Các loại đường hóa học

CÁC LOẠI ĐƯỜNG HÓA HỌC PHỔ BIẾN

Trong cuộc sống hằng ngày chúng ta vẫn thường xuyên phải dùng đến các loại thực phẩm có vi ngọt như hoa quả, khoai củ, chè, nước ngọt, bánh kẹo...Ngoài vị ngọt có bản chất là protein và các axit amin thì đa phần các vị ngọt khác đều là do các loại đường tạo ra.

Đường sinh học để dùng cho chuyển hóa tế bào là glucose nhưng trong thực tế cuộc sống chúng ta thường đưa vào cơ thể các dạng đường đơn, đường đa như fructose, mantose, saccharose, tinh bột... lấy từ các loại hoa, củ, quả, thân cây mía, củ cải, mật ong... vốn có sẵn trong tự nhiên.

Đường hóa học hay chất thay thế đường (sugar substitute) được xem như là một hóa chất có vị ngọt giống như đường có trong mía, củ cải…dùng trong việc ăn uống. Đường hoá học có nhiều loại: cyclamate, saccarin, aspartam, acesunfam-K, sucralose... Do có vị ngọt đậm lại không cung cấp năng lượng nên chúng được dùng phổ biến trong các loại thực phẩm không nhằm cung cấp dinh dưỡng hoặc có calo thấp như kẹo cao su, trong thức ăn giảm cân.

Các loại đường thay thế có thể có trong thiên nhiên hay bằng phương pháp tổng hợp, vì loại đường này có vị ngọt gấp nhiều lần hơn đường ăn thông thường, cho nên chỉ cần dùng một lượng nhỏ.

Có một số đường có trong thiên nhiên như sorbitol, và xylitol tìm thấy trong các loại dâu, rau, trái cây, và nấm. Tuy nhiên do hiệu quả kinh tế thấp khi chiết xuất các loại đường này nên chúng được tổng hợp bằng hóa chất như từ glucose ra sorbitol, xylose ra xylitol.

I. Saccharin (E954) - C7­H5NO3S

Saccharin được tìm ra vào năm 1879. Đó là một sự phát hiện hoàn toàn tình cờ bởi Ira Remsen - giáo sư đại học Johns Hopkins và Constanin Fahlberg – một đồng nghiệp cùng nghiên cứu ở phòng thí nghiệm của Remsen. Trong lúc làm việc với những dẫn xuất mùn than, Remsen làm đổ một hóa chất dính vào tay. Sau đó ông quên rửa tay và dùng luôn buổi ăn tối, ông chú ý thấy vị bánh mì ngọt hơn. Ông đã tìm ra nguồn gốc vị ngọt do chất dính vào tay. Và ông đã đặt tên cho chất đó là saccharin. Remsen và Fahlberg đã công bố khám phá của mình vào năm 1880. Vào năm 1907, saccharin là đường hóa học đầu tiên được dùng như phụ gia thay thế đường trong thực phẩm cho bệnh nhân tiểu đường. Nó càng được tiêu thụ mạnh hơn vào những năm 1960 và 1970 trong thực phẩm và nước giải khát dành cho người ăn kiêng. Saccharin là loại đường hóa học ra đời sớm nhất, nhanh chóng được sử dụng rộng rãi trên thị trường do những ưu điểm của nó lúc bấy giờ. Nó là cơ sở cho nhiều sản phẩm ít calo và không đường trên khắp thế giới, được dùng trong nhiều sản phẩm như : mứt, chewing gum, trái cây đóng hộp, gia vị để trộn salad, các món nướng… Ở Mĩ nhãn hiệu "Sweet N Low" saccharin được đóng thành những gói nhỏ màu hồng.

Tính chất

Ngọt gấp 300 - 400 lần saccharose, ổn định ở môi trường acid nên dùng được trong nước ngọt, thường dùng dưới dạng muối natri hay canxi.
Bột trắng, tan ít trong nước và ete. 
Trong cơ thể saccharin qua hệ thống tiêu hóa mà không hề bị hấp thu. Nó không gây ảnh hưởng đến hàm lượng insulin trong máu và cũng không cung cấp năng lượng cho cơ thể. Vì thế nó được xếp vào nhóm chất tạo ngọt không calo.

Nhược điểm :

Có vị chát và kim loại
Khi bị phân hủy bởi nhiệt độ và acid giải phóng phenol, làm thức ăn có mùi vị khó chịu.

