Belov_06-2014 Химия сладкого вкуса 1

НАУКА И ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Д. В. Белов

Технический университет им. Р. Е. Алексеева, Нижний Новгород

ХИМИЯ СЛАДКОГО ВКУСА*

Из всех природных способностей вкус всего более чувствуется и всего менее поддаётся объяснению; он не был бы вкусом, если бы возможно было определить его, потому что он судит о предметах, мало принимая в расчёт соображения разума, а, скорее, является, если можно так сказать, чувственным восприятием разума.

Жан Жак Руссо De gustibus non est disputandum —

лат. выражение: (с дегустатором) о вкусах не спорят.

Впредыдущих статьях мы рассмотрели физиологические особенности возникновения вкусовых ощущений. Позна-

комились с природой вкуса, классификацией вкусовых ощущений и подробно остановились на физиологии и физикохимии сладкого вкуса. В настоящей статье будет продолжен рассказ о химии сладкого. Раскроем такие понятия, как подсластитель, сахарозаменитель, модификатор вкуса, «антисластитель», дадим сравнительную оценку сладости некоторых подсластителей.

Подсластители и сахарозаменители — это вещества, широко применяемые в различных отраслях пищевой, фармацевтической, косметической промышленности для придания сладкого вкуса различным пищевым продуктам, напиткам, лекарственным препаратам. Эти вещества относятся к пищевым добавкам. С точки зрения классификации органических соединений различают несколько классов подсластителей, например альдиты, полиолы (многоатомные спирты), низкомолекулярные белки и др. Кроме этого, различают природные, или натуральные, и синтетические, т. е. полученные искусственно, подсластители и сахарозаменители.

*Продолжение. Начало см.: Химия в школе. — 2014. — № 1. — С. 4–10;

№2. — С. 5–11.

НАТУРАЛЬНЫЕ И СИНТЕТИЧЕСКИЕ ПОДСЛАСТИТЕЛИ

К натуральным подсластителям принято относить вещества, выделенные из природных источников или полученные искусственно, синтетическим путём, но повсеместно встречающиеся в природе. Так, к натуральным подсластителям, применяемым в пищевой промышленности, относятся

различные низкомолекулярные белки (браззеин, куркулин, мабинлин, миракулин и др.), многоатомные спирты (глицерин (Е422), ксилит (Е967), сорбит (Е420) и др.), альдиты (изомальт (Е953), мальтит (Е965), лактит (Е966) и др.).

Появлению подсластителей и сахарозаменителей мы обязаны необходимостью исключать или существенно ограничивать употребление в пищу сахарозы. Поэтому стремление сохранить привычные вкусовые ощущения, не нанося вреда организму, привело к необходимости разрабатывать способы обмана вкусовых рецепторов человека. Учитывая негативные последствия, наступающие от неумеренного употребления углеводов в пищу, особое внимание обращалось на создание сахарозаменителей, применение которых не вызывало бы таких негативных последствий после употребления в пищу продуктов, их содержащих. В связи с этим к сахарозаменителям предъявляются следующие требования: приятный сладкий вкус, безвредность, отсутствие влияния на углеводный обмен, хорошая растворимость в воде, стойкость к температуре при кулинарной обработке.

Выяснение структуры природных подслащивающих веществ с применением современных методов физико-химического анализа и органического синтеза позволило внедрить современные методы их получения. Постоянно разрабатываются новые безвредные для человека низкокалорийные

подслащивающие вещества, способные удо-

влетворять потребности людей, больных сахарным диабетом и с избыточной массой тела. Используя подсластители, можно чётко регулировать энергетическую ценность пищи (калорийность), одновременно не теряя способности ощущать вкус сладкого. Применение сахарозаменителей не представляет необходимость с физиологической точки зрения и диктуется психологией человека,

традициями и привычками употребления

сладкой пищи.

Заменители сахара различаются между собой по химическому составу, способам получения, долей участия в обмене веществ, переносимостью их организмом. В настоящее время известно много веществ, обладающих сладким вкусом, что требует их классификации по различным признакам. Поскольку большинство сладких веществ либо обладают слабо выраженным сладким вкусом, либо проявляют токсичность или нежелательные побочные эффекты, реальное число практически используемых не так велико.

Один из основных показателей качества сахарозаменителей — интенсивность сладости. Подсластители различаются по степени сладости относительно сахарозы. Те из них, уровень сладости которых близок к сахарозе, называют объёмными подсластителями, а ве-

щества, которые во много раз слаще сахарозы, — интенсивными подсластителями.

