最近阿斯巴甜致癌的消息引起了廣泛關(guān)注，除了關(guān)注其致癌性質(zhì)外，我們是否曾思考過(guò)人造甜味劑為何具有甜味？我們又是如何感受到甜味的呢？這與分子結(jié)構(gòu)有何關(guān)聯(lián)？

讓我們一起來(lái)探索并揭開(kāi)甜味的味覺(jué)背后的神秘之謎。

第一部分：大自然中的糖分

糖是一種自然界中常見(jiàn)的物質(zhì)，廣泛存在于植物和動(dòng)物體內(nèi)。它們?cè)谏矬w內(nèi)起著重要的能量供應(yīng)和代謝調(diào)節(jié)的作用。

在植物中，糖是通過(guò)光合作用產(chǎn)生的，它們是植物細(xì)胞中的重要能源。植物中最常見(jiàn)的糖是葡萄糖、果糖和蔗糖等。葡萄糖是一種單糖，具有甜味，是植物細(xì)胞中最重要的能量來(lái)源。果糖也是一種單糖，存在于水果和蜜蜂蜜中，具有甜味。蔗糖是由葡萄糖和果糖組成的雙糖，存在于甘蔗和甜菜中，也是人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ?jiàn)的糖類(lèi)。

在動(dòng)物體內(nèi)，糖是由食物消化、吸收和代謝產(chǎn)生的。葡萄糖是動(dòng)物體內(nèi)最重要的糖類(lèi)，它是身體細(xì)胞的主要能源來(lái)源，并在胰島素的調(diào)節(jié)下進(jìn)入細(xì)胞供能。除了葡萄糖之外，動(dòng)物體內(nèi)還存在其他糖類(lèi)，如半乳糖和乳糖等。

總的來(lái)說(shuō)，糖是生物體內(nèi)重要的能量和營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，在自然界中廣泛分布，對(duì)維持生物體的正常功能起著重要作用。

為了了解人造的甜味劑，首先要了解天然的甜味物質(zhì)，最為人熟知的當(dāng)然是糖。提到糖，通常也會(huì)提到碳水化合物。在生物化學(xué)領(lǐng)域，這兩個(gè)詞基本可以等同，但在其他領(lǐng)域或語(yǔ)境中，碳水化合物是一個(gè)更加廣泛的概念。之所以有碳水化合物這個(gè)術(shù)語(yǔ)，是因?yàn)檫@類(lèi)物質(zhì)通常具有Cm(H2O)n的組成式。當(dāng)然，一些具有該組成式的化學(xué)物質(zhì)一般不被視為碳水化合物，如甲醛和乙酸。

下面，我們不討論復(fù)雜的碳水化合物家族，回到“糖”這個(gè)詞上來(lái)。在生物化學(xué)領(lǐng)域，我們通常將糖分為單糖、雙糖、低聚糖和多糖四種。如果我們考慮甜度，還可以更嚴(yán)格地定義糖為“具有甜味且可溶解的碳水化合物”。這樣，糖基本上只包括單糖和雙糖這兩類(lèi)。

單糖是指不能進(jìn)一步水解的糖，通常是指碳原子數(shù)不少于3的分子。根據(jù)碳原子數(shù)的不同，我們將含有三、四、五、六和七個(gè)碳原子的單糖分別稱(chēng)為三糖、四糖、戊糖、己糖和庚糖。在高中生物課程中，我們學(xué)過(guò)三種常見(jiàn)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。

首先，我們要明白單糖的家族不僅僅包括這五種，還有其他重要的戊糖，例如木糖。木糖是半纖維素木聚糖的主要成分，我們可以通過(guò)催化氫化還原反應(yīng)得到常見(jiàn)的木糖醇。

此外，一些細(xì)心的讀者可能已經(jīng)開(kāi)始產(chǎn)生疑問(wèn)：為什么有時(shí)候糖的結(jié)構(gòu)式會(huì)呈現(xiàn)環(huán)狀，有時(shí)候則呈現(xiàn)鏈狀？為什么有時(shí)候會(huì)在名稱(chēng)前加上‘D-’或‘L-’以及‘α-’或‘β-’的修飾？這涉及到兩個(gè)重要的概念：?jiǎn)翁黔h(huán)化和手性異構(gòu)。

