蔗糖鹵代衍生物甜度與分子能量的關(guān)系研究

趙文武，陳仁遠(yuǎn)*，徐興江，陳夢(mèng)元

（貴州省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院仁懷分院，貴州 仁懷 564500）

隨著社會(huì)的發(fā)展及人們生活水平的日益提高，食用糖的消費(fèi)量也在逐年增加，特別是鹵代蔗糖中的三氯蔗糖[1-2]，這類糖作為非營(yíng)養(yǎng)食用糖，有甜度高、甜味特性好、安全性高、穩(wěn)定性好、不參與人體代謝的特點(diǎn)，被認(rèn)為是至今為止最完美、最具競(jìng)爭(zhēng)力的甜味劑，其開(kāi)發(fā)前景十分廣闊。2013年中國(guó)食糖的用量已達(dá)1 800萬(wàn)t，由于食糖是一種高熱量、低甜度的食品添加劑，長(zhǎng)期服用容易患肥胖、高血脂、糖尿病、冠心病和齲齒等疾病，嚴(yán)重危害人體健康；近年來(lái)，中國(guó)患有上述疾病的人數(shù)逐年增加，因此開(kāi)發(fā)低熱量、高甜度及具有功能性的非營(yíng)養(yǎng)型甜味劑就顯得尤為重要。而鹵代蔗糖以高甜度、低熱量及優(yōu)異的理化生物特性成為目前較好的可以替代食糖的甜味劑，特別是其中的三氯蔗糖被廣泛應(yīng)用于調(diào)味品中，在調(diào)味品中添加三氯蔗糖有效的抑制咸味，增加調(diào)味品鮮甜的口感，而且其在低pH和高溫條件下穩(wěn)定，良好的耐熱性，烹調(diào)時(shí)甜度沒(méi)損失，使得餐桌食品更加安全；由于其優(yōu)異的性能特點(diǎn)，應(yīng)用前景將不可估量，近年來(lái)新的鹵代蔗糖不斷被合成出來(lái)，但還需要進(jìn)一步進(jìn)行究，本研究通過(guò)研究鹵代蔗糖的總能量，再與它的甜度聯(lián)系起來(lái)，揭示它們之間一定的關(guān)系。通過(guò)此種方法，能為評(píng)估和預(yù)測(cè)鹵代蔗糖甜度的大小提供理論依據(jù)，通過(guò)此模型篩選出可能具有高甜度的衍生物，然后再對(duì)該衍生物進(jìn)行理化特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，從而能夠節(jié)省大量的實(shí)驗(yàn)工作和研究費(fèi)用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

Hyperchem7.5量子化學(xué)計(jì)算軟件：Hypercube軟件公司；ChemSketch10.0化學(xué)繪圖軟件：高級(jí)化學(xué)發(fā)展有限公司；鹵代蔗糖：北京源盛昌商貿(mào)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 鹵代蔗糖甜味機(jī)理

蔗糖是一個(gè)多羥基化合物，如圖1所示，在五元環(huán)和六元環(huán)連接的羥基有8個(gè)之多，甜味機(jī)理是基于一個(gè)簡(jiǎn)單的蛋白質(zhì)受體的假設(shè)模型之上[3]。1966年，DEUTSCH E W等[4]提出甜味的產(chǎn)生條件是分子內(nèi)要有疏水性結(jié)合部位，和另一個(gè)帶電的部位相結(jié)，這與醫(yī)藥品的活性結(jié)合有一定的相似性。1967年，SHALLENBERGER R S等[5]提出AH-B雙氫鍵假說(shuō)，首次提出有的甜味化合物具有相同的結(jié)構(gòu)特征，即擁有兩個(gè)帶相反電荷的原子A和B，兩者相距0.25～0.40 nm，含有一個(gè)帶正電荷的質(zhì)子，B為質(zhì)子受體。他們認(rèn)為甜味分子中的AH-B系統(tǒng)可和位于味蕾蛋白受體上合適AH-B系統(tǒng)進(jìn)行氫鍵結(jié)合，形成雙氫鍵復(fù)合結(jié)構(gòu)。甜味分子和甜味蛋白受體的復(fù)合反應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)依靠神經(jīng)沖動(dòng)傳遞的甜味刺激，而兩者間的復(fù)合強(qiáng)度決定了甜味刺激強(qiáng)度，即甜度，該假說(shuō)能夠很好地解釋已知的所有甜味化合物的甜味特性，形成了AH-B甜味機(jī)理理論。而不同蔗糖衍生物的空間結(jié)構(gòu)對(duì)蔗糖甜度的影響很大，不同甜味分子通過(guò)離子鍵、氫鍵和空間立體的作用方式與受體蛋白結(jié)合[6]，不同的蔗糖衍生物因?yàn)樯饒F(tuán)受鍵角大小、鍵長(zhǎng)長(zhǎng)短、不同取代基團(tuán)和空間位阻等條件的影響，與甜受體蛋白的結(jié)合程度不一樣，從而產(chǎn)生不同的甜度。