Подсластители можно классифицировать по калорийности. Различают калорийные подсластители, приём которых необходимо учитывать в диетах, направленных на снижение массы тела, и при их возможном влиянии на уровень глюкозы в крови, а также бескалорийные, практически не имеющие противопоказаний. У этих веществ совершенно отличный от углеводов метаболизм в организме.

Калорийные вещества со сладким вкусом называют сахарозаменителями. Имея энергетическую ценность, близкую к сахарозе, они метаболизируются в организме более

плавно, чем сахар, и мало зависят от инсулина, а при умеренном потреблении не приводят к выраженной гипергликемии. К таким сахарозаменителям относят ксилит, сорбит, фруктозу. Бескалорийные вещества называют

собственно подсластителями. Они не обладают или почти не обладают энергетической ценностью, поэтому их метаболизм не зависит от инсулина и не влияет на уровень глю-

козы в крови. Однако на практике принято употреблять названия «калорийные» и «бескалорийные сахарозаменители».

Все известные сладкие вещества можно также разделить на две большие группы: природные и синтетические. К числу природных сладких веществ относятся моно- и олигосахариды (углеводы), гидролизаты крахмала, производные углеводов и спиртов (полиолов) и сладкие вещества неуглеводного типа, а также подсластители растительного происхождения, т. е. выделенные из растительных объектов.

Ряд учёных указывают на отрицательные свойства синтетических подсластителей. Так, сахароза вызывает ощущение сладкого без дополнительного привкуса в широком интервале концентраций (от 0,5 до 100%), в то время как у некоторых синтетических сахарозаменителей наблюдается переход от сладкого

вкуса к иному при незначительных изменениях концентрации. Поэтому их рекомендуют применять в определённом и достаточно узком диапазоне концентраций.

К синтетическим сладким веществам предъявляют ряд требований. Они должны быть химически инертными по отношению ко всем природным и иным соединениям, содержащимся в пищевых продуктах, в которых их используют. Синтетические под-

сластители должны хорошо растворяться в воде, обладать термической устойчивостью, быть нетоксичными и физиологически безвредными, а также биоразлагаемыми, т. е. подвергаться разложению под воздействием

природных штаммов микроорганизмов.

Каждый из известных к настоящему времени сахарозаменителей имеет свои преимущества и недостатки, поэтому рекомендуют смешивать малые дозы нескольких таких веществ. Данные смеси придают сладкий вкус в результате суммарного (синергетического) действия более низких доз отдельных ингредиентов. При снижении количества каждого из компонентов нежелательный эффект

уменьшается или стирается вовсе. Основные сахарозаменители, широко при-

меняемые в промышленности, — альдиты.

Альдиты (альдитолы) — ациклические многоатомные спирты (полиолы, общая формула — HOCH2[CH(OH)]nCH2OH), формально представляют собой продукты восстановления альдегидной группы альдоз (моносахаридов, содержащих альдегидную группу в открытой форме).

По номенклатуре IUPAC названия альдитов образуются заменой суффикса -оза в названии соответствующей альдозы на суффикс -ит (в англоязычной терминологии на суффикс -itol), например «манноза маннит». Для альдитов, производных пентоз и гексоз, широко распространённых в природе и впервые выделенных из растений, обычно используют тривиальные названия, например глюцит — сорбит, от лат. sorbus — рябина; маннит — выделенный из маннового ясеня (Fraxinus ornus); рибит — адонит, впервые был получен из адониса весеннего (Adonis vernalis) и т. п.

Для альдитов с длинной углеродной цепью, например гликозидов альдитов, образующихся при восстановлении дисахаридов, структура которых может быть представлена комбинацией структур двух различных альдоз либо альдозы и кетозы. Название альдита

образуется из префикса — комбинации родительских структур, корня, указывающего на длину углеродной цепи, и суффикса -ит (в англоязычной терминологии -itol), например D-глюкопиранозил-L-галактогептит (D-glucopyranosil-L-galactoheptitol).

Общий метод синтеза альдитов — стереоселективное восстановление соответствующих альдоз путём каталитического гидрирования над никелем Ренея. Восстановление терминальной карбонильной группы альдоз не влияет на стереохимическую конфигурацию и ведёт к образованию единственного стереоизомера альдита. Так, при восстановлении смеси D- и L-глюкозы образуется един-

ственный продукт — сорбит (D-глюцит). Познакомимся с основными представите-

лями заменителей сахара.

Изомальт(ит), изомальтитол, палатинит (Isomaltitol) — O-α-D-глюкопиранозил- D-маннит, кристаллическое вещество белого цвета, обладающее сладким вкусом (0,5 сладости сахарозы) и растворимое в воде. Моле-

кулярная формула C12H24O11.

