Bulkstoffen in voedingsmiddelen

Transcriptie

1 090 1 Bulkstoffen in voedingsmiddelen door Dr. Harald W. A. Teeuwen Hoofd New Business Development Coöperatie Suiker Unie U.A. Breda 1. Inleiding Polyalcoholen De ontwikkeling van moderne bulkstoffen Polydextrose ligofructose Bulkstoffen in ontwikkeling Technologische en andere ontwikkelingsobstakels Literatuur

2 Inleiding Bulk- of vulstoffen (Engels: bulking agents) zijn vervangende, relatief laag-energetische voedingsingrediënten. In combinatie met een intensieve zoetstof als aspartaam kunnen zij het energierijke ingrediënt suiker (17 kj/g) vervangen in voedingsmiddelen voor menselijk gebruik. Hierbij zorgt de intensieve zoetstof voor de zoetkracht, terwijl de meestal smaakneutrale of zwakzoete bulkstof de andere functionele en structurele eigenschappen van suiker in voedingsmiddelen, zoals volume ( bulk ), textuur, kristalvorming, verlaging van vriespunt en wateractiviteit, zo goed mogelijk tracht over te nemen. Sommige bulkstoffen zijn ook geschikt om in sommige levensmiddelen zetmeel (17 kj/g) of vet (38 kj/g) ten dele of geheel te vervangen, terwijl sommige vetvervangers wellicht gebruikt kunnen worden als bulkstof. Aangezien beide klassen vervangstoffen nog volop in ontwikkeling zijn (zie ook Chemische feitelijkheden 071 en 078) zal de toekomst de mate van hun functionele overlapping uitwijzen Polyalcoholen Polyalcoholen ofwel polyolen vormen de oudste klasse bulkstoffen. Polyolen worden door hydrogenering verkregen uit mono- en disacchariden, en smaken net als deze zoet. De zes toegelaten polyolen mogen in onbeperkte hoeveelheden ( quantum satis ) worden gebruikt in vrijwel alle levensmiddelen, en vinden vooral toepassing in suikerloze en, afhankelijk van de toegepaste polyol, soms tandbederf tegengaande suikerwaren (o.a. kauwgom en chocolaprodukten), voeding voor diabetici en zoetsmakende tandpasta s. Tabel 1 laat zien dat de toegelaten polyolen weinig verschillen van suiker (sucrose) in hun zoetkracht en energiewaarde, en nooit meer dan een factor 1,5 in de verhouding van zoetkracht/energiewaarde. Het zijn in feite nutritieve zoetstoffen met bulkeigenschappen, net als suiker zelf. Polyolen zijn derhalve niet bijster geschikt om de energiewaarde van voeding sterk te reduceren. De voedings- en chemische industrieën hebben daarom getracht moderne bulkstoffen te ontwikkelen die zich hiertoe beter lenen.

