แอสพาร์เทม (Aspartame)

แอสพาร์เทม เป็นวัตถุเจือปนอาหาร (food additive) ชนิดหนึ่ง ใช้เป็นสารให้ความหวานแทนน้ำตาลในการผลิตอาหารและเครื่องดื่ม
มีชื่อวิทยาศาสตร์ว่า Aspartyl-phenylalanine-1-methyl ester เป็นสารไดเปปไทด์ ซึ่งเกิดจากการรวมตัวของกรดอะมิโน (amino acid) 2 ชนิด
ได้แก่ ฟีนิลอะลานีน (L- phenylalanine) และกรดแอสพาร์ติก (L-aspartic acid)

 

แอสพาร์เทมมีลักษณะเป็นผงผลึกสีขาว ไม่มีกลิ่น มีความสามารถในการละลายน้ำได้ดี และให้ความหวานมากกว่าน้ำตาลถึง 200เท่า โดยไม่ให้รสขมของสารเคมีหรือกลิ่นโลหะหลังการกิน เมื่อเทียบกับสารให้ความหวานชนิดอื่น ด้วยคุณสมบัติเหล่านี้ ทำให้แอสพาร์เทมเป็นตัวเลือกที่ดีในการใช้เป็นสารให้ความหวานแทนน้ำตาล ในอาหารหลายชนิด แต่อย่างไรก็ตามแอสพาร์เทมยังคงมีข้อเสีย เนื่องจากสามารถทำปฏิกิริยากับรสชาติอื่นในอาหาร จึงไม่สามารถใช้เป็นแทนน้ำตาลได้ทั้งหมด และแอสพาร์เทมยังไวต่อความร้อน ทำให้ไม่เหมาะสมกับการผลิตเบเกอรีเท่าไหร่นัก

 

คุณลักษณะเฉพาะของแอสพาร์เทมคือ เป็นสารให้ความหวานและไม่ให้ผลกระทบเกี่ยวคุณสมบัติด้านกายภาพ เช่น พลังงาน หรือการเป็นก้อน
และยังสามารถทำงานร่วมกับสารให้ความหวานชนิดอื่นได้ จึงมีการนำแอสพาร์เทมมาใช้ผลิตอาหารปราศจากน้ำตาล หรืออาหารพลังงานต่ำ

 

แอสพาร์เทมถูกค้นพบอย่างในบังเอิญโดยนักวิทยาศาสตร์ชื่อ James M. Schlatter  และได้รับการอนุมัติให้สามารถใช้ในการผลิตภัณฑ์อาหารโดยองค์การอาหารและยาแห่งสหรัฐอเมริกา (U.S. Food and Drug Administration; FDA) ในปี ค.ศ. 1980 ต่อมามีการนำมาใช้เป็นส่วนผสมของอาหารมากกว่า 4,000 ชนิด เช่น โยเกิร์ต หมากฝรั่ง เครื่องดื่มลดน้ำหนัก น้ำผลไม้ ผงสำหรับเติมเครื่องดื่ม เป็นต้น

 

กระบวนการผลิต

• วัตถุดิบ
  แอสพาร์เทมเป็นสารประกอบที่ได้มาจากกรดอะมิโนและเป็นสารที่พืชและสัตว์ใช้ในการสังเคราะห์โปรตีนที่จำเป็นในการดำรงชีวิต ซึ่งกรดอะมิโนที่นำมาใช้ในการผลิตแอสพาร์เทมได้แก่ L- phenylalanine และ L-aspartic acid

กรดอะมิโนทุกชนิดมีคุณสมบัติและลักษณะเฉพาะ ซึ่งมีองค์ประกอบได้แก่หมู่อะมิโน หมู่คาร์บอกซิลและสายโซ่ โดยกรดอะมิโนแต่ละชนิดก็จะมีคุณสมบัติทางเคมีแตกต่างกันขึ้นอยู่กับสายโซ่ในกรดอะมิโน นอกจากนี้คุณสมบัติของกรดอะมิโนยังขึ้นอยู่กับรูปร่างของโมเลกุลที่เรียกว่า ไอโซเมอร์ (isomers) ซึ่งถูกกำหนดด้วยตัวอักษร D กับ L และในการผลิตแอสพาร์เทมจะใช้เพียงกรดอะมิโนชนิด L เท่านั้น เนื่องจากเป็นโครงสร้างเดียวที่ให้รสหวาน ในความเป็นจริงกรดอะมิโน L- phenylalanine และ L-aspartic acid ไม่ได้มีรสหวาน โดย L- phenylalanine มีรสชาติขมและ L-aspartic acid ไม่มีรสชาติ แต่เมื่อนำกรดอะมิโนทั้งสองชนิดมารวมกันเป็นสารประกอบไดเปปไทด์ จึงมีรสหวานได้

