Природные и синтетические сладкие вещества

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КАЛУЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. К.Э.ЦИОЛКОВСКОГО»

ИНСТИТУТ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

КАФЕДРА ХИМИИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

Природные и синтетические сладкие вещества

по дисциплине «Органическая химия»

Выполнила: Е.В. Араховская

Научный руководитель: Н.И. Савиткин

Калуга, 2014

Содержание

Введение

1. Зависимость сладкого вкуса от химического строения вещества

1.1 Молекулы чувственного восприятия

1.2 Структура молекул и сладкий вкус

1.3 Гипотеза Шелленбергера

2. Природные сладкие вещества

2.1 Сахариды

2.2 Моносахариды

2.2.1 Строение и стереоизомерия моносахаридов

2.2.2 Таутамерия моносахаридов

2.2.3 Конформации моносахаридов

2.3 Фруктоза

2.4 Сахароза

2.5 Крахмал

2.6 Белки

2.7 Миракулин

2.8 Монелин

3. Синтетические сладкие вещества

3.1 Сахарин

3.2 Цикламаты

3.3 Аспартам

3.4 Оксатиазинондиоксиды

Заключение

Список литературы

Введение

В последние годы рациональному питанию уделяется большое внимание и поэтому постоянно возрастает интерес к низкокалорийным и диетическим продуктам. Причины экономического характера, а также отрицательное действие на организм человека избыточного потребления сахарозы (полнота, увеличение числа больных диабетом) привели к необходимости поиска эквивалентных заменителей сахара. В настоящее время в литературе описано большое число разнообразных соединений, обладающих сладким вкусом. Однако реальное число практически используемых сладких веществ очень мало. Эти вещества обладают либо слабовыраженным сладким вкусом, либо проявляют значительную токсичность.

В целом все известные сладкие вещества можно разделить на две большие группы: природные и синтетические. К числу природных сладких веществ относятся моносахариды и олигосахариды, гидролизаты крахмала, сахаридные спирты и сладкие вещества несахаридного типа.

История синтетических сладких веществ берет свое начало с момента открытия сахарина в 1879 г. Позже были созданы новые сладкие вещества, такие, как дульцин и цикламаты, но их применение в пищевой промышленности остается проблематичным.

Цель исследования: изучить свойства природных и синтетически сладких веществ.

Задачи исследования:

1. Изучить зависимость сладкого вкуса от химического состава вещества.

2. Изучить влияние природных и синтетически сладких веществ на организм человека.

1. Зависимость сладкого вкуса от химического состава вещества

1.1 Молекулы чувственного восприятия

Вкусовая реакция -- это сложный, до сих пор недостаточно изученный процесс. Его появление -- это результат взаимодействия молекул вещества, возбуждающего аппетит, с соответствующим рецептором. Примерно за 150 миллисекунд первая информация о вкусовой стимуляции доходит до центральной коры головного мозга. Доставку осуществляют четыре нерва. Лицевой нерв передает сигналы, приходящие от вкусовых почек, которые расположены на передней части языка и на нёбе, тройничный нерв передает информацию о текстуре и температуре в той же зоне, языкоглоточный нерв переправляет вкусовую информацию с задней трети языка. Информацию из горла и надгортанника передает блуждающий нерв. Потом сигналы проходят через продолговатый мозг и оказываются в таламусе. Именно там вкусовые сигналы соединяются с обонятельными и вместе уходят во вкусовую зону коры головного мозга. Вся информация о продукте обрабатывается мозгом одновременно. Например, когда во рту клубника, это будут сладкий вкус, клубничный запах, сочная с косточками консистенция. Сигналы от органов чувств, обработанные во многих частях коры головного мозга, смешиваются и дают комплексную картину. Через секунду мы уже понимаем, что едим. Причем общая картина создается нелинейным сложением составляющих. Например, кислотность лимонного сока можно замаскировать сахаром, и он будет казаться не таким кислым, хотя содержание протонов в нем не уменьшится [2].

Сенсорная система человека включает несколько типов вкусовых рецепторов, расположенных в соответствующих точках языка, которые реагируют на различные виды веществ, вызывающих четыре основных вкусовых типа: соленый, кислый, горький и сладкий [5].



Вкусовые ощущения возникают благодаря рецепторам, расположенным в специальных бугорках на языке и называемых вкусовыми почками.

Вкус представляет собой сложное явление, в основе которого лежат взаимодействия молекул [2].

Первое общее представление о воздействии сладких веществ носило физико-химический характер. Бейдлер определил вкус как результат селективной адсорбции на вкусовом рецепторе, которую можно описать адсорбционной изотермой:

= C( + )

где R -- доза при концентрации С действующего вещества, R_m -- максимальная доза при насыщенных рецепторах, К -- константа, характеризующая действие вещества на рецепторы. В результате адсорбции изменяется локальная геометрия и строение поверхности мембраны, что приводит к появлению соответствующего вкусового ощущения. Гипотеза Бейдлера вскоре была подтверждена [5].

Различные сахара отличаются по своей сладости. Многое зависит от способа измерения вкусового ощущения. При концентрации, близкой к порогу чувствительности определения, сахароза кажется горькой. По мере увеличения концентрации сахарозы преобладающим становится сладкий вкус [2].

1.2 Структура молекул и сладкий вкус

У кошек число рецепторов сладкого вкуса чрезвычайно мало и поэтому они относятся к числу тех немногих животных, которым не нравится сладкая пища. Возможно, что предрасположенность к сладкому вкусу и отвращение к горькой пище выработались у человека в процессе эволюции, поскольку сладкий вкус типичен для многих спелых плодов растений (созревание фруктов сопровождается снижением кислотности, маскирующей сладкий вкус), в то время как многие растительные яды на вкус горьки.

Необходимым условием проявления данным веществом любого вкуса является его растворимость в воде, поскольку вещество может проникнуть во вкусовые сосочки только в растворенном виде. Вкус данного вещества обусловливается определенным пространственным расположением атомов в его молекуле [10].

