【化院·科普】甜蜜的诱惑——无糖食品的甜味来自哪里？

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甜蜜的诱惑—— 无糖食品的甜味来自哪里？

                                                                                          北京大学 储天宇 

    “生活这么苦了，就想吃点甜的”。日常生活中，甜食是能让人“上瘾”的存在。诚然，糖类是人体必要摄入的一类关键营养物质，然而过量的食用会加重身体代谢的负担。随着现代社会对身体健康的关注度越来越高，人们对最爱的那些甜食反而会“谈糖色变”——年轻人担心吃糖变胖而影响身材，中老年人更是害怕吃糖增加糖尿病的风险。

    在这样的社会认知下，“无糖饮料”“无糖蛋糕”等产品应运而生，这类食品中通常添加同样甜度却几乎不参与人体代谢的代糖来替代传统的蔗糖，通过味蕾欺骗大脑产生兴奋的甜味感知，而诚实的身体并不会真正代谢这些甜味添加剂，也就不会在能量代谢上感到负担。

    那么无糖食品的甜味究竟是怎样产生的？这些“假糖”进入到人体代谢中是否有其他影响呢？

01.  甜味剂与味蕾作用的生物化学本质

甜味的产生是甜味剂分子通过与味蕾细胞上膜蛋白受体相互作用的结果。

横跨细胞膜的G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor, GPCR）是哺乳动物中最经典的一类感知外界刺激的细胞受体，其一端暴露在细胞外用于接受刺激，另一端朝向细胞内用于引起细胞响应。存在于口腔细胞上感受甜味分子的甜味受体是Tas1R2和Tas1R3两种蛋白组合形成的异源二聚体（图1），其中每个蛋白都包括胞外结合甜味分子的捕蝇草结构模块（Venus flytrap module, VFTM）、胞外一小段富含半胱氨酸的氨基酸序列（cysteine-rich domain, CRD）、七次跨膜区域（transmembrane domain, TMD）以及保守的胞内偶联G蛋白的区域^[1]。

图1 味蕾细胞上甜味受体的结构特征[1]。VFTM：捕蝇草结构域；CRD：富含半胱氨酸结构域；TMD：跨膜结构域；Tas1R2、Tas1R3：甜味受体蛋白。

当甜味分子与Tas1R2/Tas1R3蛋白的活性口袋发生相互作用时，VFTM模块就会发生构象上的变化，好像捕蝇草咬住了它的猎物一样。这一变化会引起整个蛋白分子机器的运行，其胞内部分的G蛋白被激活，引发下游一系列生化反应，使受刺激的味觉细胞去极化，Ca²⁺内流，产生甜味味觉信号传入神经而引发大脑的感知。

了解这一过程后，代糖“欺骗”大脑的原理便水落石出，它其实只需要伪装成味蕾细胞上GPCR受体蛋白的“猎物”，像经典的糖类一样被识别，就可以自然而然地让人们得到吃甜食的愉快神经信号了。

02. 常见甜味剂的化学结构

蔗糖是日常生活中最常见的天然甜味剂，其化学结构为一分子葡萄糖与一分子果糖通过糖苷键连接而成，蔗糖进入人体后易水解为葡萄糖与果糖，两种单糖还会存在环状结构与链式结构的互变（图2），这种多羟基的醛或酮结构便是经典意义上的糖类化合物。

为了描述甜的感受，人们将室温下5%蔗糖溶液的甜度定为1，多次品尝其他甜味分子与之比较而得到甜度值，如蔗糖水解产物葡萄糖的甜度为0.5-0.8，果糖的甜度为1.1-1.8^[2]。

图2

在经典糖类结构的基础上，科学家们发现对其进行适当改造就会得到更甜的化合物，比较成功的案例是三氯蔗糖分子，俗称蔗糖素（图3）。通过尝试和优化最终选择蔗糖的三个羟基替换为氯原子，其甜度值便快速增长到400-800，且几乎不被人体代谢，因而成为了应用最广泛的一类甜味添加剂。

      近年来，“0能量糖”赤藓糖醇随着气泡水的热销开始进入人们的视线。从结构上可以看到赤藓糖醇这个明星分子（图3）其实就是糖类的还原产物，其甜度并不高，只有大约0.7，但人体中并没有代谢赤藓糖醇的酶系，所以多添加一点也并不会给身体代谢增加负担。观察无糖饮料的配料表还可以发现，赤藓糖醇常常与蔗糖素等其他甜味剂搭配使用，食品工业的调研发现赤藓糖醇清爽冰凉的风味可以中和高强度甜味剂令人不愉快的黏腻口感。

