CHƯƠNG 3 GLUCOSE

CÂU HÁT ĐỒNG DAO “đường và gia vị và mọi việc đều trở nên tốt đẹp” liên kết đường và gia vị cùng nhau - một sự kết hợp hoàn hảo trong nghệ thuật nấu ăn cổ điển mà chúng ta có thể cảm nhận được trong các món ăn như bánh táo, bánh quy gừng. Cũng như gia vị, đường đã từng là một món xa xỉ chỉ dành cho những người giàu có, sử dụng như gia vị cho các loại nước sốt thịt và cá, những món ăn mà bây giờ chúng ta thường xem là món ăn mặn hơn là món ngọt. Và cũng giống với các phân tử gia vị, phân tử đường đã có những ảnh hưởng sâu sắc đến số phận của nhiều quốc gia và vùng lãnh thổ khi chính nó đã đánh dấu sự khởi đầu của cuộc Cách mạng Công nghiệp, thay đổi toàn bộ nền kinh tế và văn hóa thế giới.

Glucose là thành phần chính của sucrose, hợp chất chúng ta thường gọi là đường. Đường có những tên gọi đặc trưng theo nguồn gốc của nó như đường mía, đường củ cải, đường ngô. Cũng có nhiều biến thể khác như đường nâu, đường trắng, đường berry, đường kính dạng bột, đường thô, đường mía nâu. Phân tử glucose, hiện diện trong tất cả các loại đường kể trên, là một phân tử khá nhỏ. Nó có sáu nguyên tử carbon, sáu nguyên tử oxy và mười hai nguyên tử hydro, tổng số nguyên tử trong phân tử đường đúng bằng tổng số nguyên tử trong phân tử tạo nên mùi vị của nhục đậu khấu và đinh hương. Và một cách tương tự, chính sự sắp xếp trong không gian của những nguyên tử trong phân tử glucose (và những phân tử đường khác) là điều tạo nên vị ngọt của đường.

Đường có thể được trích từ rất nhiều loại thực vật. Ở vùng nhiệt đới, đường được lấy từ cây mía đường và từ củ cải đường tại vùng ôn đới. Mía đường (Saccharum officinarum) thường được mô tả có nguồn gốc từ vùng Nam Thái Bình Dương hoặc vùng đất phía nam Ấn Độ. Nền nông nghiệp mía đường trải dài từ châu Á đến Trung Đông, đến tận Bắc Phi và Tây Ban Nha. Đường kết tinh thu được từ cây mía đã đến châu Âu lần đầu tiên vào thế kỷ 13 theo sự trở về của các Hiệp sĩ Thánh chiến. Trong ba thế kỷ tiếp theo, đường đã trở thành một loại hàng hóa độc đáo, được đối xử như đối với gia vị: trung tâm của việc buôn bán đường đầu tiên phát triển tại Venice cùng lúc với sự phát triển của thương mại gia vị. Đường thường được dùng trong y học để át đi những vị khó chịu của các thành phần khác, để làm chất kết dính trong thuốc, và bản thân đường cũng là một vị thuốc.

Cho đến thế kỷ 15, đường đã trở nên phổ biến hơn tại châu Âu, nhưng vẫn là một mặt hàng đắt giá. Nhu cầu tiêu thụ đường tăng lên và giá thành giảm đi cùng lúc với sự sụt giảm nguồn cung cấp mật ong, chất làm ngọt phổ biến nhất tại châu Âu và nhiều nơi khác trên thế giới lúc đó. Đến thế kỷ 16, đường nhanh chóng trở thành sự lựa chọn chất tạo vị ngọt của đại chúng. Đường càng trở nên thịnh hành và phổ biến hơn với những khám phá vào thế kỷ 17 và 18 về khả năng bảo quản trái cây và cách làm các loại thực phẩm như các loại mứt, thạch và mứt cam. Tại nước Anh trong năm 1700, lượng đường sử dụng bình quân đầu người một năm của người dân là 1,8 kilogram đường. Vào năm 1780, số lượng này đã tăng lên mức 5,4 kilogram, tiếp tục tăng đến 7,2 kilogram vào những năm 1790, phần lớn được sử dụng trong các loại thức uống mới đang phổ biến như trà, cà phê, chocolate. Đường cũng được sử dụng trong các món ăn ngọt như các loại hạt và đậu bọc đường, bánh hạnh nhân, bánh nướng và kẹo. Đường dần trở thành một loại thực phẩm chính, một nhu yếu phẩm chứ không còn là một mặt hàng xa xỉ nữa, và lượng tiêu thụ đường vẫn tiếp tục tăng trong suốt thế kỷ 20.

Từ năm 1900 đến năm 1964, sản lượng đường trên thế giới đã tăng đến 700%, và tại nhiều nước phát triển, lượng đường tiêu thụ bình quân đầu người trong một năm đã đạt đến con số 45 kilogram. Con số này có xu hướng giảm nhẹ trong những năm gần đây với việc tiêu thụ các chất làm ngọt nhân tạo ngày càng gia tăng và do những nỗi lo về chế độ ăn uống quá nhiều năng lượng.

