Bei dieser Datei handelt es sich um ein Protokoll, das einen Vortrag im Rahmen des Chemielehramtsstudiums an der Uni Marburg referiert. Zur besseren

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Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007

UBUNGEN IM EXPERIMENTALVORTRAG FUR LEHRAMTSKANDIDATEN

Veranstaltungs leiter: Dr. Butenuth

Dr. Gerstner Prof. Dr. Müller Prof. Dr. Steuber

Experimentalvortrag vom 22.04.87

ZUCKERERSATZSTOFFE UND ZUCKERAUSTAUSCHSTOFFE

Sabine Rospert

Leopold-Lucas-Str. 43 3550 Marburg

SS 87

Inhaltsverzeichnis

1.Vorstellung und Abgrenzung des Themas 1.1. Die Zucker

1.2. Die Zuckeraustauschstoffe

1.3. Die Zuckerersatzstoffe (Süßstoffe) 2. Die Theorie des süßen Geschmacks 2.1. Das AH-B Modell

2.2. Anwendung des Modells 3. Die Zuckeraustauschstoffe 3.1. Das Sorbit

3.2. Das Inulin

4. Die Zuckerersatzstoffe 4.1. Das Saccharin

4.2. Das Acesulfam

4.3. Das Cyclamat

4.4. Das Aspartam

Literaturverzeichnis

1. Vorstellung und Abgrenzung des Themas

Die Stoffe, die unserer Nahrung den süßen Geschmack geben, lassen sich in drei Gruppen untergliedern:

Zucker

Saccharose Glucose Maltose Lactose

1.1. Die Zucker

Zuckeraustauschstoffe

Fructose Sorbit Mannit Xy I i t

Zuckerersatzstoffe

Saccharin Cyclamat Acesulfam Aspartam

Der Begriff Zucker ist hier nicht im chemischen Sinn zu verstehen, nicht alle Zucker werden in diese Gruppe eingeordnet.

Gemeinsam ist den Molekülen dieser Gruppe, daß sie alle Glucose als Baustein enthalten. Dieses gemeinsame Merkmal ist deshalb so wichtig, we il Glucose von unserem Körper mit Hilfe des Insulins abgebaut wird . Bei Personen, die kein oder nur geringe Mengen von Insulin bilden, kommt es zu den typischen Symptomen der Zucker- krankheit. Diabetiker dürfen daher die Zucker dieser Gruppe nur

in sehr begrenztem Umfang aufnehmen (1).

1.2. Die Zuckeraustauschstoffe

L.

In diese Gruppe gehören Zucker (Fructose) und Zuckeralkohole. In der oben stehenden Tabelle sind die Zuckeraustauschstoffe

aufgelistet, die in der Bundesrepublik zugelassen sind. Die größte Bedeutung haben Fructose und Sorbit . Gemeinsam ist den Zuckeraustauschstoffen, daß sie insulinunabhängig abgebaut werden. Sie sind daher für die Ernährung von Diabetikern beson- ders geeignet. Gemeinsam mit den Zuckern ist den Substanzen dieser Gruppe, daß sie über eine hohe Kalorienmenge verfügen, für eine Diät zur Reduktion des Körpergewichts sind sie daher nicht geeignet (2,3).

1 .3. Die Zuckerersatzstoffe (Süßstoffe)

Diese Gruppe unterscheidet sich von den beiden oben genannten Gruppen schon völlig durch ihre chemische Struktur. Sie werden auf synthetischem Wege hergestellt und vom Körper in den meisten Fällen unverändert wieder ausgeschieden. Daher enthalten sie keinen Nährwert, können also in der Diabetisbehandlung und in der Diät zur Reduktion des Körpergewichts eingesetzt werden.

Ein weiteres Merkmal der Zuckerersatzstoffe ist ihre, gegenüber

~.

den Zuckern und Zuckeralkoholen um ein vielfaches höhere Süß- kraft.

2. Die Theorie des süßen Geschmacks

Der süße Geschmack wird mit Rezeptoren wahrgenommen, die im Bereich der Zungenspitze liegen und in Geschmacksknospen zusam- mengefaßt sind (4). Was das Empfinden von Süße an diesen Rezeptoren hervorruft ist nicht bis ins

geklärt. Für die meisten gilt das Modell von Acree und Shallenberger (5), das im folgenden vorgestellt wird. Dieses Modell erlaubt allerdings kei- ne Voraussagen über die ^Süße eines bestimmten Moleküls.

