风味化学

图 8.3 舌头不同部位对味觉的敏感性
食品中的滋味虽然多种多样，但最基本的味觉有甜味、苦味、咸味、酸味和鲜味五种，其中前四 种被称为原味，这些味觉均是味觉细胞所能够感觉到的味觉。但是我们在日常生活中对食品滋味的评 价却远不止这些，通常在形容食品的滋味时还包括有辣味、涩味、清凉味、金属味、碱味等，但是这 些所谓的滋味不是化合物同味觉细胞作用的结果，例如辣味的产生实际上是化合物刺激口腔中的神经 而产生的感觉，涩味是口腔粘膜的蛋白质被一些化合物凝固而产生的感觉。
天然甜味剂的甜度与其化学结构、立体结构有关。一般来讲，糖的甜度与结构有以下的关系： <1> 葡萄糖的α-异构体比β-异构体更甜，而乳糖则正好相反； <2> 多元醇具有甜味，如甘油、木糖醇及山梨糖醇等化合物均具有甜味；不过，若多元醇的羟基 间存在一个-CH2-基，则该化合物的甜味丧失； <3> 在空间结构上，多羟基化合物中相邻的两个羟基在空间的位置必须是位于差向位置，而位于 反错位置或重叠位置则无甜味；
低导致细胞膜的脱极化，由此激活了电位依赖钙通道，Ca2+流入细胞，在突触释放出神经传递物质（去 甲肾上腺素，Norepinephrine），因此在神经细胞产生了作用电位，从而产生相应的传导，最后在中枢 神经形成相应的感觉。
图 8.4 味觉产生的生理学机制
至于刺激物浓度与神经响应之间的关系也被很好的研究和确定，二者之间并不是简单的关系。当 刺激物浓度增加时，所产生的神经响应增加，但是神经响应的增加幅度随着刺激物浓度的增加而降低， 最后当刺激物浓度达到一定水平时，神经响应不再增加。在数学关系上，刺激物浓度与神经响应之间 有如下的关系：
通过电生理反应实验和其它实验，现在已经证实四种原味对味感受体产生不同的刺激，四种原味 被感受的程度和反应时间差别很大，用电生理法测得的反应时间约为 0.02 s~0.06 s,其中咸味的反应时 间最短，甜味和酸味次ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，苦味反应时间最长。
味觉产生的生理学机制已经基本被确认，如下图所示。对甜味化合物来讲，试验结果表明，味觉 感受器是与G-蛋白（Guanine nucleotide binding proteins）结合在一起（对鲜味、苦味也是如此），一旦 甜味化合物与味觉细胞表面的感受器蛋白立体专一性结合，感受器蛋白将发生构型变化并随后与G-蛋 白作用，激活了腺嘌呤环化酶（Adenyl cyclase），从ATP合成出 3’,5’-环AMP（cAMP）；在此后cAMP 刺激了cAMP依赖激酶，导致了K+通道蛋白质的磷酸化，K+通道最后关闭。由此，向细胞输送K+的降
相对甜度
甜味剂
150~200 20,000~25,000
糖精 甜蜜素
10,000 150,000~200,000
APM D-色氨酸
相对甜度 20,000~70,000
3,000~4,000 10,000~20,000
3,500
各种糖的口感也不相同，例如由于葡萄糖在晶体溶解时吸热较多，因而可以对口腔产生清凉的感 觉，一般认为以蔗糖的甜味最为纯正。 （2）天然甜味剂的结构与甜度关系
β-D-果糖
100~175
180
α- D-甘露糖
59
32
α- D-葡萄糖
40-79
74
β- D-甘露糖
苦
苦
β- D-葡萄糖
<α异头体
85
α- D-乳糖
16-38
16
α- D-半乳糖
27
32
β- D-乳糖
48
-
