Углеводы − заменители сахара [10-12]

За последние десятилетия наблюдается наиболее интенсивный рост производства заменителей сахара углеводной группы, в частности, инвертированных и крахмальных сиропов. При общемировом объеме производства сахара около 130 млн т общая выработка заменителей сахара составляет до 15-20 млн т сахарного эквивалента. Это привело к относительному снижению потребления сахарозы в чистом виде.

Сахароза. Важнейшее природное подслащивающее вещество (лидер среди натуральных подсластителей) – сахароза. Тривиальные названия – сахар, свекловичный или тростниковый сахар. Сахароза – наиболее дешевое, доступное, чистое органическое вещество, запасы которого можно постоянно восполнять.

Сахарозу извлекают из очищенных, измельчённых стеблей сахарного тростника или корней сахарной свёклы, экстрагируя водой. Далее фильтраты очищают, удаляя примеси, и кристаллизуют, получая сахарный песок или рафинад.

За последнее столетие потребление сахарозы стремительно возрастает, что негативно сказывается на здоровье потребителей, т.к. избыточное потребление сахарозы нарушает обмен веществ, прежде всего обмен углеводов, приводя к сахарному диабету. Кроме того, избыточное потребление сахара является причиной ряда других заболеваний, в частности, ожирения, кариеса, аллергических реакций.

Серьезные изъяны сахарозы как продукта питания и изменение мировоззрения потребителей, отдающих предпочтение нерафинированным продуктам, сохранившим в себе и обогащённым извне ценными микро- и макронутриентами, обусловили необходимость проведения исследований по поиску альтернативных натуральных и созданию новых синтетических заменителей сахара.

Сопоставим ряд свойств сахарозы с другими подслащающими веществами.

Одно из главных потребительских свойств сахарозы - сладость. Существует единица измерения сладости – SES (sweetness equivalency of saccharose – сладость, эквивалентная сахарозе). Сахароза является стандартом в шкале степени сладости и эталоном чистоты сладости.

Сладость сахарозы приравнена к единице. Из 150 наиболее известных заменителей сахара около 50 имеют SES менее 1, около 40 - от 50 до 500 раз, более 30 - слаще более 500 раз (табл. 5).

Таблица 5

Средняя сладость заменителей сахара (по отношению к сахарозе)

Заменитель	Средняя сладость	Заменитель	Средняя сладость
Сорбит	0,6	Сахарол	200 – 300
Маннит	0,7	Глицирризин	100
Ксилит	1,0	Ацетосульфам	150
Высокофруктозные сиропы	1,0	Отизон	150 – 300
Фруктоза	1,2 – 1,5	Аспартам	200
Цикламат	45 – 50	Сахарин	300
Лактулоза	0,55	Перилартин	1300 – 2000
Галактоза	0,63	Оксим В	450

В последнее время с учетом требований диетологии получило интенсивное развитие производство низкокалорийных продуктов, продуктов для людей, страдающих рядом заболеваний (в первую очередь диабетом), что обусловило расширение выпуска заменителей сахарозы как природного происхождения (в нативном или модифицированном виде), так и синтетического, в том числе синтетических интенсивных подсластителей. Они могут обладать той же сладостью, быть более интенсивными подсластителями, отличаясь от сахарозы по сладости в сотни раз.

Высокий коэффициент сладости позволяет, применяя их, производить низкокалорийные, диетические продукты, полностью или частично лишенные легкоусвояемых углеводов. Низкая концентрация интенсивных подсластителей в готовой продукции, кстати, уменьшает риски их применения по показателям безопасности.

Сравнительная оценка некоторых подсластителей по энергетическому уровню и коэффициенту сладости приведена в табл. 6.

Очевидно, что полиолы и подсластители по своим свойствам существенно отличаются от сахарозы.

Таблица 6

Сравнительная оценка сахарозы и отдельных групп подсластителей

Показатели	Сахароза	Подсластители	Полиолы	Фруктоза
Энергетический уровень, ккал/г	4,0	фактически не имеют калорийности	2,4	4,0
Окончание табл. 6
Показатели	Сахароза	Подсластители	Полиолы	Фруктоза
Коэффициент сладости	1,0	30 - 3500	0,5 - 0,7	1,2
Влияние на уровень инсулина	сильное	не влияют	слабое	слабое
Влияние на пищеварительную систему	нейтральное	не влияют	возможен слабительный эффект	нейтральное
Влияние на состояние зубов	может вызывать кариес	не влияют	не влияют	может вызывать кариес

В то же время необходимо отметить, что исключение сахарозы из рецептур некоторых продуктов питания в технологическом отношении является сложной задачей, так как сахароза выполняет не только роль подсластителя, но и оказывает влияние на структурно-механические свойства продукта.

