氯代蔗糖的分子結(jié)構(gòu)與甜味度

申屠陽 李常青 劉志濱

（浙江普洛醫(yī)藥科技有限公司，浙江 東陽 322118）

甜味劑是人類生活中不可或缺的甜味感受物質(zhì)，一種既安全，又低或無熱量的甜味劑是人們長期以來所追求的。早在上世紀(jì)70年代Tale&Lyle公司和英國倫敦大學(xué)Qurren Elizabeth學(xué)院的Haugh[1]教授課題組之間的合作研究項(xiàng)目期間，發(fā)現(xiàn)鹵素有選擇地取代蔗糖分子的一些羥基就能夠大大增強(qiáng)其甜味度，要比蔗糖的甜味度高出數(shù)百倍甚至千倍以上。表1匯集了蔗糖的一些氯代衍生物與蔗糖的相對甜度。該表是由檢測氯代蔗糖衍生物的甜味與10%（W/V）蔗糖水溶液的甜味進(jìn)行比較而獲得的[2]。

由表 1 可知，化合物（1）（1’，4，6，6’-四氯代物）的甜味度可與糖精相比，但是在品質(zhì)方面，化合物(1)類似于蔗糖[1]。 而化合物（2）（6，6’-二氯代物）是不甜的，可以假設(shè)化合物（1）的1’-位和4-位是增強(qiáng)蔗糖甜味度的重要因素，該假設(shè)是受到化合物（3）（1’-氯代物）和化合物（4）（4-氯代物）與蔗糖比較的結(jié)果所支持的，其甜味度分別是蔗糖的20倍和5倍，同時(shí)化合物（5）（6-氯代物）是苦的，然而驚奇的是化合物（6）（6’-氯代物）的甜味如同化合物（3）（1’-氯代物）。 可以得出：蔗糖的碳-1’與碳-4（反手性的）或碳-6’的羥基被氯取代后的結(jié)果，其甜味就會(huì)更加增強(qiáng)了。這是具有二個(gè)協(xié)同聯(lián)合增強(qiáng)效應(yīng)的取代物，即化合物（7）（1’，4-二氯代物）和化合物（8）（1’，6’-二氯代物）。其甜味度是蔗糖的500～600倍。當(dāng)然，在所有的三個(gè)協(xié)同聯(lián)合增強(qiáng)效應(yīng)的取代物中以化合物（9）（1’，4，6’-三氯代物）為該系列中最甜的化合物，是蔗糖的甜味度的2000倍。在所有的情況下，當(dāng)由氯取代具有甜味的二氯代物或三氯代物的6-位的羥基時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致這些化合物原有甜味的降低。

順便指出：化合物（9）（1’，4，6’-三氯代物）的LD50≥16 g/kg（按鼠），在實(shí)踐中都是能夠控制的，同時(shí)化合物 （9）（1’，4，6’-三氯代物） 不能被 α-D-葡糖苷酶或β-D-呋喃果糖苷酶水解，所以不可能代謝。

由上述的事實(shí)可以看出：甜味與蔗糖及其氯代衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)存在著一定的關(guān)系 ，在1967年Shallenberger和Acree[3]將甜味與蔗糖或多元醇的一些1，2-亞乙基二元醇的結(jié)構(gòu)單元聯(lián)系起來，即分子中一個(gè)羥基起著氫鍵供體（AH）的作用，而另一個(gè)羥基就成為氫鍵受體（B），并且AH質(zhì)子和電負(fù)性基團(tuán)B之間 的軌道距離約為3魡，如此的分子結(jié)構(gòu)關(guān)系稱為“生甜團(tuán)”。甜味就是該“生甜團(tuán)”的氫和在“感受器”的位置點(diǎn)上類似開AH、B單位之間的鍵合而產(chǎn)生的，“感受器”很可能是蛋白質(zhì)分子的細(xì)胞膜。

