Aspartamo: La Ciencia Dulce Detrás de los Alimentos Bajos en Calorías

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Antecedentes

El aspartamo es un edulcorante artificial usado en alimentos bajos en calorías. Deriva principalmente de dos aminoácidos naturales combinados químicamente y designado por el nombre químico N-L-aspartil-L-fenilalanina-1-metil éster (APM). Descubierto inadvertidamente en 1965, fue patentado después y es actualmente el edulcorante artificial más utilizado en Estados Unidos.

El aspartamo es un polvo cristalino blanco, inodoro. Es unas 200 veces más dulce que el azúcar y se disuelve fácilmente en agua. Tiene sabor dulce sin el regusto amargo químico o metálico reportado en otros edulcorantes artificiales. Estas propiedades lo hacen buen ingrediente para reemplazar azúcar en muchas recetas. Sin embargo, el aspartamo tiende a interactuar con otros sabores alimentarios, por lo que no puede reemplazar perfectamente el azúcar. Las recetas de productos horneados, dulces y otros deben modificarse si se usa aspartamo. Aunque puede usarse en recetas de microondas, es sensible al calentamiento extensivo, lo que lo hace inadecuado para horneado.

El hecho de que el aspartamo aporte dulzor y sabor sin impartir otras características físicas como volumen o calorías como otros edulcorantes lo hace único. Otra característica útil es su efecto sinérgico con otros edulcorantes, permitiendo usar menos edulcorante total. Además de endulzar alimentos, el aspartamo se usa para reducir calorías, intensificar y prolongar sabores frutales.

Historia

Los humanos han deseado alimentos con sabor dulce por miles de años. Pinturas rupestres antiguas en Arana, España, muestran a un hombre neolítico tomando miel de un nido de abejas silvestres. Se ha sugerido que los primeros humanos podrían haber usado el sabor dulce para saber qué alimentos eran seguros. Incluso se piensa que el deseo de sabor dulce podría ser un rasgo innato humano. Desafortunadamente, muchos alimentos naturalmente dulces contienen cantidades relativamente grandes de calorías y carbohidratos.

Los edulcorantes alternativos se desarrollaron para dar sabor dulce sin calorías innecesarias. También aportan beneficios adicionales: mejoran palatabilidad de fármacos, ayudan en manejo de diabetes, y proveen fuente rentable donde el azúcar no está disponible. El primero, la sacarina, se descubrió en 1879 y se ha usado en productos como pasta dental, enjuague bucal y chicle sin azúcar.

El sabor dulce del aspartamo se descubrió accidentalmente por James Schlatter, investigador farmacéutico estadounidense en G.D. Searle and Co. en 1965. Trabajando en un fármaco antiúlcera, derramó inadvertidamente APM en su mano. Al considerar el material no tóxico, continuó sin lavarse. Descubrió el dulzor del APM al lamerse el dedo para recoger papel de pesaje. Este avance inicial llevó a la empresa a cribar cientos de versiones modificadas de APM. Sin embargo, ninguna ofrecía todas las ventajas del compuesto original: fabricación económica, excelente calidad de sabor y potencia, vías metabólicas naturales para digestión, excelente estabilidad y toxicidad muy baja. Consecuentemente, la empresa persiguió y obtuvo patente estadounidense 3.492.131 y varias patentes internacionales, y el descubrimiento inicial se comercializó. La patente estadounidense expiró en 1992, y la tecnología está ahora disponible para cualquier empresa que quiera usarla.

Tras años de pruebas de toxicidad, la FDA aprobó inicialmente el uso del aspartamo como edulcorante en 1980. Sin embargo, un sello de químicos sintéticos en alimentos es que su seguridad está bajo escrutinio constante. El aspartamo no es excepción y ha estado rodeado de controversia sobre su seguridad desde su introducción. La mayoría de preocupaciones se disiparon a finales de 1984, cuando tras investigar diversas quejas relacionadas, la FDA y los CDC concluyeron que la sustancia es segura y no representa riesgo generalizado para la salud. Esta conclusión fue respaldada por la Asociación Médica Americana en 1985, y el aspartamo ha ganado cuota de mercado desde entonces. Además de su uso en EE. UU., el aspartamo ha sido aprobado en más de 93 países.

