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Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007

Übungen im Experimentalvortrag Wintersemester 1997/98

Leitung : Dr. J. Butenuth Dr: E. Gerstner Prof. Dr. H. Perst

LA _DOL~E VITA -

Katja Eisel

Wehrdaer Weg 14 35037 Marburg Tel.: 06421/66155

EIN EX.PE~/MENTALvO~T~AG vON KATJ"A EISEL

Inhaltsverzeichnis:

1 Allgenleine Definition 3

2 Physiologie des Schmeckens 4

2.1 Anatomische Grundlagen: 4

2.2 Aufnahme und Verarbeitung der Geschmacksinformation: 4

2.3 Strukturelle Voraussetzungen für süßen Geschmack:

3 Sensorik von Süßungsnlitteln

3.1 Süßkraft 6

3.2 Toxikologie 7

4 Saccharin

4.1 Geschichte des Saccharins 9

r---~

4.2 Synthese

(

4.3 Sensorische Eigenschaften 10

4.4 Physikalische und chemische Eigenschaften

4.6 Mikrobiologisches Verhalten 13

4.7 Pharmakologie und Toxikologie 13

4.8 Status 14

4.9

14

4.10 Süßkraft 14

4.11 Anwendungen 14

4.12 Versuche 15

5

Cyclamate 21

5.1 Geschichte der Cyclamte 21

r " .

5.2 Synthese 21

5.3 Sensorische Eigenschaften 21

5.4 Physikalische und chemische Eigenschaften 22

5.5 Stabilität 23

5.6 Mikrobiologisches Verhalten 23

5.7 Pharmakologie und Toxikologie 23

5.8 Status 24

5.9 ADI-Wert 24

5.10 Süß kraft 25

5.11 Anwendungen 25

5.12 Versuch 25

6 Aspartam 27

6.1 Einleitung

1

6.2 Sensorische Eigenschaften 27

6.3 Physikalische und chemische Eigenschaften 28

6.4 Stabilität 29

6.5 Mikrobiologisches Verhalten/Karies 29

6.6 Ernährungsphysiologische Aspekte 29

6.7 ADI-Wert 30

6.8 Lebensmitteltechnologische Aspekte 30

6.9 Einsatz von Aspartam 31

6.10 Versuch 31

7 Acesulfam K 34

7.1 Einleitung 34

7.2 Verwendung 34

8

Sorbit

8.1 Einleitung 35

8.2 Synthese 35

8.3 Sensorische Eigenschaften 38

8.4 Physikalische und chemische Eigenschaften 38

8.5 Physiologie, Toxikologie und Verträglichkeit 39

8.6 Diabetes 39

8.7 Kariesentstehung (Verhalten von Sorbit in der Mundhöhle) 39

8.8 Verwendung 41

9~ffl

n

9.1 Einleitung 42

9.2 Synthese 43

9.3 Chemische und physikalische Eigenschaften 43

9.4 Süßkraft 44

9.5 Mikrobiologisches Verhalten 44

9.6 Toxikologie und Verträglichkeit 44

9.7 Verwendung 44

9.8 Versuch 45

10 Isomalt 45

10.1 Einleitung 45

10.2 Synthese 46

10.3 Toxikologie und Verträglichkeit 46

10.4 Verwendung 46

10.5 Versuch: 46

11 Literaturverzeichnis 48

Süßstoffe

1 Allgemeine Definition

Unter Süßstoffen versteht man Verbindungen synthetischer oder natürlicher Herkunft, die keinen oder im Verhältnis zur Süßkraft einen vernachlässigbaren kalorischen Wert besitzen (engl.: non nutrive sweetners) und eine um ein Vielfaches erhöhte Süßkraft als Saccharose aufweisen.

An neuen Süßstoffen besteht ein erhebliches Interesse, da einerseits in vielen Industrieländern auf Grund der Übergewichtigkeit der Bevölkerung ein Trend zu einer kalorisch reduzierten Ernährung vorhanden ist und andererseits die Unbedenklichkeit der seit langem bekannten Süßstoffe Saccharin und Cyclamat seit einiger Zeit in verschiedenen Ländern erneut diskutiert und geprüft wird . Die Suche nach Süßstoffen wird dadurch erschwert, daß die Zusammenhänge zwischen Struktur und Süßgeschmack noch nicht befriedigend geklärt sind, daß geeignete Verbindungen nicht nur gesundheitlich unbedenklich sein müssen, sondern daß sie darüber hinaus verschiedene andere Kriterien erfüllen müssen. Dazu gehören ausreichende Löslichkeit, Stabilität in einem breiten pH - und Temperaturbereich, möglichst reiner Süßgeschmack ohne Neben- und Nachgeschmack, auf Süßkraft bezogen ein mit Saccharose vergleichbarer Preis.

Versuch 1: Verbrennung eines Glimmibärchens

Man schmilzt eine Mischung aus 7,5 g Kaliumchlorat und 7,5 g Kaliumchlorit vorsichtig (Explosionsgefahr!) mit der Bunsenbrennerflamme in einem Reagenzglas. Unter das Reagenzglas wird ein mit Löschsand halb gefüllter Behälter ge stellt - falls das Glas durchschmilzt.

Anschließend gibt man ein Gummibärehen in die Schmelze und beobachtet das "flammende Inferno" .

Reaktion:

C12H22011 + 8 KCI0

~ 12 CO2 t ^{+ 8 KCI + 11} H20 violette

Flammenfärbung

t:. H = - 5644 kJ/mol

1 9 Kohlenhydrat=: 17,76 kJ

1 Gummibärchen =: ca. 14,3 kJ/g

2 Physiologie des Schmeckens

2.1 Anatomische Grundlagen:

Beim Menschen ist der Geschmackssinn immer auch mit dem Geruchssinn verbunden . Die Organe, die vier Geschmacksrichtungen süß , sauer, bitter und salzig vermitteln, befinden sich zum größten Teil als warzenförmige Papillen auf der Zungenoberfläche, weniger dicht auch auf der Wangen-, Gaumen-, Pharynx- und Larynxschleimhaut (Kehlkopfbereich) . Auf der menschlichen Zunge kommen drei Typen der Geschmackspapillen vor : Wall- und Blätterpapillen mit vielen Geschmacksknospen an den Seitenwänden und Pilzpapillen mit wenigen Geschmacksknospen auf der Oberseite. Die Fadenpapillen sind nur mechanisch wirksam, indem sie der Zunge eine samtartige rau he Oberfläche geben und damit die Haftfähigkeit des Mundinhalts verbessern. Die Geschmacksstoffe müssen ständig aus den Furchen der Papillen herausgespült werden, damit die folgenden Reizstoffe an die Sinneszellen gelangen können (Vermeidung eines Dauerreizes). Diese Funktion erfiillen die Spüldrüsen, die zwischen der Zungenmuskulatur liegen und ihr dünnflüssiges Sekret in die Furchen abgeben.

Der Mensch besitzt auf der Zunge mehrere tausend Geschmacksknospen mit bis zu 50 Sinneszellen pro Knospe. Jede Geschmacksknospe enth ält mehrere Sinneszellen und Stützzellen, die oben an einer Grube enden . In die Grube ragen Mikrovilli der Sinneszellen hinein . Die Lebensdauer einer Geschmackssinneszelle beträgt nur 10 Tage . Danach wird sie durch einen Abkömmling einer Stützzelle ersetzt, die ihrerseits aus einer Basalzelle hervorgeht.

Die Unterscheidungsfähigkeit der Geschmacksorgane ist geringer als die der Geruchsorgane.

Der Mensch und die bisher untersuchten Säugetiere und Insekten können nur die vier Grundqualitäten süß , sauer, salzig und bitter unterscheiden. Als Nebenqualitäten treten alkalisch (seifig) und metallisch (bei Kontakt mit Metall und Metallsalzen) auf.

Die eindeutige Zuordnung chemischer Eigenschaften eines Stoffes zu seiner Schmeckwirkung ist nicht möglich. So schmecken neben Zuckern auch Bleisalze (z .B Bleiacetat, giftig) und Beryllium giftig; in Frankreich wird es auch als Glucinium bezeichnet - vom griech. glykos =

süß) . Vielfach tritt bei Konzentrationserhöhungen eines Schmeckstoffes ein Geschmacksumschlag auf. So schmeckt eine 0, 02 bis 0,03 molare Kochsalzlösung süß, eine 0,04 molare und konzentriertere Lösung aber rein salzig. Saccharin schmeckt in hoher Konzentration bitter.

Auch innerhalb der organischen Stoffe ist kein grundlegender Zusammenhang zwischen Molekülbau und Süßungsgrad erkennbar. Ersetzt man z .B . beim Saccharin den Wasserstoff des Imids durch - CH

-C

s oder -C

s , so findet man keine süßende Wirkung mehr.

Die Rezeption der vier Geschmacksqualitäten erfolgt auf der Zunge vorzugsweise in vier sich überschneidenden Geschmackszonen, in denen jeweils ein Papillentyp dominant ist. Einzelne Geschmackszellen einer Knospe reagieren allerdings nicht allein auf süße Stoffe, sondern auch auf saure, salzige und bittere. Die Wahrnehmungsschwellen sind temperaturabhängig; die Empfindlichkeit ist bei ° °C am geringsten, steigt bis zu einem Ma ximum bei 40 °C an und sinkt dann rasch ab .