Оэртли и Майерс, использовали концепцию «сапофорных групп», специфические группы атомов в молекуле, придающие веществу сладкий вкус. Этими группами часто были полиокси- или аминокислотные остатки. По аналогии с химией красителей были введены понятия о глюкофорах -- группах, при взаимодействии которых с «ауксоглюками» (т. е. безвкусными группами) образуются соединения, обладающие сладким вкусом [2].

Считается, что структура глюкофора соответствует структуре белка-рецептора, находящегося во вкусовом сосочке в передней части языка. Когда «сладкая» молекула связывается с белком (возможно, за счет образующихся между ними водородных связей), в мозг посылается соответствующий сигнал.

Предложено несколько моделей глюкофоров. При создании таких моделей задача сводится к выяснению специфического расположения определенных атомов, которые при их совместном присутствии в одной молекуле могут связываться с белковым рецептором и в конечном счете вызывать ощущение сладкого вкуса, если оставшаяся часть молекулы этого вещества не слишком объемна и не затрудняет доступ всей молекулы к белку. Таким образом, глюкофор представляет собой как бы «молекулярный ключ», а молекула белка-рецептора - соответствующий «замок» [10.]

Ученые рассмотрели разные комбинации этих функций и предположили, что ни одно вещество, которое не содержит этих двух групп, не обладает сладким вкусом. Однако они не попытались объяснить вкус искусственных сладких веществ, например сахарина и других азотсодержащих сладких веществ, и не рассмотрели, каким путем их функциональные группы можно связать с молекулой рецептора.

Когда была доказана циклическая структура молекул сахаров, оказалось, что различия в сладости диастереомеров обусловлены различными конфигурациями атомов углерода. В качестве примера приведем две пары -D-глюкопираноза (сладкая) ---D-галактопираноза (менее сладкая) и -D-маннопираноза (сладкая) -- - D-маннопираноза (горькая) [5].

-D-глюкопираноза б-D-галактопираноза

(сладкая) (менее сладкая)

-D-маннопираноза в - D-маннопираноза

(сладкая) (горькая)

химический молекула синтетический моносахарид

1.3 Гипотеза Шелленбергера

Разнородность происхождения, строения и структуры сладких веществ долго мешала выяснению их основных общих характерных признаков, вызывающих реакцию рецептора. Шелленбергер в 1963 г. открыл единое, характерное для молекул сладких веществ свойство. Он предположил, что между вкусовым веществом и рецептором существует взаимодействие, заключающееся в возникновении водородной связи между определенными местами сладкого вещества и активными центрами рецептора. Термином «рецептор» обозначается высокоспецифическое упорядоченное место на целевой молекуле, которая принимает (рецептирует) молекулу сладкого вещества; в результате начинается цепь реакций, приводящая к конечному химико-динамическому эффекту.

Для рецептора, характерно то, что он способен связывать молекулы с определенной конфигурацией и вызывать биологически точный ответ.

Вклад Шелленбергера состоит в том, что он определил основную сущность сладкого вещества как системы АН, В, где А и В -- электроотрицательные атомы, находящиеся в непосредственной близости друг от друга. АН -- кислая функция (Н обладает кислыми свойствами), В -- акцептор протона, а потому выступает в качестве основания. Система АН, В сладких молекул может быть связана водородной связью с подходящей системой АН, В рецепторного белка вкусовой почки.

Возникающий при этом комплекс с двумя водородными связями обусловливает возникновение сладкого восприятия, а прочность водородной связи обеспечивает интенсивность ответа. В сахарах имеется система АН,В -- -гликолевый фрагмент. С помощью системы АН,В, основанной на предполагаемых кислотных атомах, Шелленбергер и Акри объяснили сладкий вкус разных типов веществ.

В качестве примера из ряда сахаров взяли -D-фруктопиранозу. По их мнению, все смежные гидроксильные группы, находящиеся в гош-конформации, представляют сладкие гликолевые фрагменты. В этой молекуле аномерная группа ОН содержит наиболее кислотный атом водорода и представляет собой фрагмент АН системы АН, В гидроксиметильная группа, находящаяся в непосредственной близости и способная вращаться, представляет собой фрагмент В.

В сахарине фрагмент АН системы АН,В -- это группа NH, а В -- атомы кислорода либо карбонильной, либо сульфо- группы. О взаимодействии через кислород сульфогрупп свидетельствует тот факт, что псевдосахарин (енольная форма) не обладает сладким вкусом. Считают, что сладкий вкус цикламатов также обусловлен наличием в них имидной и сульфогрупп.

Шелленбергер пришел к выводу, что геометрия системы АН, В молекул сахаров и активного центра на рецепторе определяет прочность конечного комплекса, поэтому конфигурация и конформация молекул сладких веществ имеют большое значение.

Преимущество молекул, содержащих ароматические циклы, таких, как сахарин и нитроанилин, состоит в том, что расстояние А--В в них зафиксировано. Известно, что искусственные сладкие вещества во много раз слаще, чем сахара. Чувство сладости, вызванное сахарами, длится всего лишь несколько секунд, так как прочность возникающих связей невелика. Для того чтобы осуществилось парное взаимодействие и для возникновения водородной связи, расстояние между атомами и группами атомов А, В в молекуле сладкого вещества должно соответствовать расстоянию между соответствующими группами на рецепторе (это расстояние составляет ~0,3 нм) [5].

2. Природные сладкие вещества

Мед, соки плодов и растений являются, очевидно, древнейшими природными сладкими веществами. Наибольшее распространение в настоящее время получила сахароза, вырабатываемая из сахарного тростника, родиной которого был Индостан. В XVIII в. Марграфф получил сахар из сахарной свеклы, а его ученик Архард сумел вывести сорт с высоким содержанием сахара, что позволило перейти к промышленному производству сахара из сахарной свеклы. Толчком к развитию производства сахара в Европе послужила английская блокада Франции во время наполеоновских войн. Это обстоятельство вынудило Наполеона в 1806 г. опубликовать декрет, призывающий французских крестьян выращивать сахарную свеклу. В результате уже к середине XIX в. ежегодное производство сахара в Европе приближалось к 50000 т.

К этому времени сложилось представление, что сахароза -- это единственное природное безвредное сладкое вещество. Она служила стандартом сладкого вкуса. Точкой отсчета, стандартом сладости явился наш обычный сахар, или сахароза. «Сладость» сахарозы по такой шкале была принята за 100 единиц.