3 090 4 Bulkstoffen in voedingsmiddelen Tabel 1. De zes polyalcoholen opgenomen in de ontwerprichtlijn van de Europese Commissie inzake zoetstoffen die in levensmiddelen mogen worden gebruikt (CM(90) 381 def.- SYN 296). E-nr. polyol grondstof zoetkracht 1 energie 2 a.c. 3 laxerende werking E-420 sorbitol zetmeel 0,6 0,75 + > 20 E-421 mannitol fructose 0,6 0,5 6 > 20 E-953 isomalt palatinose 0,5-0,6 0,6 + > 50 E-965 maltitol maltose 0,8-0,9 0,6 5 > 50 E-966 lactitol lactose 0,35 0,5 6 > 20 E-967 xylitol xylose 1,0 0,9 ++ > 20 1 Zoetkracht t.o.v. sucrose = 1. 2 Experimenteel bepaalde energiewaarde t.o.v. sucrose (17 kj/g) = 1. De warenwettelijk te declareren waarde wijkt vaak van de experimentele waarden af. 3 Anti-cariogene werking (+: enigszins anti-cariogeen; ++: sterk anti-cariogeen), toe te schrijven aan de mindere vergistbaarheid van de betreffende polyol door mondbacteriën. 4 Drempelwaarde voor de dagelijkse inname (g/dag), waarboven een kans op osmotische diarree en/of winderigheid bestaat. 5 Wordt langzaam afgebroken tot glucose en sorbitol in de dikke darm. 6 Wordt in geringe mate opgenomen uit het maagdarmkanaal. 2. De ontwikkeling van moderne bulkstoffen De belangstelling voor bulkstoffen is sterk toegenomen in de laatste tien jaren. De historie van moderne bulkstoffen begon met de marktintroductie van de intensieve zoetstof aspartaam in 1981 (in de VS). Deze stof is niet goed bestand tegen de hoge temperaturen die veel processtappen in de bereiding van voedingsmiddelen kenmerken. Tot voor kort was het toepassingsgebied van aspartaam dan ook beperkt tot fris- en andere dranken en tafelzoetjes voor in de koffie, die bij relatief lage temperaturen worden bereid en genuttigd. Toepassingen in (fris-)dranken zijn behalve in hun relatief lage eisen aan de hittebestendigheid van aspartaam nog in een tweede opzicht bijzonder : de intensieve zoetstof kan hierin suiker vervangen zonder hulp van een bulkstof. De leegte die suiker bij vervanging achterlaat, wordt in dranken simpelweg gecompenseerd met water, waarbij het licht veranderde ( verwaterde ) mondgevoel van de zo verkregen light -drank door de frisdrankindustrie voor lief wordt genomen. Enkele jaren geleden keurde de Amerikaanse Food & Drug Administration (FDA) aspartaam goed voor gebruik in vriesdesserts. Deze

4 090 5 eerste toepassing in vaste voedingswaren stelt uiteraard de hittebestendigheid van aspartaam nog steeds niet op de proef, maar verlangt wel een echte bulkstof om de eigenschappen van suiker (op zoetkracht na) in deze traditioneel vaak suikerrijke voeding over te nemen. Hiermee kreeg de vraag naar bulkstoffen een enorme impuls. Nieuwe, betrekkelijk hittebestendige intensieve zoetstoffen bestormen de markt. We signaleren acesulfaam-k (Sunett) van Hoechst; sucralose, een gechloreerd sucrosederivaat van Tate & Lyle dat recentelijk onder de naam Splenda werd toegelaten tot de Canadese markt; en alitaam, een aspartaam-achtige verbinding van Pfizer die aanmerkelijk zoeter en hittebestendiger is dan aspartaam, en naar verwachting binnen een jaar in de VS zal worden toegelaten. Nog een dozijn andere, voor het merendeel hitte-stabiele intensieve zoetstoffen bevindt zich in diverse stadia van ontwikkeling in de laboratoria van de chemische industrie. Al deze zoetstoffen vragen om eveneens hittebestendige bulkstoffen om als zoetstof/bulkstof-combinatie suiker te vervangen in (met name) heetbereide, vaste voedingswaren. De potentiële markt voor suikerarme vaste voedingswaren is veel groter dan die voor (fris-) dranken. De behoefte aan bulkstoffen is dus groot. 3. Polydextrose De oudste moderne bulkstof die sinds tien jaar op de markt is heet polydextrose en wordt gemaakt door de firma Pfizer (die overigens ook alitaam ontwikkelt). Polydextrose werd in 1973 ontdekt in de Pfizer Central Research Labs, en kreeg in 1981 toelating tot de Amerikaanse markt. Kort daarop was het ook in Europa verkrijgbaar. Eind 1990 verliep het belangrijkste octrooi van Pfizer in Europa. Dit was het sein voor Pfizer om een verbeterd produkt onder de handelsnaam Litesse op de markt te brengen, en voor de Amerikaanse zetmeelreus Staley om een Europese licentie voor een eigen polydextrose-versie aan het Belgische zusterbedrijf Amylum te verlenen. Eind 1992 loopt een sleuteloctrooi van Pfizer in de VS af, waarna Staley ook aldaar haar eigen polydextrose op de markt zal brengen.

