Słodkie życie chemika

Naukowcy nie byliby sobą, gdyby nie spojrzeli "szkiełkiem i okiem" i na to abstrakcyjne pojęcie. Na podobieństwo gęstości czy objętości wymyślili słodkość, która liczbowo opisuje miarę słodyczy. Co ważniejsze, pomiary słodkości są jak najbardziej do wykonania nawet w skromnych warunkach domowego laboratorium.

Jak zmierzyć słodkość?

Nie ma (jeszcze?) przyrządu do mierzenia słodkości. Powodem jest niesamowita komplikacja pierwotnych zmysłów chemicznych: smaku i pokrewnego węchu. W przypadku znacznie ewolucyjnie młodszych zmysłów reagujących na bodźce fizyczne (wzrok, słuch, dotyk) skonstruowano przyrządy będące ich odpowiednikami - elementy światłoczułe, mikrofony, sensory dotykowe. W kwestii smaku pozostają zaś szacunki oparte na subiektywnych odczuciach badanych osób, a przyrządami pomiarowymi są ludzkie języki i nosy.

Jako wzorzec słodkości wybrano 10-procentowy roztwór spożywczego cukru, czyli sacharozy. Dla tego związku umowna wartość wynosi 100 (w niektórych źródłach jest równa 1). To tzw. słodkość względna, oznaczana akronimem RS (ang. relative sweetness). Pomiar polega na takim dobraniu stężenia procentowego roztworu badanej substancji, aby wywołane przez niego wrażenie słodkości było identyczne jak w przypadku wzorca. Dla przykładu: gdy roztwór o stężeniu 5% wywołuje taki sam efekt smakowy jak 10-procentowy roztwór sacharozy, słodkość badanej substancji wynosi 200.

Sacharoza - wzorzec słodyczy.

Pora na pomiary słodkości.

Potrzebna będzie waga. W domowym laboratorium wystarczy tani model kieszonkowy za kilkanaście złotych, o udźwigu do 200 gramów i ważący z dokładnością do 0,1 g (przyda się także podczas wielu innych doświadczeń).

Teraz testowane produkty. Sacharoza to zwykły cukier stołowy. Glukozę znajdziemy w sklepie spożywczym, tam też jest dostępny ksylitol jako zamiennik cukru. [glukoza_ksylitol] Fruktozy poszukajmy na półce z produktami dla diabetyków, natomiast laktoza jest stosowana w domowym piwowarstwie.

Sporządzamy roztwory o stężeniach od 5 do 25% i oznaczamy je w sobie tylko wiadomy sposób (roztwór każdej substancji w kilku stężeniach). Pamiętajmy, że są to produkty przeznaczone do spożycia, należy więc przestrzegać zasad higieny.

Wśród domowników i znajomych poszukajmy chętnych do eksperymentów. Badania słodkości odbywają się w identycznych warunkach jak w przypadku pracy kiperów testujących smaki wina i kawy - niewielką ilością roztworów zwilża się tylko język (bez połykania) i dokładnie płucze usta czystą wodą przed przystąpieniem do smakowania następnego roztworu.

Nie zawsze słodkie cukry

Testowane związki były cukrami (oprócz ksylitolu). W tabeli znajdują się odpowiednie dla nich wartości RS. Cukry proste (glukoza, fruktoza, mannoza, galaktoza) są zwykle słodsze niż dwucukry (sacharoza jest jedynym bardzo słodkim cukrem złożonym). Cukry o większych cząsteczkach (skrobia, celuloza) w ogóle nie są słodkie. Dla odczuwania słodkości ważne jest wzajemne dopasowanie cząsteczki i receptora smaku. Warunek ten dotyczy zwłaszcza rozmiarów molekuły, co tłumaczy większą słodkość cukrów o mniejszych cząsteczkach. Słodkość produktów naturalnych wynika z obecności w nich cukrów – np. w miodzie (RS ok. 100) znajduje się dużo fruktozy.

