ساخارین (Saccharin)؛ نخستین شیرین‌کننده مصنوعی جهان

ساخارین (Saccharin) یکی از قدیمی‌ترین و شناخته‌شده‌ترین شیرین‌کننده‌های مصنوعی است که بیش از یک قرن در صنایع غذایی، دارویی و بهداشتی مورد استفاده قرار گرفته است. این ماده به دلیل قدرت شیرین‌کنندگی بسیار بالا، کالری ناچیز و پایداری حرارتی مناسب، جایگاه ویژه‌ای در تولید محصولات رژیمی و بدون قند پیدا کرده است. امروزه ساخارین در کنار سایر شیرین‌کننده‌های مصنوعی مانند آسپارتام، سوکرالوز و آسه‌سولفام پتاسیم، یکی از مهم‌ترین جایگزین‌های شکر محسوب می‌شود.

تاریخچه کشف ساخارین

در سال ۱۸۷۹ توسط شیمیدان روسی کنستانتین فالبرگ (Constantin Fahlberg) هنگام تحقیق در آزمایشگاه شیمی دانشگاه جانز هاپکینز آمریکا کشف شد. گفته می‌شود وی پس از پایان کار آزمایشگاهی، بدون شستن کامل دست‌های خود متوجه طعم بسیار شیرین نان شد و پس از بررسی دریافت که این شیرینی ناشی از ترکیب جدیدی است که در آزمایشگاه سنتز شده بود.پس از ثبت اختراع، ساخارین به سرعت وارد بازار شد و در دوران کمبود شکر، به‌ویژه طی جنگ جهانی اول و جنگ جهانی دوم، استفاده از آن به شدت افزایش یافت.

ساختار شیمیایی ساخارین

نام شیمیایی آن : بنزوئیک سولفیمید (Benzoic Sulfimide) با فرمول مولکولی: ​​\( \mathrm{C_7H_5NO_3S} \)​که  جرم مولی آن تقریباً برابر 183.18 گرم بر مول است . معمولاً به صورت نمک‌های سدیم ، کلسیم و پتاسیم نیز تولید می‌شود . نمک سدیم آن بیشترین کاربرد صنعتی را دارد زیرا انحلال‌پذیری بیشتری در آب دارد.

واکنش تشکیل سدیم ساخارین :​\( \mathrm{C_7H_5NO_3S + NaOH \rightarrow C_7H_4NO_3SNa + H_2O} \)​

واکنش یونش : ​\( \mathrm{C_7H_5NO_3S \rightleftharpoons C_7H_4NO_3S^- + H^+} \)​

میزان شیرینی ساخارین تقریباً ۳۰۰ تا ۵۰۰ برابر شیرین‌تر از ساکارز (شکر معمولی) است. این مقدار بسته به غلظت محلول، دما و نوع ماده غذایی می‌تواند کمی تغییر کند.به دلیل قدرت شیرین‌کنندگی بالا، مقدار بسیار اندکی از آن برای ایجاد طعم شیرین کافی است.

ویژگی‌های فیزیکی ساخارین

پودر سفید رنگ ، بدون بو ، محلول در آب (به ویژه نمک سدیم) ، مقاوم در برابر حرارت ، مقاوم در محیط اسیدی، پایدار در زمان نگهداری طولانی

خواص شیمیایی

می توان گفت که در برابر حرارت پخت ، پاستوریزاسیون ، استریلیزاسیون ، محیط اسیدی نوشابه‌ها و اکسیداسیون پایداری بسیار خوبی دارد.به همین دلیل در صنایع غذایی کاربرد فراوانی دارد.

