葡萄汁熬和不熬的區(qū)別、葡萄汁熬和不熬的區(qū)別圖片

2023-11-10 21:56:25

最近阿斯巴甜可能致癌

成為了備受矚目的消息

拋開致癌性本身

我們是否想過：

人造甜味劑為什么有甜味？

我們是如何感受甜味的？

這與分子結(jié)構(gòu)有什么關(guān)系？

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這篇文章，

就讓我們一探究竟，

揭開甜味味覺的神秘面紗~

Part 1：自然界中的糖

為了了解人造的甜味劑，我們當(dāng)然要先了解天然的甜味物質(zhì)，最為熟知的自然是糖。說到糖，我們往往還會提到碳水化合物。在生物化學(xué)領(lǐng)域，這兩個詞基本可以畫等號，然而在很多其他領(lǐng)域或者語境下，碳水化合物是一個更加廣泛的概念。之所以有碳水化合物這一術(shù)語，因為這類物質(zhì)往往具有C(HO)的組成通式。當(dāng)然，有些具有該通式的化學(xué)物質(zhì)一般不歸為碳水化合物，如甲醛和乙酸。

圖1 甲醛（左）和乙酸（右）的結(jié)構(gòu)式

也有些被歸為碳水化合物的物質(zhì)不嚴(yán)格遵循該通式，如糖醛酸。

圖2 葡萄糖醛酸（右）與葡萄糖的費歇爾投影對比

接下來，我們拋開很復(fù)雜的碳水化合物大家族不談，回歸到“糖”這個稱呼上來。在生物化學(xué)領(lǐng)域，一種相對大眾的分類是將糖分為單糖、雙糖、低聚糖和多糖四種。如果談甜度，甚至可以選取更為狹義的糖的定義，即“有甜味可溶性的碳水化合物”。這時，糖基本上僅包含單糖和雙糖兩類。

圖3 D-葡萄糖（左）、β-D-果糖（中）和β-D-半乳糖（右）的哈沃斯投影

單糖是指無法進(jìn)一步水解的糖，一般只把含碳原子數(shù)不小于3個的分子包含進(jìn)來。按照碳原子數(shù)的不同，我們可以把含有三、四、五、六和七個碳原子的單糖稱為三糖、四糖、戊糖、己糖和庚糖。在高中生物的課程中，我們接觸過三種常見的己糖：葡萄糖、果糖和半乳糖，以及兩種戊糖：核糖和脫氧核糖。

圖4 D-核糖（左）以及L-脫氧核糖（右）

首先，我們需要認(rèn)識到，單糖的家族并非只有這五種，比如木糖就是另一種重要的戊糖。它是半纖維素木聚糖的主要組成部分，且可以通過催化氫化還原反應(yīng)得到我們熟知的木糖醇。

圖5 D-木糖（左）及木糖醇（右）

另外，可能細(xì)心的讀者已經(jīng)開始疑惑：為什么糖的結(jié)構(gòu)式有時候?qū)懗森h(huán)狀，有時候?qū)懗涉湢睿繛槭裁从袝r候會在名稱前加上‘D-’或‘L-’以及‘α-’或‘β-’的修飾？這就引出了兩個重要的概念：單糖環(huán)化以及手性異構(gòu)。

圖6 直鏈狀葡萄糖的環(huán)化過程

熟悉化學(xué)的讀者應(yīng)該知道，成環(huán)和形成雙鍵都會引入一個不飽和度，因此對于鏈狀單糖，由于含有一個碳-氧雙鍵，可以將這個不飽和度轉(zhuǎn)化為成環(huán)而得到相應(yīng)的異構(gòu)體。這種由醛基或羰基與不同碳原子上的羥基發(fā)生的可逆反應(yīng)，會形成具有氧橋的雜環(huán)。一般來講，在水溶液中，如果單糖具有四個以上的碳，則傾向于以環(huán)的形式存在。因此我們體內(nèi)的各種單糖一般呈現(xiàn)環(huán)狀。

圖7 D-葡萄糖的呋喃糖、無環(huán)和吡喃糖形式的轉(zhuǎn)化

然而，這種反應(yīng)并不限制醛基或羰基與哪個碳反應(yīng)成環(huán)，比如葡萄糖中醛基可以與不同碳位點反應(yīng)形成五元環(huán)形式的呋喃糖或者六元環(huán)形式的吡喃糖。

圖8 分子的手性異構(gòu)

