آسپارتام (Aspartame)

آسپارتام (Aspartame) با فرمول مولکولی ​\( \mathrm{C_{14}H_{18}N_{2}O_{5}} \)​ و جرم مولی تقریباً 394 گرم بر مول ، یکی از شناخته‌شده‌ترین شیرین‌کننده‌های مصنوعی در جهان است که به دلیل قدرت شیرین‌کنندگی بالا و کالری بسیار کم، در صنایع غذایی، دارویی و نوشیدنی‌ها کاربرد فراوانی دارد. این ماده تقریباً ۱۸۰ تا ۲۰۰ برابر شیرین‌تر از ساکارز (قند معمولی) است؛ بنابراین برای ایجاد شیرینی به مقدار بسیار کمی از آن نیاز است.

برخلاف بسیاری از شیرین‌کننده‌های مصنوعی، آسپارتام از دو اسید آمینه طبیعی ساخته شده است؛ به همین دلیل پس از مصرف در بدن به ترکیبات طبیعی تجزیه می‌شود. البته وجود اسید آمینه فنیل‌آلانین در ساختار آن باعث شده است که مصرف آسپارتام برای افراد مبتلا به بیماری ژنتیکی فنیل‌کتونوری (PKU) ممنوع باشد.

تاریخچه کشف :جیمز ام. شلاتر در سال ۱۹۶۵ هنگام تحقیق روی داروهای ضد زخم معده، به طور اتفاقی متوجه شیرینی بسیار زیاد این ماده شد. وی در شرکت G. D. Searle مشغول فعالیت بود.داستان کشف آن جالب است؛ مقداری از این ترکیب روی انگشت وی ریخته بود و هنگام ورق زدن کاغذها، انگشت خود را به زبان زد و متوجه طعم فوق‌العاده شیرین آن شد.پس از سال‌ها بررسی‌های سم‌شناسی، آسپارتام در دهه ۱۹۸۰ مجوز استفاده در صنایع غذایی را دریافت کرد و امروزه در بیش از صد کشور جهان مصرف می‌شود.

تاریخچه کشف

جیمز ام. شلاتر در سال ۱۹۶۵ هنگام تحقیق روی داروهای ضد زخم معده، به طور اتفاقی متوجه شیرینی بسیار زیاد این ماده شد. وی در شرکت G. D. Searle مشغول فعالیت بود.داستان کشف آن جالب است؛ مقداری از این ترکیب روی انگشت وی ریخته بود و هنگام ورق زدن کاغذها، انگشت خود را به زبان زد و متوجه طعم فوق‌العاده شیرین آن شد.پس از سال‌ها بررسی‌های سم‌شناسی، آسپارتام در دهه ۱۹۸۰ مجوز استفاده در صنایع غذایی را دریافت کرد و امروزه در بیش از صد کشور جهان مصرف می‌شود.

ساختار مولکولی آسپارتام

آسپارتام در حقیقت یک دی‌پپتید است. این مولکول از اتصال دو اسید آمینه آسپارتیک اسید(​\( \mathrm{ HOOC-CH(NH_2)-CH_2-COOH } \)​) و فنیل آلانین (​\( \mathrm{ H_2N-CH(CH_2C_6H_5)-COOH } \)​) تشکیل شده است که گروه کربوکسیل فنیل‌آلانین نیز به صورت استر متیل درآمده است.

​\( \mathrm{HOOC-CH(NH_2)-CH_2-CO-NH-CH(CH_2C_6H_5)-COOCH_3} \)​

گروه های عاملی موجود در آسپارتام ، آمین نوع اول ، آمیدی ( پیوند پپتیدی ) ، استری ، کربوکسیلیک اسید و حلقۀ آروماتیک بنزن که وجود این گروه ها باعث می شود آسپارتام هم رفتار اسیدی و هم رفتار بازی ضعیف داشته باشد و در شرایط مختلف pH واکنش های متفاوتی نشان دهد .

مشخصات فیزیکی آسپارتام

دارای رنگ سفید و به حالت پودر بلوری است بویی ندارد و مزّه آن بسیار شیرین است . نقطه ذوب آن در حدود 247 درجۀ سلسیوس ( همراه با تجزیه ) است . میزان انحلال پذیری آن در آب ( در دمای اتاق ) در حدود 10 گرم بر لیتر است .آسپارتام کالری کمی ایجاد می کند ، زیرا به علّت قدرت شیرین کنندگی بسیار زیاد آن ، مقدار بسیار کمی از آن مصرف می شود .

به عنوان مثال اگر یک نوشابه معمولی 35 گرم شکر داشته باشد ، برای ایجاد همان شیرینی تنها در حدود 0.18 گرم آسپارتام کافی است . در نتیجه کالری نوشیدنی به میزان قابل توجهی کاهش می یابد .

ویژگی‌های مهم شیمیایی

آسپارتام دارای ویژگی‌های زیر است ، یک دی‌پپتید مشتق‌شده از اسیدهای آمینه طبیعی است. در محیط‌های اسیدی نسبتاً پایدار است.در محیط قلیایی به‌آسانی هیدرولیز می‌شود. در دماهای بالا ناپایدار است.برای پخت‌وپز طولانی‌مدت مناسب نیست.در اثر حرارت زیاد، استر متیل و پیوند پپتیدی آن شکسته می‌شود.