2.1. Das AH-B Modell

Damit eine Substanz die Empfindung "süß" auslöst muß ein System aus einem Protonen-Donator (AH) und einem Protonenakzeptor (B) vorhanden sein. Der Abstand zwischen diesen heiden Gruppen muß recht genau 0.3 nm betragen. Dieser Gruppe komlementär ist ein AH-B System am Rezeptor. Durch den konstanten Abstand von 0.3 rum kann es zwischen den Gruppen zur Ausbildung von Wasserstoff-

brücken kommen, was den Geschmackseindruck hervorruft.

Beeinflußt wird der süße Geschmack außer von dieser AH-B Gruppe auch durch Substituenten, die weit entfernt von der eigentlichen Wasserstoffbrückenbindung entfernt liegen können. Eine Vorher- sage, ob ein Stoff süß schmeckt oder nicht, ist daher nicht möglich

Abb.l Das AH-B Modell

'lsüßes

Molekül"

2.2 Anwendung des Modells

===AH---B=:

}G.3 nm

=B---AH===:

11

Rezeptor"

Für die Zucker und Zuckeraustauschstoffe wird hier Fructose als Beispiel aufgeführt. Bei allen Substanzen,

nur die

die in

diese Gruppe gehören, beruht der süße Geschmack auf zwei OH-Grup- pen, die im Abstand von 0.3 nm zueinander stehen und von denen die eine als Protonendonator und die andere als Protonenakzeptor dient (s.u. Abb.2). An diesem Beipiel kann auch demonstriert werden, wie man sich die Rezeptorgruppierung und die Wechselwir- kung zwischen den Gruppen vorstellt. Als AH-B System am Rezeptor könnte eine Peptidbindung dienen.

Das AH-B Modell läßt sich auf alle in der Bundesrepublik zugelas- senen Zuckerersatzstof f e übertragen.. ( s , u. Abb. 3 ) . -- ..---.,

..

3. Die Zuckeraustauschstoffe 3.1.Das Sorbit

Abb.4

H

H-C-OH HO-C-H

H-C-OH H-C-OH H-C-OH

H

D-Sorbit

Sorbit wird vom Körper fast vollständig zu Glykogen umgesetzt.

Der Blutglucosespiegel wird daher durch Sorbit kaum beeinflußt.

Ein weiterer Vorteil ist, daß Sorbit durch die Bakterien des Mundraumes nicht abgebaut wird. Es entstehen also keine Säuren und auch keine Polyfructosen, die den Zahnbelag mitverursachen.

Auf dieser Tatsache beruht der Einsatz von Sorbit in Pfefferminz- bonbons (z.B. VIVIL).

V.l. SORBIT IN VIVIL - BONBONS

~

Vivil(zerrieben), 3 molll NaoH, l%ige KMn04-Lsg.,frisches Fehlingsreagenz

Vivil in 25 ml Ebo unter Erwärmen lösen + 10.Tr. 3 mol/l NaOH

+ 1.4 ml Fehlings-Reagenz dazu, kochen

- +

Lsg.

5 ml)

Sorbit reagiert nicht mit Fehlingsreagenz, die Blaufärbung der Lösung bleibt bestehen. Nach Zugabe von

und weiterem Er- hitzen entsteht der rostrote Niederschlag des Cu(I)oxids.

hat das Sorbit zu U.d. Glucose oxidiert, die Reaktion verläuft jetzt positiv. (s.u. Abb.4 und 5).

3.2. Das Inulin

Inulin, ein Poymeres der

hat eine MoleKülmasse von ca.5000 U und eine Kettenlänge von ca. 30 Bausteinen. Die Kette besteht aus ß-2-)1 verknüpften Fructofuranose-Bausteinen mit einer endständigen D-Glucopyranose, die wiederum mit einem D-Fructofuranose-Baustein a-l-)2 verknüpft ist. Das Molekülende wird somit durch einen Saccharoserest gebildet (s.u.Abb.6). Da Fructose ein Zuckeraustauschstoff ist, eignet sich das Inulin als

~.