Ewolucyjnym powodem, dla którego cukry są odbierane jako przyjemne w smaku substancje (co skłania do jedzenia zawierających je produktów), jest ich łatwa przyswajalność i wysoka wartość kaloryczna. Stanowią więc dobre źródło energii, "paliwo" dla komórek naszego ciała. Jednak fizjologiczne przystosowanie, które w czasach praludzi było konieczne dla przetrwania, w epoce łatwego dostępu do żywności jest powodem wielu negatywnych następstw zdrowotnych.

Nie tylko cukry są słodkie

Słodko smakują również związki niecukrowe. Ksylitol był już używany podczas prób określenia słodkości substancji. Jest on naturalną pochodną jednego z rzadziej występujących cukrów i ma RS zbliżone do sacharozy. Stanowi dopuszczony do bezpośredniego spożycia środek słodzący (kod E967), stosowany również do poprawiania smaku past do zębów i gum do żucia. Podobne zastosowanie mają pokrewne związki: mannitol E421 i sorbitol E420.

Model cząsteczek  niektórych cukrów: glukozy(u góry z lewej), fruktozy (u góry z prawej), sacharozy (na dole).

Gliceryna (E422, słodzenie likierów i utrzymywanie wilgotności) oraz aminokwas glicyna (E640, wzmacniacz smaku) to również substancje o słodkim smaku. Nazwy obu związków (a także glukozy i kilku innych) pochodzą od greckiego słowa glykeros, co znaczy "słodki". Gliceryny i glicyny można użyć do prób z określaniem słodkości (o ile są czyste, nabyte np. w aptece). Nie sprawdzajmy natomiast smaku żadnych innych związków!

Białka wydzielone z niektórych egzotycznych roślin także są środkami słodzącymi. W Europie dopuszczono do spożycia taumatynę E957. Jej RS jest ok. 3 tys. razy większe niż sacharozy. Ciekawym związkiem jest mirakulina, która co prawda sama nie ma słodkiego smaku, ale na długo potrafi zmienić sposób działania receptorów języka. Po jej zażyciu nawet sok cytrynowy smakuje bardzo słodko!

Innymi zamiennikami cukru są stewiozydy, czyli substancje wyodrębnione z południowoamerykańskiej rośliny Stevia rebaudiana. To substancje ok. 100-150 razy słodsze od sacharozy. Stewiozydy zostały dopuszczone do użycia jako dodatek do żywności o kodzie E960. Stosuje się je do słodzenia napojów, przetworów, gumy do żucia i jako słodziki stołowe w pastylkach. Mogą być spożywane przez diabetyków.

Z popularnych związków nieorganicznych słodki smak mają sole berylu (początkowo pierwiastek ten zwany był glucynem i miał symbol Gl) oraz ołowiu. Są silnie trujące - zwłaszcza octan ołowiu(II) Pb(CH₃COO)₂, już przez alchemików nazwany cukrem ołowianym. Pod żadnym pozorem nie próbujmy tych związków!

Słodycz z laboratorium

Stewia w doniczce.

Produkty żywnościowe coraz częściej pełne są słodyczy nie ze źródeł naturalnych, ale pochodzących prosto z chemicznego laboratorium. To oczywiście popularne słodziki, których RS jest kilkadziesiąt lub nawet kilkaset razy większe niż sacharozy. Dzięki temu ilość energii pochodząca z minimalnej dawki jest do pominięcia. Gdy substancje nie ulegają spalaniu w organizmie, mają naprawdę "0 kalorii". Najczęściej stosowane to:

