مقدمه
شیرینی یکی از مهمترین ویژگیهای حسی در بسیاری از مواد غذایی و نوشیدنیهاست و ساکارز بهطور سنتی مهمترین ترکیب مورد استفاده برای ایجاد این ویژگی محسوب میشود. از دیدگاه شیمی مواد غذایی، ساکارز یک دیساکارید متشکل از گلوکز و فروکتوز است که علاوه بر ایجاد شیرینی، در محصولاتی مانند نوشابه بر ویژگیهایی نظیر تعادل طعم و احساس دهانی اثر میگذارد. با افزایش تمایل صنعت غذا به کاهش مصرف قندهای افزوده، جایگزین کردن ساکارز با ترکیباتی که بتوانند شیرینی را در غلظت بسیار پایین ایجاد کنند، به یکی از راهبردهای مهم فرمولاسیون تبدیل شده است. شیرینکنندههای غیرمغذی یا کمکالری از جمله مهمترین ابزارهای این رویکرد هستند. مرورهای جدید نشان میدهند که این ترکیبات به دلیل شدت شیرینی بالا، امکان کاهش شدید مقدار قند و انرژی محصول را فراهم میکنند، هرچند حذف قند میتواند مشکلاتی در طعم، پسمزه و احساس دهانی ایجاد کند.
بنابراین سؤال اصلی این است: اگر قند حذف شده است، مادهای که باعث احساس شیرینی میشود دقیقا چیست؟
پاسخ در تفاوت میان “مقدار ماده” و “قدرت ایجاد پاسخ حسی” نهفته است. در نوشابه زیرو مقدار شیرینکننده بسیار کم است، اما مولکول شیرینکننده از نظر شیمیایی به گونهای است که میتواند گیرندههای مخصوص شیرینی در سلولهای چشایی را با قدرت زیادی فعال کند.
1. قند چگونه شیرینی ایجاد میکند؟
ساکارز یک مولکول نسبتا کوچک و محلول در آب است که در دهان به گیرنده شیرینی متصل میشود. در واقع مغز مستقیما “قند” را تشخیص نمیدهد؛ بلکه سلولهای گیرنده چشایی، ساختار شیمیایی مولکول را شناسایی میکنند. گیرنده اصلی شیرینی در انسان یک گیرنده جفتشونده با پروتئین G یا G-protein coupled receptor (GPCR) است که از دو زیرواحد TAS1R2 و TAS1R3 تشکیل شده است. اتصال مولکولهای شیرین به این گیرنده، مجموعهای از واکنشهای پیامرسانی داخل سلول را فعال میکند و در نهایت سیگنال عصبی ایجاد میشود که مغز آن را بهصورت “شیرینی” تفسیر میکند. نکته مهم این است که گیرنده شیرینی الزاما نمیداند یک مولکول از “قند” ساخته شده است یا خیر و آنچه اهمیت دارد، شکل سهبعدی، گروههای عاملی، توزیع بار و نحوه برهمکنش مولکول با جایگاه گیرنده است. به همین دلیل یک مولکول میتواند قند نباشد، کالری بسیار کمی وارد بدن کند، اما همچنان گیرنده شیرینی را فعال کند.
برای درک بهتر موضوع، باید دو مفهوم را از یکدیگر جدا کرد:
- قند یا Sugar
- شیرینکننده یا Sweetener
هر ماده شیرینی میتواند قند نباشد. ساکارز یک قند است، اما آسپارتام، آسهسولفام پتاسیم و سوکرالوز از نظر ساختار شیمیایی با ساکارز تفاوت اساسی دارند. در نوشابه معمولی برای ایجاد شیرینی به مقدار قابلتوجهی ساکارز یا شربت ذرت با فروکتوز بالا نیاز است. بنابراین این قندها مقدار قابلتوجهی کربوهیدرات و انرژی وارد نوشیدنی میکنند. در مقابل، شیرینکنندههای مصنوعی ممکن است دهها تا هزاران برابر شیرینتر از ساکارز باشند، بنابراین مقدار موردنیاز آنها برای ایجاد طعم شیرین، بسیار کمتر است. همین ویژگی اجازه میدهد محصول از نظر قند و انرژی تقریبا فاقد قند باشد، ولی همچنان شیرین احساس شود. مطالعات جدید در رابطه با شیمی شیرینکنندهها نیز بر ارتباط مستقیم میان ساختار مولکولی و شدت شیرینی تاکید دارند.