蔗糖結(jié)構(gòu)：

甜味分子與甜受體間雙氫鍵復(fù)合結(jié)構(gòu)：

1.2.2 數(shù)據(jù)采集

采用Hyperchem7.5[7]量化軟件，用PM3半經(jīng)驗(yàn)量子方法計(jì)算了16個(gè)蔗糖衍生物的總能（total energy，TE），分子生成熱（heat of formation，HOF），扭轉(zhuǎn)能Et，孤立原子能和電子能5個(gè)量子化學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)，取其中的12個(gè)鹵代蔗糖（見(jiàn)表1），并用總能量TE與蔗糖衍生物甜度建立聯(lián)系，蔗糖衍生物甜度的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于文獻(xiàn)[8-12]。

1.2.3 計(jì)算方法

利用ChemSketch10.0[13]軟件畫出各種蔗糖衍生物的結(jié)構(gòu)并進(jìn)行簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后用Hyperchme7.5對(duì)每一個(gè)樣本分子進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，同時(shí)采用PM3方法算出它們每一個(gè)分子的總能量，分子生成熱、扭轉(zhuǎn)能、孤立原子能和電子能5個(gè)量子化學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)[14-15]，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出分子總能量與蔗糖甜度大小的關(guān)系，其中，電子能可作為分子給出電子能力的量度，負(fù)值越大，軌道中的電子越穩(wěn)定，該分子給出電子的能力越小；孤立原子能與分子中原子的作用力相關(guān)，其負(fù)值越大，則表示電子進(jìn)入該軌道后體系能量降低越多，即分子接受電子的能力越強(qiáng)；TE是反映分子總能的參數(shù)，TE負(fù)值越大，說(shuō)明反應(yīng)活性越高；HOF表征分子的穩(wěn)定性，HOF值越高，分子越不穩(wěn)定，另外同樣用Hyperchem7.5計(jì)算出分子的電荷分布，并分析取代基（鹵素）、氫原子、氧原子上的電荷量，利用分子的電荷分布進(jìn)一步證明分子總能量大小與甜度大小之間的關(guān)系。

經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，研究12個(gè)樣品的量子化學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并查出了其相對(duì)于蔗糖的甜度值，結(jié)果見(jiàn)表1，找出樣品總能量與甜度值的關(guān)系，用于建立能量與甜度之間產(chǎn)關(guān)系模型，并用預(yù)測(cè)樣本對(duì)本模型進(jìn)行驗(yàn)證。

2 結(jié)果與討論

對(duì)樣品進(jìn)行分組處理，按照相似性的規(guī)律進(jìn)行分組，使建立的模型更具說(shuō)服力，用分子總能量與其相對(duì)甜度建立聯(lián)系，利用分子總能量能較好的對(duì)鹵代蔗糖甜度進(jìn)行估計(jì)，而其他參數(shù)可用于輔助的數(shù)據(jù)分析。

表1 樣品集中蔗糖衍生物的量子化學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)及其相對(duì)甜度的文獻(xiàn)值Table 1 Quantum chemical structure parameters and its sweetness of sucrose derivatives