5 090 6 Bulkstoffen in voedingsmiddelen Polydextrose wordt bereid door katalytische condensatieve polymerisatie van dextrose (D-glucose) bij hoge temperatuur. Het is een sterk vernet wateroplosbaar polymeer dat enige citraat- en sorbitolrestgroepen bevat. De glucosidische bindingen β(1-3), β(1-4) en vooral β(1-6) komen allemaal kriskras verspreid in polydextrose voor. CH2R H H CH 2 CH 2R H CH2H H H H H CH 2 H CH2 H H H H H H H H CH 2 CH 2 H H H CH2 H H H H R CH 2H H H H CH2H H H H Figuur 1. De molecuulstructuur van polydextrose. De gemiddelde polymerisatiegraad van in de handel verkrijgbaar polydextrose bedraagt ongeveer 10. De restgroep R is meestal waterstof of glucose, maar soms ook sorbitol of citroenzuur. De vertakkingen/vernettingen, en de verschillende bindingstypen maken van polydextrose een moeilijk te kraken noot voor onze spijsverteringsenzymen. Het merendeel van een hoeveelheid geconsumeerd polydextrose passeert het maagdarmkanaal onveranderd en wordt uitgescheiden in de faeces. De rest wordt tot vluchtige vetzuren gefermenteerd door bacteriën in de dikke darm; deze vetzuren zorgen voor winderigheid (flatulentie), worden deels in de bloedstroom opgenomen en vervolgens omgezet in de lever. Dit gedeeltelijke metabolisme bezorgt polydextrose een (nog wetenschappelijk omstreden) energiewaarde van 4-6 kj/g, een kwart tot een derde van de 17 kj/g van suikers en zetmelen.

6 090 7 Bij een inname van meer dan 90 g per dag kan polydextrose een laxerend effect teweegbrengen, dat veroorzaakt wordt door de osmotische druk van de onverteerde polydextrosefractie in de dikke darm. In de VS dient de verpakking van levensmiddelen met meer dan 15 g polydextrose per verpakte hoeveelheid de consument voor deze mogelijke bijwerking te waarschuwen. smotische diarree lijkt in het algemeen als bijwerking van bulkstoffen op te treden, niet alleen bij polydextrose. 4. ligofructose Sinds 1985 is in Japan, en zeer recentelijk ook in Europa, een andere soort bulkstof op de markt. Het gaat hier om een zwakzoetend mengsel van β(2-1) gebonden fructose-oligomeren met één eindstandig glucosemolecuul (GF n, waarbij n varieert van 2 tot ongeveer 6). Het Japanse Meiji Seika maakt dit oligofructose door koppeling vanfructose-eenhedenaansucrose(=gf 1 )d.m.v.hetenzymfructosyltransferase uit Aspergillus niger. Europese producenten van oligofructose gaan veelal uit van het polyfructaan inuline (GF m ) dat in vele samengesteldbloemige gewassen (o.a. cichorei) voorkomt. De gemiddelde polymerisatiegraad van inuline varieert met het gewas, de levensfase van de plant, klimaat, en bodemgesteldheid, maar is meestal hoger (m 10) dan het eerder aangegeven optimale interval van 2 tot 6. Door gedeeltelijke zure of enzymatische hydrolyse kunnen de relatief lange inulineketens in kortere oligofructoseketens worden omgezet. Daarbij ontstaan ook fructoseketens zonder eindstandig glucosemolecuul (F n ), die in oligofructose, gemaakt volgens het proces van Meiji Seika, niet voorkomen. Regelmatig gebruik van oligofructose heeft enkele opmerkelijke en gunstige fysiologische aspecten. Zo laat oligofructose alle bekende effecten van voedingsvezels zien, zoals verhoging van het fecale gewicht en volume, verkorting van de darmpassagetijd, en verlaging van de concentratie in het bloedplasma van cholesterol en triglyceriden (gewone vetten). Daarnaast stimuleert het op nogal selectieve wijze de groei van Bifidobacteriën in de dikke darm, terwijl het die van mogelijk kwaadaardige soorten zoals E. coli, Salmonella typhimurium, en Clostridium perfringens remt.

7 090 8 Bulkstoffen in voedingsmiddelen HCH2 CH 2 H H H H H CH 2 H HCH 2 H H CH 2 n - 2 HCH 2 H H CH2H Figuur 2. De molecuulstructuur van oligofructose. m optimale bulkstof-eigenschappen te waarborgen dient de polymerisatiegraad n minstens 2 te bedragen, maar niet hoger te zijn dan pakweg 7. De innamedrempel voor het optreden van osmotische diarree en de energiewaarde van oligofructose staan nog niet onomstotelijk vast. Voorlopige onderzoeksgegevens wijzen op een drempel in de orde van ettelijke tientallen grammen oligofructose per dag, en op een energiewaarde vergelijkbaar met die van polydextrose (4-6 kj/g).

