人們喜歡糖的甜味，可甜度最高的竟然不是糖？丨味覺化學(xué)

甜，是一種令人愉快的味道，讓人產(chǎn)生幸福的感覺，其生物本質(zhì)是甜味分子與甜味受體相互作用，經(jīng)過復(fù)雜的傳遞過程然后激活大腦獎賞區(qū)釋放神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺。從化學(xué)結(jié)構(gòu)角度上看，甜味分子可分為：糖類（糖、糖衍生物、糖醇、糖苷），氨基酸類 （二肽、蛋白質(zhì)），磺酰胺類等，甜度值與分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。本文從分子結(jié)構(gòu)層面闡述各類甜味分子及其甜度，看看哪種物質(zhì)最甜？

撰文丨石敏（常州市第一中學(xué)）、姜雪峰（華東師范大學(xué)化學(xué)分子科學(xué)與工程學(xué)院）

酸、甜、苦、咸、鮮是人類五種基本味覺，人對甜味的喜好與生俱來[1]，《說文解字·甘部》：“甛，美也。舌，知甘者?！奔瓷囝^能品嘗出甜味，甜味產(chǎn)生的生物學(xué)機制大致如下：甜味分子激活舌上皮味蕾上的甜味受體（T1R2/T1R3受體），進而激活G蛋白及膦脂酶Cβ2，Cβ2水解得到的三磷酸肌醇誘發(fā)細胞內(nèi) Ca2+ 釋放，隨后細胞膜去極化并釋放神經(jīng)遞質(zhì)，從而產(chǎn)生甜味[2]。

化學(xué)層面上，科學(xué)家們總結(jié)并不斷修正補充相關(guān)分子構(gòu)效理論：

（1）1963年，Shallenberger提出AH-B理論，即甜味分子上要同時擁有氫供基AH（如羥基、氨基等）與氫受基B（如氧原子、氮原子等），AH基團的H（氫質(zhì)子）與Ｂ的距離為0.25~0.40nm（圖1(a)），甜味分子的AH-B單元與甜味受體的AH-B單元相作用產(chǎn)生味感[3]。

（2）1972年，Kier對AH-B理論進行了補充，提出AH-B-X三角理論，分子存在疏水基X，AH，B，X三點共同決定分子的甜度[4]（圖1（b）），X與A，B距離分別為0.35nm和0.55nm，但后期研究發(fā)現(xiàn)并不具備普遍意義。

（3）1991年，Tinti進一步提出多點理論，即甜味受體至少有8個識別點與甜味分子相應(yīng)部位作用產(chǎn)生甜味，例如阿斯巴甜與受體有9個位點相互結(jié)合作用（圖1（c））[5, 6]。

由此可見，甜度與分子的脂水分配系數(shù)相關(guān)，當(dāng)分子達到親脂親水平衡時，與甜味受體作用大，甜度高[7]。值得指出的是，單獨的甜味受體、分子-受體結(jié)合體的三維結(jié)構(gòu)尚未獲得，因此上述理論并未完全實證而有一定的局限性[8]。

圖1（a）AH-B理論，（b）AH-B-X理論，(c)多點理論

迄今，普遍使用的甜味分子已達20余種，如糖類 （蔗糖）、糖類衍生物 （三氯蔗糖）、糖醇類（山梨醇）、糖苷類 （甜菊糖苷）、二肽類 （阿斯巴甜）、蛋白質(zhì)類 （索馬甜）、磺酰胺類（糖精）等。通常把室溫下5% 蔗糖溶液的甜度定為1，其他甜味分子與之比較而獲得甜度值。其測定一般靠評測員多次品嘗取平均值，因此甜度值受主觀因素影響，最近已開發(fā)出電子舌模擬人類味覺，可以較為客觀地評估甜度，但技術(shù)還不成熟[9]。

糖給人帶來幸福感，但是過量攝取會導(dǎo)致肥胖，甚至是疾病（如糖尿病等），機制上是源于過量糖分子在體內(nèi)分解產(chǎn)生“富裕”能量。預(yù)計2030年將會有21.6億人受肥胖影響[10]，低熱量的生活理念，為非糖類甜味劑的發(fā)展迎來了契機，也促進了甜味化學(xué)多元化發(fā)展。

01

糖類、糖醇類、糖苷類

1.1 糖類及其衍生物

通常認為甜來自于糖 （又稱碳水化合物），以蔗糖最為普遍，化學(xué)結(jié)構(gòu)上歸因于空間上靠近的2個相鄰羥基，滿足 AH-B 理論，一個羥基作為 AH，另一個羥基上的氧原子作為B（圖2上）。蔗糖水解后產(chǎn)生的果糖、葡萄糖同樣符合AH-B理論，甜度分別為1.1~1.8及0.5~0.8。另一種日常使用的天然糖——麥芽糖的甜味也有理論支持，其分解后產(chǎn)生2分子葡萄糖，源于淀粉（無甜味多糖）水解，這也就是為什么淀粉經(jīng)咀嚼后會產(chǎn)生甜味的原因（圖2下）。

