Đề tài Tài liệu về các chất tạo ngọt không phải saccharose trong sản xuất bánh kẹo

Chương 1: TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC CHẤT TẠO VỊ NGỌT Định nghĩa: [2], [13] Chất tạo ngọt: là phụ gia tạo vị ngọt, chúng được thêm vào thực phẩm như là chất thay thế đường. Đến nay, các nhà khoa học đã tìm thấy hàng trăm chất hóa học có khả năng tạo nên vị ngọt. Chúng được chiết tách từ thực vật hoặc được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp. Tuy nhiên chỉ vài chục chất được phép sử dụng trong công nghệ thực phẩm. Tùy theo quy định của mỗi quốc gia mà danh mục các chất tạo ngọt được phép sử dụng có thể khác nhau. Các nhà khoa học vẫn đang nỗ lực tìm kiếm những chất tạo ngọt mới với các đặc tính kỹ thuật ưu việt hơn để sử dụng trong sản xuất một số loại thực phẩm chức năng. Phân loại: - Dựa vào giá trị dinh dưỡng của chất tạo ngọt, chia thành: + Chất tạo ngọt có giá trị dinh dưỡng – như chất tạo ngọt có nguồn gốc tinh bột, chất tạo ngọt có nguồn gốc trái cây, mật ong, lactose và nước ngọt lấy từ nhựa cây thích. + Chất tạo ngọt không có giá trị dinh dưỡng (hoặc chất tạo ngọt phi carbohydrate). - Chất tạo ngọt cũng có thể được phân loại dựa trên nguồn gốc: + Chất tạo ngọt tự nhiên (tồn tại trong tự nhiên), như carbohydrate, stevioside, thaumatin, glycyrrhizin. + Chất tạo ngọt nhân tạo (sản xuất bằng phương pháp tổng hợp hóa học và không có trong tự nhiên) như sucralose, aspartame, acesulfame-K, cyclamates, saccharin. Bảng 1.1: Tóm tắt sơ lược về những chất có khả năng tạo ngọt Đường saccharose Chất tạo ngọt cường độ mạnh Polyols Fructose Năng lượng cung cấp 4 Kcal/g Thực tế không cung cấp năng lượng 2,4 Kcal/g 4 kcal/g Độ ngọt tương đối 1 30 - 3000 0,4 – 1,0 1,2 Aûnh hưởng lên lượng insulin Mạnh Không ảnh hưởng Yếu Yếu Aûnh hưởng lên hệ thống tiêu hóa Trung lập Không ảnh hưởng Có thể gây nhuận tràng Trung lập Aûnh hưởng lên răng miệng Có thể gây sâu răng Không ảnh hưởng Không ảnh hưởng Có thể gây sâu răng Chất tạo vị ngọt Có giá trị dinh dưỡng Không có giá trị dinh dưỡng Glucid Polyols Tự nhiên Tổng hợp Monosaccharide Disaccharide Hỗn hợp Đơn giản Hỗn hợp - Glucose - Fructose - Galactose - Saccharose - Maltose - Lactose - Đường nghịch đảo - Syrup thúy phân từ tinh bột - Xylitol - Sorbitol - Mannitol - Maltitol - Lactitol - Glucose syrup được hydrogen hóa - Isomalt - Glycyrrhizin - Stevioside - Thaumatin - Monellin - Miraculin - Dihydrochalcone - Saccharine - Cyclamate - Acesulfame - Aspartame - Sucralose - Dulcine Hình 1.1: Cây sơ đồ phân loại các chất tạo ngọt Hình 1.2: Tháp nhu cầu thực phẩm Tính chất cảm quan của các chất tạo ngọt: Độ ngọt: Định nghĩa: [2] Độ ngọt là một trong những tính chất cảm quan, có liên quan đến một mức độ tạo ngọt của sản phẩm, là chỉ tiêu để lượng hóa cường độ ngọt của chất tạo ngọt. Thế nào là độ ngọt tương đối? Độ ngọt tương đối của một chất hóa học thường được so sánh với một chất chuẩn. Saccharose là một chất