2. شیرینکنندههای اصلی مورد استفاده در نوشابههای زیرو
فرمولاسیون نوشابههای بدون قند یکسان نیست و ترکیبات مورد استفاده میتوانند بر اساس شرکت، کشور و بازار متفاوت باشند. برای مثال، Coca-Cola Zero Sugar در آمریکا در حال حاضر آسپارتام، آسهسولفام پتاسیم و عصاره استویا دارد، در حالی که برخی فرمولاسیونهای همین محصول در بازارهای دیگر از ترکیبات متفاوتی مانند سوکرالوز و آسهسولفام پتاسیم استفاده میکنند. مهمترین شیرینکنندههایی که در نوشابههای زیرو دیده میشوند عبارتاند از:
- آسپارتام
آسپارتام یک شیرینکننده مصنوعی با ساختار شیمیایی متفاوت از ساکارز است. این ترکیب از نظر شیمیایی یک دیپپتید متیلاستر محسوب میشود که از مشتقات اسیدهای آمینه تشکیل شده است.
ساختار آسپارتام شامل:
- اسید آسپارتیک
- فنیلآلانین
- گروه متیلاستر
است.
آسپارتام از نظر شدت شیرینی چندین برابر از ساکارز شیرینتر است و به همین دلیل برای شیرین کردن نوشیدنی به مقدار بسیار کمی نیاز دارد. از نظر شیمی مواد غذایی، یک ویژگی مهم آسپارتام پایداری نسبتا محدود آن در برابر شرایط نامناسب است. این ترکیب بهخصوص در دماهای بالا و شرایط خاص pH میتواند دچار تخریب شود. بنابراین استفاده از آن در یک نوشیدنی سرد و اسیدی مانند نوشابه با شرایط کاملا متفاوتی نسبت به یک محصول حرارتدیده همراه است.
- آسهسولفام پتاسیم
آسهسولفام پتاسیم که معمولا با نام Ace-K شناخته میشود، یک شیرینکننده مصنوعی با شدت شیرینی بالا است. برخلاف ساکارز و آسپارتام، ساختار آن بر پایه یک مولکول قندی یا پپتیدی نیست، بلکه یک ترکیب حلقوی حاوی گوگرد و نیتروژن است. از نظر عملکرد حسی، Ace-K تقریبا 150 تا 200 برابر شیرینتر از ساکارز است. بنابراین برای ایجاد همان شدت شیرینی که با مقدار زیادی ساکارز ایجاد میشود، مقدار بسیار کمی از آن کافی است. Ace-K پس از حل شدن در فاز آبی نوشابه به گیرنده شیرینی TAS1R2 و TAS1R3 در سلولهای چشایی متصل میشود. این اتصال باعث تغییر ساختاری گیرنده و فعال شدن مسیر پیامرسانی داخل سلولی میشود.
نکته مهم این است که گیرنده شیرینی به دنبال “قند” نمیگردد؛ بلکه ویژگیهای فضایی و شیمیایی مولکول را تشخیص میدهد. بنابراین یک ترکیب حاوی گوگرد و نیتروژن مانند Ace-K نیز میتواند همان سیستم گیرندهای را فعال کند که توسط ساکارز تحریک میشود. یکی از مزیتهای مهم Ace-K در صنعت نوشیدنی، پایداری نسبتا بالای آن در برابر حرارت و شرایط اسیدی است.
این ویژگی باعث میشود برای محصولات نوشیدنی و فرمولاسیونهایی که نیاز به ماندگاری طولانی دارند مناسب باشد. در نوشابه، این موضوع اهمیت زیادی دارد؛ زیرا محصول باید در طول مدت نگهداری، شیرینی خود را حفظ کند. Ace-K اگر بهتنهایی در غلظتهای بالا استفاده شود، ممکن است پسمزهای نسبتا تند، تلخ یا فلزی ایجاد کند. به همین دلیل در صنعت نوشیدنی اغلب با شیرینکنندههای دیگری مانند آسپارتام یا سوکرالوز ترکیب میشود.
