078 1 Intens-zoetende stoffen Inleiding De mens vindt de gewaarwording van zoetheid van nature plezierig. Pasgeboren en zelfs nog ongeboren baby s reageren al positief op de smaak van suiker, wat sommigen heeft doen opperen dat onze voorliefde voor het zoete wellicht aangeboren is. Omdat zoete stoffen die in de vrije natuur voorkomen bijna nooit giftig zijn, terwijl bittere stoffen dat vaak wel zijn, is het mogelijk dat de voorkeur voor zoetheid volgt uit onze evolutionaire ontwikkeling. Sucrose, ofwel gewone tafelsuiker, heeft een ideale zoetsmaak. De consumptie ervan kan voor diabetici echter problemen opleveren, en kan tevens aanleiding geven tot tandbederf (cariës) en zwaarlijvigheid (obesitas). Mono- en disacchariden, zoals fructose, xylose, lactose en maltose en daaruit door hydrogenering verkregen polyalcoholen zoals mannitol, xylitol, lactitol en maltitol hebben minstens één van de geschetste nadelen in zekere mate met sucrose gemeen. Deze nadelen liggen aan de basis van de behoefte aan zoetstoffen die op basis van eenzelfde massa veel zoeter zijn dan sucrose, of een veel lagere energiewaarde hebben, of beide. Als we kijken naar de relatieve verhouding van zoetkracht tot energiewaarde is er een duidelijk onderscheid tussen de genoemde zwakzoetende, nutritieve zoetstoffen enerzijds, en de intens-zoetende stoffen (IZSen) die veelal ook energie-arm zijn anderzijds. De intens-zoetende stoffen als groep zijn met hun wereldwijde omzet van 1,3 miljard dollar (1989) een der grootste en tevens snelstgroeiende (9%/jaar) segmenten van de markt voor voedingsadditieven. De groep omvat stoffen als aspartaam, acesulfaam-k, saccharine en cyclamaat. De thans bekende intens-zoetende stoffen kennen helaas ook tekortkomingen, zoals een onaangename bij- of nasmaak, onvoldoende thermische of chemische stabiliteit, of gewoon een hoge kost- en ver-
078 2 Intens-zoetende stoffen koopprijs. Tal van bedrijven zijn dan ook nog op zoek naar betere zoetstoffen zonder deze nadelen. Deze Chemische Feitelijkheden geeft een overzicht van de actuele stand van zaken en van ontwikkelingen die plaatsvinden op het gebied van de intens-zoetende stoffen. Toevalstreffers en de zoete driehoek Alle intens-zoetende stoffen van huidig commercieel belang zijn bij toeval ontdekt. Veel onderzoekers hebben, uitgaand van de bekende zoetstoffen, een algemeen geldig verband trachten te ontdekken tussen zoetheid en chemische structuur dat hen in staat zou stellen trialand-error te vervangen door rationeel structuurontwerp van intenszoetende stoffen. De meest moderne theorie dienaangaande, die van dr. Kier, berust op de hypothese dat een molecuul drie groepen op welbepaalde onderlinge afstanden moet bevatten om zoet te smaken: een H-donorgroep en een H-acceptorgroep die waterstofbindingen aangaan met de smaakreceptor in de papillen op de tong en zo de zoete gewaarwording initiëren en een hydrofobe groep die in zijn interactie met een gelijkwaardige groep op die receptor de intensiteit van de gewaarwording bepaalt. Helaas bevatten niet alle zoete moleculen de geschetste zoete driehoek, en omgekeerd smaken niet alle moleculen die aan het model van Kier voldoen ook werkelijk zoet. Voorlopig zal de ontdekking van intens-zoetende stoffen dus wel een zaak van toevalsvondsten blijven. Toepassingen van intens-zoetende stoffen Frisdranken nemen thans ongeveer 60% van de wereldwijde omzet aan intens-zoetende stoffen voor hun rekening. Nog eens 20% van de intens-zoetende stoffen wordt verwerkt in een keur van levensmiddelen zoals siropen, drankpoeders, graanontbijten, vriesdesserts, pudding en puddingpoeders, dessertmousse, suikerwerk, bakkersen chocoladewaren, kauwgom, keelpastilles en hoestsiroop. De resterende 20% wordt verkocht als zoetjes (in tablet- en poedervorm)