tạo ngọt chuẩn và theo đó so sánh với những chất tạo ngọt khác. Độ ngọt tương đối của saccharose là 1 hay 100%. Cách duy nhất để đo độ ngọt của một chất là nếm nó. Khi một chất được đặt lên lưỡi, những gai vị giác của lưỡi sẽ giải mã sự sắp xếp hóa học của chất đó và đưa ra những tín hiệu về vị và chuyển nó lên não. Làm thế nào để lượng hóa độ ngọt tương đối của một chất S? Để lượng hóa độ ngọt tương đối của một chất S, cần giả sử là chất S và saccharose có vị ngọt tương đương nhau. Khi đó người ta sẽ sử dụng giá trị tỷ lệ giữa nồng độ dung dịch chất khảo sát S và nồng độ dung dịch saccharose, với điều kiện là hai dung dịch này được xem là có độ ngọt tương đương nhau theo phương pháp đánh giá cảm quan. Đơn vị đo khối lượng thường dùng là phần trăm khối lượng (w/w) hoặc mol/l. Những yếu tố ảnh hưởng đến độ ngọt: [9], [11], [16], [21], [25] Độ ngọt của chất tạo ngọt phụ thuộc vào nồng độ, pH, nhiệt độ và những thành phần hóa học khác như những chất tạo ngọt khác hay những mùi vị khác. Trong một vài trường hợp, tác động tâm lý cũng ảnh hưởng đến cảm nhận vị: nước quả xanh cho cảm giác ít ngọt hơn nước quả đỏ mặc dù chúng chứa cùng một lượng chất tạo ngọt như nhau. - Độ ngọt phụ thuộc vào nhiệt độ: nhiệt độ ảnh hưởng khác nhau đến độ ngọt của các dung dịch đường và tùy thuộc vào nồng độ dung dịch. Độ ngọt của fructose thì phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Hình 1.3 cho thấy ở nhiệt độ thấp fructose ngọt hơn saccharose, nhưng ngược lại độ ngọt lại giảm khi nhiệt độ tăng. Hình 1.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ ngọt tương đối của fructose (Source: Shallenberge RS, Taste Chemistry, 1993) Hình 1.4: So sánh độ ngọt giữa xylitol và đường mía ở các nhiệt độ khác nhau Các nhà khoa học đã làm thí nghiệm như sau để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ ngọt: Mỗi chất tạo ngọt được pha ở nồng độ 2,5%; 5%; 7,5% và 10% saccharose được thí nghiệm với nhiệt độ hot (50oC) hoặc cold (6oC). Và thu được kết quả như sau: Nhìn chung những chất tạo ngọt có cường độ tạo ngọt mạnh thì hầu như tăng độ ngọt thường xuyên bởi nhiệt độ thấp hay cao. Sự tăng nhiệt độ của dung dịch các chất tạo ngọt từ 22oC đến 50oC làm tăng độ ngọt của những chất tạo ngọt mạnh như aspartame, Neo-DHC, rebaudioside-A, và stevioside, đặc biệt là ở nồng độ thấp. Những chất tạo ngọt như saccharose và sorbitol thì có tăng nhẹ độ ngọt khi nhiệt độ tăng với dung dịch có nồng độ thấp nhất. Sự giảm độ ngọt do tăng nhiệt độ xảy ra đối với những chất tạo ngọt (đường và polyhydric alcohols) bao gồm fructose, mannitol, và saccharose. Sự phát hiện này phù hợp với Paulus và Reisch khi cho rằng ngưỡng cảm nhận đường saccharose tăng ở nhiệt độ cao hơn. Ơû nhiệt độ thấp hơn ( khoảng 6oC) ít có ảnh hưởng đến ngưỡng cảm nhận ngọt của các chất tạo ngọt được thí nghiệm. Ơû một vài nồng độ của các chất tạo ngọt có cường độ ngọt cao, khối lượng phân tử lớn (như Neo-DHC, rebaudioside-A, stevioside, và