王思遠

世界衛(wèi)生組織旗下國際癌癥研究機構(gòu)公布的一項阿斯巴甜對健康影響的評估結(jié)果，將其列為“可能”對人類致癌的2B類致癌物，同屬于這個類別的物質(zhì)還包括瀝青、機動車尾氣、汽油等。

阿斯巴甜可能致癌成為備受矚目的消息，拋開致癌性本身，我們是否想過：人造甜味劑為什么有甜味？我們是如何感受甜味的？這與分子結(jié)構(gòu)有什么關(guān)系？

自然界中的糖

為了了解人造的甜味劑，我們當然要先了解天然的甜味物質(zhì)，最為熟知的自然是糖。說到糖，我們往往還會提到碳水化合物。在生物化學(xué)領(lǐng)域，這兩個詞基本可以畫等號，然而在很多其他領(lǐng)域或者語境下，碳水化合物是一個更加廣泛的概念。之所以有碳水化合物這一術(shù)語，因為這類物質(zhì)往往具有C（HO）的組成通式。當然，有些具有該通式的化學(xué)物質(zhì)一般不歸為碳水化合物，如甲醛和乙酸。

也有些被歸為碳水化合物的物質(zhì)不嚴格遵循該通式，如糖醛酸。

我們拋開很復(fù)雜的碳水化合物大家族不談，回歸到“糖”這個稱呼上來。在生物化學(xué)領(lǐng)域，一種相對大眾的分類是將糖分為單糖、雙糖、低聚糖和多糖四種。如果談甜度，甚至可以選取更為狹義的糖的定義，即“有甜味可溶性的碳水化合物”。這時，糖基本上僅包含單糖和雙糖兩類。

單糖是指無法進一步水解的糖，一般只把含碳原子數(shù)不小于3個的分子包含進來。按照碳原子數(shù)的不同，我們可以把含有三、四、五、六和七個碳原子的單糖稱為三糖、四糖、戊糖、己糖和庚糖。在高中生物的課程中，我們接觸過三種常見的己糖即葡萄糖、果糖和半乳糖，以及兩種戊糖即核糖和脫氧核糖。

我們需要認識到，單糖的家族并非只有這五種，比如木糖就是另一種重要的戊糖。它是半纖維素木聚糖的主要組成部分，且可以通過催化氫化還原反應(yīng)得到我們熟知的木糖醇。

另外，可能細心的讀者已經(jīng)開始疑惑：為什么糖的結(jié)構(gòu)式有時候?qū)懗森h(huán)狀，有時候?qū)懗涉湢?？為什么有時候會在名稱前加上“D-”或“L-”以及“α-”或“β-”的修飾？這就引出了兩個重要的概念：單糖環(huán)化以及手性異構(gòu)。

熟悉化學(xué)的讀者應(yīng)該知道，成環(huán)和形成雙鍵都會引入一個不飽和度，因此對于鏈狀單糖，由于含有一個碳—氧雙鍵，可以將這個不飽和度轉(zhuǎn)化為成環(huán)而得到相應(yīng)的異構(gòu)體。這種由醛基或羰基與不同碳原子上的羥基發(fā)生的可逆反應(yīng)，會形成具有氧橋的雜環(huán)。一般來講，在水溶液中，如果單糖具有四個以上的碳，則傾向于以環(huán)的形式存在。因此我們體內(nèi)的各種單糖一般呈現(xiàn)環(huán)狀。

然而，這種反應(yīng)并不限制醛基或羰基與哪個碳反應(yīng)成環(huán)，比如葡萄糖中醛基可以與不同碳位點反應(yīng)形成五元環(huán)形式的呋喃糖或者六元環(huán)形式的吡喃糖。

對于分子中含有連接四種不同基團的碳原子時，往往會存在手性異構(gòu)，即分子的兩種構(gòu)型組成相同但是無法通過平移旋轉(zhuǎn)等操作重合。糖的結(jié)構(gòu)中包含著這樣的碳原子，因此幾乎所有的糖都存在著需要加以區(qū)分的手性異構(gòu)體?！癉-”或“L-”以及“α-”或“β-”的前綴就是按照一套規(guī)范對于異構(gòu)體進行分別的記號。

如果考慮這種細節(jié)，我們在課本中所學(xué)習(xí)到的三種雙糖——蔗糖、乳糖、麥芽糖——其實是由特定結(jié)構(gòu)的葡萄糖、半乳糖或果糖脫水縮合形成的。比如蔗糖是由吡喃型α-D-葡萄糖與呋喃型D-果糖結(jié)合形成的。乳糖是由β-D-吡喃半乳糖與D-吡喃葡萄糖結(jié)合形成的。而麥芽糖則是兩個D-吡喃葡萄糖結(jié)合形成的，它也是直鏈淀粉的水解產(chǎn)物。