表1 蔗糖與其氯代衍生物的相對甜味度

在1972年Kier[4]指出對于立體專一性的“感受器”位置點(diǎn)還需要增設(shè)第三鍵合點(diǎn)（X），基為疏水性的，相距A（AH）位置點(diǎn)為3.5魡，相距B位置點(diǎn)為5.5魡，若要增強(qiáng)蔗糖的甜味度就必須認(rèn)可AH，B，X三角形模型，將基團(tuán)X的疏水性（多數(shù)為羥基）由更起疏水作用的取代基（氯）而取代，蔗糖是非常親水的，由氯取代羥基之后，增強(qiáng)了分子的親油性，就更便于吸入“感受器”位置點(diǎn)上。

我們以化合物 （9）（1’，4，6’-三氯代物）（圖1）為例，由上述結(jié)果得到如下結(jié)論：第一，1’-氯取代對于蔗糖甜味的增強(qiáng)是重要的，它為“生甜團(tuán)”三角形模型的B單位，可以起到來自“感受器”位置點(diǎn)氫鍵受體的作用。第二，4-位直立鍵的親油性基團(tuán)也是甜味增強(qiáng)的關(guān)鍵，當(dāng)然是鎖定X，當(dāng)4-氯代后，就增強(qiáng)了親油性。第三，2-羥基為平伏鍵，就必然起到AH的作用，那么化合物（9）（1’，4，6’-三氯代物）的生甜團(tuán)為：B=1’-Cl，AH=2-OH，X=4-Cl。該生甜團(tuán)三角形模型可以很好的解釋：化合物（3）（1’-氯代物），化合物（4）（4-氯代物）以及化合物（7）（1’4-二氯代物）的甜味增強(qiáng)的原因。

圖 1 化合物（9）（1’，4，6’-三氯蔗糖）的 1’，2，4-生甜團(tuán)三角形圖

有一個(gè)問題：為什么化合物(8)（1’，6’-二氯代物）和化合物（9）（1’，4，6’-三氯代物）的甜味增強(qiáng)是6’-位為重要呢？研究分子模型顯示：當(dāng)圍繞著C-O-C糖苷鍵間稍加旋轉(zhuǎn)時(shí)，就能夠形成另一種生甜團(tuán)（圖2）。如此6’-氯就起著4-氯或4-氫作為親油基團(tuán)X的作用，所以生甜團(tuán)為：B=1’-Cl,AH=2-OH，X=6’-Cl。在上述兩種情況下，分子模型與Kier的三角形尺寸大約一致，生甜團(tuán)的取代基是共平面的，并且以相同的順序適合著“感受器”位置點(diǎn)的手征性。

圖 2 化合物（8）（1’，6’-二氯蔗糖）的 1’，2，6’-生甜團(tuán)三角形圖

還有一點(diǎn):6-氯親油基團(tuán)起到相反的作用，還有待進(jìn)一步闡明。若6-氯與軸向的4-取代基團(tuán)（X）因競爭而分散開，要鎖定“感受器”位置點(diǎn)時(shí)，就要阻止2-OH（AH）粘結(jié)到味蕾相應(yīng)的“感受器”位置點(diǎn)上。

將氯引入蔗糖分子結(jié)構(gòu)中，顯然是增強(qiáng)蔗糖的親油性，這是增強(qiáng)蔗糖甜味的一個(gè)重要因素，當(dāng)最佳狀態(tài)親水的和親油的化學(xué)結(jié)構(gòu)與AH，B，X偶合，即化合物（9）（1’，4，6’-三氯代物）粘繞到“感受器”位置點(diǎn)為最佳狀態(tài)。應(yīng)用該知識(shí)就能夠制造出一種既安全、低或無熱量的、又能降低牙齒齲齒風(fēng)險(xiǎn)的甜味劑。同樣，深刻了解甜味分子結(jié)構(gòu)與活性之間的關(guān)系，并伴隨相關(guān)的生理機(jī)理的闡明，發(fā)展甜味劑的前景將激動(dòng)人心。

[1]Hough L,Phadnis S R.Enhancement in the sweetness of sucrose[J].Nature,1976，263：800.

[2]Hough Phadnis S R,Kh R,Jenner M R.Sweeteners：GB，1543167[P].1976-01-08.

[3]Shallenberger R S，Acree T E.Molecular theory of sweet taste[J].Nature,1976,216:480-482.

[4]Kier L B.A molecular theory of sweet taste[J].J.Pharm.Sci,1972,61:1394-1397.