СЛАДКИЙ ВКУС

Ощущение вкуса может служить примером хеморецепции. У млекопитающих органы вкуса сосредоточены во влажной полости рта, но некоторые насекомые ощущают вкус ногами, а у рыб всё тело покрыто хеморецепторами. В полости рта человека хеморецепторы большей частью располагаются на подвижном выросте Мышечной ткани, называемом языком. Язык взрослого человека при длине около 10 см содержит приблизительно 9000 вкусовых сосочков, каждый из которых состоит из 50...100 специализированных эпителиальных клеток, соединённых с меньшим числом нервных окончаний. В этом отношении вкусовые ощущения отличаются от обоняния, сенсорами которого служат сами нервные окончания. У взрослого человека большая часть вкусовых сосочков сосредоточена на периферии языка, а их число уменьшается с возрастом, особенно после 45 лет. У ребёнка весь язык покрыт вкусовыми сосочками. Различные участки языка реагируют на четыре вкуса, считающимися основными, – сладкий, солёный, горький и кислый (рис. 1). Сладкий вкус обнаруживается передней частью языка. 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.

Рис. 1. Участки языка, реагирующие на различные вкусы

Вкусовая чувствительность – это всё ещё большая загадка. Одно и то же вещество может для различных людей быть различным по вкусу. Даже раствор обычной поваренной соли кажется слегка сладким на вкус, если он очень сильно разбавлен. Натриевая соль бензойной кислоты одним кажется сладковатой, другим – кислой, третьим – горькой, а четвёртым – безвкусной. Один пробующий, например, уловил горечь фенилтиомочевины при её концентрации в растворе 6,5-10^-8 моль/л, в то время как другие не обнаружили то же вещество, когда его было в растворе в 250 тысяч раз больше – 1,7ž10^-2 моль/л! Любопытно, что вкусовая чувствительность у людей к фенилтиомочевине предопределена наследственно. В среднем из ста испытуемых двадцать процентов вообще не чувствуют вкус этого соединения, остальным же, при небольшой концентрации вещества в растворе, последний кажется нестерпимо горьким. Большинство сладких веществ, к счастью, сладко почти для всех.

Вкус данного вещества обусловливается определённым расположением атомов в его молекуле. Ответственные за сладкий вкус звенья молекул называются глюкофорами; считается, что структура глюкофора соответствует структуре белка-рецептора, находящегося во вкусовом сосочке в передней части языка. Когда «сладкая» молекула связывается с белком (возможно, за счёт образующихся между ними водородных связей), в мозг посылается соответствующий сигнал. Предложено несколько моделей глюкофоров. При создании таких моделей задача сводится к выяснению специфического расположения определённых атомов, которые при их совместном присутствии в одной молекуле могут связываться с белковым рецептором и в конечном счёте вызывать ощущение сладкого вкуса, если оставшаяся часть молекулы этого вещества не слишком объёмна и не затрудняет доступ всей молекулы к белку. Таким образом, глюкофор представляет собой как бы «молекулярный ключ», а молекула белка-рецептора – соответствующий «замок». Одна из таких моделей показана на рис. 2. На нем атомы А и В должны обладать электроноакцепторными свойствами (обычно это атомы кислорода, но иногда могут быть и атомы азота) и способностью участвовать в образовании водородных связей. Сладкий вкус может также зависеть от наличия и структуры углеводородной группировки вблизи атомов А и В. Фруктоза, если она находится в циклической форме, – наиболее сладкий из Сахаров. Сахароза кажется примерно в полтора раза слаще глюкозы. Возможно это связано с наличием в её молекуле двух глюкофоров расположенных так, что они могут связываться с двумя рецепторами соседних белков. В то же время крахмал совершенно не сладок, хотя содержит множество глюкофоров. Вероятно большая цепь молекулы крахмала не позволяет отдельным звеньям глюкозы приблизиться к рецепторам. Сладкими являются некоторые вещества, представленные небольшими молекулами, в том числе гликоли, например, этиленгликоль и глицерин. Сладкий вкус типичен и для а-аминокислот, например, глицина, но не для аминокислот, в молекулах которых группа –NH₂ удалена от карбоксильной группы. Вкусовые характеристики могут зависеть и от зеркальной изомерии а-аминокислот; так, все D-аминокислоты (не встречающиеся в природе) сладки, а соответствующие L-аминокислоты могут быть сладкими, горькими или безвкусными. Этот факт подчёркивает важность формы молекулы для её связывания с белком-рецептором; даже зеркальное отражение «молекулярного ключа» не может подходить к «молекулярному замку».

