AH,B,X的甜味分子识别及其理论扩展*

郑建仙    高宪枫    袁尔东

（华南理工大学食品与生物工程学院，广州，510640）

 

摘  要  AH,B,X甜味三角理论是目前最有效的甜味学说，它成功解释了三氯蔗糖等强力甜味剂的作用机理，对食品工业具有重要的现实指导意义。但它同时也存在一些缺陷。对此，本文在AH,B基团的性质、疏水基团X的性质、分子内氢键、空间要求等方面对其进行扩充，以期使之更为完善。

关键词  AH,B,X甜味三角理论   AH,B基团   X基团  分子内氢键  空间结构

Abstract  AH,B,X sweet triangle theory is the most effective theory at present. It successfully explains the action mechanism of intense sweeteners such as sucralose and takes an important directive role in food industry, except for some defects. In the paper, the AH,B,X sweet triangle theory was developed by expanding the character of AH,B group and hydrophobic group X. The innemolecular hydrogen bond and the three-dimensional structure of sweetener molecular were also introduced into the theory for the same purpose.

Keywords  AH,B,X sweet triangle theory    AH,B group    X group   innemolecular hydrogen bond  three-dimensional structure

 

近一个世纪来，人们为解释甜味的呈味机理提出过多种假说，取得了一系列进展。但直到1963年，R.S. Shallenberger提出甜味的AH,B系统理论后，人类才第一次拥有了用来解释各种甜味分子甜味产生的简单基础理论，并以此为指导发现且合成了一些高甜度的人工甜味剂。

然而，AH,B系统理论仍具有明显的局限性，即许多拥有AH,B系统的化合物并不甜。1972年，Kier在AH,B体系中又引进亲脂的第三结合点，即X疏水部位，并提出著名的AH,B,X甜味三角理论，从而使Shallenberger 的AH,B系统理论得到了重大完善。

1. AH,B,X甜味三角理论

在Shallenberger提出的AH,B系统中，A和B是空间相距0.25～0.40nm的带负电荷的两个原子,其中A与带正电的质子结合成为AH，AH在整体上可认为是酸，B为质子受体，可认为是碱。一个甜味分子中的AH,B系统可和位于甜味蛋白受体上另一个合适的AH,B系统（如氨基酸残基上的NH₃⁺和CO或NH₃⁺和OH基团）进行氢键结合，形成双氢键复合结构，如图1所示。甜味分子和甜味蛋白受体的复合反应虽然没有生成新的产物，但它却导致一个依靠神经冲动传递的甜味刺激，两者间的复合强度决定了甜味刺激强度即甜度^[1]。

图1   甜味分子与甜受体间双氢键复合结构

 

[注]* 国家自然科学基金资助项目(29906003)

在对各类糖的研究中，发现糖分子的甜味都或多或少地与其相邻间羟基（-OH）形成分子内氢键的能力有关，也就是说甜味与化合物形成分子内氢键的能力存在着一定关系。同时，人们还发现乙烯乙二醇（乙烷-1,2-二醇）具有甜味而乙醇没有甜味，乙二醇基团因此被认为是维持碳水化合物分子甜味的最低要求。这些发现使得“相邻”碳原子上的一对羟基被认为是碳水化合物的AH,B单元，其中一个羟基作为AH，而另一个羟基上的氧原子作为B，如图2所示。对于非碳水化合物来说，根据Linus Pauling对AH,B氢键体系的描述，则无论是A或B都可以是诸多电负性原子中的一个，如O和N。

图2  糖分子AH,B单元与甜受体之间的氢键结合

(1) 甜味碳水化合物    (2) 味蕾蛋白质的羟基氨基酸

 