Chế độ nô lệ và đồn điền trồng mía

Nếu không có nhu cầu về đường, thế giới của chúng ta ngày nay có thể đã rất khác. Chính đường là yếu tố kích thích việc buôn bán nô lệ, đưa hàng triệu người da đen châu Phi đến Tân Thế Giới, và cũng chính lợi nhuận thu được từ việc kinh doanh đường vào đầu thế kỷ 18 đã thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế châu Âu. Những nhà thám hiểm người châu Âu đầu tiên đến Tân Thế Giới đã mang về những báo cáo về vùng đất nhiệt đới lý tưởng cho việc trồng mía. Và người châu Âu, những người rất muốn phá vỡ thế độc quyền kinh doanh đường của Trung Đông, chỉ cần một thời gian rất ngắn để bắt đầu triển khai việc sản xuất đường tại Brazil và sau đó là Tây Ấn. Việc trồng mía đường đòi hỏi nhiều nhân công, và hai nguồn nhân lực chính - người dân bản địa vùng Tân Thế Giới (với dân số suy giảm nghiêm trọng do các loại bệnh mới truyền đến đây như sốt rét, đậu mùa và sởi) và những nô lệ từ châu Âu - không đáp ứng được thậm chí chỉ một phần nhỏ nhu cầu lao động. Những nhà thực dân của Tân Thế Giới đã chú ý đến châu Phi.

Cho đến lúc này, việc buôn bán nô lệ từ Tây Phi chỉ giới hạn tại các thị trường nội địa của Bồ Đào Nha và Tây Ban Nha, một kết quả tự nhiên của hoạt động buôn bán xuyên sa mạc Sahara của người Moorish quanh vùng Địa Trung Hải. Thế nhưng nhu cầu nhân công từ Tân Thế Giới đã làm tăng chóng mặt lĩnh vực buôn bán mà trước nay chỉ là thứ yếu. Viễn cảnh thu được lợi nhuận khổng lồ từ việc canh tác mía đường là quá đủ để người Anh, Pháp, Hà Lan, Phổ, Đan Mạch, Thụy Điển (và thậm chí cả Brazil và Hoa Kỳ) trở thành một phần trong một hệ thống đồ sộ vận chuyển hàng triệu người da đen châu Phi khỏi vùng đất của họ. Đường không phải là hàng hóa duy nhất dựa vào lao động nô lệ, nhưng có lẽ nó là mặt hàng chính. Theo một số thống kê, khoảng ⅔ nô lệ châu Phi tại Tân Thế Giới làm việc trong các đồn điền trồng mía.

Chuyến tàu chở lượng đường đầu tiên do nô lệ sản xuất từ Tây Ấn cập bến châu Âu vào năm 1515, chỉ 22 năm sau khi Christopher Columbus mang cây mía đến đảo Hispaniola trong chuyến viễn hành thứ hai của ông. Đến giữa thế kỷ 16, các thuộc địa của Tây Ban Nha và Bồ Đào Nha tại Brazil, Mexico, và phần lớn các đảo trong vùng Caribbean đã sản xuất đường. Hằng năm có khoảng 10.000 nô lệ từ châu Phi được chở bằng thuyền đến các đồn điền. Sau đó, vào thế kỷ 17, các thuộc địa của Anh, Pháp và Hà Lan trong vùng Tây Ấn cũng bắt đầu trồng mía. Nhu cầu tiêu thụ đường ngày càng tăng, kỹ thuật chế biến đường ngày càng phát triển và một loại đồ uống có cồn mới, rượu rum, được phát minh từ những sản phẩm phụ trong quá trình tinh chế đường đã góp phần gây ra sự bùng nổ đến chóng mặt số lượng nhân công bị chuyển từ châu Phi đến làm việc trong các đồn điền trồng mía.

Không thể xác định được số nô lệ chính xác được đưa lên những con tàu tại bờ tây châu Phi và sau đó bán lại tại vùng Tân Thế Giới. Các số liệu thống kê đều không đầy đủ và không đúng sự thật, phản ánh những nỗ lực đối phó với các luật lệ muộn màng nhằm cải thiện điều kiện sinh hoạt trên các tàu vận tải bằng cách quy định số nô lệ tối đa một chiếc tàu có thể chở. Vào cuối những năm 1820, trên một con tàu nô lệ Brazil, hơn 500 con người bị nhồi nhét vào một khu vực chỉ rộng khoảng 80 mét vuông với chiều cao chỉ khoảng một mét. Một vài sử gia tính toán rằng hơn 50 triệu người châu Phi đã được đưa bằng tàu đến châu Mỹ trong hơn ba thế kỷ rưỡi của thời kỳ buôn bán nô lệ. Con số này không bao gồm những người bị giết chết trong những cuộc nổi loạn nô lệ, hay những người thiệt mạng suốt chuyến đi từ sâu bên trong lục địa châu Phi ra đến bờ biển, cũng như không bao gồm những người không thể vượt qua những chuyến đi kinh hoàng trên biển, những chuyến đi được gọi là trung chuyển.