Изомальт синтезируют из растительного сырья — свекловичного сахара сахарозы, изомеризуя её на первой стадии в изомальтулозу с последующим каталитическим гидрированием над никелем Ренея. Гидрирование ведёт к восстановлению карбонильной группы фруктозного остатка изомальтулозы с образованием двух изомерных глюкопиранозилальдитов — мальтита и изомальтита (рис. 1).

OH

HO O

HO

ком питания для бактерий, метаболизирующих углеводы с образованием различных органических кислот. Поскольку это низкокалорийный продукт, то он не вызывает быстрого увеличения содержания глюкозы и инсулина в крови (как при приёме сахарозы), что объясняется его более низкой способностью усваиваться организмом. Это позволяет применять его в продуктах для диабетиков.

Относится к пищевым добавкам (E953). Изомальт — пребиотик, т. е. компонент

пищи, который не переваривается и не усваивается в верхних отделах желудочно-кишеч- ного тракта, но ферментируется микрофлорой толстого кишечника. Он обладает свойствами растительной клетчатки и работает как балластное вещество, создавая чувство сытости и заполнения желудка, действует на пищеварительную систему подобно диетической клетчатке, стимулируя активную работу кишечника и постепенное усваивание, что обеспечивает равномерную подпитку организма энергией.

Мальтит, мальтитол (Maltitol) — изомер изомальтита (рис. 2). В промышленности мальтит получают гидрированием сахарозы или мальтозы. Широко используют в качестве сахарозаменителя и подсластителя. Кристаллическое вещество белого цвета, обладающее сладким вкусом (на 10–25% менее сладок, чем сахароза) и хорошо растворимое в воде. Не приводит к разрушению зубов, поскольку не метаболизируется бактериями полости рта, вследствие чего не вызывает кариес. Мало влияет на концентрацию глюкозы в крови. Является пищевой добавкой Е965.

Рис. 1. Структурная формула изомальтита (Isomaltitol)

Изомальт относится к заменителям сахарозы, безвреден для эмали зубов и не вызывает кариеса, поскольку не является источни-

O

OH

HO O

OH

HO

OH

Энергетическая ценность около 2,1 ккал/г. Благодаря высокой сладости мальтит обычно используют без добавления других подсластителей в производстве кондитерских изделий, не содержащих сахара: конфет, жвачки, шоколада, выпечки и мороженого. В фармацевтической индустрии используют в качестве низкокалорийного сладкого вспомогательного вещества, в частности, при производстве сиропов. В технологическом плане преимущество мальтита перед сахарозой — его меньшая склонность к кристаллизации.

Лактит, лактитол (Lactitol), систематическое название — 4-O-α-D-галактопиранозил- D-глюцитол (рис. 3). Синтезируется из молочного сахара — лактозы.

Лактитол применяют в качестве заменителя сахара в низкокалорийных и диабетических продуктах питания, в качестве пребиотика для профилактики и лечения заболеваний толстого кишечника.

Лактитол практически не всасывается в кишечнике, т. е. это низкокалорийный продукт питания (2,4 ккал/г). Сладость лактитола составляет около 40% от сладости сахарозы. Вещество не имеет посторонних привкусов.

Такие свойства позволили применять лактитол в пищевой промышленности, в частности, при изготовлении продуктов с низкой калорийностью (морские деликатесы и консервированные морепродукты, соусы, кондитерские изделия, сухие изделия и др.).

Рис. 3. Структурная формула лактита (Lactitol)

Лактитол ферментируется микрофлорой толстого кишечника. Он практически в неизменном виде достигает толстого кишечника, где быстро метаболизируется в его проксимальных отделах и избирательно стимулирует рост полезной микрофлоры, в том числе бифидо- и лактобактерий. Продукты метаболизма лактитола — короткоцепочечные жирные кислоты (ацетат и бутират). Лактитол широко применяют в фармацевтической промышленности как в качестве самостоятельного лекарственного средства или основного

компонента, так и в составе комплексных препаратов. Является пищевой добавкой Е966.

Ксилит, ксилитол, пентит (Xylitol) — относится к ряду альдитов (рис. 4). Представляет собой бесцветные гигроскопические кристаллы, сладкие на вкус, растворимые в воде. Степень сладости по сравнению с сахарозой составляет 0,8–1,2. Применяется в качестве заменителя сахарозы. По калорийности ксилит (3,7 ккал/г) близок к сахарозе (4 ккал/г).

