Fan Keke, Ouyang Pingkai, Wu Xijun
(Department of Biotechnology and Bioengineering,Nanjing University of Chemical
Technology, Nanjing 210009)
Abstract Researches
in structure-activity relationships among sweeteners were reviewed systematically in this
paper. Emphasis was given to those hypothesises and their explanations for structure-sweet
taste relationships of various sweeteners. The current problems and latest development
trend in this field were also referred.
Keywords Structure-Activity
Relationships, Sweeteners, Review
摘要
本文对国内外甜味剂构性关系研究进行了较全面的综述。重点阐述了甜味剂构效理论的发展及其对各种类型甜味分子结构甜味关系的解释，并提出了该研究领域内面临的问题和最新发展趋势。
关键词 甜味剂 构性关系 综述
甜味剂构性关系研究进展
樊可可 欧阳平凯 吴锡军
（南京化工大学生物工程与科学系 南京 210009）
甜味是人们生来就喜爱的一种味感，其实质是一些化合物对味觉受体(味蕾)作用的结果。相比于其它味觉而言，甜味与分子结构的关系似乎吸引了研究者们更多的兴趣。在甜味剂的结构－活性关系研究中，曾有这样一些现象引起了人们广泛的关注：甜味化合物(通常为有机物)分类上具有多样性[1]；甜味强度可高达蔗糖的200,000倍[1,2]；一些D型氨基酸是甜的，而其L型异构体不甜[3]；D型糖与其L型异构体均甜[3]；同系物中，分子量适中的有甜味，分子量过高或过低的均不甜[1]；甜味剂的某些味感特性，如甜味的出现和消失有较大的时间变化范围，前者一般需4～16秒，后者需14～69秒[3]；高强度甜味剂还有甜味以外的其它味觉特性[3,4]；在甜味剂浓度与其甜味响应的关系上，糖和糖醇表现出线性函数关系，而高强度甜味剂则表现出双曲线函数关系[4,5]。现在这些现象及由此引出的问题已经可以用不断发展起来的甜味构性理论解释了。本文将主要对这些甜味理论的发展及其对甜味构性关系的解释进行综述。
1 早期的研究
1898年，Sternberg[6]首先报道了化学结构与甜味的关系。他推测，甜味和苦味与羟基和氨基的作用有关，甜味分子和苦味分子大体上没什么不同，而且不受立体几何构型(双键位置)的影响。1914年，Cohn[7]写了一本名为《有机呈味物》的书，书中列举了上千种有机化合物的结构及它们的味道。通过考察大量的化合物的结构与味道的相互关系，他发现：多羟基化合物和? -氨基酸经常是甜的，而高度硝化的化合物常常是苦的；在一个分子中引入氯原子常会诱导产生甜味。他认为要激发产生一定的甜味，分子中必须引入生味基。Cohn还发现，在同系物中，甜度和分子量之间成反比关系。对此他提出两点解释：一是随分子量增加，水溶性下降直至不溶，以致甜味消失；二是生味基在只含少量化合物的系列中很重要，而在含大量化合物的系列中却不怎么重要了。
五年以后，Oertly和Myers[8]根据Witt的染色理论提出，一个甜味物质分子必须含两个部分，即一个生甜基和一个助甜基。其中生甜基必须是一组能与助甜基结合产生甜味化合物的原子，否则该化合物将不具有甜味。他们还提出了六个生甜基和九个助甜基。这为AH-B生甜基学说的提出奠定了基础。
