которые растения и животные используют для создания белков, необходимых для жизни. Из 20 естественно встречающихся аминокислот, две из них — аспаргиновая 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 отличает различные аминокислоты. Другая характеристика аминокислот — способность образовывать разные молекулярные конфигурации, известные как изомеры. Эти изомеры обозначают буквами L и D. Аспартам состоит только из L, L изомеров; ни одна из других комбинаций изомеров не имеет сладкого вкуса. Сладкий вкус аспартама не мог быть предсказан, глядя на две аминокислоты, из которых он получен. L-аспаргиновая кислота имеет плоский вкус, а L-фенилаланин горчит. Однако когда два соединения химически комбинируются и L-фенилаланин слегка модифицируется, достигается сладкий вкус.

Аспаргиновая кислота — одна из пяти аминокислот, имеющих «заряженную» боковую группу. Заряженная боковая группа на аспаргиновой кислоте — (-CH₂-COOH). В воде этот материал ионизируется и становится отрицательно заряженным. Фенилаланин имеет неполярную, гидрофобную боковую группу, несовместимую с водой. Она состоит из шестиугольного углеродного кольца и присоединена к главной аминокислотной цепи через метиловую (-CH₂) группу. Перед синтезом в аспартам, она реагирует с метанолом. Это добавляет метиловую группу, связанную с молекулой через кислород, и соединение превращается в метиловый эфир. Метанол, необходимый для синтеза аспартама, имеет химическую структуру (CH₃-OH). Это очень распространенный материал, широко используемый органическими химиками для различных химических синтезов.

Процесс производства

Хотя его компоненты — аспаргиновая кислота, фенилаланин и метанол — встречаются естественно в пище, аспартам сам по себе не встречается и должен быть произведен. NutraSweet® (аспартам) делается через ферментацию и синтез.

Ферментация

Прямая ферментация производит исходные аминокислоты, необходимые для производства аспартама. В этом процессе специфические типы бактерий, имеющие способность производить определенные аминокислоты, выращивают в больших количествах. В течение примерно трех дней аминокислоты собирают и бактерии уничтожают.

• 1 Для начала процесса ферментации пробу из чистой культуры бактерий помещают в пробирку с питательными веществами, необходимыми для роста. После этой первоначальной инокуляции бактерии начинают размножаться. Когда их популяция достаточно велика, их переносят в заготовительный бак.
• 2 Заготовительный бак обеспечивает идеальную среду для выращивания большего количества бактерий. Он заполнен вещами, необходимыми бактериям для процветания, включая теплую воду и углеводные пищи вроде тростниковой мелассы, глюкозы или сахарозы. Также есть источники углерода: уксусная кислота, спирты или углеводороды, и источники азота: жидкий аммиак или мочевина. Они необходимы для синтеза бактериями больших количеств желаемой аминокислоты. Другие факторы роста: витамины, аминокислоты и незначительные питательные вещества дополняют содержимое заготовительного бака. Заготовительный бак оснащен микшером, держащим среду в движении, и насосом, подающим фильтрованный сжатый воздух. Когда достаточно бактериального роста присутствует, содержимое заготовительного бака перекачивают в ферментационный бак.
• 3 Ферментационный бак по сути — более крупная версия заготовительного бака. Он заполнен теми же питательными средами, найденными в заготовительном баке, и также обеспечивает идеальную среду для бактериального роста. Здесь бактерии растут и производят большие количества аминокислот. Поскольку контроль pH жизненно важен для оптимального роста, аммиачную воду добавляют в бак по необходимости.
• 4 Когда достаточно аминокислоты присутствует, содержимое ферментационного бака выносят для начала изоляции. Этот процесс начинается с центрифугного сепаратора, изолирующего большую часть бактериальных аминокислот. Желаемая аминокислота дальнейше сегрегируется и очищается в ионообменной колонне. Из этой колонны аминокислоты перекачивают в кристаллизационный бак, затем в кристалл-сепаратор. Их сушат и готовят для фазы синтеза производства аспартама.

Синтез

Аспартам можно сделать различными синтетическими химическими путями. В общем, фенилаланин модифицируется реакцией с метанолом, затем комбинируется со слегка модифицированной аспаргиновой кислотой, что в конечном счете образует аспартам.

• 5 Аминокислоты, полученные из процесса ферментации, изначально модифицируются для производства аспартама. Фенилаланин реагирует с метанолом, образуя соединение под названием L-фенилаланин метиловый эфир. Аспаргиновая кислота также модифицируется таким образом, чтобы защитить различные участки молекулы от эффектов дальнейших реакций. Один метод — реакция аспаргиновой кислоты с веществами, приводящими к добавлению бензильных колец для защиты этих участков. Это обеспечивает, что дальнейшие химические реакции произойдут только на специфических частях молекулы аспаргиновой кислоты.
• 6 После соответствующей модификации аминокислот, их перекачивают в реакторный бак, где позволяют смешиваться при комнатной температуре 24 часа. Температура затем повышают до примерно 149°F (65°C) и держат еще 24 часа. Реакцию затем охлаждают до комнатной температуры. Разбавляют подходящим растворителем и охлаждают до около 0°F (-18°C), вызывая кристаллизацию. Кристаллы изолируют фильтрацией и сушат. Эти кристаллы — промежуточный продукт аспартама, который должен быть дальнейшим модифицирован.
• 7 Промежуточный продукт конвертируют в аспартам реакцией с уксусной кислотой. Эта реакция выполняется в большом баке, заполненном водным раствором кислоты, палладиевым металлическим катализатором и водородом. Тщательно перемешивают и позволяют реагировать около 12 часов.

Очистка

• 8 Металлический катализатор удаляют фильтрацией, и растворитель дистиллируют, оставляя твердый остаток. Этот остаток очищают растворением в водном этаноловом растворе и рекристаллизацией. Эти кристаллы фильтруют и сушат для получения готового порошкового аспартама.

Контроль качества

Качество соединений регулярно проверяют в процессе производства. Особого внимания уделяют частым проверкам бактериальной культуры во время ферментации. Также проверяют различные физические и химические свойства готового продукта, такие как уровень pH, температура плавления и содержание влаги.

Будущее

В настоящее время в США есть только три альтернативных подсластителя, которые можно использовать в пищевых продуктах. Хотя аспартам, пожалуй, один из лучших доступных, ученые ищут новые способы сделать эти подсластители вкусными как можно более похожими на сахар. Их исследования фокусируются в трех областях: поиск новых производных, смешивание подсластителей и повышение эффективности аспартама.

Большинство работы по химическим производным сосредоточено на поиске соединений, которые лучше вписываются в рецепторы вкусовых почек, чем традиционный аспартам. Используя аспартам как модель, исследователи верят, что смогут улучшить различные характеристики, делая незначительные модификации. Например, они обнаружили, что когда L-аспаргиновая кислота одна модифицируется определенным образом, она дает продукты со сладким вкусом. Будущие исследования вероятно, сфокусируются на таких производных.

Другая область исследований фокусируется на улучшении тепловой стабильности аспартама. Используя технологию инкапсуляции, разработали аспартам, который можно использовать в выпечке и мучных смесях. Первоначальные тестовые результаты положительны, и FDA одобрил для выпечных применений.

Поскольку только три синтетических заменителя сахара сейчас одобрены для использования в пище в США, комбинирование искусственных подсластителей в продуктах становится важным технологическим прорывом. Здесь ученые комбинируют два или три подсластителя в усилиях сделать продукт более сахароподобным по вкусу.