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人间五味·甜
chemie   
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· 文章介绍了甜味的的发展历史、甜味的化学本质、舌头对于甜味的感知以及近期大火的“代糖”,涵盖内容丰富,语言可读性、通俗性强,图文结合表现清晰,是一篇很好的科普文章。 · 这是一篇专业性强、内容丰富的科普文章,从糖的功能、人类获取糖的历史、糖类的结构机理,介绍了代糖产品的潜在危害与不断改良的过程。作者通过对糖类研究的梳理,倡导科学精神,传播科学方法,显示了丰富的知识储备。但文章在甜味的化学和舌尖上的甜两部分内容中,需尽可能减少化学公式,采用更通俗易懂的方式介绍化学知识。 · 本文比较系统和专业地介绍了糖的发现与甜味的关系,作为科普文章,利用科学发现的事实与科学实验与时间演替揭示了人类数千年来在“甜蜜事业”上的探索与进步,文字通顺。结构合理,语言流畅,叙述问题逻辑性紧密,具有向公众普及“糖与甜”的知识的能力,是一篇不错的科普文章。但作为科普作品较多使用了专业性强的化学分子式,对于一般受众较难理解,语言文字的表述较为平淡。用一个短片文章叙述较长历史的故事,文学结构尚需提高。 · 科学性上,文章内容专业性很强,从糖与人类的伴随历史、糖的提取、糖的化学组成与人类感知糖的结构机理等诸多方面,引证详实图文并茂地为大家进行了介绍!通篇内容结构清晰,语言文字通俗流畅。但是在文学创作方面,作者缺少自己才思的发挥,所以可能使文章流于平淡枯燥,不具吸引力。但总体来看,这是一篇很好的科普文章!

【摘要】酸甜苦辣咸是人类饮食的五种基本味道。本文从人类寻求甜味的历史、甜味的化学成分、人对甜味的生理感知、人类对替代糖的寻求几个方面讲解关于甜味的一些知识。

人类觅甜史

甜味是人类赖以生存的能量源,是生命活动中必不可少的味道。甜味令人愉悦,就像快乐被称为“甜蜜”,讨人喜欢的话叫“甜言蜜语”,得到了好处叫“尝甜头”。

当人体动脉中的血糖值降低时,人会被空腹感折磨,产生吃东西的冲动。然而自然界中比较集中的甜味很少,主要是水果、浆果、蜂蜜。由于重要却数量不多,甜味成了饥饿生物的主要目标。人类对甜味挡不住诱惑,在本能的驱使下,不断地向自然界寻求甜味。

人类历史上最古老的甜味来自蜂蜜。在狩猎采集时代,人们需要冒着巨大的危险采集蜂蜜。在大约一万七千年前的西班牙壁画中,就有用常春藤梯子攀登高崖的人以及环绕的巨大蜂群。蜂蜜可以长期保存不变质,还能赐予人体非常高的能量,唯一的缺点是产量太低。为了获取大量蜂蜜,埃及人于公元前3000年前用黏土制作管状的巢箱,进行养蜂活动。

世界各地的人类在各自的土地上寻求甜味。植物为了繁衍,借助甜味吸引昆虫和鸟类来搬运它们的种子。地域不同,植物种类就不同。日本人喜欢从柿子中获取甜味,而地中海地区代表性的甜味食物是无花果。

公元前327年,亚历山大大帝派遣司令官尼阿卡斯远征印度,尼阿卡斯后来向大帝报告“印度不借助蜜蜂的力量,而是从苇茎中制造蜜”。“苇茎”其实是甘蔗,“蜜”是砂糖。

甘蔗是一种喜温喜光的草本植物,曾经在新几内亚、印度、伊斯兰世界、地中海、加勒比海域等热带和亚热带地区被几度辗转移植。期间,印度人发明了从甘蔗中精制砂糖的工艺,砂糖成了世界性的商品。如今,甘蔗仍然是全世界最主要的精制糖原料,其产糖量占世界糖总产量的80%。

我国北魏时期的农学著作《齐民要术》中也提到了甘蔗,引用《异物志》的记载:“甘蔗远近皆有,交趾(越南北部)所产特醇好,本末无薄厚,其味至均。围数寸,长丈余,颇似竹,斩而食之,既甘;榨取汁如饴饧,名之曰糖,益复珍也。又煎而曝之,既凝如冰,破如砖。其食之,入口消释,时人谓之石蜜也。”甘蔗榨汁可制取砂糖,砂糖被称为“石蜜”,像蜜一样甜的石头。当时人们把砂糖当成了一种矿物质。另外,成于南宋时期的《糖霜谱》是我国现存最早的一部介绍甘蔗制糖方法的专著。

