Подсластители: почему некоторые вещества слаще сахара в сотни раз

Положим в чашку чая две ложки сахара.

Сладко.

Положим четыре — будет еще слаще.

А теперь представим вещество, которого нужно добавить буквально несколько миллиграммов, чтобы получить примерно такой же вкус.

Звучит странно.

Как небольшая крупинка вещества может заменить несколько ложек сахара?

Все дело в том, что сладость продукта и его количество не обязательно связаны напрямую.

Сахароза, то есть обычный столовый сахар, действительно нужна в достаточно большом количестве. Но некоторые другие молекулы гораздо эффективнее взаимодействуют с рецепторами сладкого вкуса на языке.

Поэтому их требуется совсем немного.

Такие вещества называют подсластителями.

И хотя на упаковке они могут выглядеть как просто очередной ингредиент, с точки зрения химии это довольно интересная группа соединений.

Что такое подсластитель

Подсластитель — это вещество, которое придает продукту сладкий вкус.

Самый известный сладкий продукт — сахароза.

Ее химическая формула:

C₁₂H₂₂O₁₁

Молекула сахарозы состоит из двух более простых углеводов — глюкозы и фруктозы.

Но подсластителем может быть совсем другое вещество.

Например, аспартам, сахарин, сукралоза или ацесульфам калия имеют совершенно разное строение.

У них нет одной общей химической формулы.

И это первое, что важно понимать.

Подсластители — не одно вещество и даже не одно семейство соединений.

Это целая группа химически разных веществ, объединенных общей задачей.

Дать продукту сладкий вкус.

Как язык понимает, что нам сладко

Чтобы разобраться, почему подсластители вообще работают, придется ненадолго заглянуть внутрь языка.

На поверхности вкусовых клеток находятся специальные рецепторы.

Один из основных рецепторных комплексов, связанных со сладким вкусом, обозначают как T1R2/T1R3.

Это белковые структуры, встроенные в мембрану клеток.

Молекула сладкого вещества взаимодействует с рецептором.

Рецептор меняет свое состояние.

Дальше внутри клетки запускается цепочка биохимических процессов, которая в итоге приводит к передаче сигнала в нервную систему.

Мозг получает информацию и делает простой вывод:

сладко.

При этом рецептору не обязательно нужна именно сахароза.

Если другое вещество способно взаимодействовать с теми же участками рецептора подходящим образом, оно тоже может вызвать ощущение сладости.

Вот откуда и берутся подсластители.

Почему форма молекулы имеет значение

Представим замок и ключ.

Если ключ подходит по форме, замок открывается.

Если немного отличается, уже может не подойти.

С молекулами все примерно так же, только вместо механического замка работают сложные белковые структуры.

У подсластителя есть определенные химические группы и пространственная форма.

Они позволяют ему взаимодействовать с рецептором сладкого вкуса.

Поэтому нельзя просто взять любое вещество, состоящее из углерода, водорода и кислорода, и ожидать сладости.

Даже небольшое изменение строения молекулы может изменить ее вкус.

Иногда вещество перестает быть сладким.

Иногда сладость становится слабее.

А иногда появляется совершенно другой вкус.

Почему сахароза сладкая

Теперь вернемся к обычному сахару.

Сахароза относится к дисахаридам.

Это означает, что ее молекула построена из двух моносахаридов.

Глюкоза и фруктоза соединены между собой химической связью.

Упрощенно это можно записать так:

глюкоза + фруктоза -> сахароза + вода

В процессе образования связи между двумя молекулами выделяется вода.

Сама сахароза хорошо растворяется в воде, поэтому ее легко использовать в напитках, десертах и других продуктах.

Когда мы едим сахар, молекулы сахарозы взаимодействуют с рецепторами сладкого вкуса.

Но дальше начинается уже другая история.

Пищеварительная система расщепляет сахарозу на более простые компоненты.

Глюкоза и фруктоза затем участвуют в обмене веществ.

То есть сахар одновременно является и вкусовым компонентом, и источником энергии.

У многих интенсивных подсластителей задача другая.

Они нужны прежде всего для вкуса.

Почему подсластители бывают намного слаще сахара

Сладость — это не физическая величина вроде температуры или массы.

Нельзя поставить рядом сахар и аспартам и сказать, что один объективно в 200 раз слаще другого без дополнительных условий.

Обычно говорят об относительной сладости.

То есть сравнивают, какое количество вещества нужно для получения примерно одинакового ощущения сладости.

И здесь различия могут быть огромными.

Например, сахарин значительно слаще сахарозы.

Аспартам тоже имеет высокую интенсивность сладкого вкуса.

Сукралоза еще сильнее.

Поэтому подсластителя требуется намного меньше.

Именно поэтому их используют в очень небольших концентрациях.

Интенсивность сладости зависит от концентрации

Есть важная особенность.