Stärkeersatz für Diabetiker (Topinambur). Das Inulin läßt sich leicht aus Artischocken oder Dahlienknollen extrahieren (7).

V.2. INULIN - ^EXTRAKTION AUS DAHLIENKNOLLEN

150 g Dahlienknollen (zerkleinert), Nd2COJ, Gemisch aus 1:1 Ether:Ethanol

Dahlienknolle mit 150 ml Wasser und einer Spatel- spitze Natriumkarbonat 3 Stunden unter Rückfluß kochen 4 - braunes Extrakt direkt auf eine Aluminiumoxid-Säule aufbringen und mit einer Wasserstrahlpumpe durchsaugen

aus dem gelblichen Filtrat ist das Inulin mit dem Lösungsmittelgemisch fällbar

Nach dem Trockenen erhält man das Inulin als weißes,

~

stärkemehlartiges Pulver, das sich durch Umkristal1isieren aus heißem Wasser noch weiter reinigen läßt.

V.3. INULIN ALS POLYMERES DER FRUCTOSE

SeO~-Reagenz

(5 g Selendioxid in 20 ml dest. Wasser lösen mit wdsserfreiem

auf pH 7 eingestellt), Inulin (O,5%ige- Lsg.) 20%ige NaOH, konz. Hel, Glucose (O,5%ige-Lsg.)

- 25 ml Inulinlsg. + 10 Tr. konz. HCI ca. 3 min kochen

mit NaOH neutralisieren

- zu je 25 ml Inulinlsg., Inulinlsg. (hydrolysiert),

und Glucoselsg. werden 2,5 ml Se02-Reagenz gegeben

- die

werden für ca.3 min in ein kochen-

des Wasserbad gestellt

Nur der Ansatz mit dem Hydrolysat zeigt den roten Niederschlag des elementaren Selen. der auf das Vorhandensein von Fructose hinweist. Auch Glucose zeigt diese spezifische Reaktion nicht(8).

Zum Mechanismus s.u. Abb .6 und 7.

4 .Die Zuckerersatzstoffe

Die heute verwendeten Süßstoffe wurden alle durch Zufall entdeckt. Um solche süß schmeckenden Substanzen in Lebensmitteln verwenden zu kannen. müssen sie folgende Kriterien erfüllen: Sie dürfen nicht toxisch oder karzinogen sein. sie müssen stabil sein bei niedrigem pH und hoher Temperatur und sie müssen gut wasser-

laslich sein.

r ' In der Bundesrepublik sind die Süßstoffe Saccharin. Cyclamat.

Acesulfam und Aspertam lebensmittelrechtlich zugelassen (9). Alle diese Süßstoffe übertreffen die Saccharose um ein vielfaches an Süßkraft.

Die Süßkraft einer Substanz wird von Testpersonen ermittelt, die die Konzentration "erschmecken" müssen. die genau so süß wie eine 3%ige Saccharose-Lsg. schmeckt. Aus den Ergebnissen der Testper- sonen wird dann ein Mittelwert gebildet. Die subjektiv empfunden- en Werte kannen sehr stark schwanken (10). Die nachfolgende Tabelle gibt einen überblick ; die Süßkraft der 3%igen Saccharose- Lsg. wird dabei gleich 1 gesetzt.

Substanz

Saccharose Fructose Sorbit Saccharin

Na-Saccharinat Acesulfam K Na-Cyclamat Aspartam

4.1. Das Saccharin

Süßkraft

1 1.1 0.5

~550

400-550 80-250

20-50 180-200

Das 1878 entdeckte Saccharin ist der am längsten bekannte Süß-

stoff. Saccharin ist seit über 100 Jahren im Einsatz, es sind

keine schädlichen Nebenwirkungen bekannt (11). In den Süßstoffen

wird das wasserlasliche Na-Salz eingesetzt.

V.4. NACHWEIS DES SACCHARIN IN "SACHILLEN (Bayer)

1 Tab.

konz.

