【科普】苦中有味：揭开苦味的化学奥秘

背景

味觉是人类与世界沟通交流中最直接的模式之一，如果有人说他喜欢吃苦，那可真是新鲜事呢！人类对苦的厌恶，是刻在基因里的。从生存的角度看，大自然中带苦味的物质往往是有毒有害的，人类以这种恶心、反胃的负面感觉作为防御机制的。这种对苦味的抵触，与人类演化有着密切关系。人是喜欢鲜、香、甜的，但是从生理上和心理上来说，人类对苦味有很强的适应性。从化学的角度解析苦，人们的探寻一直在路上。

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呈现苦味的物质

“苦”字的篆文=艸（植物）+古（古老），表示古老的植物。隶书将篆文“艸”写成“艹”[1]。本义是一种味似黄连的古老植物。渐渐的演变成了形容词。呈现出苦味的物质种类繁多，食品中呈现苦味的物质多数是有机物，且多含-NO2、≡N、=N-、-SH、-S-、-SO3H、-S-S、=C=S等基团[2]，这些基团被称为苦味基团。植物中的苦味主要来自生物碱、糖苷类、萜类，以及氨基酸和多肽类等[3]。

生物碱是一类含有碱性氮原子的天然化合物，几乎所有的生物碱都具有苦味，碱性越强，苦味越重。目前已知最苦的物质是番木鳖碱。生物碱的种类较多，在漫长的生态环境适应进程中，植物为了抵抗外界攻击，形成了一类数量庞大结构繁杂的次生代谢产物[4]。根据它们的基本结构，大致可分为以下几个主要类型：有机胺类，比如能调节过敏和炎症反应的组胺；含有吡咯环结构（五元杂环结构）的吡咯衍生物类，比如存在烟草植物中能刺激神经系统的尼古丁；含有吲哚环结构（六元杂环结构）的吲哚衍生物类，如青霉素中的吲哚啉；除此之外，还有喹啉衍生物类，莨菪烷衍生物类，咪唑衍生物类，嘌呤衍生物类，大环生物碱类。世界三大饮料——咖啡（如图1）、茶、可可中的苦味就来自它们自身含有的生物碱——咖啡碱、茶碱、可可碱[5]（如图2）。

图1 咖啡豆（图片来源www.unsplash.com）

图2 咖啡碱、茶碱和可可碱的结构（图片来源于文献[6]）

糖苷类中主要苦味来源是黄酮类化合物。作为多环多酚化合物的一个子类，黄酮类化合物由苯基环和呋喃环通过三个碳原子的侧链相连，形成的一个共轭芳香结构。根据它们的氧化形态和侧链的不同位置，又分为类黄酮素、黄烷酮、黄酮苷、异黄酮、黄烷醇等。日常接触的柑橘属水果如葡萄柚、苦橙等，都富含柚皮苷、橙皮苷、川陈皮素等多种类黄酮成分，它们都是二氢黄酮糖苷。果皮中类黄酮含量较高，这就为从生产果汁的副产品（皮和子）从中提取类黄酮提供了变废为宝的思路。陈皮（柑橘类水果的表皮）和蔷薇科植物（杏、桃、李、苹果等）的种子中（如图3）就存在糖苷类物质。这也是为什么我们在喝橙汁时会感觉它略带点儿苦味，而不小心咬碎的苹果籽也是苦的。

图3 苦杏仁（图片来源：freepic）

萜类化合物也是植物体中次生代谢产物，它们由是由多个异戊二烯单元组成的具有特殊碳骨架的化合物。呈现苦味的萜类化合物一般含内酯、内缩醛、内氢键和糖苷羟基等能形成螯合物的结构[5]。比如柑橘类果汁中的柠檬苦素，就是一种含有呋喃环三萜类内酯化合物。喝加工后的果汁比自然成熟的果实尝起来更苦，这就是因为非苦味的柠檬苦酸Ａ环内酯在加工过程中转化为了苦味的柠檬苦素，破坏了甜美的滋味。此外，莴苣中的莴苣苦素，皂角中的皂角素，苦瓜中的苦瓜甙（如图4）等，都是萜类化合物。

图4 苦瓜以及苦瓜甙结构式（图片来源：freepic和文献[6]）

氨基酸在苦味食品中含量丰富。人体必需的8种氨基酸中，就有5种带有苦味。比如，富含氨基酸的藜麦就略带苦味。一些富含蛋白质的食物，常常会在发酵和水解的过程中形成苦味肽，从而表现出苦味[3]。肽的苦味与其中所含的疏水性氨基酸关系密切。天然食品和发酵食品中都有苦味肽的身影，如胃蛋白酶水解大豆蛋白能得到10种苦味肽[6]。