El aspartamo se comercializa desde 1983 por Searle bajo las marcas NutraSweet y Equal. Actualmente, NutraSweet es ingrediente muy popular y se usa en más de 4.000 productos, incluyendo chicle, yogur, refrescos light, jugos de fruta, pudines, cereales y mezclas de bebidas en polvo. Solo en EE. UU., las ventas de NutraSweet superaron 705 millones de dólares en 1993, según la empresa.

Materias Primas

El aspartamo deriva principalmente de compuestos llamados aminoácidos. Estos son químicos que plantas y animales usan para crear proteínas esenciales para la vida. De los 20 aminoácidos naturales, dos —ácido aspártico y fenilalanina— se usan en la fabricación de aspartamo.

Todas las moléculas de aminoácidos tienen características comunes. Están compuestas de grupo amino, grupo carboxilo y cadena lateral. La naturaleza química de la cadena lateral diferencia los diversos aminoácidos. Otra característica es la capacidad de formar diferentes configuraciones moleculares llamadas isómeros, designados por letras L y D. El aspartamo se compone solo de isómeros L, L; ninguna otra combinación sabe dulce. El sabor dulce no pudo predecirse observando los dos aminoácidos de los que deriva. El L-ácido aspártico tiene sabor plano y la L-fenilalanina sabe amarga. Sin embargo, al combinarse químicamente y modificar ligeramente la L-fenilalanina, se logra sabor dulce.

El ácido aspártico es uno de cinco aminoácidos con grupo lateral "cargado". El grupo cargado es (-CH₂-COOH). En agua, este material se ioniza y se vuelve negativamente cargado. La fenilalanina tiene grupo lateral no polar, hidrofóbico, incompatible con agua. Consta de anillo de seis carbonos unido al esqueleto principal del aminoácido vía grupo metilo (-CH₂). Antes de síntesis en aspartamo, reacciona con metanol. Esto añade grupo metilo unido al molécula por oxígeno, convirtiendo el compuesto en éster metílico. El metanol requerido tiene estructura química (CH₃-OH). Es material muy común usado extensamente por químicos orgánicos para síntesis diversas.

El Proceso de Fabricación

Aunque sus componentes —ácido aspártico, fenilalanina y metanol— ocurren naturalmente en alimentos, el aspartamo en sí no y debe fabricarse. NutraSweet (aspartamo) se hace mediante procesos de fermentación y síntesis.

Fermentación

La fermentación directa produce los aminoácidos iniciales para fabricar aspartamo. En este proceso, tipos específicos de bacterias con capacidad para producir ciertos aminoácidos se cultivan en grandes cantidades. En unos tres días, los aminoácidos se cosechan y las bacterias se destruyen.

• 1 Para iniciar la fermentación, una muestra de cultivo puro de bacterias se pone en tubo de ensayo con nutrientes necesarios para su crecimiento. Tras esta inoculación inicial, las bacterias comienzan a multiplicarse. Cuando su población es suficiente, se transfieren a tanque de semilla. Las cepas usadas para hacer L-ácido aspártico y L-fenilalanina son B. flavum y C. glutamicum respectivamente.
• 2 El tanque de semilla provee entorno ideal para más bacterias. Se llena con lo que necesitan: agua tibia y alimentos carbohidratados como melaza de caña, glucosa o sacarosa. También fuentes de carbono como ácido acético, alcoholes o hidrocarburos, y fuentes de nitrógeno como amoníaco líquido o urea. Estos son necesarios para que bacterias sinteticen grandes cantidades del aminoácido deseado. Otros factores de crecimiento —vitaminas, aminoácidos, nutrientes menores— completan el contenido. El tanque tiene agitador para mantener medio en movimiento y bomba que suministra aire filtrado comprimido. Cuando hay suficiente crecimiento, el contenido se bombea al tanque de fermentación.
• 3 El tanque de fermentación es esencialmente versión mayor del tanque de semilla. Se llena con mismos medios de crecimiento y provee entorno perfecto para crecimiento bacteriano. Aquí las bacterias crecen y producen grandes cantidades de aminoácidos. Como control de pH es vital, agua de amoníaco se añade según necesidad.
• 4 Cuando hay suficiente aminoácido, el contenido del tanque se transfiere para comenzar aislamiento. Esto empieza con separador centrífugo, que aísla gran parte de aminoácidos bacterianos. El aminoácido deseado se segrega y purifica en columna de intercambio iónico. De esta columna, los aminoácidos se bombean a tanque de cristalización y luego a separador de cristales. Se secan y preparan para fase de síntesis de producción de aspartamo.