Tổng hợp:

Saccharin có thể tổng hợp bằng nhiều cách.

- Trước đây Remsen và Fahlberg đã tổng hợp saccharin từ toluen nhưng hiệu suất lúc đó rất thấp.

- Vào năm 1950, công ty hóa chất Maumee của Toledo đã áp dụng một phương pháp cải tiến khác. Trong phưong pháp này saccharin được tạo ra bằng cách cho acid anthranilic (NH2C6H4COOH) phản ứng với acid nitrơ (HNO2), SO2, Cl2 và kế tiếp là NH3.

- Một phương pháp khác dùng nguyên liệu ban đầu là o-chlorotoluen.

II. Aspartame (E951) - C14H18N2O5

Vị ngọt của aspartame được tìm ra cũng hoàn toàn ngẫu nhiên bởi Jame Schlatter. Chất này được nhà hóa học James Schlatter làm việc cho tập đoàn G D Searle phát hiện rất tình cờ vào năm 1965 trong khi ông đang thử nghiệm thuốc chống lở loét vết thương. Ông làm đổ một ít aspartame dính lên tay. Ông nghĩ chất này không độc nên đã tiếp tục công việc mà không rửa tay. Và thế là ông đã tình cờ phát hiện ra vị ngọt của aspartam khi nếm phải nó trên ngón tay.

Sau nhiều năm kiểm tra độ độc hại của aspartame, FDA đã công nhận aspartame được dùng như một chất tạo ngọt vào năm 1980. Không chỉ được dùng ở Mĩ, asparatme đã được dùng ở hơn 93 quốc gia.

Trên thị trường aspartame được đóng thành những gói nhỏ màu xanh với nhãn hiệu là Equal, NutraSweet và NatraTaste.

Hiện nay, aspartam là chất ngọt rất được ưa chuộng. Nó được sử dụng rộng rãi trên thế giới với sự hiện diện trong hơn 6000 loại thực phẩm khác nhau như bánh kẹo, yogurt, trong các thức uống ít nhiệt năng như Coke diete, Pepsi diete vv…và cả trong dược phẩm.
Tính chất

Là một dipeptid, nó ngọt hơn saccharose khoảng 180 - 200 lần.
Không để lại dư vị khó chịu
Giống như các dipeptid khác, aspartam có chứa năng lượng khoảng 4 Kcal/g (17 Kj/g). Tuy nhiên, chỉ cần một lượng rất nhỏ aspartam đã tạo ra độ ngọt cần thiết. Do đó năng lượng chúng ta đưa vào cơ thể sẽ không đáng kể.
Vị ngọt của nó chúng ta cảm nhận được chậm hơn và kéo dài lâu hơn so với đường.
Không ổn định ở nhiệt độ và pH cao.
Phân hủy dần trong nước nên nước ngọt có aspartam không giữ được lâu. Cho trộn aspartam với saccharin hoặc acesulfam K thì hỗn hợp ngọt hơn và ổn định hơn khi hai chất đứng riêng một mình.

Điều chế

Aspartam được cấu tạo từ acid aspartic, phenylalanin và metanol. Các thành phần này đều tồn tại trong tự nhiên. Tuy nhiên bản thân aspartam không tồn tại trong tự nhiên. Nó được điều chế thông qua các quá trình lên men và tổng hợp.

Lên men

Dùng số lượng lớn các vi khuẩn đặc trưng gồm B.flavum và C.glutamicum để sản xuất ra các acid amin L-aspratic và L-phenylalanin.

Môi trường lý tưởng cho sự phát triển của vi khuẩn gồm nước ấm, thức ăn, nguồn cacbon và nguồn nitơ.

Thức ăn là các loại cacbonhydrat như mật mía, đường glucose hoặc saccharose.
Nguồn cacbon như acid acetic, rượu hoặc các hidrocacbon.
Nguồn nitơ như NH3 lỏng hoặc urê.

Đó là những điều kiện chủ yếu để vi khuẩn tổng hợp ra các acid amin mong muốn. Ngoài ra còn một số các yếu tố khác như các vitamin, acid amin…

Tổng hợp

Aspartame có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp hóa học khác nhau. Một phương pháp thường dùng như sau :

Đầu tiên các acid amin phải qua quá trình xử lí: L - Phenylalanin thu được từ quá trình lên men được cho phản ứng với metanol tạo thành hợp chất gọi là L – phenylalanin metyl ester. Còn acid aspartic phải qua một quá trình phản ứng để che các vị trí trong phân tử có thể ảnh hưởng đến phản ứng tạo aspartam, đảm bảo phản ứng chỉ xảy ra ở các vị trí cần thiết.