Chuyến trung chuyển là tên gọi của đoạn đường tương ứng với cạnh thứ hai của một tam giác thương mại, thường được biết đến với tên Đường vòng Vĩ đại (The Great Circuit). Cạnh thứ nhất của tam giác này là đoạn đường từ châu Âu đến bờ biển châu Phi, thường là bờ tây của Guinea, với các con tàu mang hàng hóa để đổi lấy nô lệ. Cạnh thứ ba của tam giác là đoạn đường từ Tân Thế Giới trở về châu Âu. Tại đây, các tàu nô lệ đổi nô lệ của mình để lấy các hàng hóa như quặng mỏ hoặc các sản phẩm từ đồn điền, thông thường là rượu rum, bông và thuốc lá. Mỗi cạnh của tam giác đều mang đến những lợi nhuận vô cùng lớn, đặc biệt đối với vương quốc Anh: đến cuối thế kỷ 18, lợi tức nước Anh thu được từ Tây Ấn lớn hơn rất nhiều so với lợi tức thu được từ những giao dịch thương mại với toàn bộ phần còn lại của thế giới. Trên thực tế, đường và các sản phẩm từ đường là nguồn gốc sự gia tăng khổng lồ trong tích lũy tư bản, thúc đẩy mãnh liệt sự phát triển kinh tế, và sau đó đã dẫn đến cuộc cách mạng công nghiệp tại Anh và Pháp vào cuối thế kỷ 18, đầu thế kỷ 19.

Hóa học ngọt ngào

Glucose là phân tử phổ biến nhất trong các loại đường đơn giản, thường hay được gọi là monosaccharide, có nguồn gốc từ tiếng Latin saccharum có nghĩa là đường. Tiền tố mono mang ý nghĩa là đơn. Các loại đường khác là đường đôi disaccharide và đường đa polysaccharide, cấu trúc hóa học của glucose có thể được mô tả dưới dạng mạch thẳng

Glucose

hoặc một cách thể hiện ngắn gọn hơn so với cách biểu diễn trên, với các nguyên tử carbon là điểm giao của các đoạn thẳng đứng và nằm ngang. Bên cạnh đó, một tập quy tắc được đặt ra để đánh số các nguyên tử carbon, với nguyên tử carbon số 1 luôn nằm trên cùng. Cách biểu diễn này được biết đến với tên gọi công thức chiếu Fischer, sau khi nhà hóa học người Đức Emil Fischer xác định được cấu trúc thực tế của glucose và một loạt các loại đường liên quan khác vào năm 1891. Mặc dù vào thời điểm đó, công cụ và kỹ thuật khoa học rất hạn chế và thô sơ, nhưng kết quả của Fischer vẫn đứng vững cho đến tận ngày nay như một trong những ví dụ vô cùng tinh tế của logic hóa học. Ông đã được trao giải Nobel hóa học vào năm 1902 cho công trình về đường của mình.

Công thức chiếu Fischer của phân tử glucose, với các nguyên tử carbon được đánh số thứ tự.

Mặc dù chúng ta vẫn có thể biểu diễn các phân tử đường, ví dụ như glucose, dưới dạng mạch thẳng, hiện nay chúng ta biết rằng các phân tử đường tồn tại dưới một dạng khác: cấu trúc mạch vòng. Cách mô tả các cấu trúc mạch vòng được biết đến với tên gọi công thức Haworth, theo tên của nhà hóa học Anh Norman Haworth, người đã đoạt giải Nobel năm 1937 cho công trình về vitamin C và cấu trúc của các carbohydrate (xem Chương 2). Cấu trúc mạch vòng sáu nguyên tử của glucose bao gồm năm nguyên tử carbon và một nguyên tử oxy. Trong công thức Haworth dưới đây, số thứ tự của các nguyên tử carbon được thể hiện giống như trong công thức chiếu Fischer.

Công thức Haworth cho glucose, thể hiện tất cả các nguyên tử hydro

Công thức Haworth cho glucose, không thể hiện các nguyên tử hydro nhưng các nguyên tử carbon được đánh số thứ tự

Tùy thuộc vào vị trí của nhóm chức OH tại carbon số 1 nằm trên hay nằm dưới mặt phẳng của vòng, chúng ta có thể phân biệt hai loại glucose khác nhau. Dường như đây là sự khác biệt rất nhỏ, nhưng nó lại có hệ quả rất quan trọng trong cấu trúc của những phân tử phức tạp có chứa glucose, ví dụ như những phân tử carbohydrate phức tạp. Nếu nhóm OH tại carbon số 1 nằm dưới mặt phẳng vòng, phân tử thu được là alpha(α)-glucose. Nếu nhóm OH nằm trên mặt phẳng vòng, chúng ta có beta(β)-glucose.