尽管AH,B甜味理论能够很好地解释已知的所有甜味化合物的甜味特性，但这种理论仍然遇到了诸多挑战：

    ⑴ 虽然在甜味分子中都可以找到适当的AH,B体系，但许多拥有AH,B偶极体系的化合物并不甜。

    ⑵ AH,B理论可以解释普通甜味剂的甜味特性，却不能解释强力甜味剂的高效甜味特性。

    ⑶ AH,B理论也不能解释为何D-和L-型氨基酸的甜度不同、而D-糖和L-糖的甜度相同这一事实。

为此，Kier对AH,B理论进行了扩展，在甜味物质的结构里引入另一分子特征即疏水（亲油）结合基团X，该基团在与AH、B分别相距0.35nm和0.55nm的地方与二者构成AH,B,X甜味三角形（生甜团），如图3所示^[1]。疏水结合基团X的引入成功地解释了强力甜味剂的强力效应，即所有未被取代的糖分子都是亲水性的，与甜味蛋白受体的结合力较弱，所以不会太甜；而通过在适当位置引入合适的疏水基团可有效增加糖分子的疏水性，从而显著增强糖分子与甜味蛋白受体的作用力，大大提高了甜度。很显然，X疏水基团是影响化合物甜度的一个控制因素，但并不是所有的甜味化合物都有这样的疏水部位，因此它不是甜味的先决条件^[2]。

图3   甜味三角形的分子模型

 

X疏水基团的引入同时也成功地解决了与甜味相伴的手性反常问题。因为AH,B甜味理论不能解释这样一个事实：大部分D-氨基酸是甜的，但它的L-对映体却不甜；而糖的D、L-对映体则都是甜的。AH,B,X甜味三角理论认为甜味蛋白受体的三个结合基团（NH₃⁺,OH,R）是呈顺时针方向排列的，因此甜味分子中的AH,B,X（如果有的话）生甜团只有呈顺时针方向排列时才能和同样以顺时针方向排列的甜受体发生键连，从而产生甜味刺激，如图4所示。

图4   呈顺时针排列的生甜团及甜受体的AH,B,X系统

⑴ 生甜团    ⑵ 甜受体

 

对具有固定AH,B系统的氨基酸来说（其AH,B基团不可互换），若D-对映体的AH=NH₂、B=COOH和X=R呈顺时针方向排列，则它L-对映体的三个基团必然以逆时针方向排列，如图5所示。相反，在具有可变换AH,B系统的糖分子中，D-糖的AH,B系统可以看作是L-糖的B,AH系统（如果它们可以互换的话），则糖的D、L-对映体的AH,B,X生甜团均以顺时针方向排列，图6中D、L-葡萄糖正是这种情况的例证。这就解释了为什么D、L-糖均为甜的，而D、L-氨基酸之间的甜度却不一样。还有一些事实也可以证明上述观点：在L-果糖中，羟基的作用在于使其分子结构颠倒后仍具有相同的构型（AH=2-OH，B=1-O和X=6-H）；Aspartame（L-天冬氨酰-L-苯丙氨酸甲酯）分子中两个AH,B,X生甜团均是以顺时针方向排列（图7），由于这两个AH,B,X生甜团中的AH,B都不可互换，因此Aspartame 的D、D型和L、D型异构体均无甜味。

图5   D-氨基酸和L-氨基酸的构型及其AH,B,X系统

 

图6   吡喃葡萄糖的AH,B,X系统

⑴ D-吡喃葡萄糖     ⑵ L-吡喃葡萄糖

图7   Aspartame分子的生甜团

 

尽管如此，甜味分子中AH,B,X生甜团必须呈顺时针方向排列才能与甜受体相结合的观点仍很难得到直接的证明，因为甜味蛋白受体的结构至今仍无法确定，因此只能通过事实来不断地验证这种观点的正确性。

2. AH,B,X甜味三角理论在食品工业中的意义

研究甜味剂构效关系的目的，不仅在于阐明甜味的呈味机理，更重要的是指导合成新型的人工甜味剂。近百年来，几种重要人工甜味剂的发现均出自偶然的机遇，如1879年的糖精（Saccharine）、1883年的甘素（Dulcin）、1893年的甜素（Glucin）、1937年的甜蜜素（Cyclamate）和1965年的阿斯巴甜（Aspartame）都是著名的偶然事件，而通过精心设计而成的人工甜味剂则绝无仅有。

但是，这并不等于人们只能坐等这些机遇的到来，相反，在对甜味化合物的大量研究中发现，几乎每一种甜味分子的有机结构中都有可以被修饰而改善其性能或指标的甜味子结构。从这个意义上说，甜味剂分子是可以经过设计和修饰进而合成新型人工甜味剂的。然而，这项工作只有依赖于完善而明确的理论体系才能成功实现，这也正是AH,B,X甜味三角理论在食品工业中的现实意义所在^[3]。