Рис. 2. Соотношение белкового «замка» с «ключом» –
фрагментом молекулы сладкого вещества. Расстояние между А и В=3ž10^-10 м

В решении вопроса о сладком и других вкусах веществ ещё много непознанного.

ПОДСЛАЩИВАЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Необходимость применения подсластителей

Чрезмерное потребление сахара и сладостей является причиной ряда заболеваний, а для сахара придумали термины «белый убийца», «сладкий яд», «пищевой мусор», «пустые калории», «горе сахарное». Книга Джона Юдкина «Чистый, белый и смертельный» стала известной во всем мире. Следует отметить, что за последние 80 лет потребление сахара в развитых странах возросло примерно в 20 раз – с 2 до 40 кг на душу населения.

Небольшое количество сахара может положительно влиять на эмоции, настроение человека. Это связывают с определённым соотношением сахарозы и серотонина. Серотонин – биологически активное вещество из группы биогенных аминов, участвующих в ряде важных обменных процессов. Нарастание серотонина в крови проявляется не хорошим настроением, а состоянием тревоги, чему способны противодействовать лекарственные вещества, снижающие содержание серотонина в крови. Подобным действием обладает глюкоза, легко образующаяся при гидролизе сахарозы. Этим может быть оправдана конфетка или таблетка глюкозы перед экзаменом.

Согласно принципам сбалансированного питания потребность человека в углеводах, в том числе легкоусвояемых, определяется, прежде всего, энергетическими затратами. Повышенное потребление углеводов лицами, не занятыми тяжёлым физическим трудом, приводит к превращению углеводов в жиры, а это в конечном итоге является причиной ожирения различной степени тяжести. Поэтому с учётом требований науки о питании в последнее время встает вопрос производства низкокалорийных продуктов. Кроме того, для людей, страдающих рядом заболеваний (например сахарным диабетом) при которых неконтролируемое употребление сахара опасно, необходим выпуск заменителей сахара (как естественного, так и синтетического происхождения). Давно не вызывает сомнения прямая зависимость аллергических состояний у детей и взрослых от неумеренного сладкоедения.

По данным ВОЗ (примерно пятнадцатилетней давности) при систематическом ежедневном потреблении 50...60 г сахара смертность от болезней сердечно-сосудистой системы составляла 23, а при потреблении 120...135 г – 235 человек на каждые 100 тысяч населения. Установлено ещё и то, что в странах с наименьшей смертностью от инфаркта миокарда и от гипертонической болезни люди съедают примерно 31 г (из ежедневно потребляемых 56 г) легкоусвояемых углеводов со свежими плодами и овощами. Этим ещё раз подтверждено существенное различие в действии на организм человека очищенной сахарозы и того же дисахарида, но как неотъемлемой части ряда продуктов растительного происхождения.

Следует ли стремиться к очень хорошей очистке сахара? Исследования показали, что в удалённых примесях присутствуют весьма полезные биологически активные вещества. Например, в очищенном (рафинированном) сахаре практически отсутствует хром, который как микроэлемент участвует в обмене инсулина и способствует предупреждению некоторых болезней сердца и близорукости.

Можно приводить ещё много различных фактов, свидетельствующих о том, что в современном мире люди потребляют неоправданно большое количество легкоусвояемого и рафинированного сахара. А формирование вкусовых ощущений, приводящих к такому повышенному потреблению сладкого, происходит в детском возрасте, когда формируется динамический стереотип. Любому известно, что сладости в питании детей составляют значительную долю. И хотя доказано, что потребность у детей и подростков в легкоусвояемых углеводах действительно больше, чем у взрослых, сложившийся стереотип сладкоежки требует потребления сладости, которая идёт уже не на пользу.