2 AH-B生甜基学说
1967年，Shallenberger和Acree[9]提出甜味剂的AH-B生甜基学说，标志着甜味剂构性关系研究向前迈了一大步。该学说认为，所有的甜味剂都含有AH-B生甜基，其中A和B是相距0.25～0.40nm的电负性原子，H为氢原子。甜味剂分子的氢键和味蕾上的受体位点由于它们的互补特性(图1)，形成了一个短暂存在的络合物，从而产生一个信号通过神经系统传输到大脑。该学说的产生也使得在一段时期内人们对甜味构性关系的研究主要集中于对不同系列的甜味剂中AH-B生甜基的划定上[2,3]。现在，研究者们已在好几类甜味剂的AH-B生甜基的划定上达成了共识，如糖精、氨基磺酸酯、乙酰磺胺分子中的HN-SO生甜基，二肽酯分子中的H3N＋-COO-生甜基等[2,3]。但在下列几种甜味物质的AH-B基的划分上，人们尚有不同看法。
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图1 肟类、硝基苯胺类、果糖和蔗糖中AH-B基的划定 |
肟类：肟类物质中甜味分子的AH-B基的划分有多种可能性。Shallenberger和Acree[10]提出应将肟基中的羟基作为AH，而芳环上的π键电子云作为B(图1.I)；而Kier[11]则选择芳环上的肟基的邻位氢原子作AH，将肟基中的羟基氧原子作为B(图1.II)；这种确定方法与后来报道的其它研究结果如环己醛肟类的分子连接性计算[12]及分子静电势识别模型[13]等是一致的。Beets[14]认为，肟基官能团有水合作用，这样两个羟基形成AH-B生甜基(图1.III)。遗憾的是，核磁共振(NMR)分析研究[15]不能确定任何水合作用的存在，因此这一划分方法是站不住脚的。Heijden等人[15]根据乙醛肟有微弱甜味这一事实提出了将肟基中的CH基作为AH，而肟基上的羟基氧作为B(图1.IV)。实际上从相对于第三键合位点(下文将述及)的位置来考虑，图1.II和图1.IV两种划分方法是很类似的。
硝基苯胺类：Shallenberger和Acree[9]根据硝基苯本身具有甜味(蔗糖的95倍)这一事实，提出芳环上的邻位氢原子作为AH，硝基中的一个氧原子作为B。不过一般认为芳环氢组成氢键不是很理想。针对这种划分方法，Heijden等人[15]提出了质疑，理由是：其它硝基化合物没有烷氧基但也有甜味；AH-B生甜基的邻近基团的改变一般会降低甜味强度，而硝基苯胺的同系物却并非如此，它们的甜味强度有一个最大值。这也可从有关第三键合位点的影响的研究中得到证实[15]。不过，对于硝基苯胺类物质中AH-B生甜基的划定最为成功的方法可能要算1993年Nofre和Tinti[16]提出的甜味分子多识别位点理论。这一理论选择氨基中N-H作为AH，却没有B部分！这是自AH-B学说提出以来关于甜味分子可能缺乏完整AH-B生甜基的第一篇报道。
果糖：在糖类物质中，由于其分子上的每一个羟基都可能作为生甜基的AH和(或)B，因而使得其AH-B部分的划定相当困难。例如β-D-吡喃果糖(2C5)中的AH-B基(图1)，人们就是综合考虑了其红外光谱特征和取代反应特性才划定的。不过这在某种程度上似乎也说明了糖类中D型和L型均有甜味，而氨基酸中一般L型不甜D型甜这样的事实。在果糖分子中，研究者们[9,17,18]大多选择2位羟基和1位氧原子作为其AH-B生甜基，这是考虑到二果糖双酐(不含游离的异头中心)没有甜味[9]，酮糖也有羟基吸收带[17]这样一些已有的认识。Birch等人[19]认为，糖类中的异头中心作为一个键合位点对其甜度并没有直接影响，而是象吡喃糖中的3,4-乙二醇部分组成了AH-B生甜基。但从合成的1,6-二硫代甲基-1,6-二硫代-D-呋喃果糖不能形成双螯形环，又具有相对于蔗糖15～20倍的甜味[20]这一点来看，其生甜基中的B基似乎应该是3位氧原子而不是1位氧原子。