2.1 總能量TE、電荷分布與鹵代蔗糖甜度大小的關(guān)系

2.1.1 取代基數(shù)目不同對(duì)鹵代蔗糖甜度的影響

由表2可知，對(duì)蔗糖進(jìn)行溴代處理，取代位分別是4-OH，1'-OH，4'-OH，6'-OH的組合，可以很清晰的看到，隨著取代的溴原子數(shù)目的增多，溴代蔗糖分子的總能量的絕對(duì)值在增大，而其相對(duì)于蔗糖的甜度值也在急劇增大。鹵代蔗糖的甜度大小與生甜團(tuán)密切相關(guān)，蔗糖可能具有兩個(gè)不同生甜團(tuán)，分別是2-OH（AH）/3-O（B）和3'-OH（AH）/2-O（B），生甜團(tuán)與甜味受體結(jié)合，從而使人能夠感覺(jué)到甜味，甜度的大小與鹵代蔗糖分子上的電荷分布有關(guān)，但與鹵素原子的半徑和電負(fù)性也密切相關(guān)，從表2可以看出，3-OH上的O原子上的電荷密度，隨著O上電荷量的減少，溴代蔗糖的甜度在增大。

表3 不同取代基數(shù)目的蔗糖衍生物總能量與對(duì)應(yīng)的甜度值Table 3 Total energy and its sweetness of sucrose derivatives with different number of substituent

由表3可知，對(duì)蔗糖進(jìn)行溴代處理，從二氟蔗糖到三氟蔗糖，分子的總能量增大，甜度也隨之增大，總體來(lái)看，氟代蔗糖的甜度比蔗糖增加的倍數(shù)不是那么大，不超過(guò)100倍，但是從二氟蔗糖到三氟蔗糖，多增加一個(gè)氟原子，后者是前者的10倍，這個(gè)幅度還是比較大的，隨著取代原子數(shù)的增多，氟代蔗糖的甜度在增大，但是氟原子電負(fù)性比較大，造成分子形成內(nèi)氫鍵，甜味劑不能和人體口腔內(nèi)的受體蛋白結(jié)合，總體上的氟代蔗糖的甜度不像溴代蔗糖和氯代蔗糖的甜度那么大。

2.1.2 相同位置的不同鹵素取代對(duì)甜度的影響

從表4可知，把蔗糖的4-OH，1'-OH，6'-OH用不同的鹵原子取代，隨著分子總能量的增加，鹵代蔗糖的甜度值也在增加，但是，4，1'，6'-三氟蔗糖卻反常，它的總能量最高，但是相對(duì)甜度卻最低，這是因?yàn)椋現(xiàn)原子的電負(fù)性是所有元素中最大的，在溶液中形成了內(nèi)氫鍵，導(dǎo)致氟代蔗糖上的生甜團(tuán)難以與口腔內(nèi)受體蛋白結(jié)合，從而使它的甜度大大降低，只有蔗糖甜度的40倍，如果按按照電負(fù)性的規(guī)律，4，1'，6'-三碘蔗糖的甜度應(yīng)該是4個(gè)衍生物中最大的，但是，其甜度卻小于4，1'，6'-三氯蔗糖和4，1'，6'-三溴蔗糖，這是因?yàn)樘鸲鹊拇笮∵€與鹵素原子的半徑大小有關(guān)，半徑過(guò)大，會(huì)造成空間位阻過(guò)大，這樣也可了阻礙鹵代蔗糖上的生甜團(tuán)與受體蛋白結(jié)合，從而也使鹵代蔗糖甜度的減小，鹵代原子只有適中的電負(fù)性和適合的半徑，才能大大提高鹵代蔗糖的甜度。

表4 相同位置的不同蔗糖鹵代衍生物總能量與對(duì)應(yīng)的甜度值Table 4 Total energy and its sweetness of different sucrosehalogenated derivatives in same position

2.1.3 同一位置蔗糖脫氧與鹵代對(duì)其甜度的影響

表5 相同位置的蔗糖脫氧與鹵代衍生物總能量與對(duì)應(yīng)的甜度值Table 5 Total energy and its sweetness of deoxy or sucrosehalogenated derivatives in same position

由表5可知，對(duì)蔗糖上的4'-OH進(jìn)行脫氧處理，得到4'-脫氧-4，1'，6'-三氯蔗糖，分子的總能量降低，而且降幅比較大，甜度值減小，當(dāng)分子的4'-OH被脫去后，生甜團(tuán)被破壞，這樣造成4'-脫氧-4，1'，6'-三氯蔗糖甜度比4，1'，6'-三氯蔗糖低；溴代后得到4'-溴-4，1'，6'-三氯蔗糖，分子的總能量升高，甜度增大，從脫氧到溴代，分子的總能量升高，相對(duì)甜度值也增大，從3'-OH上的O原子的電荷來(lái)看，從脫氧到溴代，O原子上的電荷減少，甜度值在增加。