2.2 Aufnahme und Verarbeitung der Geschmacksinformation:

Die Verbindung zwischen Geschmackssinneszelle und afferenter Nervenfaser ist eine

chemische Synapse. Da eine Nervenfaser mit ihren Verzweigungen mehrere Sinneszellen und

häufig auch mehrere Geschmacksknospen innerviert , werden Geschmacksinformationen

zahlreicher Sinneszellen in den Impulsen einer Nervenfaser integriert. Die

Geschmackssinneszellen der vorderen zwei Zungendrittel werden vom Nervus facialis (VII.

Hirnnerv), die des Zungengrundes vom Nervus glossopharyngeus (IX. Hirnnerv) innerviert.

Die Rezeption der Geschmacksreize verläuft ähnlich der der Geruchsreize.

1. Transduktion: Ein Molekül des Geschmackstoffes bindet sich an ein Rezeptorprotein in der Mikrovilli-Membran einer Geschmackssinneszelle. Diese Bindung löst eine Öffnung von Membrankanälen aus; der Einstrom von Ionen fuhrt zu einem depolarisierenden oder hyperpolarisierenden Sensorpotential in der Geschmackssinneszelle. Die Höhe des Sensorpotentials nimmt mit der Konzentration des Geschmacksstotfes zu.

2. Transformation: Erreicht ein depolarisierendes Sensorpotential eine bestimmte Schwelle, werden ein oder mehrere Aktionspotentiale an den Synapsen zur afferenten Nervenfasern gebildet und ins Gehirn geleitet.

Jede Sinneszelle reagiert stark auf Reize einer bestimmten Geschmacksqualität, daneben aber noch - mehr oder weniger schwach - aufReize anderer Qualitäten; das gleiche gilt auch für die ableitenden Nervenfasern. Die entscheidende Information über die Geschmacksqualität und -intensität ergibt sich aus der Gesamtreaktion aIJer beteiligten Nervenfasern, also im afferenten Impulsmuster. Dieses muß in den zentralnerväsen Strukturen des Geschmackssinnes decodiert werden. Bestimmte Geschmacksstotfe können den Geschmack andere Gleichzeitig oder kurz danach aufgenommener Substanzen verändern: wird z.B. Cocain auf die Zunge gebracht, fallen nacheinnder die Empfindungen fur bitter, süß, salzig und sauer aus. Kaliumgymnemad, ein Inhaltsstotf der indischen Pflanze Gymnea sylvestre, löscht die Geruchswahrnehmung aus, so daß Zucker wie Sand schmeckt. Ein in der Frucht der westafrikanischen Pflanze Synsepalium dulcificum enthaltenes Protein verwandelt sauren Geschmack in süßen: Zitronen schmecken wie Orangen.

Mit zunehmendem Alter nimmt die Leistungsfähigkeit des Geschmackssinnes ab; die Einnahme von Drogen, Coffein oder starkes Rauchen mindern ebenfalls die Geschmacksleistung.

2.3 Strukturelle Voraussetzungenfür süßen Geschmack:

Süßer Geschmack wird von sehr verschiedenen Verbindungen hervorgerufen. Shallenberger und Acree sehen als gemeinsames strukturelles Merkmal ein Protonendonator/-akzeptor- System (AHs/Bs-System) an, das bestimmte sterische Vorrausetzungen erfullen muß und das mit dem komplementären System eines Rezeptors (AHr/Br-System) über zwei Wasserstoflbrücken in Wechselwirkung treten kann. Kier erweiterte diese Modell, indem er zusätzlich eine hydrophobe Wechselwirkung mit einer in geeigneter Position befindlichen Gruppe X annimmt. Ein erweitertes Modell ersetzt das AHsIBs ^{durch ein} nucleophiJes/elektrophiles Systemm./e-System) und den lokalisierten Kontakt mit der Gruppe X durch einen ausgedehnten hydrophoben Kontakt. Ein schematischer Rezeptor für süße Verbindungen ist danach als hydrophobe Tasche darzustellen, die ein komplementäres nr/e

System enthält.

Während bei süßen Verbindungen zwei polare (ns/es) Gruppen vorhanden sein müssen, die

gegebenenfalls durch eine hydrophobe Gruppe ergänzt werden, sind bei bitteren Verbindungen

eine polare (n, oder es) und eine hydrophobe Gruppe ausreichend.

3 Sensorik von Süßungsmitteln

Zur weiteren Charakterisierung süßender Stoffe sind zwei Eigenschaften von besonderer Bedeutung, und zwar die Süßkraft als Maß für das Süßungsvermögen und die ge schmackliche Qualität zur Beschreibung der Süße.

Als Maß für die Intensität des Süßgeschmacks einer Verbindung können herangezogen werden:

• der Erkennungsschwellenwert

s w (niedrigste Konzentration einer wäßrigen Lösung des zu testenden Stoffes, die als süß empfunden wird) .

• der Faktor fsac, mit dem die beliebige Konzentration einer wäßrigen Lösung des zu testenden Stoffes multipliziert werden muß um die Konzentration einer isosüßen Saccharoselösung zu ergeben. Der Faktor ist konzentrationsabhängig und kann sich auf Gewichtsmengen (f sac,g) oder molare Mengen (f sac,mol) beziehen.

3.1 Süßkraft

Die Süßkraft ist wohl die wichtigste Eigenschaft, um den Gebrauchswert und die Einsatzmöglichkeiten von süßenden Stoffen zu beurteilen. Sie ist definiert als das Verhältnis der zur Erzielung ein und der selben Süßintensität erforderlichen Konzentration der als Bezug dienenden Saccharoselösung und der zur untersuchenden Substanz. Mathematisch läßt sich dies sehr einfach wie folgt ausdrücken:

Darin bedeutet S die Süßkraft der zu untersuchenden Substanz A, die sich daraus ergibt, daß man zu einer definierten vorgegebenen Menge Saccharosekonzentration es die äquivalente Konzentration

der Substanz A ermittelt. Es sind folgende Fälle zu unterscheiden :

CA= Cs CA < Cs CA> Cs

Die Süßkraft von Saccharose und der Substanz A sind gleich.

Die Süßkraft der Substanz A ist größer als die von Saccharose.

Die Süßkraft der Substanz A ist kleiner als die von Saccharose.

Teilweise wird auch die relative Süßkraft angegeben. Sie entsteht durch Multiplikationen von Gleichung 1 mit 100 und der Angabe des resultierenden Wertes in %.

Als Süßungsgrad wird nach PAUL das Süßungsvermögen von 19 Süßstoff im Vergleich zur Saccharose (Rohr- bzw. Rübenzucker) bezeichnet; der Süßungsgrad gibt somit an, wieviel Gramm Süßstoff in einem bestimmten Volumen gelöst werden müssen, damit die Lösung gerade süß so schmeckt wie die Lösung von 19 Saccharose in dem gleichen Volumen Wasser.

Um beispielsweise den Süßungsgrad einer Saccharinlösung zu bestimmen, werden zwei verschieden konzentrierte Lösungen hergestellt, wovon die eine süßer als die Normalzuckerlösung ist., die andere hingegen weniger süß . Danach setzt man eine Reihe von Saccharinlösungen an, deren Konzentration zwischen den beiden Grenzlösungen liegt und die untereinander stets denselben Konzentrationsunterschied aufweisen. Die Lösungen werden von einer größeren Anzahl von Testpersonen auf ihren Geschmack überprüft, um Unsicherheiten möglichst auszuschalten. Die erhaltenen Urteile werden ausgewertet und graphisch dargestellt.

Der Süßungsgrad ist keine Konstante; er hängt ab von der Konzentration der Lösung, vom

Lösungsmittel, vom pll-Wert und von der Gegenwart andere Stoffe (Synergismus). Mit

steigender Konzentration des Süßstoffes ist eine Abnahme des Süßungsgrades zu beobachten

(eine Ausnahme bildet hier Xylit) .

Süßungsgrad einiger Zucker, Zuckeraustausch- und Süßstoffe (Bezugsgröße: Saccharose = 1):

Substanzklasse Substanz Süßungsgrad

Zucker Glucose 0,7

Fructose 1,2

Saccharose 1

Süßstoffe Saccharin 300 - 500

Cyclamat 15 - 30

Aspartam 200

Acesulfam K 20

Intensivsüßstoff P4000 3100 - 3300

Dulcin 70 - 350

Neospheridin DC 600 - 1500

r>.

Thaumatin 2500

Zuckeraustauschstoffe Fructose 1,2

Mannit 0.45 - 0,57

Sorbit 0,48 - 0,54

Xylit 1

Isomalt 0,5

3.2 Toxikologie

Die heutzutage praktisch verwendeten Süßstoffe sind alle so gering toxisch, daß in den anwendbaren Konzentrationen Schädigungen nicht denkbar sind. Trotzdem wurden in den USA in einer Studie festgestellt, daß Ratten nach außergewöhnlich hohen Süßstoffgaben Blasenkrebs bekamen. Die Rechtsgrundlage in den Vereinigten Staaten verlangt, daß in solchen Fällen ein Verbot dieses Stoffes erfolgen muß. In der BRD wurde zu keiner Zeit ein solches Süßstoffverbot ausgesprochen, da langjährige Untersuchungen und Kontrollen verschiedener Krebsforschungsinstitute keine negativen Auswirkungen von Süßstoffen nachweisen konnten.