位于北纬47~55度的德国,不具备种植甘蔗的气候条件,也没有盛产甘蔗的海外殖民地,于是将注意力转移到了欧洲原产的甜菜上。经过化学家Marggraf的学生Achard的不懈努力,于1786年培育出根部含糖约6%,具有工业化制糖价值的甜菜品种。19世纪初英国对法国的海上封锁切断了法国的砂糖来源,拿破仑对甜菜榨糖技术进行大力推广,由此催生了又一个全球性制糖产业。如今的糖用甜菜经过不断的人工选育,含糖量可达10%~20%,堪比甘蔗。

在古代中国,人们用捣碎的麦芽发酵谷物制成“饴糖”。《诗经》中有“周原膴膴,堇荼如饴”的诗句,意思是周朝的土地肥美,连堇菜和苦菜也像饴糖。这种糖口感温和,兼具民俗气息,集市上又脆又粘的糖瓜就属于此类。

甜味的化学

1747年德国科学家Marggraf从葡萄干中分离出糖,后来Dumas将其命名为glucose,此词来源于希腊语glucos,意思是“甜的”。这种糖的分子式被确定为C6H12O6,这似乎是C6(H2O)6,碳原子和水的比例恰好为1:1,像碳和水组成的化合物。糖的另一个常用名“碳水化合物”由此而来。

糖是科学上认识较早的化合物。人们不采用有机化学中的系统命名法对糖进行标识,而是根据来源给与了通俗的名称。比如从葡萄中分离出的糖(glucose)叫“葡萄糖”,由麦芽发酵得到的糖叫“麦芽糖”。

后来人们发现有些糖的分子式并不符合碳与水的比例,比如从鼠李科植物中提取出的鼠李糖的分子式是C6H12O5,但是“碳水化合物”这一名称一直沿用至今。现在化学上将“多羟基醛或酮,以及它们的缩合物或衍生物”称为糖。

葡萄糖是一种多羟基醛,是生物的主要能量来源和新陈代谢中间产物。葡萄糖存在于植物的果实,以及动物血液和体液中。在水溶液中葡萄糖分子以环状和链状两种形式并存,其中绝大部分是环状的,它可以转化成链状结构,参与很多化学反应。在很多植物中,环状的葡萄糖还与其他分子失水结合成糖苷,又叫“甙”。

葡萄糖是最简单的糖,可以视为糖家族的一个基本模块,称为“单糖”。自然界中目前已经确认的单糖有200多种。还有一种单糖叫果糖,与葡萄糖不同的是,它是多羟基酮。果糖是自然界中最甜的糖,蜂蜜的成分中70%以上是葡萄糖和果糖。

曾被人们认为是矿物质的砂糖,其实是蔗糖,是一分子葡萄糖和一分子果糖脱水形成的缩合物,属于“二糖”。甘蔗和甜菜虽然一个像竹子,一个像萝卜,但产出的糖都是蔗糖。饴糖的化学成分是麦芽糖,也属于二糖,是由两分子葡萄糖缩合而成的。

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1812年俄罗斯化学家发现植物中的淀粉在稀酸中加热可以分解为葡萄糖。淀粉是由成百上千个葡萄糖单元缩合成的,属于“多糖”。淀粉没有甜味,但生物体中的酶能将其分解成小分子,包括麦芽糖、葡萄糖等,这也是“馒头越嚼越甜”的原因。

植物中除了具有甜味的糖,还有一些成分不属于糖,但也有甜味。糖苷及其衍生物就是这样一类物质。豆科植物甘草中的甘草酸,菊科植物甜叶菊中的槐糖和葡萄糖与甜菊醇缩合成的甜菊苷,葫芦科植物罗汉果的果实中的罗汉果苷,甜度都可达蔗糖的50倍至300倍。

还有一些有甜味的植物成分在化学结构上属于蛋白质。从西非竹芋的果实中提取的奇异果甜蛋白,甜度是蔗糖的2000倍,是目前发现的最甜的天然物质。

总之,“甜”和“糖”并不是等同的。不是所有的糖都有甜味,甜味也不一定由糖产生。并且,不同的甜味物质甜的程度会有很大差别。

舌尖上的甜

在了解了甜味的化学成分后,可以谈谈人是怎么感知甜味的。

1942年美国心理学家波林在《实验心理学史中的感觉与知觉》中回顾了德国科学家黑尼希在1901年做的一个实验。黑尼希把酸、甜、苦、咸的溶液涂在受试者舌头的不同区域,让他们评价这些味道的相对强度。他发现察觉每种味道的临界值,会随着舌头边缘的位置而变。舌尖对甜味最敏感。

