蔗糖鹵代衍生物甜度與分子能量的關系研究

趙文武，陳仁遠*，徐興江，陳夢元

（貴州省產品質量監督檢驗院仁懷分院，貴州 仁懷 564500）

隨著社會的發展及人們生活水平的日益提高，食用糖的消費量也在逐年增加，特別是鹵代蔗糖中的三氯蔗糖[1-2]，這類糖作為非營養食用糖，有甜度高、甜味特性好、安全性高、穩定性好、不參與人體代謝的特點，被認為是至今為止最完美、最具競爭力的甜味劑，其開發前景十分廣闊。2013年中國食糖的用量已達1 800萬t，由于食糖是一種高熱量、低甜度的食品添加劑，長期服用容易患肥胖、高血脂、糖尿病、冠心病和齲齒等疾病，嚴重危害人體健康；近年來，中國患有上述疾病的人數逐年增加，因此開發低熱量、高甜度及具有功能性的非營養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用于調味品中，在調味品中添加三氯蔗糖有效的抑制咸味，增加調味品鮮甜的口感，而且其在低pH和高溫條件下穩定，良好的耐熱性，烹調時甜度沒損失，使得餐桌食品更加安全；由于其優異的性能特點，應用前景將不可估量，近年來新的鹵代蔗糖不斷被合成出來，但還需要進一步進行究，本研究通過研究鹵代蔗糖的總能量，再與它的甜度聯系起來，揭示它們之間一定的關系。通過此種方法，能為評估和預測鹵代蔗糖甜度的大小提供理論依據，通過此模型篩選出可能具有高甜度的衍生物，然后再對該衍生物進行理化特性的實驗測試，從而能夠節省大量的實驗工作和研究費用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

Hyperchem7.5量子化學計算軟件：Hypercube軟件公司；ChemSketch10.0化學繪圖軟件：高級化學發展有限公司；鹵代蔗糖：北京源盛昌商貿有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 鹵代蔗糖甜味機理

蔗糖是一個多羥基化合物，如圖1所示，在五元環和六元環連接的羥基有8個之多，甜味機理是基于一個簡單的蛋白質受體的假設模型之上[3]。1966年，DEUTSCH E W等[4]提出甜味的產生條件是分子內要有疏水性結合部位，和另一個帶電的部位相結，這與醫藥品的活性結合有一定的相似性。1967年，SHALLENBERGER R S等[5]提出AH-B雙氫鍵假說，首次提出有的甜味化合物具有相同的結構特征，即擁有兩個帶相反電荷的原子A和B，兩者相距0.25～0.40 nm，含有一個帶正電荷的質子，B為質子受體。他們認為甜味分子中的AH-B系統可和位于味蕾蛋白受體上合適AH-B系統進行氫鍵結合，形成雙氫鍵復合結構。甜味分子和甜味蛋白受體的復合反應產生一個依靠神經沖動傳遞的甜味刺激，而兩者間的復合強度決定了甜味刺激強度，即甜度，該假說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甜味機理理論。而不同蔗糖衍生物的空間結構對蔗糖甜度的影響很大，不同甜味分子通過離子鍵、氫鍵和空間立體的作用方式與受體蛋白結合[6]，不同的蔗糖衍生物因為生甜團受鍵角大小、鍵長長短、不同取代基團和空間位阻等條件的影響，與甜受體蛋白的結合程度不一樣，從而產生不同的甜度。

蔗糖結構：

甜味分子與甜受體間雙氫鍵復合結構：

1.2.2 數據采集

采用Hyperchem7.5[7]量化軟件，用PM3半經驗量子方法計算了16個蔗糖衍生物的總能（total energy，TE），分子生成熱（heat of formation，HOF），扭轉能Et，孤立原子能和電子能5個量子化學結構參數，取其中的12個鹵代蔗糖（見表1），并用總能量TE與蔗糖衍生物甜度建立聯系，蔗糖衍生物甜度的數據主要來源于文獻[8-12]。