Síntesis

El aspartamo puede hacerse por varias rutas químicas sintéticas. En general, la fenilalanina se modifica por reacción con metanol y luego se combina con ácido aspártico ligeramente modificado que eventualmente forma aspartamo.

• 5 Los aminoácidos de la fermentación se modifican inicialmente para producir aspartamo. La fenilalanina reacciona con metanol resultando en compuesto llamado L-fenilalanina metil éster. El ácido aspártico también se modifica para blindar varias porciones de la molécula de efectos de reacciones posteriores. Un método es reaccionar ácido aspártico con sustancias que añaden anillos bencílicos para proteger esos sitios. Esto asegura que reacciones químicas posteriores ocurran solo en partes específicas de la molécula de ácido aspártico.
• 6 Tras modificar adecuadamente los aminoácidos, se bombean a tanque reactor, donde se dejan mezclar a temperatura ambiente 24 horas. La temperatura se eleva luego a ~65 °C y mantiene otras 24 horas. La reacción se enfría a temperatura ambiente. Se diluye con disolvente apropiado y enfría a ~-18 °C, causando cristalización. Los cristales se aíslan por filtración y secan. Estos cristales son un intermedio de aspartamo que debe modificarse más.
• 7 El intermedio se convierte a aspartamo reaccionándolo con ácido acético. Esta reacción se realiza en tanque grande con solución acuosa ácida, catalizador de paladio metálico e hidrógeno. Se mezcla a fondo y reacciona unas 12 horas.

Purificación

• 8 El catalizador metálico se remueve por filtración, y el disolvente se destila, dejando residuo sólido. Este residuo se purifica disolviéndolo en solución acuosa de etanol y recristalizando. Estos cristales se filtran y secan para dar el aspartamo final en polvo.

Control de Calidad

La calidad de los compuestos se verifica regularmente durante la fabricación. De particular importancia son controles frecuentes del cultivo bacteriano durante fermentación. También, varias propiedades físico-químicas del producto final se chequean, como pH, punto de fusión y contenido de humedad.

El Futuro

Actualmente, solo hay tres edulcorantes alternativos en EE. UU. aprobados para alimentos. Aunque el aspartamo es quizás uno de los mejores, científicos buscan nuevas formas de hacer que estos edulcorantes sepan lo más posible a azúcar. Su investigación se enfoca en tres áreas: encontrar nuevos derivados, mezclar edulcorantes, y mejorar eficiencia del aspartamo.

La mayor parte del trabajo en derivados químicos se centra en compuestos que encajen mejor en receptores de papilas gustativas que el aspartamo tradicional. Usando aspartamo como modelo, creen poder mejorar varias características con ligeras modificaciones. Por ejemplo, han encontrado que al modificar L-ácido aspártico solo de cierta forma, da productos con sabor dulce. La investigación futura probablemente se centrará en este tipo de derivados.

Otra área investiga mejorar estabilidad térmica del aspartamo. Usando tecnología de encapsulación, se ha desarrollado aspartamo usable en productos horneados y mezclas para hornear. Resultados iniciales son positivos, y la FDA aprobó aplicaciones de panadería.

Dado que solo tres sustitutos sintéticos de azúcar están aprobados en EE. UU., combinar edulcorantes en productos se vuelve avance tecnológico importante. Aquí, científicos combinan dos o tres edulcorantes para que el producto sepa más a azúcar.