thaumatin) thì tăng đáng kể ở nhiệt độ thấp. Sự giảm cường độ cảm nhận ngọt ở nhiệt độ thấp được tìm thấy ở một vài chất tạo ngọt như fructose, glucose, mannitol, và saccharose. Acesulfame-K, sodium saccharin và sodium cyclamate không có những thay đổi quan trọng về độ ngọt ở bất cứ nồng độ nào trong khoảng nhiệt độ từ 6oC – 50oC. Hình 1.5: Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ ngọt - Độ ngọt phụ thuộc vào nồng độ: nồng độ chất tạo ngọt tăng thì độ ngọt tăng nhưng không tăng tuyến tính mà tăng đến một ngưỡng nào đó đến khi không cảm nhận được nữa. Hình 1.6: Cường độ ngọt (I) của D-glucose, D-fructose và saccharose phụ thuộc vào nồng độ ở những nhiệt độ khác nhau 15, 22 và 35oC Hình 1.7: Cường độ ngọt phụ thuộc nồng độ (D-glucose, D-fructose, saccharose) trong dung dịch có và không có ethanol Hình 1.8: Độ ngọt tương đối của Natri saccharin trong dung dịch phụ thuộc vào nồng độ (Khi ta thay thế dần Natri saccharin bằng saccharose) Hình 1.9: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa cường độ ngọt và nồng độ chất tạo ngọt Cyclamate Natri Hình 1.10: Độ ngọt của acesulfame-K phụ thuộc vào nồng độ - Sự phối trộn hỗn hợp đường: Hỗn hợp những sản phẩm HIS (High Intensity sweeteners) khác nhau thường gây tác dụng tổng hợp là do độ ngọt tổng hợp cao hơn khi sử dụng riêng rẽ các chất tạo ngọt. Hình 1.11 cho thấy ảnh hưởng của hỗn hợp aspartame và acesulfame-K ở 20oC. Hình 1.11: Độ ngọt của hỗn hợp Acesufame-K và Aspartame (Source: von Rymon Lipinsky 1991) Ngoài ra ta còn có hỗn hợp giữa saccharose và các chất tạo ngọt khác. Sự phối trộn này theo những tỷ lệ khác nhau sẽ cho ra hỗn hợp có độ ngọt như mong muốn. Bảng 1.2: Độ ngọt tương đối của hỗn hợp các chất tạo ngọt với saccharose Chất tạo ngọt Độ ngọt tương đối (25oC) Saccharose 1,0 Đường nghịch đảo 0,8 Saccharose:Đường nghịch đảo (30:70) 0,9 Glucose 0,5 – 0,6 Fructose 0,9 – 1,2 Saccharose:Fructose (90:10) 1,0 Saccharose:Fructose (80:20) 1,1 – 1,2 Saccharose:Fructose (50:50) 1,1 – 1,2 Những hỗn hợp khác cũng có thể cho tương tác có lợi. Bảng 1.3 cho thấy điều đó Bảng 1.3: Khả năng cho tương tác có lợi của hỗn hợp HIS Hỗn hợp chất tạo ngọt Tương tác có lợi Aspartame + Acesulfame-K Có Aspartame + Saccharin Có Saccharin + Cyclamate Có Acesulfame-K + Saccharin Không Sucralose + Aspartame Không Sucralose + Acesulfame-K Có Sucralose + Saccharin Có - pH: Độ ngọt thay đổi không đáng kể trong khoảng pH từ 3 đến 7. Tuy nhiên độ chua lại tăng khi pH giảm. Khi nồng độ Na+, Ca2+, K+ ở 5mM không ảnh hưởng đến độ ngọt của bất kỳ chất tạo ngọt nào. Tuy nhiên khi thêm KCl thì có sự tăng nhẹ vị đắng đối với 4 chất tạo ngọt là acesulfame-K, aspartame, fructose, và sucralose. Các nhà khoa học đã làm thí nghiệm như sau để nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến độ ngọt của các chất tạo ngọt: mỗi chất tạo ngọt ở một trong 4 nồng độ 2,5%; 5%; 7,5% và 10% saccharose được thí nghiệm với 5 pH là 