Если добавить в воду немного сахара, она будет слегка сладкой.

Добавим еще.

Слаще.

Но зависимость не бесконечна.

Наши вкусовые рецепторы имеют ограниченную чувствительность.

Кроме того, ощущение сладости зависит от температуры, кислотности продукта, других вкусов и даже от того, какие ароматические вещества присутствуют рядом.

Поэтому подсластитель, который прекрасно работает в одном продукте, не обязательно даст такой же результат в другом.

Пищевая химия здесь тесно связана с технологией производства.

Аспартам: сладость из двух аминокислот

Возьмем один из известных подсластителей — аспартам.

Его химическая формула:

C₁₄H₁₈N₂O₅

С точки зрения химии это сложное органическое соединение.

Аспартам представляет собой метиловый эфир дипептида, образованного остатками аминокислот аспарагиновой кислоты и фенилаланина.

Уже звучит совсем не как сахар.

Но именно это и интересно.

Две молекулы аминокислот могут быть соединены таким образом, что получившееся соединение будет обладать интенсивным сладким вкусом.

Аспартам примерно в сотни раз слаще сахарозы.

Поэтому его количество в продукте может быть очень небольшим.

Но у него есть особенность.

При нагревании он недостаточно стабилен для некоторых технологических процессов.

Поэтому его применение зависит от состава продукта и способа производства.

Сахарин: совсем другая химия

Сахарин показывает, насколько разными могут быть подсластители.

Он не является углеводом.

Его молекула относится к совершенно другой химической системе.

Формула сахарина:

C₇H₅NO₃S

В составе есть углерод, водород, азот, кислород и сера.

То есть от сахарозы он отличается практически всем.

Но рецептор сладкого вкуса способен распознать и эту молекулу.

Сахарин имеет очень высокую относительную сладость.

При этом в высокой концентрации может давать характерное послевкусие.

Поэтому в пищевой технологии важна не только сама способность вещества делать продукт сладким.

Важно, какой вкус получается в итоге.

Сукралоза: когда химики немного изменили сахар

Сукралоза особенно интересна тем, что ее молекула связана с сахарозой.

Но это не просто сахар, который растворили или измельчили.

Химическая структура сахарозы была изменена.

В молекуле сукралозы часть гидроксильных групп заменена атомами хлора.

Ее формула:

C₁₂H₁₉Cl₃O₈

То есть в составе появились три атома хлора.

Получилась молекула, которая по структуре напоминает сахарозу, но обладает совершенно другими свойствами.

Она значительно слаще сахарозы.

И именно этот пример хорошо показывает, насколько сильно изменение нескольких атомов может повлиять на свойства вещества.

Исходная молекула и ее химически измененный родственник могут вести себя совершенно по-разному.

Ацесульфам калия: где здесь калий

Еще один представитель интенсивных подсластителей — ацесульфам калия.

Его часто обозначают как E950.

Химическая формула:

C₄H₄KNO₄S

Здесь уже появляется калий.

Но это не означает, что перед нами какая-то смесь калия с отдельным подсластителем.

Калий входит в состав химического соединения.

Ацесульфам калия хорошо растворяется в воде и обладает высокой интенсивностью сладкого вкуса.

Он используется в различных пищевых продуктах и напитках.

Иногда его комбинируют с другими подсластителями.

И вот здесь начинается интересная технологическая игра.

Зачем смешивать несколько подсластителей

Если один подсластитель уже сладкий, зачем добавлять второй?

Потому что вкус — это не только сила сладости.

У разных веществ могут отличаться скорость появления сладкого ощущения, длительность вкуса и послевкусие.

Один компонент может давать сладость быстро, но она быстро исчезает.

Другой начинает ощущаться немного позже, зато остается дольше.

Комбинация позволяет получить более похожий на сахар профиль вкуса.

Кроме того, некоторые смеси демонстрируют синергетический эффект.

Это означает, что совместное действие двух подсластителей может быть сильнее, чем можно было бы ожидать от простого сложения их эффектов.

Натуральные и синтетические подсластители

Подсластители часто делят на натуральные и синтетические.

Но здесь тоже есть важный нюанс.

Слово натуральный само по себе ничего не говорит о безопасности или полезности вещества.

В природе встречаются самые разные химические соединения.

Одни нам нужны.

Другие могут быть токсичными.

Точно так же вещество, полученное в промышленности, не становится автоматически вредным только потому, что его синтезировал человек.

Для химии происхождение вещества не является главным критерием.

Гораздо важнее его структура, свойства, количество и способ воздействия на организм.

Стевия и стевиолгликозиды

Хороший пример натурального подслащивающего сырья — растение стевия.

Но сладким вкусом обладают не сами листья как таковые.

Главную роль играют содержащиеся в них стевиолгликозиды.

Это группа сложных органических соединений.

Один из известных представителей — стевиозид.