Trotzdem hat die WHO unter Berücksichtigung für Süßstoffe sog. ADI-Werte (==acceptable

daily intake) festgesetzt. Diese Werte stellen die Mengen pro Kilogramm Körpergewicht dar,

die täglich mit der Nahrung ein ganzes Leben lang ohne Risiko aufgenommen werden können.

ADI-Werte einiger ausgewählter Substanzen:

Substanz

ADI-Wert * Zucker-

Äquivalent "

Saccharin 190 mg 75 9

Cyclamat 830 mg 35 9

Aspartam 3000 mg 600 9

Acesulfam K 1125 mg 225 9

* Bei 75kg Körpergewicht

Die Toxizität hängt entscheidend von der Konzentration der Substanzen ab: Saccharin wird beispielsweise in Tierversuchen als völlig untoxisch beschrieben; versehentlich von einem Kind aufgenommene Mengen von 200 Tabletten Saccharin fuhrten bei diesem zu vorübergehender Bewußtseinsstörung und hämorrhagischer Nephritis (Nierenentzündung).

Der 1972 verbotene Süßstoff Dulcin führte in einigen Fällen durch grobe Fahrlässigkeit zum

Tode; es wurden vier letale Vergiftungsfalle bei Erwachsenen bekannt, nachdem sie

versehentlich Dulcin-Pulver anstelle von Mehl in einem Kuchen verbacken und diesen

anschließend genossen hatten (etwa 30-35 g pro Person'). Das Verbot von Dulcin wurde aber

erst ausgesprochen, nachdem es in Tierversuchen nachweislich Leberturnare und Anämie

verursacht hatte.

4 Saccharin

Struktur:

Summenformel: C

s N 0

Moirnasse: 183,2

4.1

Geschichte des Saccharins

Saccharin wurde 1878 von Constantin Fahlberg entdeckt, als ihm ein Versuchsansatz übergekocht war, und er zufällig einen starken Süßgeschmack an seinen Händen wahrnahm.

Die für diesen Geschmack verantwortliche Substanz, heute Saccharin genannt, wurde von Fahlberg und Remsen zum ersten Mal beschrieben (C. Fahlberg und I. Remsen; Br. Dtsch.

Chem. Ges. 12, 469; 1879). Fahlberg meldete bald zusammen mit dem Kaufmann List Patente zur Herstellung des Saccharins an: 1886 gründeten beide die erste Saccharin-Fabrik, die den Grundstock der heutigen Fahlberg-List-Fabrik in Magdeburg bildete.

Die Jahresproduktion dieser Fabrik betrug ] 894 bereits 33 t und war 1897 auf 66 t angestiegen; trotz Einschränkung der Verwendung durch das Süßstoffgesetz produzierten im Jahr 1910 sechs Saccharinhersteller insgesamt 175 t.

In den ersten beiden Jahrzehnten unseres Jahrhunderts wurde die Verwendung des Sacccharins, von Kriegszeiten abgesehen, durch das Gesetz mehr oder weniger stark eingeschränkt. Erst 1965 wurde die Besteuerung des Saccharins im Rahmen der EG- Steuerharmonisierung endgültig abgeschafft. Andere Bezeichnungen für diese Verbindung sind 2-Benzoesäuresulfimid oder o-Benzoesäuresulfimid, Saccharin 550-fach, Saccharin insolubile, Glusidum (Schweiz) und im Englischen saccharin insoluble.

4.2 Synthese

Für die Synthese des Saccharins haben sich zwei Verfahren durchgesetzt: das Remsen- Fahlberg- und das Maumee Verfahren.

Im Remsen-Fahlberg -Verfahren wird Toluol durch Sulfochlorierung in das Isomerengemisch von 2- und 4- Toluolsulfochlorid überführt. Aus dem 2-Isomer wird anschließend das 2- Toluolsulfonamid (auch OTS bzw. OTSA genannt) hergestellt. Durch Oxidation erhält in saurem Medium unmittelbar das 2-Benzoesulfonimid. Aus ihm werden die entsprechenden Salze hergestellt und durch mehrmalige Umkristallisation - meist aus Wasser- gereinigt. Das Remsen-Fahlberg-Verfahren ist nach wie vor der wichtigste Herstellungsprozeß, und die Hauptmenge des Saccharins dürfte so gewonnen werden.

Für das Maumee-Verfahren dient Phtalsäureanhydrid als Ausgangssubstanz. Nach dem neueren

Maumee-Prozeß wird das Anhydrid zunächst in das Imid überfuhrt. Nach Oxidation zum

Isatosäureanhydrid wird der Anthranilsäuremethylester gebildet. Durch Diazotierung und

Umsetzung mit Schwefeldioxid und Chlor wird das 2-Sulfochlorid des

Anthranilsäuremethylesters erhalten, das man durch Ammoniak in Ammoniumsaccharinat

überfuhren kann. Hieraus wird Saccharin freigesetzt, oder es wird in andere Salze überfuhrt.

4.3 Sensorische Eigenschaften

4.3.1 Süßgeschmack und Süßkraft

Saccharin und seine Salze zeigen einen schnell eintretenden, sehr intensiven Süßgeschmack.

Der Reizschwellenwert, der von etwa 85% der Testpersonen noch als süß empfunden wird, liegt bei etwa 4-5 mg/IOO ml Wasser.

Wie auch andere Süßstoffe besitzt Saccharin in höheren Konzentrationen einen Beigeschmack, der in der englischen Literatur als

bezeichnet wird. Bei Saccharin wird dieser als bitter-metallisch angegeben.

In früheren Untersuchungen glaubte man dafür ein Syntheseprodukt verantwortlich machen zu können, wofür auch die Angaben der ursprünglichen Firmenschrift der der Firma Fahlberg-List sprechen (Saccharin, Firmenschrift Fahlberg-List&Co 1893, Faksimile Nachdruck 1980 durch VEB Fahlberg-List, Magdeburg, DDR). Auch Verunreinigungen durch Metall-Ionen, insbesondere durch Eisen-Ionen, hat man als Grund für einen Bittergeschmack vermutet.

Später Untersuchungen (von Rader, J. Food Sei. 32,357; 1967) an reinstem Saccharin zeigten, daß der Beigeschmack eine substanzspezifische Eigenschaft ist.

Dieser Beigeschmack tritt in Lebensmittelzubereitungen nicht in dem Maße auf wie in wäßrigen Lösungen, da er durch Zucker und andere Polysaccharide zurückgedrängt wird. Es sind zahlreiche Substanzen bekannt, die ihn bereits in sehr kleinen Konzentrationen maskieren.

Bei Untersuchungen mit Aspartam konnte z.B. gezeigt werden, daß bereits eine Aspartam- Menge genügt, die weit unter dem Geschmacksschwellenwert von

liegt. Auch verschiedene andere Zuckerausstauschstoffe wie Isomalt und Maltisirup zeigen diese Eigenschaften.

4.3.2 Saccharin-Mischungen mit anderen süßschmeckenden Stoffen

Die Verbesserung Geschmacksempfindung "süß" in Mischungen von Saccharin mit Zucker, Stärkeverzuckerungserzeugnissen, Zuckeraustauschstoffen und anderen Süßstoffen ist sehr genau untersucht worden, zumal oft eine Steigerung der Süßkraft resultiert, die über die rein additive Wirkung der Einzelkomponenten hinausgeht (sog. Synergismus) Auf die Maskierung des Nebengeschmacks. die ebenfalls erreicht wird, wurde bereits hingewiesen. Besonders günstig werden Mischungen beurteilt, wenn die einzelnen Komponenten etwa den gleichen Beitrag an Süße leisten ..

Synergistische Effekte von Saccharin sind mit Fructose und Xylit erzeugt worden: bei Fruktose-Saccharin Mischungen im Süßungsverhältnis 1:1 konnte man eine Steigerung um 20% feststellen, bei Mischungen mit Xylit war die Steigerung deutlich, aber etwas geringer.

Mischungen von Fruktose mit Saccharin zeigten darüber hinaus auch eine aromasteigernde Wirkung in Lebensmitteln, insbesondere in Obsterzeugnissen. Mischungen mit Saccharose, Glucose, Mannit und Sorbit zeigten in verschiedenen Süßungsgradverhältnissen keinerlei Steigerung der Süßintensität ( interessanterweise tritt auch bei Gemengen mit Acesulfam K keine Steigerung auf, was möglicherweise mit Ähnlichkeiten der Struktur beider Verbindungen zu erklären ist), mit beinahe allen anderen Süßstoffen werden bei Mischungen mit Saccharin Steigerungen der Süßkraft erzielt. Von großer praktischer Bedeutung ist die Mischung aus 1 Teil Saccharin mit

Teilen Natriumcyclamat, deren Süßkraft auf

angesetzt wird.

Eine Erhöhung der Süßkraft läßt sich auch bei Zusatz von Säuren beobachten; mit sinkendem

pR-Wert nimmt die Süßkraft wäßriger Saccharinlösungen bedeutend zu.

4.4 Physikalische und chemische Eigenschaften

4.4.1 Saccharin

Saccharin bildet ein weißes, kristallines, geruchloses Pulver, das aus Wasser in rhombischen, aus Aceton in monoklinen Kristallen und aus Ether in hexagonalen Täfelchen kristallisiert. Der Geschmack ist intensiv süß.