20%ige NaOH, Resorcin

- Resorcin + Süßstoff tab. + 15-20 Tr.

in einem kleinen Reagenzglas vorsichtig! erhitzen# bis das Ge- misch dunkelbraun gefärbt ist

- mit einer Pipette die abgekühlte Lsg. in ca. 10 ml Wasser eintragen (gelbe Lsg.)

- Lsg. nun mit Natonlauge alkalisch machen

Saccharin bildet beim Kochen mit Resorcin in konz. Schwefelsäure einen Phthaleinfarbstoff, der in alkalischer Lsg. eine intensive grüne Fluoreszens zeigt (s.u. Abb.B).

V.5. QUANTITATIVER SACCHARINNACHWEIS AUS SACHILLEN

konz. HCI, Gemisch 1:9 Chloroform:Aceton, 10 gewogene Sachillen,

Aceton~

dest. Wasser, Phenolphthalein

- 10 Sachillen in 7 ml Wasser unter Erwärmen lösen in Schütteltrichter füllen, mit 2 ml Wasser nach- spülen

- 3 ml konz. Hel zusetzen, gut schütteln

- mit 40 ml und 30 ml des Lösungsmittelgemisches nach- einander ausschütteln

- die org. Phase in einem 300 ml Erlenmeyer auffangen und im Wasserbad vollständig abdampfen

- 40 ml Aceton in den Erlenmeyer geben auf dem Magnet- rührer lösen und dann 40 ml Wasser zusetzen

- + 10 Tr. Phenolphthalein

BERECHNUNG DES SACCHARINGEHALTS

20.52 mg/mI * Verbrauch an Lauge (mI)

Saccharin ist im Gegensatz zu seinem Na-Salz schwer wasserlöslich. Man kann aus einer

enthaltenden Süßstofflösung das Saccharin mit konz. HCI quantitativ fällen.

Mit einem Gemisch aus Chloroform und Aceton läßt sich das Saccha- rin extrahieren. In einem Aceton/Wasser Gemisch ist Saccharin löslich und mit Natronlauge in einer Säure-Base-Titration bestimmbar (s.u. Abb.9).

4.2. Das Acesulfam

Acesulfam wurde 1967 entdeckt. Es ist

der neuste der bei

uns zugelassenen Süßstoffe (12,13). Farbreaktionen tür

sind nicht bekannt, man kann es aber dünnschichtchromatographisch nachweisen. Dazu muß der Süßstoff zuerst extrahiert werden (14,15). Im folgenden Versuch werden die Süßstoffe Saccharin und Acesulfam aus einer Limonade extrahiert. Für Cyclamat läßt sich die Extraktion in der gleichen Weise durchführen. Der chromato- graphische Nachweis von Cyclamat ist allerdings problematisch.

V.6. ISOLIERUNG VON SACCHARIN UND ACESULFAM (s.a. Anlage 1)

5%iger

Methanol p.a., Petrolether, AMBERLITE LA 2 (Serva), Eisessig, Limonade (Saccharin + Acesulfam)

üBERFüHREN DES IONENAUSTAUSCHERS IN DIE ACETATFORM : - 5 ml Amberlite + 95 ml Petrolether

mit 20 ml Essig (Gemisch 1:5 Eisessig:Wasser ) ausschütteln

Der Austauscher liegt nun in der Acetatform vor(s.u. Abb.10)

EXTRAKTION DER SUßSTOFFLöSUNG:

25 ml Süßstofflösung + 5 ml Eisessig

2* mit je 25 ml Ionenaustauscher ausschütteln

- die 50 ml Ionenaustauscherlsg. werden 2* mit 80 ml Wasser gewaschen (zur Trennung der Phasen eventuell

zentrifugieren)

Bei diesem Vorgang wird das Acetat durch die Anionen Saccharinat und Acesulfamat, die eine höhere Affinität zum Austauscher haben,

»<.

ersetzt (s.u. Abb.11).