078 3 die de consument zelf naar believen aan zijn eet- en drinkwaren kan toevoegen. Een enorm groeipotentieel ligt besloten in het marktsegment van de vaste levensmiddelen, waarin suiker vele andere functies heeft naast de zoetmakende. De intens-zoetende stof dient bij toepassing in vaste waren te worden gecombineerd met een zogenaamde bulkstof, die de structurele functies van suiker in het voedsel (zoals het vasthouden van water en het geven van volume en mondgevoel of consistentie) overneemt, omdat de intens-zoetende stof in zijn per definitie lage toegevoegde concentratie dat niet kan. Helaas zijn er geen combinaties van intens-zoetende stoffen en bulkstoffen beschikbaar die op onder alle omstandigheden bevredigende wijze de functionele eigenschappen van suiker kunnen overnemen. De meeste ingrediënten kennen ernstige beperkingen. Zo sluit de thermische labiliteit van aspartaam toepassing in veel vaste waren met warme bereidingsstappen uit. De enige bulkstof in de handel die niet tot de zwakzoetende, nutritieve zoetstoffen (mono- en oligosacchariden en polyalcoholen, zie inleiding) behoort is Pfizer s polydextrose, dat onvermijdelijk niet voor alle toepassingen even geschikt is. De ontwikkeling van meer geschikte intens-zoetende stoffen en nieuwe bulkstoffen zal naar verwachting binnen enkele jaren het marktsegment van de vaste levensmiddelen verder ontsluiten voor intens-zoetende stoffen. Momenteel vrij verkrijgbare intens-zoetende stoffen en hun eigenschappen Op dit moment zijn wereldwijd nog maar enkele intens-zoetende stoffen toegelaten (tabel 1). Hun totale omzet bedroeg US $ 1,3 miljard in 1989. Saccharine (orthobenzoëzuursulfimide) werd in 1879 aan de John Hopkins Universiteit ontdekt. Kort na de eeuwwisseling kwam het in zwang als zoetstof, en bleef dat tot cyclamaat het gaandeweg verdrong in de jaren vijftig en zestig. Toen cyclamaat in 1970 als verdacht carcinogeen werd verboden maakte saccharine een korte come-back tot het in 1977 zelf onder carcinogene verdenking kwam.
078 4 Intens-zoetende stoffen Tot een verbod op saccharine kwam het bijna nergens, maar het imago van de zoetstof was gedeukt. De marktintroductie van het beter smakende aspartaam (1981) diende saccharine de genadeklap toe; sinds 1984 loopt de verkoop van de stof wereldwijd gestaag terug. Naar verwachting zal saccharine tegen het jaar 2000 alleen nog gebruikt worden in zoetjes of gemengd met andere intens-zoetende stoffen, om uiteindelijk geheel van de markt te verdwijnen. Intens-zoetende stoffen verkrijgbaar in Europa, VS en Ja- Tabel 1. pan intens-zoetende ontwikkelaar(s) aard 1 waar toe- zoet- 2 stabiliteit 3 stof producent(en) (N/S) gelaten? kracht saccharine vnl. in Zuid-Oost Azië S wereldwijd 300 + cyclamaat Abbott, Chemische S Europa, 30 + Fabrik, Aubing Brazilië aspartaam NutraSweet/Searle S wereldwijd 200 Holland Sweet Co. acesulfaam-k Hoechst S Europa, VS 200 ++ stevioside Stevia Co. N Japan, 300 Brazilië glycyrrhizine Aziatische producenten N Azië 100 thaumatine Beatrice/Ingene N Japan, 3000 Unilever enkele an- Tate & Lyle dere landen 1 N: voorkomend in de natuur S: synthetisch 2 sucrose = 1 3 relatieve chemische (zuur/base) en thermische stabiliteit: zeer labiel; labiel; + redelijk