Reines, aus Wasser umkristallisiertes Saccharin schmilzt bei 228-229 "C. Saccharin kristallisiert ohne Kristallwasser aus, so daß der von der Zusatzstoff-Verkehrs-Ordnung VO zugelassene maximale Trocknungsverlust von 1 % durch Feuchtigkeit bedingt sein kann. In der Praxis liegen die tatsächlich beobachteten Trocknungsverluste in der Regel nicht über 0,2-0,5%.

Saccharin wird in feinen Kristallen gehandelt. Meist wird von den Herstellern die Ware zwischen 60-100 US .mesh" in den Handel gebracht. Das entspricht nach der deutschen Standard Norm einer Korngröße zwischen 250 - 150 um.

Ein Gramm Saccharin löst sich in etwa 25 ml siedendem Wasser, bei Raumtemperatur aber erst in etwa 300 ml. Für l g werden bei Raumtemperatur folgende Mengen an org. Lösungsmitteln benötigt: etwa 12 ml Aceton, etwa 20 ml Esigsäureethylester, etwa 30 ml Ethanol (96°A>ig v/v), etwa 100 ml Ether und 50 ml Glycerin.

Die kalte gesättigte wäßrige Lösung hat einen pH-Wert von etwa 2. Bei Zusatz von Alkalien, Alkalicarbonaten oder -hydrogencarbonaten nimmt die Löslichkeit unter Salzbildung stark zu.

Bei Umsetzung mit Alkalicarbonaten oder Alkalihydrogencarbonaten wird Kohlendioxid freigesetzt.

Saccharin ist eine verhältnismäßig starke Säure, ihr pKs-Wert wird mit 1,6 angegeben.

4.4.2 Saccharin-Calcium

Es hat sich eingebürgert, bei den Salzen des Saccharins das Kation hinter das Anion zu stellen (also Saccharin-Calcium anstelle von "Calciumsaccharinat").

Saccharin-Calcium bildet farblose Kristalle oder ein weißes, kristallines geruchloses Pulver von intensiv süßem Geschmack. Bis vor einiger Zeit war es auf dem deutschen Markt nicht erhältlich, neuerdings bieten es einige Firmen an. Meist handelt es sich um feinkristallines Pulver, bei dem der Trocknungsverlust um 14% liegt. 1g Saccharin-Calcium löst sich bei Raumtemperatur in etwa 1,5 ml Wasser. Zur Löslichkeit in anderen Lösungsmitteln gilt weitgehend das für Saccharin-Natrium Gesagte.

Gesättigte Lösungen in Wasser sind saurer als solche von Saccharin-Natrium, da Calciumhydroxid eine schwächere Base als Natriumhydroxid ist, es werden pH-Werte um 5 gemessen.

Bei der Verarbeitung kann es in manchen Fällen, z.B. in Fruchtsäften und Limonaden, zum Ausfällen von Calciumphosphat, Calciumoxalat und anderer schwer löslicher Verbindungen kommen.

4.4.3 Saccharin-Natrium

Saccharin-Natrium bildet farblose Kristalle oder ein weißes, kristallines, geruchloses Pulver.

Aus Wasser umkristallisiert, liegt es in rhombischer Form vor. Auch hexagonale Kristalle sind bekannt; diese sollen beim Auskristallisieren bei höhere Temperatur oder aus org.

Lösungsmitteln entstehen. Der Geschmack ist intensiv süß.

Dem theoretischen Kristallwassergehalt von

Mol H

0 entspricht einem Trocknungsverlust

von 14,9%. Saccharin-Natrium gibt sein Kristallwasser sehr leicht ab wobei die farblosen

Kristalle weiß werden; die sehr Vorgang wird als "Verwittern" bezeichnet.

Im Handel wird es von Herstellern in verschiedenen Kristallgrößen angeboten; üblich sind ca.

100-850 um, 425-180 um und 180-100

Bei Handelsware wird je nach der Größe der Kristalle ein Trocknungsverlust zwischen 12-140/0 festgestellt. Mit der Abgabe des Kristallwassers nimmt das Süßevermögen entsprechend zu.

Saccharin-Natrium neigt bei schwankenden Lagertemperaturen zur Verklumpung. Diese Erscheinung ist abhängig von der Kristallgröße, dem vorhandenen Kristallwasser und den TemperaturditTerenzen. Das ursprünglich im Gitter gebundene Wasser tritt bei geringer Temperaturerhöhung aus, löst die Oberfläche der Kristalle an und fuhrt so zur Verklumpung; je größer die Kristalle sind, desto geringer ist die Gefahr des Verklumpens. Bei Raumtemperatur ist es in Wasser außerordentlich gut löslich, bereits 1,2-1,5 ml lösen ] g Substanz. Für org.

Lösungsmittel gelten bei Raumtemperatur folgende Angaben: 19 löst sich in etwa 60 ml Ethanol (96%ig v/v), in etwa 50 ml Ethanol (9001Oig v/v), in etwa 10 ml Methanol und in etwa 3ml 1,2 Propandiol. In Chloroform und Ether ist Saccharin-Natrium praktisch unlöslich.

Lösungen von reinem Saccharin-Natrium in Wasser (lOg/IOO ml) zeigen pH-Werte zwischen 6,5 und 7; sie sind also praktisch neutral.

Von Bedeutung ist, daß aus Lösungen der Salze des Saccharins durch Essigsäure keine Ausfällungen auftreten, da Saccharin von dieser nicht freigesetzt wird, stärkere Säuren fällen aus konzentrierten Lösungen der Saccharinsalze das Saccharin aber aus.

4.5 Stabilität

4.5. 1 Stabilität bei der Lagerung

Saccharin und seine Salze können über Jahre gelagert werden, ohne daß eine Veränderungen eintreten. Zu bedenken ist allerdings, daß die sehr gut wasserlöslichen Salze in dicht schließenden Behältnissen aufbewahrt werden sollten, um Kristallwasserverluste oder Feuchtigkeitsaufnahme bei schwankenden Luftfeuchtigkeiten weitgehend zu vermeiden.

4.5.2 Koch- und Backstabilität

Lösungen von Saccharin-Natrium sind in weiten Temperaturbereichen stabil, deshalb ist es für den praktischen Gebrauch als koch- und backfest zu beurteilen.

In ausführlichen Untersuchungen wurde festgestellt, daß bei zweistündigem Erhitzen auf 100 "C bei einer etwa O,2%igen Lösung von Saccharin-Natrium keinerlei Zersetzung auftritt.

Bei höheren Temperaturen stellten sich bei gleichen Versuchsbedingungen geringfügige Aufspaltung des Imid-Ringes fest. Die Verluste werden bei 150 "C mit 2,7%, bei 200°C mit 4,6% und bei 230 "C mit 6,0% angegeben.

Die extremen pH-Werte und Temperaturbelastungen, denen Saccharin-Natrium in beiden Untersuchungen ausgesetzt wurden, werden in der Praxis nicht erreicht. Bei großvolumigen Backwaren werden im Inneren 100°C kaum überschritten und bei Flachgebäck beträgt die Backzeit max. 20 Minuten, so daß eine stärkere Hitzeeinwirkung relativ kurz ist und weitgehend auf die Oberfläche beschränkt bleibt.

Die Hydrolyseprodukte sind geschmacklos; eine gerinfügige Zersetzung hat daher keine ins Gewicht fallende Veränderung des Süßgeschmacks zur Folge.

4.5.3 Umsetzung mit Lebensmittelinhaltsstoffen

Umsetzungen mit wichtigen Lebensmittelinhaltsstoffen sind nicht zu befurchten, weshalb

Saccharin und seine Salze zum Süßen der unterschiedlichsten Lebensmittelzubereitungen

geeignet sind.

4.5.4 Viskositätseinflüsse

Da Saccharin und seine Salze infolge des hohen Süßungsvermögens nur in geringen Konzentrationen zum Einsatz kommen, treten keine Veränderungen der Viskosität bei Lösungen und in flüssigen Lebensmittelzubereitungen auf

4.6 Mikrobiologisches Verhalten

Ob dem Saccharin und seinen Salzen eine antiseptische oder bakteriostatische Wirkung zuzuschreiben ist, war Gegenstand umfangreicher Untersuchungen. Saccharin hat schwache antiseptische Eigenschaften, die bei Konzentrationen über 1 % in Erscheinung treten. Es ist nicht vergärbar und begünstigt deshalb die Entstehung von Karies nicht. Im Rattenversuch wurde eine ausgeprägte Verminderung des Kariesbefalls festgestellt, wenn den Versuchstieren bei gleicher zuckerreicher Nahrung wie in der Kontrollgruppe zusätzlich Saccharin gefuttert wurde

Süß aktuell: Nr.

1983).

4.7 Pharmakologie und Toxikologie 4.7.1 Verhalten im Organismus

Saccharin wird vom menschlichen Organismus schnell resorbiert und unverändert über die Niere ausgeschieden. Bereits 30 Minuten nach der Einnahme kann die Substanz im Harn nachgewiesen werden; innerhalb von 24 Stunden sind etwa 90°A> eliminiert. Nach 48 Stunden ist Saccharin im Organismus praktisch nicht mehr vorhanden; bei sehr hohen Gaben kann auch ein Teil mit dem Stuhl ausgeschieden werden. Daher kommt es zu keiner Akkumulation von Saccharin im Körper. Saccharin und seine Salze besitzen keinen physiologischen Brennwert und sind somit joule- bzw. kalorienfrei.

4.7.2 Toxikologie

Bereits 1882 hat Fahlberg Selbstversuche mit 10 g - Dosen von Saccharin unternommen.