1.2.3 計算方法

利用ChemSketch10.0[13]軟件畫出各種蔗糖衍生物的結構并進行簡單的結構優化，然后用Hyperchme7.5對每一個樣本分子進行進一步的結構優化，同時采用PM3方法算出它們每一個分子的總能量，分子生成熱、扭轉能、孤立原子能和電子能5個量子化學結構參數[14-15]，然后對數據進行分析，找出分子總能量與蔗糖甜度大小的關系，其中，電子能可作為分子給出電子能力的量度，負值越大，軌道中的電子越穩定，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，其負值越大，則表示電子進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；TE是反映分子總能的參數，TE負值越大，說明反應活性越高；HOF表征分子的穩定性，HOF值越高，分子越不穩定，另外同樣用Hyperchem7.5計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一步證明分子總能量大小與甜度大小之間的關系。

經過對數據的分析，研究12個樣品的量子化學結構參數，并查出了其相對于蔗糖的甜度值，結果見表1，找出樣品總能量與甜度值的關系，用于建立能量與甜度之間產關系模型，并用預測樣本對本模型進行驗證。

2 結果與討論

對樣品進行分組處理，按照相似性的規律進行分組，使建立的模型更具說服力，用分子總能量與其相對甜度建立聯系，利用分子總能量能較好的對鹵代蔗糖甜度進行估計，而其他參數可用于輔助的數據分析。

表1 樣品集中蔗糖衍生物的量子化學結構參數及其相對甜度的文獻值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系

2.1.1 取代基數目不同對鹵代蔗糖甜度的影響

由表2可知，對蔗糖進行溴代處理，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目的增多，溴代蔗糖分子的總能量的絕對值在增大，而其相對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密切相關，蔗糖可能具有兩個不同生甜團，分別是2-OH（AH）/3-O（B）和3'-OH（AH）/2-O（B），生甜團與甜味受體結合，從而使人能夠感覺到甜味，甜度的大小與鹵代蔗糖分子上的電荷分布有關，但與鹵素原子的半徑和電負性也密切相關，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 不同取代基數目的蔗糖衍生物總能量與對應的甜度值Table 3 Total energy and its sweetness of sucrose derivatives with different number of substituent

由表3可知，對蔗糖進行溴代處理，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，總體來看，氟代蔗糖的甜度比蔗糖增加的倍數不是那么大，不超過100倍，但是從二氟蔗糖到三氟蔗糖，多增加一個氟原子，后者是前者的10倍，這個幅度還是比較大的，隨著取代原子數的增多，氟代蔗糖的甜度在增大，但是氟原子電負性比較大，造成分子形成內氫鍵，甜味劑不能和人體口腔內的受體蛋白結合，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，但是相對甜度卻最低，這是因為，F原子的電負性是所有元素中最大的，在溶液中形成了內氫鍵，導致氟代蔗糖上的生甜團難以與口腔內受體蛋白結合，從而使它的甜度大大降低，只有蔗糖甜度的40倍，如果按按照電負性的規律，4，1'，6'-三碘蔗糖的甜度應該是4個衍生物中最大的，但是，其甜度卻小于4，1'，6'-三氯蔗糖和4，1'，6'-三溴蔗糖，這是因為甜度的大小還與鹵素原子的半徑大小有關，半徑過大，會造成空間位阻過大，這樣也可了阻礙鹵代蔗糖上的生甜團與受體蛋白結合，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應的甜度值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應的甜度值Table 5 Total energy and its sweetness of deoxy or sucrosehalogenated derivatives in same position

由表5可知，對蔗糖上的4'-OH進行脫氧處理，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，當分子的4'-OH被脫去后，生甜團被破壞，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，相對甜度值也增大，從3'-OH上的O原子的電荷來看，從脫氧到溴代，O原子上的電荷減少，甜度值在增加。

2.1.4 兩種鹵素同時取代對甜度的影響

表6 兩種鹵素同時取代的蔗糖衍生物總能量與對應的甜度值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，隨著鹵代原子數的增加，甜度在增大。