stabiel; ++ zeer stabiel. Saccharines energiewaarde is nagenoeg nihil. Het heeft een bittere metaalachtige nasmaak, is niet goed bestand tegen hitte, en veroorzaakt in extreem hoge doses (in de orde van grootte van het eigen lichaamsgewicht per dag) blaaskanker in ratten. De mens loopt bij gewone consumptie een absoluut te verwaarlozen risico op blaas- en andere tumoren. De zoete smaak van cyclamaat (Na- of Ca-zout van cyclohexylsulfaminezuur) werd in 1937 aan de Universiteit van Illinois ontdekt. De stof domineerde de markt voor intens-zoetende stoffen tot hij in 1970 in verband werd gebracht met blaaskanker in ratten en ver-
078 5 volgens werd verboden (ook in Nederland). Het verbod werd later in de meeste landen (met uitzondering van de VS) weer opgeheven, nadat was gebleken dat de mens een te verwaarlozen kans op tumoren loopt door consumptie van cyclamaat. Cyclamaat is ongeveer 30 maal zoeter dan suiker, levert bijna geen energie en heeft geen bittere nasmaak. Het is beter dan saccharine bestand tegen bakken en braden. Bij mens én rat wordt cyclamaat door de darmflora gedeeltelijk omgezet in cyclohexylamine; ratten breken cyclohexylamine echter anders af dan de mens. De bij de rat waargenomen blaastumoren zijn vermoedelijk te wijten aan metabolieten van cyclohexylamine die bij de mens niet worden gevormd. Dit vermoeden lijkt bevestigd in een pas beëindigde studie van het National Cancer Institute (VS), waarbij een groep primaten 17 jaar lang op een zwaar cyclamaatdieet werd gezet en in blakende gezondheid bleef. Deze uitkomst zal voor de FDA aanleiding vormen om, waarschijnlijk nog dit jaar, cyclamaat opnieuw tot de Amerikaanse markt toe te laten. Ook dan zal de stof een marginale rol spelen, niet alleen wegens zijn geschonden imago, maar vooral door de beschikbaarheid van intens-zoetende stoffen met betere eigenschappen. Aspartaam (N-L-α-aspartyl-L-fenylalanine methylester) werd in 1965 in de laboratoria van G. D. Searle (thans een dochter van Monsanto) ontdekt terwijl het farmabedrijf op zoek was naar een middel tegen maagzweren. In 1981 nam de commerciële zegetocht van aspartaam een aanvang ten koste van saccharine en cyclamaat. Thans is aspartaam wereldwijd de dominerende intens-zoetende stof, en zal dat de komende 20 jaar ook blijven, hoewel de stof terrein zal moeten prijsgeven aan stabielere intens-zoetende stoffen met een vergelijkbaar aangename smaak. Aspartaams uitstekende smaak, waarin elke nasmaak ontbreekt, is zijn voornaamste pluspunt. De energiewaarde van het dipeptide bedraagt 17 kj/g. Een nadeel van aspartaam is de verminderde stabiliteit in oplossing. Onder invloed van een hoge temperatuur en/of een lage ph-waarde treedt de ontleding op met verlies van zoetheid. In het maagdarmkanaal wordt aspartaam gesplitst in de lichaams-
078 6 Intens-zoetende stoffen eigen aminozuren asparaginezuur en fenylalanine, zodat de stof als onschadelijk mag worden beschouwd voor de doorsnee bevolking. Echter 1 op 10.000 mensen mist door een genetische mutatie het enzym fenylalanine-4-monoöxygenase dat fenylalanine afbreekt, een aandoening bekend als fenylketonurie (FKU). In FKU-lijders wordt fenylalanine langzaam omgezet in fenylpyruvaat, dat in de urine wordt uitgescheiden. Een chronisch hoge bloedspiegel van fenylalanine en het pyruvaat leidt tot klinische ziekteverschijnselen en kan bij kinderen de normale geestelijke ontwikkeling vertragen. De FKU-patiënt heeft daarom baat bij een fenylalanine-arm dieet, en moet naast aspartaam