По другим данным, энергетическая ценность ксилита составляет 2,4 ккал/г. Он быстро усваивается, но не оказывает влияния на уровень сахара в крови, поэтому его широко применяют в пищевой промышленности, в частности, при производстве кондитерских изделий для

Неотам по номенклатуре ИЮПАК (IUPAC) носит название (3S)-3-(3,3-диметилбутил- амино)-4-[[(2S)-1-метокси-1-оксо-3-фенил- пропан-2-ил] амино]-4-оксобутановая кислота, или (3S)-3-(3,3-dimethylbutylamino)-4- [[(2S)-1-methoxy-1-oxo-3-phenylpropan-2-yl] amino]-4-oxobutanoic acid. По заместительной номенклатуре неотам называется N-(N-(3,3- диметилбутил)-L-α-аспартил)-L-фенилаланин 1-метиловый эфир, или N-(N-(3,3-dimethyl- butyl)-L-α-aspartyl)-L-phenylalanine 1-methyl ester.

С 2010 г. неотам разрешён к применению на территории Российской Федерации. Широко используется в пищевой промышленности при производстве продуктов со сни-

женной калорийностью или без добавления сахарозы (слабо- и безалкогольные напитки, кондитерские изделия, продукты переработки фруктов и овощей, сдобные хлебобулочные и мучные кондитерские изделия и др.).

Ещё один пример синтетических гуанидиновых подсластителей — соединение каррелам (Carrelame) (рис. 7). По заместительной номенклатуре данное вещество называют ({[(3,5-дихлорфенил)амино] [(дифенилметил) амино]метилиден}амино)уксусная кислота, или ({(Z)-[(3,5-dichlorophenyl)amino] [(diphenylmethyl)amino]methylidene}amino) acetic acid.

Его сладость выше сладости 2%-ного рас-

твора сахарозы в 160 000 раз.

Рис. 7. Структурная формула каррелама (Carrelame)

Следующий пример интенсивных синтетических подсластителей — сукрононовая кислота (Sucrononic acid) (рис. 8). Её систематическое название N-(N-циклонониламино(4- цианофенилимино)метил)-2-аминоуксусная кислота, или N-(N-cyclononilamino(4-cyano- phenilimino)methil)-2-aminoacetic acid. Это вещество имеет сладость, превышающую сладость 2%-ного раствора сахарозы в 200 000 раз.

Рис. 8. Структурная формула сукрононовой кислоты (Sucrononic acid)

Сукрононовая кислота и её соли (сукрононаты) относятся к гуанидиновым подсластителям. Они имеют свойство модифицировать вкус и вызывают послевкусие. В пищевой промышленности в качестве подсластителей эти вещества не применяют ввиду их высокой токсичности.

Большинство гуанидиновых подсластителей в разной степени токсичные, горькие, мо-

гут давать послевкусие и т. д., поэтому их нельзя использовать в качестве пищевых добавок.

К настоящему времени самое сладкое вещество — соединение лунгдунам (Lugduname)

(рис. 9). Название вещества происходит от названия города Lugdunum, основанного римлянами в 43 г. до н. э. В настоящее время на месте римского поселения находится город Лион (Франция), в университете которого и было впервые синтезировано в 1996 г. это вещество. Оно в 220 000–300 000 раз слаще сахарозы.

N

O

O

HN

OH

сусная кислота, или N-(4-cyanophenyl)-N- (2,3-methylenedioxybenzyl)guanidinoacetic acid; [N’-(1,3-benzodioxol-4-ylmethyl)-N’’-(4- cyanophenyl)carbamimidamido] acetic acid, или [N’-(1,3-бензодиоксол-4-илметил)-N’’- (4-цианофенил)карбамимидамидо] уксусная кислота.

Лунгдунам не используют в пищевой промышленности в качестве подсластителя пи-

щевых продуктов, что также объясняется его токсичностью.

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СЛАДОСТИ И ЕЁ ЕДИНИЦА ИЗМЕРЕНИЯ

Существует общеупотребительная гипотетическая единица меры сладости. Единицу измерения сладости принято обозначать аббревиатурой SES (от англ. Sweetness Equivalency of Saccharose) — это относительная величина, т. е. сладость вещества, эквивалентная сладости сахарозы, точнее её 2, 5 или 10%-ному водному раствору. Сладость сахарозы приравнена к 1. Из известных к настоящему времени заменителей сахара около 30 из них слаще сахарозы более чем в 500 раз. В таблице приведены примеры наиболее распространённых подсластителей

и указана условная величина, характеризующая меру их сладости. ■