阿斯巴甜，究竟为什么是甜的？

最近阿斯巴甜致癌的消息引起了广泛关注，除了关注其致癌性质外，我们是否曾思考过人造甜味剂为何具有甜味？我们又是如何感受到甜味的呢？这与分子结构有何关联？

让我们一起来探索并揭开甜味的味觉背后的神秘之谜。

第一部分：大自然中的糖分

糖是一种自然界中常见的物质，广泛存在于植物和动物体内。它们在生物体内起着重要的能量供应和代谢调节的作用。

在植物中，糖是通过光合作用产生的，它们是植物细胞中的重要能源。植物中最常见的糖是葡萄糖、果糖和蔗糖等。葡萄糖是一种单糖，具有甜味，是植物细胞中最重要的能量来源。果糖也是一种单糖，存在于水果和蜜蜂蜜中，具有甜味。蔗糖是由葡萄糖和果糖组成的双糖，存在于甘蔗和甜菜中，也是人们日常生活中最常见的糖类。

在动物体内，糖是由食物消化、吸收和代谢产生的。葡萄糖是动物体内最重要的糖类，它是身体细胞的主要能源来源，并在胰岛素的调节下进入细胞供能。除了葡萄糖之外，动物体内还存在其他糖类，如半乳糖和乳糖等。

总的来说，糖是生物体内重要的能量和营养来源，在自然界中广泛分布，对维持生物体的正常功能起着重要作用。

为了了解人造的甜味剂，首先要了解天然的甜味物质，最为人熟知的当然是糖。提到糖，通常也会提到碳水化合物。在生物化学领域，这两个词基本可以等同，但在其他领域或语境中，碳水化合物是一个更加广泛的概念。之所以有碳水化合物这个术语，是因为这类物质通常具有Cm(H2O)n的组成式。当然，一些具有该组成式的化学物质一般不被视为碳水化合物，如甲醛和乙酸。

下面，我们不讨论复杂的碳水化合物家族，回到“糖”这个词上来。在生物化学领域，我们通常将糖分为单糖、双糖、低聚糖和多糖四种。如果我们考虑甜度，还可以更严格地定义糖为“具有甜味且可溶解的碳水化合物”。这样，糖基本上只包括单糖和双糖这两类。

单糖是指不能进一步水解的糖，通常是指碳原子数不少于3的分子。根据碳原子数的不同，我们将含有三、四、五、六和七个碳原子的单糖分别称为三糖、四糖、戊糖、己糖和庚糖。在高中生物课程中，我们学过三种常见的己糖：葡萄糖、果糖和半乳糖，以及两种戊糖：核糖和脱氧核糖。

首先，我们要明白单糖的家族不仅仅包括这五种，还有其他重要的戊糖，例如木糖。木糖是半纤维素木聚糖的主要成分，我们可以通过催化氢化还原反应得到常见的木糖醇。

此外，一些细心的读者可能已经开始产生疑问：为什么有时候糖的结构式会呈现环状，有时候则呈现链状？为什么有时候会在名称前加上‘D-’或‘L-’以及‘α-’或‘β-’的修饰？这涉及到两个重要的概念：单糖环化和手性异构。

了解化学的读者应该明白，形成环状和双键会引入一种不饱和度。因此，对于链式单糖而言，由于含有一个碳-氧双键，可以通过形成环状来转化这种不饱和度，从而得到相应的异构体。这种可逆反应是通过醛基或羰基与不同碳原子上的羟基之间的反应来完成的，结果是形成具有氧桥的杂环结构。一般来说，在水溶液中，如果单糖具有四个或更多的碳原子，则倾向于以环状的方式存在。因此，我们体内的各种单糖通常呈现环状结构。

然而，这种化学反应并不仅限于醛基或羰基与特定碳原子形成环状结构。举例来说，葡萄糖中的醛基可以与不同的碳原子反应，形成五元环结构的呋喃糖或六元环结构的吡喃糖。

对于分子中含有连接四种不同基团的碳原子时，通常存在手性异构体。这种异构体由两种构型组成，它们无法通过平移旋转等操作重合。糖的结构中含有这样的碳原子，因此几乎所有的糖都存在需要加以区分的手性异构体。按照一套规范，使用D-或L-以及α-或β-前缀对这些异构体进行区分记号。

如果我们考虑其中的一些具体细节，我们可以发现在我们的课本中所学习到的三种双糖（蔗糖、乳糖和麦芽糖）实际上是由特定结构的葡萄糖、半乳糖或果糖通过脱水缩合反应形成的。举个例子，蔗糖是由呈吡喃式的α-D-葡萄糖与呈呋喃式的D-果糖结合而成的。