2.1 Сахариды

Наиболее распространенное природное сладкое вещество -- сахароза -- относится к классу сахаридов. Более полной и правильной классификацией является разделение сахаридов на моно-, ди- и полисахариды.

Простейшие сахариды (моносахариды)--это такие вещества, которые невозможно расщепить гидролизом на составные части. Сахара, в молекулах которых содержатся от 2 до 10 моносахаридных фрагментов, называются олигосахаридами. И наконец, полисахариды -- это соединения с большим молекулярным весом, содержащие десятки и сотни моносахаридных звеньев[5].

2.2 Моносахариды

2.2.1 Строение и стереоизомерия

Моносахариды -- твердые вещества, легко растворимые в воде, плохо -- в спирте и совсем нерастворимые в эфире. Водные растворы имеют нейтральную реакцию на лакмус. Большинство моносахаридов обладает сладким вкусом. В свободном виде в природе встречается преимущественно глюкоза. Она же является структурной единицей многих полисахаридов. Другие моносахариды в свободном состоянии встречаются редко и в основном известны как компоненты олиго- и полисахаридов.

Моносахариды могут существовать как в открытой (оксоформе), так и циклических формах. В растворе эти изомерные формы находятся в динамическом равновесии.

Моносахариды (монозы) являются гетеро- функциональными соединениями. В их молекулах одновременно содержатся карбонильная (альдегидная или кетонная) и несколько гидроксильных групп, т. е. моносахариды представляют собой полигидроксикарбонильные соединения -- полигидроксиальдегиды и полигидроксикетоны. Моносахариды, содержащие альдегидную группу, называются альдозами, кетонную группу (обычно в положении 2) -- кетозами (суффикс -оза характерен для названий всех моносахаридов: глюкоза, галактоза, фруктоза [9].

В зависимости от числа углеродных атомов в цепи моносахариды делятся на трионы, тетрозы, пентозы, гексозы и высшие сахара. Важным представителем моносахаридов является виноградный сахар - глюказа и фруктовый сахар- фруктоза. Оба эти сахара имеют одну и ту же общую формулу (C₆H₁₂O₆), но различное строение. Следовательно, они изомеры [1].



Глюкоза фруктоза

2.2.2 Таутамерия моносахаридов

Моносахариды находятся главным образом в полуацетальных циклических формах, которые возникают в результате взаимодействия карбонильной группы моносахарида с одной из его гидроксильных групп.

Впервые предположение о циклической форме сахаров было высказано А. А. Колли в 1870 г., однако лишь в 20-е годы нашего века У. Хеуорсом был экспериментально определен размер лактольного цикла для некоторых моносахаридов. У. Хеуорс предложил называть сахара с шестичленным циклом пиранозами, а с пятичленным -- фуранозами. Большинство пентоз и гексоз образуют пиранозный цикл в результате взаимодействия карбонильной группы с гидроксилом при С-5. У альдоз фуранозный цикл образуется с участием гидроксила при С-4. Обычно в растворах одновременно присутствуют различные таутомерные формы одного и того же моносахарида, находящиеся в динамическом равновесии друг с другом; при нарушении соотношения форм система возвращается в состояние равновесия (явление мутаротации), что можно заметить по изменению величины удельного вращения раствора. В обычных условиях равновесие существенно сдвинуто в сторону б- и в- пираноз; относительное содержание б- и в-аномеров в значительной степени определяется конформацией пиранозного кольца [6].

В твердом состоянии моносахариды находятся в циклической форме. В зависимости от того, из какого растворителя была перекристаллизована D-глюкоза, она получается либо в виде б-D-глюкопиранозы (из спирта или воды), либо в виде в-D-глюкопиранозы (из пиридина). б-D-Глюкопираноза значительно растворима в воде, чем в-D-глюкопираноза. Они различаются величиной угла удельного вращения: у (б-аномера +112°, у в-аномера +19°. У свежеприготовленного раствора каждого аномера при стоянии наблюдается постепенное изменение удельного вращения до достижения одинакового для того и другого раствора угла вращения +52,5°.

Изменение во времени угла вращения плоскости поляризации света растворами углеводов называется мутаротацией.

Химическая сущность мутаротации состоит в способности моносахаридов (или моносахаридных звеньев в составе олиго- и полисахаридов) к существованию в виде равновесной смеси таутомеров -- открытой и циклических форм. Такой вид таутомерии называется цикло-оксо-таутомерией (ранее еще называли кольчато-цепной).

В растворах установление равновесия между четырьмя циклическими таутомерами моносахаридов протекает через открытую форму -- оксоформу. Взаимопревращение б- и в-аномеров друг в друга через промежуточную оксоформу называется аномеризацией.

Таким образом, в растворе D-глюкоза существует в виде пяти таутомеров: б- и в аномеров пиранозных и фуранозных циклических форм и оксоформы.

В смеси таутомеров преобладают пиранозные формы. Оксо- форма, а также таутомеры с фуранозными циклами содержатся в малых количествах. Важно, однако, не абсолютное содержание того или иного таутомера, а возможность их перехода друг в друга, что приводит к пополнению количества «нужной» формы по мере ее расходования в каком-либо процессе. Например, несмотря на незначительное содержание оксоформы, глюкоза вступает в реакции, характерные для альдегидной группы. Это обусловлено сдвигом равновесия в сторону открытой формы по мере ее расходования в соответствующей реакции. Таутомерия лежит в основе моносахаридов.

2.2.3 Конформации

Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что из двух кресловидных конформаций пиранозного цикла в D-глюкопиранозе осуществляется та, в которой все большие по объему заместители, например первичноспиртовая и гидроксильная группы, занимают экваториальные положения. При этом полуацетальная группа у в-аномера находится в экваториальном, у б-аномера -- в аксиальном положениях. Таким образом, у в-аномера все заместители находятся в более выгодном экваториальном положении, в связи с чем он преобладает в смеси таутомеров D-глюкозы.

Аномеры образуются не в равных количествах, а с преобладанием термодинамически более устойчивого диастереомера. Предпочтительность образования того или другого аномера во многом определяется их конформационным строением.