2.1.4 兩種鹵素同時(shí)取代對(duì)甜度的影響

表6 兩種鹵素同時(shí)取代的蔗糖衍生物總能量與對(duì)應(yīng)的甜度值Table 6 Total energy and its sweetness of sucrose derivatives replaced by two kinds of halogen

由表6可知，用氟原子和溴原子取代蔗糖分子，4-氟-1'，6'-二溴蔗糖和4-氟-1'，4'，6'-三溴蔗糖的總能的絕對(duì)值都比較大，雖然蔗糖分子取代了2種不同的鹵素，但它們的甜度也是隨著總能量的增加而增大，隨著鹵代原子數(shù)的增加，甜度在增大。

2.2 預(yù)測(cè)樣本的分子總能量與甜度關(guān)系的分析

為了驗(yàn)證上述結(jié)論的正確性，取6個(gè)鹵代蔗糖衍生物，用PM3半經(jīng)驗(yàn)量子化學(xué)方法算出分子總能量、扭轉(zhuǎn)能、生成熱、電子能、孤立原子能這5個(gè)量子化學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并查出了其相對(duì)于蔗糖的甜度值，結(jié)果如表7所示。

表7 預(yù)測(cè)樣品的量子化學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)及其相對(duì)甜度的文獻(xiàn)值Table 7 Predict sample quantum chemical structure parameters of sucrose derivatives and its sweetness

由表7可知，在蔗糖的C-4、C-1'、C-4'和C-6'位上的取代是使蔗糖的甜味增強(qiáng)的，隨著取代基的個(gè)數(shù)增加，蔗糖衍生物的分子總能量是增大了，相對(duì)甜度值也在增大，對(duì)蔗糖進(jìn)行氯代處理，在C-4、C-1'、C-4'和C-6'這些位置上，首先取代一個(gè)氯原子，得到4-氯蔗糖，然后分別在增加取代的數(shù)目，得到4，1'-二氯蔗糖、4，1'，6'-三氯蔗糖和4，1'，4'，6'-四氯蔗糖，從分子總能量來(lái)看，它們能量的絕對(duì)值是增大的，然后再看它們相對(duì)蔗糖的甜度值，也是依次增大的，結(jié)果表明，蔗糖衍生物的甜度值是隨取代基數(shù)目的增多而增大，隨著分子總能量的增大而增大。

在同一個(gè)蔗糖分子上的C-4、C-1'、C-4'和C-6'四個(gè)位置上取代2種以上的鹵素，從建立的模型來(lái)看，蔗糖衍生物的甜度隨著總能量和取代基數(shù)目的增大而增大，從表7可知，4-氯-1'，4'，6'-三溴蔗糖和4-氟-1'，4'，6'-三氯蔗糖這兩個(gè)蔗糖衍生物之間的相似性不大，但從能量和甜度的關(guān)系來(lái)看，隨著分子總能量的增大，其相對(duì)甜值是增大的。

3 結(jié)論

利用量子化學(xué)計(jì)算軟件Hyperchem7.5計(jì)算蔗糖衍生物分子的能量是非常方便的，建立的模型是利用分子總能量的大小預(yù)測(cè)未知蔗糖衍生物甜度值的大?。唤Y(jié)果表明蔗糖衍生物的甜度值是隨著分子能量的增大而增大的，又加以用預(yù)測(cè)樣本進(jìn)行驗(yàn)證，更進(jìn)一步證明了些模型有一定的預(yù)測(cè)能力，此模型是非常清晰的，直接用分子總能量與甜度之間建立聯(lián)系，簡(jiǎn)單而方便、有效；最后得出在C-4、C-1'、C-4'和C-6'這四個(gè)位置上，蔗糖鹵代衍生物甜度的大小隨著取代基的數(shù)目和分子總能量的增大而增大。通過(guò)試驗(yàn)得到的結(jié)論，能為預(yù)測(cè)和評(píng)估鹵代蔗糖的甜度大小提供理論依據(jù)，通過(guò)此模型篩選出可能具有高甜度的衍生物，再對(duì)該其進(jìn)行理化特性的測(cè)試試驗(yàn)，從而能夠節(jié)省大量的實(shí)驗(yàn)工作和研究費(fèi)用，并且可應(yīng)用于其他新型甜味劑的開(kāi)發(fā)和研究工作。

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