Мир, созданный химиками. От философского камня до графена - Петр Образцов

Критические различия в свойствах веществ одинакового химического состава и лишь с небольшими различиями в строении молекул являются одним из удивительных свидетельств могущества Природы, а обнаружение этих различий — могущества химической науки. Знание свойств изомеров позволяет целенаправленно получать более интересные с какой-либо точки зрения продукты. Например, октановое число углеводородов с разветвленной углеродной цепочкой обычно выше, чем у линейных углеводородов, и в нефтехимической промышленности проводят изомеризацию получаемых из нефти алканов (углеводородов только с одинарными связями) в изоалканы. Открытый Карозерсом (см. главу 15) капрон можно получить только из капролактама, который синтезируют из его изомера циклогексаноноксима.

Обычный белый сахар, или сахароза C12H22O11, представляет собой соединенные химической связью два изомерных моносахарида — глюкозу и фруктозу, и при пищеварении на эти два вещества сахар сначала и распадается. Глюкоза C6H12O6 является источником энергии для функционирования организма человека и при этом опасна для больных диабетом, у которых заторможена или вообще отсутствует активность фермента инсулина. В то же время ее изомер фруктоза с той же брутто-формулой C6H12O6, обусловливающая сладость множества ягод и фруктов, диабетикам ничем не угрожает, для ее переработки инсулин не требуется. Кроме того, фруктоза почти в два раза слаще сахара, и соответственно для подслащивания чая или компота ее требуется значительно меньше. Для многих, к сожалению, очень многих жителей нашей страны особенно важно еще одно свойство фруктозы: она ускоряет перерабатывание алкоголя и превращение вреднейшего уксусного альдегида в безвредную уксусную кислоту CH3COOH. Уксусный альдегид CH3COH — вещество, образующееся при распаде этилового спирта C2H5OH и вызывающее тяжелое состояние похмелья.

Препараты с фруктозой против этого синдрома уже производятся, а про другие вещества, используемые вместо сахара, рассказано в следующей главе. А заодно и про вещества «наоборот» — горькие и жгучие.

Глава 4

Почему сладкое сладко, а горькое горько

Мы часто говорим: «О вкусах не спорят», при этом имеем в виду не только книги, музыку или кино, но и творения кулинаров. Одни, особенно дети, любят сладкое, другие — вкус бифштекса с кровью, на Востоке обожают полакомиться жареными личинками насекомых, во Франции едят лягушек. Но вкусы любых блюд можно все-таки попытаться определить как сочетание основных вкусов, которых не то четыре, не то пять, не то двадцать пять. Самый простой и традиционный вариант — это четыре вкуса: сладкое, соленое, горькое, кислое. Причем любопытно, что эти, да и все другие возможные вкусы обнаруживаются нашим языком только если вещество вкуса растворено в воде. Если положить на сухой язык кристаллы сахара, то человек ничего не почувствует.

Теория вкусности

Известно, какие зоны языка, на которых находятся так называемые вкусовые сосочки, отвечают за определенные вкусы. К сладкому наиболее чувствителен кончик, к соленому — тот же кончик и края языка, к кислому — тоже края и, наконец, к горькому — корень языка. Связь между строением химического вещества и его вкусом установлена только в одном случае — для кислого вкуса. Этот вкус всегда вызывают вещества, имеющие в своем составе отщепляемый ион водорода, а это почти все кислоты и другие соединения, дающие в растворе кислую реакцию. Ион водорода — это ведь «голый» протон, элементарная частица. На одной из школьных олимпиад по химии был поставлен такой вопрос: какого вкуса протон? И далеко не все сумели найти ответ — кислый. Любопытно было бы узнать, а какого вкуса, например, электрон?

Соленый вкус в своем чистейшем виде проявляется во вкусе обычной поваренной соли — хлорида натрия NaCl. Поскольку другие соли с анионом хлора такого вкуса, как правило, не вызывают, считается, что соленость — это свойство катиона натрия. Хотя при увеличении молекулярной массы соли вкус постепенно изменяется в сторону горького. Сульфат натрия Na2SO4 уже довольно заметно горчит. Присутствие серы чаще всего придает веществу горький вкус, хотя тут уже все гораздо сложнее, такой вкус имеют очень многие вещества. Удивительно, что самыми сладкими или самыми горькими являются растворы соответствующих веществ не самой высокой, а средней концентрации. Максимально сладок 20 %-ный раствор сахара, максимально горько-солён 10 %-ный раствор поваренной соли.