Вот почему встаёт проблема замены легкоусвояемого и довольно дорогого сахара сладкими, но малокалорийными заменителями.

Для пищевых целей необходимо использовать вещества нетоксичные, малокалорийные и дешёвые.

Некоторые сладкие соединения есть и среди неорганических веществ. К примеру, соли бериллия (он ранее назывался глицинием) сладкие на вкус. Сладок ацетат свинца, который ещё со времён алхимии называли «сахар-сатурн», а также некоторые соли серебра. Однако все эти соединения ядовиты и использоваться как замена сахару не могут.

Как сравнивать различные вещества по сладости

Сладость вещества невозможно измерить, как другие физико-химические величины, с помощью приборов. Её определяют как минимальную концентрацию вещества в водном растворе, которую может почувствовать человек. Готовят раствор сладкого вещества известной концентрации, а затем разбавляют его водой до тех пор, пока сладковатый привкус не перестанет чувствоваться. Одного человека для таких испытаний недостаточно, поскольку колебания вкусовой чувствительности у различных людей очень сильно отличаются. За стандарт принимают сладость сахарозы, её сладость принимают за единицу. В таких «сахарных единицах» измеряют сладость и других веществ. Опытный дегустатор чувствует присутствие сахарозы в растворе при небольшой концентрации – 10 ммоль/л (3,5 г/л). Фруктоза, самый сладкий из моносахаридов, имеет сладость 1,7 сахарных единиц. Глюкоза в 1,3 раза менее сладкая, чем сахароза. Лактоза (молочный сахар) втрое менее сладкая, чем сахароза.

Различают заменители сахара и интенсивные подсластители. Первые имеют сладость близкую к сладости сахара и поэтому выполняют в продукте не только роль сладкого вещества, но и наполнителя. Интенсивные же подсластители в десятки, сотни и даже тысячи раз слаще сахара. Они применяются в исключительно малой дозировке, а для компенсации потерь в массе (при замене сахара на подсластитель) используют воду (в напитках), молоко (в молочных продуктах) и другие недорогие наполнители.

Используемые заменители сахара

Мёд

“то продукт переработки цветочного нектара медоносных цветов пчёлами. Приятно ароматен. Его состав, цвет и аромат зависят от растений с которых собран нектар. Содержит 75% моно- и дисахаридов, из них: около 40% фруктозы, 35% глюкозы, 2% сахарозы, 5,5% крахмала, витамины С, В₆, микроэлементы железо, иод, фтор. Содержание органических кислот – 1,2%. Используется в лечебном питании и в качестве лекарства, в кондитерской, хлебопекарной промышленности и при изготовлении напитков.

Солодовый экстракт

водная вытяжка из ячменного солода – представляет собой смесь из моно- и олигосахаридов, белков, минеральных веществ и ферментов. Содержание сахарозы – до 5%. Используется для получения продуктов искусственного питания и в кондитерской промышленности.

Продукты гидролиза крахмала: патоки (низко-осахаренная, карамельная, глюкозная), глюкозно-фруктовые сиропы, глюкоза.

Многоатомные спирты: сорбит (0,5 «сахарных единиц») и ксилит (2 «сахарные единицы»). Они хорошо усваиваются организмом. Сорбит (Е420) – шестиатомный спирт. Представляет собой белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Усваивается в организме как углеводы. Медленное всасывание его в кишечнике благоприятствует усиленному росту бактерий, синтезирующих витамины группы В, благодаря чему сорбит способен уменьшить в организме расход некоторых витаминов этой группы – тиамина, пиридоксина, биотина. Ежедневная норма потребления сорбита (в несколько приёмов, соответствующих приёмам пищи) – 40 г. При суточной норме 50 г и более он оказывает слабительное действие.

Ксилит (Е967)

Пятиатомный спирт. Представляет собой бесцветные гигроскопические кристаллы, растворимые в воде, спирте, уксусной кислоте и др. Применяют в производстве кондитерских изделий для больных диабетом. Обладает желчегонным и послабляющим действием. Суточная норма – до 50 г. Ксилит получают восстановлением ксилозы; сырьём служат отходы сельскохозяйственных растений (кукурузные кочерыжки, хлопковая шелуха).

