【科普】化学与味觉——解密酸甜苦辣咸鲜其二：甜

甜味是人类最喜爱的一种味觉，也是最容易让人们感到满足感的一种味觉。甜味的来源主要是糖类物质，如蔗糖、果糖、葡萄糖等，它们能够激活舌头上的甜味受体，向大脑传递愉悦的信号。甜味不仅能提供能量，还能调节情绪，增强免疫力，促进消化等。但是，过多的甜食也会带来一些问题，如肥胖、龋齿、糖尿病等。因此，了解甜味的化学原理，掌握甜食的合理摄入量，是保持健康和美味的重要前提。本文将从化学的角度，为您揭开甜味的神秘面纱。

图1 甜蜜的马克龙（源自unsplash网站）

甜味是人类最喜爱的一种味觉，也是最容易被满足的一种味觉。甜味的来源主要是糖类物质，如葡萄糖、果糖、蔗糖等，它们可以提供人体所需的能量，也可以刺激大脑释放多巴胺等神经递质，产生愉悦的感觉。

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甜味与甜味剂

甜味剂是一种能够刺激味觉神经细胞产生甜味感觉的物质，可以分为天然甜味剂和人工甜味剂两大类，它们的甜度和安全性各有不同。下面简单介绍一下具有代表性的天然甜味剂，如果糖、蔗糖、赤藓糖醇，以及人工甜味剂，如三氯蔗糖和安赛蜜。

天然甜味剂

天然甜味剂是从自然界中提取或合成的，它们的结构和功能与糖类似。常见的天然甜味剂有蔗糖、果糖、蜂蜜、甘草、木糖醇、赤藓糖醇等。

果糖是一种单醣，极易溶于水，与葡萄糖、半乳糖一起构成了血糖的三种主要成份。果糖的分子式为C6H12O6，是6-碳多羟基酮。由于稳定的半缩酮和内部氢键果糖结晶呈环状六元结构，学名为β-吡喃果糖。果糖在蔬菜、水果中广泛存在。果糖是甜度最高的天然糖，其甜度一般被认定是蔗糖的1.73倍。不同种类的水果中含有的果糖量也不同，如西瓜、香蕉、苹果等含有较多的果糖，而柠檬、橙子等含有较少的果糖。果糖和葡萄糖不同，它的主要代谢器官是肝脏，除部分代谢为葡萄糖外，主要代谢为脂肪酸，后者进一步合成甘油三酯。甘油三酯沉积在肝脏增加脂肪肝的发病风险和胰岛素抵抗，其余甘油三酯可被转运至其他组织器官，增加胰岛素抵抗、肥胖和血管系统疾病的发病风险 [1]。因此，虽然果糖是天然的甜味剂，但也要适量使用，避免对健康造成损害。

图2 果糖的分子结构与3D模型（图源自MolView网站）

蔗糖是我们日常生活中最常见的甜味剂，它是由一个葡萄糖分子和一个果糖分子通过缩合反应连接而成的双糖，其化学式为C12H22O11。蔗糖主要来源于甘蔗和甜菜，经过提取、澄清、浓缩和结晶等工艺制成白砂糖或红砂糖。蔗糖不仅能给食物增加甜味，还能改善食物的色泽、质地和风味，同时也是人体摄入能量的重要来源之一。蔗糖在水中溶解度很高，随着温度的升高而增大。制作糖果或冰糖的原理便是如此。先在高温下将蔗糖加热至完全溶解，后迅速降温使其结晶形成糖果或冰糖[2]。

图3 蔗糖的分子结构与3D模型（图源自MolView网站）

蔗糖还可以在不同条件下转化成其他产品。在酸性条件，碱性条件或有转化酶存在时，蔗糖能发生水解反应，生成葡萄糖和果糖，这就是所谓的转化糖。转化糖比蔗糖更易被人体吸收利用，也更易发酵产生酒精、乙酸等物质，因此在制造面包、酒类、醋类等食品时常用转化糖代替蔗糖。在加热或干燥条件下，蔗糖能与氨基酸或蛋白质发生美拉德反应，生成各种色素、香气和风味物质，增加食品的色泽和口感。这种反应在制作焦糖、肉类、奶制品等食品时很常见。例如，在制作牛奶布丁时，就会用蔗糖来制作焦糖层，增加布丁的美观性和风味。在高温条件下，蔗糖能与水发生缩合反应，生成焦糖，这是一种深棕色的高分子物质，具有特殊的香气和苦味。焦糖可以作为食品着色剂和调味剂，也可以作为药物的包衣剂或稀释剂。例如，在制作某些中药片剂时，就会用焦糖来包裹药物，增加药片的稳定性和服用感。