فرآیند هیدرولیز : هیدرولیز گروه متیل‌استر ، که در جریان آن ابتدا گروه استری شکسته می شود .

​\( \mathrm{C_{14}H_{18}N_{2}O_{5} + H_{2}O \longrightarrow C_{13}H_{16}N_{2}O_{5} + CH_{3}OH} \)​

هیدرولیز کامل پیوند پپتیدی ، اگر هیدرولیز ادامه یابد، پیوند پپتیدی نیز شکسته می‌شود:​

\( \mathrm{C_{14}H_{18}N_{2}O_{5} + 2H_{2}O \longrightarrow C_{4}H_{7}NO_{4} + C_{9}H_{11}NO_{2} + CH_{3}OH} \)​

در محیط اسیدی و با گرما، سرعت هیدرولیز افزایش می‌یابد. در محلول‌های آبی، به‌ویژه در pHهای بسیار اسیدی یا بسیار بازی، آسپارتام به‌تدریج تجزیه می‌شود؛ به همین دلیل در نوشیدنی‌هایی که مدت طولانی در دمای بالا نگهداری می‌شوند، پایداری آن کاهش می‌یابد.

کاربردهای صنعتی

از آسپارتام در تولید چه مواردی استفاده می‌شود ؟ نوشابه‌های بدون قند ، نوشیدنی‌های رژیمی ، آدامس ، آب‌نبات بدون قند ، دسرهای رژیمی ، ماست کم‌کالری ، داروهای جویدنی ، شربت‌های دارویی ،مکمل‌های غذایی و قرص‌های ویتامین

سنتز آسپارتام

آسپارتام از نظر شیمیایی یک دی‌پپتید متیل‌استر است که از اتصال دو اسید آمینه طبیعی، یعنی آسپارتیک اسید  و فنیل‌آلانین، تشکیل می‌شود. در صنعت، سنتز آن معمولاً شامل سه مرحله اصلی است: محافظت از گروه‌های عاملی ناخواسته ، تشکیل پیوند پپتیدی  ، حذف گروه‌های محافظ و خالص‌سازی

به دلیل وجود دو گروه کربوکسیل در آسپارتیک اسید ، کنترل محل تشکیل پیوند پپتیدی اهمیت زیادی دارد؛ در غیر این صورت، محصولات جانبی ناخواسته تشکیل می‌شوند.

واکنش کلی سنتز :​\( \mathrm{ L\!-\!Aspartic\ Acid + L\!-\!Phenylalanine\ Methyl\ Ester \longrightarrow Aspartame + H_2O } \)​

تهیه متیل‌استر فنیل‌آلانین

ابتدا فنیل‌آلانین با متانول واکنش داده و متیل‌استر آن تشکیل می‌شود. ​\( \mathrm{ C_9H_{11}NO_2 + CH_3OH \xrightarrow[\Delta]{HCl} C_{10}H_{13}NO_2 + H_2O } \)​

محافظت از گروه آمینی

برای جلوگیری از واکنش ناخواسته گروه آمینی، معمولاً از گروه محافظ Boc یا Cbz استفاده می‌شود. ​\( \mathrm{ H_2N-R + (Boc)_2O \longrightarrow BocNH-R } \)​

تشکیل پیوند پپتیدی

این مهم‌ترین مرحله است. آسپارتیک اسید  محافظت‌شده با متیل‌استر فنیل‌آلانین واکنش داده و پیوند آمیدی تشکیل می‌دهد.​

\( \mathrm{ Asp-COOH + H_2N-Phe-OMe \longrightarrow Asp-CO-NH-Phe-OMe + H_2O } \)​

در صنعت، تشکیل پیوند پپتیدی با کمک مواد فعال‌کننده انجام می‌شود .عامل جفت‌کننده انرژی فعال‌سازی را کاهش داده و بازده واکنش را افزایش می‌دهد.

​\( \mathrm{ RCOOH + R’NH_2 \xrightarrow{DCC} RCONHR’ + H_2O } \)​

چرا سنتز آسپارتام دشوار است؟

مشکل اصلی وجود دو گروه کربوکسیل در آسپارتیک اسید است. این مولکول دارای ​\( \mathrm{ HOOC-CH(NH_2)-CH_2-COOH } \)​است. اگر گروه اشتباه وارد واکنش شود، محصول دیگری به نام β-آسپارتام تشکیل می‌شود که تقریباً فاقد طعم شیرین است. ​\( \mathrm{ \beta\!-\!Aspartyl\!-\!Phenylalanine\ Methyl\ Ester } \)​در صنعت تلاش می‌شود مقدار این ایزومر به حداقل برسد، زیرا خواص حسی مطلوبی ندارد.

