Вещества сладкого вкуса с давних времен использовались человеком при приготовлении пищи.

По строгому определению к этим пищевым добавкам относят вещества несахарной природы, которые придают пищевым продуктам сладкий вкус, однако на практике в эту группу часто включают все сладкие добавки.

За последние 10 лет потребление подсластителей синтетического происхождения высокой интенсивности возросло на 56 % (с 8,5 млн до 13,3 млн т). Основные потребители – страны Азии (50 %), Северной и Южной Америки (30 %) и Европы (16 %). Среди отдельных подсластителей доминируют: сахарин (особенно в странах Азии), аспартам (страны Америки), цикламаты, ацесульфан-К, сукралоза, алитам. Потребление подсластителей с высоким сахарным эквивалентом увеличивается в среднем на 5 % в год.

15.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДСЛАЩИВАЮЩИХ ВЕЩЕСТВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

Существуют различные классификации подслащивающих веществ: по происхождению (натуральные и искусственные), калорийности (высококалорийные, низкокалорийные, практически некалорийные), степени сладости (подсластители с высоким, низким сахарным эквивалентом), химическому составу и т.д. Одна из возможных классификаций приведена на рисунке 15.1.

Рис. 15.1. Классификация сладких веществ

Сахароза – важнейший углевод, обладающий сладким вкусом, содержится в ягодах, плодах, винограде, соках, сахарном тростнике, свекле и т.д.

Сахарозу выделяют водной экстракцией из стеблей сахарного тростника или корней сахарной свеклы, экстракты фильтруют, фильтраты очищают, удаляют примеси и получают сахарный песок или рафинад путем кристаллизации.

Потребление сахарозы населением достаточно велико. В РФ оно достигает 70–100 г на 1 человека в день. Потребление избыточного количества сахара нарушает обмен углеводов, приводя к серьезным заболеваниям, например диабету.

С целью снижения потребления населением сахарозы в настоящее время во всем мире ведутся исследования по поиску ее природных заменителей и созданию синтетических.

Среднюю сладость сахарозы принимают за единицу, а эти значения для ее заменителей выражают по отношению к ней (табл. 15.1).

Таблица 15.1. Средняя сладость заменителей сахара (по отношению к сахарозе)

К ним предъявляются следующие требования:

• низкая энергетическая ценность;
• полная безвредность;
• отсутствие постороннего привкуса;
• устойчивость в технологических процессах, при хранении и транспортировке;
• хорошая растворимость;
• невысокая стоимость.

Основными заменителями сахарозы являются природные подслащивающие вещества – глюкоза и фруктоза. D-глюкоза широко применяется в пищевой промышленности при производстве диетических продуктов, безалкогольных напитков, шоколада и др. Она содержится в меде, виноградном соке, в соках различных фруктов. Ее получают путем ферментативного или кислотного гидролиза крахмала кукурузы, злаковых культур или картофеля с последующим выделением, очисткой и сушкой.

D-фруктоза также входит в состав меда, сока ряда фруктов и ягод. По сравнению с другими моносахаридами она обладает рядом важных для переработки в пищевые продукты свойств: хорошей растворимостью, гигроскопичностью, низкой вязкостью и устойчивостью растворов, способностью усиливать вкус и аромат продуктов. Фруктоза находит широкое применение в кондитерской и консервной промышленности, при производстве безалкогольных напитков, овощных йогуртов, соков, пудинговых смесей. Ее получают методом экстракции из некоторых видов растительного сырья и кристаллизацией из гидролизатов сахарозы. В настоящее время выпускают фруктозные сиропы с содержанием фруктозы 90–95 %.

За рубежом широко используются в кондитерской, хлебопекарной, консервной, молочной отраслях промышленности, при производстве напитков, сиропов и других продуктов жидкие сиропы различного состава, включающие сахарозу, инвертный сахар, декстрозу.

Сахарные спирты (D-сорбит, D-ксилит) – бесцветные твердые вещества, хорошо растворимые в воде, используются в кондитерской и консервной отраслях промышленности для приготовления продуктов для больных диабетом, поскольку при их усвоении не требуется инсулин.

Сорбит в организме превращается в фруктозу, способствует выделению желчи и желудочного сока, улучшает перистальтику кишечного тракта. Смесь сахарозы с полиолами, например с сорбитом, используется при получении жевательных резинок. Гидролизаты крахмала также комбинируют с полиолами и яблочной кислотой. К их недостаткам относится выделение теплоты при растворении, что снижает их освежающее действие.