8 Bulkstoffen in ontwikkeling De bestaande bulkstoffen zijn niet even geschikt voor iedere toepassing: fysische, chemische, en fysiologische eigenschappen perken hun toepassingsbereik sterk in. De ontwikkeling van nieuwe bulkstoffen wordt bemoeilijkt door technologische en andere obstakels (zie volgende paragraaf) en blijft voorlopig ver achter bij de sterk stijgende marktvraag naar, en bij de snelle ontwikkeling van, de complementaire produkten: de intensieve zoetstoffen. De nieuwe bulkstoffen in ontwikkeling kunnen als volgt worden ingedeeld in twee hoofdklassen: oligosacchariden, verkregen door hetzij koppeling van natuurlijk voorkomende mono- en/of disacchariden zoals suiker en glucose, hetzij gedeeltelijke hydrolyse van natuurlijke polysacchariden met het karakter van een voedingsvezel, zoals inuline en polymere bèta-glucanen (zie tabel 2); zeldzame suikers: enantiomeren ( optische isomeren, ofwel spiegelbeeldmoleculen) van in de natuur veelvuldig voorkomende suikers, alsmede di- en trisacchariden opgebouwd uit deze zeldzame suikers (zie tabel 3). De twee moderne bulkstoffen die al in de handel zijn, polydextrose en oligofructose, zijn als respectievelijk glucose-en fructose-oligomeer voorbeelden van de eerstgenoemde klasse. Een veelbelovende bulkstof in ontwikkeling is een mengsel van bètaglucaan-oligomeren. Novo-Nordisk, Denemarken s grootste biotechnologieconcern en s werelds grootste producent van industriële enzymen, heeft in 1988 een Europees octrooi aangevraagd op het gebruik van bèta-glucaan oligomeren als bulkstoffen. Dit zijn trimeren en tetrameren van glucose met β(1-3) en β(1-4) glucosidische bindingen, die gevormd worden door enzymatische hydrolyse van bèta-glucaan-residuen uit gerst of haver.

9 Bulkstoffen in voedingsmiddelen Tabel 2. Voorbeelden van bulkstoffen in ontwikkeling op basis van oligosacchariden. ontwikkelaar G.D. Searle (Monsanto) General Foods (Ph. Morris) Béghin-Say Meiji Seika Kaisha Suiker Unie / Warcoing, Tiense Suikerraffinaderij Nihon Shokuhin Kako, Hayashibara, Sanwa Nihon Shokuhin Kako, Corn Starch Nissin, Showa Sanyo Nihon Shokuhin Kako Suntory Snow Brand Food, Yakult Honsha, Nisshin Seito Sanmatsu Kogyo Shokuhin Sangyo Novo-Nordisk NutraSweet (Monsanto) chemische aard glucosylsorbitol derivaten van sacchariden uit denneappelkernen/suikerbieten vertakte oligosacchariden oligofructose uit suiker oligofructose uit inuline maltotriose en maltotetraose isomaltose gentio-oligosacchariden xylo-oligosacchariden trisacchariden bestaand uit sucrose en galactose laagenergetische polysacchariden oligosacchariden uit agar bèta-glucaan-oligomeren wateroplosbare hemicelluloses Met haar enorme ervaring in enzymatische procesontwerpen moet Novo-Nordisk in staat worden geacht een produktieproces neer te zetten dat tegen lage kostprijs een produkt met nauwkeurig bepaalde wateroplosbaarheid oplevert. Met de natuurlijkheid van zowel de grondstoffen als de procesroute in de perceptie van het grote publiek heeft het bedrijf bovendien een belangrijke marketingtroef in handen. Terwijl de ontwikkeling van zeldzame suikers en hun oligomeren als bulkstoffen een Amerikaanse aangelegenheid lijkt, is de ontwikkeling van de bulkstoffen op basis van de meer gangbare monosacchariden vooral in Japanse handen. De Japanners is het daarbij minder om suikervervanging te doen, dan wel om het heilzaam effect dat van het selectief Bifidus-stimulerende vermogen van de getabelleerde oligosacchariden (zie ook het hoofdstuk ligofructose ) wordt verwacht. Met name oligofructose profiteert aldus volop van de

