最近阿斯巴甜可能致癌

成為了備受矚目的消息

拋開(kāi)致癌性本身

我們是否想過(guò)：

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？

這篇文章，

就讓我們一探究竟，

揭開(kāi)甜味味覺(jué)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(shuō)到糖，我們往往還會(huì)提到碳水化合物。在生物化學(xué)領(lǐng)域，這兩個(gè)詞基本可以畫(huà)等號(hào)，然而在很多其他領(lǐng)域或者語(yǔ)境下，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一術(shù)語(yǔ)，因?yàn)檫@類(lèi)物質(zhì)往往具有Cm(H2O)n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。

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。

接下來(lái)，我們拋開(kāi)很復(fù)雜的碳水化合物大家族不談，回歸到“糖”這個(gè)稱(chēng)呼上來(lái)。在生物化學(xué)領(lǐng)域，一種相對(duì)大眾的分類(lèi)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(shí)，糖基本上僅包含單糖和雙糖兩類(lèi)。

單糖是指無(wú)法進(jìn)一步水解的糖，一般只把含碳原子數(shù)不小于3個(gè)的分子包含進(jìn)來(lái)。按照碳原子數(shù)的不同，我們可以把含有三、四、五、六和七個(gè)碳原子的單糖稱(chēng)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(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，我們需要認(rèn)識(shí)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(guò)催化氫化還原反應(yīng)得到我們熟知的木糖醇。

另外，可能細(xì)心的讀者已經(jīng)開(kāi)始疑惑：為什么糖的結(jié)構(gòu)式有時(shí)候?qū)懗森h(huán)狀，有時(shí)候?qū)懗涉湢?？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？這就引出了兩個(gè)重要的概念：單糖環(huán)化以及手性異構(gòu)。

熟悉化學(xué)的讀者應(yīng)該知道，成環(huán)和形成雙鍵都會(huì)引入一個(gè)不飽和度，因此對(duì)于鏈狀單糖，由于含有一個(gè)碳-氧雙鍵，可以將這個(gè)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(huì)形成具有氧橋的雜環(huán)。一般來(lái)講，在水溶液中，如果單糖具有四個(gè)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。

然而，這種反應(yīng)并不限制醛基或羰基與哪個(gè)碳反應(yīng)成環(huán)，比如葡萄糖中醛基可以與不同碳位點(diǎn)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。

對(duì)于分子中含有連接四種不同基團(tuán)的碳原子時(shí)，往往會(huì)存在手性異構(gòu)，即分子的兩種構(gòu)型組成相同但是無(wú)法通過(guò)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?！瓺-’或‘L-’以及‘α-’或‘β-’的前綴就是按照一套規(guī)范對(duì)于異構(gòu)體進(jìn)行分別的記號(hào)。

如果考慮這種細(xì)節(jié)，我們?cè)谡n本中所學(xué)習(xí)到的三種雙糖：蔗糖、乳糖與麥芽糖其實(shí)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。

乳糖是由β-D-吡喃半乳糖與D-吡喃葡萄糖結(jié)合形成的。

而麥芽糖則是兩個(gè)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。

Part 2：只有糖是甜的？

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

一般來(lái)說(shuō)，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(méi)有甜味。不同類(lèi)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(duì)甜度，即認(rèn)為蔗糖的甜度為1。

相對(duì)甜度的確定一般是通過(guò)對(duì)比達(dá)到相同甜度所需濃度得到的，比如綜合一些專(zhuān)業(yè)測(cè)試者的意見(jiàn)，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(duì)甜度 | 信息源自[4]

我們可以列出一些物質(zhì)相對(duì)于蔗糖的甜度，那么上面的問(wèn)題也就隨之有了答案：并不是只有糖類(lèi)物質(zhì)才是甜的。比如在表格中，我們找到了一開(kāi)始提到的人工甜味劑阿斯巴甜，也看到了一些醇類(lèi)、蛋白質(zhì)等物質(zhì)。其實(shí)，這正是人造甜味劑得以存在的原因——甜度高但是不會(huì)被人體代謝產(chǎn)生大量能量。因?yàn)槿嗽焯鹞秳┐嬖诘哪康木褪亲屢恍┦澄锏任兜篮玫遣粫?huì)導(dǎo)致蛀牙、肥胖等真實(shí)糖類(lèi)的不良后果。

那么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(chēng)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(guó)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(wú)法用作甜味劑。所以，今天我們?cè)谟懻摪⑺拱吞鹬掳┑目赡苄砸彩窃谶M(jìn)行這類(lèi)驗(yàn)證，盡最大可能保證甜味劑的安全性。

隨著歷史發(fā)展，有幾種相對(duì)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(shí)現(xiàn)了人工甜味劑的第一次重要突破。

約60年后，Michael Sveda在研究一種物質(zhì)時(shí)將香煙放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，又一次拿起時(shí)發(fā)現(xiàn)香煙變甜了，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。

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(shí)驗(yàn)中為了拿起一張濾紙而舔了舔手指，發(fā)現(xiàn)居然是甜的！

而著名的阿斯巴甜則是1965年James Schlatter在研制藥物時(shí)發(fā)現(xiàn)的，它是由天冬氨酸和苯丙氨酸這兩種氨基酸經(jīng)過(guò)脫水縮合形成的二肽。雖然這兩種氨基酸是會(huì)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(duì)成功的甜味劑。

Part 3：為什么是甜的？

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

科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，人感受甜味是通過(guò)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(chēng)為G蛋白偶聯(lián)受體的特殊結(jié)構(gòu)。每個(gè)亞基都可以大體分為三個(gè)部分：嵌入在膜內(nèi)的7個(gè)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(gè)特定的位點(diǎn)都可以與被探測(cè)的分子產(chǎn)生分子間作用。

如果分子的結(jié)構(gòu)合適，那么它就能通過(guò)與這些特異性位點(diǎn)作用從而激活該受體，誘導(dǎo)出生物信號(hào)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。

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(gè)空間上有一定相對(duì)距離的特征區(qū)域。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）則需要是一個(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-Marie Tinti和Claude Nofre提出了更復(fù)雜的多點(diǎn)依賴(lài)?yán)碚?MPA)，其中涉及甜味劑和甜味受體之間的共八個(gè)相互作用位點(diǎn)。該模型成功地指導(dǎo)了對(duì)于更高效甜味劑的尋找，比如胍類(lèi)甜味劑中的Lugduname比蔗糖甜約225000倍！

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

[10]?Why Do Things Taste Sweet? - YouTube

編輯：云開(kāi)葉落