هیدرولیز در محیط بازی ( قلیایی ) قوی : ​\( \mathrm{Saccharin \xrightarrow[\Delta]{NaOH} \; Sulfonamide\; Derivatives} \)​

اکسایش ساخارین : ​\( \mathrm{Saccharin \xrightarrow{KMnO_4} Oxidation\; Products} \)​

ارزش غذایی

تقریباً فاقد کالری است زیرا بدن انسان آن را متابولیزه نمی‌کند.پس از مصرف، تقریباً بدون تغییر از طریق ادرار دفع می‌شود. به همین علت باعث افزایش قند خون نمی‌شود.

شاخص گلیسمی

شاخص گلیسمی ، عددی بین ۰ تا ۱۰۰ است که به یک مادهٔ غذایی اختصاص داده می‌شود؛ به‌طوری‌که برای گلوکز خالص به‌صورت قراردادی مقدار ۱۰۰ در نظر گرفته می‌شود و بیانگر افزایش نسبی سطح قند خون دو ساعت پس از مصرف آن مادهٔ غذایی است.شاخص گلیسمی ساخارین برابر صفر است. بنابراین برای افراد مبتلا به دیابت مناسب محسوب می‌شود.

نحوه جذب ساخارین در بدن

پس از مصرف ، از دستگاه گوارش جذب می‌شود. وارد جریان خون می‌شود. تقریباً بدون تغییر باقی می‌ماند.در کبد متابولیزه نمی‌شود.عمدتاً از طریق کلیه دفع می‌شود.

مکانیسم ایجاد طعم شیرین

ساخارین با اتصال به گیرنده‌های شیرینی (Sweet Taste Receptors) موجود روی سلول‌های چشایی زبان، احساس شیرینی ایجاد می‌کند. فعال شدن این گیرنده‌ها پیام عصبی ایجاد کرده و مغز آن را به عنوان طعم شیرین تفسیر می‌کند.

کاربردهای این شیرین کننده

در صنایع غذایی  در تولید انواع نوشابه‌های رژیمی ، نوشیدنی‌های بدون قند ، آدامس ، شکلات رژیمی ، ژله ، مربا ، دسر ، بستنی رژیمی ، شیرینی مخصوص دیابتی‌ها و  آبنبات بدون قند

در صنایع دارویی در تولید انواع شربت‌های دارویی ، قرص‌های جویدنی ، مکمل‌های غذایی ، ویتامین‌ها و داروهای مخصوص کودکان

در صنایع بهداشتی در تولید انواع خمیردندان ، دهان‌شویه و آدامس‌های درمانی به کار می رود .

مزایای ساخارین

قدرت شیرین‌کنندگی بسیار زیاد ، به طوری که تنها مقدار بسیار کمی از آن برای شیرین کردن مواد غذایی کافی است. بدون کالری بوده و برای افراد دارای اضافه وزن مناسب است. مناسب برای دیابت تا جایی که قند خون را افزایش نمی‌دهد. قیمت پایین تری داشته و از ارزان‌ترین شیرین‌کننده‌های مصنوعی است.پایداری بالایی داشته در حرارت و اسیدیته بالا تخریب نمی‌شود.

هیدرولیز اسیدی این ماده : ​\( \mathrm{ C_7H_5NO_3S + H_2O \xrightarrow[\mathrm{1\ atm,\ 2\ h}] {\mathrm{6\,M\ HCl,\ 130^\circ C}} C_7H_7NO_4S } \)​

ماندگاری زیاد ،در انبار برای مدت طولانی کیفیت خود را حفظ می‌کند. مهم‌ترین عیب ساخارین، ایجاد پس‌طعم تلخ یا فلزی است، به‌ویژه در غلظت‌های بالا می باشد ، به همین دلیل اغلب آن را با شیرین‌کننده‌هایی مانند سوکرالوز، آسپارتام یا سیکلامات مخلوط می‌کنند تا طعم مطلوب‌تری ایجاد شود.