3,0; 4,0; 5,0; 6,0 và 7,0. Thí nghiệm diễn ra ở nhiệt độ phòng là 22oC. Và kết quả thu được là: Hình 1.12: Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến độ ngọt - Độ ngọt tương đối của tất cả các chất tạo ngọt cường độ mạnh (HIS) phụ thuộc nhiều vào nồng độ và pH, như hình 1.13. Hình 1.13: Độ ngọt của sucralose phụ thuộc vào pH và nồng độ (Source: Zannoni Low Calorie Foods 1993) Aûnh hưởng của muối: độ ngọt tăng hay giảm tùy thuộc vào loại muối và đường. Ví dụ như khi cho NaCl vào dung dịch đường thì không ảnh hưởng đến độ ngọt mà làm cho dung dịch đường trở nên đắng, vị đắng càng rõ rệt hơn khi cho KCl. Có những nồng độ muối thích hợp khi cho vào từng loại dung dịch đường sẽ làm tăng vị ngọt, do đó chọn nồng độ muối là một điều quan trọng. Hình 1.14: Độ đắng trung bình của các dung dịch chất tạo ngọt khi có mặt các muối Bảng 1.4: Aûnh hưởng của các muối đến dung dịch các chất tạo ngọt Chất tạo ngọt Những ảnh hưởng quan trọng Nhóm Acesulfame-K Đắng Mặn Nhóm 2 Nhóm 1 Aspartame Đắng Mùi cam thảo Mùi kim loại Nhớt Nhóm 2 Nhóm 3 Nhóm 2 Nhóm 1 Fructose Đắng Mặn Nhóm 2 Nhóm 1 Glucose - - Mannitol Mặn Nhóm 1 Na cyclamate - - Na saccharin Mặn Nhóm 1, 2 Rebaudioside-A Ngọt lự (fruity) Nhóm 3 Sorbitol Mặn Mùi kim loại Nhóm 1, 2 Nhóm 2, 3 Sucralose Đắng Nhóm 2 Sucrose Đắng Chua Mặn Nhóm 2, 3 Nhóm 1 Nhóm 1 Với Nhóm 1: dung dịch chất tạo ngọt với CaCl2 và NaCl Nhóm 2: dung dịch chất tạo ngọt với KCl Nhóm 3: dung dịch chỉ có chất tạo ngọt - Độ nhớt: Không có sự thay đổi đáng kể về độ bền ngọt của 3 loại đường glucose, fructose và saccharose khi độ nhớt tăng (xem hình 1.15). Nhìn chung, chỉ có sự thay đổi nhỏ khi độ nhớt thấp (nhỏ hơn 5mPas). Vai trò của các tác nhân tạo nhớt là che giấu vị trí cảm nhận ngọt trên cơ quan cảm nhận vị giác, làm cho chất tạo ngọt khó tiếp xúc với cơ quan này do đó khó cảm nhận được vị ngọt. Ngoại trừ glucose, độ nhớt tăng cũng không ảnh hưởng đến vị ngọt đáng kể. Hình 1.15: Aûnh hưởng của độ nhớt đến độ bền ngọt của dung dịch D-glucose, D-fructose và saccharose So sánh độ ngọt của các chất tạo vị ngọt: [2], [25] Khi tiến hành thực nghiệm để xác định độ ngọt tương đối của các chất tạo vị ngọt, người ta sử dụng dung dịch chuẩn saccharose có nồng độ là 10%, ở nhiệt độ 25oC. Hình 1.16: Độ ngọt tương đối của các chất tạo ngọt Để dễ hình dung, độ ngọt này có thể được mô tả như trên bảng sau: Bảng 1.5: Bảng độ ngọt tương đối của một số chất tạo vị ngọt được sử dụng trong sản xuất bánh kẹo(Moll, 1991) Chất tạo vị ngọt Độ ngọt tương đối Chất tạo vị ngọt Độ ngọt tương đối Monosaccharide Glucose Fructose Disaccharide Saccharose Maltose Lactose Polyols Xylitol Sorbitol Mannitol Lactitol Isomalt 0,69 1,20 1,00 0,30 0,27 1,00 0,4 ÷ 0,6 0,5 0,45 0,5 ÷ 0,6 Chất ngọt không có giá trị dinh dưỡng, nguồn gốc tự nhiên Glycyrrhizin Monelline Stevioside Thaumatine Dihydrochalcone Chất ngọt tổng hợp Saccharine Cyclamate Aspartame Acesulfame K Ducine 50 ÷ 100 1500 ÷ 2000 