Aspartam

Latar Belakang

Aspartam adalah pemanis buatan yang digunakan dalam makanan rendah kalori. Ini terutama berasal dari dua asam amino alami yang digabungkan secara kimia dan diberi nama kimia N-L-aaspartyl-L-phenylalanine-l-methyl ester (APM). Ditemukan secara tidak sengaja pada tahun 1965, kemudian dipatenkan dan saat ini merupakan pemanis buatan yang paling banyak digunakan di Amerika Serikat.

Aspartam adalah bubuk kristal putih, tidak berbau. Ini sekitar 200 kali lebih manis dari gula dan mudah larut dalam air. Ini memiliki rasa manis tanpa bahan kimia pahit atau aftertaste logam yang dilaporkan dalam pemanis buatan lainnya. Sifat-sifat ini menjadikannya bahan yang baik untuk digunakan sebagai pengganti gula dalam banyak resep makanan. Namun, aspartam cenderung berinteraksi dengan rasa makanan lain, sehingga tidak dapat menggantikan gula dengan sempurna. Resep untuk makanan yang dipanggang, permen, dan produk lainnya harus dimodifikasi jika menggunakan aspartam. Meskipun aspartam dapat digunakan dalam resep microwave, aspartam sensitif terhadap pemanasan yang ekstensif, yang membuatnya tidak cocok untuk memanggang.

Fakta bahwa aspartam memberikan rasa manis dan rasa tanpa memberikan karakteristik fisik lain seperti curah atau kalori seperti pemanis lainnya membuatnya unik. Sifat lain yang bermanfaat adalah memiliki efek sinergis dengan pemanis lain, sehingga memungkinkan penggunaan pemanis total yang lebih sedikit. Selain pemanis makanan, aspartam digunakan untuk mengurangi kalori, dan mengintensifkan dan memperpanjang rasa buah.

Sejarah

Manusia telah menginginkan makanan dengan rasa manis selama ribuan tahun. Lukisan gua kuno di Arana di Spanyol menunjukkan seorang pria neolitik mengambil madu dari sarang lebah liar. Ada anggapan bahwa manusia purba mungkin menggunakan rasa manis dari makanan untuk memberi tahu mereka makanan mana yang aman untuk dimakan. Bahkan diperkirakan keinginan akan rasa manis mungkin merupakan sifat bawaan manusia. Sayangnya, banyak makanan yang secara alami manis mengandung kalori dan karbohidrat dalam jumlah yang relatif besar.

Pemanis alternatif dikembangkan untuk memberikan rasa manis tanpa kalori yang tidak perlu. Mereka juga memberikan manfaat tambahan untuk meningkatkan kelezatan obat-obatan, membantu dalam pengelolaan diabetes, dan menyediakan sumber yang hemat biaya di mana gula tidak tersedia. Yang pertama, sakarin, ditemukan pada tahun 1879 dan telah digunakan dalam produk-produk seperti pasta gigi, obat kumur, dan permen karet tanpa gula.

Rasa aspartam yang seperti gula ditemukan secara tidak sengaja oleh James Schlatter, seorang peneliti obat Amerika di G.D. Searle and Co. pada tahun 1965. Saat mengerjakan obat antiulkus, dia secara tidak sengaja menumpahkan beberapa APM di tangannya. Mengira bahwa bahan itu tidak beracun, dia melakukan pekerjaannya tanpa mencucinya. Dia menemukan rasa manis APM ketika dia menjilat jarinya untuk mengambil selembar kertas timbang. Terobosan awal ini kemudian membawa perusahaan untuk menyaring ratusan versi modifikasi dari APM. Namun, tidak satu pun dari bahan-bahan ini menawarkan semua keuntungan yang ditemukan dalam senyawa asli, termasuk pembuatan yang ekonomis, kualitas dan potensi rasa yang sangat baik, jalur metabolisme alami untuk pencernaan, stabilitas yang sangat baik, dan toksisitas yang sangat rendah. Akibatnya, perusahaan mengejar dan diberikan paten Amerika Serikat 3.492.131 dan berbagai paten internasional, dan penemuan awal dikomersialkan. Paten AS berakhir pada tahun 1992, dan teknologinya sekarang tersedia untuk perusahaan mana pun yang ingin menggunakannya.