近些年，元气森林气泡水风靡全国，其添加的甜味剂就是赤藓糖醇。赤藓糖醇是一种四碳糖醇，分子式为C4H10O4。赤藓糖醇由约翰·斯登豪斯于1848年首先发现，从赤藓地衣中提取出，后来命名为赤藓糖醇。赤藓糖醇存在于许多微生物、植物及动物中，如葡萄、梨子等果实或酱油、清酒等发酵食品中[3]。赤藓糖醇的甜度只有蔗糖的60-80%，但是它的热量只有糖的不到5%，在人体内也基本不消化。这是因为赤藓糖醇在小肠中被吸收后，大部分随尿液排出，只有很少一部分进入血液循环。赤藓糖醇不会引起龋齿，反而能弱化牙菌斑中细菌彼此的结合力，具有分解牙菌斑的作用。这是因为赤藓糖醇不能被口腔中的细菌利用，还能抑制细菌的生长和代谢。

图4 赤藓糖醇的分子结构与3D模型（图源自MolView网站）

天然甜味剂

人工甜味剂是通过化学合成或生物工程技术制造的，它们的结构和功能与糖不同，但是甜度非常高，热量几乎为零。常见的人工甜味剂有安赛蜜、三氯蔗糖等。这些甜味剂可以满足人们对甜食的需求，而不增加热量或影响血糖水平，但是它们的安全性一直受到争议，有些人认为它们可能会引起癌症、过敏、头痛等副作用。

三氯蔗糖是一种广泛使用的人工甜味剂，其分子式为C12H19Cl3O8，由蔗糖的三个羟基被氯原子取代而成[4]。三氯蔗糖的甜度是蔗糖的600倍，但由于其分子结构的改变，人体无法将其分解或吸收，因此不会产生能量或影响血糖水平。三氯蔗糖是目前唯一以天然蔗糖为原料生产的甜味剂，其口感和甜味特性与蔗糖非常接近，没有苦味或金属味，也不会掩盖原有食物的风味。三氯蔗糖具有很高的稳定性，可以耐受酸碱和高温的环境，适合用于各种食品和饮料的加工和保存，如果汁、冰淇淋、果酱、口香糖等，但不适合用于烘焙，因为高温会导致其分解产生有害物质。根据德国联邦风险评估研究所的研究结果，当三氯蔗糖被加热到120°C至150°C时（在工业生产和食品加工过程中以及消费者在家烹饪和烘焙时）甜味剂会发生分解和脱氯。这可能导致形成具有潜在健康风险的氯化有机化合物，如多氯二苯并对二恶英（PCDD），二苯并呋喃（PCDF）和氯丙醇。

图5 三氯蔗糖的分子结构与3D模型（图源自MolView网站）

安赛蜜是一种无热量的人工甜味剂，其分子式为C4H4KNO4S，其化学名称是乙酰磺胺酸钾，由乙酰乙酰胺、三氧化硫和碳酸钾反应而成，其甜度是蔗糖的200倍。安赛蜜的化学结构中含有一个磺胺基团，这个基团能与味觉受体结合，产生强烈的甜味信号。安赛蜜的甜味持续时间较长，但有时会留下苦味或金属味，因此通常与其他甜味剂如阿斯巴甜或三氯蔗糖配合使用，以改善口感和增强甜度。安赛蜜对光和热都很稳定，不易分解或变质，可以用于高温的烘焙食品或长期保存的罐头食品。它也不会被人体代谢或吸收，不会影响血糖或胰岛素水平，适合糖尿病患者或减肥者食用。它也不会引起龋齿，因为它不会被口腔细菌发酵。安赛蜜在世界上已经被90多个国家和地区批准用于食品、饮料、口腔卫生、化妆品和药品等领域。然而，安赛蜜可能会影响人体对自然甜味的感知和喜好，导致对高热量食物的过度摄入。它也可能会引起一些人的过敏反应或不良反应，如头痛、恶心、皮疹等[5]。