β- D-半乳糖
-
21
鼠李糖
30
-
β- D-麦芽糖
46~52
-
棉籽糖
23
1
蔗糖
100
100
Cl B
Cl C
AH
Cl
H
氯仿
O OB
S
NH AH
O
糖精
H OH
HA
HO HO
B
H O
H H
H OH
OH
葡萄糖
图 8.5 几种化合物的 AH-B 关系图
Shallenberger和Acree等提出的学说虽然从分子化学结构的特征上可以解释一个物质是否具有甜 味，但是却解释不了同样具有AH-B结构的化合物，为什么它们的甜味的强度相差许多倍的内在原因， 所以该理论还是不完全的。因而后来Kier（科尔）等对AH-B学说进行了补充和发展。他们认为在强甜 味化合物中除存在AH-B结构以外，分子还具有第三个性征，即分子中具有一个适当的亲脂区域γ，γ 通 常是一个像CH2CH3或C6H5等疏水性基团，γ区域与AH、B两个基图的关系是在空间位置有一定的要求， 它的存在可以增强甜味剂的甜度。这个经过补充后的学说称为AH-B-γ学说，这些基团之间的相互关系 可以用图 8.6 所示的结构来说明。
8.1 滋味
滋味是食品的感官质量中最重要的属性之一，它是食品中的可溶成分与口腔舌头表面和上颚等部 位的味觉感受器产生相互作用而引起的一种感觉，即味觉。所以产生味觉的生物学基础，是味觉化合 物首先溶解于水形成溶液，然后化合物作用于口腔内的味觉感受器，最后所产生的刺激信号通过神经 组织的传递，通过大脑中枢的综合分析就产生相应的感觉。
的受体是蛋白质，苦味和咸味的受体是脂质（也有人认为苦味的受体与蛋白质有关）。不过有关味觉化 合物同味觉感受器的作用机制还未完全了解。
图 8.2 味蕾的结构
舌表面的乳头可从其形状分为茸状乳头、丝状乳头和拐角乳头，它们分别存于舌头表面的不同部 位，由于乳头分布不均匀因而舌头各部位对味觉的感受性、灵敏度也不相同。一般来讲舌头前部对甜 味较敏感，其后部对苦味较敏感，而中部对咸、酸味较敏感（见图 8.3）。人对滋味的感觉非常的快， 一般仅需要 1.5 ms~4 ms，比人的视觉（13 ms~15 ms）、听觉（1 ms~22 ms）和触觉（2 ms~9 ms）要快， 主要原因就是味觉的信号只有神经传递，而在视觉、听觉中存在声波、化学反应的传递，所以在传递 速度上存在较大的差别。
口腔内的味觉感受器是味蕾（Taste bud），其次是自由神经末梢。味蕾是一种微结构，具有味孔， 并与味觉神经相通。正常成人口腔中约有 9 千个味蕾，儿童可能超过 1 万个味蕾。随着人类年龄的增 长，味蕾逐渐减少，所以造成味觉能力减退。味蕾主要在舌头表面的乳头中，另有一部分分布在上颚、 咽喉、会咽等部位，所以舌头是我们最重要的味味觉感觉组织。味蕾由 40~60 个椭园形味细胞构成， 细胞膜含蛋白质等，是味觉感受器与呈味物质相互作用的部位。味蕾中的味细胞寿命不长，从味蕾边 缘表皮细胞上有丝分裂出来后只能活大约 6~8 天，因此，味细胞一直处于变化状态。味蕾有孔的顶端 存在着许多长约 2 µm 的微绒毛（微丝），正是由于有这些微绒毛才使得呈味物质能够被迅速吸咐，从 而产生味觉。与味蕾相连的是传递信号的神经纤维，在其传递系统中存在几个独特的神经节，它们在 自己的位置上支配相应的味蕾，以便选择性的响应不同的化合物。味蕾大约两周更新一次，并通过味 孔与口腔相通，图 8.2 显示了舌头表面乳头上味蕾的结构特征。味细胞表面是由蛋白质、脂质和少量 其他化合物组成，呈味化合物通过与味细胞表面的不同受体作用从而产生刺激，一般认为甜味化合物