Wiederholte Einzelgaben von 5-10g ergaben beim Menschen keine nachteiligen Wirkungen; es wurden keine Beeinflussungen des Blutzuckerspiegels und der Enzymaktivitäten festgestellt..

Bei Einnahme von 520g Saccharin innerhalb von 9 Tagen, was einer täglichen Aufnahme von etwa 58g entspricht, wurde lediglich eine leichte Diarrhoe festgestellt. Bei praxisüblichen Einsatzkonzentrationen kann eine abführende Wirkung auch bei Menschen, die größere Saccharin-Dosen zu sich nehmen, allerdings mit Sicherheit ausgeschlossen werden.

Die sichere Verwendung von Saccharin hat eine jahrhundertelange Geschichte; es ist einer der am gründlichsten untersuchten Nahrungsmittelzusatzstoffe.

Im Jahre 1977 jedoch wurde die Unbedenklichkeit von Saccharin in Frage gestellt, da in einer kanadischen Tierstudie bei männlichen Ratten Blasentumore auftraten.. Die Dosis, die an die Ratten verfüttert wurde, war extrem hoch; umgerechnet auf den Menschen entsprach diese Dosis einem lebenslangen täglichen Verzehr von ungefähr 750 Dosen süßstofThaltiger Erfrischungsgetränke oder] 0.000 Süßstotftabletten.

Alle seither vorgenommenen wissenschaftlichen Untersuchungen zeigen, daß dieser Effekt nur

bei männlichen Ratten auftritt, denen extrem hohe Dosen an Saccharin verfuttert wurden. Die

Sicherheit von Saccharin für den Menschen im Rahmen des üblichen Verzehrs wurde jedoch

bestätigt. Mehr als 20 Untersuchungen über Blasenkrebs in den USA erbrachten keinen

kausalen Zusammenhang zwischen der Einnahme von Saccharin und Krebsbildung; dies gilt

besonders auch für Personen und ihre Nachkommen aus Deutschland und Dänemark, die

während der beiden Weltkriege Saccharin in größeren Mengen (als Zuckerersatz) verzehrten.

4.8 Status

Saccharin ist durch die Richtlinie 94/35/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 30. Juni 1994 über, die in Nahrungsmitteln verwendet werden dürfen, zugelassen. Die Richtlinie war bis zum 31.Dezember 1995 von den 15 EU-Mitgliedsstaaten umzusetzen.

Saccharin ist weltweit in mehr als 90 Ländern sowie vom Gemeinsamen Experten-Ausschuß für Lebensmittelzusatzstoffe (JECFA) der Welternährungs- und Weltgesundheitsorganisation (FAO/WHO) und vom Wissenschaftlichen Ausschuß für Lebensmittel (SCF) der Europäischen Kommission zugelassen.

1977 beantragte die Lebens- und Arzneimittelbehörde (FDA) in den USA ein Verbot für Saccharin. Der Antrag wurde jedoch vom Kongress in Erwartung weiterer Untersuchungen abgelehnt. Seitdem wurde das Moratorium sechsmal verlängert, zuletzt bis 1997. Die FDA hat jedoch ihren Antrag Ende 1991 zurückgezogen.

4.9

AD/-Wert

Der ADI-Wert für Saccharin wurde im Februar 1993 auf 5,0 mg pro kg Körpergewicht erhöht (JECFA). Der Wissenschaftliche Ausschuß für Lebensmittel (SCF) der Europäischen Kommission hat den ADI-Wert für Saccharin ebenfalls auf 5,0 mg pro kg Körpergewicht erhöht. (Quelle: Internationaler Süßstoff-Verband ISA)

4.

Süßkrll;ft

Saccharin ist etwa 300-500 mal süsser als Zucker (Saccharose).

4.1/ Anwendungen

Saccharin und seine Salze können in allen Getränken und Lebensmitteln verarbeitet werden, sofern dem nicht die Regelung durch Verordnungen entgegenstehen. Bei der Verarbeitung ist zu beachten, daß sich die zugelassenen Höchstmengen auf reines Saccharin beziehen, um auf das kristallwasserhaltige Natriumsalz umzurechnen, ist mit dem Faktor 1,32 zu multiplizieren.

Von den Saccharin-Salzen lassen sich konzentrierte Stammlösungen herstellen, die das Zudosieren von Getränken und Lebensmitteln wesentlich erleichtern. Auf mögliche Ausfällungen beim Einsatz von Saccharin-Calcium wurde bereits hingewiesen.

Saccharin selbst wird gemeinsam mit Natriumhydrogencarbonat bevorzugt zur Herstellung von Tabletten eingesetzt, da sich beim Lösen unter Kohlendioxidentwicklung das Natriumsalz bildet. Insbesondere in kalten Getränken lösen sich Tabletten besser, die unmittelbar das Natriumsalz und meist noch Zusätze von Fruchtsäuren oder deren Salzen und Natriumhydrogencarbonat enthalten, um eine schnelle Auflösung mit einem gleichzeitigen .Rühreffekt zu erreichen. Übliche Saccharin-Tabletten enthalten 16 mg Süßstoff und entsprechen der Süßkraft eines Stücks Würfelzucker.

Die Direktverpressung einer Mischung aus den genannten Zutaten ist möglich, erfordert aber

eine gewisse Erfahrung. Infolge der Erwärmung beim Pressen wird ein Teil des Kristallwassers

frei, das die Reaktion zwischen Fruchtsäure und Natriumhydrogencarbonat in Gang bringen

kann. Bei dieser Umsetzung entsteht erneut Reaktionswasser; als Folge kommt es zu den

bekannten Schwierigkeiten beim Pressen, wie z.B. dem sog. "deckeln". Auch beim Lagern von

Tabletten bei höhere Temperatur wurden Verklumpungen beobachtet, die durch den geringen

Kristallwasergehalt entstehen, der die unerwünschte Nebenreaktion zwischen Säure- und

Basenkomponente bedingt. Vermeiden lassen sich diese Nachteile, wenn ein teilweise

getrocknetes Saccharin-Natrium zur Tablettenherstellung eingesetzt wird. Bei der Produktion

von Cyclamat-Saccharin-Mischtabletten treten die geschilderten Erscheinungen nicht auf.

Hingewiesen sei darauf: daß bei der Tablettenherstellung nur die in der Zusatzstoff-Zulassungs-

va erlaubten Stoffe eingesetzt werden dürfen; nicht alle Zusätze, die im Pharmabereich erlaubt sind, dürfen bei Tabletten im Lebensmittelbereich verwendet werden.

Saccharin hat die größte Anwendungsbreite aller Süßstoffe und wird in folgenden Lebensmitteln verwendet:

* Tafelsüßstoffen * Fisch- und Fruchtkonserven

* Instantgetränken * Kaugummi

* Erfrischungsgetränken * Multivitaminpräparaten

* Fruchtsaftgetränken * Eiscreme

* Eistee * Puddings

* Milchprodukten * Schokolade

* Konfitüren, Marmeladen * Zahnpasta und Mundwasser

* Süßwaren * Arzneimittel

* Apfelwein, Gemüsesauerkonserven, Soßen

Eine spezielle Bedeutung haben Saccharin und seine Salze in einem technischen Bereich.

In der Galvanoindustrie bedingen Zusätze von Saccharin zu Chrom- und Nickelbädern eine gut haftende und glänzende Abscheidung der Metalle bei der Elektrolyse.

Bei diesen technischen Qualitäten spielt der durch die ZusatzstotT-Verkehrsordnung- va

begrenzte Gehalt an Toluolsulfonamiden keine Rolle. Der Verarbeiter in der Lebensmittel- und Arzneimittelindustrie sollte deshalb bei der ihm obliegenden Rohstoftkontrolle (DAB 9) stets der Bestimmung des Toluolsulfonamid-Gehaltes besonderes Augenmerk widmen.

4.12 Versuche Versuch 2:

Darstellung von Saccharin aus

Toluolsulfonamid

In einem 250ml Kolben gibt man 2,3g Kaliumpermanganat,

Natriumcarbonat,

Toluolsulfonamid und 75ml Wasser. Die Mischung wird auf dem Ölbad unter Rühren zum Sieden erhitzt (Magnetrührer, Rückflußkühler). Nach einer Stunde unter Rühren filtriert man die Lösung durch einen Faltenfilter (eventuell noch schwache Violettfärbung). Das erkaltete Filtrat wird mit halbkonzentrierter Schwefelsäure vorsichtig angesäuert (Lösung auf Indikatorpapier tüpfeln). Nun kühlt man mindestens

h mit Eiswasser, damit das Saccharin möglichst vollständig ausfällt. Mit einem Büchnertrichter wird der Niederschlag abgesaugt.

Das Produkt muß trocken sein.

O

^I _.,QS~, ^CH

^{NH + 2 Mn0}

'lJ/ r

0-

TaluolsuIfonamid

OH

"NH

O

S

\,. r

+ 2 Mn0

+ 20H

Braunstein

- H ₂ 0

.. ~

^{,Q:, , ~S~A' 'b\}

^NH

Saccharin

Synthese von o-Toluolsulfonamid:

a ^{CH3 CIS0 - .}

^u.a. ce ^{~ I CH3 SO CI 1. NH 2. Cr0 - .}

.r>.

2

/cr

0'

H+

OH - .