nagenoeg alle bronnen van dierlijk en plantaardig eiwit vermijden. De mate waarin aspartaamconsumptie een gezondheidsrisico voor lijders aan FKU inhoudt, lijkt gering. De Nederlandse warenwetgeving stelt de aanduiding: bevat fenylalanine op produkten met aspartaam dan ook niet langer verplicht. Acesulfaam-K(kalium-3,4-dihydro-6-methyl-2,2,4-trioxo- 1,2,3-oxathiazine-3-ide) is een nieuwkomer onder de intens-zoetende stoffen. De stof kreeg in juli 1988 het groene licht van de FDA en was al jaren voordien in de meeste EG-landen verkrijgbaar. Ace-K is chemisch-thermisch zeer stabiel en derhalve geschikt voor gebruik in suiker- en bakwaren. Net als saccharine, waarmee het chemisch nauw verwant is, wordt het onveranderd door het lichaam uitgescheiden (energiewaarde nul) en heeft het een zekere bittere nasmaak. Deze laatste tekortkoming kan worden opgeheven door ace-k te mengen met andere intens-zoetende stoffen. Zo benadert de smaak van een mengsel van ace-k en aspartaam die van sucrose zeer dicht, is bijna nasmaakloos, heeft een 30-40% hogere zoetkracht dan elk van de twee componenten afzonderlijk, en is goedkoper en langer houdbaar dan aspartaam alleen. Naar verwachting zal ace-k daarom vooral in combinatie met aspartaam toegepast worden. Stevioside en het aanverwante rebaudioside A zijn glycosiden afkomstig uit de bladeren van de plant Stevia rebaudiana, die in het Zuidamerikaanse oerwoud groeit. Stevia-glycosiden worden sinds mensenheugenis als zoetstof gebruikt door de inheemse bevolking. Ze zijn ongeveer 300 maal zoeter dan sucrose en chemisch/thermisch
078 7 nogal labiel. Dainippon Ink & Chemical ontwikkelt een biokatalytisch proces om stevioside met zijn nogal bittere nasmaak om te zetten in rebaudioside A, dat hieronder veel minder gebukt gaat. Marktanalisten slaan de marktkansen van stevioside en derivaten in de VS en Europa om onduidelijke redenen nogal hoog aan. Glycyrrhizine is het glycoside van glycyrrhetinezuur dat de zoethoutwortel (de gedroogde wortel van Glycyrrhiza glabra, die in Klein-Azië in het wild voorkomt) zijn zoete smaak geeft. Het gebruik van extracten van de zoethoutwortel, en daarmee van glycyrrhizine, als zoetmiddel gaat ver terug in de geschiedenis. In Japan is de glycyrrhizine-smaak enorm geliefd. In Europa en de VS zal het gebruik van glycyrrhizine-extracten beperkt blijven tot enkele speciale toepassingen, onder andere als grondstof voor drop en sauzen voor tabak. Thaumatine is een mengsel van twee uitzonderlijk zoete eiwitten met een molecuulgewicht van ongeveer 21.000 elk, die voorkomen in de vruchten van Thaumatococcus danielli, een plant die voorkomt in westelijk Afrika, Sudan, en Oeganda. De vruchten worden door de plaatselijke bevolking al zeer lang als zoetmiddel gebruikt. Thaumatine heeft een ietwat bittere nasmaak die aan zoethout doet denken. Als eiwit heeft het een energiewaarde van 17 kj/g en is het uitermate gevoelig voor hogere temperaturen. De Amerikaanse voedingsfirma Beatrice financiert een project van het biotechbedrijf Ingene, dat middels recombinant-dna-technieken een verbeterde produktiemethode van thaumatine wil ontwikkelen. Ook Tate & Lyle en Unilever zijn actief op dit gebied. Intens-zoetende stoffen in ontwikkeling Uit het voorgaande mag duidelijk zijn dat de bestaande intens-zoetende stoffen in menig opzicht voor verbetering vatbaar zijn. Veel bedrijven zijn dan ook bezig nieuwe intens-zoetende stoffen te ontwikkelen. De twee meestbelovende daarvan bespreken we hierna (zie tevens tabel 2).