REEXTRAKTION DER SüßSTOFFE:

Die org. Phase wird mit 3* je 15 ml 5 %iger

ausgeschüt- telt. Die 45 ml ammoniakalische Lsg. werden im Rotavapor zur Trockne eingedampft. Zur Chromatographie wird der Rückstand in 2 ml 50 %igem Methanol aufgenommen (s.u. Abb.12)

V.7. CHROMATOGRAPHISCHER NACHWEIS VON SACCHARIN UND ACESULFAM

De-Karten SiF 37341 (Riedel-de Häen) 5*10 cm, UV-Lampe 254 nm,

Fließmittel: 12 ml Cyclohexan/6 ml Propanol/l.5 ml Eisessig/0.5

ml Ameisensäure, Vergleichslösungen: 10 mg Acesulfam in 2 ml 1:1

Methanol:Wasser, 10 mg Saccharin in 2 ml 1:1 Extrakt aus V.6.

Methanol:Wasser,

- es werden jeweils 6 Tr. mit einer Kapillare aufge- tragen

- Laufzeit ca. 40 min

- Betrachtung bei UV-Licht

- ERMITTELTE Rf-WERTE:

ACESULFAM: 0.291 SACCHARIN: 0.570

EXTRAKT 0.291/0.538

Saccharin und Acesulfam sind bej ..

nm als dunkle Flecke auf

hellgrün fluorescierendem Grund zu erkennen.

4.3. Das Cyclamat

Cyclamat wurde 1937 entdeckt und wird in der Bundesrepublik meist in einer Mischung mit Saccharin angeboten. Cyclamat steht unter dem Verdacht karzinogen zu sein, in den USA ist es daher verboten (16).

Im Versuch wird das Cyclamat aus einer kalorienarmen Zitronen- limonade (BIZZL) nachgewiesen.

V.B. NACHWEIS VON CYCLAMAT

5%ige

konz. HCI, 10%ige

BIZZL 5 ml BIZZL + 4 Tr. konz. Hel

+ 10 Tr. eeci;

- + 2 ml NaN02-Lsg.

Gasentwicklung

und Trübung (BaS04) zeigen Cyclamat an (s.u.

Abb.13)

4.4. Das Aspartam

Aspart~,

ein Dipeptid, wurde 1965 entdeckt. Da es vom Körper zu Asparaginsäure, Phenylalanin und Methanol abgebaut

ist es der physiologisch unbedenklichste Zuckerersatzstoff. Die Nach- teile des Aspartams sind seine mangelnde Stabilität bei saurem pH und in der Hitze (17). Aus

die

ent- halten, läßt es sich durch die Ninhydrin-Reaktion nachweisen.

V.9. NACHWEIS VON ASPARTAM AUS tlCANDEREL (Searle)1I

10 Canderel, 2 ml O.l%ige Ninhydrinlsg.

- Süßstoff in 25 ml Wasser lösen

- Reagenz zusetzen und ca. 2 min kochen

Nach einer Weile färbt sich die Lösung violett (s.u. Abb.14)

Um die Aminosäuren des Aspartam nachzuweisen, kann man es hydro- lysieren und das Hydrolysat chromatographisch trennen. Die Ent- wicklung erfolgt wieder mit Ninhydrin-Reagenz. Die Aminosäuren und auch das Aspartam sind als violette Flecken zu erkennen.

V.I0 DIE BESTANDTEILE DES ASPARTAMS HYDROLYSE VON CANDEREL

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1 Tab. Canderel + 2 ml 6 molll HCl in eine Glasampulle einschmel- zen und im Trockenschrank bei ca. 110

C 24 Stunden hydrolysie- ren. Die HCl wird abgedampft und der Rückstand in 5 ml dest.

Wasser aufgenommen ^(s.u. Abb.15).

CHROMATOGRAPHIE VON CANDEREL

DC-Karten LE 10*20 cm 37348 Riedel-de Häen, Fließmittel: 78 ml Propanol, 4 ml Ameisensäure, 18 ml dest. Wasser, Entwickler: 0.3

g

Ni nhydri n in 100 ml n-Butanol + 3 ml Eisessig, Vergleichs- lösungen: 5 mg Asparaginsäure in 2 ml 0.1 molll HCI, 5 mg Phenyl- alanin in 2 ml 0.1 molll HCI, 1 Tab. Canderel in 10 ml

Hydrolysat

- es wird jeweils ein Tr. mit einer

aufge- tragen

- Laufzeit: ca. 50 min

- nach dem Föhnen mit dem Reagenz einsprühen und für

Cd.

