Aspartaam
Aspartaam is een kunstmatige zoetstof, ook wel bekend als E951. Kunstmatige zoetstoffen zijn stoffen die niet tot de suikers behoren, maar die wel, net als suiker, het zintuig voor zoete smaak prikkelen. Tegenwoordig wordt suiker in veel producten vervangen door deze kunstmatige zoetstoffen.
Aspartaam valt onder de intensieve zoetstoffen. Dit wil zeggen dat de zoetkracht van aspartaam 150 tot 200 keer groter is dan suiker, waardoor men veel minder hoeft toe te voegen. Op deze manier levert aspartaam dan ook nauwelijks energie. Qua smaak komt aspartaam goed overeen met suiker. Aspartaam versterkt daarnaast ook de smaak van andere zoetstoffen, fruit en fruitaroma’s en heeft geen ongewenste bij- of nasmaken.
Chemisch gezien is aspartaam een combinatie van de aminozuren asparaginezuur en L-fenylanaline, met aan het fenylanaline-deel een methanolgroep. Deze combinatie komt in de natuur veel voor, maar de methylester maakt de stof synthetisch. Door de aanwezigheid van fenylanaline moet er altijd de waarschuwing ‘Bevat een bron van fenylalanine’ op de verpakking staan.
In zure producten is aspartaam zeer stabiel, maar tijdens verhitten valt het uit elkaar en verliest daardoor zijn zoete smaak. Aspartaam wordt dan ook vooral gebruikt voor light frisdranken en andere voedingsmiddelen die koud bereid kunnen worden.
Productie aspartaam
Fermentatie
Met behulp van de bacteriën Brevibacterium flavum en Corynebacterium glutamicum worden door directe fermentatie de aminozuren L-asparaginezuur en L-fenylanaline gevormd. Het fermentatieproces start met een reincultuur van een bacterie, die zich in de aanwezigheid van de nodige voedingsstoffen vermenigvuldigt.
Wanneer in de voorfermentatie voldoende bacteriën zijn gevormd, worden deze overgebracht naar een tank waarin alle voedingsstoffen aanwezig zijn om nog meer bacteriën te vormen. Bovendien zijn koolstof- en stikstofbronnen aanwezig, die nodig zijn om later grote hoeveelheden aminozuren te kunnen vormen. Met een mixer wordt het geheel in beweging gehouden en door een pomp wordt gefilterde samengeperste lucht aangeleverd.
In een fermentatietank met daarin dezelfde voedingsstoffen krijgen de bacteriën de kans om grote hoeveelheden aminozuren te produceren. Met behulp van ammoniakwater wordt het geheel op de gewenste pH gehouden.
Isolatie
Wanneer voldoende aminozuren zijn gevormd, moeten de gewenste aminozuren hieruit worden geïsoleerd. Met behulp van een centrifuge wordt een groot deel van de aminozuren van de bacteriën afgescheiden. In een ionenwisselaar worden de gewenste aminozuren verder afgescheiden en gezuiverd. Deze aminozuren worden naar een kristallisatietank gepompt, waarna de gevormde kristallen met behulp van een centrifuge worden afgescheiden. Vervolgens worden de aminozuren gedroogd en klaargemaakt voor synthese tot aspartaam.
Modificatie
Over het algemeen start de synthese van aspartaam met de modificatie van asparaginezuur en fenylanaline. Het asparaginezuur wordt op een zodanige manier gemodificeerd dat bepaalde delen van het molecuul worden afgeschermd, door bijvoorbeeld benzylringen, zodat verdere chemische reacties alleen plaatsvinden met de juiste zuurgroep van het asparaginezuur.
Door een reactie van fenylanaline met methanol ontstaat L-fenylanaline met een methylester, zie hiervoor de onderstaande reactievergelijking.
Synthese
De gemodificeerde aminozuren worden vervolgens naar een reactor gepompt, waar ze gedurende 24 uur bij kamertemperatuur worden gemengd. Vervolgens wordt de temperatuur verhoogd naar 65°C, waarna het geheel nogmaals gedurende 24 uur bij deze temperatuur wordt gehouden. Na koeling tot kamertemperatuur wordt het mengsel verdund met een oplosmiddel en gekoeld tot -18°C, zodat er kristallisatie plaatsvindt. De gevormde kristallen worden vervolgens door filtreren geïsoleerd en gedroogd.
Modificatie
In een grote tank worden de gevormde kristallen door reactie met azijnzuur omgezet in aspartaam. De in deze tank aanwezige kristallen, azijnzuuroplossing, palladium katalysator en waterstof worden gedurende ongeveer 12 uur intens gemixt, zodat het geheel de tijd heeft om met elkaar te reageren.
Zuivering
Na een reactietijd van 12 uur wordt de katalysator met behulp van filtratie en het oplosmiddel door destillatie verwijderd. Het overgebleven vaste residu wordt opgelost in ethanol en vervolgens hergekristalliseerd. De gevormde aspartaamkristallen worden gefiltreerd en tot slot gedroogd.
Voedselveiligheid & Hygiënisch Ontwerp
Bij fermenteren zijn de groeicondities voor micro-organismen juist ideaal. Ook voor niet-gewilde micro-organismen. Dit deel van het proces moet aseptisch ontworpen zijn. Dit houdt in dat de apparatuur eerst reinigbaar moet zijn tot op microbieel niveau en bovendien stoomsteriliseerbaar en bacteriedicht. Bij veel fermentatieprocessen is apparatuur vaak alleen stoomsteriliseerbaar, maar niet volledig reinigbaar. Dit is een oorzaak dat soms fermentaties niet het juiste resultaat opleveren. Het steriliseren van een vuil met daarin afgeschermde micro-organismen, is altijd een onbetrouwbare factor bij sterilisatie.
Het downstream proces moet hygiënisch uitgevoerd zijn – reinigbaar tot op microbieel niveau. Herkristallisatie is een productzuiverende stap, maar kan niet garanderen dat een microbiële besmetting niet per ongeluk mee ingesloten wordt. Omdat het product niet hittestabiel is, kan het later ook geen hittebehandeling ondergaan.
Een slecht ontwerp van een Aspartaam-fabriek kan een onverwacht hoge kiemcijfers geven.