I ^NH

-H 0 ^/

S02NH2 2 /"~':---

'9- q, ^Saccharin

Saccharin-Synthese nach Meerwein

a

^{I C H3 - .}

Toluol

1.0x.

2.Red

-~

.

10' 10' 10'

NaN0

S02 I OCH

NH

...

OCH

I ^NH

- . --.

HCI + ⁺² /CI -HCr

/

N=NI (Cu) ^\01' _~S~ n\ -HOCH

\<1S~

CI-

Saccharin

Versuch 3:

Dünnschichtchromatographischer Nachweis von Saccharin

Zum Nachweis von Saccharin schüttelt man die zunächst wäßrige Lösung mit Äthylacetat aus.

Das so erhaltene Extrakt lässt sich nun auf Kieselgel G-Schichten nach der Standardmethode chromatographieren. Mit dem Fließmittel Chloroform-Eisessig (90 + 10) liegt der RF-Wert des Saccharins bei 30 und läßt sich unter der UV-Lampe bei 254 nm detektieren; zum Vergleich läßt man reines Natrium-Saccharinat ebenfalls aftrennen und detektieren..

Auf der verwendeten DC-Platte befindet sich ein Fluoreszenzfarbstoff; bei Detektion unter der UV-Lampe erkennt man das Natrium-Saccharin als dunkel-violetten Punkt auf gleicher Höhe mit dem reinen Natrium-Saccharin.

Versuch 4: Nachweis von Saccharin

Zu einer Spatelspitze Saccharin gibt man in einem Reagenzglas etwas Resorcin und tropft im Überschuß konzentrierte Schwefelsäure zu. Anschließend erhitzt man bis zur Braun- /Grünfärbung (Schutzbrille!) und lässt das Gemisch abkühlen. Das Erhitzen erfordert etwas Übung, da schnell eine Verkohlung eintritt. Nach Zugabe von etwa der 10fachen Menge Wasser wird die Lösung mit konz, NaOH alkalisiert und unter der UV-Lampe bei 254 nm detektiert. Man erkennt eine gelblich-grüne Fluoreszenz (konzentrationsabhängig: bei hoher Verdünnung grünlich, bei stärkere Konzentration gelb).

TI' ^OH _OH ⁺ OH

cr;NH

_-ß'U ^{L +} _O:~H

~S~, ^< >cr;NH<

^> ~+ ^{I ,NH}

IcfS~

^cfs~o'

,g " ^,0/

t~ ..,.-

OH OH

QOH ^{H OH} _{< >} ^{H~ ...}

~

I NH -H 0

+ Resorcin

cfS~'

\~ .."

HO OH

HO OO H

OH OH

< > >

+ Resorcin •

I NH

\r1 ^S ,C$ ^I _cfS~, ^+}JH

'7

' r r

HO OH

< > .. .

OH

H OH

< >

H OH -Q _z-: ^Ö - ^l- _0[-

\0

+ 30H _ - « »

~

2-

Sulfofluorescin

Versuch 5: Quantitativer Nachweis von Saccharin-Natriußl:

Zu einer unbekannten wäßrigen Saccharin-Natrium-Lösung von 20ml (Nachweisgrenze:

400 mg) gibt man 2 ml Ammoniak (2,5%ig

2 ml Eisessig (10%ig w/w) und 25 ml einer 0, 1 molaren Silbernitratlösung. Anschließend schüttelt man das Gemisch gut, erhitzt

2 Minuten auf einem siedenden Wasserbad und kühlt anschließend im Eisbad ab. Der Niederschlag wird durch einen Faltenfilter abgetrennt und sowohl dieser als auch das erhaltene Filtrat mit 5 ml Portionen Eiswasser mehrmals gewaschen. Das erhaltene Filtrat wird mit 10ml konzentrierter Salpetersäure und 2 ml Ammoniumeisen(III)sulfat-Läsung (als Indikator) versetzt. Dieser Ansatz wird nun bis Umschlag nach braun mit 0, 1 molarer Ammoniumthiocyanat-Lösung titriert.

Zur Kontrolle wird eine Blindprobe nur mit den verwendeten Chemikalien titriert, die Differenz aus beiden Titrationen ergibt den genauen Verbrauch an Silbernitrat-Lösung; ein ml Silbernitrat entspricht 0,02412 g Saccharin-Natrium.

't}

+ Na

Saccharin-Natrium (C

x 2H

0 ) Molare Masse: 241,2 9 x rnol"

Zugabe von 0,1 M AgN03-Lösung:

Na + ₊ Ag ⁺ I \NI-

-bS~,

\lJ, r

Ag + Na ⁺

Saccharin-Silber (weiß)

Rücktitration mit 0,1 M NH

Endpunktbestimmung nach Vollhard

Fällungstitration:

Indikatorreaktion:

Auswertung:

Ag ~aq.)+ ^{SCN -(aq.)-. AgSCN} ~

weiß

3+ -

Fe(aq.) + 3 SCN (aq.) ----. Fe(SCN)3+

rotbraun

Titerwert der 0,1 M AgN0

0,998

Gehalt an Saccharin-Natrium = tatsächlicher Verbrauch. 0,02412 9 Tatsächlicher Verbrauch an AgN0

Vorlage an AgN0

(25 ml) - Verbrauch an NH

(mi) Rechnung:

125 ml- X ml • 0,998 • 0,02412g = Gehalt an Saccharin-Natrium

Verbrauch an Tatsächlicher Gehalt an

NH

(mi) Verbrauch an Saccharin-Natrium

AgN0

(mi) (mg)

5 Cyclamate

Cyclamate sind Salze der Cyclohexylamidoschwefelsäure.

Struktur:

r>.

Summenformel: C

Molmasse: 179,2

5.1 Geschichte der Cyclamte

Im Jahre 1937 stellten Audrieth und Sveda in Illinois (USA) bei der Suche nach antipyretisch wirksamen Substanzen Cyclamate her. Die Eignung als Süßstoffe wurde zufällig entdeckt:

einer der beiden Chemiker bemerkte, daß seine Zigarette süß schmeckte, nachdem er sie kurzzeitig auf dem Labortisch abgelegt hatte. Die Herstellung und Eigenschaften der Cyclamate wurde aber erst 1944 weiterentwickelt. Nach gründlichen toxikologischen Untersuchungen brachte die Firma Abbott 1950 das Natriumsalz als Süßstoff unter dem Markennamen "Sucaryl" in den Handel. 1953 wurde auch das Calciumcyclamat angeboten, da bei Natriumcyclamat der Natriumgehalt infolge der geringen Süßkraft - im Unterschied zu Saccharin- bei entsprechenden Diäten von Bedeutung sein kann. Andere Bezeichnungen für Natriumcyclamat sind Natriumhexylsulfamat, Natrii cyclamas (DAC 1986) und im Englischen sodium cyclamate.

5.2 Synthese

Ursprünglich wurden Cyclymate aus Cyclohexylamin und Chlorsulfonsäure in Chloroform als Lösungsmittel hergestellt. Heute setzt man Cyclohexylamin mit Amidosulfonsäure um, dabei arbeitet man bei Temperaturen über 100°C in hochsiedenden Lösungsmitteln oder im Druckreaktor. Dabei entsteht das Cyclohexylammoniumsalz, das mit den entsprechenden Hydroxiden umgesetzt wird; dabei wird Cyclohexylamin freigesetzt.

5.3 Sensorische Eigenschaften

5.3.1 Süßgeschmack und Süßkraft

Cyclamate zeigen einen als angenehm empfundenen Süßgeschmack. Der Reizschwellenwert, der noch als süß empfunden wird, beträgt für Natriumcyclamat etwa 50 mg/1000 ml Wasser.

Die Süßkraft wäßriger Cyclamtlösungen wird mit 30-35 angegeben; sie nimmt mit steigender Konzentration ab.

Von besonderem Interesse hinsichtlich des Süßevermögens sind Cyclamat-Saccharin- Mischungen im Verhältnis 10: 1, bei denen ein synergistischer Effekt beobachtet wird.

Die geschmacklichen Eigenschaften der Cyclamate sind günstiger zu beurteilen als die des

Saccharins; in Konzentrationen kann aber auch - wie bei den meisten Süßstoffen - ein

Beigeschmack beobachtet werden, der als metallisch beschrieben wird. In neueren

Untersuchungen (Hoppe & Gassmann) wurde festgestellt, daß bei den heute üblichen

Mischungen von Natriumcyclamat und Saccharin-Natrium im Verhältnis

ein

Nebengeschmack - bezogen auf die Einzelkomponente .. erst bei erheblich hohen

Konzentrationen festgestellt werden kann. In einem Geschmackstest, bei dem obiger Zusammensetzung mit Aspartam-Tabletten verglichen wurden, konnten die Versuchspersonen keinen Unterschied zu Aspartam, dem kein Nebengeschmack nachgesagt wird, feststellen.

Einen Einfluß auf das Süßevermögen der Cyclamate hat auch der pH-Wert: in Grapefruitsaft wurde - wie auch beim Saccharin - eine erhebliche Steigerung des Süßungsvermögens festgestellt. Die Untersuchungen zu geschmacklichen Wechselwirkungen von Citronensäure mit Saccharose und Süßstoffen ergaben (nach Hoppe), daß es bei Säurezusatz zu einer relativen Erhöhung des Süßevermögens von Cyclamat kommt.