ایمنی : در دهه ۱۹۷۰ برخی مطالعات روی موش‌های آزمایشگاهی نشان دادند که مصرف مقادیر بسیار زیاد ساخارین ممکن است با افزایش خطر سرطان مثانه در این حیوانات همراه باشد. این یافته‌ها موجب نگرانی عمومی و درج هشدار روی برخی محصولات شد.با این حال، تحقیقات گسترده‌تر بعدی نشان داد که سازوکار ایجاد تومور در موش‌ها با انسان تفاوت دارد و شواهد قانع‌کننده‌ای مبنی بر سرطان‌زا بودن ساخارین برای انسان در مقادیر مجاز مصرف وجود ندارد. در نتیجه، بسیاری از نهادهای علمی و نظارتی این هشدارها را حذف کردند و مصرف ساخارین را در محدوده مجاز ایمن دانستند.

مقدار مجاز مصرف روزانه (ADI) :مقدار مجاز دریافت روزانه (Acceptable Daily Intake) برای ساخارین ۵ میلی‌گرم به ازای هر کیلوگرم وزن بدن در روز است.برای مثال، فردی با وزن ۷۰ کیلوگرم می‌تواند تا حدود ۳۵۰ میلی‌گرم ساخارین در روز مصرف کند، بدون آنکه انتظار خطری برای سلامتی در این محدوده وجود داشته باشد.

مقایسه با شکر و سایر شیرین کننده های مصنوعی

این شکل، مراحل اصلی تولید صنعتی ساخارین را بر اساس روش کلاسیک رمسن–فالبرگ نشان می‌دهد. فرآیند با سولفوناسیون تولوئن آغاز می‌شود که در آن گروه سولفونیک (–SO₃H) به حلقه آروماتیک وارد می‌شود. در مرحله بعد، اسید سولفونیک به سولفونیل کلرید تبدیل شده و سپس در واکنش با آمونیاک، اورتو-تولوئن‌سولفونامید تشکیل می‌شود. در ادامه، گروه متیل توسط عوامل اکسیدکننده قوی به گروه کربوکسیل تبدیل شده و ترکیب اورتو-سولفامویل بنزوئیک اسید به دست می‌آید. این ترکیب با انجام یک واکنش حلقوی‌شدن درون‌مولکولی (Intramolecular Cyclization) و حذف یک مولکول آب، به ساخارین تبدیل می‌شود. در بسیاری از کاربردهای صنعتی، ساخارین تولیدشده در مرحله پایانی با هیدروکسید سدیم واکنش داده و به سدیم ساخارین تبدیل می‌شود که به دلیل انحلال‌پذیری بیشتر در آب، در تولید نوشیدنی‌ها و سایر فرآورده‌های غذایی کاربرد گسترده‌ای دارد. همان‌گونه که در شکل مشاهده می‌شود، کنترل دقیق دما، نوع واکنشگرها و شرایط عملیاتی در هر مرحله، نقش مهمی در افزایش بازده واکنش و دستیابی به ساخارین با خلوص بیش از ۹۹ درصد دارد. اگرچه امروزه روش‌های جدیدتری نیز برای تولید این شیرین‌کننده مصنوعی توسعه یافته‌اند، روش رمسن–فالبرگ همچنان از نظر آموزشی و تاریخی، یکی از مهم‌ترین مسیرهای سنتز ساخارین به شمار می‌رود.

کاربرد در صنایع غذایی ایران : در ایران ، در تولید انواع نوشیدنی‌های رژیمی، آدامس، آبنبات بدون قند، مرباهای رژیمی، شربت‌های دارویی، مکمل‌های غذایی و برخی فرآورده‌های ویژه بیماران دیابتی استفاده می‌شود. استفاده از آن باید مطابق ضوابط و حدود مجاز تعیین‌شده توسط سازمان‌های نظارتی باشد. برای حفظ کیفیت ساخارین رعایت نکات زیر توصیه می‌شود :

نگهداری در محیط خشک و خنک ، دور از نور مستقیم خورشید ، بسته‌بندی در ظروف دربسته و دور از رطوبت و مواد اکسیدکننده قوی