此外，AH,B,X甜味理论的应用也有助于人们对“相对甜味值”的更好理解。“相对甜味值”的突出优点是，它将所有甜味物质的全部甜味特性和一种标准甜味物质（通常是蔗糖）联系起来，并用一个具体的数值来表示，从而大大简化了对各种甜味剂的联系和比较。但值得注意的是，由于一个甜味剂的所有味觉属性被简单地组合成一个单独的“相对甜味值”来表示，也造成了其甜味本质与“相对甜味值”之间存在一定的差异。

3. 改进AH,B,X甜味三角理论的几种假说

由于众多含有AH,B体系的化合物没有甜味，而认定甜味的AH,B理论还有其它附加条件，且X疏水部位的引入也不足以解释所有的甜味现象，因此AH,B,X三角理论体系还有待进一步完善。

 

3.1 对AH,B基团的扩展

最早Shallenberger对甜味基本单元AH,B的定义是：A和B是空间相距0.25~0.40nm带相反电荷的两个原子，其中A含有一个带正电的质子，B为质子受体。但在诸如三乙酸或三硝酸甘油酯等一些甜味分子中，却找不到如此定义的氢键供体AH，因此主张引申Shallenberger的AH,B为Lewis酸碱概念中的A和B：即凡是能接受未共用电子对形成共价键的分子或离子都称为Lewis酸；凡是能给出未共用电子对的分子或离子都称为Lewis碱。

这样，生甜团中的AH、B就不仅仅局限在氢供体和氢受体范围，而是扩展到所有能接受未共用电子对的电子受体和所有能给出未共用电子对的电子供体都可以作为生甜团中的氢供体和氢受体，从而使甜味三角理论中AH,B基团的适用范围大大拓宽。所以，在三乙酸或三硝酸甘油酯中，酮基上的C原子和硝基中的N原子就可以以Lewis酸的形式通过接受未共用电子对而分别充当两个甜味分子生甜团中的A。

3.2 对疏水基团X的扩展

Kier发现高甜度分子必有疏水性的X部位，但他认为X是一个确定位置点（距A和B分别为0.35nm和0.55nm）的说法却没有普遍意义，实际上X固然可以是确定接触的点，但更符合是一种多点接触的诱导适应，包括各种不同的键合力^[4]。因此疏水部位X应该是一个完整而易变的整体结构，而不是甜味三角中的一个明确且特殊的点。

对蔗糖和三氯蔗糖AH,B,X生甜团的分析发现，整个果糖基部分在充当疏水部位X角色中的重要性，这些疏水部位既不是固定不动的，也不是一成不变的，它甚至可以经过诱导作用扩展到呋喃果糖基之外的葡萄糖基单元上。如蔗糖的两对AH,B双功能实体1’-OH/2-O和3’-OH/2-O，前者连接三个Kier的疏水部位于1’-CH₂、6-CH₂和6’-CH₂，后者连接两个这样的中心于1’-CH₂和6-CH₂。

对三氯蔗糖来说，它以3’-OH/2-O作为AHs/Bs对，而疏水部位1’- CH₂（Xs⁴）和甜味蛋白受体的4th氨基酸残基（Xr⁴）作用，4-Cl（Xs⁵）和5th氨基酸残基（Xr⁵）作用，1’-Cl（Xs⁸）和受体8th氨基酸残基（Xr⁸）也有一个接触。此外，三氯蔗糖果糖基上的6’-Cl在分子内氢键的作用下也与受体活性部位发生相互作用，从而也扮演着一个疏水部位X的角色。甜味分子的所有这些疏水部位与甜受体疏水部位的接触表面积及相互作用力强度共同决定着甜味分子的甜度。

3.3 分子内氢键对甜味分子的作用

尽管甜味产生的直接原因，来自甜味分子AH,B,X生甜团与甜味蛋白受体的分子间氢键和疏水键合作用，但本文认为甜味分子中的分子内氢键，对甜味化合物的甜度也有重要的贡献，在甜味反应中扮演着协调整体效果的角色。这种贡献是间接产生的，通常是通过影响甜味分子疏水部位X与甜受体间的疏水键合而表现出来。因为分子内氢键的形成往往导致甜味化合物在空间结构上的形变，若这种形变使甜味分子的疏水基团X在空间位置上向甜受体的疏水部位靠拢，则有利于增强甜味分子与甜受体的疏水键合。