了解化學(xué)的讀者應(yīng)該明白，形成環(huán)狀和雙鍵會(huì)引入一種不飽和度。因此，對(duì)于鏈?zhǔn)絾翁嵌?，由于含有一個(gè)碳-氧雙鍵，可以通過(guò)形成環(huán)狀來(lái)轉(zhuǎn)化這種不飽和度，從而得到相應(yīng)的異構(gòu)體。這種可逆反應(yīng)是通過(guò)醛基或羰基與不同碳原子上的羥基之間的反應(yīng)來(lái)完成的，結(jié)果是形成具有氧橋的雜環(huán)結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，在水溶液中，如果單糖具有四個(gè)或更多的碳原子，則傾向于以環(huán)狀的方式存在。因此，我們體內(nèi)的各種單糖通常呈現(xiàn)環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

然而，這種化學(xué)反應(yīng)并不僅限于醛基或羰基與特定碳原子形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。舉例來(lái)說(shuō)，葡萄糖中的醛基可以與不同的碳原子反應(yīng)，形成五元環(huán)結(jié)構(gòu)的呋喃糖或六元環(huán)結(jié)構(gòu)的吡喃糖。

對(duì)于分子中含有連接四種不同基團(tuán)的碳原子時(shí)，通常存在手性異構(gòu)體。這種異構(gòu)體由兩種構(gòu)型組成，它們無(wú)法通過(guò)平移旋轉(zhuǎn)等操作重合。糖的結(jié)構(gòu)中含有這樣的碳原子，因此幾乎所有的糖都存在需要加以區(qū)分的手性異構(gòu)體。按照一套規(guī)范，使用D-或L-以及α-或β-前綴對(duì)這些異構(gòu)體進(jìn)行區(qū)分記號(hào)。

如果我們考慮其中的一些具體細(xì)節(jié)，我們可以發(fā)現(xiàn)在我們的課本中所學(xué)習(xí)到的三種雙糖（蔗糖、乳糖和麥芽糖）實(shí)際上是由特定結(jié)構(gòu)的葡萄糖、半乳糖或果糖通過(guò)脫水縮合反應(yīng)形成的。舉個(gè)例子，蔗糖是由呈吡喃式的α-D-葡萄糖與呈呋喃式的D-果糖結(jié)合而成的。

乳糖是由β-D-吡喃半乳糖和D-吡喃葡萄糖組合而成的。

麥芽糖是由兩個(gè)D-葡萄糖分子結(jié)合而成的，它是直鏈淀粉水解的產(chǎn)物。

第二部分：除了糖以外還有其他甜的東西嗎？

在我們對(duì)糖的了解更多之后，我們可以開(kāi)始討論以下兩個(gè)問(wèn)題：糖是一定會(huì)有甜味嗎？只有糖才有甜味嗎？

通常來(lái)說(shuō)，水溶性的單糖或雙糖通常具有甜味，而不溶于水的多糖，如淀粉和糖原，則沒(méi)有甜味。不同種類(lèi)的糖的甜度不同，我們通常以蔗糖作為參考來(lái)比較其他物質(zhì)相對(duì)的甜度，即將蔗糖的甜度定義為1。

通常情況下，人們通過(guò)比較不同濃度溶液的甜度來(lái)確定相對(duì)甜度。比如，根據(jù)一些專(zhuān)業(yè)測(cè)試者的意見(jiàn)，如果某種物質(zhì)的1%溶液和蔗糖10%溶液的甜度相當(dāng)，那么該物質(zhì)的甜度就是10。

我們可以列舉出蔗糖的甜度相對(duì)于其他物質(zhì)的情況，那么就可以回答上面的問(wèn)題了：并不僅僅是糖類(lèi)物質(zhì)才具有甜味。例如在表格中，我們找到了之前提到的人工甜味劑阿斯巴甜，還看到了一些醇類(lèi)、蛋白質(zhì)等物質(zhì)。事實(shí)上，這就是人造甜味劑存在的原因——它們具有高甜度卻不會(huì)在人體內(nèi)產(chǎn)生大量能量代謝。因?yàn)槿嗽焯鹞秳┑拇嬖谀康氖亲屇承┦澄镂兜篮?，但又不?huì)引起蛀牙、肥胖等真正的糖類(lèi)不良后果。

除了前面提到的兩點(diǎn)，保證甜味劑的安全無(wú)毒自然也是一個(gè)重要的指標(biāo)。比如說(shuō)，在2000多年前，羅馬人使用鉛鍋煮葡萄汁時(shí)，發(fā)現(xiàn)甜味糖漿中含有醋酸鉛，他們將其用作甜味劑并稱(chēng)之為“鉛糖”。但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)具有毒性，因此被廢棄。鉛中毒甚至被認(rèn)為是導(dǎo)致羅馬帝國(guó)衰落的可能因素之一。接著，人們發(fā)現(xiàn)金屬鈹?shù)柠}有甜味，但因其毒性而無(wú)法作為甜味劑使用。所以，當(dāng)我們討論阿斯巴甜對(duì)可能致癌的問(wèn)題時(shí)，實(shí)際上也是在進(jìn)行類(lèi)似的驗(yàn)證，以最大程度地確保甜味劑的安全性。