對于分子中含有連接四種不同基團(tuán)的碳原子時，往往會存在手性異構(gòu)，即分子的兩種構(gòu)型組成相同但是無法通過平移旋轉(zhuǎn)等操作重合。糖的結(jié)構(gòu)中包含著這樣的碳原子，因此幾乎所有的糖都存在著需要加以區(qū)分的手性異構(gòu)體。‘D-’或‘L-’以及‘α-’或‘β-’的前綴就是按照一套規(guī)范對于異構(gòu)體進(jìn)行分別的記號。

圖9 葡萄糖的α和β異構(gòu)體

圖10 葡萄糖的D和L異構(gòu)體

如果考慮這種細(xì)節(jié)，我們在課本中所學(xué)習(xí)到的三種雙糖：蔗糖、乳糖與麥芽糖其實是由特定結(jié)構(gòu)的葡萄糖、半乳糖或果糖脫水縮合形成的。比如蔗糖是由吡喃型α-D-葡萄糖與呋喃型D-果糖結(jié)合形成的。

圖11 蔗糖的分子結(jié)構(gòu)

乳糖是由β-D-吡喃半乳糖與D-吡喃葡萄糖結(jié)合形成的。

圖12 乳糖的分子結(jié)構(gòu)

而麥芽糖則是兩個D-吡喃葡萄糖結(jié)合形成的，它也是直鏈淀粉的水解產(chǎn)物。

圖13 直鏈淀粉水解形成麥芽糖

Part 2：只有糖是甜的？

了解了這么多關(guān)于糖的知識，我們可以開始探討這樣兩個問題：糖一定甜么？只有糖有甜味么？

一般來說，可溶于水的單糖或雙糖都是有甜味的，但是不可溶的多糖如淀粉、糖原等則沒有甜味。不同類型的糖甜度并不一致，我們往往以蔗糖作為參考去衡量不同物質(zhì)的相對甜度，即認(rèn)為蔗糖的甜度為1。

圖14 顆粒狀與塊狀的蔗糖

相對甜度的確定一般是通過對比達(dá)到相同甜度所需濃度得到的，比如綜合一些專業(yè)測試者的意見，某種物質(zhì)的1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液與蔗糖10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液甜度相當(dāng)，那么該物質(zhì)的甜度就是10。

表1 一些物質(zhì)的相對甜度 | 信息源自[4]

我們可以列出一些物質(zhì)相對于蔗糖的甜度，那么上面的問題也就隨之有了答案：并不是只有糖類物質(zhì)才是甜的。比如在表格中，我們找到了一開始提到的人工甜味劑阿斯巴甜，也看到了一些醇類、蛋白質(zhì)等物質(zhì)。其實，這正是人造甜味劑得以存在的原因——甜度高但是不會被人體代謝產(chǎn)生大量能量。因為人造甜味劑存在的目的就是讓一些食物等味道好但是不會導(dǎo)致蛀牙、肥胖等真實糖類的不良后果。

圖15包裝中的阿斯巴甜（藍(lán)）、糖精（紅）和三氯蔗糖（右）

那么除了前面提到的兩點，保證甜味劑的安全無毒自然也是重要的指標(biāo)。比如早在2000多年前羅馬人用鉛鍋煮葡萄汁就曾得到含有醋酸鉛的甜味糖漿，用作甜味劑，稱為“鉛糖”，但是這種物質(zhì)被發(fā)現(xiàn)是有毒的而被棄用。鉛中毒甚至被列為導(dǎo)致羅馬帝國走向覆滅的可能因素之一。隨后，金屬鈹?shù)柠}被發(fā)現(xiàn)有甜味，也因毒性無法用作甜味劑。所以，今天我們在討論阿斯巴甜致癌的可能性也是在進(jìn)行這類驗證，盡最大可能保證甜味劑的安全性。

圖16 醋酸鉛晶體

隨著歷史發(fā)展，有幾種相對成功且著名的甜味劑。比如1879年Ira Remsen和Constantin Fahlberg制備了糖精，使得糖尿病患者可以吃上有甜味的食物，實現(xiàn)了人工甜味劑的第一次重要突破。

圖17 糖精的結(jié)構(gòu)式 | 圖片源自[5]

約60年后，Michael Sveda在研究一種物質(zhì)時將放在實驗臺上，又一次拿起時發(fā)現(xiàn)變甜了，原因是粘上了這種物質(zhì)的結(jié)晶，因此意外發(fā)現(xiàn)了甜蜜素。

