Aspartame : La Science Derrière les Aliments Faibles en Calories

Contexte

L'aspartame est un édulcorant artificiel utilisé dans les aliments à calories réduites. Il est dérivé principalement de deux acides aminés naturels chimiquement combinés et désigné par le nom chimique N-L-aspartyl-L-phénylalanine-1-méthyl ester (APM). Découvert involontairement en 1965, il fut breveté plus tard et est actuellement l'édulcorant artificiel le plus utilisé aux États-Unis.

L'aspartame est une poudre cristalline blanche, inodore. Il est environ 200 fois plus sucré que le sucre et se dissout facilement dans l'eau. Il a un goût sucré sans l'arrière-goût amer chimique ou métallique rapporté dans d'autres édulcorants artificiels. Ces propriétés en font un bon ingrédient pour remplacer le sucre dans de nombreuses recettes alimentaires. Cependant, l'aspartame a tendance à interagir avec d'autres saveurs alimentaires, donc il ne peut pas remplacer parfaitement le sucre. Les recettes pour produits de boulangerie, bonbons et autres produits doivent être modifiées si l'aspartame est utilisé. Bien que l'aspartame puisse être utilisé dans les recettes au micro-ondes, il est sensible à un chauffage prolongé, le rendant impropre à la cuisson au four.

Le fait que l'aspartame apporte de la douceur et de la saveur sans impartir d'autres caractéristiques physiques comme le volume ou les calories comme d'autres édulcorants le rend unique. Un autre trait utile est son effet synergique avec d'autres édulcorants, permettant d'utiliser moins d'édulcorant total. En plus d'édulcorer les aliments, l'aspartame est utilisé pour réduire les calories, et intensifier et prolonger les saveurs de fruits.

Histoire

Les humains désirent des aliments au goût sucré depuis des milliers d'années. Des peintures rupestres anciennes à Arana en Espagne montrent un homme néolithique prenant du miel d'un nid d'abeilles sauvage. Il a été suggéré que les premiers humains auraient pu utiliser le goût sucré des aliments pour savoir lesquels seraient sûrs à manger. On pense même que le désir de goût sucré pourrait être un trait humain inné. Malheureusement, beaucoup d'aliments naturellement sucrés contiennent des quantités relativement importantes de calories et de glucides.

Des édulcorants alternatifs furent développés pour fournir le goût sucré sans les calories inutiles. Ils apportent aussi les avantages supplémentaires d'améliorer la palatabilité des produits pharmaceutiques, d'aider à la gestion du diabète, et de fournir une source rentable où le sucre n'est pas disponible. Le premier, la saccharine, fut découvert en 1879 et a été utilisé dans des produits comme dentifrice, bain de bouche et gomme sans sucre.

Le goût sucré de l'aspartame fut découvert accidentellement par James Schlatter, un chercheur pharmaceutique américain chez G.D. Searle and Co. en 1965. Travaillant sur un anti-ulcère, il renversa involontairement de l'APM sur sa main. Estimant que le matériau n'était pas toxique, il continua son travail sans se laver. Il découvrit le goût sucré de l'APM quand il lécha son doigt pour saisir un papier de pesée. Cette percée initiale mena l'entreprise à tester des centaines de versions modifiées de l'APM. Cependant, aucune de ces matières n'offrait tous les avantages du composé original, incluant une fabrication économique, une excellente qualité gustative et puissance, des voies métaboliques naturelles pour la digestion, une excellente stabilité et une toxicité très faible. Par conséquent, l'entreprise poursuivit et obtint le brevet américain 3 492 131 et divers brevets internationaux, et la découverte initiale fut commercialisée. Le brevet américain expira en 1992, et la technologie est maintenant disponible pour toute entreprise qui veut l'utiliser.

Après de nombreuses années de tests de toxicité, la FDA approuva initialement l'utilisation de l'aspartame comme édulcorant en 1980. Cependant, une caractéristique des produits chimiques synthétiques utilisés dans les produits alimentaires est que leur sécurité est sous surveillance constante. L'aspartame n'est pas une exception et a été entouré de controverses concernant sa sécurité depuis son introduction. La plupart de ces préoccupations furent apaisées fin 1984, quand après avoir enquêté sur diverses plaintes liées à l'aspartame, la FDA et les Centers for Disease Control conclurent que la substance est sûre et ne représente pas un risque sanitaire généralisé. Cette conclusion fut renforcée par l'American Medical Association en 1985, et l'aspartame gagne des parts de marché depuis. En plus de son utilisation aux États-Unis, l'aspartame a aussi été approuvé pour l'utilisation dans plus de 93 pays étrangers.