• กระบวนการหมัก
  ในกระบวนการผลิตแอสพาร์เทมมีการใช้กรดอะมิโนเป็นสารตั้งต้น ซึ่งได้จากกระบวนการหมักโดยตรงโดยใช้จุลินทรีย์ เพราะทำให้ได้กรดอะมิโนที่มีความจำเพาะและมีปริมาณมาก โดยกระบวนหมักทั้งหมดใช้เวลาประมาณ 3 วัน

ขั้นตอนที่ 1
เริ่มกระบวนการหมัก คือ ขั้นตอนการเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์ในหลอดทดลองที่มีอาหารจำเป็นต่อการเจริญเติบโต จากนั้นนำจุลินทรีย์ไปบ่มเพื่อเพิ่มจำนวน ซึ่งจุลินทรีย์ที่นำมาใช้ในการผลิตได้แก่ B. flavum จะผลิต L-aspartic acid และ C. glutamicum จะผลิต L-phenylalanine

ขั้นตอนที่ 2
ปรับสภาวะถังบ่มจุลินทรีย์ โดยการเติมสิ่งต่าง ๆ ลงในถัง ได้แก่ น้ำอุ่น อาหารประเภทคาร์โบไฮเดรต เช่น โมแลส (molasses) กลูโคส ซูโครส เป็นต้น ซึ่งเป็นแหล่งของคาร์บอน เช่น กรดอะซีติก แอลกอฮอล์ และ ไฮโดรคาร์บอน และเป็นแหล่งของไตรเจน เช่น แอมโมเนีย ยูเรีย เป็นต้น ทั้งหมดที่กล่าวนี้ล้วนเป็นสิ่งจำเป็นที่จุลินทรีย์ใช้ในการสร้างกรดอะมิโนที่มีประสิทธิภาพและปริมาณสูง นอกจากนี้ยังมีปัจจัยในการเจิรญเติบโตอื่น ๆ อีกเช่น วิตามิน กรดอะมิโน เป็นต้น ภายในถังบ่มประกอบด้วยอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่ใช้ในการควบคุมสภาวะการหมักทั้งอัตราการไหลของอาหารเลี้ยงเชื้อ ความดัน เพื่อให้ได้จุลินทรีย์ที่มีคุณสมบัติตรงกับมาตรฐาน จากนั้นจึงถ่ายจุลินทรีย์ที่ได้ลงในถังหมัก

ขั้นตอนที่ 3
กระบวนการหมัก จะมีลักษณะคล้ายกับถังบ่ม แต่มีขนาดใหญ่กว่า โดยมีการเติมสารต่าง ๆ เช่นเดียวกับถังบ่ม แต่จะมีการควบคุมค่า pH ให้เหมาะสมกับจุลินทรีย์มากที่สุด ในถังนี้จำเป็นต้องควบคุมปริมาณแอมโมเนียอย่างละเอียด เพราะจะส่งผลถึงปริมาณและคุณภาพของกรดอะมิโนที่ผลิตได้

ขั้นตอนที่ 4
หลังจุลินทรีย์ผลิตกรดอะมิโนได้ตามที่ต้องการแล้ว จะเป็นขั้นตอนการแยกกรดอะมิโน โดยเริ่มการวิธีการปั่นเหวี่ยง (centrifugal separator) ซึ่งจะแยกกรดอะมิโนส่วนใหญ่ออกมาได้ จากนั้นนำไปทำให้บริสุทธิ์ด้วยการวิธีแลกเปลี่ยนไอออน (ion-exchange) เพื่อให้ได้กรดอะมิโนที่ต้องการ หลังจากนั้นกรดอะมิโนจะถูกอัดเข้าไปในถังทำให้ตกผลึก และเข้าสู่เครื่องแยกผลึก จากนั้นจึงเข้าสู่กระบวนการทำแห้งทำให้ได้ผลึกอะมิโนที่พร้อมสำหรับกระบวนการสังเคราะห์แอสพาร์เทม

• กระบวนการสังเคราะห์

แอสพาร์เทมสามารถสังเคราะห์ได้จากกระบวนการสังเคราะห์ทางเคมี ดังนี้ เริ่มจากการปรับแต่งฟีนิลอะลานีนโดยการนำไปทำปฏิกิริยากับเมธานอล จากนั้นนำไปรวมกับกรดแอสพาร์ติก จึงได้เป็นแอสพาร์เทม