圖2 常見糖類及其甜度

糖的過量攝取會導(dǎo)致人體胰島功能紊亂，引發(fā)糖尿病、肥胖等疾病，因此科學(xué)家們不斷開發(fā)傳統(tǒng)糖的替代物，來滿足人對甜的渴望而又不引起血糖和胰島素的明顯變化，一些天然稀有糖就具備這類性質(zhì)[11]。Wiggers于1832年在黑麥麥角菌中發(fā)現(xiàn)了海藻糖，Levin于1988年首次采用生物制法將半乳糖通過酶促轉(zhuǎn)化獲得塔格糖[12]，還有經(jīng)果糖酶催化轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的阿洛糖（圖3）。

圖3 稀有糖及其甜度

天然糖甜度普遍集中在1.0左右，很難滿足更廣泛的應(yīng)用。1976年，Hough[13]等人發(fā)現(xiàn)鹵素選擇性取代蔗糖分子部分羥基可大幅影響分子甜度，2號位氯代甚至有苦味，而4,1′,6′-三氯蔗糖和4, 6,1′,4′－四溴蔗糖則有大幅增強的甜味（圖4（a）），甜度分別可達400~800和7500。其原因是：鹵素的引入可以增強蔗糖分子親脂性，與甜味受體作用力更強；溴代產(chǎn)物甜度比氯代的更高是由于溴原子半徑與甜味受體上的分子大小相當(dāng)，結(jié)合更充分。細化研究表明蔗糖分子中1,4,1′,4′這４個位置鹵代，均能使甜度增加[14]。

三氯蔗糖是目前廣泛使用的甜味分子，食用后幾乎都會排出體外，在20℃的干燥條件下可存放4年，但在烘烤過程中會分解生成左旋葡萄糖酮和5-羥甲基糠醛，同時釋放出的氯化氫會參與甘油氯化產(chǎn)生毒性物質(zhì)氯丙醇，故三氯蔗糖食品不可以高溫加熱（圖4（b））[15]。Hough采用全基團保護法，包括?；?、氯代、脫酰等步驟，收率雖只有14.6%[16]，但為三氯蔗糖的合成提供了理論基礎(chǔ)（圖4（c）），隨著人們對三氯蔗糖需求量的提升和對合成路線的不斷改進，單基團保護法因步驟較少、產(chǎn)率較高成為常用的合成方法，經(jīng)酰化、氯代和脫酰等步驟，收率可達27.8%[17]（圖4（c））。

圖4（a）蔗糖鹵代衍生物，（b）三氯蔗糖高溫下轉(zhuǎn)化關(guān)系，（c）三氯蔗糖合成路線

1.2 糖醇類

人們開發(fā)了另一系列普遍使用的甜味分子——糖醇，分子結(jié)構(gòu)是多元醇（含多個羥基官能團），如山梨醇、甘露醇、木糖醇等（圖5）。和糖類分子一樣親水性強，與甜味受體作用力不大，所以甜度不高。糖醇可從天然植物中獲得，也可由相應(yīng)糖還原得到。如葡萄糖還原可得山梨醇，甘露糖還原可得甘露醇，木糖還原可得木糖醇。糖醇甜度雖不及糖，但糖醇不會在口腔細菌作用下產(chǎn)生酸而腐蝕牙齒，可防齲齒；食用后人體血糖上升不明顯[18]，可供糖尿病人食用，但食用過多會導(dǎo)致腹瀉。

圖5 常見糖醇及其甜度

1.3 糖苷類

糖類甜味分子還包括糖苷，其分子結(jié)構(gòu)是糖苷鍵連接糖殘基（單糖或寡糖的半縮醛羥基）和配糖基（如羥基等非糖部分）。如甜菊糖苷、新橙皮苷二氫查爾酮、羅漢果苷等，天然安全、甜度高、熱量低，可預(yù)防齲齒[19]。

甜菊苷（Stevioside）屬四環(huán)二萜的糖苷類分子，可從甜葉菊葉中提取，甜度可達270~300。甜菊醇（配糖基）在C-19位連接不同數(shù)量葡萄糖基 (-glu) 和C-13位連接不同數(shù)量和種類的糖基會得到不同甜度值[20]（圖6（a））：