200 ÷ 300 2000 ÷ 3000 1000 500 35 200 200 250 Ngày nay có nhiều polyol có giá trị, nhưng tất cả chúng ngoại trừ xylitol đều có độ ngọt thấp hơn saccharose. Độ ngọt tương đối của polyol được thể hiện ở hình 1.17 Hình 1.17: Độ ngọt tương đối của rượu đường (polyol) Vị ngọt: 1.2.2.1. Định nghĩa: [2] Vị ngọt là sự cảm nhận của người tiêu dùng khi uống hoặc ăn chất tạo ngọt. Là bản chất của vị do cấu tạo hóa học của nguyên liệu tạo ra. Vị ngọt của đường saccharose được xem là vị ngọt chuẩn. 1.2.2.2. Cơ quan cảm nhận vị ngọt: khả năng cảm nhận vị ngọt tập trung vào gai vị giác trên lưỡi. 1.2.2.3. Những thuyết cảm nhận vị ngọt được biết đến: [10], [28] Thuyết các chất tạo ngọt phải chứa nhiều nhóm hydroxyl và nguyên tử Clo: Sự phát triển của hóa học hữu cơ vào thế kỷ 19 đã đưa ra nhiều hợp chất hóa học và phương pháp xác định cấu trúc hóa học của các chất. Các nhà hóa học hữu cơ trước đây đã cố tình hay vô tình thử nhiều sản phẩm của họ. Một trong những người nỗ lực đầu tiên để thiết lập mối tương quan hệ thống giữa cấu trúc hóa học và vị của chúng là nhà hóa học người Đức Georg Cohn, năm 1914. Oâng ta đã phát triển một giả thuyết là để gợi lên một vị nào đó thì các phân tử phải có một cấu trúc nào đó (được gọi là sapophore) để tạo ra vị. Quan tâm đến vị ngọt, ông ta chú ý rằng những phân tử có chứa nhiều nhóm hydroxyl và các nguyên tử Clo thì cho vị ngọt, và trong số hàng loạt các chất có cấu trúc tương tự, ông nhận thấy những chất có khối lượng phân tử nhỏ hơn thường cho vị ngọt hơn những chất có khối lượng phân tử lớn. Thuyết các chất tạo ngọt phải có cấu trúc glucophore hoặc auxogluc: Năm 1919, Oertly và Myers đã đề xuất một thuyết tỷ mỉ hơn dựa trên thuyết đang hiện hành về màu sắc của thuốc nhuộm tổng hợp. Họ cho rằng để tạo ngọt, các phân tử phải có một trong hai loại cấu trúc sau: glucophore hoặc auxogluc. Dựa trên những chất tạo ngọt đã biết vào thời đó, họ đưa ra một danh sách 6 glucophore và 9 auxogluc. Thuyết AH-B: Vào những năm đầu của thế kỷ 20, thuyết cảm nhận vị ngọt không thu hút sự chú ý nhiều lắm mãi cho đến năm 1967 khi Robert Shallenberger và Terry Acree đưa ra thuyết cảm nhận vị ngọt AH-B. Một cách đơn giản họ cho là để tạo vị ngọt thì chất đó phải cho cấu trúc cho nhận proton, một chất cho có liên kết hidro (AH) và một chất nhận (B) chúng cách nhau 3Å. Theo thuyết này thì AH-B của chất tạo vị ngọt phải liên kết với AH-B tương ứng của cơ quan cảm nhân vị ngọt của lưỡi để tạo ra cảm giác ngọt. Hình 1.18: Mô hình thuyết AH-B (hệ thống cho nhận proton) Hình 1.19: Sự tương tác của các nhóm Hydroxyl lân cận của đường với cấu trúc hình học tương xứng trên cơ quan cảm nhận. Thuyết AH-B-X: Sự phát triển hơn của thuyết AH-B là thuyết AH-B-X được đề xuất bởi Lemont Kier năm 1972. Trong khi những nghiên cứu trước đây không quan tâm là trong một vài nhóm chức của một hợp chất, dường như có mối tương quan giữa các nhóm kỵ nước với độ ngọt. Dựa trên những quan sát