10 Japanse functional food trend, die aan een tiental voedingsingrediënten gezondheidsbevorderende eigenschappen toekent. Hoewel de positieve relatie tussen een hoge Bifidusactiviteit in de dikke darm en bepaalde gezondheidsfacetten nog het onderwerp is van wetenschappelijk debat, komen er steeds meer aanwijzigingen voor het bestaan van een dergelijke relatie. Het precieze mechanisme van oorzaak en gevolg is niet bekend, maar kan stoelen op een complex van o.a. de volgende feitelijke waarnemingen: de verzuring van het darmmilieu door de vluchtige vetzuren die bij de fermentatie van oligosacchariden door Bifidobacteriën worden gevormd; de remming van de groei van schadelijke darmbacteriën, teweeggebracht door het verzuurde darmmilieu en mogelijk ook door bacteriële toxines afkomstig van Bifidus; de produktie door Bifidobacteriën van B-vitaminen en stoffen die het menselijk immuunsysteem stimuleren. Tabel 3. Voorbeelden van bulkstoffen in ontwikkeling op basis van zeldzame suikers en hun oligosacchariden. ntwikkelaar Cumberland Packing Biospherics Allied-Signal Chemische aard di-/trisacchariden van L-suikers D-tagatose D-talose, D-allose Zeldzame suikers zijn enantiomeren (spiegelbeeldmoleculen) van in de natuur veelvuldig voorkomende suikers, die zelf zelden of niet in de natuur worden aangetroffen. In de literatuur worden ze vaak collectief aangeduid als L-suikers, maar ook veel D-suikers zijn zeldzaam in de natuur. Drie onvolledig verlopende opeenvolgende processen in het metabolisme van zeldzame suikers zorgen er samen voor dat hun energiewaarde niet optimaal door het organisme wordt benut: 1. splitsing van oligosacchariden door spijsverteringsenzymen in absorbeerbare monomere suikers, 2. absorptie van de monomere suikers uit het maagdarmkanaal in het bloed, en 3. enzymatische omzetting van de zeldzame suikers in de lever. Het onvolledig verlopen van stap 1 is niet zozeer specifiek voor zeld-

11 Bulkstoffen in voedingsmiddelen zame suikers als wel voor het bindingstype tussen de suikers. Deze stap verloopt immers ook niet of onvolledig voor oligomeren van gangbare suikers. Het onvolledige verloop van stappen 2 en 3 is wel specifiek voor zeldzame suikers, en berust op het niet herkend worden als substraat door eiwitcarriers in de darmwand en door enzymen in de lever. verigens staat het wetenschappelijk allesbehalve vast dat stappen 2 en 3 niet volledig verlopen. Zo vindt de opname van de meeste (al dan niet zeldzame) suikers door de darmwand grotendeels zonder carrier plaats (door passieve diffusie), en worden de leverenzymen, nodig ter omzetting van zeldzame suikers, wellicht na een zekere blootstellingsduur aan dergelijke suikers geïnduceerd. De weinige literatuur die over zeldzame suikers bestaat komt nogal eenzijdig uit de pen van de ontwikkelende bedrijven. In hun zoetheid en overige eigenschappen in voeding verschillen de zeldzame suikers niet van hun in de natuur meer gangbare tegenhangers. 6. Technologische en andere ontwikkelingsobstakels Het ontwikkelen van een geschikte bulkstof is een uitermate moeilijke opgave. De volgende klippen van technologische en andere aard dienen in de ontwikkelingsfase omzeild te worden. De simultane doelstelling van een lage energiewaarde én een functionele gelijkenis met suiker is bijzonder moeilijk te verwezenlijken. Een lage energiewaarde vraagt namelijk om een molecuul dat te groot is om intact te kunnen worden opgenomen uit het maagdarmkanaal, en dat zich ook niet door maagzuur en/of enzymen laat splitsen tot absorbeerbare stukken. Een functionele gelijkenis tot suiker vereist daarentegen een klein molecuul met uitstekende oplosbaarheid in water en dito vermogen tot kristalvorming. De laxerende werking van bulkstoffen die een fysiologische grens stelt aan hun dagelijkse inname, is waarschijnlijk inherent aan hun gewenste eigenschappen als bulkstoffen. Deze laatste omvatten een slechte opname vanuit de darm, een hoge