只有糖是甜的？

了解了這么多關(guān)于糖的知識，我們可以開始探討這樣兩個問題：糖一定甜嗎？只有糖有甜味嗎？

一般來說，可溶于水的單糖或雙糖都是有甜味的，但是不可溶的多糖如淀粉、糖原等則沒有甜味。不同類型的糖甜度并不一致，我們往往以蔗糖作為參考去衡量不同物質(zhì)的相對甜度，即認為蔗糖的甜度為1。

相對甜度的確定一般是通過對比達到相同甜度所需濃度得到的，比如綜合一些專業(yè)測試者的意見，某種物質(zhì)的1%質(zhì)量分數(shù)的溶液與蔗糖10%質(zhì)量分數(shù)的溶液甜度相當，那么該物質(zhì)的甜度就是10。

我們可以列出一些物質(zhì)相對于蔗糖的甜度，那么上面的問題也就隨之有了答案：并不是只有糖類物質(zhì)才是甜的。比如在表格中，我們找到了一開始提到的人工甜味劑阿斯巴甜，也看到了一些醇類、蛋白質(zhì)等物質(zhì)。其實，這正是人造甜味劑得以存在的原因——甜度高但是不會被人體代謝產(chǎn)生大量能量。因為人造甜味劑存在的目的就是讓一些食物等味道好但是不會導(dǎo)致蛀牙、肥胖等真實糖類的不良后果。

那么除了前面提到的兩點，保證甜味劑的安全無毒自然也是重要的指標。比如早在2000多年前羅馬人用鉛鍋煮葡萄汁就曾得到含有醋酸鉛的甜味糖漿，用作甜味劑，稱為“鉛糖”，但是這種物質(zhì)被發(fā)現(xiàn)是有毒的而被棄用。鉛中毒甚至被列為導(dǎo)致羅馬帝國走向覆滅的可能因素之一。隨后，金屬鈹?shù)柠}被發(fā)現(xiàn)有甜味，也因毒性無法用作甜味劑。所以，今天我們在討論阿斯巴甜致癌的可能性也是在進行這類驗證，盡最大可能保證甜味劑的安全性。隨著歷史發(fā)展，有幾種相對成功且著名的甜味劑。比如1879年Ira Remsen和Constantin Fahlberg制備了糖精，使得糖尿病患者可以吃上有甜味的食物，實現(xiàn)了人工甜味劑的第一次重要突破。

約60年后，Michael Sveda在研究一種物質(zhì)時將香煙放在實驗臺上，又一次拿起時發(fā)現(xiàn)香煙變甜了，原因是沾上了這種物質(zhì)的結(jié)晶，因此意外發(fā)現(xiàn)了甜蜜素。

而糖精的近親——安賽蜜也以同樣偶然的方式被發(fā)現(xiàn)：化學(xué)家Karl Clauss于1967年在實驗中為了拿起一張濾紙而舔了舔手指，發(fā)現(xiàn)居然是甜的！

而著名的阿斯巴甜則是1965年James Schlatter在研制藥物時發(fā)現(xiàn)的，它是由天冬氨酸和苯丙氨酸這兩種氨基酸經(jīng)過脫水縮合形成的二肽。雖然這兩種氨基酸是會被人體代謝而產(chǎn)生熱量的，但由于阿斯巴甜甜度很高，可以只添加很少的量，所以仍作為相對成功的甜味劑。

為什么是甜的？

既然糖類、醇類、氨基酸類甚至無機分子都可能是甜的，那么它們在結(jié)構(gòu)上有哪些共性？我們又是如何感知到甜味的？

科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，人感受甜味是通過在細胞膜上的甜味受體——由T1R2和T1R3亞基組成的異二聚體，這是一種被稱為G蛋白偶聯(lián)受體的特殊結(jié)構(gòu)。每個亞基都可以大體分為三個部分：嵌入在膜內(nèi)的7個跨膜結(jié)構(gòu)域、伸出在膜外的捕蠅器（VFT）結(jié)構(gòu)域以及連接二者的連接體。其中，有多個特定的位點都可以與被探測的分子產(chǎn)生分子間作用。

如果分子的結(jié)構(gòu)合適，那么它就能通過與這些特異性位點作用從而激活該受體，誘導(dǎo)出生物信號而被人體感知。比如天然的蔗糖、葡萄糖以及人工加工的三氯蔗糖可以與T1R2和T1R3的VFT結(jié)構(gòu)域作用而激活受體；二肽甜味劑如阿斯巴甜僅與T1R2的VFT結(jié)構(gòu)域作用，也可以產(chǎn)生甜的感受。

那么，什么樣的結(jié)構(gòu)是合適的呢？現(xiàn)在比較普遍接受的理論是“甜味三角形”理論。該理論認為甜的分子在立體結(jié)構(gòu)中應(yīng)當包含三個空間上有一定相對距離的特征區(qū)域。其中A區(qū)域是一個氫鍵供體（含氫，如羥基O—H），B區(qū)域是一個氫鍵受體，C區(qū)域（也稱為X）則是一個疏水基團。因此，該理論也被稱為AH-B-X理論。在阿斯巴甜分子中，也可以找到這些特征區(qū)域，因此具有甜味。

