Khoa học đằng sau hương vị nhân tạo

Trong hơn một thế kỷ, các nhà hóa học đã tạo ra các phân tử hương vị để gợi lên những mùi vị đặc biệt. Làm sao họ biết được những hợp chất nào tạo ra một hương vị đặc biệt, và làm cách nào để tạo ra những phân tử này? Trong bài viết này, bạn sẽ có câu trả lời cho những câu hỏi thú vị này. Hãy giành ít thời gian để tìm hiểu nhé!

Đôi nét

Phần lớn thực phẩm và đồ uống chúng ta tiêu thụ hàng ngày đều có hương vị từ hương liệu nhân tạo. Mặc dù chúng là một phần quan trọng của ngành công nghiệp thực phẩm hiện đại, nhưng hương liệu nhân tạo vẫn là một bí ẩn đối với hầu hết mọi người.

Lưỡi con người có thể nhận biết năm vị khác biệt: ngọt, mặn, chua, đắng và umami (mặn). Mọi yếu tố khác tạo nên hương vị đều đến từ hương thơm của thực phẩm, và người ta ước tính rằng gần 80% vị giác được cảm nhận qua khứu giác. Đây là lúc các chất hóa học, cả tự nhiên và nhân tạo, xuất hiện, vì chúng có thể được sử dụng để làm thay đổi mùi hương và là hương vị của thực phẩm và đồ uống.

Một vài ví dụ về chất tạo hương vị tự nhiên và tổng hợp. Ảnh: C. Rose Kennedy

Hương vị rất phức tạp, với hàng chục hoặc đôi khi hàng trăm hóa chất tương tác để tạo ra hương vị độc đáo của mỗi loại thực phẩm và đồ uống. Ví dụ, trà có 47 hóa chất riêng biệt tạo nên hương vị của nó, trong khi hương vị của cà phê được tạo thành gần 100. Tuy nhiên, một số hương vị có thành phần hóa học chiếm ưu thế, thậm chí tự nó tạo nên hương vị riêng biệt cho bất kỳ loại thực phẩm nào. nó được thêm vào.

Phương pháp xác định hương vị

Phương pháp sắc ký khí (GC) thường được sử dụng để phân tích các hỗn hợp hương liệu. Khi hương vị hoặc mẫu thực phẩm đi qua cột mao quản được làm nóng, các thành phần hóa học sẽ bay hơi được dẫn bởi khí mang và di chuyển qua một cột. Các hợp chất riêng lẻ tách khỏi hỗn hợp vì thời gian một hợp chất di chuyển qua cột là khác nhau phụ thuộc các yếu tố như điểm sôi.

Tuy nhiên, mặc dù sức mạnh giải quyết to lớn và độ nhạy của GC, việc phân tách và phát hiện các hóa chất hương liệu riêng lẻ gặp nhiều khó khăn. Mức độ quan trọng của dữ liệu GC rất phức tạp bởi sự thay đổi về độ nhạy và đặc tính mùi hương mà mũi cảm nhận được. Ví dụ, ethanol có ít hoặc không có mùi thơm trong khi nồng độ ethanethiol tương đương sẽ có mùi thơm rất nồng và đặc trưng.

Vì thế, sắc ký khí ghép khối phổ sẽ giúp cho các nhà khoa học thêm thông tin để xác định các hợp chất. Thêm một cổng đánh hơi cho phép các nhà hóa học ngửi thấy các thành phần hương vị riêng lẻ khi chúng ra khỏi cột.

Sơ đồ sắc ký khí. Ảnh: Case

Một số hương vị điển hình

Giấc mơ Vanillin

Vani là hương vị phổ biến nhất trên toàn thế giới. Không chỉ được sử dụng trong các món yêu thích như kem, kẹo, bánh ngọt và bánh quy mà vani còn giúp tăng cường cảm nhận về vị ngọt và các hương vị khác (như trong sô cô la, cà phê, trái cây và các loại hạt).