Setelah bertahun-tahun melakukan pengujian toksisitas, FDA pada awalnya menyetujui penggunaan aspartam sebagai pemanis pada tahun 1980. Namun, ciri khas bahan kimia sintetis yang digunakan dalam produk makanan adalah keamanannya terus-menerus diawasi. Aspartam tidak terkecuali dan telah dikelilingi oleh beberapa kontroversi mengenai keamanannya sejak diperkenalkan. Sebagian besar kekhawatiran ini dihentikan pada akhir 1984, ketika setelah menyelidiki berbagai keluhan terkait aspartam, FDA dan Pusat Pengendalian Penyakit menyimpulkan bahwa zat tersebut aman dan tidak mewakili risiko kesehatan yang meluas. Kesimpulan ini selanjutnya didukung oleh American Medical Association pada tahun 1985, dan aspartam telah memperoleh pangsa pasar sejak saat itu. Selain penggunaannya di Amerika Serikat, aspartam juga telah disetujui untuk digunakan di lebih dari 93 negara asing.

Aspartam telah dipasarkan sejak 1983 oleh Searle dengan merek NutraSweet' dan Equal'. Saat ini, NutraSweet' adalah bahan yang sangat populer dan digunakan di lebih dari 4.000 produk, termasuk permen karet, yogurt, minuman ringan diet, jus buah, puding, sereal, dan campuran minuman bubuk. Di AS saja, penjualan NutraSweet® mencapai $705 juta pada tahun 1993, menurut perusahaan.

Bahan Baku

Aspartam terutama berasal dari senyawa yang disebut asam amino. Ini adalah bahan kimia yang digunakan oleh tumbuhan dan hewan untuk membuat protein yang penting bagi kehidupan. Dari 20 asam amino alami, dua di antaranya, asam aspartat dan fenilalanin, digunakan dalam pembuatan aspartam.

Semua molekul asam amino memiliki beberapa karakteristik umum. Mereka terdiri dari gugus amino, gugus karboksil, dan rantai samping. Sifat kimia dari rantai samping inilah yang membedakan berbagai asam amino. Karakteristik lain dari asam amino adalah kemampuan untuk membentuk konfigurasi molekul yang berbeda yang dikenal sebagai isomer. Isomer ini dilambangkan dengan huruf L dan D. Aspartam hanya terdiri dari isomer L, L; tidak ada kombinasi isomer lainnya yang terasa manis. Rasa manis aspartam tidak dapat diprediksi dengan melihat dua asam amino yang menjadi asalnya. Asam L-aspartat memiliki rasa datar dan L-fenilalanin terasa pahit. Namun, ketika kedua senyawa tersebut digabungkan secara kimia dan L-fenilalanin sedikit dimodifikasi, rasa manis akan tercapai.

Asam aspartat adalah salah satu dari lima asam amino yang memiliki gugus samping "bermuatan". Gugus sisi yang bermuatan pada asam aspartat adalah (-CH ₂ -COOH). Ketika dimasukkan ke dalam air, bahan ini terionisasi dan menjadi bermuatan negatif. Fenilalanin memiliki gugus samping hidrofobik nonpolar yang tidak kompatibel dengan air. Ini terdiri dari enam cincin karbon dan melekat pada tulang punggung asam amino utama melalui metil (-CH ₂ ) kelompok. Sebelum disintesis menjadi aspartam, direaksikan dengan metanol. Ini menambahkan gugus metil yang dihubungkan ke molekul oleh oksigen, dan senyawa diubah menjadi metil ester. Metanol yang dibutuhkan untuk sintesis aspartam memiliki struktur kimia (CH ₃ -OH). Ini adalah bahan yang sangat umum dan digunakan secara luas oleh ahli kimia organik untuk berbagai sintesis kimia.