Khi nói đến đường, thực tế là chúng ta đang đề cập đến đường sucrose. Đây là một loại đường đôi, gồm hai phân tử đường đơn kết hợp lại: một phân tử đường glucose và một phân tử đường fructose. Fructose, hay còn được gọi là đường trái cây, có công thức hóa học giống hệt với glucose: C6H12O6, với cùng số lượng và loại nguyên tử (sáu carbon, mười hai hydro và sáu oxy). Nhưng fructose lại có cấu trúc hoàn toàn khác. Các nguyên tử trong phân tử fructose được sắp xếp trong một trật tự khác so với glucose. Khái niệm hóa học cho điều này là fructose và glucose là các chất đồng phân. Chất đồng phân là các hợp chất có công thức hóa học giống nhau (cùng số lượng của mỗi loại nguyên tử), nhưng trật tự sắp xếp các nguyên tử khác nhau.

Công thức chiếu Fischer của các đồng phân glucose và fructose, biểu diễn sự khác biệt trong trật tự sắp xếp các nguyên tử hydro và oxy tại vị trí carbon số 1 (C#1) và C#2. Fructose không có hydro tại C#2.

Fructose tồn tại chủ yếu ở dạng mạch vòng, nhưng khác với cấu trúc mạch vòng của glucose gồm sáu nguyên tử, mạch vòng của fructose chỉ gồm năm nguyên tử, được biểu diễn dưới dạng công thức Haworth bên dưới. Tương tự glucose, fructose cũng có dạng α và β, nhưng là do nguyên tử carbon số 2 nối với oxy, quanh nguyên tử carbon này, chúng ta xác định vị trí của nhóm OH: nằm trên mặt phẳng vòng là α-fructose, và dưới mặt phẳng vòng là β-fructose.

Sucrose tuy được tạo thành từ lượng glucose và fructose bằng nhau nhưng không phải là một hỗn hợp của hai loại phân tử khác nhau. Trong phân tử sucrose, một phân tử glucose kết nối với một phân tử fructose bằng cách loại đi một phân tử nước (H2O) giữa nhóm OH gắn với carbon số 1 của α-glucose và nhóm OH ở carbon số 2 của β-fructose.

Sucrose được tạo thành từ glucose và fructose thông qua việc loại bỏ một phân tử H2O

Phân tử fructose được quay một góc 180° và lật ngược lại khi mô tả trong các hình vẽ.

Fructose thường được tìm thấy nhiều trong hoa quả, và cả trong mật ong với khoảng 38% fructose, 31% glucose và 10% là các loại đường khác bao gồm sucrose. Phần còn lại trong mật ong chủ yếu là nước. Fructose ngọt hơn sucrose và glucose, vì vậy mật ong ngọt hơn đường. Siro cây thích chứa khoảng 62% sucrose và chỉ 1% mỗi loại fructose và glucose.

Lactose, cũng được gọi là đường sữa, là một loại đường đôi cấu tạo bởi một phân tử glucose và một phân tử đường đơn khác: galactose. Galactose cũng là một đồng phân của glucose. Khác biệt duy nhất giữa galactose và glucose là nhóm OH gắn với carbon số 4 nằm trên mặt phẳng vòng chứ không nằm dưới mặt phẳng vòng như trong glucose.

β-galactose với mũi tên cho thấy vị trí của nhóm C#4 OH nằm phía trên mật phẳng vòng so với β-glucose có nhóm C#4 OH nằm phía dưới mặt phẳng vòng. Hai phân tử này kết hợp lại để tạo thành lactose.

Một lần nữa, vị trí của nhóm OH nằm trên hay dưới mặt phẳng vòng dường như chỉ là một khác biệt không đáng kể, nhưng đối với những người mắc chứng không dung nạp lactose, khác biệt này lại trở nên rất lớn. Để có thể tiêu hóa được lactose và những loại đường đôi và đường đa khác, chúng ta cần một loại enzyme đặc biệt có nhiệm vụ phân hủy các phân tử phức tạp này thành các phân tử đường đơn đơn giản hơn. Trong trường hợp của lactose, loại enzyme này được gọi là lactase và hiện hữu với hàm lượng rất nhỏ trong cơ thể người trưởng thành (trẻ nhỏ thường tạo thành lượng lactase cao hơn nhiều so với người trưởng thành). Việc tiêu hóa sữa và các sản phẩm từ sữa sẽ trở nên khó khăn khi không đủ lượng lactase trong cơ thể, và các triệu chứng liên quan đến việc không dung nạp lactose xuất hiện: trướng bụng, chuột rút và tiêu chảy. Chứng không dung nạp lactose có tính di truyền, dù vậy có thể điều trị được một cách dễ dàng với những liều enzyme lactase có sẵn. Người trưởng thành và trẻ em (trừ trẻ sơ sinh) của một số tộc người, ví dụ một số tộc thổ dân châu Phi, hoàn toàn không thể sản sinh ra lactase. Đối với những người này, sữa bột hoặc các sản phẩm khác từ sữa thường có trong những chương trình cứu trợ là những thực phẩm không thể tiêu hóa được và thậm chí còn gây hại.