圖18 甜蜜素的結(jié)構(gòu)式 | 圖片源自[5]

而糖精的近親——安賽蜜也以同樣偶然的方式被發(fā)現(xiàn)：化學(xué)家Karl Clauss于1967年在實驗中為了拿起一張濾紙而舔了舔手指，發(fā)現(xiàn)居然是甜的！

圖19 安賽蜜的結(jié)構(gòu)式 | 圖片源自[5]

而著名的阿斯巴甜則是1965年James Schlatter在研制藥物時發(fā)現(xiàn)的，它是由天冬氨酸和苯丙氨酸這兩種氨基酸經(jīng)過脫水縮合形成的二肽。雖然這兩種氨基酸是會被人體代謝而產(chǎn)生熱量的，但由于阿斯巴甜甜度很高，可以只添加很少的量，所以仍作為相對成功的甜味劑。

圖20 阿斯巴甜的結(jié)構(gòu)式 | 圖片源自[5]

Part 3：為什么是甜的？

既然糖類、醇類、氨基酸類甚至無機(jī)分子都可能是甜的，那么它們在結(jié)構(gòu)上有哪些共性？我們又是如何感知到甜味的？

圖21 有種甜叫做“看著就甜”

科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，人感受甜味是通過在細(xì)胞膜上的甜味受體——由T1R2和T1R3亞基組成的異二聚體，這是一種被稱為G蛋白偶聯(lián)受體的特殊結(jié)構(gòu)。每個亞基都可以大體分為三個部分：嵌入在膜內(nèi)的7個跨膜結(jié)構(gòu)域、伸出在膜外的捕蠅器(VFT)結(jié)構(gòu)域、以及連接二者的連接體。其中，有多個特定的位點都可以與被探測的分子產(chǎn)生分子間作用。

圖22 甜味受體結(jié)構(gòu)示意 | 圖片源自[6]

如果分子的結(jié)構(gòu)合適，那么它就能通過與這些特異性位點作用從而激活該受體，誘導(dǎo)出生物信號而被人體感知。比如天然的蔗糖、葡萄糖以及人工加工的三氯蔗糖可以與T1R2和T1R3的VFT結(jié)構(gòu)域作用而激活受體；二肽甜味劑如阿斯巴甜僅與T1R2的VFT結(jié)構(gòu)域作用，也可以產(chǎn)生甜的感受。

圖23 甜味三角形示意 | 圖片源自[5]

那么，什么樣的結(jié)構(gòu)是合適的呢？現(xiàn)在比較普遍接受的理論是“甜味三角形”理論。該理論認(rèn)為甜的分子在立體結(jié)構(gòu)中應(yīng)當(dāng)包含三個空間上有一定相對距離的特征區(qū)域。其中A區(qū)域是一個氫鍵供體（含氫，如羥基O-H），B區(qū)域是一個氫鍵受體，C區(qū)域（也稱為X）則需要是一個疏水基團(tuán)。因此，該理論也被稱為AH-B-X理論。在阿斯巴甜分子中，也可以找到這些特征區(qū)域，因此具有甜味。

圖24 阿斯巴甜的HOMO軌道及相應(yīng)的特征區(qū)域 | 圖片源自[8]

1991年，Jean-Marie Tinti和Claude Nofre提出了更復(fù)雜的多點依賴?yán)碚?MPA)，其中涉及甜味劑和甜味受體之間的共八個相互作用位點。該模型成功地指導(dǎo)了對于更高效甜味劑的尋找，比如胍類甜味劑中的Lugduname比蔗糖甜約225000倍！

圖25 Lugduname的結(jié)構(gòu)式

那么，讀完這篇含糖量超高的推送，你感受到甜了么？

參考資料

[1] 糖 - 維基百科

[2] 碳水化合物 - 維基百科

[3] 單糖 - 維基百科

[4] 甜度 - 維基百科

[5] February, 1988 (acs.org)

[6] Fernstrom J D, Munger S D, Sclafani A, et al. Mechanisms for sweetness[J]. The Journal of nutrition, 2012, 142(6): 1134S-1141S.

[7] Lee A A, Owyang C. Sugars, sweet taste receptors, and brain responses[J]. Molecular nutrition: Carbohydrates, 2019: 265-283.

[8] Comparison of Relative Sweetness to Molecular Properties of Artificial and Natural Sweetners

[9] The Sweetener Book