Конформационное строение D-глюкопиранозы проливает свет на уникальность этого моносахарида. в-D-Глюкопираноза -- моносахарид с полным экваториальным расположением заместителей. Обусловленная этим высокая термодинамическая устойчивость -- основная причина широкой распространенности ее в природе.

У D-маннопиранозы ОН-группа при С-4 занимает аксиальное положение и в смеси таутомеров преобладает б-аномер. У в-аномера в пространстве должны быть сближены орбитали с электронными парами трех атомов кислорода (циклического и гидроксильных групп при С-1 и С-2). Возникающее отталкивание электронов делает в-форму невыгодной. В б-аномере гидроксильные группы при С -1 и С-2 находятся в наибольшем удалении друг от друга, чем и объясняется его преобладание. Интересно заметить, что б-D-маннопираноза имеет сладкий, а ее в-аномер -- горький вкус [9].

2.3 Фруктоза

Фруктоза - называют также левулозой и фруктовым сахаром. Первое название указывает на ее поведение в поляризованном свете. В этом отношении фруктоза противоположна глюкозе и вращает плоскость поляризации влево. Название «фруктовый сахар» связано с тем, что фруктоза часто встречается во фруктах и других частях растений. Фруктоза является основным сахаром меда, поскольку нектар (жидкость, выделяемая растениями, обычно их цветками, возможно, для регулирования внутриклеточного осмотического давления, а также для привлечения насекомых) содержит этот сахар в большом количестве.

Применение фруктозы обусловлено двумя ее свойствами: она примерно на 50% слаще сахарозы и лучше растворяется в воде, чем глюкоза и сахароза. Благодаря первому свойству фруктоза используется в составе низкокалорийных пищевых продуктов, так как столь же сладкий продукт на основе фруктозы содержит меньше углеводов. В зависимости от ее цены фруктоза может оказаться и экономически более выгодной. Большей растворимостью фруктозы, возможно, объясняется тот факт, что в нектаре сахароза превращается во фруктозу, поскольку в этом случае может быть достигнута большая концентрация углеводов в единице объема воды. Высокая растворимость фруктозы обусловливает также большую мягкость бастры (неочищенного сахара) по сравнению с чистой белой кристаллической сахарозой; бастра состоит из кристаллов сахарозы, покрытых слоем глюкозы и фруктозы, которые концентрируются в мелассе после отделения большей части сахарозы многократной кристаллизацией. Высокая растворимость фруктозы подсказывает также простой способ изготовления шоколадных конфет с мягкой начинкой; если в почти твердую начинку из сахарозы ввести ферменты (получаемые из дрожжей), которые способны превращать сахарозу в глюкозу и фруктозу, то по мере образования фруктозы она будет растворяться в небольшом количестве остаточной воды и тем самым смягчать начинку. Поскольку фруктоза удерживает воду лучше, чем сахароза, ее применяют также для предотвращения кристаллизации (засахаривания) джемов и конфет. В промышленном масштабе фруктозу получают из глюкозы, содержащейся в кукурузном сиропе, с помощью ферментов, способных специфично перегруппировывать атомы в молекуле глюкозы так, что образуется слегка отличающаяся от нее молекула фруктозы. Этот процесс, позволяющий получать более сладкое вещество из менее сладкого, выгоден и с экономической точки зрения, поскольку исходным веществом здесь является легкодоступное сырье [10].

2.4 Сахароза

Сахароза может служить примером дисахаридов, т. е, соединений, молекулы которых построены из двух связанных сахаров, подобных

глюкозе или фруктозе (их называют моносахаридами). В молекуле сахарозы одним из звеньев является шестичленное кольцо глюкозы, а другим - пятичленное кольцо фруктозы. Эти два звена соединены химической связью, поэтому сахароза не смесь веществ, а определенное химическое соединение, создаваемой между теми же центрами, в которых молекулы глюкозы и фруктозы разрываются при образовании линейных форм. Эта связь закрепляет двухкольцевую структуру молекулы сахарозы и в растворе последняя уже не может самопроизвольно превращаться в линейную молекулу.

Обычный сахар - это и есть сахароза, одно из самых чистых веществ, встречающихся нам в повседневной жизни. Сахароза содержится в большинстве растений, но особенно много ее в сахарном тростнике и в сахарной свекле, из которых ее извлекают путем измельчения, выщелачивания и очистки. Преимущество свеклы является наличие очень длинных корней, способных извлекать питательные вещества с довольно большой глубины и тем самым обеспечивать их циркуляцию. Кленовый сироп - сконцентрированный сок клена, особенно сахарного клена - представляет собой раствор сахаров, в котором преобладает сахароза (около 65%), а в небольших количествах содержатся также глюкоза и фруктоза. Сок собирают из отверстий, просверленных в стволе дерева ранней весной; его вытесняет диоксид углерода, образующийся в результате ряда процессов метаболизма и выделяющийся из раствора, когда дерево прогревается на весеннем солнце. В подавляющем большинстве случаев газы лучше растворяются в воде на холоду, потому что энергично двигающиеся молекулы воды эффективно выталкивают молекулы газа из раствора.

Коричневый цвет кленового сиропа обусловлен продуктами взаимодействия между различными сахарами и аминокислотами, также присутствующими в смеси [10].

Если к раствору сахарозы добавить фермент инвертазу, то ее молекулы расщепляются и образуется раствор, называемый инвертным сахаром и содержащий равные количества глюкозы и фруктозы. Это название отражает влияние раствора сахара на поляризованный свет: сахароза вращает плоскость поляризованного света в одном направлении, а инвертный сахар в другом. Инвертный сахар слаще, чем исходная сахароза, потому что в нем имеется фруктоза [4].

Сахароза глюкоза фруктоза

При нагревании сахара происходит ряд сложных реакций разложения. В каждой молекуле сахарозы уже имеется много атомов кислорода, а нагревание способствует их перегруппировкам. Молекулы сахарозы расщепляются, а самые маленькие из продуктов расщепления, в том числе акролеин, или сразу же улетучиваются, или растворяются и остаются в твердой смеси сложного состава, называемой карамелью, внося свой вклад в ее вкусовые качества [10].