5.3.2 Cyclamat-Mischungen mit anderen süß schmeckenden Stoffen

Steigerungen des Süßungsvermögens sind wie bei Saccharin mit Cyctamat für Fructose und Xylit beschrieben worden, wobei gleichzeitig auf eine aromasteigernde Wirkung dieser Mischungen in Lebensmitteln hingewiesen wird.

Bei Mischungen aus Natriumcyclamat und Saccharin-Natrium wurde eine erhebliche Steigerung der Süßkraft beobachtet, die bei einem Verhältnis von 10:1 ein Maximum erreicht;

auf die gleichzeitige auftretende Verschiebung des Nebengeschmacks zu höheren Konzentrationen wurde bereits eingegangen. Ähnlich gute Steigerungen des Süßevermögens wie bei Mischungen mit Saccharin wurden für solche Mischungen mit Acesulfam Kund Aspartam angegeben.

5.4 Physikalische und chemische Eigenschaften

5.4.1 Cyclohexylamidoschwefelsäure

Cyclohexylamidoschwefelsäure bildet farblose, blättchenförmige Kristalle oder ein weißes, kristallines Pulver. Die Substanz ist geruchlos und schmeckt zunächst sauer und dann süß. Der Schmelzpunkt liegt bei 169-170°C; in der Praxis werden Trocknungsverluste von 0,5 % beobachtet. 1 g Cyclohexylamidoschwefelsäure löst sich bei Raumtemperatur in etwa 7,5 ml Wasser; für 1 g werden bei Raumtemperatur etwa folgende Mengen an organischen Lösungsmittel benötigt: 6 ml Aceton, 4 ml Ethanol (96% v/v), 11 ml Glycerin und 4 ml

1,2-Propandiol. In Chloroform löst sich die Säure sehr schwer.

Wäßrige Lösungen sind stark sauer; eine 1 %ige Lösung zeigt einen pH-Wert von 1,6 und eine 0, 1%ige einen Wert von etwa 2,3.

5.4.2 Calciumcyclamat

Calciumcyclamat bildet blättchenförmige, farblose Kristalle oder ein weißes, kristallines Pulver.

Die Substanz ist geruchlos und schmeckt süß. Der Kristallwassergehalt von 2 Mol Wasser entspricht einem theoretischen Trocknungsverlust von 8,3%; quantitativ wird das Kristallwasser erst bei Temperaturen um 140°C abgegeben.

Calciumcyclamat löst sich bei Raumtemperatur in etwa 5 ml Wasser; die Löslichkeit nimmt mit steigender Temperatur beträchtlich zu. Für organische Lösungsmittel gelten bei Raum- temperatur folgende Angaben: 1 g löst sich in etwa 50 ml Ethanol (96% v/v), in etwa 2 ml Glycerin und 3 ml 1,2-Propandiol. Die Löslichkeit in Ethanol-Wasser-Gemisch mit fallendem Ethanolgehalt erheblich zu; in Chloroform, Ether und Fetten ist Calciumcyclamt praktisch unlöslich.

Lösungen von 1 0 g Calciumcyclamat in 1 00 ml Wasser zeigen einen pH-Wert etwa um 6,2; sie

sind also in der Regel etwas saurer als solche von Natriumcyclamat, da Calciumhydroxid eine

schwächere Base als Natriumhydroxid ist.

5.4.3 Natriumcyclamat

Natriumcyclamat bildet blättchenförmige, farblose Kristalle, oft in Form Nadeln, oder ein weißes, kristallines Pulver. Die Substanz ist geruchlos und schmeckt süß. Natriumyclamat kommt ohne Kristallwasser in den Handel, deshalb werden in der Praxis normalerweise nur Trocknungsverluste bis zu 0,3% beobachtet.

1 g Natriumcyclamat löst sich bei Raumtemperatur in etwa 5 ml Wasser, die Löslichkeit nimmt mit steigender Temperatur beträchtlich zu. Für organische Lösungsmittel gelten bei Raumtemperatur folgende Angaben: 1 g löst sich in etwa 450 ml Ethanol (96% viv) und in etwa 45 mll,2-Propandiol. Die Löslichkeit in Ethanol-Wasser-Gemischen nimmt mit fallendem Ethanol-Gehalt zu; in Aceton, Benzol, Chloroform, Ether und Fetten ist die Substanz praktisch unlöslich.

Lösungen von 10 g reinem Natriumcyclamat in 100 ml Wasser zeigen pH-Werte zwischen

und 7, sind also praktisch als neutral anzusehen.

5.5 Stabilität

5.5.1 Stabilität bei der Lagerung

Cyclamate können über Jahre gelagert werden, ohne daß sich die Substanzen chemisch verändern. Insbesondere das kristallwasserfreie Natriumcyclamat ist nicht hygroskopisch und bleibt rieselfähig.

5.5.2 Koch- und Backstabilität

Cyclamate sind als koch- und backbeständig anzusehen. Sie überstehen deshalb ohne Veränderungen alle in der Lebensmittelverarbeitung üblichen Verfahren; durch Luft- und Lichteinwirkung treten ebenfalls keine Veränderungen auf

Bei

Stunden Kochen unter Rückfluß zeigten Natriumcyclamatlösungen in Wasser und 1 molll Natriumhydroxid-Lösung keine Zersetzung; unter gleichen Bedingungen wurde in 1 mol Essigsäure lediglich eine Spaltung von

% festgestellt.

5.6 Mikrobiologisches Verhalten

Die Cyclamate werden von Mikroorganismen, insbesondere von Hefen, nicht angegriffen (keine Teilnahme an Maillard-Reaktionen), sind also nicht vergärbar. Dem ebenfalls süßschmeckenden Silbercyclamat wird eine stark bakterizide Wirkung zugeschrieben, weshalb es als orales Antiseptikum empfohlen wurde.

5. 7 Pharmakologie und Toxikologie 5.7. 1 Verhalten im Organismus

Cyclamate werden vom menschlichen Organismus resorbiert und unverändert über die Niere ausgeschieden; eine Metabolisierung in der Leber findet nicht statt. Wegen der verzögerten Resorption kann in Abhängigkeit von der Dosierung auch ein Teil des Cyclamats in den Faeces auftreten. Cyclamate besitzen keinen physiologischen Brennwert und sind somit als .joule- bzw. kalorienfrei" anzusehen.

Bei einigen Menschen (den sog. .Convertern") kann sich aus Cyclamat durch deren

Bakterienflora Cyclohexylamin bilden, ein indirekt wirkendes Symphathikoimetikum, welches

sich im Tierversuch als nicht ganz unbedenklich erwiesen hat (es wird von Schädigungen der

Spermien und der Hoden berichtet). In klinischen Test wurden allerdings keine nachteiligen Wirkungen beobachtet, da Cyclohexylamin, falls es gebildet wird, langsam entsteht und wegen der guten Wasserlöslichkeit schnell mit dem Urin ausgeschieden wird.

5.7.2 Toxikologie

Cyclamate beeinflussen weder Fermentsysteme noch den Blutzuckerspiegel oder den Grundumsatz und sind als untoxisch anzusehen. Eine Stuhl erweichung wird ab Gaben von 5 g Calciumcyclamat und 10-12 g Natriumcyclamat pro Tag beschrieben; der Mechanismus dieser abführenden Wirkung und ist auf osmotischen Aktivitäten des nicht resorbierten Cyclamates zurückzufuhren. Ein laxierender Effekt, der manchmal sogar erwünscht ist, kann bei bestimmungsgemäßem Gebrauch praktisch ausgeschlossen werden.

Im Jahre

wurden bei Rattenversuchen in den USA nach sehr hohen Dosen neoplastische Veränderungen in der Harnblase festgestellt und die eingehend untersuchten Cyclamate angegriffen. Es wurden bei diesen Versuchen neben Cyclamat auch noch Saccharin und Cyclohexylamin verfüttert, für die Beobachtungen wurde aber allein das Cyclamat verantwortlich gemacht. Nachträglich stellte sich heraus, daß ein Teil der Versuchstiere mit Parasiten befallen waren, wodurch die Ergebnisse möglicherweise zusätzlich negativ beeintlußt wurden.

Aufgrund der .Delaney-Klauset', die in den USA verbietet, jede Substanz in Lebensmittel einzusetzen, die in einem Tierversuch, unabhängig von den Versuchsbedingungen, der Dosis und dem Anwendungszeitraum cancerogen wirkt, wurden am 17. 10 1969 die Cyclamate von der GRAS-Liste (Generally Recognized As Safe) gestrichen.

Langzeitstudien in den folgenden Jahren zeigten dagegen, daß Cyclamate weder eine chemisch- toxische, noch eine cancerogene Wirkung haben. Die Unbedenklichkeit von Cyclamat wurde 1994 vom Wissenschaftlichen Ausschuß für Lebensmittel (SCF) der Europäischen Kommisssion, 1984 vom "Cancer Assessment Committee" der Lebens- und Arzneimittelbehörde (FDA) der USA und 1985 von der "US National Academy of Sciences"

bestätigt; es bleibt aber weiterhin in den USA verboten.

5.8

Status

Cyclamat ist durch die Richtlinie 94/35/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 30. Juni 1994 über Süßungsmittel, die in Lebensmitteln verwendet werden dürfen, zugelassen.

Die Richtlinie war bis zum 31. Dezember 1995 von den 15 EU-Mitgliedstaaten umzusetzen.

Cyclamat ist weltweit in 50 Ländern zugelassen.