Chiết xuất vani tự nhiên thu được bằng cách ngâm đậu vani trong rượu để tạo ra dung dịch vanilin và các thành phần phụ khác có thể được sử dụng trong nấu ăn và làm bánh. Trong khi có tới 250 thành phần hương vị và mùi thơm đã được phát hiện trong chiết xuất vani, hầu hết chúng bị phá hủy khi tiếp xúc với nhiệt độ cao, khiến độ phức tạp của hương vani giảm đi khi nướng. 

Hơn nữa, đậu vani chỉ có thể được lấy từ các loài hoa lan được thụ phấn bằng tay ở một số ít các khu vực nhiệt đới, khiến chúng trở thành hàng hóa quý giá, đặc biệt là với nhu cầu lớn về vani (hơn 16.000 tấn hàng năm) trên toàn thế giới. Để đáp ứng nhu cầu này, các công ty hương liệu như International Flavors and Fragrances, Inc. và Givaudan có toàn bộ dây chuyền sản xuất dành để phát triển các sản phẩm thay thế chất lượng cao cho chiết xuất vani tự nhiên.

Một số hợp chất có thể được sử dụng để tạo ra hương vị vani. Ảnh: C. Rose Kennedy

Một trong những chất thay thế này là chiết xuất castoreum. Castoreum là chất tiết từ tuyến hậu môn và túi thầu dầu của hải ly, chúng sử dụng nó để đánh dấu yêu sách lãnh thổ của chúng. Chiết xuất Castoreum có mùi ấm, ngọt và có thể được sử dụng làm chất phụ trợ cho chiết xuất vani trong nhiều sản phẩm sữa và bánh nướng. Sau khi đánh giá nghiêm ngặt, castoreum và các chiết xuất của nó đã giành được một vị trí trong Danh sách chứng nhân an toàn GRAS; tuy nhiên, mức tiêu thụ trên toàn thế giới tương đối thấp (chỉ khoảng 300 pound hàng năm). Tuy nhiên, có một điều thú vị cần lưu ý là vì castoreum được chiết xuất từ ​​nguồn động vật nên nó được coi là hương vị tự nhiên, không phải hương vị nhân tạo.

Phần lớn các chất thay thế vani thực sự là các dẫn xuất vanilin và vanilin có bản chất giống hệt nhau được tổng hợp trên quy mô nhiều tấn từ chất chiết xuất guaiacol hoặc lignin, có thể được phân lập từ bột gỗ. Ngoài việc cung cấp một nguồn vanillin rẻ tiền — ở độ tinh khiết cao hơn một nguồn có thể thu được từ chiết xuất vani tự nhiên — sự tổng hợp này cho phép sản xuất các dẫn xuất vanillin có những phẩm chất mong muốn, như tăng hiệu lực hương vị và ổn định nhiệt. Ví dụ, thêm một nguyên tử cacbon bổ sung vào vanilin tạo ra etyl vanilin, có mùi vị gấp 2–4 lần so với vanilin. Do đặc tính đáng mơ ước này và vị thế lâu đời của nó trong danh sách GRAS, ethyl vanilin đã được sử dụng trong một số hương liệu vani từ những năm 1930. 

Butter Me Up

Hương vị béo ngậy, mượt mà của bơ được người tiêu dùng yêu thích, giúp tăng thêm độ ngon và sâu cho các loại nước xịt nấu ăn, nước sốt, bánh nướng và (tất nhiên) bỏng ngô. Hương vị này phát sinh từ việc sản xuất diacetyl và acetoin là sản phẩm phụ của quá trình lên men đường trong sản xuất các sản phẩm từ sữa nuôi cấy như bơ nuôi cấy, sữa bơ và kem chua.

Diacetyl và acetoin là những hợp chất chính tạo nên hương vị của bơ. Ảnh: C. Rose Kennedy

Trong khi một lượng nhỏ các hợp chất này có thể được phân lập từ các sản phẩm sữa dành cho người tiêu dùng này, hiệu quả chiết xuất rất thấp sẽ hạn chế tính thực tiễn của nó. Thay vào đó, các chất phụ gia tạo hương vị này thường được sản xuất thông qua tổng hợp hóa học hoặc lên men công nghiệp trên môi trường nuôi cấy chuyên biệt, được tối ưu hóa để sản xuất hương vị, nhưng không phải là loại phương tiện mà mọi người thường thích ăn. Khi được sản xuất thông qua kỹ thuật nuôi cấy này, diacetyl và acetoin được liệt kê là “hương liệu bơ tự nhiên”, nhưng khi chúng được sản xuất thông qua quá trình tổng hợp có kiểm soát trong phòng thí nghiệm, các thành phần giống nhau được liệt kê là “hương liệu bơ nhân tạo”.