2.2 預測樣本的分子總能量與甜度關系的分析

為了驗證上述結論的正確性，取6個鹵代蔗糖衍生物，用PM3半經驗量子化學方法算出分子總能量、扭轉能、生成熱、電子能、孤立原子能這5個量子化學結構參數，并查出了其相對于蔗糖的甜度值，結果如表7所示。

表7 預測樣品的量子化學結構參數及其相對甜度的文獻值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的，隨著取代基的個數增加，蔗糖衍生物的分子總能量是增大了，相對甜度值也在增大，對蔗糖進行氯代處理，在C-4、C-1'、C-4'和C-6'這些位置上，首先取代一個氯原子，得到4-氯蔗糖，然后分別在增加取代的數目，得到4，1'-二氯蔗糖、4，1'，6'-三氯蔗糖和4，1'，4'，6'-四氯蔗糖，從分子總能量來看，它們能量的絕對值是增大的，然后再看它們相對蔗糖的甜度值，也是依次增大的，結果表明，蔗糖衍生物的甜度值是隨取代基數目的增多而增大，隨著分子總能量的增大而增大。

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

3 結論

利用量子化學計算軟件Hyperchem7.5計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測未知蔗糖衍生物甜度值的大小；結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，又加以用預測樣本進行驗證，更進一步證明了些模型有一定的預測能力，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系，簡單而方便、有效；最后得出在C-4、C-1'、C-4'和C-6'這四個位置上，蔗糖鹵代衍生物甜度的大小隨著取代基的數目和分子總能量的增大而增大。通過試驗得到的結論，能為預測和評估鹵代蔗糖的甜度大小提供理論依據，通過此模型篩選出可能具有高甜度的衍生物，再對該其進行理化特性的測試試驗，從而能夠節省大量的實驗工作和研究費用，并且可應用于其他新型甜味劑的開發和研究工作。

[1]粱 寧.三氯蔗糖在調味品中的應用[J].中國調味品，2010，37（7）：75-76.

[2]鄧開野.新型甜味劑三氯蔗糖[J].中國調味品，2011，36（2）：1-3.

[3]SUAMI T,HOUGH L.Molecular mechanisms of sweet taste I.Sweet and non-sweet tasting amino acids[J].J Carbohydr Chem,1991,10(5):851-860.

[4]DEUTSCH E W,HANSCH C.Dependence of relative sweetness on hydrophobic bonding[J].Nature,1966,5044(211):75.

[5]SHALLENBERGER R S,ACREE T E.Molecular theory of sweet taste[J].Nature,1967,5114(216):480-482.

[6]溫輝梁.蔗糖衍生物的制備及其單晶結構和甜味機理的研究[D].南京：南京理工大學博士論文，2009.

[7]可 鈺.三氯蔗糖合成過程控制及分析方法研究[D].鄭州：鄭州大學碩士論文，2003.

[8]鄭建仙，饒志娟，賈呈祥.論蔗糖衍生物結構與甜度的相互關系[J].食品科學，2003，24（5）：30-33.

[9]MATHLOUTHI M,KANTERS J A,BIRCH G G.Sweet taste chemoreception[M].London:Elsevier Science,1993.

[10]吳子勝.蔗糖鹵化物的合成及其甜味機理的研究[D].南昌：南昌大學碩士論文，2007.

[11]申屠陽，李常青，劉志濱.氯代蔗糖的分子結構與甜味度[J].浙江化工，2013，44（7）：20-22.

[12]周 奇，原通磊.甜度味覺閥值研究[J].重慶理工大學學報，2010，24（4）：35-39.

[13]王秀珍，楊寶蕓.常用化學繪圖軟件ChemSketch 在藥學專業中的應用[J].科教文匯，2012（01）：139-140.

[14]魯 萍，譚振江.對量子化學計算軟件性能的分析及對比[J].吉林師范大學學報，2011（27）：107-109.

[15]潘露云，鄭建仙.分子動力學模擬研究甜味感受機理[J].中國食品添加劑，2013（3）：229-232.