L'aspartame est commercialisé depuis 1983 par Searle sous les noms de marque NutraSweet® et Equal®. Actuellement, NutraSweet® est un ingrédient très populaire et est utilisé dans plus de 4 000 produits, incluant gomme à mâcher, yaourt, boissons gazeuses diététiques, jus de fruits, puddings, céréales et mélanges de boissons en poudre. Aux États-Unis seuls, les ventes de NutraSweet® ont dépassé 705 millions de dollars en 1993, selon l'entreprise.

Matières premières

L'aspartame est principalement dérivé de composés appelés acides aminés. Ce sont des produits chimiques utilisés par les plantes et les animaux pour créer des protéines essentielles à la vie. Sur les 20 acides aminés naturels, deux d'entre eux, l'acide aspartique et la phénylalanine, sont utilisés dans la fabrication de l'aspartame.

Toutes les molécules d'acides aminés ont certaines caractéristiques communes. Elles sont composées d'un groupe amino, d'un groupe carboxyl, et d'une chaîne latérale. La nature chimique de la chaîne latérale différencie les divers acides aminés. Une autre caractéristique des acides aminés est la capacité de former différentes configurations moléculaires connues sous le nom d'isomères. Ces isomères sont désignés par les lettres L et D. L'aspartame est composé uniquement d'isomères L, L ; aucune des autres combinaisons d'isomères n'a un goût sucré. Le goût sucré de l'aspartame n'aurait pas pu être prédit en regardant les deux acides aminés dont il est dérivé. L-acide aspartique a un goût plat et L-phénylalanine a un goût amer. Cependant, quand les deux composés sont chimiquement combinés et que la L-phénylalanine est légèrement modifiée, un goût sucré est atteint.

L'acide aspartique est l'un des cinq acides aminés qui ont un groupe latéral « chargé ». Le groupe latéral chargé sur l'acide aspartique est (-CH₂-COOH). Mis dans l'eau, ce matériel s'ionise et devient chargé négativement. La phénylalanine a un groupe latéral non-polaire, hydrophobe, qui n'est pas compatible avec l'eau. Elle est composée d'un anneau à six carbones et attachée à la colonne vertébrale principale de l'acide amino via un groupe méthyle (-CH₂). Avant la synthèse en aspartame, elle est réagie avec du méthanol. Cela ajoute un groupe méthyle lié à la molécule par un oxygène, et le composé est converti en ester méthylique. Le méthanol requis pour la synthèse de l'aspartame a la structure chimique (CH₃-OH). C'est un matériel très commun utilisé extensivement par les chimistes organiques pour diverses synthèses chimiques.

Le processus de fabrication

Bien que ses composants — acide aspartique, phénylalanine et méthanol — se trouvent naturellement dans les aliments, l'aspartame lui-même n'existe pas naturellement et doit être fabriqué. NutraSweet® (aspartame) est fabriqué par des processus de fermentation et de synthèse.

Fermentation

La fermentation directe produit les acides aminés de départ nécessaires pour la fabrication de l'aspartame. Dans ce processus, des types spécifiques de bactéries qui ont la capacité de produire certains acides aminés sont cultivés en grandes quantités. Sur environ trois jours, les acides aminés sont récoltés et les bactéries sont détruites.

• 1 Pour démarrer le processus de fermentation, un échantillon d'une culture pure de bactéries est mis dans un tube à essai contenant les nutriments nécessaires à sa croissance. Après cette inoculation initiale, les bactéries commencent à se multiplier. Quand leur population est assez grande, elles sont transférées dans un réservoir d'ensemencement. Les souches bactériennes utilisées pour faire l'acide L-aspartique et la L-phénylalanine sont B. flavum et C. glutamicum respectivement.
• 2 Le réservoir d'ensemencement fournit un environnement idéal pour cultiver plus de bactéries. Il est rempli des choses dont les bactéries ont besoin pour prospérer, incluant de l'eau chaude et des aliments glucidiques comme la mélasse de canne, le glucose ou le saccharose. Il a aussi des sources de carbone comme l'acide acétique, les alcools ou hydrocarbures, et des sources d'azote comme l'ammoniac liquide ou l'urée. Ceux-ci sont requis pour que les bactéries synthétisent de grandes quantités de l'acide amino désiré. D'autres facteurs de croissance comme vitamines, acides aminés et nutriments mineurs complètent le contenu du réservoir d'ensemencement. Le réservoir d'ensemencement est équipé d'un mélangeur, qui maintient le milieu de croissance en mouvement, et d'une pompe, qui fournit de l'air comprimé filtré. Quand assez de croissance bactérienne est présente, le contenu du réservoir d'ensemencement est pompé vers le réservoir de fermentation.
• 3 Le réservoir de fermentation est essentiellement une version plus grande du réservoir d'ensemencement. Il est rempli avec les mêmes milieux de croissance trouvés dans le réservoir d'ensemencement et fournit aussi un environnement parfait pour la croissance bactérienne. Ici, les bactéries sont autorisées à croître et produire de grandes quantités d'acides aminés. Comme le contrôle du pH est vital pour une croissance optimale, de l'eau ammoniacale est ajoutée au réservoir si nécessaire.
• 4 Quand assez d'acide amino est présent, le contenu du réservoir de fermentation est transféré pour commencer l'isolation. Ce processus commence avec un séparateur centrifuge, qui isole une grande partie des acides aminés bactériens. L'acide amino désiré est davantage ségrégué et purifié dans une colonne d'échange d'ions. De cette colonne, les acides aminés sont pompés vers un réservoir de cristallisation puis vers un séparateur de cristaux. Ils sont ensuite séchés et préparés pour la phase de synthèse de la production d'aspartame.