Сладкий вкус сахарозы принят за эталон сладкого. Он начинает ощущаться в пище при содержании 0,5-1,0% сахарозы. Но она не является самой сладкой даже среди натуральных (природных) подсластителей. Фруктоза (фруктовый сахар) почти в два раз слаще. А вот лактоза (молочный сахар) в 6 раз уступает сахарозе в сладости.

Калорийность сахарозы составляет от 16,54 до 16,75 кДж/г. Ежедневная потребность в сахаридах составляет ~500 г, но в пище в основном содержится не сахароза, а мучной или картофельный крахмал. Сахароза и другие сахара усваиваются организмом человека значительно быстрее, чем крахмал, и благодаря своему сладкому приятному вкусу имеют огромное значение в питании. Однако если медленное разложение крахмала приводит к равномерному поступлению в кровь сахарозы, то быстрое растворение сахаров приводит к тому, что избыточная глюкоза превращается в жир и усваивается только 25 % суммарного потребления сахаридов (максимум 125 г сахарозы в день, т. е. 45 кг в год). При рациональном питании максимальная ежедневная доза сахарозы не должна превышать 75 г, т. е. 28 кг сахарозы в год на человека.

Роль и значение сахара в питании человека продолжают оставаться в центре внимания ученых большинства стран мира. Биосинтез сахарозы позволил объяснить механизм метаболизма сахаридов в живом организме. Исследовано влияние сахара на заболевание зубов, содержание в организме витаминов, фосфора, аминокислот и т. д. Доказано, что сахароза и глюкоза являются наиболее высококалорийными и быстро усваивающимися продуктами питания.

Сахар -- это традиционный материал, используемый в пищевой и кондитерской промышленности. Для консервирования требуются бактериологически чистые продукты, и растворы с 60%-иым содержанием сахара защищают среду от действия бактерий. Однако известно, что и на кристаллическом сахаре размножаются термофильные бактерии и существуют дрожжи Zygosaccharomyces, которые вызывают брожение сиропов и других продуктов (отсыревший мед) с содержанием сахара более 70 % [5].

Таблица 1. Характеристика натуральных сахарозаменителей по уровню сладости

Виды подсластителей	Сладость сахарозы принята за 1
Название	Формула
Моносахариды
Глюкоза		0,74
Фруктоза		1,73
Ксилоза		0,40
Галактоза		0,32
Дисахариды
Мальтоза		0,23
Лактоза		0,16
Сахарные спирты
Сорбит (Е-420)		0,6
Ксилит (Е-967)		1,0
Маннит (Е-421)		0,6
Эритрит (Е-968)		0,7
Глицерин		0,6

2.5 Крахмал

«Сладкий» характер полисахаридов обнаруживается в результате их ферментативного или кислотного гидролиза, поскольку высвобождается глюкоза. Известно, что такой пищевой продукт, как картофель, состоит в основном из крахмала. Крахмал - полисахарид, имеющий подобно целлюлозе общую формулу (С₆Н₁₀О₆)_n только элементарным звеном у крахмала является

б-глюкоза. Крахмал состоит из двух высокомолекулярных фракций - амилозы и амилопектина.

В отличие от амилозы амилопектин имеет разветвленную структуру, т. е. помимо 1-4 глюкозидных связей между циклами есть и некоторое количество связей 1-6, определяющих ветвление структуры.

При хранении картофель иногда обнаруживает сладкий вкус. В чем же дело? А дело в том, что при хранении идут две противоположные реакции: поликонденсация глюкозы с образованием крахмала, и наоборот, гидролиз амилозы и амилопектина с образованием глюкозы. Скорость поликонденсации возрастает с повышением температуры, а скорость гидролиза от температуры зависит незначительно. При низких температурах гидролиз идет быстрее, чем образование полисахарида. Так что картофель, хранящийся в холодильнике, приобретает сладкий вкус [4].

2.6 Белки

Со второй половины 60-х годов нашего столетия резко возрос интерес к сладким веществам на основе природных белков. Причины этого -- увеличение потребности в низкокалорийных сладких продуктах, а также запрет на применение потенциально канцерогенных синтетических сладких веществ. Хотя белковые соединения со сладким вкусом сравнительно труднодоступны, ряд положительных эффектов, связанных с их применением, делает эти соединения конкурентоспособными с новыми безвредными синтетическими соединениями.

2.7 Миракулин

Более 100 лет назад миракулин был получен из овальных фруктов красного цвета, растущих на кустарнике Synsepa- lum dulcificum Danielli, обнаруженном в Западной Африке. Эти плоды получили название «чудодейственные» благодаря своей способности менять вкусовые ощущения. У уксуса появляется приятный винный вкус, кислый лимонный сок приобретает вкус сладкого напитка с лимонным ароматом, причем этот эффект сохраняется довольно длительное время [5].

Экстракты этих ягод способствуют тому, что язык через несколько минут после приёма воспринимает кислоты (или кислые пищевые продукты) как «сладкие». Это действие продолжается несколько часов. Миракулин, таким образом, ближе к модификаторам вкуса, чем к подсластителям; сами экстракты практически безвкусные. Неустойчив к нагреванию. Молекулярная масса около 40 000, в организме полностью расщепляется как белок [7].

Вероятный механизм действия миракулина.

В настоящее время миракулин, является наиболее изученным из белков, вызывающих сладкнй вкус. В то же время, несмотря на наличие нескольких гипотез, описывающих механизм его действия, детальный механизм его действия не установлен. Курихара и Бейдлер предложили модель, согласно которой в кислой среде форма молекулы изменяется таким образом, что фрагменты арабинозы и ксилозы имеют возможность, взаимодействовать с рецепторами, отвечающими за появление сладкого вкуса. Доказано, что белковая часть играет существенную роль в механизме действия миракулина, поскольку ее модификация ведет к утрате активности. Дзендолет полагал, что миракулин блокирует кислые рецепторные зоны и тем самым позволяет аминогруппе кислой молекулы вызывать сладкий вкус. На основании этой и других теорий пришли к выводу, что в кислой среде миракулин усиливает сладкий вкус. Ни одна из теорий, однако, не объясняет все вкусовые эффекты, вызываемые миракулином [5].