- سوکرالوز
سوکرالوز از نظر شیمیایی یکی از جالبترین شیرینکنندههاست، زیرا مستقیما از ساکارز ساخته شده است، اما خودِ ساکارز نیست. سوکرالوز از نظر اسکلت کربنی به ساکارز بسیار نزدیک است، اما در ساختار آن سه گروه هیدروکسیل (−OH) با سه اتم کلر (Cl) جایگزین شدهاند. وقتی سه گروه OH با اتم کلر جایگزین میشوند، ویژگیهای مولکول تغییر میکند و به اینصورت قطبیت و توزیع الکترونی، الگوی پیوند هیدروژنی، ساختار فضایی مؤثر بر گیرنده شیرینی، مقاومت مولکول در برابر برخی مسیرهای متابولیکی تغییر کرده و افزایش مییابد. نتیجه این است که مولکول همچنان میتواند گیرنده شیرینی را فعال کند، اما مانند ساکارز بهعنوان یک منبع معمول گلوکز و فروکتوز در بدن رفتار نمیکند. این ترکیب میتواند یک اثر همافزایی شیرینی ایجاد کند؛ یعنی شدت شیرینی مخلوط میتواند بیشتر از چیزی باشد که صرفا از جمع اثر تکتک شیرینکنندهها انتظار میرود. سوکرالوز تقریبا 600 برابر ساکارز شیرینتر است، بنابراین برای ایجاد شیرینی مشابه یک نوشیدنی حاوی مقدار زیادی قند، تنها مقدار بسیار کمی سوکرالوز مورد نیاز است.
سوکرالوز از نظر پایداری شیمیایی، بهخصوص در بسیاری از شرایط فرآوری مواد غذایی، عملکرد مناسبی دارد و این ویژگی یکی از دلایل استفاده از آن در نوشیدنیها و مواد غذایی مختلف است. با این حال، پایداری آن کاملا مستقل از شرایط نیست و pH، دما، زمان نگهداری و ماتریس غذایی میتوانند بر رفتار آن تاثیر بگذارند. سوکرالوز معمولا پروفایل شیرینی نسبتا نزدیکتری به ساکارز ایجاد میکند و به همین دلیل میتواند در فرمولاسیون نوشیدنیهای بدون قند به کاهش برخی مشکلات حسی ناشی از استفاده از شیرینکنندهها کمک کند.
- استویا و گلیکوزیدهای استویول
استویا با دو مورد قبلی تفاوت اساسی دارد. وقتی میگوییم “استویا”، در واقع معمولا منظور عصاره برگ گیاه Stevia rebaudiana یا بهطور دقیقتر، گروهی از ترکیبات شیرینکننده به نام steviol glycosides است، بنابراین استویا یک مولکول منفرد نیست. ساختار گلیکوزیدهای استویول دارای چندین گروه عاملی قطبی و واحدهای قندی است که امکان برهمکنش با گیرنده شیرینی را فراهم میکنند. این ترکیبات میتوانند گیرنده TAS1R2 و TAS1R3 را فعال کنند. اما برخلاف ساکارز، ساختار بزرگتر و سهبعدی پیچیدهتر آنها باعث میشود نحوه اتصالشان به گیرنده متفاوت باشد.
گلیکوزیدهای استویول معمولا 200 تا 300 برابر شیرینتر از ساکارز هستند؛ البته شدت شیرینی به نوع گلیکوزید و شرایط اندازهگیری بستگی دارد. یکی از چالشهای اصلی استفاده از استویا در نوشیدنیها، پروفایل حسی آن است، چراکه برخلاف ساکارز که شیرینی نسبتا دقیق و آشنایی ایجاد میکند، برخی گلیکوزیدهای استویول میتوانند پسمزهای تلخ، گیاهی، شیرینبیانمانند و ماندگار ایجاد کنند. این موضوع به ساختار مولکولی گلیکوزید، نوع آن و نحوه برهمکنش آن با گیرندههای چشایی مرتبط است و به همین دلیل صنعت غذا معمولا تلاش میکند با انتخاب نوع مناسب گلیکوزید، ترکیب چند شیرینکننده یا استفاده از طعمدهندههای مناسب، این پسمزه را کاهش دهد.
3. چرا دو یا چند شیرینکننده را با هم مخلوط میکنند؟
یکی از جالبترین جنبههای شیمی فرمولاسیون نوشابه زیرو همین موضوع است. اگر هدف فقط ایجاد شیرینی بود، میتوانستیم یک شیرینکننده بسیار قوی را اضافه کنیم، اما شیرینی فقط یک عدد نیست؛ پروفایل زمانی و حسی شیرینی نیز اهمیت دارد. برخی شیرینکنندهها خیلی سریع شیرینی ایجاد میکنند؛ برخی دیرتر اثر میکنند، بعضی شیرینی را مدت بیشتری در دهان باقی میگذارند، بعضی ممکن است پسمزه تلخ یا فلزی ایجاد کنند.