（1）C-13位氧苷鍵連接３個葡萄糖基的甜菊苷Ａ（甜度為350~450）較連接2個葡萄糖基的甜菊苷甜度高；

（2）C-13連接的3個葡萄糖基中的一個葡萄糖基換成鼠李糖基 (-rhm) 的甜菊苷C（甜度為40~60），則甜度大幅下降；

（3）而C-19若連接2個葡萄糖基的甜菊苷E（甜度為100~150），則甜度略有下降。

甜菊苷系列耐酸堿，在飲料中應(yīng)用廣泛，已逐漸取代糖精。

新橙皮苷[21]，從酸橙果皮中提取的。呈苦味的柚皮苷、新橙皮苷（圖6（b）左）經(jīng)堿作用開環(huán)，再經(jīng)鈀催化下氫化，可得柚皮苷二氫查耳酮、新橙皮苷二氫查耳酮[22]。生產(chǎn)成本較高，常使用于飲料中。二氫查耳酮類分子結(jié)構(gòu)與甜度值的關(guān)系（圖6（b）右）：

（1）二氫查耳酮中C-7連接的R基團為糖基（新橙皮糖基，其縮寫為Neo或葡萄糖基等），且C-2連接的苯環(huán)上至少有一個羥基，分子同時滿足這2個條件才有甜味；

（2）右側(cè)苯環(huán)上C-4′若連接烷氧基時，甜度則會加強，即新橙皮苷二氫查爾酮的甜度（甜度為1000）比柚皮苷二氫查爾酮（甜度為500~700）高很多[23]。

羅漢果甜苷Ｖ屬三萜類葡萄糖苷分子，可從葫蘆科藤本植物羅漢果提取，甜度為300（圖6（c））。同甜菊苷類似，連接不同數(shù)量和種類的糖基會得到不同甜度值，而C-11位置羥基被破壞，則會呈現(xiàn)苦味[24]。在我國常用在治療干咳、咽喉痛等藥物中[25]，已有800年栽培和使用歷史，但直到2004年才真正實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

圖6（a）甜菊苷，（b）新橙皮苷二氫查爾酮，（c）羅漢果甜苷V

02

二肽、蛋白質(zhì)類

氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單位，構(gòu)成蛋白質(zhì)的天然氨基酸幾乎都是L型，大多數(shù)帶有苦味，而D型氨基酸則呈現(xiàn)出甜味[26, 27]。AH-B-X三角理論指出：甜味分子中的AH-B-X三部分與甜味受體的3個結(jié)合基團都呈順時針方向排列時才會相互作用，產(chǎn)生甜味。D型氨基酸中的AH-B-X呈順時針方向排列而Ｌ型氨基酸則是逆時針方向，便會產(chǎn)生甜與苦2種截然相反的味道（圖7（a））。

2.1 二肽類

二肽類甜味分子是指2分子氨基酸通過脫水縮合形成分子間具有一個肽鍵的化合物，例如阿斯巴甜、紐甜等。1965年，JamesM.Schlatter偶然獲得甜味分子阿斯巴甜，學(xué)名天門冬酰苯丙氨酸甲酯。阿斯巴甜具有甜味，主要基于分子上的苯環(huán)能與甜味受體的疏水區(qū)產(chǎn)生疏水交互作用。Nefro和Tinti認為在甜味受體上可能含有2個相距約為1nm的疏水區(qū)[28]?；诖死碚摶A(chǔ)，在阿斯巴甜分子上連接一個烷基得到第2個疏水區(qū)，合成出新物質(zhì)紐甜。阿斯巴甜的甜度為120~200，而紐甜的甜度則高達7000~13000（圖7（b））。當(dāng)引入的烷基主碳數(shù)為三或四，且末端碳原子上的支鏈越多，疏水性就越高，甜度也越高[29]。2008年，可口可樂公司推出的新款“無糖”可樂，就使用了阿斯巴甜，其甜度高、無熱量、防齲齒[30]，且達到相同甜度的阿斯巴甜價格只有蔗糖的70%，因而在甜味市場具有一定的競爭力。

圖7（a）D, L型氨基酸，（b）阿斯巴甜和紐甜

2.2 蛋白質(zhì)類

植物甜蛋白是指從天然植物中提取的具有甜味的蛋白質(zhì)高分子。1972年，VanderWel等人從果實中提取出一種甜味成分——索馬甜[31]，只有人和猴的甜味受體能與之作用感覺到它的甜味，甜味蛋白自此進入人類視野。隨后，科學(xué)家們分離提純出多種植物甜蛋白，甜度多樣（100~10000，表1），都具有以下特點：（1）無特征序列[32]；（2）隨著蛋白表面負電荷的減少，甜度增強[33]；（3）分子內(nèi)氫鍵及疏水基團對甜味度有影響；（4）甜味蛋白與甜味受體間可能存在多點結(jié)合作用；（5）在人體中降解為氨基酸，吸收和利用不依賴于胰島素。

植物甜蛋白具有甜度高、熱量低、能預(yù)防齲齒[34]等特性，可應(yīng)用于食品、飲料、藥品生產(chǎn)等[35]，但高溫下蛋白質(zhì)易變性，故含甜味蛋白的食物不能高溫使用。由于含這些甜味蛋白的果實資源并不豐富，且果實運輸、提取成本等原因?qū)е履壳按笠?guī)模生產(chǎn)還比較困難。

