نحوه شناسایی ساخارین، اسپارتام و شیرین کننده ها در صنایع غذایی با استفاده از آنالیز کروماتوگرافی

 شیرین کننده های غیر مغذی گروهی از شیرین کننده ها بدون کالری هستند که مصرف آنها در مواد غذایی در دهه گذشته به طور چشمگیری افزایش یافته است تا جایگزین قندها شوند. ساخارین و آسپارتام دو ترکیب بسیار پرکاربرد و شناخته شده از شیرین کنندهای مصنوعی اند. با این حال مقادیر بیش از اندازه آنها زیان بار است. سازمان‌های بهداشتی و نظارتی حداکثر میزان مجاز استفاده از این شیرین کننده ها را تعیین کرده اند. در این خصوص آنالیزهای تک و چند آنالیتی شیرین‌کننده‌ها نیز با استفاده از تکنیک‌های معمولی مختلف، مانند آنالیز HPLC، و تکنیک‌های پیشرفته مورد استفاده قرار می گیرد. در این مقاله علاوه بر آشنایی با ساخارین و آسپارتام، رو شهای شناسایی این ترکیبات مانند GC و HPLC معرفی شده اند.

قرن هاست که از شیرین کننده ها برای افزایش طعم و بهبود ظاهر غذاها استفاده می شود. با این حال، مصرف شیرین‌کننده‌ها، عمدتاً قندها، هنگامی که در دوزهای بیش از حد برای مدت معینی مصرف شوند، اثرات نامطلوبی بر سلامت انسان می‌گذارد، از جمله تغییر در روده، چاقی و دیابت. استفاده از شیرین کننده های غیر مغذی در مواد غذایی در دهه گذشته به طور چشمگیری افزایش یافته است تا جایگزین قندها شوند. این شیرین‌کننده‌ها معمولاً به‌عنوان شیرین‌کننده‌های با شدت بالا شناخته می‌شوند، زیرا در مقدار کمتر، می‌توانند به همان شیرینی شکر دست پیدا کنند. مقامات نظارتی و سازمان‌های نظارتی در سراسر جهان حداکثر مقدار این شیرین‌کننده‌های با شدت بالا مورد استفاده در محصولات غذایی را تعیین کرده‌اند.

در حالی که مقررات در بازار برای اطمینان از ایمنی مواد غذایی سخت تر می شود، روش های تحلیلی قابل اعتمادی برای کمک به نظارت در نظارت بر استفاده از شیرین کننده های با شدت بالا مورد نیاز است. از این رو، درک مناسب ترین روش برای تجزیه و تحلیل سریع و موثر اعمال شده برای کنترل کیفیت در صنایع غذایی و نظارت بر بازار ضروری است. روش مناسب، کارایی و استفاده از حلال ها در این بررسی و نظارت مورد بحث قرار می گیرد. آنالیزهای تک و چند آنالیتی شیرین‌کننده‌ها نیز با استفاده از تکنیک‌های معمولی مختلف، مانند آنالیز HPLC، و تکنیک‌های پیشرفته توصیف می شوند. علاوه بر این، برای حمایت از نظارت در محل استفاده از شیرین کننده ها در محصولات غذایی موجود در بازار، روش های تحلیلی غیر مخربی که تجزیه و تحلیل عملی، سریع و نسبتا کم هزینه را ارائه می دهند، به طور گسترده اجرا می شوند. در این مقاله با برخی از این موارد آشنا می شوید.