Используемые интенсивные подсластители

Сахарин (Е954)

Самый старый и самый известный синтетический подсластитель. Он в 500 раз слаще сахарозы. Его формула проста. Это циклический амид 2-сульфобензойной кислоты, вещество с температурой плавления 228...229°С. Употребляется в виде натриевой, калиевой или кальциевой солей. Разрешён ФАО/ВОЗ в количестве 5 г/кг продукта. Используется как заменитель сахара для больных сахарным диабетом, для изготовления диетических сыров, напитков, жевательной резинки. Сахарин не усваивается организмом (98% его выводится с мочой) и в небольшой дозе безвреден, однако по вкусу заметно отличается от сахарозы, так как имеет металлический привкус.

Впервые это вещество синтезировали в 1879 г. американцы А. Ремсени К. Фальберг. А случилось это так. В лаборатории профессора А. Ремсена работал молодой эмигрант из России Фальберг. Он занимался синтезом некоторых производных толуолсульфамида. Как-то раз Фальберг сел обедать, не вымыв как следует руки, и почувствовал во время еды сладкий вкус во рту. Придя в лабораторию, он начал проверять на вкус все реагенты подряд, с которыми работал. Один из промежуточных продуктов синтеза оказался очень сладким. Вещество назвали сахарином.

В 1884 г. другой американский химик, Дж. Берлинерблау, и тоже случайно, получил ещё одно сладкое вещество – 4-этоксифенилмочевину. Вещество назвали дульцином, что значит «сладкий»; оно в 200 раз слаще сахара и применялось в течение полувека, пока не было обнаружено, что оно вредно для здоровья.

Сравнительно недавно в качестве малокалорийных агентов применялись родственные сахарину циклогексилсульфаматы натрия или кальция (цикламаты Е952). Цикламаты были открыты случайно в 1937 г.; на этот раз небрежный химик закурил сигарету, к которой прилипло немного этого вещества. Они менее сладки, чем сахарин, но в несколько десятков раз слаще сахара. Цикламаты – соединения с приятным сладким вкусом, без привкуса горечи, стабильные при варке, выпечке, хорошо растворимы в воде. Сладость около 30 сахарных единиц. Организмом цикламаты тоже не усваиваются.

Временно (1970... 1993 гг.) в нашей стране использование цикламатов было запрещено (возможно, без достаточных оснований) – тогда предполагалось, что очень большие дозы лекарств, в состав которых входят цикламаты, у крыс приводят к раку мочевого пузыря. Этот эффект, как выяснилось, обусловлен образованием известного канцерогена циклогексиламина под влиянием кишечной микрофлоры. Циклогексиламин образуется путём отщепления группировки – ОSО₂ от цикламатного иона. Но для подслащивания используются значительно меньшие концентрации цикламатов.

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.

Цикламаты используются для производства напитков и в кондитерской промышленности.

Долгое время первенство сладости принадлежало довольно простому производному бензола, синтезированному в 40-х гг. XX в. группой голландских химиков. Они исследовали алкоксильные производные м-нитроанилина. Эти вещества оказались сладкими, причём с увеличением R сладость сначала усиливалась, а затем снижалась. В отличие от сахарина, алкоксиламинонитробензолы имеют чистый сладкий вкус, не горчат и не оставляют во рту неприятного привкуса (послевкусия). Алкоксиламинонитробензолам принадлежало первенство по сладости до начала 70-х гг. Но и эти вещества оказались непригодными для пищевых целей. Дело в том, что у них было обнаружено ещё одно ярко выраженное физиологическое действие – местная анестезирующая способность. Рекордное по сладости их производное с пропильным радикалом (-С₃Н₇) – 2-амино-4-нитро-1-пропоксибензол, которое слаще сахарозы в 4000 раз, является сильным анестезирующим веществом, превосходя кокаин в 30 раз. Если в молекулах этих соединений поменять местами любые два заместителя, то вещества становятся безвкусными.