Bộ não của động vật có vú khỏe mạnh chỉ sử dụng năng lượng từ glucose. Các tế bào não phụ thuộc từng phút từng giây vào nguồn cung cấp từ máu, bởi lẽ cơ bản là không có nguồn thay thế hoặc dự trữ năng lượng trong não. Nếu mức glucose trong máu giảm xuống 50% mức bình thường, một vài triệu chứng hoạt động bất thường của não sẽ xuất hiện. Khi mức glucose giảm xuống đến 25% mức thông thường, có thể do sự quá liều insulin - hormone có nhiệm vụ duy trì mức glucose trong máu - sẽ dẫn đến tình trạng hôn mê.

Vị ngọt

Điều tạo nên sức lôi cuốn của tất cả các loại đường chính là vị ngọt của chúng, và con người thường thích ngọt. Ngọt là một trong bốn vị cơ bản, ba vị còn lại là chua, đắng và mặn. Khả năng phân biệt được các vị cơ bản này là thành quả của một bước tiến hóa quan trọng. Vị ngọt thường mang nghĩa “tốt để ăn”. Vị ngọt chứng tỏ rằng trái cây đã chín muồi, trong khi vị chua cho chúng ta biết vẫn còn rất nhiều acid hiện diện, và những trái cây chưa chín này có thể gây ra bệnh đau dạ dày. Vị đắng trong thực vật thường cho biết sự hiện hữu của một loại hợp chất được biết đến như là alkaloid. Các alkaloid thông thường là những chất độc, có thể chỉ với một lượng rất nhỏ, do đó khả năng phát hiện được dấu vết của alkaloid rõ ràng là một ưu điểm lớn. Thậm chí đã có ý kiến cho rằng sự tuyệt chủng của loài khủng long có thể là do chúng không có khả năng phát hiện các loại alkaloid mang độc tính trong thực vật có hoa phát triển vào giai đoạn cuối kỷ Creta, khoảng thời gian loài khủng long biến mất, mặc dù đây không phải là lý thuyết được chấp nhận rộng rãi về sự tuyệt chủng của khủng long.

Con người dường như bẩm sinh đã không ưa thích vị đắng. Thực tế, sở thích của chúng ta trái ngược hoàn toàn. Vị đắng khiến nước miếng tiết ra nhiều hơn. Đây là một phản ứng hữu ích khi cơ thể cảm nhận có một chất gì đó độc hại xuất hiện trong miệng, cho phép chúng ta nhổ ra nhiều nhất có thể lượng chất độc đó. Tuy vậy, cũng có rất nhiều người, có thể không thích, nhưng đánh giá cao vị đắng. Caffein trong trà và cà phê và quinin trong nước tonic là những ví dụ điển hình cho hiện tượng này, mặc dù phần lớn chúng ta vẫn thích pha thêm đường vào những loại nước uống đó. Thuật ngữ nỗi đau ngọt ngào (bittersweet), thể hiện sự vui buồn lẫn lộn, truyền tải khá trọn vẹn sự mâu thuẫn trong tư tưởng của chúng ta đối với vị đắng.

Cơ quan cảm nhận vị của con người được đặt tại các chồi vị giác, một nhóm các tế bào chuyên biệt nằm trên lưỡi. Không phải tất cả các phần của lưỡi đều có thể nhận biết các vị theo cùng một cách thức hay cùng một mức độ. Đầu lưỡi là phần nhạy cảm nhất với vị ngọt, trong khi vị chua được nhận biết mạnh mẽ nhất ở phần hai bên cạnh lưỡi gần cuống lưỡi. Bạn có thể kiểm chứng điều này một cách dễ dàng bằng cách nhỏ một vài giọt dung dịch đường vào phần cạnh lưỡi và sau đó vào phần đầu lưỡi, phần đầu lưỡi cảm nhận vị ngọt mạnh mẽ hơn. Nếu dùng nước cốt chanh thay cho nước đường, sự khác biệt rõ ràng hơn nhiều. Tại đầu lưỡi dường như nước cốt chanh không chua lắm, nhưng chỉ cần đặt một lát chanh nhỏ chạm vào phần cạnh lưỡi, bạn sẽ phát hiện ra nơi cảm nhận được vị chua mạnh mẽ nhất. Bạn có thể tiếp tục thí nghiệm này: vị đắng được cảm nhận rõ ràng nhất tại vùng giữa phía cuống lưỡi, và vùng cảm nhận vị mặn tốt nhất là ở hai bên phía gần đầu lưỡi.

Vị ngọt được nghiên cứu kỹ hơn nhiều so với các loại vị khác, bởi lẽ hiển nhiên là từ thời kỳ buôn bán nô lệ, nó vẫn là một lĩnh vực kinh doanh khổng lồ. Mối quan hệ giữa cấu trúc hóa học và vị ngọt là sự phụ thuộc khá phức tạp. Một mô hình đơn giản được gọi là mô hình A-H,B, gợi ý rằng vị ngọt phụ thuộc vào sự sắp xếp của một nhóm các nguyên tử trong một phân tử. Các nguyên tử này (ký hiệu A và B trong hình vẽ) có dạng hình học đặc biệt có thể khiến nguyên tử B bị hút về phía nguyên tử hydro gắn vào nguyên tử A. Kết quả là trong một thời gian ngắn, phân tử có vị ngọt được gắn vào phân tử protein của cơ quan nhận biết vị, làm phát sinh một tín hiệu (truyền qua các dây thần kinh) báo cho não bộ “đây là vị ngọt”. A và B thông thường là các nguyên tử oxy hoặc nitơ, mặc dù một trong số chúng cũng có thể là nguyên tử lưu huỳnh.

