HFCS شربتی پرکاربرد

سپیده ذوقی

HFCS شربتی پرکاربرد و در عین حال فروکتوز، منوساکاریدی است که تقریباً 75 درصد شیرین‌تر از ساکاروز است؛ به همین علت فروکتوز و فرآورده‌های آن، غالباً جانشین ساکاروز می‌شوند و می‌توان آن را از هیدرولیز ساکاروز به دست آورد.

تلاش‌های جدی جهت تولید فروکتوز در آمریکا به اوایل دههی 1950 برمی‌گردد. اما فقط در اواسط دههی 1970 بود که محققان موفق شدند فروکتوز خالص را به صورت تجاری به دست آورند، حق ثبت شدهی انحصاری آن متعلق به هولشتاین (Holestein) و هولسینگ (Holsing) است.

در اروپا در کشورهایی مانند آلمان، فنلاند و فرانسه تحقیقاتی روی شیمی مواد قندی و گسترش آن برای یافتن فروکتوز انجام و ساکاروز مجدداً به عنوان منبع اصلی مادهی خام فروکتوز مطرح شد. در دههی 1960 فروکتوز کریستال شده صنعتی در اروپا تولید شد که فرآیند آن بر مبنای تبدیل ساکاروز از طریق شکستن باندهای گلیکوزیدی و آزادشدن گلوکز و فروکتوز از واحد دی‌ساکاریدی آنها بود. این مساله، فرآیند ساده‌ای را پایه‌ریزی کرد. اگر چه تولید آن به هر دو روش اسیدی و آنزیمی امکان‌پذیر است؛ اما روش آنزیمی، تولید آنزیم‌های عمل‌کننده را در حد مطلوب انجام می‌دهد که بایستی تهیه و سپس تخلیص شوند تا جهت فرآیند صنعتی، مناسب باشند.

در طبیعت، فروکتوز (لوولوز) قند اصلی بسیاری از میوه‌ها و سبزیجات است و به همین دلیل به آن قند میوه می‌گویند. عسل حاوی 55 درصد وزنی فروکتوز بر مبنای مادهی خشک است. فروکتوز در شکل پلیمری، به عنوان اینولین در منابعی از قبیل کنگر اورشلیمی، کاسنی و گیاه مولد قاصدک وجود دارد و ضمن فرآیند با اسید یا آنزیم آزاد می‌شود.

در سال 1874 میلادی تشخیص داده شد که فروکتوز به عنوان شیرین‌کننده برای بیماران دیابتی، بر ساکاروز ارجحیت دارد. درحالی که امروزه مطالعات روی واکنش میلارد نشان داده که فروکتوز ممکن است خیلی بیشتر از گلوکز، در عوارض مرض دیابت نقش داشته باشد؛ زیرا گلوکز در هر سلول بدن متابولیز می‌شود؛ اما فروکتوز تماماً در کبد متابولیز می‌شود.

در پی کشف تبدیل قلیایی دکستروز به فروکتوز در سال 1895، تعداد قابل توجهی از بررسی‌ها به سوی روشی جهت توسعه‌ی یک فرآیند تجارتی در این مورد معطوف شد. با این وجود به خاطر مشکلاتی از قبیل رنگ و طعم نامطلوب، محصولات کم‌ارزش و بازده پایین فروکتوز، این فرآیند هرگز از نظر تجاری مقرون به صرفه نشد. تبدیل آنزیمی دکستروز به فروکتوز توسط «گلوکو ایزومراز» نخستین بار در سال 1957 گزارش و در سال 1960 ثبت شد.

جست‌وجو در این مرحله، در ژاپن برای چندین سال ادامه یافت تا نهایتاً در سال 1966 منجر به تولید تجاری آن شد و در سال 1971 در ایالات متحده ثبت گردید. فناوری ژاپنی تحت لیسانس استاندارد نوشیدنی‌ها بود و تولید در سال 1967 در ایالات متحده با اجرای فرآیند غیرپیوسته آغاز شد.

محصولات 15 درصد وزنی فروکتوز در سال 1968 به محصولی با 42 درصد وزنی فروکتوز بدل شد. در سال 1972 یک سیستم پیوسته با استفاده از فرآیند آنزیم غیرفعال شده، پایه ‌گذاری شد.
حال با دانش مختصری در مورد تاریخچهی‌ فروکتوز که در مقدمه، شرح داده شد، به تعریف HFCS می‌پردازیم.