В 1969 г. американские химики Р.Мазур и Дж.Шлаттер случайно обнаружили, что у метилового эфира N-L-a-acnapтил-L-фенилаланина очень сладкий вкус. Это вещество–дипептид, строение которого не очень сложно:

Вещество получило название «аспартам». Аспартам (Е951) не только слаще сахара (в 150...200 раз), но и усиливает его сладкий вкус, особенно в присутствии лимонной кислоты. Сладки и многие производные аспартама; некоторые слаще сахарозы в несколько тысяч раз.

В процессе получения пищевых продуктов в присутствии влаги и при повышенных температурах аспартам частично превращается в дикетопиперазин, сладость при этом сильно снижается. Иногда аспартам под названием «сластилин» используется диабетиками. По сладости таблетка сластилина эквивалентна 1 чайной ложке сахара. Усваивается организмом полностью без участия инсулина, не оказывает влияния на уровень сахара в крови человека. Кипячение подслащенных сластилином напитков не допускается. Допустимая суточная доза – 40 мг на 1 кг массы тела. Противопоказан больным фенилкетонурией (крайне редкое наследственное заболевание, связанное с нарушением аминокислотного обмена). Последняя информация приводится в соответствии с законом РФ «О защите прав потребителя» и ГОСТ Р 51074-97 «Продукты пищевые. Информация для потребителя. Общие требования». Реально же применяемые низкие концентрации аспартама не опасны и для этой группы больных.

Наряду с уже ставшим привычным для потребителя аспартамом на этикетках можно обнаружить названия более новых подсластителей. Это сукралоза (Е955) и ацетосульфам калия (Е950). Сукралоза слаще сахара примерно в 600 раз, а ацесульфам К – в 200 раз. Допустимое суточное потребление этих подсластителей – 15 мг/кг массы тела. Они чаще используются в смесевых подсластителях.

В поисках подслащивающих средств, которые могли бы заменить сахарозу, учёные исследовали сотни различных растений, ягоды и плоды, в которых накапливаются сладкие вещества. Так, даже из канифоли, полученной из смолы обычной сосны, была выделена кислота, натриевая соль которой оказалась в 2000 раз слаще сахара. Но эта соль имеет неприятный горький привкус.

На подоконниках некоторых любителей-цветоводов можно встретить интересное растение стевию (Stevia rebaudiana). Интересно это растение тем, что в его листьях содержится сладкое вещество – стевиозид, который в 100...300 раз слаще сахарозы. Недостаток его в том, что имеет горький привкус. Поэтому стевиозид не выделяют в чистом виде, а используют листья стевии как компонент пряных смесей или зелёного чая. А те, кто выращивают стевию, добавляют сорванный листок прямо в чай вместе с небольшой добавкой сахара. На лето стевию можно высадить прямо в грунт на приусадебном участке, собрать и высушить листья.

Условно натуральным можно считать подсластитель неогесперидин дигидрохалкон (Е959). Это вещество является продуктом химической модификации нарингина, горького гликозида кожуры грейпфрута. Сладость его в зависимости от дозировки может меняться от 330 до 2000. Вещество обладает привкусом ментола. Применяется в составе смесевых подсластителей.

Многие плоды, ягоды и фрукты, содержащие сладкие вещества, известны ещё с прошлого века, но лишь недавно удалось определить структуру химических соединений, отвечающих за сладкий вкус. Так были выделены белки монелин, тауматин (Е957), миракулин.

Из ягод Dioscoreophyllum cumminsii (русского названия не придумано), найденных в дебрях Нигерии в 1895 г., выделен белок монелин, который слаще сахара в 1500...2000 раз. Из 1 кг мякоти этих плодов можно получить 5 г такого белка.