078 8 Intens-zoetende stoffen Tabel 2. Voorbeelden van intens-zoetende stoffen in ontwikkeling intens- ontwikkelaar(s) stadium van energie zoet- 1 zoetende stof ontwikkeling (kj/g) kracht alitaam Pfizer registratie 2 17 2000 sucralose Johnson & Johnson registratie 3 0 600 i.s.m. Tate & Lyle 1 2 3 sucrose = 1 dossier aangeboden aan FDA in augustus 1986 dossier overlegd aan FDA in februari 1987; eerder al aan Engelse autoriteiten Alitaam, het verst-ontwikkelde zoete peptide na aspartaam, is een dipeptide van L-asparaginezuur en D-alanine, gesubstitueerd met D-serine. Alitaam is ongeveer tienmaal zoeter dan aspartaam, beduidend hittebestendiger, en in oplossing 2 à 4 keer langer houdbaar. Hiertegenover staan als nadelen dat alitaam stabiliteitsproblemen in coladranken kent, en door zijn enorme zoetkracht meer dan enige gangbare intens-zoetende stof afhankelijk is van een bulkstof zoals polydextrose (overigens afkomstig van dezelfde fabrikant) om in vaste voedingswaren voldoende consistentie ( mondgevoel ) te bewerkstelligen. Markttoelating voor alitaam wordt ten laatste in 1993 verwacht. Sucralose werd in 1976 ontdekt door de Engelse suikerfirma Tate & Lyle, en ontwikkeld in samenwerking met farmagigant Johnson & Johnson (VS). Sucralose is sucrose met drie OH-groepen vervangen door evenzovele chlooratomen. Het resultaat is een chemisch en thermisch uitermate stabiele verbinding, die door het lichaam kwantitatief en in onveranderde vorm in de urine wordt uitgescheiden en derhalve geen energie levert. Bovendien heeft de stof een prettige én intense zoetsmaak (driemaal zo sterk als aspartaam) en een relatief gunstige kostprijs. Hoewel de ontwikkelende bedrijven met sucralose naar verluidt eerst aansturen op die toepassingen waarvoor aspartaam ongeschikt is zoals heetbereide of zure produkten en zo de directe competitie met aspartaam uitstellen, lijkt sucralose op langere termijn ook op
078 9 de lucratieve frisdrank- en zoetjesmarkten tot een geduchte rivaal van aspartaam te zullen uitgroeien. De langdurige toxicologische evaluatie van sucralose staat grotendeels in het teken van de chloorhoudendheid van sucralose: de volstrekte chemische inertie van de chlooratomen dient natuurlijk ondubbelzinnig vastgesteld te worden, alvorens de stof goedkeuring als intens-zoetende stof kan verkrijgen. Het FDA-dossier van sucralose telt door dit vraagstuk het schier onwerkbare aantal van 40.000 pagina s (!) Naar verwachting zal sucralose eind 1991/begin 1992 markttoelating verkrijgen in de VS. Rol van biotechnologie in ontwikkeling en produktie van intens-zoetende stoffen Biotechnologie vindt thans toepassing in de produktie van L-fenylalanine en L-asparaginezuur, de uitgangsstoffen voor aspartaam. In de nabije toekomst zullen biotechnieken gebruikt worden om: aminozuren voor andere intens-zoetende stoffen, gebaseerd op oligopeptiden, te produceren; aminozuren stereoselectief te koppelen tot peptiden met behulp van enzymen; andere intens-zoetende stoffen te produceren