HFCS مخفف High Fructose Corn Syrup به معنی شربت ذرت با فروکتوز بالاست. شربت‌های با میزان فروکتوز بالا، افزایش روزافزون تقاضا برای قند و نیز افزایش قیمت آن، توجه دانشمندان را معطوف به تولید شیرین‌کننده‌های دیگر کرد. شربت‌های اینورت، شربت‌های گلوکز ـ فروکتوز و یا شربت‌های دارای میزان‌ فروکتوز بالا به عنوان شیرین‌کننده‌هایی که می‌توانند جایگزین ساکاروز شوند؛ در نظر گرفته شدند. علت این امر وجود فروکتوز است که دارای اندیس شیرینی 173 در مقایسه با گلوکز با شیرینی 74 یا ساکاروز با شیرینی 100 بود. از اولین سال‌های آغازین قرن بیستم تا به امروز، صنعت آسیاب مرطوب غلات و به طور عمده ذرت، مسیر طولانی را طی کرده است. در سال 1980، کارخانهی کوکاکولا مصرف نسبی HFCS را در نوشابه‌های خود آغاز کرد و تا اواخر 1984 این ماده به طور کامل جایگزین ساکاروز در همهی انواع نوشابههای حاوی کربن گردید.

این توسعه‌ها نیروی محرکهی‌ قوی برای پذیرش جهانی HFCS بود. امروزه بیش از 80 کارخانه در نقاط مختلف جهان به کار تولید شیرین‌کننده‌های دارای فروکتوز، به‌خصوص شربت ذرت دارای فروکتوز بالا (HFCS) مشغولند. این مساله موید این واقعیت است که مصرف جهانی قند روز به روز در حال افزایش است و از 81 میلیون تن در سال 1977 به 107 میلیون تن در سال 1990 رسید. مصرف HFCS به طور خلاصه به عنوان عمده‌ترین مادهی این گروه، در سالهای مذکور از کمتر از سه میلیون تن به تقریباً هشت میلیون تن رسیده است. حدوداً 20 درصد افزایش در مصرف جهانی شیرین‌کننده‌ها مربوط به HFCS و 80 درصد نیز مربوط به قندست. نشاسته، بیشترین جزء ذرت و تاپیوکا است که برای تولید HFS استفاده می‌شود. تنها در هندوستان، میزان تولید سالانهی ذرت، هفت میلیون تن است که در ایالات مختلف این کشور کشت می‌شود. با یک بررسی ساده می‌توان دریافت که بیش از 80 درصد ذرت تولیدی جهان به مصرف خوراکی و حدود 20 درصد آن نیز به مصارف صنعتی از قبیل تولید شیرین‌کننده‌ها می‌رسد.

بخش عمدهی غلات و میوه‌جاتی از قبیل ذرت، برنج، کاساوا، مرکبات بومی منطقه غرب خاورمیانه و بسیاری از گیاهان از قبیل سیب‌زمینی را نشاسته تشکیل می‌دهد. بنابراین با طراحی فرآیندهای صنعتی متناسب با هر یک از این محصولات، در مناطقی که بیشتر یافت می‌شوند، می‌توان واحدهای تولیدی برای تهیه صنعتی شیرین‌کننده‌های با منشاء نشاسته و به‌طور خاص قند مایع با فروکتوز بالا ایجاد کرد. البته مراحل تولید HFS از هر یک از منابع فوق که باشد، تا حدود زیادی شبیه به یکدیگرست. در واقع اختلاف عمدهی این روش‌ها در نحوهی استخراج نشاسته از این منابع است وگرنه، از مرحلهی استخراج نشاسته به بعد، روش کار یکسان است. در کشور ما ذرت تنها منبع قابل استفاده در ابعاد صنعتی است.