2.8 Монелин

Полипептид из ягод тропического растения Dioscorcophyllum cumminsii (Menispermaceae), произрастающего в Западной Африке. Растение имеет длинные волосяные вьющиеся стебли, напоминающие виноградную лозу. Желеобразное вещество ошеломляюще сладкого вкуса находится у иглообразной косточки красных ягод [7].

Хадсон и Биман установили, что монелин состоит из двух субъединиц, связь между которыми удается нарушить. Затем в каждой субъединице (А и В) был установлен порядок чередования аминокислот, общее количество которых соответственно 44 и 50.

Зависимость сладкого вкуса монелина от строения.

Важным и интересным представляется выяснение роли и влияния составных частей молекулы монелина на появление сладкого вкуса. Нагревание до 55--65°С и ферментативный гидролиз приводят к потере сладкого вкуса. Кроме того, разделение на фрагменты А и В приводит к потере сладкого вкуса, так как они по отдельности сладким вкусом не обладают.

Физиологическое действие монелина. Человек и млекопитающие по-разному реагируют на монелнин. Известны случаи, когда сладкое ощущение, связанное с сахарозой, не вызывается монелином. Полагают, что сладкий вкус белков связан с их взаимодействием с особыми рецепторными зонами, которые отсутствуют у некоторых млекопитающих. Монелнн не токснчен, но термическая нестойкость и трудность выделения делают крайне маловероятным его промышленное использование [5].

3. Синтетические сладкие вещества

В 1879 г. Фальбергер случайно обнаружил, что сахарин обладает интенсивным сладким вкусом, и это послужило толчком к изучению синтетических сладких веществ. Известные недостатки применения сахарозы -- сравнительно ограниченные ресурсы и отрицательное действие на здоровье человека (ожирение, диабет) -- определили все возрастающий интерес к химии синтетических сладких веществ.

Особенности синтетических сладких веществ, это их вкусовые характеристики, позволяющие применять эти соединения в пищевых продуктах и напитках, а также успешно использовать для подавления горького вкуса лекарств. Очень важным требованием к синтетическим сладким веществам является их химическая стабильность при повышенных температурах.

Процессы приготовления продуктов питания и лекарств включают нагревание, глубокое охлаждение, контакт со спиртами, водой, кислотами, щелочами и другими агрессивными средами. В этой связи чрезвычайно важна устойчивость синтетических сладких веществ в диапазоне температур от --30 до +260 °С и интервале pH среды от 2,5 до 8. Естественно, главным требованием к синтетическим сладким веществам является их полная и абсолютная безвредность для здоровья [5].

3.1 Сахарин (3-оксо-2,3-дигидробензо[d]изотиазол -1,1 диоксид)

Сахарин был открыт в 1879 г. немецким химиком Константином Фальбергом при исследовании окисления

о-толуолсульфонамида, который по небрежности случайно не вымыл руки после работы в лаборатории. С открытием сахарина пищевая промышленность получила долгожданную возможность выпускать сладкие продукты, которые не грозят человеку ожирением, потому что сахарин не усваивается и выводится из организма в неизменном виде. Сахарин начали получать в промышленном масштабе в 1900 г. Он приблизительно в 300 раз слаще сахара, но оставляет после себя горький, металлический привкус, который трудно замаскировать. Если атом водорода, связанный с атомом азота, заменить на группу --СН₃, то сладкий вкус утрачивается; следовательно, указанный атом водорода необходим для связывания с соответствующим рецептором. Поскольку сам сахарин плохо растворим в воде, его обычно применяют в виде натриевой или кальциевой соли, которая обладает большей растворимостью. Один грамм сахарина растворяется в 290 мл холодной или 25 мл горячей воды, в 50 мл глицерина, 31 мл этанола или 12 мл ацетона [10].

Сахарин является сильной кислотой (рКа = 1,3) и проявляет способность к димеризации. В кислой среде гидролизуется с образованием аммонийной соли 2-сульфобензойной кислоты, а в щелочной среде -- соли 2-карбоксибензолсульфонамида. Обе соли имеют одинаковый сладкий вкус [5].

В результате сопоставления химического строения более 80 производных с их вкусом были сделаны три основных вывода:

А) замещение имидного протона на катионы Na⁺ NH₄ или Ca²⁺ уменьшает сладкий вкус; N-алкил-, циклоалкил- и гетероциклоалкильные производные соединения безвкусны.

Б) введение электроноакцепторных заместителей в бензольное ядро резко увеличивает горький вкус вещества;

В) электронодонорные заместители (NH₂, CH₃, C₂H₅O) способствуют повышению сладкого вкуса;

Интересно, что пчел или бабочек не удается обмануть, если попытаться кормить их сахарином вместо сахара.

Ряд обстоятельств препятствует широкому применению сахарина. Горький привкус ограничивает использование в пищевой промышленности и, как правило, сахарин добавляют в смеси с модификаторами (желатин) либо с другими сладкими компонентами. Сахарин часто используется в таблетках в виде натриевой соли или в смеси с гидрокарбонатом натрия (1:4), который при растворении в воде образует CO₂. Центральное место занимает вопрос о безвредности сахарина для человека. Доказано, что сахарин быстро усваивается, и ~98 % быстро выводится из организма [5].

Однако появились опасения, что сахарин обладает канцерогенными свойствами, так как он способен вызывать рак мочевого пузыря крысы. В то же время сахарин в отличие от подавляющего большинства канцерогенов не метаболизируется в организме крысы (как и в организме человека). Кроме того, поскольку моча крыс гораздо более концентрирована, чем моча человека, она остается в их мочевом пузыре необычно долгое время [10].

В настоящее время считается установленным, что небезопасно ежедневно употреблять сахарин в течение длительного времени.

По этой причине вопрос о массовом использовании сахарина до настоящего времени не решен. Чаще всего сахарин используется для модификации вкуса лекарственных препаратов. Во время второй мировой войны сахарин в широких масштабах заменял сахарозу. Сахарин употребляют для придания сладкого вкуса пище для людей, склонных к ожирению, сердечнососудистым заболеваниям, а также больных диабетом. Его использование было основано на простом методе получения и низкой стоимости [5].