ساخارین (Saccharin)

ساخارین یک شیرین کننده مصنوعی غیر مغذی است. ساخارین یک سولفیمید بنزوئیک است که حدود ۵۰۰ برابر شیرین‌تر از ساکارز است، اما طعم تلخ یا فلزی دارد، به خصوص در غلظت‌های بالا. برای شیرین کردن محصولاتی مانند نوشیدنی ها، آب نبات ها، محصولات پخته شده، محصولات تنباکو، مواد کمکی و برای پوشاندن طعم تلخ برخی داروها استفاده می شود. به صورت بلورهای سفید ظاهر می شود و بی بو است. با سایر مواد غذایی واکنش شیمیایی نمی دهد. مخلوط ساخارین با سایر شیرین کننده ها اغلب برای جبران ضعف ها و عیوب هر شیرین کننده استفاده می شود. ساخارین اغلب همراه با آسپارتام در نوشابه‌های گازدار رژیمی استفاده می‌شود، افراد مبتلا به آلرژی سولفونامید می توانند آلرژی مشابه را به ساخارین تجربه کنند، زیرا این یک مشتق از سولفونامید است.

        شکل ۱: ساختار شیمیایی ساخارین.

آسپارتام (Aspartame)

آسپارتام یک شیرین کننده مصنوعی غیر ساکاریدی است که ۲۰۰ برابر شیرین تر از ساکارز است و معمولاً به عنوان جایگزین قند در غذاها و نوشیدنی ها استفاده می شود. این یک متیل استر از اسید آسپارتیک - دی پپتید فنیل آلانین با نام های تجاری NutraSweet است. آسپارتام یکی از افزودنی‌های غذایی مورد مطالعه در تامین غذای انسان است. بررسی‌های بیش از ۱۰۰ نهاد نظارتی دولتی نشان می‌دهد که این ماده برای مصرف در حد مجاز مصرف روزانه (ADI) ایمن است. با توجه به خاصیت شیرین کنندگی این ماده مقدار آسپارتام مورد نیاز برای ایجاد طعم شیرین نسبت به اندازه ساکارز آنقدر کم است که سهم کالری آن ناچیز است.

          شکل ۲: ساختار شیمیایی آسپارتام.

دسته بندی شیرین کننده ها

شیرین کننده ها در اصل از منابع طبیعی مانند میوه ها و سبزیجات به دست می آیند، در حالی که در حال حاضر، تعدادی از شیرین کننده های مصنوعی با سنتز شیمیایی در دسترس هستند. این شیرین کننده ها به شیرین کننده های مغذی و غیر مغذی تقسیم می شوند. شیرین کننده های مغذی انرژی (کالری) را تامین می کنند، مانند قندها، شربت ها،  قند و عسل. در مقابل شیرین‌کننده‌های غیرمغذی، مانند آسپارتام، نئوتام، ساخارین، سوکرالوز و سیکلامات، انرژی ندارند یا مقادیر بسیار کمی انرژی (شیرین‌کننده‌های کم کالری) ارائه می‌کنند. بیشتر غذاهای فرآوری شده با شیرین کننده های مغذی و غیر مغذی اضافه شده به مواد تشکیل می شوند. اگرچه شیرین کننده های مغذی به طور کلی به عنوان ایمن (GRAS) شناخته می شوند، اما مصرف این شیرین کننده ها، عمدتاً قندها، در صورت مصرف بیش از حد برای بیش از یک دهه، اثرات نامطلوبی بر سلامت انسان دارد.

روش های مرسوم برای تعیین و آنالیز شیرین کننده های غیر مغذی

 طی چند دهه، علاقه بیشتری به استفاده از تکنیک های تحلیلی مختلف برای شناسایی و تعیین کمیت شیرین کننده های غیر مغذی مانند آسپارتام، ساخارین، سیکلامات، در مواد غذایی مختلف وجود داشته است. امروزه، روشی که قادر به تعیین همزمان شیرین کننده های چندگانه در یک دوره تحلیلی واحد باشد، برای کمک به نظارت بر ایمنی مواد غذایی مورد نیاز است، مشروط بر اینکه ترکیبی از شیرین کننده های غیر مغذی در محصولات غذایی همه جا وجود داشته باشد.