Sau khi đã được xử lý phù hợp, chúng được bơm vào bình phản ứng và trộn lẫn trong 24 giờ ở nhiệt độ phòng. Kế đó nhiệt độ được tăng lên 650C (1490F) và duy trì trong 24 giờ nữa. Sau đó phản ứng được làm nguội đến nhiệt độ phòng. Nó được pha loãng với dung môi thích hợp và được làm kết tinh ở -180C (00F). Tinh thể thu được sẽ được lọc để tách riêng ra rồi làm khô. Những tinh thể này chỉ là sản phẩm trung gian và dùng cho phản ứng kế.

Chúng được chuyển hóa thành aspartam bằng phản ứng với acid acetic. Phản ứng này được thực hiện trong một cái bồn lớn chứa dung dịch acid, chất xúc tác Pd và H2. Chúng được trộn lẫn và cho phản ứng trong 12 giờ.

Tinh chế:

Chất xúc tác Pd được loại bỏ bằng cách lọc và chưng cất để thu dung môi. Phần chất rắn còn lại được tinh chế bằng cách hòa tan trong dung dịch etanol và được kết tinh lại. Những tinh thể này sẽ được lọc và làm khô cho ra sản phẩm cuối cùng đó là bột aspartam.

III. Acesulfame-K (E950) - C4H4O4NSK

Chất tạo ngọt có nhiều triển vọng là kali acesulfame, cũng tình cờ mà Clauss và Jensen của hãng Hoechst ở Đức tìm ra được năm 1967

Acesulfame-K còn được biết đến với các tên gọi khác như Sunette, Sweet one, Sweet’n safe.

Nó được FDA kiểm nghiệm và cho đưa vào sử dụng từ năm 1988. Đặc biệt Acesulfame-K không gây ra bất kỳ sự cảnh báo nào trên sản phẩm có chứa chúng.

Acsesulfame-K được sử dụng trong hơn 4000 sản phẩm trên khắp thế giới như chewing gum, các món ngọt, rượu, xirô, kẹo, yogurt…

Ngoài ra nó thường được dùng kết hợp với Aspartame hoặc các loại đường hóa học khác vì nó có tác động hỗ trợ, tăng cường và duy trì vị ngọt của thức ăn và nước giải khát.

Tính chất:

Vị ngọt gấp 150 – 200 lần đường saccharose.
Có dạng tinh thể màu trắng với cấu trúc hóa học tương tự saccharin.
Ổn định hơn Aspartam ở nhiệt độ cao và môi trường acid.
Acesulfam-K không cung cấp năng lượng cho cơ thể vì nó không tham gia quá trình trao đổi chất và được thải ra ngoài theo nước tiểu mà không có bất kì sự biến đổi hóa học nào.
Giá thành rẻ
Tuy nhiên nó có dư vị hơi đắng

IV. Sucralose (E955) - C12H19Cl3O8

Sucralose là một đường hóa học có tên gọi chung là Altern.. Ngoài ra, trên thị trường succralose có tên thương mại là Splenda.

Sucralose được tìm ra vào năm 1976 bởi các nhà khoa học thuộc công ty đường Tate & Lyle cùng các nhà nghiên cứu Leslie Hough và Shashikant Phadnis của đại học Queen Elizabeth (hiện nay là một phần của đại học King London). Họ đang cố gắng kiểm tra đường xử lý bằng clo. Tình cờ vào một ngày hè, Phadnis được bảo kiểm tra loại bột này. Phadnis lại nghĩ rằng Hough bảo anh ấy nếm thử nó. Và anh ấy đã làm thế. Kết quả thật bất ngờ, anh đã phát hiện ra hợp chất này có vị ngọt hiếm có. Họ đã làm việc với Tate & Lyle trong một năm trước khi tìm ra được công thức hoàn chỉnh của sucralose.