Глюкоза. В медицине глюкоза применяется в различных препаратах, в том числе для производства витамина С, антибиотиков, для внутривенных вливаний. Техническая глюкоза представляет собой твёрдые куски неопределённой формы тёмно-коричневого цвета. Глюкоза находит применение в качестве восстановителя в кожевенном производстве, в текстильном при производстве вискозы, в качестве питательной среды при выращивании различных видов микроорганизмов, в медицинской и микробиологической промышленности.

Наиболее совершенный технически способ получения глюкозы - ферментативный гидролиз крахмала и крахмалсодержащего сырья. В результате получается пищевая порошкообразная, кусковая или гранулированная глюкоза, а также медицинская глюкоза.

В последние десятилетия большое распространение получило производство глюкозно-фруктозных сиропов (ГФС). Получаемая при этом глюкоза частично превращается затем во фруктозу, при этом может достигаться разное соотношение глюкозы и фруктозы. Теоретически первоначальный выход глюкозы составляет 97 частей на 100 частей крахмала. Техническую глюкозу вырабатывают в небольших количествах кислотным гидролизом низкокачественного картофельного, кукурузного или другого зернового крахмала, предназначенного для технических целей. Брожение глюкозы, содержащейся в соке винограда и фруктов, − одна из стадий в производстве вина, а содержащейся в гидролизатах крахмала и древесины − в производстве этанола.

Пищевая глюкоза, полученная путем гидролиза крахмала с применением серной кислоты, обладает сладким вкусом с едва заметным привкусом горечи, при гидролизе с применением соляной кислоты глюкоза приобретает слегка солоноватый вкус. Такая глюкоза при хранении в сыром месте может заплесневеть, а в сухом – высохнуть до содержания влаги 9-10 %. Пищевую глюкозу улучшенного качества можно получить, применяя при гидролизе щавелевую кислоту.

Глюкозу получают также одновременно с фруктозой путем гидролиза сахарозы, в результате чего образуется так называемый инвертный сахар, содержащий глюкозу и фруктозу в соотношении 1:1. Растворы сахарозы и глюкозы вращают плоскополяризованный свет вправо, а фруктоза более сильно – влево, в результате раствор инвертного сахара имеет левое вращение, т.е. наблюдается обращение (инверсия) угла вращения плоскополяризованного света.

Если взять раствор, содержащий сахарозу и глюкозу в соотношении 10:1, то путем сгущения его и последующего быстрого охлаждения можно получить белоснежную массу − помадный сахар. При высушивании этой массы получают порошкообразный помадный сахар, состоящий из мелких кристаллов сахарозы и инвертного сахара. При смешивании порошкообразного сахара с водой быстро образуется паста. Помадный сахар находит всё большее распространение в кондитерской промышленности при производстве шоколада, начинок для мягких конфет и пр.

В мире насчитывается более 50 специализированных предприятий по выработке глюкозы, 35 из которых расположены в Европе.

Фруктоза. Эта моноза, известная также под названиями фруктовый сахар и левулёза, относится к группе кетогексоз. Эмпирическая формула - С₆Н₁₂О₆, молекулярная масса 180,16.

Она является самой сладкой из природных сахаров, сладость её составляет 1,73. Фруктоза хорошо растворяется в воде и этиловом спирте, плавится при температуре 102-105 °С, образует безводные кристаллы в виде игл.

При обмене веществ в организме человека фруктоза, наряду с сахарозой, является источником энергии. По калорийности равная сахарозе, фруктоза эффективно усваивается человеческим организмом и может быть использована диабетиками в качестве ежедневного компонента пищи в пределах 0,5−1 г на 1 кг массы человека за исключением крайне редко встречающихся случаев наследственной невосприимчивости к фруктозе. Применение фруктозы больными сахарным диабетом позволяет снизить дозы принимаемого ими инсулина.

Благодаря повышенной по сравнению с сахарозой степенью сладости фруктозу используют в кондитерской промышленности, при приготовлении продуктов детского питания, при изготовлении ряда медицинских препаратов. Гигроскопичность фруктозы позволила рекомендовать её при изготовлении хлебобулочных изделий (предохраняет их от быстрого очерствения), при приготовлении соков, варенья, десертов, так как фруктоза лучше других сахаров способна подчеркивать собственный аромат плодов, фруктов и ягод. В отдельных случаях её присутствие может усилить горький вкус низкокачественного кофе, компонентов какао.