Mô hình A-H,B cho vị ngọt

Có rất nhiều các hợp chất có vị ngọt, nhưng không phải tất cả đều ăn được. Ví dụ như ethylene glycol là thành phần chính của chất chống đông sử dụng trong hệ thống tản nhiệt của xe ô tô. Độ tan và độ linh hoạt của phân tử ethylene glycol, cũng như khoảng cách giữa các nguyên tử oxy trong phân tử này (tương tự khoảng cách giữa các nguyên tử oxy trong phân tử đường) là những yếu tố tạo nên vị ngọt của nó. Nhưng đây là một chất cực độc. Một lượng nhỏ tương đương một muỗng canh chất này có thể gây tử vong cho người hoặc vật nuôi trong nhà.

Điều thú vị là, ethylene glycol không phải là nguyên nhân trực tiếp gây tử vong mà là hợp chất do cơ thể chuyển hóa thành từ ethylene glycol. Quá trình oxy hóa ethylene glycol bởi enzyme trong cơ thể tạo ra oxalic acid.

Oxalic acid có trong nhiều loại thực vật khác nhau, bao gồm một vài loại rau củ trong bữa ăn của chúng ta, ví dụ như cây đại hoàng hay cải bó xôi. Chúng ta thường dùng các loại thực phẩm này với khối lượng vừa đủ và thận của chúng ta có thể đối phó được hàm lượng oxalic acid đó. Tuy nhiên nếu chúng ta nuốt phải ethylene glycol, sự xuất hiện đột ngột của một lượng lớn oxalic acid sẽ gây tổn hại nặng nề cho thận và dẫn đến tử vong. Ăn salad cải bó xôi và bánh đại hoàng trong cùng một bữa ăn sẽ không gây ra hậu quả gì. Có lẽ rất khó để ăn một lượng cải bó xôi và đại hoàng đủ lớn để tạo ra bất cứ tổn hại nào, trừ phi bạn bị sỏi thận, những dị vật tích tụ nhiều năm trong thận, sỏi thận gồm có thành phần chính là calci oxalat, một loại muối calci của oxalic acid; những người bị sỏi thận được khuyên tránh ăn những thức ăn có hàm lượng oxalat cao. Đối với đa số chúng ta, lời khuyên tốt nhất là hãy ăn uống có chừng mực!

Một hợp chất hóa học có cấu trúc khá giống với ethylene glycol và cũng có vị ngọt là glycerol, nhưng một lượng vừa phải glycerol có thể an toàn để sử dụng. Glycerol được sử dụng như một loại phụ gia trong khá nhiều thực phẩm chế biến sẵn do nó có độ nhớt cao và độ tan lớn trong nước. Thuật ngữ phụ gia thực phẩm thường tạo ấn tượng không tốt trong những năm gần đây, với quan điểm cho rằng phụ gia thực phẩm thường là các chất vô cơ, không có nguồn gốc tự nhiên và không tốt cho sức khỏe. Glycerol là một chất hữu cơ, không độc và là thành phần tự nhiên của nhiều sản phẩm, ví dụ như rượu vang.

Glycerol

Khi bạn lắc nhẹ một ly rượu vang, những vết rượu bám trên thành của ly là do sự hiện diện của glycerol trong rượu đã làm tăng độ sánh và mượt của rượu thượng hạng.

Không có gì ngọt ngào

Có rất nhiều hợp chất không phải đường nhưng có vị ngọt, và một số trong các hợp chất này là cơ sở của nền công nghiệp chất làm ngọt nhân tạo trị giá hàng tỷ dollar. Bên cạnh điều kiện cần thiết là phải có cấu trúc hóa học, trong một chừng mực nào đó, tương tự với dạng hình học của đường để có thể tương thích và kết nối với các tế bào tiếp nhận vị ngọt, các chất làm ngọt nhân tạo cần phải tan được trong nước, không độc và không chuyển hóa trong cơ thể người. Các chất làm ngọt nhân tạo thường có độ ngọt cao hơn đường hàng trăm lần.

Chất làm ngọt nhân tạo đầu tiên được phát minh ra là saccharin, một loại bột mịn. Những người làm việc với hợp chất này thường cảm nhận được vị ngọt khi vô tình chạm ngón tay của mình vào miệng. Saccharin là một chất rất ngọt, chỉ một lượng vô cùng nhỏ saccharin cũng đủ để tạo ra vị ngọt. Đây rõ ràng là điều đã xảy ra vào năm 1879, khi một sinh viên hóa học của đại học Johns Hopkins tại Batlimore nhận ra vị ngọt bất thường ở chiếc bánh mì đang ăn. Sinh viên này đã quay trở lại kệ thí nghiệm của mình và nếm tất cả các hóa chất mà anh ta đã sử dụng trong ngày hôm đó - nhiều rủi ro, nhưng là phương pháp phổ biến vào thời gian đó để xác định các phân tử mới - và đã phát hiện ra rằng saccharin có mức độ ngọt rất mạnh.