乳糖是由β-D-吡喃半乳糖和D-吡喃葡萄糖组合而成的。

麦芽糖是由两个D-葡萄糖分子结合而成的，它是直链淀粉水解的产物。

第二部分：除了糖以外还有其他甜的东西吗？

在我们对糖的了解更多之后，我们可以开始讨论以下两个问题：糖是一定会有甜味吗？只有糖才有甜味吗？

通常来说，水溶性的单糖或双糖通常具有甜味，而不溶于水的多糖，如淀粉和糖原，则没有甜味。不同种类的糖的甜度不同，我们通常以蔗糖作为参考来比较其他物质相对的甜度，即将蔗糖的甜度定义为1。

通常情况下，人们通过比较不同浓度溶液的甜度来确定相对甜度。比如，根据一些专业测试者的意见，如果某种物质的1%溶液和蔗糖10%溶液的甜度相当，那么该物质的甜度就是10。

我们可以列举出蔗糖的甜度相对于其他物质的情况，那么就可以回答上面的问题了：并不仅仅是糖类物质才具有甜味。例如在表格中，我们找到了之前提到的人工甜味剂阿斯巴甜，还看到了一些醇类、蛋白质等物质。事实上，这就是人造甜味剂存在的原因——它们具有高甜度却不会在人体内产生大量能量代谢。因为人造甜味剂的存在目的是让某些食物味道好，但又不会引起蛀牙、肥胖等真正的糖类不良后果。

除了前面提到的两点，保证甜味剂的安全无毒自然也是一个重要的指标。比如说，在2000多年前，罗马人使用铅锅煮葡萄汁时，发现甜味糖浆中含有醋酸铅，他们将其用作甜味剂并称之为“铅糖”。但是后来发现这种物质具有毒性，因此被废弃。铅中毒甚至被认为是导致罗马帝国衰落的可能因素之一。接着，人们发现金属铍的盐有甜味，但因其毒性而无法作为甜味剂使用。所以，当我们讨论阿斯巴甜对可能致癌的问题时，实际上也是在进行类似的验证，以最大程度地确保甜味剂的安全性。

随着历史的推进，出现了几种相对成功而且著名的甜味剂。例如，在1879年，IraRemsen和ConstantinFahlberg发明了糖精，这使得糖尿病患者能够品尝到带有甜味的食物，从而实现了人工甜味剂领域的重要突破。

大约60年后，MichaelSveda在研究一种物质时，他将香烟放在实验台上。当他再次拿起香烟时，惊奇地发现它变甜了。这是因为香烟粘上了甜蜜素的结晶，使其味道变甜。由此，他无意间发现了甜蜜素。

安赛蜜是糖精的近亲，同样是通过偶然的发现被发现的。在1967年，化学家KarlClauss在实验中舔了舔手指，想拿起一张滤纸，却惊奇地发现它居然是甜的！

阿斯巴甜是著名的甜味剂之一，是由JamesSchlatter在1965年研制药物时发现的。它是由天冬氨酸和苯丙氨酸这两种氨基酸脱水缩合而成的二肽。虽然这两种氨基酸在人体代谢时会产生热量，但阿斯巴甜甜度很高，只需添加极少量即可达到所需的效果，因此仍广泛应用于甜味剂领域，并取得了相对的成功。

第三部分：为什么会变甜呢？

由于糖类、醇类、氨基酸类和无机分子都可能呈现甜味，那么它们结构上有哪些相似之处？我们又是如何感知到甜味的？

据研究发现，人类感受到甜味是通过细胞膜上的甜味受体实现的，这种受体是由T1R2和T1R3亚基组成的异二聚体，属于G蛋白偶联受体的一种特殊结构。每个亚基都可大致分为三部分：嵌入膜内的7个跨膜结构区、伸出膜外的捕蝇器（VFT）结构区，以及连接两者的连接体。其中，多个特定位点与被探测分子可产生分子间作用。

当分子的结构适合时，它就能与受体的特异性位点相互作用，从而激活受体并诱导出生物信号，被人体感知。举例来说，天然的蔗糖、葡萄糖以及经人工加工的三氯蔗糖，均能通过与T1R2和T1R3的VFT结构域相互作用而激活受体；而二肽类甜味剂诸如阿斯巴甜，仅与T1R2的VFT结构域作用，亦可触发甜味感觉。

那么，什么样的结构才是适合的呢？目前通行的理论是“甜味三角形”理论。该理论认为甜味分子的立体结构应该包含三个空间区域，并具有一定的相对距离。其中，A区域是一个氢键供体（含氢，如羟基O-H），B区域是一个氢键受体，C区域（也称为X）则是一个疏水基团。因此，该理论也被称为AH-B-X理论。在阿斯巴甜分子中，也可以找到这些特征区域，因此具有甜味。

1991年，Jean-MarieTinti和ClaudeNofre提出了一种更为复杂的多点依赖理论（MPA），其中讨论了甜味剂和甜味受体之间的八个共同作用位点。该模型成功地引导了高效甜味剂的研究和开发，例如胍类甜味剂Lugduname的甜度比蔗糖高达225000倍！

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