В качестве подслащивающих веществ за рубежом используют и растительные белки, среди них выделяемый из тропического растения Kichardacea dulcifica семейства Sapotaceae гликопротеид миракулин. Это белковое вещество обладает широкой вкусовой гаммой – от резко кислого вкуса лимонного сока до вкуса сладкого напитка с цитрусовым привкусом.

Углеводы, формирующие молекулу миракулина, представлены арабинозой, ксилозой, галактозой, рамнозой и фруктозой.

Сладким вкусом обладают гликозиды плодов и других растений. Флавоны плодов цитрусовых после каталитической гидрогенизации становятся сладкими. Этот процесс стал основой для синтеза подслащивающих веществ. В результате из нарингина, выделяемого из кожуры грейпфрутов, получают неогесперидиндигидрохалкон, обладающий сладким вкусом; он в 300 раз слаще сахарозы. Этот продукт вырабатывают в США и применяют при производстве жевательной резинки, зубной пасты, аэрозолей.

К другим природным подслащивающим веществам относятся глицирризин, стевиозид, тауматин и др.

Сахарозаменитель стевиозид получают из листьев растения стевии (Stevia rebaudiana), растущего в Парагвае. Его также культивируют на Черноморском побережье. Молекула стевиозида состоит из трех молекул глюкозы и одной молекулы безвкусного агликона.

На основе листа стевии разработаны технологии для выработки печенья затяжного, сахарного, сдобного, пряников, пирожных, мармелада, желейных и сбивных конфет.

Самый сладкий заменитель – тауматин – соединение белкового происхождения; его получают экстракцией из плодов растения Thaumatococcus damelli.

15.2. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОДСЛАЩИВАЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

Производство одного из первых синтетических подслащивающих веществ – сахарина – было организовано еще в 1884 г. Натриевая соль сахарина обладает сладким вкусом, превосходящим сахарозу в 500 раз; она хорошо растворима в воде и в спирте. Сахарин прошел проверку на токсичность и разрешен ФАО для применения во всех странах как синтетическое подслащивающее вещество в количестве 15мг/кг при производстве кондитерских изделий, диетических сыров, напитков для больных диабетом или соответственно 2,5 мг на 1 кг массы взрослого человека в сутки.

В настоящее время сахарин вытесняется новыми низкокалорийными сахарозаменителями: пептидами, получившими название (по одной формирующей их аминокислоте) аспартамов:

Сладкие дипептиды – аспартамы индифферентны к микроорганизмам и могут быть использованы как пищевые добавки. Они безопасны при потреблении диабетиками, не вызывают развитие кариеса зубов, нетоксичны, неканцерогенны и разрешены к использованию в пищу.

Аспартамы выпускают в гранулированном и порошкообразном виде и применяют для изготовления газированных и негазированных напитков, кондитерских изделий, жевательной резинки, джемов, повидла, конфитюров.

В пищеварительном тракте происходит гидролиз аспартама на две аминокислоты. Аспартам устойчив при комнатной температуре, в таких условиях не теряет стабильности в течение 5 лет. При нагревании выше 150 °С он распадается, поэтому аспартам возможно использовать при подслащивании продуктов, не требующих термической обработки, например мороженого и крема. Аспартам (торговое название Нутрисвит) широко используют при производстве диетических напитков.

Триптофан – незаменимая аминокислота, в 25–50 раз слаще сахарозы. Его производные также обладают сладким вкусом, в том числе D-6-трифторметилтриптофан, D-6-хлортриптофан (в 1300 раз слаще сахарозы) и др.

За рубежом широко используют различные синтетические сахарозаменители с высоким коэффициентом сладости (ацесульфам-К, цикламаты, перилартин, отизон, неотам и др.).

Таким образом, число подслащивающих веществ, используемых в производстве продуктов питания, достаточно велико. Природные подслащивающие вещества в основном безопасны для здоровья человека, использование же синтетических требует тщательной дозировки и ограниченного применения.

Биотехнологическими методами получен ряд весьма эффективных продуктов, заменителей сахарозы. Так, из растения Thaumato-coccus damelli, произрастающего в Судане, в клетки Е coli был трансплантирован ген, детерминирующий синтез сверхсладкого белка тауматина. Рекомбинантная бактерия стала продуцентом сладкого белка, который производят на нескольких биотехнологических заводах и применяют в пищевой промышленности в качестве искусственного подсластителя. Из южноамериканского растения Stevia rebaudiana в клетку Е. coli трансплантирован ген сладкого белка стевиозида. С помощью генной инженерии или путем совмещения микробного синтеза с химической трансформацией микробных метаболитов получен ряд эффективных подсластителей.