Существует несколько теорий вкуса, лучше других «поведение» куска торта на языке описывает гипотеза Шалленбергера, связывающая строение вещества и строение вкусовых центров на языке. Однако гипотеза гипотезой, а почти все сладкие вещества люди обнаружили случайно и именно «по вкусу». Дисахарид сахарозу, то есть попросту наш обычный сахар, и моносахариды фруктозу и глюкозу человечество раскусило еще в незапамятные времена, попробовав сладкий тростник, дикие фрукты и виноград, а другие подсластители были обнаружены лишь в позапрошлом и прошлом веках.

Борьба феминисток за равноправие женщин и мужчин привела к некоторым неожиданным результатам. Например, в западных странах теперь не принято уступать дамам место в автобусе, и настояли на этом вовсе не мужчины, а женщины. А ведь различия между полами все же есть, и не только те, о которых сразу можно подумать. Оказывается, чувствительность женских вкусовых сосочков заметно отличается от чувствительности мужских. Прежде всего вкус к сладкому у женщин развит больше, чем у мужчин. Вот о сладости, точнее, о подслащивающих веществах, и поговорим.

То, что сахар вреден и от него кариес, а также что от сахара полнеют и сахар провоцирует диабет, — это всем известно. Доказано также, что сластены чаще становятся алкоголиками и вообще сахар — это белая смерть. Ну что возразить на все эти обвинения? Только вот это: во-первых, сахар вкусный, а во-вторых, другие подсластители напитков, мороженого и кондитерских изделий не лучше. Подсластителями называют все вещества, добавляемые для придания продукту сладкого вкуса. Таких подсластителей — натуральных и искусственных — множество, и общее у них только одно — они сладкие.

Сладкая спекуляция

Про случайные открытия в химии более подробно рассказывается в главе 15, но и здесь нам придется пользоваться словом «случайно», поскольку большинство подсластителей было открыто именно так. Сахарин случайно был открыт в Америке в 1879 году русским эмигрантом К. Фальбергом, работавшим в лаборатории известного химика А. Ремсена. К 1884 году было уже налажено промышленное производство сахарина. Занимались им немногие — бизнес этот не приносил особенных доходов. Но с началом Второй мировой войны и блокадой морских коммуникаций о сахарине вспомнили, поскольку основным поставщиком тростникового сахара к тому времени стала Америка. В СССР сахарная свекла росла только на оккупированной Украине, поэтому сахарин во время войны мгновенно стал предметом спекуляции наряду с американскими сигаретами, пенициллином и нейлоновыми чулками. Успеху сахарина способствовала его чудовищная сладость — он слаще сахара в 500 раз!

Кстати, о том, как определили величину сладости сахарина. Современные теории не дают возможности количественно определить степень сладости (а также горечи или солености), не существует и приборов-сладкомеров. Поэтому сравнивают так называемые пороговые концентрации веществ, при которых обычный человек уже начинает чувствовать сладость. Установлено, что сладкий вкус ощущается при содержании сахара в стакане воды около 700 миллиграммов, а сахарина — всего 1,4 миллиграмма. Вот отсюда и получается, что сахарин слаще сахара в 500 раз.

Не закончилась еще битва союзников с Третьим рейхом, как на сахарин набросились сахарные монополии. Были проведены сотни опытов с целью доказать вредность этого подсластителя, но в результате было показано только, что не стоит есть сахарин каждый день и помногу. Установлено и это «много» — разрешенной дозой является 5 миллиграммов сахарина на 1 килограмм веса в день. Для человека массой 90 килограммов это означает 0,45 грамма. Такое количество сладости содержится в 0,45 × 500 = 225 граммах сахарозы, то есть в полном стакане сахара. Столько есть в день, конечно, не следует.

Обычно сахарин выпускают в таблеточках, в которых он содержится в виде своей натриевой соли. Для лучшей растворимости к ней добавлена лимонная кислота и сода, которая еще и уменьшает горьковатый привкус, свойственный сахарину. Неожиданным примером применения сахарина может служить так называемый сладкий сахар. Производители этой муры, просто добавив к обычному белому сахару немного сахарина, уверяют, что 1 килограмм полученной смеси заменяет 3 килограмма обычного сахара при варке варенья. Однако сахароза в варенье добавляется вовсе не только для сладости, а в первую очередь в качестве бактерицидного вещества: осмотическое давление сахарного сиропа разрывает клетки вредных микробов. Кстати, по той же причине болят зубы от сладкого: сироп внедряется в микротрещины эмали и пытается их раздвинуть. Это так называемый эффект Ребиндера, советского ученого, работавшего в области коллоидной химии. А сахарин бактерицидными свойствами не обладает, так что варенье с резко пониженным содержанием сахарозы скорее всего скиснет. Хотя с точки зрения сладости «сладкий сахар» действительно втрое слаще.