Его химическая формула:

C₃₈H₆₀O₁₈

Молекула содержит большое количество атомов кислорода и имеет сложное строение.

При этом стевиозид значительно слаще сахарозы.

Получается любопытная ситуация.

Растение синтезирует сложную молекулу.

Человек извлекает ее.

Очищает.

А потом использует небольшое количество этого вещества, чтобы получить сладкий вкус.

Сахарные спирты: сладость, которая устроена иначе

Есть еще одна интересная группа веществ — полиолы, или сахарные спирты.

Например, сорбит.

Его формула:

C₆H₁₄O₆

На первый взгляд он похож на обычный углевод.

И это неудивительно.

Сахарные спирты химически связаны с сахарами, но имеют другую структуру функциональных групп.

Сорбит обладает сладким вкусом, но его сладость ниже, чем у сахарозы.

В пищевой промышленности применяются и другие полиолы, например ксилит и эритрит.

Эритрит особенно интересен тем, что его сладость заметно ниже сахарозы, поэтому для получения того же вкусового эффекта его требуется больше, чем интенсивных подсластителей.

Почему подсластитель нельзя оценивать только по сладости

Представим два вещества.

Первое в 300 раз слаще сахара.

Второе в 100 раз.

Кажется, первое автоматически лучше.

Но пищевой технолог так рассуждать не будет.

Ему нужно учитывать растворимость.

Стабильность при нагревании.

Поведение в кислой среде.

Совместимость с другими компонентами.

Вкус и послевкусие.

Количество вещества, необходимое для конкретной рецептуры.

Даже размер частиц и способ внесения могут иметь значение для некоторых продуктов.

Поэтому выбор подсластителя — это не соревнование кто слаще.

Это подбор вещества под конкретную технологическую задачу.

Что происходит с подсластителем в воде

Большинство пищевых подсластителей перед использованием должны равномерно распределиться в продукте.

Если вещество хорошо растворяется, молекулы постепенно отделяются друг от друга и распределяются среди молекул воды.

Получается раствор.

Но растворимость зависит от химической структуры.

Полярные группы молекулы взаимодействуют с водой лучше.

Неполярные фрагменты ведут себя иначе.

Поэтому два вещества одинаковой сладости могут растворяться совершенно по-разному.

Для производства напитка это важно.

Для сухой смеси — тоже.

Для крема или молочного продукта — тем более.

Сладость без большого количества сахара

Вот зачем вообще понадобились подсластители.

Сахар выполняет в продуктах сразу несколько функций.

Он дает сладкий вкус.

Участвует в реакциях потемнения.

Влияет на текстуру.

Может связывать воду.

Меняет температуру замерзания.

В некоторых продуктах влияет на объем и структуру.

Если просто убрать сахар и заменить его очень интенсивным подсластителем, часть этих функций исчезнет.

Поэтому технологу иногда приходится использовать не только подсластитель, но и другие компоненты, которые возвращают продукту нужную структуру.

Получается интересная задача.

Нужно заменить не только вкус.

Нужно воспроизвести поведение продукта.

Почему химия сладкого вкуса сложнее, чем кажется

Мы привыкли воспринимать сладость как что-то простое.

Есть сахар — сладко.

Нет сахара — несладко.

Но на молекулярном уровне все гораздо интереснее.

Разные вещества могут взаимодействовать с одним и тем же рецептором.

Одна и та же молекула может по-разному ощущаться в зависимости от концентрации.

Другие компоненты продукта могут менять восприятие сладости.

Температура тоже способна влиять на вкус.

Поэтому пищевая химия занимается не просто поиском максимально сладкого вещества.

Задача гораздо сложнее.

Нужно получить определенное вкусовое ощущение внутри конкретного продукта и сделать так, чтобы оно сохранялось во время производства и хранения.

Почему подсластители стали важной частью пищевой химии

Подсластители позволяют управлять сладким вкусом с помощью очень небольших количеств веществ.

Для этого используются совершенно разные химические соединения.

Одни связаны с сахарами.

Другие относятся к аминокислотным производным.

Третьи имеют азот, серу или галогены в составе.

Четвертые получают из растительного сырья.

При этом все они решают одну и ту же задачу.

Заставляют рецепторы сладкого вкуса сообщить мозгу:

здесь сладко.

Ассортимент подсластителей представлен в ЕЗХП: https://ekb.ezhp.ru/catalog/podslastiteli

И в этом, пожалуй, самая интересная часть истории.

Сладкий вкус, который кажется нам чем-то совершенно естественным, на самом деле можно получить множеством химических путей.

Иногда для этого нужна большая молекула сахара.

Иногда достаточно крошечного количества совсем другого соединения.

А иногда химики немного меняют уже знакомую молекулу и получают вещество с совершенно новыми свойствами.

Так что следующая ложка сахара в чае — это довольно простой химический эксперимент.

Просто обычно мы его не замечаем.