Сахарин очень широко используется в пищевой промышленности. Одним из ингредиентов мороженого, кремов, желатиновых десертов и прочих кондитерских изделий является пищевая добавка Е 954. Под этим незаметным и мало кому понятным псевдонимом скрывается сахарин. Так что он уже давно стал неотъемлемой частью нашей повседневной жизни.

3.2 Цикламаты

Как и сахарин, цикламат был открыт случайно в 1937 г. Свед, в ходе изучения производных аминосульфокислоты обнаружил, что сигареты, на которые попадали цикламаты, приобретали сладкий вкус, так как он в 30 раз слаще сахарозы. Относится к веществам, запрещённым к использованию в продуктах питания человека, поскольку является канцерогеном, вызывающим раковую болезнь. В 1969 году распоряжением Федерального Агентства по пищевым продуктам и лекарственным препаратам (FDA) запрещён к применению на территории США, так как, было доказано, что он, как сахарин и аспартам, вызывает рак. Этот эффект, как оказалось, обусловлен образованием известного канцерогена циклогексиламина под влиянием кишечной флоры. Циклогексиламин - это производное циклогексана, образуется путем отщепления группировки -- ОSО₂ от цикламатного иона. Циклогексановое кольцо является углеводородной группой глюкофора; сладкий вкус исчезает, если заменить атом водорода группы --NH-- или модифицировать циклогексановое кольцо. Гидрофобные (водоотталкивающие) свойства циклогексанового кольца компенсируются способностью групп -- ОSО₂ и --NH-- образовывать водородные связи с молекулами воды, поэтому цикламаты растворимы в воде [10].

Натриевая соль циклогексиламино-N-сульфоновой кислоты представляет собой белый кристаллический порошок с интенсивным сладким вкусом (в 30 раз слаще сахарозы) и высокой термостабильностью (т. разл. ?260 °С). Соль хорошо растворима в воде (1 г в 5 мл воды или 24 мл 1,2-пропандиола), не растворяется в этаноле, бензоле, хлороформе, ацетоне и эфире. Водные растворы нейтральны. При увеличении содержания до 1 % интенсивность сладкого вкуса возрастает, дальнейший рост концентрации не приводит к повышению сладости, а затем возрастание доли цикламата приводит к снижению интенсивности вкусового ощущения.

Белые кристаллы кальциевой соли циклогексиламино-N- сульфоновой кислоты обладают интенсивным сладким вкусом и содержат две молекулы воды, которая удаляется при 80 °С; безводная соль разлагается при 260 °С. Кальциевая и натриевая соли имеют равную интенсивность сладкого вкуса. Другие соли (калиевая и магниевая) также являются сладкими веществами, но практического применения не находят [5].

Цикламаты широко используются также при приготовлении фруктовых соков, компотов, кондитерских изделий, джемов, шоколадов. В отдельных случаях применение цикламатов позволяет улучшить вкус и повысить растворимость лекарственных препаратов с щелочной реакцией. Цикламат разрешен диабетикам, но не рекомендован маленьким детям и беременным женщинам.

3.3 Аспартам

Молекула дипептида аспартама представляет собой производное двух природных аминокислот - L-аспарагиновой кислоты и фенилаланина. Аспартам можно рассматривать как крохотный белок, поскольку все белки являются полипептидами. Аспарагиновая кислота почти безвкусна, фенилаланин горек, а сложный эфир построенного из них дипептида обладает резко выраженным сладким вкусом. Аспартам в 100-200 раз слаще сахарозы и лишен неприятного остающегося привкуса сахарина. В то же время, как и почти все белки, он чувствителен к нагреванию и его нельзя применять, если подслащенный им продукт подвергается далее кулинарной обработке. Кроме того, в растворах аспартам медленно разлагается и при комнатной температуре, поэтому безалкагольные напитки, подслащенные аспартамом, имеют ограниченный срок годности. Смесь аспартама и сахарина слаще и устойчивее, чем каждое из этих веществ в отдельности. Аспартам представляет собой белое кристаллическое вещество; его сладкий вкус был открыт в 1965 г. также случайно. Этот факт еще раз говорит о том, что неосторожность может быть не только опасной, но и выгодной. В данном случае небрежный химик облизал грязные руки и почувствовал сладкий вкус. Поскольку аспартам-это в какой-то мере белок, он, подобно другим белкам, усваивается организмом человека и является источником аминокислот. В то же время аспартам намного слаще сахарозы и поэтому употребляется в таких ничтожных количествах, которые практически не сказываются на калорийности продукта. Некоторым вкус аспартама нравится даже больше, чем вкус сахарозы [10].

E-951 (аспартам) - подсластитель, генномодифицированный токсичный химикат (очень опасен). При нагревании до 30°С ( температура организма человека 36,6 ?) основное количество аспартама в газированной воде распадается на метанол (нейротоксин), фенилаланин. Метанол в дальнейшем преобразуется в формальдегид (сильнейший канцероген), а затем в муравьиную кислоту. Фенилаланин становится токсичным в сочетании с другими аминокислотами и белками. При беременности, аспартам может воздействовать непосредственно на плод, даже, при употреблении в очень малых дозах. Отравление аспартамом приводит к следующим последствиям: потеря осязания, головные боли, усталость, головокружение, тошнота, сильное сердцебиение, увеличение веса, раздражительность, тревожное состояние, потеря памяти, туманное зрение, сыпь, припадки, боли в суставах, депрессии, спазмы, заболевания детородных органов, слабость и потеря слуха. Также, аспартам может провоцировать следующие болезни: опухоль мозга, множественный склероз, эпилепсию, хроническую усталость, болезни Паркинсона и Альцгеймера, диабет, умственную отсталость, он может вызвать даже смертельный исход.

Заменитель сравнительно хорошо растворим в воде. Это свойство нашло широкое применение в пищевой промышленности: аспартам используется сейчас почти во всех "облегчённых" лимонадах. Именно благодаря ему продаваемые напитки могут похвастаться минимальным содержанием калорий. Конечно же, умеренное количество такой "газировки" никакого вреда не принесёт. Однако ежедневно выпиваемые литры могут неблагоприятно отразиться на здоровье "водохлёба".