图3

除了三氯蔗糖和赤藓糖醇这两种与糖类结构很相似的代糖分子，无糖饮料配料表中还经常出现阿斯巴甜和安赛蜜这两种添加剂，例如某品牌无糖可乐和无糖雪碧中就并没有添加赤藓糖醇，而是选择了阿斯巴甜、安赛蜜、蔗糖素的组合。阿斯巴甜和安赛蜜（图3）的化学结构完全不同于经典糖类的多羟基结构，但味觉体验上，二者的甜度都高达100-200，所以究竟怎样的分子结构才能与味觉受体蛋白发生作用呢？

    早在1967年，就有科学家在Nature上发表了AH-B理论来解释二者之间的作用机制^[3]，其认为甜味分子与受体蛋白主要通过氢键产生相互作用，其中AH为氢键供体，B为氢键受体，甜味分子和味觉蛋白上各有一对邻近的氢键供体和受体，这样就可以在二者之间形成“榫卯结构”，使甜味分子被蛋白捕获。从经典的葡萄糖、果糖到人工合成的阿斯巴甜、安赛蜜分子，确实都能找到符合条件的氢键供体与受体。

    事实上，实现小分子与蛋白特异性的对接需要多位点的匹配和多种相互作用的同时发生，现代晶体衍射技术解析了二者之间更精细的作用状态，这里以阿斯巴甜与Tas1R2/Tas1R3蛋白为例（图4），可以发现二者之间不仅存在氢键作用网络，还有疏水相互作用、配位作用和静电相互作用等等^[4]。

   图4 甜味受体蛋白与阿斯巴甜（Aspartame）相互作用模型[4]

    随着近年来高通量筛选技术以及计算机模拟技术的高速发展，从分子水平上寻找和改造与甜味受体蛋白结合更紧密的化学结构已经不是难事，科学家们开始更加关注这些新型甜味剂是否可以产生更优良的口感，同时对人体代谢产生更低的副作用。

03. 无糖食品对人体的影响

代糖作为甜味剂而备受青睐正是由于现代社会对健康饮食的追求，人们憧憬找到这种既带来甜的快乐又不加重身体代谢负担的完美糖类替代品。之前的讨论中我们知道，代糖分子可以“骗过”味蕾细胞上的Tas1R2/Tas1R3受体而让大脑相信甜蜜的感觉，而且几乎不参与身体的能量代谢过程，那么这些化学结构进入人体后是否还有其他的靶点呢？是否会产生副作用而违背人们健康饮食的初衷呢？这也是近年来生物化学领域重点关注的一个科学问题。

    有研究发现，相比于无热量的甜味剂，人和动物都更偏好有营养的经典糖类。更神奇的是，科学家们敲除了小鼠口腔中的甜味受体，小鼠仍能以某种方式来辨别天然糖和甜味剂并产生偏好。针对这一有趣的现象，2022年初发表在Nature Neuroscience上的一篇文章就在小鼠肠道中发现了一种名为neuropod的细胞，并证明了其可以直接与迷走神经形成突触来向大脑传递糖刺激的信号^[5]，这暗示着不仅口腔可以品尝甜味，肠道细胞也有自己的“味觉”。

    除了人体自身对甜味的感知，事实上人体肠道中共生的大量微生物群落也在时时刻刻感受着人体摄入营养成分的改变。近年越来越多的研究开始关注肠道菌群与人体健康的关系。我们摄入的代糖通常在人体中没有相关的酶系对其进行代谢，但并不意味着肠道中的微生物也不会消化这些分子，代糖摄入对肠道菌群的重塑作用正是许多科学讨论中争论的热点。

    当然，讨论代糖是否有副作用和毒性时不能抛开其剂量。目前世界各国对食品中可添加的代糖种类和用量都进行了严格规定，只要吃了无糖食品没有明显的讨厌口感和肠道不适，自然可以放心食用。

参考文献及资料：

[1] Liu B,Ha M, Meng XY, et al. Molecular mechanism of species-dependent sweet taste toward artificial sweeteners. J Neurosci2011, 31(30):11070-6.

[2] 石敏,姜雪峰.味觉化学之甜味化学[J].化学教育(中英文),2020,41(16):1-8.

[3] Shallenberger RS, Acree TE. Molecular theory of sweet taste. Nature1967, 216(5114):480-2.

[4] Maillet EL, Cui M, Jiang P, et al. Characterization of the Binding Site of Aspartame in the Human Sweet Taste Receptor. Chem Senses2015, 40(8):577-86.

[5] Buchanan KL, Rupprecht LE, Kaelberer MM, et al. The preference for sugar over sweetener depends on a gut sensor cell. Nat Neurosci2022, 25(2):191-200.

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海报 | 昂奕 、 朱良旺

文案 | 储天宇

排版 | 朱也天