đó thuyết này đã cho là để tạo ngọt thì các hợp chất hóa học phải tạo được liên kết thứ 3 (được gán là X) mà có thể tương tác với những chỗ kỵ nước trên cơ quan cảm nhận vị ngọt. Các hợp chất tạo ngọt có chứa các đơn vị AH-B ở đó A và B đều là những nguyên tử mang điện tích âm và cách nhau khoảng 2,4 – 4Å. Vị trí liên kết kỵ nước thứ 3 (X) làm tăng thêm độ ngọt. Hình 1.20: Mô hình thuyết AH-B-X Xem hình glucose và fructose: Glucose Fructose g: liên kết kỵ nước (X) Thuyết 8 điểm: Một thuyết sâu hơn nữa là của Jean-Marie Tinti và Claude Nofre năm 1991. Thuyết này bao gồm 8 vị trí tương tác giữa chất tạo ngọt với cơ quan cảm nhận độ ngọt mặc dù không phải tất cả các chất tạo ngọt đều tương tác với cả 8 vị trí. Thuyết này giúp giải thích và tìm ra những chất tạo ngọt có khả năng tạo ngọt mạnh như chất tạo ngọt guanidine hay lugduname có độ ngọt gấp 225000 lần saccharose. Hậu vị: [2] Định nghĩa: Hậu vị là thời gian lưu của vị ngọt trong miệng của người sau khi sử dụng. Đối với saccharose hậu vị biến mất nhanh. Tùy theo từng loại bánh kẹo mà hậu vị có những ảnh hưởng tiêu cực hay tích cực. Tính chất vật lý của các chất tạo ngọt: Độ tan: Định nghĩa: [4], [5] Độ tan là lượng cực đại chất tan mà có thể hòa tan trong một lượng nhất định nước để tạo thành dung dịch bão hòa ở điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định. Bảng 1.6: Độ tan của một vài loại đường thông dụng Độ hòa tan của “đường” %w/w ở 20oC Saccharose (đường) 67 Dextrose 48 Fructose 79 Lactose 17 Maltose 40 Những yếu tố ảnh hưởng đến độ tan: [4], [9], [24] - Nhiệt độ: Nhiệt độ càng tăng thì độ tan tăng nhưng không tăng tuyến tính mà tăng theo quy luật một đường cong. So với tất cả các loại đường thì fructose là đường hòa tan nhiều nhất. Dung dịch bão hòa ở 20oC là 80% khối lượng và ở 50oC là 87% khối lượng so với saccharose ở 20oC là 67% và ở 50oC là 72%. Khả năng hòa tan của fructose trong rượu ngang bằng với những đường khác. Tính chất này làm cho fructose trở nên hữu dụng trong syrup bánh kẹo – syrup đòi hỏi nồng độ cao và không kết tinh khi có mặt của rượu cồn. Hình 1.21: Độ tan của các polyol phụ thuộc vào nhiệt độ Hình 1.22: Độ tan của acesulfame-K phụ thuộc vào nhiệt độ Ngoài ra độ tan còn phụ thuộc vào cấu trúc đường, trạng thái tập hợp đường và thành phần đường. - Độ tan của hỗn hợp đường: độ tan chung của hỗn hợp ban đầu tăng sau đó giảm và đối với mỗi hỗn hợp có đỉnh cực đại khác nhau. Đường nghịch đảo, glucose syrup và dextrose có cùng ảnh hưởng lên khả năng hòa tan của saccharose. Hình 1.23: Độ hòa tan của saccharose / hỗn hợp nghịch đảo ở 20oC Aûnh hưởng của độ tan đến sản xuất bánh kẹo: Khả năng hòa tan của các loại đường khác nhau đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp sản xuất bánh kẹo. Hai tác dụng không mong muốn dưới đây sẽ xảy ra nếu ta không quan tâm đến độ tan tương đối của đường: - Vi sinh vật: nếu nồng độ chất rắn trong dung dịch thấp hơn 75%w/w thì nấm mốc va