ขั้นตอนที่ 5
กรดอะมิโนที่ได้จากกระบวนการหมัก จะถูกนำไปผลิตแอสพาร์เทม เริ่มจากนำฟีนิลอะลานีนไปทำปฏิกิริยากับเมธานอลจะได้สารประกอบเรียกว่า L-phenylalanine methyl ester ส่วนกรดแอสพาร์ติกจะถูกดัดแปลงโดยการเติมวงเบนซีนเข้าไปในโมเลกุล เพื่อป้องกันไม่ให้ส่วนดังกล่าวได้รับผลกระทบจากปฏิกิริยาอื่น ๆ ทำให้สามารถจำกัดบริเวณในโมเลกุลที่ต้องการให้แอสพาร์ติกทำปฏิกิริยาได้

ขั้นตอนที่ 6
หลังจากปรับแต่งโมเกลกุลกรดอะมิโนสำเร็จแล้ว จะทำการสูบกรดอะมิโนเข้าถังทำปฏิกิริยา และพักไว้ที่อุณหภูมิห้องเป็นเวลา 24 ชั่วโมง จากนั้นเพิ่มอุณหภูมิจนถึงประมาณ 65^oC เป็นเวลา 24 ชั่วโมง จากนั้นปรับอุณหภูมิให้เย็นลงที่อุณหภูมิห้อง เพื่อให้เกิดปฏิกิริยา ทำการเจือจางด้วยตัวทำลายละลายที่เหมาะสมและทำให้เย็นจนมีอุณหภูมิ -18^oC ทำให้เกิดการตกผลึก จากนั้นแยกผลึกที่ได้โดยการกรองและทำให้แห้ง ผลึกที่ได้จะเป็นสารมัธยันตร์ (intermediate) ของปฏิกิริยาสังเคราะห์แอสพาร์เทม

ขั้นตอนที่ 7
การเปลี่ยนสารมัธยันตร์เป็นแอสพาร์เทม โดยการนำสารที่ได้ไปทำปฏิกิริยากับกรดแอซิติก ในถังขนาดใหญ่ที่บรรจุกรด ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะพาราเดียม และไฮโดรเจน จากนั้นผสมให้เข้ากันและเกิดปฏิกิริยาเป็นเวลา 12 ชั่วโมง

• การทำให้บริสุทธิ์

ขั้นตอนที่ 8
กำจัดโลหะที่ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยวิธีการกรองและนำไปกลั่นเพื่อกำจัดตัวทำละลาย จากนั้นจะได้เป็นของแข็งเหลืออยู่ ของแข็งเหล่านี้จะถูกทำให้บริสุทธิ์โดยการนำไปละลายในสารละลายเอธานอลและทำให้ตกผลึกอีกครั้ง จากนั้นนำผลึกที่ได้ไปกรองและทำให้แห้งก็จะได้ผงแอสพาร์เทมบริสุทธิ์

 

การประยุกต์ใช้

แอสพาร์เทมถูกใช้เป็นสารให้ความหวานน้ำตาลในอาหารและเครื่องดื่มหลากหลายชนิด เช่น ไซรัป น้ำสลัด น้ำอัดลมขนมกรุบกรอบ เป็นต้น และเป็นที่นิยมอย่างมาก โดยมีประเทศที่ใช้แอสพาร์เทมกว่า 100 ประเทศ นอกจากนี้แอสพาร์เทมยังสามารถใช้งานร่วมกับสารให้ความหวานได้อีกหลายชนิด เช่น แอซีซัลเฟมโพแทสเซียม (Acesulfame Potassium)  ซูคาโรส (Sucralose) โซเดียมแซกคาริน (Sodium Saccharin) โซเดียมไซคลาเมต (Sodium Cyclamate) เป็นต้น

ตัวอย่างอาหารและเครื่องดื่มที่มีการใช้แอสพาร์เทมเป็นสารให้ความหวาน

• เครื่องดื่ม 
  เครื่องดื่มที่มีระบบการบรรจุแบบปลอดเชื้อ (Aseptic drinks)
  น้ำอัดลม (Carbonated drinks)
  ผลิตภัณฑ์พร้อมดื่ม (Still/RTD beverages)
  ชาและกาแฟ
  เครื่องดื่มแอลกอฮอล์ ( < 7% alcohol)
  น้ำผลไม้

 

• อาหาร
  ขนมหวานต่าง ๆ เช่น ลูกอม หมากฝรั่ง ช็อคโกแลต คาราเมลทอฟฟี่ เป็นต้น
  ผลิตภัณฑ์จากนม เช่น โยเกิร์ต นม ไอศกรีม เป็นต้น
  ผลิตภัณฑ์เบเกอรี เช่น เค้ก มัฟฟิน คุกกี้ พายผลไม้ บราวนี มาการอง เป็นต้น
  อาหารว่าง เช่น กราโนลาร์บาร์ ซีเรียล พุดดิ้ง เป็นต้น

 

อ้างอิง

• What is Aspartame?

• The Manufacturing Process of  Aspartame

• ASPARTAME USES AND APPLICATION