تولید HFCS

هیچ‌کس فکر نمی‌کند که از ذرت هم می‌توان قند گرفت. بیشتر ما تعجب می‌کنیم وقتی متوجه می‌شویم که مقدار بیشتر شیرین‌کننده‌ها در غذاهای فرآیند شده، از ذرت به دست می‌آید نه از قند موجود در نیشکر یا چغندر قند. در اواخر سال 1990، استفاده از قند به واسطهی HFCS کاهش یافت. امروزه آمریکایی‌ها از HFCS بیشتر از قند استفاده می‌کنند. HFCS از طریق فرآیند روی نشاستهی ذرت و تبدیل آن به گلوکز و سپس فرآیند تبدیل گلوکز به درصد بالای فروکتوز تولید شده است. همهی اینها نسبتاً ساده به نظر می‌رسد. نشاسته ذرت سفید به شربت شفاف کریستالی تبدیل می‌شود؛ اما درحقیقت این فرآیند بسیار پیچیده است. برای شکستن ساختار نشاسته ذرت به قند‌های سادهی گلوکز و فروکتوز سه آنزیم متفاوت نیازست که این آنزیم‌ها مرکب از زنجیره‌های گلوکزی با طول تقریبا زیادست. این سه آنزیم عبارتند از‌ آلفا‌ آمیلاز، گلوکو آمیلاز و گلوکز ایزومراز که سومین آنزیم، بسیار گران است.
جهت تولید HFCS، از یک آنزیم خاص به نام اسویتزایم (Sweetzyme) استفاده می‌شود. در پروسهی تولید HFCS، به دلیل این که فعالیت آنزیم مذکور با زمان کاهش می‌یابد، کنترل دقیق فعالیت آن نیازمند تجهیزات خاصیست و مقدار مواد ورودی به راَکتور باید نسبت به فعالیت آنزیم تنظیم شود. با افزایش دما، فعالیت آنزیم نیز بیشتر شده؛ اما در ازای آن، طول عمر آن کوتاه‌تر می‌شود. در این پروسه، کنترل PH محلول ورودی نیز بسیار مهم است.

نیمه عمر آنزیم Sweetzyme حدود 200 روزست اما با کنترل دقیق عوامل واکنش، می‌توان این زمان را افزایش داد. آنزیم Sweetzyme جهت فعالیت، به یون‌های 2+Mg نیاز دارد. لذا قبل از ورود محلول دکستروز به راکتور ایزومریزاسیون، غلظت یون‌های 2+Mg با سولفات منیزیم تنظیم می‌شود. این نکته بسیار مهم است که یون‌های 2+Ca در محیط نباشد؛ چون این یون‌ها، Sweetzyme را غیرفعال می‌کنند. در گذشته از یون‌های کبالت استفاده می‌شد تا اثر 2+Ca را خنثی کنند. معمولاً تعداد یون‌های کبالت، 20 برابر یون‌های 2+Ca بود؛ اما پس از مدتی دانشمندان به اثرات سمی کبالت بر بدن انسان پی بردند و این واکنش را بدون یون‌های کبالت انجام دادند.

انواع شربت‌های ذرت با میزان فروکتوز بالا، شربت‌های ذرت با میزان فروکتوز بالا (HFCS)، شامل محلول‌های غلیظ فروکتوز و دکستروز با مقادیر کمتری از قندهای با وزن مولکولی بالاتر هستند. شربت HFCS با 42 درصد فروکتوز که به‌طور مستقیم از فرآیند ایزومریزاسیون شیرهی نشاسته ذرت (DE=95) به دست می‌آید، نسبت به شربت HFCS با 55 درصد فروکتوز، دارای کاربرد نسبتاً کمتری است. شربت HFCS با 90 درصد فروکتوز، در صورت خالص‌سازی شربت HFCS 42 درصد از طریق کروماتوگرافی، به دست می‌آید. این شربت اکثراً به عنوان محصولی شیرین‌تر از شیرین‌کننده‌های حاوی ساکاروز کاربرد دارد. شربت HFCS با 55 درصد فروکتوز که از مخلوط کردن شربت فروکتوزی 42 درصد با شربت فروکتوزی 90 درصد به دست می‌آید، دارای کاربردی وسیع در صنعت غذاست. طبق آمار موجود در ژاپن و آمریکا، شربت فروکتوزی 55 درصد، حدود دو برابر شربت فروکتوزی 42 درصد تولید می‌شود.
کریستال فروکتوز از شربت فروکتوزی 90 درصد، که یک شربت غلیظ فروکتوزی است، تولید می‌شود.

کشفیات اخیر راجع به HFCS

طبق دستاوردهای جدید، HFCS دو خطر عمده برای بیماران دیابتی ایجاد می‌کند:

HFCS در بالا بردن سطح کسترول خون و ایجاد لخته‌های خون نقش دارد.
HFCS مانع از عمل درست و به موقع سلول‌های (گلبول‌های) سفید خون می‌شود که در این صورت، آنها قادر به دفاع از بدن در مقابل مهاجمان مضر خارجی نیستند.