Shallenberger从生甜基的三部分来考虑，认为吡喃果糖的生甜基中AH是5位羟基，B是4位氧原子，γ是1位碳原子，而且不受其所在轴上的羟基约束。不过后来关于果糖中AH-B生甜基的划定还是分别以1位羟基和2位氧原子或5位羟基和3位氧原子作为AH和B的看法得到了广泛的认可。1989年，Hough[21]建议以1位羟基和2位氧原子作果糖的AH-B基，并通过一个蛋白受体模型对糖分子之间立体相互作用的机理进行研究证实了这一提法的可靠性[22]。1990年，Szarek研究小组[23]根据他们对吡喃型分子的几何和能量的优化计算结果，提出了与他们在1984年提出的观点[18]截然相反的看法。现在他们认为2位羟基是异头碳取代基的相对位置上强有力的质子受体。总之，人们都认为1位羟基和2位氧原子作为果糖AH-B生甜基的可能性是最大的。
蔗糖：首先对蔗糖AH-B生甜基进行划定的是Shallenberger和Lindley[24]。他们通过考察蔗糖衍生物的甜度，指出其中最可能的AH-B是4位羟基和3位氧原子。人们发现[25]，蔗糖的4位差向异构体，即半乳蔗糖仅有微弱甜味，而蔗糖的甲基化衍生物的甜度则因羟基取代位置不同而改变。因此有人提出[26]，在蔗糖的浓溶液中，5位氧原子和6’位羟基中的氢原子也能形成AH-B生甜基。但这一提法并未得到其他研究者们的认可。Lichtenthaler等人[27]根据对蔗糖及其衍生物分子在其接触表面上的静电势能(MEP)和疏水势能(MLP)进行计算的结果，指出2位羟基和3位氧原子作为AH-B生甜基是最合适的。可惜的是由于未考虑与水的相互作用，这一观点也未被后来者所承认。Hough[21]在用核磁共振(NMR)对蔗糖及其衍生物进行研究并考察其分子模型的基础上，指出了它们AH-B生甜基的三种最可能的组成：1’位羟基和2位氧原子，2位羟基和3’位氧原子，3’位羟基和2位氧原子。
甜味剂构性关系研究上取得的另一个重大进展是Kier于1972年[11]提出的第三键合位点学说。该学说认为，在甜味分子的生甜基(AH-B)上一定还有第三个键合位点(曾用X表示，现用γ来表示)存在，该位点能分散键合作用。Kier据此解释了诸如硝基苯胺类物质的结构与其高甜度的关系。研究发现，在各种例子中，AH、B和X(γ)三部分的排列都是倾斜的，这使得人们开始更多的对甜味剂分子的三维结构和挠性分子的构象进行研究。
关于其它甜味剂分子中AH、B、γ三部分的划定的工作也有一些，如Shallenberger和Lindley[24]选择葡萄糖分子中6位亚甲基碳原子作为其γ基，Heijden等人[28]认为Aspartame中的γ基是苯基。不过根据Heijden的看法，葡萄糖分子中Υ基的划定是很不成熟的。因为其整个分子上亲水基的存在，使得6位碳原子不能象在其它高强度甜味剂中那样被视为传递和增强甜味强度的疏水性位点。
一般认为，同一系列的甜味剂分子会与相同的受体发生作用。在这样的同系物中，随着碳链长度减小，其甜味强度增加；当碳链过短或过长时，分子均不产生甜味，而处于中间长度的其甜味强度有一个最大值。曾广植等人[29-31]提出了分子识别中的C-9规律，并将其用于二肽和三肽甜味剂构性关系的说明上。C-9规律认为，二肽、三肽甜味剂的N端助味基和C端助味基的主干链均以其能达到味受体膜的外层中部C-9位时化合物最甜。虽然生甜基的定味位置和方向不同，助味基主干链可到达的膜层深浅也不同，但总以能到达受体膜的C-9位时产生最强微扰，因此最有利的助味基常以其约相当于一脂肪酸酰基C9的链长为最好。