Рассмотренный ранее дипептид аспартам образован молекулами фенилаланина и аспарагиновой кислоты; обе молекулы можно синтезировать микробиологическим путем, а аспартам из этих мономеров – с помощью ферментов.

На основе фруктозы создается новый класс подсластителей – заменителей сахарозы, фруктозилолигосахаридов, в состав которых входят от 2 до 5 остатков фруктозила. Они не разрушаются в организме человека, имеют сладкий вкус и безвредны. Продуцируют их микроорганизмы, содержащие фруктозилтрансфе- разу (представители родов Aspergillus, Fusarium, Aureobasidium). Создан полунепрерывный биотехнологический процесс на основе иммобилизованных в геле альгината кальция (2%-го) клеток Aureobasidium pullulans. Клетки продуцента осуществляют конверсию сахарозы в течение 60 сут при температуре 50 °С, рН 5,5 и скорости протока 0,05 ч^-1. Выход фруктозилолигосахаридов составляет 55 %.

Перспективным направлением является использование гидролизатов крахмала (мальтин, мальтодекстрин, мальтозная патока) в качестве сахарозаменителей в продуктах питания, особенно функционального назначения.

В технологиях этих продуктов, разработанных во ВНИИ крахмалопродуктов, используют картофельный и кукурузный крахмал.

Катализаторами процесса гидролиза крахмала являются амилолитические ферментные препараты как отечественного, так и зарубежного производства. На стадии разжижения крахмала применяют водный экстракт сухого ячменного солода, обладающий α-амилазной, β-амилазной и глюкоамилазной активностями. В качестве бактериальной α-амилазы используют отечественный ферментный препарат Амилосубтилин Г10Х, обладающий также небольшой протеолитической, β-глюканазной и глюкоамилазной активностями. На стадии ферментативного осахаривания разжиженного крахмала применяют водный экстракт ячменного солода, а также ферментный препарат Spezyme ВВА.

При применении экстракта ячменного солода получают мальтозную патоку с низким содержанием глюкозы и высоким содержанием мальтозы. Однако при этом цветность гидролизатов возрастает в связи с увеличением в гидролизате массовой доли белка до 0,45 %. При применении ферментного препарата Spezyme ВВА снижается продолжительность осахаривания, в гидролизате содержится значительно меньше глюкозы – соответственно ее массовой доле в разжиженном крахмале.

Согласно разработанным техническим условиям на мальтозную патоку возможно получение трех видов этого продукта, отличающихся углеводным составом, %:

Мальтозная патока с низким содержанием глюкозы (марки А) менее гигроскопична, чем карамельная патока, что обусловливает ее применение в кондитерском производстве для получения твердой карамели.

Мальтозную патоку марки Б используют как патоку специального олигосахаридного состава при производстве детского питания на молочной основе. Этот компонент играет двоякую роль: как подсластитель (заменитель свекловичного сахара) и как хорошая питательная среда для бифидобактерий.

Мальтозная патока усваивается организмом с меньшей скоростью, чем глюкоза, благодаря чему достигается более равномерная гликемическая нагрузка на организм, т.е. поддерживается постоянный уровень глюкозы в крови.

В последние годы возрос интерес к изучению инулинсодержащих растений и созданию научных основ их переработки в связи с созданием диетических и лечебно-профилактических пищевых продуктов. Одним из нетрадиционных видов инулинсодержащего сельскохозяйственного сырья является якон. Это пищевая и кормовая культура горных районов Анд. Начало интродукции якона в России было положено в 1995 г. Корнеплоды якона содержат углеводы в форме полифруктозида – инулина и свободных моносахаридов – глюкозы и фруктозы.

Специфический фермент инулиназа катализирует расщепление гликозидных связей в инулине с образованием главным образом D-фруктозы. В связи с этим был исследован ферментативный гидролиз инулина, содержащегося в яконе, с помощью высокоактивного продуцента инулиназы штамма дрожжей Kluyveromyces marxianus Y-303, обладающего также высокой инвертазной активностью.

При оптимальных условиях (рН 4,5 и температуре 40 °С) фермент из дрожжей К. marxianus способен гидролизовать 95 % инулина до фруктозы. Полученные гидролизаты из якона могут быть применены для получения глюкозно-фруктозных сиропов, пюре, в качестве добавок и заменителя сахара при производстве хлебобулочных и кондитерских изделий.