مطالعات جدید نشان دادهاند که تفاوت در سرعت اتصال و جداشدن برخی شیرینکنندهها از گیرنده شیرینی میتواند در ایجاد تفاوت میان “شروع شیرینی” و “ماندگاری شیرینی” نقش داشته باشد. بنابراین ترکیب شیرینکنندهها میتواند به فرمولاتور اجازه دهد پروفایل حسی را به چیزی نزدیکتر به ساکارز تبدیل کند. به عبارت ساده:
شیرینکننده A + شیرینکننده B = شیرینی بیشتر + پسمزه کمتر + شروع شیرینی مناسبتر + ماندگاری مطلوبتر
4. چرا نوشابه زیرو فقط آب و شیرینکننده نیست؟
یک تصور رایج این است که اگر قند حذف شود، کافی است شیرینکننده جایگزین آن شود، اما از دیدگاه فناوری و شیمی مواد غذایی، موضوع پیچیدهتر است. ساکارز علاوه بر شیرینی، تعادل طعم، احساس دهانی و ادراک عطر اثر میگذارد. بنابراین حذف آن میتواند باعث شود نوشیدنی “آبکیتر” یا از نظر حسی متفاوت به نظر برسد.
به همین دلیل فرمولاسیون نوشابه زیرو معمولا شامل مجموعهای از ترکیبات است:
- آب گازدار
- شیرینکننده
- اسیدولانت، مانند اسید فسفریک
- رنگ کاراملی
- طعمدهندهها
- تنظیمکننده اسیدیته
- نگهدارنده
- کافئین
برای نمونه، فهرست مواد اولیه Coca-Cola Zero Sugar شامل آب گازدار، رنگ کاراملی، اسید فسفریک، آسپارتام، آسهسولفام پتاسیم و ترکیبات طعمدهنده است. بنابراین چیزی که مصرفکننده بهعنوان “طعم نوشابه” تجربه میکند، نتیجه عملکرد یک مولکول منفرد نیست؛ بلکه حاصل برهمکنش یک سیستم چندجزئی است.
5. آیا نوشابه زیرو واقعاً کالری ندارد؟
فرض کنیم یک شیرینکننده 200 برابر ساکارز شیرین باشد و اگر برای ایجاد شیرینی مشخص، 50 گرم ساکارز لازم باشد، از نظر تئوری مقدار بسیار کمتری از شیرینکننده شدید میتواند همان شدت شیرینی را ایجاد کند. در نتیجه، حتی اگر خود مولکول شیرینکننده از نظر متابولیکی انرژی داشته باشد، مقدار مورد استفاده آن آنقدر کم است که سهم انرژی نهایی نوشیدنی بسیار ناچیز میشود. به همین دلیل “شیرین بودن” الزاما به معنی “داشتن کالری زیاد” نیست. این اصل یکی از پایههای علمی تولید نوشیدنیهای کمکالری و بدون قند است. مقالات جدید در زمینه طراحی نوشیدنیهای کمقند نیز جایگزینی قند با شیرینکنندههای شدید را یکی از راهبردهای اصلی کاهش انرژی معرفی میکنند. باید میان Zero Sugar و “کاملا فاقد هرگونه ماده آلی یا انرژی” تفاوت گذاشت. برای مثال، Coca-Cola Zero Sugar در صفحه رسمی محصول خود برای یک قوطی 12 اونسی، صفر گرم قند و صفر گرم کربوهیدرات اعلام میکند. اما ترکیبات دیگری در نوشیدنی وجود دارند که ممکن است در برخی کشورها یا فرمولاسیونها مقدار بسیار ناچیزی انرژی ایجاد کنند. بنابراین عبارت «بدون قند» به این معناست که محصول از نظر تعریف برچسبگذاری، قند قابلتوجهی ندارد؛ نه اینکه تمام مولکولهای موجود در آن از نظر شیمیایی فاقد انرژی باشند.
6. تفاوت شیرینی نوشابه زیرو با شیرینی نوشابه معمولی
اگرچه صنعت غذا تلاش میکند با ترکیب شیرینکنندهها و طعمدهندهها پروفایل نوشابه زیرو را به نوشابه معمولی نزدیک کند، از نظر مولکولی این دو محصول یکسان نیستند. ساکارز و شیرینکنندههای شدید ساختار مولکولی متفاوتی دارند و به شکل متفاوتی با گیرنده TAS1R2 و TAS1R3 برهمکنش میکنند، سرعت شروع شیرینی متفاوتی دارند، زمان ماندگاری شیرینی متفاوتی دارند و میتوانند پسمزههای متفاوتی ایجاد کنند.