مکانیسم تشکیل پیوند پپتیدی

می توان در چند مرحله خلاصه کرد : فعال شدن گروه کربوکسیل ، حمله نوکلئوفیلی گروه آمین ، تشکیل حدواسط چهاروجهی، حذف آب و تشکیل پیوند آمیدی

به صورت کلی:​\( \mathrm{ RCOOH \rightarrow RCO^* \rightarrow RCONHR’ } \)​که ​\( RCO^{*} \)​ نشان‌دهنده گروه کربوکسیل فعال‌شده است .

رفتار و نقش گروه های عاملی 

گروه آمینی ( رفتار بازی ) ، گروه آمیدی با پیوند پپتیدی ( ایجاد پایداری نسبی )، گروه کربوکسیلیک اسید ( رفتار اسیدی ) ، گروه استر متیل ( استعداد هیدرولیز شدن ) ، حلقه فنیل ( افزایش آبگریزی و بر هم کنش با گیرندههای چشایی )

مکانیسم هیدرولیز اسیدی :  پروتونه شدن اکسیژن گروه استر :​\( \mathrm{RCOOCH_3 + H^+} \)​ و در ادامه حملۀ مولکول آب ، تشکیل حدواسط چهاروجهی و خروج متانول (​\( \mathrm{ CH_3OH } \)​)و در نهایت تشکیل کربوکسیلیک اسید

هیدرولیز قلیایی : در محیط قلیایی سرعت واکنش بسیار بیشتر است .

​\( \mathrm{ Aspartame + OH^- \rightarrow Aspartyl\!-\!Phenylalanine^- + CH_3OH } \)​

که مکانیسم این واکنش به صورت زیر می باشد :

​\( \mathrm{ OH^- \rightarrow Attack\ on\ Carbonyl \rightarrow Tetrahedral\ Intermediate \rightarrow CH_3OH } \)​

هیدرولیز پیوند پپتیدی : در شرایط اسیدی شدید یا حرارت زیاد ، پیوند آمیدی نیز شکسته می شود .

​\( \mathrm{ Aspartame + 2H_2O \xrightarrow[\Delta]{H^+} Aspartic\ Acid + Phenylalanine + CH_3OH } \)​

تشکیل دی کتوپیپرازین (DKP)

مهم ترین واکنش تجزیه اسپارتام هنگام گرم شدن ، تشکیل ترکیب حلقوی دی کتو پیپرازین است.

​\( \mathrm{ Aspartame \xrightarrow{\Delta} DKP + CH_3OH } \)​

این واکنش از طریق یک حلقوی شدن درون مولکولی (intermolecular cyclization) انجام شود که مراحل مکانیسم آن شامل : حمله گروه آمین به کربونیل استر ، تشکیل حدواسط حلقوی ، خروج متانول و در نهایت تشکیل حلقه شش عضوی (DKP) است . ابن فراورده نسبت به آسپارتام شیرینی بسیار کمتری دارد ، بنابر این باعث کاهش طعم شیرین در محصولات غذایی می شود

اثر دما برپایداری آسپارتام

 در دمای پایین تر از 30 درجه بسیار پایدار است . در محدوده 30 تا 50 ، از میزان پایداری به مرور کاسته می شود و در محدوده دمایی 60 تا 80 درجه ، سرعت هیدرولیز افزایش می یابد به طوری که در دمای بالاتر از 100 درجه احتمال تشکیل DKP با فرمول ​\( \mathrm{ C_{13}H_{16}N_2O_4 } \)​و محصولات تجزیه بیشتر می شود .

اثرpH بر پایداری

در محدوده 2 تا 4 بیشترین پایداری ، و 5 تا 6 پایداری نسبی وجود داشته و از pH=7 شروع به کاهش پایداری می کند تا جایی که در بالاتر از 8 فرایند هیدرولیز سریع اتفاق می افتد به همین علّت ، از آسپارتام بیشتر در نوشابه های گاز دار و اسیدی استفاده می شود.

اکسایش : آسپارتام در شرایط معمولی نسبت به اکسید کننده های ضعیف مقاوم است ، اما در حضور اکسنده های قوی مثل پتاسیم پرمنگنات ، پتاسیم دی کرومات و هیدروژن پراکسید غلیظ ممکن است که گروه های آمینی و زنجیره های جانبی آن اکسید شود . که می توان اکسایش گروه آمینی موجود در بخش آسپارتیک اسید را این گونه نشان داد ، که در آن R بیانگر بقیه مولکول آسپارتام است

​\( \mathrm{ RNH_2 + [O] \longrightarrow RNO + H_2O } \)​

اکسایش شدید : اگر شرایط اکسایش بسیار شدید باشد ، گروه بنزیلی (​\( -CH_2C_6H_5 \)​) می تواند به گروه کربوکسیل تبدیل شود .

​\( \mathrm{ R-CH_2C_6H_5 + 3[O] \longrightarrow R-COOH + CO_2 + H_2O } \)​

انحلال پذیری : در آب و متانول متوسّط ، در اتانول کم ، در استون بسیار کم  و در کلروفرم تقریباً نامحلول است .

اکسایش کامل ( احتراق )

​\( \mathrm{ 2C_{14}H_{18}N_2O_5 + 37O_2 \longrightarrow 28CO_2 + 18H_2O + 2N_2 } \)​