Der Gebrauch von Cyclamat ist vom Gemeinsamen Experten-Ausschuß für Lebensmittelzusatzstoffe (JECFA) der Welternährungs und Weltgesundheitsorganisation

und dem Wissenschaftlichen Ausschuß für Lebensmittel (SCF) der Europäischen Kommission freigegeben.

Ein Antrag auf Wiederzulassung von Cyclamat wird zur Zeit von der Lebens- und Arzneimittelbehörde (FDA) der USA geprüft.

5.9 ADI-Wert

Der ADI-Wert für Cyclamat ist auf 11 mg pro Kilogramm Körpergewicht festgelegt (JECFA

und SCF).

5.10 Süßkraft

Cyclamat ist etwa 30 bis 50 mal süsser als Zucker

5.11 Anwendungen

In der Bundesrepublik Deutschland ist die Verwendung von Cyclamaten für bestimmte Produktgruppen zugelassen; dabei sind die gültigen Höchstmengen zu beachten, die sich allerdings auf Cyclohexylamidoschwefelsäure beziehen. Von Natriumcyclamat lassen sich um den Faktor 1,12 höhere Mengen einsetzen.

Von den Cyclamaten lassen sich konzentrierte Stammlösungen herstellen, die das Zudosieren zu Getränken und Lebensmitteln wesentlich erleichtern.

Der Einsatz der freien Säure ist im Lebensmittelbereich von untergeordneter Bedeutung, kann aber im Pharmabereich von Interesse sein, da mit einigen bitteren oder unangenehm schmeckenden Basen durch Salzbildung eine Geschmacksverbesserung erreicht werden kann.

Cyclamat findet eine breite Anwendung :

• Tafelsüßen (Tablettenform: 40 mg Natriumcyclamat, 4 mg Saccharin-Natrium, Fruchtsäuren)

• Instantgetränken • Fruchtkonserven

• Sportgetränken • Kaugummi

• Mixgetränken • Konfitüren und Marmeladen

• Erfrischungsgetränken • Süsswaren, Kekse, Zwieback

• Eistees • Schokoladen

• Müsli, Cornflakes, Cerealien • Puddings, Flans und Grützen

• Milchprodukten • Soßen und Dressings

• Backwaren • Arzneimittel

Im technischen Bereich werden Cyclamate als Härtungsmittel für Kunstharze sowie als Vulkanisationsverzögerer eingesetzt.

5.12 Versuch

Qualitativer Nachweis von Cyclamat:

Eine cyclamathaltige Probenlösung wird mit Salzsäure(die reine Cyclohexylamido- schwefelsäure muß nicht angesäuert werden) angesäuert und_mit Bariumchloridlösung versetzt, evtl. Enthaltenes freies Sulfat sorgt für eine Trübung der Lösung. Beim Zusatz von § ml Natriumnitrit-Lösung entsteht unter Stickstoffentwicklung ein weißer Niederschlag von Bariumsulfat.

- + --

N0 2 ^{(aq.) + H (aq.)}

<,

HO-N=~ (aq.)

~

h _ -_ + ,H _{- H} ° ⁺

- " ^{+ s,}

HO-N=O/ + H (aq.)

:Q- ^{N O'H}

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^{I N=OI (aq.)}

Nitrosyl-Kation

0 ⁺ _,~ H OH ^N-S-OH

_{)/

\~

H 10'

+H ² C? Oti=N=c3; + HO-S-OH

11

,0/

+ -3H

+ 8a ²

BaS0

~

weiß

2.

O~=N=O) JU

Cyclohexylnitrosamin

ON=~-Q-H

Diazohydroxid

-H+. ON=t!-Q:~ ^_H

^P O~~NI ^< >ON=~

Diazoniumion

OQ-H

Cyclohexanol

6 Aspartam

Struktur:

HNJ

COOH

Summenformel: Cl4H18N2ÜS Molmasse: 294,31

6.1 Einleitung

f "

Aspartam stellt ein Dipeptid der beiden Aminosäuren L-Asparaginsäure und L-Phenylalanin als Methylester dar. Es wird durch Bindung der beiden Aminosäuren mit nachfolgender Veresterung synthetisiert.

Aufgrund umfassender Untersuchungen einer großen Anzahl Aspartam verwandter Substanzen wurde festgestellt, daß nur die a-Form des L-L Dipeptides die süße Eigenschaften aufweist.

Die ß- Form und die D-L, L-D sowie die D-D Konfigurationen ergeben bittere bzw. ge- schmacksneutrale Substanzen; Aspartam weist die chemische Bezeichnung N-L-a-Aspartyl-L- Phenylalanin I-Methylester auf

Die beiden nötigen Aminosäuren L-Asparaginsäure und L-Phenylalanin werden von speziellen Mikroorganismen hergestellt. Die amerikanische Firma G.D. Searle&Co, Tochterfirma des Chemie- und Biologiegiganten Monsanto, soll ein Verfahren entwickelt haben, um Phenylalanin durch genmanipulierte Bakterien preisgünstig produzieren zu lassen; auch die Hoechst AG besitzt angeblich einige Patente dafur (Quelle: G. Spielsberg, Essen aus dem Genlabor, Verlag Die Werkstatt, 1993).

Der 1965 entwickelte Süßstoff besitzt etwa die 200fache Süßkraft von Zucker und wird unter den Handelsnamen Nutra Sweet, Canderel oder Sanecta vertrieben.

6.2 Sensorische Eigenschaften

Aspartam zeichnet sich durch einen naturähnlichen Aufbau, einen angenehmen, rein-süßen Geschmack aus. Charakteristisch ist, daß der bitter-metallische Nachgeschmack, der Süßstoffen oft eigen ist, beim Aspartam fehlt. Aspartam ist 180-200 mal süßer als Saccharose und besitzt geschmacksverstärkende Eigenschaften.

Aspartam- und zuckergesüßte Produkte werden allgemein als "süß-rein" beurteilt, dagegen werden Produkte, die mit konventionellen Süßstoffen gesüßt wurden, mit "süß-chemisch" und

"bitter" beurteilt. Untersuchungen im Doppelblindverfahren zeigten eine praktisch nicht zu

unterscheidende Geschmacksidentität mit Saccharose; 9 von 10 Testpersonen waren nicht

fähig, einen Unterschied zwischen einem mit Aspartam bzw. Zucker gesüßten Getränk

festzustellen. Die Süßkraft von Aspartam ist stark vom Einsatzgebiet, von der Art des

Produktes, der Konzentration und der Temperatur abhängig.

1

I~

Synergie:

Aspartam kann in Kombination mit Kohlenhydraten und anderen Süßstoffen eingesetzt werden, wobei oft ein synergistische Wirkung beobachtet werden kann . Eine Aspartam- Saccharose-Mischung im Verhältnis von 1,7 % Aspartam/98,3% Saccharose in einem Getränkesystem ergibt eine Synergie von 23% . Eine Aspartam-Dextrose-Mischung mit einem Aspartamgehalt von 0 ,72% ergibt eine synergistische Wirkung von bis zu 35%. Mischungen von Süßstoffen sind jedoch nur dann zweckmäßig, wenn technologische oder wirtschaftliche Umstände den alleinigen Einsatz von Aspartam ausschließen.

6.3 Physikalische und chemische Eigenschaften

Aspartam stellt ein weißes, geruchloses, kristallines Pulver dar, das in Wasser mäßig, in Fetten und Ölen praktisch unlöslich ist. Die Löslichkeit von Aspartam in Wasser nimmt mit steigender Temperatur zu; sie ist beim isoelektrischen Punkt von pH 5,5 minimal.

Im Trockenzustand zersetzt sich Aspartam bei einer Temperatur 196 "C; der Schmelzpunkt beträgt 246-247 "C . Aspartam besitzt amphotere Eigenschaften mit Dissoziationskonstanten von pK

3,1 und pK

= 7,9 .

Das Aspartammolekül enthält eine Esterbindung, weIche unter bestimmten pH-, Temperatur und Feuchtigkeitsbedingungen zum Dipeptid Aspartylphenylalanin (AP) hydrolysiert oder zum Diketopiperazin (DKP) cyclohydrolysieren kann . Der Diketopiperazinring kann sich öffnen, wobei Aspartylphenylalanin entsteht , weIches wieder in die beiden ursprünglichen Aminosäuren zerfallen kann.

Aspartam wird im Gastrointestinaltrakt in Asparaginsäure, Phenylalanin und Methanol gespalten. Die Resorption der Abbauprodukte verläuft rasch und vollständig . Die Aminosäuren werden wie Nahrungsproteine verstoffwechselt; das Methanol wird zu Kohlendioxid oxidiert.

Die Spuren von Diketopiperazin werden im Urin ausgeschieden.

Keines der erwähnten Produkte ist süß . Es wurde festgestellt , daß durch den Abbau wohl eine Verminderung der Süßkraft, jedoch keine unerwünschten Geschmacksveränderungen

auftreten.

o

11 1/ 11

HO C CHz CH CN H CH C, AsparaglnaAure(Asp)

I 1 OH

NHz CH_z 0 0

1 11 11

o

0

11 11 11 / I OH

HO C CHz CH C NH CH C NH z

I 1 'OCHJ

+

NH,

6 ^{~ TI" ~ H~ ~~,~'OH}

Aspartam(APM)

~

0

HOC CHZ'(N)"'/O

Pheny!alanln(Phel

0'"

Z 'CH,-O

Dlketoplperazln (DKPl