1991年，Jean-Marie Tinti和Claude Nofre提出了更復(fù)雜的多點依賴理論（MPA），其中涉及甜味劑和甜味受體之間共八個相互作用位點。該模型成功地指導(dǎo)了對于更高效甜味劑的尋找，比如胍類甜味劑中的Lugduname比蔗糖甜約225000倍！

對“阿斯巴甜”安全性的討論

阿斯巴甜是一種二肽類的甜味添加劑，甜度是白糖的200倍左右。被廣泛地應(yīng)用于汽水飲料、雪糕、果醬、奶油等食品中，市面上?？吹降摹?糖0脂0卡”類食品，多半就添加了阿斯巴甜。

不久前，世界衛(wèi)生組織旗下國際癌癥研究機構(gòu)公布了一項阿斯巴甜對健康影響的評估結(jié)果，將其列為“可能”對人類致癌的2B類致癌物，同屬于這個類別的物質(zhì)還包括瀝青、機動車尾氣、汽油等。在同一天，國家食品安全風(fēng)險評估中心聯(lián)合國家癌癥中心，也公布了一份安全性評估，指出阿斯巴甜按照我國現(xiàn)行標準規(guī)范使用可以保障安全。

拋開致癌性本身，我們是否想過：人造甜味劑為什么有甜味？我們是如何感受甜味的？這與分子結(jié)構(gòu)有什么關(guān)系？

事實上，自從1981年美國FDA批準阿斯巴甜上市以來，圍繞其安全性的質(zhì)疑不斷。那么，添加了阿斯巴甜的食物還能吃嗎？

怎樣理解“可能致癌”？從1965年開始，國際癌癥研究機構(gòu)開始分析致癌物工作，將致癌物質(zhì)分為四個等級。

1級致癌物，指實驗可以明確證明其致癌和原理機制。如煙草、酒精、黃曲霉素、檳榔等；2級致癌物，是指在動物實驗中已證實，但人群樣本研究的致癌證據(jù)有限，其中又分為2A和2B兩類，相比2A級致癌物，阿斯巴甜可能涉及的2B級，代表致癌可能性更低；3級致癌物，在動物實驗中有致癌性，人群研究明確無致癌性；4級致癌物，指沒有充足研究和實驗證明其致癌性。

所謂“可能致癌”，跟很多因素有關(guān)，包括個人體質(zhì)、基因不同和食用“劑量”。尤其是劑量，就像侯寶林的傳統(tǒng)相聲段子，說“阿司匹林雖治感冒，一下吃2斤也能出人命”。有報道稱，阿斯巴甜達到致癌風(fēng)險的劑量是——140斤重的成年人，每天喝10～15罐無糖飲料。這個說法雖然沒有官方確認，但專家對我明確表示，阿斯巴甜恐慌大可不必，相比之下，酒精、火腿、培根等加工肉類有更高致癌風(fēng)險。所以，只要記住“食用有節(jié)制、別任性”即可。

“阿斯巴甜風(fēng)波”背后，是代糖類甜味劑產(chǎn)業(yè)的新機遇和挑戰(zhàn)。阿斯巴甜是目前最普及、最穩(wěn)定和產(chǎn)業(yè)鏈最完整的甜味劑。中國是阿斯巴甜最大的生產(chǎn)國，產(chǎn)能占全球75%，80%的阿斯巴甜出口海外。專家認為，國際組織的致癌安全性裁定并不會影響到阿斯巴甜在國內(nèi)的合規(guī)性、應(yīng)用現(xiàn)狀和行業(yè)格局。

但從趨勢上看，即使沒有這次的“阿斯巴甜風(fēng)波”，消費端也在不斷倒逼產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新升級，阿斯巴甜未來大概率會被替換。

行業(yè)研報指出——甜味劑市場體量不斷上升，消費者更加偏好天然甜味劑。國際食品數(shù)據(jù)機構(gòu)《2010—2020年代糖產(chǎn)品全球終端消費市場數(shù)據(jù)》顯示，十年間，人工代糖在全球市場的占比從91.8%下降至70.6%，天然代糖則由8.1%提升至29.4%。常見的天然甜味劑包括赤蘚糖醇、甜菊糖苷、羅漢果苷等，國內(nèi)一些食品飲料企業(yè)也在密切關(guān)注功能性甜味劑的應(yīng)用。

阿斯巴甜的爭論還在繼續(xù)，但市場中已經(jīng)有一些飲料廠商，把宣傳營銷重點，從“0脂0卡”，變成了“0阿斯巴甜”。這聽上去頗有“見風(fēng)使舵”的意思，但也反映了消費市場某種程度的波動性和脆弱性。

隨著市場良性競爭更加充分和人們對營養(yǎng)和大健康的自我管理意識加強，政策端、產(chǎn)業(yè)端、消費端和媒體科普端，共同發(fā)力，將形成對保障國民食品安全、高品質(zhì)生活的有效抓手和壓艙石。

（劉誼人摘自《科學(xué)大觀園》2024年第3期）