Synthèse

L'aspartame peut être fabriqué par diverses voies chimiques synthétiques. En général, la phénylalanine est modifiée par une réaction avec le méthanol et puis combinée avec un acide aspartique légèrement modifié qui forme éventuellement l'aspartame.

• 5 Les acides aminés dérivés du processus de fermentation sont initialement modifiés pour produire l'aspartame. La phénylalanine est réagie avec le méthanol résultant en un composé appelé L-phénylalanine méthyl ester. L'acide aspartique est aussi modifié de manière à protéger diverses portions de la molécule des effets de réactions ultérieures. Une méthode est de réagir l'acide aspartique avec des substances qui résultent en anneaux benzyle ajoutés pour protéger ces sites. Cela assure que les réactions chimiques ultérieures n'auront lieu que sur des parties spécifiques de la molécule d'acide aspartique.
• 6 Après que les acides aminés sont appropriément modifiés, ils sont pompés dans un réacteur, où ils sont laissés mélanger à température ambiante pendant 24 heures. La température est alors augmentée à environ 65 °C et maintenue pendant 24 heures supplémentaires. La réaction est ensuite refroidie à température ambiante. Elle est diluée avec un solvant approprié et refroidie à environ -18 °C, causant la cristallisation. Les cristaux sont alors isolés par filtration et séchés. Ces cristaux sont un intermédiaire de l'aspartame qui doit être davantage modifié.
• 7 L'intermédiaire est converti en aspartame en le réagissant avec de l'acide acétique. Cette réaction est effectuée dans un grand réservoir rempli d'une solution acide aqueuse, d'un catalyseur métallique palladium, et d'hydrogène. Il est soigneusement mélangé et laissé réagir pendant environ 12 heures.

Purification

• 8 Le catalyseur métallique est retiré par filtration, et le solvant est distillé, laissant un résidu solide. Ce résidu est purifié en le dissolvant dans une solution d'éthanol aqueux et en recristallisant. Ces cristaux sont filtrés et séchés pour fournir l'aspartame fini en poudre.

Contrôle qualité

La qualité des composés est vérifiée régulièrement pendant le processus de fabrication. D'une importance particulière sont les vérifications fréquentes de la culture bactérienne pendant la fermentation. Aussi, diverses propriétés physiques et chimiques du produit fini sont vérifiées, comme le niveau de pH, le point de fusion et la teneur en humidité.

L'avenir

Actuellement, il n'y a que trois édulcorants alternatifs aux États-Unis qui peuvent être utilisés dans les produits alimentaires. Bien que l'aspartame soit peut-être l'un des meilleurs disponibles, les scientifiques cherchent de nouvelles façons de faire en sorte que ces édulcorants goûtent le plus possible comme le sucre. Leur recherche s'est concentrée sur trois domaines, incluant la recherche de nouveaux dérivés, le mélange d'édulcorants, et l'amélioration de l'efficacité de l'aspartame.

La plupart du travail sur les dérivés chimiques s'est centré sur la recherche de composés qui s'adaptent mieux aux récepteurs des bourgeons gustatifs que l'aspartame traditionnel. En utilisant l'aspartame comme modèle, les chercheurs croient qu'ils pourront améliorer diverses caractéristiques en faisant de légères modifications. Par exemple, ils ont trouvé que quand l'acide L-aspartique seul est modifié d'une certaine façon, il donne des produits qui ont un goût sucré. La recherche future se concentrera probablement sur ce genre de dérivés.

Un autre domaine de recherche se concentre sur l'amélioration de la stabilité thermique de l'aspartame. En utilisant la technologie d'encapsulation, de l'aspartame a été développé qui peut être utilisé dans les produits de boulangerie et mélanges à pâtisserie. Les résultats initiaux sont positifs, et l'approbation de la FDA a été accordée pour les applications de boulangerie.

Puisque seulement trois substituts de sucre synthétiques sont actuellement approuvés pour l'utilisation dans les aliments aux États-Unis, la combinaison d'édulcorants artificiels dans les produits devient une avance technologique importante. Ici, les scientifiques combinent deux ou trois édulcorants dans l'effort de faire goûter le produit plus comme du sucre.