Heijden等人[15,32]为了能更确切地描述第三键合位点γ相对于AH-B生甜基的位置，引入了α、δ、ω三个参数，分别表示相对于AH-B基的疏水性位点的最小、最优和最大长度并作了这样的定义(图2)：α(或ω)是某一无甜味化合物分子侧链上到其第n个(或第r个)末端原子的距离，而且这一无甜味化合物是那些具有第n+1个(或r-1个)原子的侧链的代表性甜味化合物的同系物；δ是指含有最高甜味强度的那一系列甜味剂分子的侧链上到其中心的距离。 Heijden等人就用这些参数确定了十个系列的甜味剂中键合位点的位置，并将它们分成四类，以图2中的各种三角形表示。利用这一方法，他们获得了许多关于甜味分子的三维特征及分子大小的信息。于是，研究者们开始注意研究甜味剂分子侧链的长度、宽度、表面积以及体积与甜味的关系。人们发现[33]，对天冬酰二肽酯而言，如果长度参数L在一定范围内(0.50 nm<L<0.62 nm)则这些化合物是甜的；如果长度参数L超过这一范围，那么当L<0.50 nm时，其宽度参数B必须大于0.45 nm才甜；当L> 0.62 nm时，其宽度参数B必须小于0.72 nm才甜。研究还发现，甜味分子接近受体位点的最大宽度是1.5 nm。Spillane和Sheahan[34]曾报道氨基羰酰磺酸酯受体位点的表面积为3.00 nm2，位点的深度为0.62 nm；而对含杂原子的氨基磺酸酯，这两个数据分别为4.61 nm2和0.63 nm 。
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图2 参数α、δ和ω的说明及十个系列甜味剂中第三键合位点δ的位置(相对于A、B原子)[2,15,32] |
关于第三键合位点的研究，Shinoda和Okai[35]的实验值得一提。他们制备了aspartame分子中的三个功能团：α-氨基(AH)、β-羧基(B)、L-Phe残基(X)，并研究这些功能团经重新组合后是否产生甜味。结果发现，AH-X组合显示苦味，而在舌头上添加B后又变为甜味。这一现象表明，甜味和苦味是在同一味觉受体上被识别的，受体识别甜、苦味是通过组合AH-X和AH-X-B之间差别来实现的。
表1. 甜味剂QSAR研究中使用的参数 |
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甜味与结构的关系研究除了对甜味分子中一些与味觉受体相关的特殊基团的研究(或称结构模型)外，也可以关联甜味强度与物化参数(或称统计模型)，即所谓定量结构活性相关(QSAR)。这一方法在药物分子设计中已得到广泛地应用。1993年，Heijden[2]对QSAR研究中使用的描述各种类型甜味剂的参数进行了总结，见表1。
从第三键合位点研究中测定的数据和已有的QSAR研究来看，在甜味化学受体中，疏水性侧链的长度、宽度及体积起着很重要的作用这一点已毋庸置疑。在QSAR研究中，人们还使用表观比体积(ASV)和表观摩尔体积(AMV)这两个参数。已经证实，ASV值对解释呈味分子与受体的化学行为特别重要，并且还发现四种基本味觉的ASV值均有其合适的范围[36]，见表2。而氨基酸、糖类及氨基磺酸酯类中呈味分子的AMV值，范德华体积和Corey-Pauling-Koltun体积与甜味的良好相关性也已被发现[37,38]。
表2 味道与表观比体积(ASV) |
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近年来人们研究的注意力集中在甜味分子与受体之间化学行为中水分子的作用上，其核心问题是水分子是否促进了甜味分子与味蕾的接近或者对受体位点的相互作用有直接影响[39-41]。最近，Birch等人[42]指出，用偏摩尔等熵压缩指数(K2S)反映甜味分子周围水化层的紧密程度，可以很好地表示甜味分子与水分子的相容性。这个参数对甜味分子之间结构差别的反应要比偏摩尔体积敏感得多。如D-半乳糖和D-葡萄糖的K2S分别为-2.08×10-3cm3mol-1bar-1和-1.76×10-3cm3mol-1bar-1，因此前者与水分子的相容性较后者差，甜度也只有后者的一半。另外，Galema[43]为研究单糖的立体化学而进行的其水化作用的研究也可视为这方面的一个具体例子，在此不再赘述。