دو نکتهی مبهم دیگر در مورد HFCS‌ وجود دارد که مصرف‌کننده‌های این شربت بهترست آنها را بدانند.

طبق گفتهی کارشناسان تکنولوژی غذا، دو آنزیم از آنزیم‌های مورد استفادهی آلفا‌ آمیلاز و گلوکز ایزومراز به‌طور ژنتیکی اصلاح شده‌اند. همان طور که می‌دانید، آنزیم‌ها پروتئین‌های بزرگی هستند و در طول اصلاح ژنتیکی، اسیدهای آمینهی خاص در آنها، جابه‌جا می‌شوند و در نتیجه ساختار آنزیم نخواهد شکست. این امر به صنعت اجازه می‌دهد که آنزیم‌ها قبل از این ‌که استحکام خود را از دست بدهند، در دماهای بالاتر قرار گیرند. مصرف‌کننده‌هایی که سعی می‌کنند از غذاهای اصلاح شدهی ژنتیکی پرهیز کنند، باید از HFCS نیز دوری کنند، زیرا HFCS قطعاً از ذرت اصلاح شدهی ژنتیکی ساخته شده و توسط آنزیم‌های اصلاح‌ شدهی ژنتیکی، فرآیند شده است.
اما دلیل دیگری نیز برای پرهیز از مصرف HFCS برای این دسته از مصرف‌کننده‌ها وجود دارد. ممکن است فکر کنید علت این‌ که هنوز فروکتوز استفاده می‌شود، این است که سالم‌تر از ساکاروز است. یک تیم محقق در USDA به رهبری دکتر مایرا (Meira)، پی بردند که این مطلب درست نیست. این نتیجه با آزمایشی که روی موش‌ها انجام دادند، به دست آمد. آزمایش از این قرار بود؛ ساکاروز مرکب از گلوکز و فروکتوزست. زمانی که قند به موش‌ها داده شد، در عرض چندماه مشکلات سلامتی موش‌ها مضاعف شد، به‌خصوص وقتی که موش‌ها دچار کمبود مواد مغذی اصلی مانند مس بودند. محققان در پی یافتن علت آن، مطالعاتشان را بر روی دو گروه موش دیگر تکرار کردند. به یک گروه، چندین ماه گلوکز داده شد و به گروه دیگر، چندین ماه فروکتوز داده شد. گروهی که به آنها گلوکز داده شده بود، مشکلی پیدا نکرد؛ اما گروهی که به آنها فروکتوز داده شده بود، نتایج خطرناکی را نشان داد. در این گروه، موش‌های نر به سن بلوغ نرسیدند. آنها دچار کم‌خونی، کلسترول بالا و بزرگ شدن بی‌رویهی قلب شدند. به این معنی که قلب آنها تا جایی که بترکد، بزرگ می‌شود.
دکتر فیلد (Field) شرح داد که فروکتوز در صورت کمبود مس، در رشد حیوان، با تولید کلاژن، اختلال ایجاد می‌کند. (کمبود مس در آمریکا شایع است.) موش‌های ماده نیز مشکلی نداشتند؛ اما آنها قادر نبودند نوزاد خود را زنده به دنیا آورند. هم‌چنین کبد موش‌ها در رژیم توام با فروکتوز بالا، مانند کبد الکلی‌هاست.

امروزه HFCS برای شیرین کردن مرباها، چاشنی‌هایی مانند کچاب و نوشیدنی‌های گوارا استفاده می‌شود. هم‌چنین HFCS یک مادهی مناسب در تعداد زیادی از غذاهای به اصطلاح سالم است. البته در آب‌میوه‌ها از استفاده از فروکتوز باید خودداری کرد. از وقتی که تاثیرات فروکتوز در رشد ارگانیسم‌ها، شدیدتر شده، ما باید با دقت بیشتری راجع به این که چه نوع شیرین‌کننده‌هایی به بچه‌هایمان بدهیم، عمل کنیم. اگر چه HFCS در بسیاری از فرآورده‌ها به کار می‌رود؛ اما در فرمول غذایی کودک استفاده نمی‌شود.