برخی از تکنیک های کروماتوگرافی به طور گسترده ای به تعیین شیرین کننده های غیر مغذی اختصاص داده شده اند، از جمله کروماتوگرافی گازی (GC)، کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC)، کروماتوگرافی یونی (IC)، کروماتوگرافی الکتروکینیتیک میسلی (MEKC) و کروماتوگرافی لایه نازک (TLC). در مقایسه، تکنیک‌های طیف‌سنجی برای یک روش تحلیلی سریع‌تر مانند طیف‌سنجی UV/Vis، طیف‌سنجی فروسرخ (FTIR) انجام می شوند.

کروماتوگرافی گازی

 به منظور تایید توسعه یک روش تجزیه و تحلیل سریع، برخی از نمونه ها را می توان به طور مستقیم یا با حداقل پیش تصفیه تجزیه و تحلیل کرد. مراحل پردازش عملی تر می تواند زمان تجزیه و تحلیل نمونه را کاهش دهد و هم چنین تکرارپذیری را افزایش دهد. یک فرآیند پیش تصفیه حداقل شامل انحلال، گاز زدایی توسط فراصوت و فیلتر می شود. این رویکرد را می توان برای انواع مختلفی از نمونه های غذایی مانند سس، مربا، نوشیدنی های فوری، شهد و محصولات آماده به کار برد.

علاوه بر جنبه بازده زمانی، انتخاب تکنیک های آماده سازی نمونه نیز باید با روش تحلیلی مورد استفاده تنظیم شود. به عنوان مثال، استفاده از کروماتوگرافی گازی (GC) برای تجزیه و تحلیل شیرین کننده های غیر مغذی نیاز به یک فرآیند مشتق سازی دارد. این به این دلیل است که شیرین کننده ها فراریت کمی دارند و بنابراین باید قبل از آن به محصولات مشتقاتی تبدیل شوند که فرارتر هستند. یا به این دلیل که قرار است از یک سیستم تشخیص خاص استفاده شود، به عنوان مثال (Electron Capture Detector). فرآیند مشتق‌سازی برای تجزیه و تحلیل توسط GC در نمونه‌های غذا و نوشیدنی استفاده شده است. نمونه های غیرفرار با استفاده از هیپوکلریت سدیم به ترکیب فرار تبدیل می شوند. متعاقباً، محصول مشتق‌سازی را می‌توان در سیستم GC شستشو داد، بعداً می‌توان آن را توسط آشکارساز ضبط الکترون یا سایر سیستم‌های تشخیص شناسایی کرد.

به غیر از هیپوکلریت سدیم، فرآیند مشتق‌سازی توسط ترکیبات کلر نیز یک رویکرد جایگزین برای تشکیل دی کلرو سیکلو هگزیل آمین است. نمونه ها همچنین می توانند توسط GC به شکل سیکلو هگزیل آمین از طریق هیدرولیز توسط اسید یا قلیایی، از جمله اسید نیتریک، تجزیه و تحلیل شود. این رویکرد به دلیل فراریت بیشتر اشکال شیمیایی جدید پس از مشتق سازی، امکان تعیین ترکیبات توسط GC را فراهم می کند. مرحله آماده سازی نمونه برای برخی اهداف، نامطلوب است. عمدتاً زمانی که تجزیه و تحلیل باید به سرعت یا در زمان واقعی انجام شود. روش‌های تحلیلی غیرمخرب که نیازی به مراحل آماده‌سازی نمونه ندارند، مانند انحلال ساده، مزیتی را از نظر بازده زمانی تجزیه و تحلیل ارائه می‌کنند. این روش های سریع برای بازرسی در محل برای کنترل استفاده از شیرین کننده های غیر مغذی یا مناسب برای کمک به کنترل کیفیت در صنایع غذایی مناسب هستند.

کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC)

در میان روش های تحلیلی، روش HPLC رایج ترین تکنیک برای آنالیز چند آنالیتی در صنایع و آزمایشگاه های تحلیلی است. اصل اساسی جداسازی HPLC بر اساس تمایلات مختلف آنالیت ها به ستون فاز ثابت و فاز متحرک است. ترکیبات با میل ترکیبی بالاتر به فاز ساکن، قوی تر در ستون باقی می مانند و از ترکیبات با میل ترکیبی کم تر جدا می شوند. از این رو، HPLC را می توان برای تجزیه و تحلیل چندین آنالیت صرفاً در یک اجرا با بهینه سازی گرادیان فاز متحرک استفاده کرد. شناسایی و تعیین کمیت شیرین کننده های غیر مغذی توسط HPLC باید با یک آشکارساز مناسب کمک شود.