Ещё сильнее – в 4000 раз – превзошел сахарозу белок тауматин (Е957), выделенный из ярко-красных мясистых плодов треугольной формы другого растения из Африки – катемфе (Thaumatococcus daniellii). Особенно интересно то, что интенсивность сладкого вкуса тауматина ещё больше увеличивается при взаимодействии белка с ионами алюминия. Образующийся комплекс, получивший торговое название талин, слаще сахарозы в 35 000 раз! Если сравнивать не массы талина и сахарозы, а их молярные соотношения, то талин окажется слаще уже в 200 000 раз! Сладость тауматина в 20 раз увеличивает добавка аскорбиновой кислоты. Японские химики на это даже взяли патент в 1983 г. Маленький кусочек тауматина заменит целый мешок сахара.

Ещё один очень сладкий белок – миракулин – был выделен в прошлом веке из красных плодов кустарника Synsepalum dulcificum daniellii, который называли «чудодейственным»; у человека, пожевавшего плоды этого кустарника, изменяются вкусовые ощущения. У уксуса появляется приятный винный вкус, лимонный сок превращается в сладкий напиток, причём эффект сохраняется длительное время.

В 70-х гг. XX в. было синтезировано самое сладкое из известных веществ. Этим веществом оказался дипептид, построенный из остатков двух аминокислот – аспарагиновой и аминомалоновой.

В дипептиде HOOC-CH₂-CH(NH₂)-CO-NH-CH(COOH)₂ две карбоксильные группы остатка аминомалоновой кислоты заменены на сложноэфирные группировки, образованные метанолом и фенхолом. Структурная формула этого вещества:

Называется это вещество так – метилфенхиловый эфир L-a-аспартиламиномалоновой кислоты. Оно примерно в 33 000 раз слаще сахарозы и разделяет с талином первое и второе места по сладости, а среди синтетических выходит вперёд. Его создатели, японские исследователи, немедленно взяли патент на применение этого дипептида в качестве пищевой добавки к прохладительным напиткам, джемам, шоколаду и др. Чтобы плитка шоколада приобрела привычную сладость, достаточно долей миллиграмма этой чудесной добавки (в таких сверхмалых дозах не опасен даже цианистый калий).

Обычно интенсивные подсластители, имеющие сладость, в тысячу раз превосходящую сладость сахара, обладают свойством модифицировать вкус, облагораживать его.

Смесевые подсластители

Индивидуальные подсластители не всегда по вкусовым показателям соответствуют заменяемому сахару. При использовании смесей подсластителей можно добиться улучшения вкусовых качеств и уменьшить их расход благодаря проявлению синергического эффекта (взаимного усиления свойств). «Качественный» синергизм проявляется в улучшении вкуса при применении нескольких подсластителей вместо одного. Например, сладость ацетосульфама калия чувствуется мгновенно, но недолго, а сладость аспартама проявляется не сразу, но ощущается продолжительное время. Комбинируя соотношение компонентов в смеси можно в наибольшей степени приблизить вкус смеси к привычному вкусу сахара. «Количественный» синергизм – взаимное усиление сладости различных подсластителей. Всего 320 мг смеси равных частей аспартама и ацетосульфама калия обладают той же сладостью, что и 500 мг каждого из этих подсластителей в отдельности. Производители продуктов питания предпочитают приобретать готовые смеси подсластителей. В них уже достигнуто оптимальное соотношение между сладостью, ценой и технологическими характеристиками. Например, подсластитель «Мегасвит» является смесью сахарина и аспартама. Широко стали применяться смеси подсластителей «Свитли» и «Ультра-свитли», «Сластин», «Сламикс», «Слад» и др.

Известно, что растворы сахара невысокой концентрации, например безалкогольные напитки, – благоприятная среда для развития микроорганизмов. В таких продуктах замена сахара на подсластители даёт дополнительный консервирующий эффект, ведь подсластителями микробы не питаются. В то же время применение подсластителей в таких продуктах как джемы, кремы и т.п. требует дополнительного использования консервирующих веществ. Почему не портится, например, варенье? Варенье – это по сути высококонцентрированный раствор сахара. Растворы с массовой долей сахара 60...65% имеют высокое осмотическое давление. Микроорганизмы, попавшие в такой раствор, обезвоживаются и не могут развиваться. Растворы подсластителей в кремах и джемах не имеют такого высокого осмотического давления и без применения консервантов будут подвергаться микробиологической порче.