مطالعات جدید در حوزه شیمی مولکولی شیرینی نشان میدهند که ویژگیهایی مانند مکمل بودن الکترواستاتیکی و سازگاری فضایی میان مولکول شیرینکننده و گیرنده، نقش اساسی در ایجاد پاسخ شیرینی دارند. به همین علت، هدف فرمولاتور الزاما ساخت یک مولکول جدید نیست؛ بلکه ایجاد یک سیستم حسی مشابه ساکارز با استفاده از ترکیبی از مولکولهای متفاوت است.
7. مسیر درک حس شیرینی
اگر بخواهیم فرآیند را از دیدگاه شیمی مواد غذایی بهصورت مرحلهای خلاصه کنیم میتوانیم به ترتیب زیر اشاره کنیم:
1.7. افزودن شیرینکننده: مقدار بسیار کمی آسپارتام، آسهسولفام پتاسیم، سوکرالوز، استویا یا ترکیبی از آنها به نوشیدنی اضافه میشود.
2.7. حل شدن در فاز آبی: مولکولهای شیرینکننده در فاز آبی نوشابه توزیع میشوند.
3.7. رسیدن به جوانههای چشایی: نوشابه نوشیده شده و مولکول شیرینکننده با بزاق به سطح سلولهای گیرنده چشایی میرسد.
4.7. برهمکنش مولکولی: مولکول شیرینکننده با گیرنده TAS1R2 و TAS1R3 برهمکنش میکند.
5.7. فعال شدن مسیر پیامرسانی سلولی: فعال شدن گیرنده باعث آغاز مجموعهای از واکنشهای داخل سلول میشود.
6.7. انتقال پیام عصبی: سیگنال حاصل به سیستم عصبی منتقل میشود.
7.7. ادراک شیرینی: مغز این سیگنال را بهصورت مزه شیرین تفسیر میکند.
بنابراین، برای ایجاد شیرینی لازم نیست مقدار زیادی ماده شیرین وجود داشته باشد؛ کافی است مقدار بسیار کمی از مولکولی وجود داشته باشد که توانایی بالایی برای فعالسازی سیستم گیرنده شیرینی داشته باشد.
جمعبندی
راز شیرین بودن نوشابه زیرو در یک اصل ساده اما مهم شیمی مواد غذایی نهفته است: شیرینی یک ویژگی حسی است. ساکارز با فعال کردن گیرندههای شیرینی باعث ایجاد مزه شیرین میشود، اما این گیرندهها قادرند مولکولهای بسیار متفاوتی را نیز شناسایی کنند. شیرینکنندههایی مانند آسپارتام، آسهسولفام پتاسیم، سوکرالوز و گلیکوزیدهای استویول اگرچه از نظر ساختاری با ساکارز متفاوتاند، میتوانند گیرنده شیرینی را با شدت بالایی فعال کنند. از آنجا که شدت شیرینی این ترکیبات بسیار بیشتر از ساکارز است، مقدار بسیار کمی از آنها برای ایجاد شیرینی موردنیاز است. در نتیجه، میتوان بدون افزودن مقدار قابلتوجهی ساکارز یا سایر قندها، نوشیدنیای تولید کرد که از نظر حسی شیرین باشد اما قند و انرژی بسیار کمی داشته باشد. با این حال، تولید یک نوشابه زیرو صرفا جایگزین کردن قند با یک شیرینکننده نیست. فرمولاسیون موفق باید همزمان شیرینی، اسیدیته، عطر، طعم، کربناسیون، پسمزه و احساس دهانی را کنترل کند. به همین دلیل استفاده از ترکیب چند شیرینکننده یک راهبرد مهم در صنعت نوشیدنی است. از منظر شیمی مواد غذایی، نوشابه زیرو نمونهای روشن از این اصل است که ساختار مولکولی یک ماده میتواند بسیار مهمتر از مقدار آن در تعیین یک ویژگی حسی باشد. تنها مقدار بسیار کمی از یک مولکول با ساختار مناسب میتواند سیگنال حسی مشابه مقدار بسیار بیشتری از ساکارز ایجاد کند. حال انتخاب شما کدام است، یک لیوان نوشابه زیرو یا یک لیوان نوشابه معمولی؟
منابع
- A comprehensive review on natural sweeteners: impact on sensory properties, food structure, and new frontiers for their application
-
The Molecular Theory of Sweet Taste: Revisit, Update, and Beyond
- Deciphering the multifaceted effects of artificial sweeteners on body health and metabolic functions: a comprehensive review and future perspectives
-
Towards healthier low-sugar and low-fat beverages: Design, production, and characterization
نویسنده: سیده نرگس پزشکنژاد