Saccharin không có giá trị năng lượng, và không cần nhiều thời gian (1885) để sự kết hợp giữa vị ngọt và đặc tính không chứa năng lượng được đưa vào khai thác trong thương mại. Ban đầu được sử dụng thay thế đường trong chế độ ăn uống của những bệnh nhân tiểu đường, saccharin nhanh chóng trở thành loại chất tạo ngọt thay thế cho đường được mọi người chấp nhận. Sự lo lắng về độc tính có thể có và vấn đề về dư vị kim loại đọng lại trong miệng sau khi sử dụng saccharin đã dẫn đến việc phát minh ra các loại chất tạo ngọt khác như cyclamate và aspartame. Như bạn có thể thấy, cấu trúc hóa học của chúng khác nhau khá nhiều và rất khác so với đường, nhưng tất cả các hợp chất này đều có những nguyên tử phù hợp, cùng với vị trí sắp xếp đặc biệt, dạng hình học và độ linh hoạt cần thiết để tạo nên vị ngọt.

Không có chất làm ngọt nhân tạo nào là không có vấn đề. Một vài chất dễ bị phân hủy bởi nhiệt độ nên chỉ có thể sử dụng trong các loại nước giải khát hoặc thực phẩm lạnh; một số rất khó tan; và một số khác có những vị lạ dễ dàng nhận ra cùng với vị ngọt. Dù là một hợp chất tổng hợp, nhưng aspartame được tạo thành từ hai amino acid có sẵn trong thiên nhiên. Aspartame cũng được chuyển hóa trong cơ thể, nhưng vì nó có độ ngọt cao hơn glucose 200 lần, nên chỉ cần một lượng rất nhỏ là có thể tạo được vị ngọt mong muốn. Những người mắc chứng bệnh di truyền PKU (phenylketonuria), một chứng bệnh liên quan đến việc không có khả năng chuyển hóa phenylalanine, một loại amino acid sinh ra khi phân hủy aspartame, được khuyên tránh sử dụng chất ngọt nhân tạo này.

Một loại chất làm ngọt nhân tạo mới được Hiệp hội Thực phẩm và Thuốc Hoa Kỳ cho phép lưu hành vào năm 1998 đã tiếp cận vấn đề chất làm ngọt nhân tạo theo một hướng khác. Sucralose có cấu trúc rất giống với sucrose ngoại trừ hai điểm. Đầu tiên, phân tử glucose phía bên trái trong hình vẽ được thay thế bởi galactose, cùng một phân tử như trong lactose. Điểm thứ hai là ba nguyên tử chlorine (Cl) thay thế vào vị trí của ba nhóm OH: một nhóm trong phân tử galactose và hai nhóm trong phân tử fructose phía bên phải, được chỉ dẫn bởi các mũi tên. Ba nguyên tử chlorine không làm thay đổi vị ngọt của sucralose, nhưng chúng ngăn không cho cơ thể chuyển hóa loại đường này. Do vậy, sucralose là đường không mang năng lượng.

Cấu trúc của sucralose, ba mũi tên chỉ vị trí của ba nguyên tử Cl thay thế ba nhóm OH

Các chất làm ngọt tự nhiên không đường đang được tìm kiếm từ những loại thực vật chứa các chất làm ngọt hiệu lực cao - những chất có độ ngọt gấp hàng ngàn lần sucrose. Những người dân bản địa đã biết đến các loại thực vật có vị ngọt từ nhiều thế kỷ trước đây; loại thảo mộc Nam Mỹ Stevia rebaudiana; rễ của cây cam thảo Glycyrrhiza glabra; hay Lippia dulcis, một loại cỏ roi ngựa sinh trưởng tại Mexico; và thân rễ của loài dương xỉ Selliguea feei ở Tây Java là một vài ví dụ điển hình. Các hợp chất ngọt nguồn gốc tự nhiên có tiềm năng thương mại cao, nhưng cần phải khắc phục được các vấn đề hàm lượng thấp, độc tính, khả năng tan trong nước kém, dư vị khó chấp nhận, độ ổn định và chất lượng.

Mặc dù đã được sử dụng hơn một trăm năm nay, saccharin vẫn không phải là hợp chất đầu tiên được sử dụng như một chất làm ngọt nhân tạo. Danh hiệu này có lẽ phải trao cho acetate chì, Pb(C2H3O2)2, được dùng làm chất tạo ngọt cho rượu vang từ thời đế chế La Mã. Acetate chì, còn được biết đến với tên gọi đường của chì, có thể làm ngọt rượu mà không gây ra sự lên men bổ sung, trong khi nếu dùng các chất làm ngọt khác như mật ong, rượu vang sẽ tiếp tục bị lên men. Các loại muối của chì có vị ngọt, và rất nhiều loại không tan được trong nước, nhưng tất cả đều rất độc. Acetate chì tan nhiều trong nước, và rõ ràng là người La Mã đã không biết về độc tính của nó. Điều này khiến chúng ta phải dừng lại để suy nghĩ nếu chúng ta muốn quay trở lại những ngày tháng tốt đẹp xa xưa, khi đồ ăn và thức uống không chứa các loại phụ gia.