Nó được chấp nhận sử dụng ở Canada với tên thương mại là Splenda vào năm 1991, ở Australia vào năm 1993, ở New Zealand vào năm 1996. Đến năm 1998 nó được FDA công nhận như là một loại đường hóa học hàng đầu. Nó đã trải qua hơn 20 năm nghiên cứu và kiểm tra độ an toàn bởi hơn 100 nhà khoa học. Sucralose được Châu Âu sử dụng rộng rãi vào năm 2004. Và đến năm 2006, nó được chấp nhận sử dụng ở hơn 60 quốc gia như Brazil, Trung quốc, Ấn Độ, Mĩ, Nhật Bản…

Splenda là sản phẩm có thành phần gồm sucralose trộn với maltodextrin và dextrose (đóng vai trò chất làm đầy- filler) và được đóng thành dạng gói màu vàng để phân biệt với gói màu hồng đựng saccharin và gói màu xanh của aspartame. Ở Mĩ và Canada, Splenda được dùng rất nhiều trong các nhà hàng gồm cả McDonalds và Starbucks.

Theo nghiên cứu , sucralose chiếm 62% thị trường đường hóa học năm 1999 và đến năm 2006 chỉ riêng ở Mĩ, Splenda đã đạt doanh thu 212 tỉ dolar.

Sucralose được sử dụng rộng rãi trong nhiều loại nước giải khát, thực phẩm, đồ gia vị, rượu, mứt, kem, bánh ngọt, bánh mì, trái cây đóng hộp, chewing gum, kem đánh răng,…

Được dùng phổ biến như thế vì so sánh với các loại chất tạo ngọt khác, sucralose có nhiều ưu điểm như :

Không có năng lượng thích hợp với người béo phì, người bệnh tim mạch và người cao tuổi.
Không làm dao động lượng đường trong máu thích hợp cho người bệnh tiểu đường.
Vị ngọt tinh khiết tương tự như saccharose.
Sức căng bề mặt nhỏ (71.8mN/m) nên sucralose có thể được dùng trong sản xuất nước giải khát có gas.
Tính chất vẫn ổn định khi dự trữ trong thời gian dài.

Tính chất:

Có vị ngọt gấp 600 lần đường saccharose.
Kết tinh dạng hạt rắn màu trắng.
Tan trong nước
Không giống aspartame, sucralose khá ổn định với nhiệt độ và pH biến đổi trên khoảng rộng.
Mặc dù được tổng hợp từ đường nhưng cơ thể không hấp thu sucralose như một cacbonhydrat. Vì thế phân tử của nó không hề bị bẻ gãy sinh ra năng lượng trong cơ thể như đường. Và được loại ra nhẹ nhàng khỏi cơ thể sau khi ăn mà không có bất kì sự biến đổi nào. Vì thế nó được xác định là không có calo.
Những ảnh hưởng của đường hóa học

Tại Hoa Kỳ, các loại đường sau đây đã được FDA chấp nhận, nhưng vẫn chưa có những kết quả nghiên cứu về mức an toàn cũng như độc hại. Đó là: aspartame, saccharin, dextrose, maltodextrin, sucralose v. v.. . Hiện nay, đã có hàng trăm nghiên cứu liên quan đến các loại đường trên do những nhà độc tố học, nhưng đó chỉ là những nghiên cứu độc lập không do FDA thực hiện.

Hiện nay tại VN chỉ có các chất tạo ngọt manitol, acesulfam K, aspartam, isomalt, saccharin (và Na, K, Ca của nó), sorbitol và sirô sorbitol, sucraloza được Bộ Y tế cho phép sử dụng trong chế biến thực phẩm với giới hạn tối đa và có qui định rõ ràng. Các chất tạo ngọt này được dùng trong sản xuất, chế biến thức uống và các thực phẩm có năng lượng thấp.

Từ năm 1969, nhiều công trình nghiên cứu cho biết sodium cyclamate dùng lâu dài có thể tích lũy trong cơ thể và gây ung thư gan, ung thư phổi, dị dạng bào thai, ảnh hưởng đến yếu tố di truyền... (trên súc vật thí nghiệm).

Hơn nữa các chất chuyển hóa của cyclamate như mono và di cyclohexylamin còn độc hại hơn cả cyclamate (chỉ cần 0,7% đã có tác dụng kích thích và gây ung thư cho chuột). Từ những nguy cơ gây bệnh khi sử dụng lâu dài, hiện nhiều nước trên thế giới (trong đó có VN) đã không cho phép sử dụng cyclamate làm phụ gia thực phẩm.

Và ngay cả những loại được phép sử dụng cũng rất cần được quản lý và hướng dẫn dùng trên nguyên tắc đảm bảo an toàn khi sử dụng, vì nếu dùng quá liều (đối với loại được phép sử dụng) cũng có thể gây nguy hiểm đến sức khỏe.

KMC tổng hợp