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苦味呈现的机理

人们之所以能感觉到苦味，是因为口腔内舌面上的味蕾中包含了苦味受体，如TAS2R受体（如图5所示）。这些受体能够与特定的苦味物质结合，触发神经信号传递到大脑，识别为苦味。目前普遍接受的苦味呈味机制是：苦味物质分子内的疏水基受到了空间阻碍，即分子内的氢供体和氢受体之间的距离在15nm以内，从而形成了分子内氢键，促使整个分子的疏水性增强。而这种疏水性又是与脂膜中多烯磷酸酯组合成苦味受体相结合的必要条件，因此人们感知到苦味。如苦味肽之所以呈苦味，是因为在肽链变短时，露出了氨基酸的疏水性侧链，刺激舌头而呈苦味[7]。总之，苦味物质结构与呈味之间关系密切，即使分子结构发生微小的变化，都可能引起味感的极大变化。苦味受体不仅自身具有疏水性，而且能吸附极性基[8]。人们能感受到生物碱的苦味，是因为生物碱通常具有较大的分子量和复杂的化学结构，其中碱性氮原子具有较高的电子密度，容易与苦味受体发生相互作用。它们能够与苦味感受器结合并激活苦味感觉，通过神经信号传递到大脑，引起苦味感知。

图5 苦味受体TAS2R46的三维结构，A表示苦味受体TAS2R46在马钱子碱结合形式时与G蛋白结合在一起时的低温电镜结构，B表示苦味受体与载脂蛋白（apo）结合形式时与G蛋白结合在一起时的低温电镜结构（图片来源于Science, 2022, doi:10.1126/science.abo1633。）

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苦味物质的检测

目前，常用的苦味物质检测方法有三种：感官分析就是原始的品尝。生物评价主要是利用生物特征来评估苦味浓度，它包括利用细胞检测器和纳米检测器两种途径[9]。细胞检测器就是将一个被荧光染料标记了钙离子的细胞作为一个检测器，与特定苦味物质接触时，钙离子的流动牵引相应的荧光强度发生改变，苦味物质的浓度也就被分析出来了；纳米检测技术则是利用单壁碳纳米管的导电性，将苦味受体蛋白和脂质膜固定在单壁碳纳米晶体管上形成的检测器。同样的，当苦味受体蛋白与特定的苦味物质结合时，电阻的变化引起电信号的改变，信号转换之间，苦味物质强度得以测出。仪器评价则是采用先进的集成仪器来进行测定，比如既能进行定量分析又能进行定性测试的电子舌[10]。味觉传感器阵列是电子舌（如图6）的核心部位，它还配备信号采集系统和模式识别系统。食品成分鉴定和食品质量控制等方面的研究常见电子舌忙碌的身影。

图6 电子舌传感器（图片来源于仪器信息网）

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小结

苦味虽然让人避之不及，但也有它独特的妙处。首先，碱性的苦食可以消除酸性产物的堆积，达到调节酸碱平衡的作用。其次，苦味物质具有一定预防疾病的作用。苦瓜的苦味物质属于葫芦烷型三萜化合物[11]，具有抗肿瘤、抗炎、降血糖等多种药理活性。最后，含苦味物质的食材具有抗衰老的神奇功效。如莴苣苦素、苦瓜甙，它们具有改善脑和末梢神经血液供给、防止体内脂质过氧化物等抗衰老作用[12]。

味道从来都不只是客观的味觉，它们背后还带有一套价值意蕴，尤其是苦。《诗·漆风》：谁谓荼苦，其甘如荠。苦乐不相舍离的理念也贯穿在中华文化中。在中华文化体系中，苦味包含了消极情绪的同时，积极情感也蕴含其中。

参考文献

[1] 陈一龙.“苦文化”的哲学浅述[J].艺海,2016(07):142-144.

[2] 李蕾蕾.苦味食品概述[J].中国食物与营养,2006(06):50-51.

[3] 叶林,牟伟,马峰.苦味哪里来[J].课堂内外(小学版),2021(12):4-9.

[4] 崔明明.几种典型食品苦涩味控制方法的研究[D].华南理工大学,2013.

[5] 孙芝杨.世界三大饮料与“苦味”物质[J].饮料工业,2009,12(01):8-9.

[6] 邵黎雄,陆建梅,姜雪峰.味觉化学之苦味化学[J].化学教育(中英文),2020,41(17):7-14.

[7] 张开诚.苦味机理与苦味抑制技术研究概况[J].中国调味品,2004(11):39-42+32.

[8] 李红，张华主编.食品化学 第2版[M].北京：中国纺织出版社,2022

[9] 金文苑,胡新中.食品中苦味物质检测方法的研究进展[J].中国粮油学报,2018,33(08):133-140.

[10] LVOVA L，MAＲTINELLI E，MAZZONE E，et al． Electronic tongue based on an array of metallic potentiometric sensors[J].Talanta,2006,70( 4):833-839.

[11] 崔竣杰,李波,程蛟文,胡开林.苦瓜苦味物质及其生物合成研究进展[J].园艺学报, 2015, 42(09): 1707-1718.

[12] 毕海燕,李雨露.苦味食物的功能特性及开发利用[J].粮油加工与食品机械,2003(10):59-60.

作者：尹智宇

作者单位：西北师范大学教师教育学院