Người La Mã cũng chứa rượu vang và các loại thức uống khác trong các bình chứa bằng chì và cấp nước đến các căn hộ qua những đường ống bằng chì. Sự nhiễm độc chì ngày càng được tích lũy. Nó ảnh hưởng đến hệ thần kinh và hệ sinh dục cũng như đến các cơ quan khác của con người. Những triệu chứng ban đầu của nhiễm độc chì khá mơ hồ bao gồm ngủ không ngon, chán ăn, dị ứng da, đau đầu, đau dạ dày, thiếu máu. Sau đó xuất hiện các tổn hại não bộ, dẫn đến bất ổn định về tinh thần và bại liệt. Một vài sử gia cho rằng nguyên nhân sụp đổ của Đế chế La Mã là do nhiễm độc chì, khi mà giới lãnh đạo La Mã, kể cả hoàng đế Nero, đều có những biểu hiện của các triệu chứng nhiễm độc chì. Chỉ tầng lớp quý tộc cầm quyền, giàu có của La Mã mới có các đường ống dẫn nước đến nhà và dùng các bình chì đựng rượu vang. Người dân bình thường phải gánh nước về nhà và đựng rượu trong bình làm từ vật liệu khác. Nếu nhiễm độc chì thật sự là nguyên nhân dẫn đến sự sụp đổ hoàn toàn của Đế chế La Mã, thì đây sẽ là một ví dụ khác về một hợp chất hóa học đã thay đổi con đường của lịch sử.

Đường - sự khao khát vị ngọt của nó - đã định hình lịch sử nhân loại. Chính lợi nhuận từ thị trường đường khổng lồ ở châu Âu đã thúc đẩy các chuyến tàu chở đầy nô lệ châu Phi đến Tân Thế Giới. Không có đường, việc buôn bán nô lệ đã giảm đáng kể; không có nô lệ, các hoạt động buôn bán đường sẽ càng giảm nhiều hơn nữa. Đường đã tạo ra chế độ nô lệ và doanh thu từ đường đã duy trì chế độ này. Tài sản quý giá nhất của các quốc gia Tây Phi - con người - đã bị chuyển đến Tân Thế Giới để tạo nên tài sản cho những người khác.

Thậm chí sau khi chế độ nô lệ bị xóa bỏ, sự khao khát đối với đường vẫn gây tác động đến những cuộc di dân trên toàn thế giới. Cuối thế kỷ 19, một lượng lớn nhân công hợp đồng từ Ấn Độ đã đến quần đảo Fiji để làm việc trong các đồn điền mía. Kết quả là, thành phần dân tộc trên quần đảo ở Thái Bình Dương này đã thay đổi hoàn toàn, những người Melanesia bản địa không còn chiếm đa số nữa. Sau ba cuộc đảo chính trong thời gian gần đây, Fiji vẫn là một đảo quốc đầy bất ổn về chính trị và sắc tộc. Thành phần sắc tộc của các vùng đất nhiệt đới khác cũng chịu nhiều ảnh hưởng từ đường. Tổ tiên của tộc người hiện chiếm đa số trên quần đảo Hawaii là những người dân di cư từ Nhật Bản đến làm việc tại các đồn điền trồng mía trên đảo từ xưa.

Đường vẫn đang tiếp tục góp phần định hình xã hội loài người. Nó là một mặt hàng thương mại quan trọng; sự thất thường của thời tiết và sự phá hoại của sâu bọ ảnh hưởng sâu sắc đến nền kinh tế của các quốc gia trồng mía và thị trường chứng khoán toàn thế giới. Giá đường tăng tạo nên sự ảnh hưởng liên đới tới ngành công nghiệp thực phẩm. Đường cũng đã từng được sử dụng như một công cụ chính trị; trong nhiều thập kỷ, việc bán đường cho Liên Xô đã hỗ trợ cho nền kinh tế của đất nước Cuba thời Fidel Castro.

Trong đồ ăn và thức uống của chúng ta có sự hiện diện của rất nhiều đường. Con cháu chúng ta thích ăn đồ ngọt. Chúng ta cũng thường hay mời khách các món ăn ngọt để biểu lộ lòng hiếu khách thay vì chỉ một lát bánh mì đơn giản. Những món ăn tẩm đường và bánh kẹo đã trở thành những phần không thể thiếu trong các lễ hội và các dịp kỷ niệm trong nhiều nền văn hóa trên toàn thế giới. Mức độ sử dụng phân tử glucose và các đồng phân của nó ngày càng tăng gấp nhiều lần so với thời kỳ trước đây, và được phản ánh qua những vấn đề về sức khỏe như béo phì, tiểu đường, sâu răng. Trong cuộc sống hằng ngày, chúng ta tiếp tục bị chi phối bởi phân tử đường nhỏ bé.