波林根据黑尼希的实验数据画了一张图,把每种味觉分成几个区域:舌尖感受甜味,舌根感受苦味;侧边近前端为咸味,后端为酸味;中间是空白。这张图上没有单位,只是一个视觉辅助。

然而很多人发现,波林放大了感官上的微小差异。1973年匹兹堡大学的教授重复了黑尼希的原始实验,发现舌头不同位置的味觉差异非常有限。到21世纪初,更多实验证明了整个舌头表面都能感觉到酸甜苦咸鲜。

在我们的舌头上有许多小疙瘩,也就是味觉感受器——味蕾。每个味蕾由50~150个味觉细胞组成,每个细胞表面都分布着五种不同的受体蛋白质,每种受体蛋白质专门探测一种基本味道分子。1999年美国国立卫生研究院的科学家们发现了专门从食物和饮料中抓取甜味的两段受体。这两段受体就像连在一起的两节火车厢,由七股纠缠在一起的螺旋状蛋白质组成。其中一股蛋白质向外延伸,制造出一个拦截甜味分子的空隙;一旦拦截到了,就会启动电化学连锁反应,将信息传到大脑,引发愉悦的感受。

那么,什么样的分子结构能够与味觉细胞表面的受体结合,并让其向大脑传递“甜”的信号呢? Shallenberger和Acree于1967年提出甜味化合物的结构模型是AH/B/X。A和B是电负性大的原子(一般是氧或氮),两者间的距离在0.25~0.4nm;H是氢原子;X是分子的非极性部分。AH/B单元能和味觉受体形成氢键,而非极性部分X正好嵌入受体的凹槽中。

按照这种观点,分子中存在相邻的羟基就会有甜味。最简单的具有相邻羟基的分子是乙二醇,它不是糖,还有毒性,但非常甜。当这类分子接触到味觉细胞时,相邻两个羟基就与甜味受体蛋白质中的氨基结合,形成氢键,让人产生甜的感觉。糖的甜度与羟基形成的分子内氢键的强度成反比。如果两个羟基的位置完全重叠,很容易形成分子内氢键,阻碍了和甜味受体的结合,所以这种结构的分子没有甜味。如果两个羟基的位置处于对位交叉,由于距离太远,也没有甜味。糖有甜味是因为两个羟基的位置处于邻位交叉或部分重叠。

为了解释具有相同AH/B结构的糖或氨基酸,甜度可相差数千倍的现象,Kier认为强甜味分子存在一个具有适当立体结构的亲油区(γ,如苯基、甲基、亚甲基等),能够与味觉受体的类似基团相互吸收。强甜味分子的几何形状使三个活性单元(AH,B和γ)与受体的结合位点形成三角形布局。

然而很多甜味分子并不具备AH/B单元,还有一些不甜的物质(如多糖)也具备AH/B单元。曾广植于1984年提出了诱导适应甜味受体理论,认为甜味受体与甜味分子结合产生的能量会使甜味受体的化学键旋转,导致原子在空间的排列方式发生改变。

目前的理论都无法解释所有的甜味物质,因为甜味的世界非常广阔,不局限于人类可以安全食用的物质。例如,氯仿的味道是甜的,且曾经被当作麻醉剂使用,直到人们发现其会造成肝损伤;一些单质包括铅、铍、氯也有甜味;有一些矿泉水因富含多种微量元素也显现出甜味,而一旦这些游离的离子种类或比例发生变化,甜味就会消失……对于产生甜味的化学结构和生物感知机理,至今还没有完全明白。

为自己代糖

在狩猎采集时代,甜味的供应远远不足。古罗马人用铅锅熬醋,得到高浓度的醋酸铅(铅糖)来代替蜂蜜。曾经有考古队在古罗马帝国墓穴中检测出骨骼的铅含量超过正常值高限的80倍!

随着人类掌握了克服自然界限制的方法,大量糖被生产出来。2019年全球糖产量1.74亿吨。然而由于糖给人带来的能量和欲望,作为一种商品似乎不符合经济学上的供需法则:供给的糖越多,人反而越想要糖。从1983年到2013年,添加糖(不是食物中的天然成分)的全球每日摄取量,从48克攀升到70克,增长了46%。白砂糖和高果糖玉米糖浆充斥着饮食,随处可见的饮料、果酱、蜜饯、甜点都以糖调味。

高糖饮食会扰乱基本的新陈代谢,包括身体消耗的热量、储存脂肪,以及处理养分的方式等。久而久之可能导致糖尿病、肥胖、心血管疾病等问题,还会损伤牙齿。最令人愉悦的甜味,已被视为威胁公众健康的杀手。如何能廉价地享受甜味带来的快感,又不承担“储能”过剩带来的后果呢?寻找味道和糖完全相同、又不危害健康的替代品(代糖)似乎是理想的解决方法。