表1 甜味蛋白及其甜度

03

磺酰胺類

磺酰胺類甜味分子指含磺酰胺基官能團的一類分子，如糖精、甜蜜素、安賽蜜，均為化學(xué)工作者偶然獲得。分子滿足AH-B甜味理論（圖8）。磺酰胺類甜味分子的甜度與分子體積和取代基的體積有關(guān)[36]，它們影響“甜三角”之間的距離，從而影響甜度。

圖8 磺酰胺類甜味分子結(jié)構(gòu)

1879年，俄國化學(xué)家Fahlberg意外得到了高甜度分子糖精，學(xué)名鄰苯甲?；酋啺?，甜度為300~500。Fahlberg使用甲苯法合成[37]，而我國通用的方法為自主研發(fā)的苯酐法，使用苯酐、氨水、液氯、硫酸、亞硝酸鈉、硫酸銅、二氧化硫等，經(jīng)酰胺化、霍夫曼降解、重氮化、磺酰氯化、環(huán)化等過程，總收率可達80%以上[38]（圖9（a））。

圖9 （a）糖精，（b）甜蜜素，（c）安賽蜜的合成路線

糖精進入人體24h后幾乎全部從體內(nèi)代謝出去，對身體沒有影響；但也有報道喂食高濃度糖精使小鼠致癌，因此1912年美國禁用，但由于世界大戰(zhàn)期間食用糖短缺，糖精又得以重新使用。世界衛(wèi)生組織聯(lián)合委員會（WHO）于1977年規(guī)定：糖精每日允許攝入量（ADI）為0~2.5mg/kg。我國使用的是糖精鈉，制作成本低，年消費量近萬噸，但由于近年天然甜味分子逐漸興起，糖精生產(chǎn)規(guī)?？s小。

1937年，美國伊利諾伊大學(xué)學(xué)生MichaelSve-da偶然獲得甜蜜素，學(xué)名環(huán)己基氨基磺酸鈉，甜度為30~60。其合成一般采用環(huán)己胺在165℃時與氨基磺酸反應(yīng)生成環(huán)己基氨基磺酸，溫度降至130℃以下后再用10%Na2CO3溶液使產(chǎn)物溶解，重結(jié)晶后收率可達97.5%[39]（圖9（b））。但在溶液中會緩慢水解產(chǎn)生無機硫酸鹽和有毒的環(huán)己胺。通常情況下人食用后，40%通過尿液排出，60%通過糞便排出，在體內(nèi)并無蓄積現(xiàn)象，所以在40多個國家批準(zhǔn)使用（但美國禁用），其安全性學(xué)術(shù)界仍無定論[40]。WHO于1982年規(guī)定：甜蜜素每日允許攝入量為0~11mg/kg。

1967年，德國科學(xué)家K.Clauss在工作時偶然得到的安賽蜜，學(xué)名乙酰氨磺酸鉀，甜度為130~200。其合成方法（圖9（c））通常采用以氨基磺酸、雙乙烯酮、三乙胺、三氧化硫為原料的策略，反應(yīng)條件溫和且純度和收率（81.6%）都較高37。食用后100%以原形物質(zhì)從尿液中排出體外，通常不分解，也不會與食物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，每日允許攝入量為0~15mg/kg?；旌习操惷酆桶⑺拱吞鹪谑称泛惋嬃瞎I(yè)中是常見的，可降低甜味劑使用量和改善甜的口味。

04

結(jié) 論

甜味化學(xué)普遍存在于我們的日常生活中，其中的糖類化合物則是人類的主要能量來源。分子結(jié)構(gòu)甜度理論的發(fā)展不僅幫助人們定義和區(qū)分了甜味化合物，更為科學(xué)工作者開發(fā)新型甜味劑提供了理論指導(dǎo)。甜度的定義及量化還需要更加科學(xué)化、數(shù)字化、系統(tǒng)化，相關(guān)分子構(gòu)效關(guān)系的研究還需更廣泛的實驗積累，這樣也為人工智能甜味化學(xué)的開發(fā)提供堅實的理論基礎(chǔ)，為開發(fā)應(yīng)用價值更大而避免引發(fā)疾病的甜味分子指出方向。隨著人們生活水平的日益提升及相關(guān)精細化學(xué)的全面發(fā)展，甜味化學(xué)會迎來更全面的科學(xué)及產(chǎn)業(yè)飛躍。

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本文原文發(fā)表于于《化學(xué)教育》2020年第16期，原標(biāo)題為《味覺化學(xué)之甜味化學(xué)》，經(jīng)作者授權(quán)發(fā)表于《返樸》。