隨著歷史的推進(jìn)，出現(xiàn)了幾種相對(duì)成功而且著名的甜味劑。例如，在1879年，IraRemsen和ConstantinFahlberg發(fā)明了糖精，這使得糖尿病患者能夠品嘗到帶有甜味的食物，從而實(shí)現(xiàn)了人工甜味劑領(lǐng)域的重要突破。

大約60年后，MichaelSveda在研究一種物質(zhì)時(shí)，他將香煙放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。當(dāng)他再次拿起香煙時(shí)，驚奇地發(fā)現(xiàn)它變甜了。這是因?yàn)橄銦熣成狭颂鹈鬯氐慕Y(jié)晶，使其味道變甜。由此，他無(wú)意間發(fā)現(xiàn)了甜蜜素。

安賽蜜是糖精的近親，同樣是通過(guò)偶然的發(fā)現(xiàn)被發(fā)現(xiàn)的。在1967年，化學(xué)家KarlClauss在實(shí)驗(yàn)中舔了舔手指，想拿起一張濾紙，卻驚奇地發(fā)現(xiàn)它居然是甜的！

阿斯巴甜是著名的甜味劑之一，是由JamesSchlatter在1965年研制藥物時(shí)發(fā)現(xiàn)的。它是由天冬氨酸和苯丙氨酸這兩種氨基酸脫水縮合而成的二肽。雖然這兩種氨基酸在人體代謝時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，但阿斯巴甜甜度很高，只需添加極少量即可達(dá)到所需的效果，因此仍廣泛應(yīng)用于甜味劑領(lǐng)域，并取得了相對(duì)的成功。

第三部分：為什么會(huì)變甜呢？

由于糖類(lèi)、醇類(lèi)、氨基酸類(lèi)和無(wú)機(jī)分子都可能呈現(xiàn)甜味，那么它們結(jié)構(gòu)上有哪些相似之處？我們又是如何感知到甜味的？

據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，人類(lèi)感受到甜味是通過(guò)細(xì)胞膜上的甜味受體實(shí)現(xiàn)的，這種受體是由T1R2和T1R3亞基組成的異二聚體，屬于G蛋白偶聯(lián)受體的一種特殊結(jié)構(gòu)。每個(gè)亞基都可大致分為三部分：嵌入膜內(nèi)的7個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)區(qū)、伸出膜外的捕蠅器（VFT）結(jié)構(gòu)區(qū)，以及連接兩者的連接體。其中，多個(gè)特定位點(diǎn)與被探測(cè)分子可產(chǎn)生分子間作用。

當(dāng)分子的結(jié)構(gòu)適合時(shí)，它就能與受體的特異性位點(diǎn)相互作用，從而激活受體并誘導(dǎo)出生物信號(hào)，被人體感知。舉例來(lái)說(shuō)，天然的蔗糖、葡萄糖以及經(jīng)人工加工的三氯蔗糖，均能通過(guò)與T1R2和T1R3的VFT結(jié)構(gòu)域相互作用而激活受體；而二肽類(lèi)甜味劑諸如阿斯巴甜，僅與T1R2的VFT結(jié)構(gòu)域作用，亦可觸發(fā)甜味感覺(jué)。

那么，什么樣的結(jié)構(gòu)才是適合的呢？目前通行的理論是“甜味三角形”理論。該理論認(rèn)為甜味分子的立體結(jié)構(gòu)應(yīng)該包含三個(gè)空間區(qū)域，并具有一定的相對(duì)距離。其中，A區(qū)域是一個(gè)氫鍵供體（含氫，如羥基O-H），B區(qū)域是一個(gè)氫鍵受體，C區(qū)域（也稱(chēng)為X）則是一個(gè)疏水基團(tuán)。因此，該理論也被稱(chēng)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。

1991年，Jean-MarieTinti和ClaudeNofre提出了一種更為復(fù)雜的多點(diǎn)依賴(lài)?yán)碚摚∕PA），其中討論了甜味劑和甜味受體之間的八個(gè)共同作用位點(diǎn)。該模型成功地引導(dǎo)了高效甜味劑的研究和開(kāi)發(fā)，例如胍類(lèi)甜味劑Lugduname的甜度比蔗糖高達(dá)225000倍！

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