目前食品中常用的代糖都是人工合成的,并且很多是无意中被发现的。糖精是1879年俄裔美国人法尔伯格在开发食物防腐剂时发现的,后来进行煤焦油中提炼糖精的工业化生产。甜蜜素是1937年伊利诺伊州立大学的研究生在合成退烧药时误食样品发现的。阿斯巴甜是1965年瑟尔药厂的实验员在研发胃溃疡药时发现的。后来人们又对阿斯巴甜进行了改造,使它的甜度达到了蔗糖的7000~13000倍,俗称纽甜,是目前最甜的代糖。三氯蔗糖是泰莱公司的研究人员在研究把蔗糖衍生物变成杀虫剂的方法时发现的。

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代糖造成的健康问题比糖模糊得多,随着越来越广泛的应用,争议也越来越大。有研究认为,代糖会影响身体的代谢。比如当阿斯巴甜在肠道内分解时,就会扰乱有害毒素的消除过程,从而导致毒素积累。还有专家认为,代糖导致肥胖和糖尿病的风险并不低于糖。到目前为止,还没有确切的关于代糖致癌的证据。

代糖分子能与甜味受体结合,但不是完全结合,就像一把能插入锁孔的钥匙,却无法打开锁一样,所以代糖的口感不像糖那样自然。比如阿斯巴甜(甜度是蔗糖的200倍)有少许金属余味,所以无法完全触发大脑的愉悦线路。代糖大多在水中的溶解度低,会粘在舌头上,因此味道会残留过久。另外,糖不仅仅是甜,而且应用广泛,可以做成从砂糖到焦糖等多种形式,这是代糖望尘莫及的。比如阿斯巴甜的热稳定性差,所以它主要被添加在饮料中。

近些年食品和饮料制造厂商竞相寻找天然的糖替代品。许多植物会制造有甜味的物质,但这些物质的味道仍然和糖不完全相同。比如奇异果甜蛋白会在舌头上残留几分钟,留下类似甘草的余味。

原产于西非的神秘果或许能启发人们对甜味换一种思路。这种红色浆果含有一种会改变其他味道的蛋白质。这种蛋白质单独存在时,可以阻止甜味受体正常工作,使人尝不出甜味。但如果有酸同时存在,就会激发甜味受体;食物越酸,尝起来反而越甜。

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不管是在科学认知还是在食品开发上,甜味有很多新领域有待探索。

-完-
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人间五味·甜
chemie

学校:中国石油大学(北京)

学历:博士研究生

专业:化学工程

职业:在读博士

评委点评 评语汇总

文章介绍了甜味的的发展历史、甜味的化学本质、舌头对于甜味的感知以及近期大火的“代糖”,涵盖内容丰富,语言可读性、通俗性强,图文结合表现清晰,是一篇很好的科普文章。

2020-11-09 01:52 匿名 ——

这是一篇专业性强、内容丰富的科普文章,从糖的功能、人类获取糖的历史、糖类的结构机理,介绍了代糖产品的潜在危害与不断改良的过程。作者通过对糖类研究的梳理,倡导科学精神,传播科学方法,显示了丰富的知识储备。但文章在甜味的化学和舌尖上的甜两部分内容中,需尽可能减少化学公式,采用更通俗易懂的方式介绍化学知识。

2020-10-22 09:27 匿名 ——

本文比较系统和专业地介绍了糖的发现与甜味的关系,作为科普文章,利用科学发现的事实与科学实验与时间演替揭示了人类数千年来在“甜蜜事业”上的探索与进步,文字通顺。结构合理,语言流畅,叙述问题逻辑性紧密,具有向公众普及“糖与甜”的知识的能力,是一篇不错的科普文章。但作为科普作品较多使用了专业性强的化学分子式,对于一般受众较难理解,语言文字的表述较为平淡。用一个短片文章叙述较长历史的故事,文学结构尚需提高。

2020-10-11 22:07 匿名 ——

科学性上,文章内容专业性很强,从糖与人类的伴随历史、糖的提取、糖的化学组成与人类感知糖的结构机理等诸多方面,引证详实图文并茂地为大家进行了介绍!通篇内容结构清晰,语言文字通俗流畅。但是在文学创作方面,作者缺少自己才思的发挥,所以可能使文章流于平淡枯燥,不具吸引力。但总体来看,这是一篇很好的科普文章!

2020-09-22 22:14 匿名 ——

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