进入本世纪九十年代以来，甜味剂的构性关系研究取得的重大进展应属Tinti和Nofre[44]对超强甜味剂的开发和大量识别位点的确定。他们认为，各种类型的甜味剂都能被一个简单的甜味受体所识别，因此这一受体必须包含能确认各种类型甜味剂分子的识别位点。Tinti和Nofre在对N-(4-氰基替苯氨)-N’-羧基脲(Cyanosuosan，相对甜度650倍)和天冬氨酰苯丙氨酸甲酯(Aspartame，相对甜度180倍)进行结构比较，并研究了他们共同的结构特征(3-氨基丙酸酯)的基础上[16]，制备了这两种甜味分子的杂交分子化合物(Superaspartame)，发现其甜度达到蔗糖的8,000倍。对这一系列的物质优化后，相对甜度可达到40,000倍。Heijden[45]则从杂交化合物的分子模拟出发，得到了与Tinti等人一致的结论，即一些疏水性位点在位置上的联合会导致高强度甜味剂的产生。
在研究过程中，Tinti和Nofre还发现了一类特别值得注意的甜味剂：胍类甜味剂。其中含有到目前为止最甜的甜味剂胍基醋酸(Sucrononic acid，相对甜度200,000倍)，见图3。1993年，Tinti和Nofre[46]根据对许多强力甜味剂的研究，提出了甜味分子的八识别位点受体模型：
AH：提供氢键的基团，如NH或OH；
B：阴离子基团，如CO2-、SO3-、CN4-；
G：疏水性基团，如烷基、环烷基、芳基；
D：氢受体配位基,如CN、NO2、Br和Cl,但也包含疏水效应和(或)立体效应；
Y：氢键受体配位基，如CO、SO、CN或卤原子；
XH：提供氢键的基团，如NH或OH；
E1、E2：起协同作用的两个位点，是氢键受体配位基，如CO、SO、形成分子内氢键的OH或卤原子。
其中AH、B、G和D属于高亲合力的结合位点，Y、XH、E1和E2属于次级结合位点。
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图3 修正后Tinti-Nofre模型及胍基醋酸中各键合位点之间的距离[44,47] |
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事实上在Tinti等人之前就已有人指出过，上述八个位点中的一些与甜味化学受体作用有关，如Aspartame分子中的XH。但可惜的是，这些研究者当时未能对这些受体位点作出明确地解释。
Ellis等人[48]曾制备了一系列1-氨基-1-脱氧-D-糖醇和1-甲基氨基-1-脱氧-D-糖醇的酰胺化合物，并用Tinti和Nofre的模型对这些化合物进行了相关性研究，结果却发现原来模型中位点Y的位置有误！图3所示为经修正后的Tinti-Nofre模型。Suami和Hough[47]用计算机图形研究了胍基醋酸与一个螺旋蛋白受体的相互作用，结果与Tinti-Nofre模型吻合得很好。这表明该模型对以后的甜味剂合成研究来说还是非常适用的。
6 问题与展望
以上综述已清楚地表明，经过这么长一段时间的研究，人们对甜味剂的构性关系已经有了很好地认识。现在人们不仅可以解释许多不同类型的或同一类型的化合物之间甜味强度的差别，而且已经认识到高强度甜味剂与糖和糖醇有着不同的受体作用机理。当然，还有一些问题尚未得到满意的解释，如分子结构与那些除甜味以外的味道特性之间的关系，暂时味道性质如味感的出现和消失方面的差别等。但是可以相信，在不久的将来，人们不仅可以完全解释这些现象，而且开发出一种卓越的、低热量的、又具有类似蔗糖各种性质的甜味剂也将成为现实。
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98-10-17收稿，99-10-10修回