葡萄汁熬和不熬的區別、葡萄汁熬和不熬的區別圖片

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？

這與分子結構有什么關系？

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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，我們當然要先了解天然的甜味物質，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。在生物化學領域，這兩個詞基本可以畫等號，然而在很多其他領域或者語境下，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語，因為這類物質往往具有C(HO)的組成通式。當然，有些具有該通式的化學物質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）的結構式

也有些被歸為碳水化合物的物質不嚴格遵循該通式，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。在生物化學領域，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

單糖是指無法進一步水解的糖，一般只把含碳原子數不小于3個的分子包含進來。按照碳原子數的不同，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，可能細心的讀者已經開始疑惑：為什么糖的結構式有時候寫成環狀，有時候寫成鏈狀？為什么有時候會在名稱前加上‘D-’或‘L-’以及‘α-’或‘β-’的修飾？這就引出了兩個重要的概念：單糖環化以及手性異構。

圖6 直鏈狀葡萄糖的環化過程

熟悉化學的讀者應該知道，成環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化為成環而得到相應的異構體。這種由醛基或羰基與不同碳原子上的羥基發生的可逆反應，會形成具有氧橋的雜環。一般來講，在水溶液中，如果單糖具有四個以上的碳，則傾向于以環的形式存在。因此我們體內的各種單糖一般呈現環狀。

圖7 D-葡萄糖的呋喃糖、無環和吡喃糖形式的轉化

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

圖8 分子的手性異構

對于分子中含有連接四種不同基團的碳原子時，往往會存在手性異構，即分子的兩種構型組成相同但是無法通過平移旋轉等操作重合。糖的結構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分的手性異構體。‘D-’或‘L-’以及‘α-’或‘β-’的前綴就是按照一套規范對于異構體進行分別的記號。

圖9 葡萄糖的α和β異構體

圖10 葡萄糖的D和L異構體

如果考慮這種細節，我們在課本中所學習到的三種雙糖：蔗糖、乳糖與麥芽糖其實是由特定結構的葡萄糖、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-果糖結合形成的。

圖11 蔗糖的分子結構

乳糖是由β-D-吡喃半乳糖與D-吡喃葡萄糖結合形成的。

圖12 乳糖的分子結構

而麥芽糖則是兩個D-吡喃葡萄糖結合形成的，它也是直鏈淀粉的水解產物。

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的相對甜度，即認為蔗糖的甜度為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到相同甜度所需濃度得到的，比如綜合一些專業測試者的意見，某種物質的1%質量分數的溶液與蔗糖10%質量分數的溶液甜度相當，那么該物質的甜度就是10。

表1 一些物質的相對甜度 | 信息源自[4]

我們可以列出一些物質相對于蔗糖的甜度，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、蛋白質等物質。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）、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。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”，但是這種物質被發現是有毒的而被棄用。鉛中毒甚至被列為導致羅馬帝國走向覆滅的可能因素之一。隨后，金屬鈹的鹽被發現有甜味，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，實現了人工甜味劑的第一次重要突破。

圖17 糖精的結構式 | 圖片源自[5]

約60年后，Michael Sveda在研究一種物質時將放在實驗臺上，又一次拿起時發現變甜了，原因是粘上了這種物質的結晶，因此意外發現了甜蜜素。

圖18 甜蜜素的結構式 | 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現：化學家Karl Clauss于1967年在實驗中為了拿起一張濾紙而舔了舔手指，發現居然是甜的！

圖19 安賽蜜的結構式 | 圖片源自[5]

而著名的阿斯巴甜則是1965年James Schlatter在研制藥物時發現的，它是由天冬氨酸和苯丙氨酸這兩種氨基酸經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 阿斯巴甜的結構式 | 圖片源自[5]

Part 3：為什么是甜的？

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

圖21 有種甜叫做“看著就甜”

科學家研究發現，人感受甜味是通過在細胞膜上的甜味受體——由T1R2和T1R3亞基組成的異二聚體，這是一種被稱為G蛋白偶聯受體的特殊結構。每個亞基都可以大體分為三個部分：嵌入在膜內的7個跨膜結構域、伸出在膜外的捕蠅器(VFT)結構域、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生分子間作用。

圖22 甜味受體結構示意 | 圖片源自[6]

如果分子的結構合適，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結構域作用而激活受體；二肽甜味劑如阿斯巴甜僅與T1R2的VFT結構域作用，也可以產生甜的感受。

圖23 甜味三角形示意 | 圖片源自[5]

那么，什么樣的結構是合適的呢？現在比較普遍接受的理論是“甜味三角形”理論。該理論認為甜的分子在立體結構中應當包含三個空間上有一定相對距離的特征區域。其中A區域是一個氫鍵供體（含氫，如羥基O-H），B區域是一個氫鍵受體，C區域（也稱為X）則需要是一個疏水基團。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域，因此具有甜味。

圖24 阿斯巴甜的HOMO軌道及相應的特征區域 | 圖片源自[8]

1991年，Jean-Marie Tinti和Claude Nofre提出了更復雜的多點依賴理論(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的結構式

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.