برخی از آشکارسازهای جایگزین عبارتند از آشکارساز UV/Vis، آشکارساز دیودی (DAD)، آشکارساز ضریب شکست (RI)، طیف‌سنجی جرمی (MS)، پراکندگی نور، و آشکارساز رسانایی.  سریع‌ترین نسخه آنالیز با استفاده از تکنیک‌های کروماتوگرافی مایع، کروماتوگرافی مایع با عملکرد فوق‌العاده (UHPLC) است. جداسازی در داخل یک ستون مملو از ذرات (کوچک تر دو میکرومتر) نسبت به HPLC معمولی رخ می دهد. از این رو، سیستم UHPLC باید با فشار بالاتر پشتیبانی شود تا به جداسازی سریع با وضوح و حساسیت برتر برسد. از آنجایی که زمان آنالیز سریع تر از روش معمولی HPLC است، UHPLC مقدار قابل توجهی حلال کمتری مصرف می کند و ضایعات کمتری تولید می کند. UHPLC همراه با آشکارساز دیود وضوح عالی را برای جداسازی ۱۱ دقیقه ای ساخارین و آسپارتام در نمونه های غذایی (نوشابه، شهد، آب میوه، چای آماده، مربا، سس باربیکیو، سس گوجه فرنگی، پودینگ فوری، آب میوه فوری) فراهم می کند.  متأسفانه این روش جذب بسیار کمی نسبت به آشکارسازهای UV-Vis یا  دیود دارد. بنابراین، یک مرحله مشتق سازی برای تقویت سیگنال مورد نیاز است. نمونه می تواند توسط هیپوکلریت سدیم به دی کلرو سیکلو هگزیل آمین تبدیل شود. سپس، می توان آن را در ۳۱۴ نانومتر تعیین کرد  که منجر به تشخیص سریع توسط GC همراه با آشکارساز جذب الکترون (GC-ECD) می شود. کمتر از ۶ دقیقه طول کشید تا شیرین کننده در شراب زرد، کیک، نوشیدنی آب میوه و میوه های کنسرو شده توسط GC-ECD شناسایی شود.

نتیجه گیری

روش های تحلیلی مختلف برای تعیین شیرین کننده های غیر مغذی در ماتریس های غذایی مختلف. انتخاب روش های تحلیلی، از جمله استخراج، جداسازی و تشخیص، به ویژگی های نمونه و آنالیت های هدف بستگی دارد. هر روشی مزایا و معایب خود را دارد. یک مزیت قابل توجه، توانایی انجام تجزیه و تحلیل همزمان برای چند آنالیت شیرین کننده های غیر مغذی بود. علاوه بر این، وجود یک روش استخراج و جداسازی سریع، اثربخشی بالایی را برای آنالیز فراهم می‌کند. با این حال، برخی از اشکالات نیز ظاهر می شود که نتایج تجزیه و تحلیل غیر رضایت بخش را ارائه می دهد.

به عنوان مثال، تشخیص مستقیم UV برای آنالیت هایی که گروه کروموفور ندارند توصیه نمی شود. برای غلبه بر نقطه ضعف مربوط به حساسیت کم روش، بسته به ویژگی های نمونه، مراحل اضافی پیش تصفیه نمونه مورد نیاز است. روش های تحلیلی مناسب از تلاش برای کمک به نظارت در نظارت بر استفاده از شیرین کننده های با شدت بالا موجود در بازار پشتیبانی می کند. تشخیص قابل اعتماد و تعیین کمیت شیرین کننده های غیر مغذی برای طیف وسیعی از نمونه های غذایی برای اطمینان از ایمنی مواد غذایی الزامی است.