图6 安赛蜜的分子结构与3D模型（图源自MolView网站）

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甜味的感知

甜味是人类最喜爱的一种味道，它可以给我们带来愉悦的感受，也可以促进食欲和消化。甜味的感知是由舌头和腭上皮上的味觉感受细胞（TRCs）完成的，这些细胞可以识别并响应甜味物质，如糖类、甜味剂等。味觉感受细胞上有一种特殊的蛋白质，叫做甜味受体，是一种G蛋白耦合受体，由两个亚基组成：hTAS1R2和hTAS1R3[6]。当甜味物质与甜味受体结合时，会引发一系列的信号转导过程，导致细胞内钙离子浓度升高，从而激活钙敏感的钾通道，使细胞膜去极化，产生电信号。这些电信号沿着神经纤维传递到脑干的味觉中枢，再经过丘脑和杏仁核等结构，最终到达大脑皮层的前岛叶，这里是味觉感知的主要区域。在前岛叶中，不仅可以区分不同的味道，还可以评价味道的性质和情感价值，比如甜味通常被认为是愉快和奖赏的信号。

图7 甜味感知机制[6]

甜度的测定目前只能用人的味觉来品评。通常以蔗糖作为测量甜味剂的基准物质[7]。让专业的评价员在控制好实验条件的情况下，对不同浓度的蔗糖溶液和被测溶液进行品尝对比，找出使两者甜味程度相同的浓度比值，从而计算出被测物质的甜度。

图9 常见甜味剂甜度[8]

甜味的感知不仅取决于甜味物质本身，还受到其他味觉和非味觉因素的影响。例如，温度对甜味的感知有显著的影响，一般来说，温度越高，甜味越弱，温度越低，甜味越强[9]。另外，酸度和咸度也会影响甜味的感知，一般来说，适当的酸度和咸度可以增强甜味，过高的酸度和咸度可以抑制甜味。这是因为酸度和咸度会影响口腔环境的离子平衡和电位差，也会影响甜味受体的信号转导和调节。此外，人们对甜度的感知并不是恒定不变的，而是会受到许多因素的影响。例如，温度会影响舌头对味觉的敏感度，一般来说，舌头在35-40 ℃时对甜度最敏感，在30 ℃以下时感知能力会下降。还有一些个体差异也会影响人们对甜度的感知，如基因、年龄、性别、健康状况等。例如，儿童对果糖的敏感度较高，而老年人则较低。除了味觉因素外，还有一些非味觉因素也会影响甜味的感知，如食物的颜色、形状、质地、气味等，它们会通过视觉、触觉、嗅觉等途径与味觉产生交互作用，形成综合的风味评价。

图8 糖的甜度与温度的关系[9]

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甜味与文化

甜味不仅是一种生理感受，也是一种文化现象。中国也是世界上最早制糖的国家之一，从西周时期就开始利用谷物制作麦芽糖（饴糖），到汉朝时期就开始种植甘蔗并提取蔗糖[10]。在中国文化中，“甜”代表幸福、美满，也被老百姓广泛应用于人生的特殊时刻。从某种程度上说，甜就是美好生活的象征。在中国历史上，糖曾经是一种昂贵的商品，只有皇室和贵族才能享用。随着技术发展和社会变迁，糖逐渐普及到民间，成为人们日常饮食中不可或缺的一部分。中国人用糖制作了各种各样的美食，如糖醋排骨、红烧肉、龟苓膏等。中国人还用糖创造了许多富有特色的艺术形式，如糖画、糖人等。在节日或庆典中，人们喜欢用甜食来表达祝福或庆祝。如春节时吃元宵、中秋节时吃月饼、端午节时吃粽子等。