Manufaktur
Proses

Meskipun komponennya—asam aspartat, fenilalanin, dan metanol—terdapat secara alami dalam makanan, aspartam itu sendiri tidak dan harus dibuat. NutraSweet' (aspartam) dibuat melalui proses fermentasi dan sintesis.

Fermentasi

Fermentasi langsung menghasilkan asam amino awal yang dibutuhkan untuk pembuatan aspartam. Dalam proses ini, jenis bakteri tertentu yang memiliki kemampuan untuk menghasilkan asam amino tertentu dibangkitkan dalam jumlah besar. Selama sekitar tiga hari, asam amino dipanen dan bakteri dihancurkan.

• 1 Untuk memulai proses fermentasi, sampel dari biakan murni bakteri dimasukkan ke dalam tabung reaksi yang berisi nutrisi yang diperlukan untuk pertumbuhannya. Setelah inokulasi awal ini bakteri mulai berkembang biak. Ketika populasi mereka cukup besar, mereka dipindahkan ke tangki benih. bakteri Strain yang digunakan untuk membuat asam L-aspartat dan L-fenilalanin adalah B. flavum dan C. glutamicum masing-masing.
• 2 Tangki benih menyediakan lingkungan yang ideal untuk menumbuhkan lebih banyak bakteri. Itu diisi dengan hal-hal yang dibutuhkan bakteri untuk berkembang, termasuk air hangat dan makanan karbohidrat seperti tetes tebu, glukosa, atau sukrosa. Ini juga memiliki sumber karbon seperti asam asetat, alkohol atau hidrokarbon, dan sumber nitrogen seperti amonia cair atau urea. Ini diperlukan bagi bakteri untuk mensintesis sejumlah besar asam amino yang diinginkan. Faktor pertumbuhan lain seperti vitamin, asam amino, dan nutrisi kecil melengkapi isi tangki benih. Tangki benih dilengkapi dengan mixer, yang membuat media pertumbuhan bergerak, dan pompa, yang mengalirkan udara terkompresi yang disaring. Ketika pertumbuhan bakteri cukup, isi dari tangki benih dipompa ke tangki fermentasi.
• 3 Tangki fermentasi pada dasarnya adalah versi yang lebih besar dari tangki benih. Itu diisi dengan media pertumbuhan yang sama yang ditemukan di tangki benih dan juga menyediakan lingkungan yang sempurna untuk pertumbuhan bakteri. Di sini bakteri dibiarkan tumbuh dan menghasilkan sejumlah besar asam amino. Karena kontrol pH sangat penting untuk pertumbuhan yang optimal, air amonia ditambahkan ke tangki seperlunya.
• 4 Ketika asam amino cukup, isi tangki fermentasi dipindahkan keluar sehingga isolasi dapat dimulai. Proses ini dimulai dengan pemisah sentrifugal, yang mengisolasi sebagian besar asam amino bakteri. Asam amino yang diinginkan selanjutnya dipisahkan dan dimurnikan dalam kolom penukar ion. Dari kolom ini, asam amino dipompa ke tangki kristalisasi dan kemudian ke pemisah kristal. Mereka kemudian dikeringkan dan disiapkan untuk fase sintesis produksi aspartam.

Sintesis

Aspartam dapat dibuat dengan berbagai jalur kimia sintetik. Secara umum, fenilalanin dimodifikasi melalui reaksi dengan metanol dan kemudian dikombinasikan dengan asam aspartat yang sedikit dimodifikasi yang akhirnya membentuk aspartam.