12 wateroplosbaarheid, en toepasbaarheid in hoge concentraties in voeding, en vervullen zo tevens de randvoorwaarden voor het optreden van osmotische diarree. De goede wateroplosbaarheid van bulkstoffen maakt hen bovendien gevoelig voor gedeeltelijke vertering door de microflora in de dikke darm. Deze vertering kan darmkrampen en winderigheid teweegbrengen, de diarretische werking versterken, en zorgen voor een ongewenste positieve metabole energiewaarde. Door hun laxerend effect zouden sommige bulkstoffen wel eens minder geschikt kunnen blijken voor intensief en wijdverbreid gebruik in voedingsmiddelen. Labeling. Polydextrose mocht begin jaren tachtig in de VS als energievrij ingrediënt vermarkt worden, omdat men dacht dat de stof in het geheel niet verteerd werd. Het besef dat polydextrose in werkelijkheid een energiewaarde > 0 heeft omdat het gedeeltelijk door bacteriële enzymen wordt omgezet, is nog tamelijk nieuw en heeft nog niet zijn volledige weerslag gehad op de internationale warenwetgeving. Gezondheidsautoriteiten zoals de FDA en het Wetenschappelijk Comité voor de Voeding van de EG zullen veel nauwkeuriger gegevens verlangen over de verteerbaarheid en fysiologische effecten van de bulkstoffen die thans in ontwikkeling zijn, alvorens hen markttoelating te verlenen. Het moleculair ontwerpen van een bulkstof die het predicaat energievrij of laag in energie mag dragen wordt daarmee aanzienlijk moeilijker. De kostprijs, en daarmee de ondergrens van de handelsprijs van veel bulkstoffen die thans worden ontwikkeld, is waarschijnlijk nogal hoog vergeleken met de suikerprijs (momenteel ca., 1,50/ kg in de EG en, 0,60/kg in de VS). Zo bedraagt de handelsprijs van polydextrose in de VS ongeveer, 4 per kg. Voeg daarbij nog eens de prijs van een intensieve zoetstof als aspartaam, en de slotsom dat lichte voedingsmiddelen en dranken op basis van bulkstoffen en intensieve zoetstoffen duurder zullen uitvallen dan hun traditionele tegenhangers op basis van suiker is onontkoombaar. Voedingsmiddelenbedrijven zullen de hogere kostprijs van de nieuwe lichte ingrediënten doorberekenen aan de consument, maar de mate waarin die laatste bereid is om

13 Bulkstoffen in voedingsmiddelen dieper in de buidel te tasten voor lichte produkten is nog goeddeels een vraagteken. De oplopende ontwikkelingskosten en -tijd van bulkstoffen, met name voor het toxicologische en fysiologische onderzoek opgelegd door de gezondheidsautoriteiten, vormen een steeds hogere toetredingsbarrière tot industriële activiteiten in bulkstoffen. De eerste bulkstof polydextrose werd ontwikkeld over een tijdstraject van acht jaar ( ). Een bedrijf dat vandaag de dag een bulkstof wil gaan ontwikkelen moet al gauw rekening houden met een ontwikkelingstermijn van 10 à 15 jaren. mdat geen enkele bulkstof kan voldoen aan de functionele toepassingsvereisten van alle voedingsmiddelen, heeft de voedingsindustrie behoefte aan een breed pakket van bulkstoffen met complementaire eigenschappen. De meeste van deze stoffen hebben nog een deel van het technologisch ontwikkelingstraject (produktie, applicatie), alsmede het hele toxicologische en fysiologische onderzoekstraject voor de boeg. De conclusie dat de voedingsindustrie en de gezondheidsbewuste consument de nieuwe bulkstoffen nog minstens tot de eeuwwisseling zullen moeten ontberen, lijkt gerechtvaardigd. 7. Literatuur J. J. Beereboom, CRC Critical Reviews in Food Science and Nutrition 11 (1979) H. W. A. Teeuwen, Bulking Agents: Technology push trailing market pull. International Food Ingredients No.5 (1991)