Однако гигроскопичность фруктозы приводит к повышенным требованиям к упаковочным материалам для продуктов, содержащих фруктозу.

Сладость растворов фруктозы зависит от концентрации раствора, его температуры, кислотности (рН), срока хранения. Например, сладость свежеприготовленного 5-процентного раствора фруктозы при комнатной температуре составляет примерно 1,45, а на следующий день - всего 1,25. Если при 15 ^оС сладость раствора фруктозы составляет примерно 1,3, то при 40 ^оС она равна сладости сахарозы. При охлаждении нагретых растворов фруктозы сладость их снова повышается.

Фруктоза широко распространена в растительном мире в плодах, в пчелином мёде, она также входит в состав олигосахаридов (сахарозы, раффинозы, генцианозы, стахиозы) и полисахаридов (фруктозанов, леванов). Прежде относительно чистую фруктозу выделяли довольно сложным путем из инулина − полисахарида растительного происхождения, которого достаточно много содержится в земляной груше (топинамбуре) и в клубнях георгина, но она трудно кристаллизуется из-за высокой растворимости. В настоящее время сырьем для получения фруктозы служит любой сахарный раствор с высоким содержанием фруктозы, особенно глюкозно-фруктозные сиропы (ГФС), получаемые из крахмалсодержащего сырья. Ещё в середине XIX века предпринимались попытки получения кристаллической фруктозы непосредственно из сахарозы, но далее лабораторных опытов это не пошло.

Важным свойством фруктозы является её синергическая способность в смеси с другими синтетическим заменителями сахара (подсластителями), т.е. способность проявлять более высокую степень сладости (синергетика - комбинированное воздействие нескольких веществ, характеризующееся тем, что превышает действие, оказываемое каждым из компонентов в отдельности). Например, сладость смеси из 99,7 % фруктозы и 0,3 % сахарина в 3–4 раза выше сладости сахарозы. Сладость смеси из трети фруктозы и двух третей сахарозы равна сладости фруктозы, что позволяет уменьшать расход сахарозы при приготовлении различных продуктов.

На основе фруктозы получают различные патоки, искусственный мёд, начинки, напитки, мороженое, консервы. Создана смесь фруктозы и витамина С - фруктовит, 40 г которого заменяют почти 70 г сахарозы.

В мире насчитывается более 20 предприятий по производству фруктозы, из них большинство размещены в Европе и в Китае. Мировое производство кристаллической фруктозы составляет около 150 тыс. т в год.

Технологические свойства фруктозы несколько отличаются от сахара и предоставляют технологам возможность извлечь преимущества из более высокого сахарного эквивалента, синергизма с другими сахарозаменителями и интенсивными подсластителями и взаимодействия с другими ингредиентами пищевого продукта.

Эффективность использования фруктозы как заменителя сахара обусловлена: интенсивной сладостью; синергизмом с другими сахарозаменителями и подсластителями; синергизмом с крахмалом; усилением вкуса и аромата; влагоудерживающими свойствами; высокой растворимостью; более высоким осмотическим давлением (для более сбалансированного всасывания). К преимуществам применения фруктозы можно отнести снижение калорийности готового продукта; чистый приятный вкус; ускоренное структурирования крахмала; усиление прочности геля; улучшение вкусоароматических характеристик (например, усиление фруктовых, шоколадных и коричных вкусов), снижение активности воды (позволяющее продлить срок годности и сохранение мягкой, влажной структуры), увеличение срока годности продукта; снижение концентрации подсластителей, ароматизаторов и кислот.

Ее целесообразно использовать при изготовлении сухих напитков, спортивных напитков и обогащенных фруктовых вод, начинок для выпечки, оболочек для зерновых продуктов; выпечек, йогуртов, пудингов и желе, кондитерских изделий и низкокалорийных продуктов и напитков.

Усиление вкуса и аромата. Фруктоза обладает свойством усиливать интенсивность вкуса ряда ароматизаторов и кислот, а также уменьшать привкус горечи. Вкусовые ноты, которые усиливаются фруктозой, включают шоколадные, фруктовые, пряные, карамельные и другие сладкие вкусы. Продукты, содержащие яблочную кислоту, приобретают более терпкий кислый вкус, если сахар замещен в них фруктозой. Это свойство фруктозы позволяет снижать рецептурные закладки ароматизаторов и кислот.