• 5 Asam amino yang berasal dari proses fermentasi awalnya dimodifikasi untuk menghasilkan aspartam. Fenilalanin direaksikan dengan metanol menghasilkan senyawa yang disebut L-fenilalanin metil ester. Asam aspartat juga dimodifikasi sedemikian rupa untuk melindungi berbagai bagian molekul dari efek reaksi lebih lanjut. Salah satu metode adalah dengan mereaksikan asam aspartat dengan zat yang menghasilkan cincin benzil ditambahkan untuk melindungi situs tersebut. Ini memastikan bahwa reaksi kimia lebih lanjut hanya akan terjadi pada bagian tertentu dari molekul asam aspartat.
• 6 Setelah asam amino dimodifikasi dengan tepat, mereka dipompa ke tangki reaktor, di mana mereka dibiarkan bercampur pada suhu kamar selama 24 jam. Suhu kemudian ditingkatkan menjadi sekitar 149°F (65 °C) dan dipertahankan selama 24 jam lagi. Reaksi kemudian didinginkan sampai suhu kamar. Ini diencerkan dengan pelarut yang sesuai dan didinginkan sampai sekitar 0°F (-18°C), menyebabkan kristalisasi. Kristal kemudian diisolasi dengan penyaringan dan dikeringkan. Kristal ini merupakan perantara aspartam yang harus dimodifikasi lebih lanjut.
• 7 Zat antara diubah menjadi aspartam dengan mereaksikannya dengan asam asetat. Reaksi ini dilakukan dalam tangki besar yang diisi dengan larutan asam berair, katalis logam paladium, dan hidrogen. Ini dicampur secara menyeluruh dan dibiarkan bereaksi selama sekitar 12 jam.

Pemurnian

• 8 Katalis logam dihilangkan dengan penyaringan, dan pelarut didistilasi, meninggalkan residu padat. Residu ini dimurnikan dengan melarutkannya dalam larutan etanol berair dan direkristalisasi. Kristal-kristal ini disaring dan dikeringkan untuk menghasilkan aspartam bubuk yang sudah jadi.

Kontrol Kualitas

Kualitas senyawa diperiksa secara teratur selama proses pembuatan. Yang paling penting adalah pemeriksaan kultur bakteri yang sering selama fermentasi. Juga, berbagai sifat fisik dan kimia dari produk jadi diperiksa, seperti tingkat pH, titik leleh, dan kadar air.

Masa Depan

Saat ini, hanya ada tiga pemanis alternatif di Amerika Serikat yang dapat digunakan dalam produk makanan. Sementara aspartam mungkin salah satu yang terbaik yang tersedia, para ilmuwan mencari cara baru untuk membuat pemanis ini terasa seperti gula. Penelitian mereka telah difokuskan di tiga bidang, termasuk menemukan turunan baru, memadukan pemanis, dan meningkatkan efisiensi aspartam.

Sebagian besar pekerjaan turunan kimia berpusat pada menemukan senyawa yang akan cocok dengan reseptor perasa lebih baik daripada aspartam tradisional. Menggunakan aspartam sebagai modelnya, para peneliti percaya bahwa mereka akan dapat meningkatkan berbagai karakteristik dengan melakukan sedikit modifikasi. Misalnya, mereka telah menemukan bahwa ketika asam L-aspartat saja yang dimodifikasi dengan cara tertentu, menghasilkan produk yang memiliki rasa manis. Penemuan masa depan kemungkinan akan fokus pada jenis turunan ini.

Bidang penelitian lain berfokus pada peningkatan stabilitas panas aspartam. Dengan menggunakan teknologi enkapsulasi, aspartam telah dikembangkan yang dapat digunakan dalam makanan yang dipanggang dan campuran kue. Hasil tes awal positif, dan persetujuan FDA telah diberikan untuk aplikasi roti.

Karena hanya tiga pengganti gula sintetis yang saat ini disetujui untuk digunakan dalam makanan di AS, menggabungkan pemanis buatan dalam produk menjadi kemajuan teknologi yang penting. Di sini, para ilmuwan menggabungkan dua atau tiga pemanis dalam upaya membuat produk terasa lebih seperti gula.