Самым безопасным заменителем является сукралоза, которая была синтезирована в 1976 году в Англии. Это единственный "искусственный сахар", который избежал обвинений в канцерогенности. Специалисты утверждают, что его приём безопасен не только для обычного контингента, но и для беременных женщин и детей младшей возрастной группы.

Максимальная дневная доза составляет 5 мг на 1 кг веса. В эти рамки без труда могут уложиться даже самые заядлые сладкоежки - ведь сукралоза в 600 раз слаще сахара, и поэтому вкусовой эффект достигается с помощью минимальных количеств этого подсластителя. Несмотря на все положительные качества, сукралоза почти не используется в пищевой промышленности и сравнительно редко встречается на прилавках российских аптек. Дело в том, что на сегодняшний день этот заменитель является самым дорогим на российском рынке, а, следовательно, не выдерживает конкуренции с более дешёвыми аналогами сахара [3].

3.4Оксотиазинондиоксиды

В 1973 г. Клаус и Йенсеи открыли новую группу синтетических сладких веществ --замещенные 3,4-дигидро-1,2,3-окса- тиазии-4-он-2,2-диоксиды, из числа которых наиболее интенсивный сладкий вкус имеют соединения с метильной группой у атома С-6 цикла. Соединения этого класса представляют собой кристаллические порошки с высокой термической и химической стабильностью, хорошо растворимые в воде и органических растворителях (метанол, этанол, глицерин). В водных растворах оксатиазинондиоксиды хорошо диссоциированы и со щелочными металлами образуют нейтральные соли (т. пл. >200° С).

Зависимость сладкого вкуса оксатиазинондиоксидов от химического строения.

В результате определения вкуса самых разнообразных замещенных оксатиазинондиоксидов было установлено следующее. Соединения без заместителей или содержащие небольшие алкильные группы обладают сладким вкусом. Минимальная интенсивность сладкого вкуса характерна для 3,4-дигидро-1,2,3-оксатиазин-4-он-2,2-диоксида, а максимальную интенсивность проявляет его 5-этил-6-метилпроизводиое. Природа катиона не влияет на интенсивность вкуса, а наиболее сладкими являются соединения с объемными заместителями в положении 6 цикла. Замена атома кислорода кольца на группы NH или NCH₃ приводит к потере сладкого вкуса.

безвкусный

Наибольшее внимание исследователей привлекает 6-метилпроизводное (ацесульфам), которое обладает ярко выраженным сладким вкусом, хорошо растворяется в воде и образует стабильные соли, сохраняющие вкус в кислых освежающих напитках. Это соединение стабильно до pH 4 и температуры 120°С. В водных растворах в течение одного месяца при 40 °С гидролиза и снижения сладкого вкуса не наблюдается. Однако ацесульфам распадается в сильнокислотных (pH <2,5) либо сильнощелочных средах. Это соединение используется при приготовлении горячих и холодных напитков, кондитерских и кисломолочных продуктов. Комплексные фармакологические исследования, включающие оценку анальгетической, психотропной и диуретической активности, покаали, что ацесульфам практически не токсичен и не канцерогенен. В организме человека ацесульфам не разлагается, не откладывается в тканях, практически полностью выводится. Не наблюдается накопления ацесульфама в ткаиях и органах при его длительном потреблении. Для аналитического определения ацесульфама применяется тонкослойная хроматография [5].

На этом поиски синтетических заменителей «сладкого не прекратились. В 40-х годах XX века голландскими химиками был изобретен препарат (его так и назвали «голландский шедевр»), который долгое время лидировал среди «самых сладких», - алкоксипроизводное м-нитроанилина . С удлинением углеродной цепочки алкильного заместителя сладкий вкус вначале усиливается, а потом ослабевает. Все бы ничего, но синтезированные вещества обладают сильным анестезирующим действием. Та если в качестве алкильного радикала использовать н-пропил, то анестезирующая активность препарата в 30 раз превзойдет активность кокаина.

В последние годы в питании в качестве добавок стали использовать синергетики, способные своим присутствием даже в очень незначительных концентрациях изменять вкус. При этом обеспечивается весьма значительная экономия сахара. Хорошо зарекомендовал себя мальтол. Добавка 15 миллионных долей мальтола к обычному пищевому сахару позволяет снизить его расход примерно на 15% [4].

Заключение

1. Объяснение возникновения сладкого вкуса связано с использованием теории Шелленбергера. Дальнейшее объяснение и предсказание сладкого вкуса у химических веществ, требует объединение химического и биологического подходов

2. Тростниковый и свекловичный сахар (сахарный песок, рафинад) представляется нам пищевым продуктом первостепенной необходимости. Обычный сахар, называемый сахарозой, относится к углеводам, которые считаются ценными питательными веществами, обеспечивающими организм необходимой энергией. Крахмал также принадлежит к углеводам, но усвоение его организмом происходит медленно. Сахароза же быстро расщепляется в пищеварительном тракте на глюкозу и фруктозу, которые затем поступают в кровоток.

3. Острая необходимость использовать в лечебном питании нетоксичные, низкокалорийные сладкие вещества стимулируют повышенный интерес к фундаментальным и прикладным исследованиям в этой области. В результате проведенных исследований существенно увеличилось число природных и синтетических сладких веществ, используемых в продуктах питания. Однако до настоящего времени основным источником природных сладких веществ являются сахарная свекла, сахарный тростник, сладкие плоды и растения.

4. Практически во всех продуктах повседневного спроса обычно используют химические подсластители - сахарин, цикламат, аспартам, ацесульфам, ксилит и сорбит. Поэтому старайтесь ограничивать потребление этих веществ. Ведь польза от их использования так до конца и не ясна.

Список литературы

1. Артеменко А. И., Органическая химия: учебное пособие - 2-е изд., перераб.- М.: Высш.шк., 2005. - 606с.:

2. Гудман М., Морхауз Ф., Органические молекулы в действии. - Издательство «Мир»., Москва, 1977.? 331 с.

3. Журнал «Антирак»

...