Bạn có thể đã nghe báo cáo về “phổi của công nhân bỏng ngô”, trong đó một số ít trường hợp mắc bệnh phổi có liên quan đến việc hít phải hàm lượng diacetyl rất cao trong một số cơ sở sản xuất bỏng ngô bằng lò vi sóng. Tuy nhiên, cả diacetyl và acetoin đều là những thành viên lâu đời trong danh sách GRAS. Cần phải nhớ rằng liều lượng cao của bất cứ thứ gì cũng có thể gây độc! Ví dụ, đã có rất nhiều trường hợp tử vong liên quan đến việc uống nước quá liều (không phải chết đuối, thực ra chỉ là do uống quá nhiều). 

FDA và Cơ quan Quản lý An toàn và Sức khoẻ Nghề nghiệp (OSHA) đã điều tra các mối quan tâm liên quan đến diacetyl khí dung một cách cẩn thận và đã phát triển các tiêu chuẩn mới để hạn chế tiếp xúc với các hạt trong không khí trong môi trường nghề nghiệp. Ngoài ra, các báo cáo của họ nhắc lại rằng mức độ mà người tiêu dùng nói chung tiếp xúc thấp hơn nhiều so với ngưỡng rủi ro. Hơn nữa, việc ăn các chất tạo hương vị như diacetyl sẽ chuyển các chất này đến dạ dày (chứ không phải phổi), nơi được trang bị hoàn hảo để xử lý các phân tử này. Vì vậy, hãy tiếp tục, có bơ (hương vị) của bạn và ăn nó nữa!

Ngoài ra còn vô số những hương vị khác nữa, bạn có thể tham khảo thêm tại đây.

Quá trình chuyển đổi ferulic acid thành vanillin. Ảnh: Francesca Luziatelli

Phương pháp sản xuất hương vị

Trên thực tế, các chất tạo hương vị được sản xuất trong môi trường phòng thí nghiệm được kiểm soát phải trải qua quá trình kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt ở mọi giai đoạn và không yêu cầu quy trình chiết xuất kéo dài, tốn nhiều công sức và tài nguyên hoặc thu mua các nguyên liệu tự nhiên quý hiếm hoặc khó nuôi trồng. Do đó, nhiều hương vị nhân tạo giống tự nhiên thực sự có độ tinh khiết cao hơn so với các hương vị tự nhiên của chúng và có thể thu được mà ít gây hại cho môi trường hơn.

Những hương vị nhân tạo này được chế biến bởi một nhóm ưu tú gồm các chuyên gia được đào tạo chuyên sâu được gọi là nhà hương liệu hoặc nhà hóa học hương vị, những người này phải trải qua quá trình học việc nghiêm ngặt kéo dài 7 năm (sau giáo dục đại học) trước khi họ có thể được chứng nhận bởi Hiệp hội các nhà hóa học hương vị. Người ta ước tính rằng chỉ có khoảng 500 nhà tạo hương được chứng nhận trên toàn thế giới. Các nhà điều chế hương liệu chuẩn bị các hỗn hợp hương vị để đáp ứng sở thích về hương vị của người tiêu dùng, tất cả đều tuân theo một bộ nguyên tắc nghiêm ngặt về an toàn và hiệu quả. 

Bài viết đến đây là hết rồi. Hi vọng sẽ giúp ích cho các bạn phần nào trong tương lai. Lần sau nếu có ai hỏi về chủ đề này thì hãy nhớ về hóa học đằng sau chúng nhé!

Tham khảo Chemoxy, C. Rose Kennedy, Howstuffworks, Neil H. MermelsteinC&EN.