d.m.v. biokatalyse, fermentatie van recombinante microörganismen, en plantaardige weefselcultuur. In een iets verdere toekomst zal moleculaire modellering wellicht behulpzaam zijn bij het ontrafelen van het verband tussen zoetheid en chemische structuur, en bij het ontwerpen van nieuwe intens-zoetende stoffen gebaseerd op het verkregen inzicht. Samenvatting en conclusie De westerse mens wil door beperking van zijn energie-inname via voedsel en drank zijn gezondheid en uiterlijk verbeteren of behouden. Tegelijk wil hij even smakelijk als voorheen blijven eten en drinken. Een modern arsenaal voedingsadditieven, bestaande uit
078 10 Intens-zoetende stoffen vetvervangers (zie CF 071), intens-zoetende stoffen, en bulkstoffen kunnen hem daarbij de helpende hand bieden. Intens-zoetende stoffen kunnen in combinatie met water in frisdranken en een bulkstof in vaste waren suiker vervangen en verlagen zo de energiewaarde met behoud van de zoete smaak, uiterlijke aanblik, en de consistentie ( mondgevoel ) van de betrokken voedingsmiddelen. Het beschikbare intens-zoetende stoffen-palet omvat saccharine, cyclamaat, aspartaam en acesulfaam-k, benevens enkele natuurlijke verbindingen. Het spel voor saccharine en cyclamaat is gespeeld; deze twee pioniers onder de intens-zoetende stoffen worden alsmaar verder verdrongen door de prettiger smakende non-carcinogene nieuwlichters aspartaam en acesulfaam-k, die vooral in combinatie voortreffelijk presteren. De plantaardige glycosiden stevioside en glycyrrhizine en het vruchteiwit thaumatine zijn geliefd in sommige Derde-Wereldlanden (vooral in Japan), en hebben hun natuurlijke imago mee, maar zullen desondanks naar verwachting geen al te hoge ogen gooien op de westerse markten. Het succes van het zoete dipeptide aspartaam heeft veel onderzoek naar het potentieel van andere oligopeptiden mogen inspireren. Het gesubstitueerde dipeptide alitaam, aanzienlijk stabieler en zoeter dan aspartaam, zou de eerste kroon op dat onderzoek zetten mocht het zoals verwacht in de komende 3 jaar markttoelating verkrijgen. Bij de intens-zoetende stoffen op niet-peptidebasis in ontwikkeling staat vooral sucralose, een gechloreerde sucrosederivaat, in de belangstelling. Sucralose is enorm stabiel, relatief goedkoop te fabriceren, en smaakt minstens even plezierig als aspartaam, dat in sucralose een sterke concurrent ziet opdoemen. Markttoelating in de VS zal naar verwachting verleend worden vóór medio 1992. De betekenis van biotechnologie voor intens-zoetende stoffen zal liggen in de fermentatieve produktie van aminozuren en hun enzymatische koppeling tot zoete peptiden. Ook zullen cultures van genetisch gemodificeerde microörganismen en plantecellen worden toegepast om intens-zoetende stoffen op niet-peptidebasis te verkrijgen.
078 11 Literatuur Lemont B. Kier, Molecular theory of sweet taste. J. Pharm. Sci. 61 (9) (1972) 1394-7. J. J. T. A. Strik, Zoetstoffen. Chemische Feitelijkheden 1985-032, oktober 1985. januari 1991 Dr. Harald W. A. Teeuwen INSEAD, Fontainebleau (F)