• sacharyna E954 - najstarszy sztuczny środek słodzący (odkryta w roku 1879);
• cyklaminian sodu E952;
• aspartam E951 - jeden z najpopularniejszych słodzików. W organizmie związek rozpada się na aminokwasy (kwas asparaginowy i fenyloalaninę) oraz alkohol metanol, więc produkty słodzone aspartamem mają na opakowaniu ostrzeżenie dla chorych na fenyloketonurię (genetyczne upośledzenie metabolizmu fenyloalaniny). Częstym zarzutem pod względem aspartamu jest uwalnianie metanolu, będącego związkiem toksycznym. Jednak typowa dawka aspartamu (przy spożywaniu produktów typu light wynosi najwyżej gram dziennie) prowadzi do powstania metanolu w ilości zaledwie dziesiątych części grama, co nie ma dla organizmu żadnego znaczenia (więcej wytwarza się go w wyniku naturalnych przemian metabolicznych);
• acesulfam K E950;
• sukraloza E955 - pochodna sacharozy, do której wprowadzono atomy chloru. Ten chemiczny "trik" spowodował, że organizm jej nie metabolizuje.

Wadą niektórych sztucznych substancji słodzących jest rozkład podczas obróbki żywności (np. pieczenie). Z tego względu nadają się one tylko do słodzenia wyrobów gotowych, które nie będą już podgrzewane.

Pomimo kuszących właściwości słodzików (słodycz bez kalorii!), skutek ich spożywania często jest przeciwny do zamierzonego. Receptory smaku słodkiego rozsiane są w wielu narządach naszego ciała, również w jelitach. Słodziki pobudzają receptory jelitowe do wysłania sygnału o "nowej dostawie". Organizm nakazuje trzustce rozpocząć produkcję insuliny, która pomaga w przeniesieniu glukozy z krwi do komórek. Gdy jednak zamiast cukru użyto słodzików, glukozy wycofanej do tkanek nie ma czym zastąpić, jej stężenie spada i mózg wysyła sygnały głodu. Mimo zjedzenia wystarczającej porcji pokarmu, organizm nadal nie odczuwa sytości, choć w produktach bezcukrowych znajdują się także inne składniki dostarczające energii. Słodziki zaburzają więc zdolność organizmu do prawidłowej oceny kaloryczności posiłków, czego skutkiem jest uczucie głodu zachęcające do dalszego jedzenia.

Fizjologia i psychologia smaku

Pora na kilka doświadczeń.

Na języku kładziemy duży kryształ cukru (cukier lodowy) i powoli go ssiemy. Płuczemy usta wodą, a następnie sypiemy na język szczyptę cukru pudru (lub drobno rozgniecionego zwykłego cukru). Porównajmy wrażenie wywołane przez oba produkty. Drobnokrystaliczny cukier wydaje się słodszy od cukru lodowego. Powodem jest szybkość rozpuszczania sacharozy, która zależy od powierzchni kryształów (a ta jest - sumarycznie - większa dla drobnych okruchów niż dla jednego dużego kawałka o tej samej masie). Szybsze rozpuszczanie skutkuje szybszą aktywacją większej liczby receptorów na języku i większym wrażeniem słodkości.

W dawnych podręcznikach biologii widniała mapa wrażliwości języka na poszczególne smaki. Według niej szczególnie podatny na słodycz miał być sam koniec naszego narządu smaku. Pałeczkę higieniczną zwilżamy roztworem cukru i dotykamy języka w różnych miejscach: na końcu, u nasady, w środku i po bokach. Prawdopodobnie nie będzie znaczących różnic w reakcji różnych jego obszarów na słodycz. Rozmieszczenie receptorów podstawowych smaków jest praktycznie jednolite na całym języku, a same różnice wrażliwości są bardzo niewielkie.

Na zakończenie coś z psychologii smaku. Sporządzamy roztwory cukru o jednakowym stężeniu, ale każdy z nich w innym kolorze: czerwonym, żółtym i zielonym (barwimy oczywiście barwnikami spożywczymi). Na znajomych, którzy nie znają składu roztworów, przeprowadzamy test słodkości. Najpewniej stwierdzą, że roztwory w czerwonym i żółtym kolorze są słodsze niż zabarwiony na zielono. Wynik próby to również pozostałość rozwoju ewolucyjnego człowieka - owoce o czerwonym i żółtym zabarwieniu są dojrzałe i zawierają dużo cukrów w przeciwieństwie do niedojrzałych owoców w kolorze zielonym.