3 min im Trockenschrank bei 100

entwickeln

- ERMITTELTE Rf-WERTE:

Aspartam 0.324 Phenylalanin 0.757

Canderel 0.838

Hydrolysat 0.35110.743/0.845

Literaturverzeichnis

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(2)

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(11 )

Themen-Service: Zum Thema Süßstoff,

"Journalist", 3/79, Verlag Rommerskirchen

Verbandsbeilage in

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Forsch. 162. 1976. S.37-40

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G. v. R. Lipinski/H. Brixius. Dünnschichtchromatographischer Nachweis von Acesulfam, Saccharin, Cyclamat, Z. Lebensm. Unters.- Forsch. 168. 1979, 5.212-213

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das reine Süß

DÜNNSCHICHTCHROMATOGRAPHISCHER NACHWEIS VON SUNETT IN LEBENSMITTELN

Einleitung

Stoffe lassen sich in Lebensmitteln dünnschichtchromatographisch nachweisen.

Die hier beschriebene Methode erlaubt, Sunett neben Saccharin und Cyclamat zu erkennen.

Geräte und Reagenzien

Ausrüstung für die Dünnschichtchromatographie Vakuum-Rotationsverdampfer

UV-Lampe (360 nm)

Polyamid 6 0 (Riedel-de Haen AG)

Flüssiger Ionenaustauscher Amberlite LA-2 (R) (Serva) 2,7-Dichlorfluorescein

Fl uorescei n

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Brom

Ameisensäure 98 - 100 %p.a.

konzentriertes wässriges Ammoniak p.a.

5 %iges wässriges Ammoniak p.a.

Xylol p ,a , n-Propano 1 p, a • Methanol p.a.

Petrol ether (40 - 60°C) p.a.

Hoechst Aktiehg~ellschaft

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Isolierung

Flüssige Produkte oder wässrige Extrakte aus festen Proben werden mit Essigsäure angesäuert. Aus der angesäuerten Lösung werden die Süßstoffe mit einer Lösung des Austauschers Amerlite LA-2 in der Acetat-Form in Petrol ether (5 + 95) extra- hiert. Die Austauscherphase wird durch waschen mit essigsäurehaltigem Wasser ge- reinigt. Anschließend werden die Süßstoffe aus dem Austauscher mit wässrigem Ammoniak extrahiert, das im Vakuum abgedampft wird.

Der trockene Rückstand wird in 1 ml 50 %igem wässrigen Methanol aufgenommen.

Dünnschichtchromatographie

2 - 10 /ul der bei der Isolierung erhaltenen Süßstofflösung in 50 %igem Methanol werden auf Polyamid 6 D-Platten aufgetragen. Getrennt wird mit einer mobilen Phase aus Xylol, n-Propanol und Ameisensäure (5 + 5 +1). Die Laufstrecke soll 15 cm betragen, der Zeitbedarf dafür beträgt ca. 40 mine

Nachweis

Nach Trocknen an der Luft können die Platten mit einer 0,2 %igen Lösung von 2,7-Dich1orfluorescein in Methanol besprüht werden. Bei 360 nm erscheinen dann dunkle Flecken auf gelbgrün fluoreszierendem Untergrund. In sichtbarem Licht lassen sich Flecken sichtbar machen, wenn die Platten mit einer gesättigten Lösung von Fluorescein in Methanol besprüht und anschließend erneut getrocknet und dann kurze Zeit Brom-Dämpfen ausgesetzt werden. Anschließendes behandeln mit Ammoniak-Dämpfen läßt gelbe Flecken auf rötlichem Untergrund erscheinen. Bei zu langem bromieren färbt sich der Untergrund gleichmäßig rötlich und die getrennten Süßstoffe sind nicht mehr erkennbar.

Unter optimalen Bedingungen können Mengen von etwa 2 lug pro FleCK an aufwärts erkannt werden. Die Süßstoffe zeigen etwa die folgenden RF-Werte:

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Sunett Cyclamat Saccharin Literatur

0,43 0,56 0,72

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G.-W. von RYmon Lipinski and H.-Ch. Brixius: Z. Lebensm. Unters. forsch. 168, 212 - 213 (1979)

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