为了便于确定、比较不同甜味剂所具有的甜味程度大小，通常将日常生活中最常使用的天然甜味
剂-蔗糖的甜度定为 100（或者为 1），作为各种糖和甜味剂的甜度比较标准，通过感官评定来确定其它 的糖或甜味剂的相对甜度强度大小，这是目前评价、比较甜味剂甜度的唯一方法，所以所得到的数据
是一个相对数值。采用的蔗糖溶液浓度一般为 10%（w/w），也由采用其它浓度标准的评价（如 3%的 蔗糖溶液），目前尚未有完全统一的标准。由于现在还无法利用其它的方法来评价不同甜味剂的甜度（例
如仪器法），所以就会因为评价的人为主观影响因素，各种甜味剂所得到的评价结果很难完全一致，因
此不同文献中有关各种甜味剂的相对甜度的数据不太一致。表 8.1、表 8.2、表 8.3 中列出了常见的糖 类和甜味剂的相对甜度。
表 8.1 一些糖的相对甜度(蔗糖=100)
糖
溶液相对甜度 结晶相对甜度
糖
溶液相对甜度 结晶相对甜度
水苏四糖
-
10
表 8.2 一些糖醇的相对甜度(25℃, 自来水中，蔗糖=100)
糖醇
相对甜度
糖醇
相对甜度
木糖醇
90
麦芽糖醇
68
山梨糖醇
63
乳糖醇
35
半乳糖醇
58
甘露糖醇
70
氢化淀粉水解物
40~90
赤藻糖醇
70
甜味剂 甜叶菊提取物
甘草酸 柚苷二氢查尔酮 新橙皮二氢查尔酮
表 8.3 一些甜味剂的相对甜度(蔗糖=100)
C= C + 1 R R S KR S 这里C为刺激物浓度，R为神经响应强度，RS为最大神经响应强度，K为刺激-响应反应的平衡常数， 对于大多数的物质发现其范围在 5~15。由于常数K的数值很小，所以可以看出一个味觉化合物同味觉 细胞表面的蛋白质的结合是一个很弱的结合。 8.1.1 甜味（Sweet taste） 甜味是最受人类欢迎的滋味。具有甜味的物质可分为天然甜味剂和合成甜味剂两大类，其中以前 者较多，主要是几种单糖和低聚糖、糖醇等，俗称为糖，是食品工业中主要的甜味剂，也是日常生活 中的调味品，以蔗糖为典型代表物。合成甜味剂较少，只有几种人工合成甜味剂允许在食品加工中使 用，在日常生活中则很少应用合成甜味剂。 由于最早使用的甜味剂是天然甜味剂，所以对它们的研究也进行得较早。在化学结构上，它们一 般是多羟基的有机物，所以过去曾经一度认为甜味与羟基有关。但是后来发现情况远不是如此，因为 不同的多羟基化合物的甜味强度（甜度）不同，另外还有一些不是羟基化合物的物质也被证明具有甜 味，例如氯仿就有微弱的甜味。所以，确定一个化合物是否具有甜味，还需要从甜味化合物结构共性 上寻找联系，因此而发展出从物质的分子结构上解释物质与甜味关系的相关理论。 为了解释化合物分子结构与其甜味之间的关系，Shallenberger（席伦伯格）和Acree等人在结合其 他人研究结果的基础上，提出一种学说用以解释化合物结构-性质之间的关系。他们认为，有甜味的化 合物都具有一个电负性原子A（通常是N、O）并以共价连接氢，即存在一个-OH，-NH2或=NH基团， 它们为质子供给基；同时具有甜味的化合物还具有另外一个电负性原子B（通常是N、O），它与AH基 团的距离大约在 0.25nm~0.4nm，为质子接受基；而在人体的甜味感受器内，也存在着类似的AH-B结 构单元。当甜味化合物的AH-B结构单元通过氢键与甜味感受器中的AH-B单元结合时，便对味觉神经 产生刺激，从而产生了甜味。氯仿、糖精、葡萄糖等结构不同的化合物的AH-B结构，可以用来下图形 象地表示。