Взаимодействие с крахмалом. Моносахариды, в частности фруктоза, заметно изменяют функциональные свойства крахмала, особенно температуры клейстеризации и вязкости конечного раствора. Это влияние часто сопоставляют с влиянием, оказываемым сахарозой. Но из упомянутых сахаров фруктоза проявляет наиболее выраженное влияние на крахмал. В присутствии фруктозы крахмал ведет себя иначе, что обусловлено физическими и химическими свойствами фруктозы, воздействием на молекулу крахмала и влажностью пищевого продукта. По сравнению с сахарозой и глюкозой фруктоза при взаимодействии с крахмалом обеспечивает более низкие температуры клейстеризации. Взаимодействие фруктозы и крахмала имеет следующие преимущества: снижение температуры клейстеризации при выпечке; уменьшение времени структурообразования; снижение рецептурного количества крахмала или возможность использования менее дорогого крахмала; улучшение текстуры; улучшение вкусовых характеристик.

Снижение активности воды. Фруктоза - один из наиболее эффективных моносахаридов, связывающих влагу. Растворимость фруктозы почти в 2 раза выше, чем сахарозы, при этом активность воды её насыщенного раствора самая низкая из всех сахаров и сахарозаменителей. Комбинация функциональных свойств фруктозы - влагоудерживающих свойств, высокой растворимости и слабой тенденции к рекристаллизации - предоставляет большие возможности при разработке продуктов промежуточной влажности (кусочки фруктов для зерновых завтраков, фруктовые оболочки, фруктовые батончики и др.). Использование фруктозы позволяет снизить активность воды при сохранении заданной влажности. Упомянутая способность фруктозы снижать активность воды, одновременно положительно влияя на вкус и сладость, делает ее весьма приемлемой, когда в рецептуре продукта требуется сладкий влагоудерживающий агент, способный обеспечить максимальный срок годности.

Растворимость. Кристаллическая фруктоза обладает более высокой растворимостью в воде по сравнению с сахарозой и глюкозой при всех температурах, более быстрой растворимостью в спирте, более слабой тенденцией к кристаллизации в системах с высоким содержанием сухих веществ. Поэтому рецептуры с большим содержанием сладких сухих веществ могут быть переформулированы с использованием фруктозы без опасности рекристаллизации сахаров. Рекристаллизация является причиной ряда проблем, включая снижение сладости продукта, песчанистость и замутнение. Она может также негативно сказаться при упаковывании продукта. Фруктоза позволяет успешно разрабатывать продукты промежуточной влажности, в которых рекристаллизация нежелательна - мягкие и пропитанные бисквиты, батончики и пирожные.

Крахмал. Все более широкое распространение находят крахмальные патоки. Освоен широкий спектр отечественных крахмальных паток, получаемых путем ферментативного гидролиза крахмала (практически из любых крахмалсодержащих продуктов). Эти патоки прозрачны, почти бесцветны, обладают чистым сладким вкусом.

Карамельную патоку вырабатывают с повышенным содержанием мальтозы, что важно при производстве леденцовой карамели. Мальтозная и глюкозно-мальтозная патоки являются новыми видами сахаристых продуктов из крахмала.

Благодаря низкому содержанию глюкозы мальтозная патока не кристаллизуется в процессе хранения, она малогигроскопична, что важно для кондитерской промышленности, так как требует меньшего количества добавляемого сахара. Мальтозная патока отвечает требованиям, предъявляемым к заменителям сахара при производстве продуктов детского питания, так как сахароза и глюкоза могут являться аллергенами. Низкоосахаренная патока широко применяется при производстве замороженных молочных изделий, мармеладов, а высокоосахаренная - в кондитерской, консервной и других отраслях.

Мальтозная и глюкозно-мальтозная патоки содержат большое количество сбраживаемых сахаров (соответственно до 65 % и свыше 70 %), что позволяет широко применять их в пивоварении, где они оказывают положительное влияние на вкус и вязкость пива.

Глюкозно-мальтозная патока отличается наибольшей сладостью и наименьшей вязкостью, что позволяет вырабатывать её с высоким содержанием сухих веществ (до 83,5 %), при этом она не кристаллизуется в процессе хранения. Содержание глюкозы в ней не превышает 38 %, что позволяет применять её в качестве заменителя сахарозы в виноделии, хлебопечении, консервировании, при производстве напитков и т.д. Кроме того, глюкозно-мальтозную патоку можно использовать как готовый продукт для приготовления в домашних условиях вин, варенья, плодово-ягодных консервов, кваса, выпечки и пр.