例如，在三氯蔗糖中，6-OH和6’-Cl间所形成的分子内氢键导致呋喃环的假旋转和分子内糖苷键C₁-O-C_2’的轻微转动，使位于果糖基单元的6’-Cl占据了可与受体活性部位相互作用的位置，从而有助于三氯蔗糖与甜受体的紧密结合并提高甜度。

另一方面，分子内氢键对提高甜味化合物甜度的间接贡献还表现在：如果甜味分子的AH基团在形成分子内氢键中扮演受氢体的角色，则可以大大增强AH基团在和甜受体B基团发生氢键键合时作为H供体的供H能力，从而使甜味分子与甜受体的结合更为紧密，并最终导致甜度的增加。相反，如果甜味分子的B基团在形成分子内氢键中扮演氢供体的角色，也会出现相同的效应。例如在4’,6’-二氯蔗糖中，该化合物的疏水性因氯代而大大增加，并因C-1’位上羟基仍和C-2位上羟基保持分子内氢键联接而使后者受H能力大大增强，因此它的甜度可达到蔗糖的3500倍。卤代蔗糖普遍都能建立这种形式的氢键，有些化合物如三氯蔗糖在二甲亚砜溶液中也存在上述氢键。

3.4 对甜味分子空间结构要求的设想

由于甜味感觉对底物的要求可以是小如CHCl₃分子，到大如多肽和大分子蛋白质^[5]，因此可以认为，甜味化合物和甜味蛋白受体之间最初的相互作用，发生在受体表面部分。对于那些与受体之间无疏水接触的甜味剂分子，由于这种表面吸附之间的作用力相对较低，故其甜度也低，这也许就是糖和糖醇均不是很甜的原因。对于那些与受体之间有一处或多处疏水键合的甜味剂分子，除了在AH,B基团上的两点接触外，更包含有空间上的疏水键合，这种更深层次的键合则很可能发生在甜味蛋白受体中类似酶活性部位的“嵴”或“裂缝”中。

因此，甜味的蛋白质受体对甜味分子，尤其是含有强疏水性取代基团的甜味分子，具有空间结构的要求。这种要求是由蛋白质受体的空间结构所决定的，例如甜味分子AH,B,X生甜团的构象必须呈顺时针排布可能就是这种空间结构的要求之一。而实际的空间要求要比这复杂的多，也丰富的多。可惜的是，作为甜味受体的蛋白质分子至今仍未被成功分离出来，因此这个设想只能等到甜味受体蛋白质分子的结构被弄清楚后才能得以最终证实。

4. 甜味分子呈味理论的发展

除了上述提到的4点假想以外，AH,B,X甜味三角理论在其他方面仍有待于进一步的完善与发展，例如将甜味化合物的物理参数、亲脂性、电子分配及分子构型等因素加以综合考虑，以探索甜味分子的构效关系^[6]等。但无论如何，AH,B,X甜味三角理论是目前为止人类所能找到的最有效的甜味学说。

近年来，随着计算机模拟技术在微观领域应用的飞速发展，将其应用于甜味分子构效关系的研究已成为一种必然趋势，这将有助于AH,B,X甜味三角理论的科学化和精确化，为最终揭示甜味分子的呈味机理开辟一条崭新的途径。尽管AH,B,X理论目前的主要缺点是缺乏可预见性，然而对甜味分子构效关系的研究，将有助于提高对甜味细微差别的认识，并有希望导致可预见性更好的甜味理论产生。

 

 

参  考  文  献

1.    郑建仙编著，《功能性食品甜味剂》，北京：中国轻工业出版社，1997

2.    S.G.Wiet and G.A.Miller. Does chemical modification of tastants merely enhance their intrinsic taste qualities.  Food Chem.. 1997, 58(4):305~311

3.    R.S.Shallenberger. Sweetness theory and its application in the food industry. Food Tech.. 1998, 52(7):72~76

4.    曾广植，魏诗泰. 味觉的分子识别. 科学出版社. 1984：29~99

5.    Tetsuo Suami et al.. Molecular mechanisms of sweet taste. V. sucralose and its derivatives. Carbohydrate Chemistry.  1994,13(8):1079~1092

6.    Marie-Odile Portmann et al.. Study of some factors affecting intensive/time characteristics of sweetness. Food Chem.. 1992, 44:83~92