图9 汤圆、月饼与粽子

日本的制糖业始于16世纪，从中国引进了甘蔗种植和制糖技术，并在琉球王国（今冲绳县）发展起来。后来又从西方引进了白砂糖和其他甜味剂，如蜂蜜、果糖等，并创造了许多新颖的甜品。在日本，甜味被视为一种礼仪，日本人非常重视甜点的造型和色彩。日本人喜欢在茶道或其他仪式中品尝各种精致的甜点，如和菓子、大福、抹茶等，以平衡茶的苦涩，并体现出对客人的尊重和关怀。

印度也是世界上最早种植甘蔗和制糖的国家之一，早在公元前500年左右，就已经掌握了从甘蔗中提取固体糖的技术，并将其传播到了阿拉伯和欧洲。印度的制糖业经历了多次兴衰，受到了殖民主义和全球化的影响，但仍然保持了一定的规模和特色。在印度，甜味被认为是神圣、纯洁、善良的象征，也是一种宗教和社会的纽带。印度人喜欢在节日或宗教仪式中供奉或赠送各种甜食，如卢都（Laddu）、哈尔瓦（Halwa）、巴拉菲（Barfi）等，以表示对神灵的敬意和对亲友的友爱。

欧洲是相对较晚接触甘蔗和蔗糖的地区，直到中世纪才从阿拉伯和印度引进了甘蔗种植和制糖技术，并将其传播到了美洲。欧洲的制糖业通过殖民运动和奴隶贸易，迅速发展起来，并催生了资本主义和产业革命。在欧洲国家，甜味则代表着浪漫、温馨、亲密等情感意义，因此在情人节或生日时，欧洲人会用巧克力或蛋糕等甜食来表达爱意或祝福。

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结语

甜味不仅仅是一种味觉体验，一种化学现象，它更是连接人与人、承载记忆与情感的载体。不同地域和文化背景下，甜味承载着人们对传统食物的喜爱和热爱。它们不仅满足了味蕾，更让我们在品尝中感受到文化的传承与故事的延续。甜味也与我们的情感和记忆紧密相连。小时候的蛋糕和糖果，仿佛能唤起童年的欢笑和甜蜜的回忆；恋人间的甜蜜约会，甜品的味道伴随着浪漫与幸福；一杯热茶中透出的微甜，温暖了心灵。甜味如同一首动人的乐曲，以柔美的旋律唤起着我们内心深处的共鸣。

尽管甜味给予我们愉悦与满足，但我们也需要在享受中保持适度的平衡。过量的糖分摄入对健康造成负面影响，因此我们应当关注食物中的糖含量，并养成健康的饮食习惯。让我们以科学的眼光审视甜味，以平衡的心态去品味甜蜜。无论是在化学的实验室里还是在烹饪的厨房中，甜味都是大自然馈赠给我们的礼物。让我们珍惜这份恩赐，用科学的智慧与人文的情怀，探索和传承甜味的奥秘，为我们的生活增添更多的美好与滋味。

参考文献

[1]蔡雯雯. 果糖和葡萄糖对健康人群急性反应研究[D].浙江大学,2016.

[2]黄玉燕.蔗糖衍生产品概述[J].大众科技,2014,16(07):74-76.

[3]张妍,张丽,李宝磊,成官哲,朱耘,黄丹妮,金友兰,李言郡,刘冠辰.赤藓糖醇的国内外研究进展[J].饮料工业,2022,25(05):76-79.

[4]陈玉洁.三氯蔗糖制备工艺中氯化反应的优化[J].化学工程与装备,2022(06):34-35.

[5]赵云霞,刘冰,王怡,牛琳,王硕.湖北省食品中甜蜜素和安赛蜜的风险评估[J].中国食品卫生杂志,2022,34(01):110-115.

[6]郭保党. 甜菊糖苷生物合成相关糖基转移酶的结构与功能研究[D].江南大学,2022.

[7]宁正祥主编. 食品分子生物学 第2版[M]. 北京：中国轻工业出版社, 2014.07.

[8]各种糖与甜味剂对比分析：含甜度、稳定性、甜感等指标，可以说很全的了！[EB/OL]. (2021-10-20)[2023-06-07]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/423650739

[9]章银良主编. 食品风味学[M]. 银川：宁夏人民出版社, 2000.01.

[10]潘春华.糖的甜蜜历史[J].食品与健康,2021(05):21-22.

作者：何文绚

作者单位：广西大学