生活中的分子

目前已知最苦的物质——苯甲地那铵(Denatonium benzoate)

引言

人类最普遍的味觉莫过于“酸甜苦辣咸”,而其中“苦”是味觉中最为敏感的一种,许多人将其理解为不愉快的或者无法接受的感觉。生活中含有苦味的食物主要是苦瓜和黄连,其实许多物质例如奎宁、尼古丁、咖啡因、古柯碱等也具有苦味。太苦的味道通常会使人或动物排斥这种食物,因而许多致命植物所含的生物碱都有强烈的苦味,从这个角度来看,苦味无疑扮演了重要的保护生命的角色。为了衡量苦味程度,与酸度、甜度、辣度这些概念类似,人们以“苦度”作为衡量指标。将以苦味出名的奎宁定义为基准1,以此为参考标准,苯甲地那铵(又称“苦精”)这种人造物质苦度为1000,是目前已知最苦的化合物。

图 1 曾经错误认为舌头的不同区域对不同味觉灵敏度不同

人造苦味剂:苯甲地那铵

苯甲地那铵其实或多或少也属于实验中的意外发现。1958年,苏格兰科学家麦克法伦•斯密斯(Macfarlan Smith)在研究局部麻醉剂的过程中发现了这一物质,浓度为10 ppm的苯甲地那铵溶液对绝大多数人而言已经苦得无法忍受,哪怕浓度只有50 ppb (parts per billion,1 ppm =1000 ppb)人类的味觉都可以感知到苦味。也许是敏锐的商业直觉,斯密斯将其以Birex注册了商品名,随后这种物质作为厌恶剂(添加进有毒害商品中防止误食的带有怪味的物质)被广泛用于工业酒精、防冻剂、动物驱散剂、日化产品中。

苯甲地那铵是一种由季铵盐阳离子和惰性阴离子组成的,例如苯甲酸根离子或糖精阴离子结合而成的季铵盐,其中阳离子部分的结构与局部麻醉剂利多卡因(Lidocaine)尤为相似。事实上,利多卡因只需要烷基化后经过阴离子交换即可制备苯甲地那铵。利多卡因的制备也相当容易,以2, 6 –二甲基苯胺为原料,首先酰基化,再用二乙胺取代卤素即可。

图 2 苯甲地那铵苯甲酸盐的合成

苯甲地那铵的应用

中医认为具有苦味的药物具有开胃、驱虫、止渴、清热、解毒、开窍、收敛等功效,尽管人造的苯甲地那铵拥有“苦精”之名,可目前它在医药领域并没有确切用途。有意思的是,它的苦味却在其他领域得到广泛应用:如工业酒精中添加该苦味盐,除了可以避免误食外,还可以避免其被按照酒精饮品的类别征税;向那些对人体有害的液体或溶剂,例如甲醇、乙二醇、油漆、指甲油、洁厕剂中添加微量的苯甲地那铵,其苦味同样可以避免被人误饮。

此外,加入苯甲地那铵的特殊指甲抛光剂可以避免儿童养成咬指甲的不良习惯。苯甲地那铵应用的另一个典型例子莫过于日本知名的电子游戏和玩具开发制造商任天堂在2017年3月推出的Switch游戏卡带中添加了该化合物,一方面可以避免因卡带过小造成孩童吞食,另一方面也能有效帮助部分游戏玩家戒掉难以理解的“舔卡”习惯,据说效果特别显著。然而,需要指出的是,严格意义上的厌恶剂应仅仅具有不好的味道,不应当有害,目前长期暴露在苯甲地那铵物质下是否会对影响人体健康还不确定。

图 3 任天堂游戏卡中的苦味令人无法忍受

我们为什么会感觉到苦味?

哺乳动物的味觉是在漫长的进化过程中逐渐形成的,多样的食品成分以及灵敏的味觉感受系统使我们感受到了“有滋味”的世界。相信很多人都会好奇,包括苦味在内的多种味觉究竟是怎么产生的呢?近些年针对味觉系统的研究取得一定进展,我们才得以窥探到其中的些许奥秘。通常认为的味觉包括酸、甜、苦、咸、鲜五种,所有的这些味觉其实是在整个口腔中产生,而并非图1所示的那样存在舌头不同区域对不同味道敏感度不同的味觉图。因为提供味觉信号的味蕾除了舌头外还分布于上颚和会厌(与舌根部相连覆盖了一层黏膜组织的软骨)表面,所有这些味蕾均可识别所有的味道。根据功能的不同,这些味蕾细胞又被细分为I~IV型细胞,而它们在真正传递味觉信号时又涉及到更加复杂的分子层面的机制。

幸运的是,目前所有基本味道的感受器都已被识别出来,其中酸和咸是由感受器的离子通道接收的,而甜、苦、鲜则属于一种G蛋白偶联受体。其中介导苦味的属于2型味觉受体T2R(taste receptor family 2 member,T2R),它们特异性结合苦味物质后导致细胞膜电位发生变化再经突触将信号传递给下个细胞,最后经神经中枢的整合产生苦味感觉,但更细节的传递途径以及大脑是如何感知苦味的,目前还有许多问题亟需解决。

图 4 五种基本味觉的受体结构和相应配体

结束语

味觉的功能不仅在于辨别不同的味道,而且与营养物的摄取和体内环境恒定的调节也有关系。其中苦味让人产生不愉快感,进而造成心理上的厌恶感,因此苦味的感知可以防止我们摄入有害物质,这是机体有效的自我保护机制之一。苯甲地那铵这种人造“苦精”高居苦味物质榜首就恰好成为我们的保护者。虽然近年来对味觉系统的研究取得了一定进展,但关于味觉信号传递过程尤其是酸味、咸味的认识还不清楚。相信随着学科的不断发展,我们对味觉感受机制的认识也将更加深入,未来在食品和饲料风味改良、味觉疾病诊疗及药物“掩味”等技术领域也会取得更大的进展。

参考资料

  • [1] 陈大志, 叶春, 李萍. 味觉受体分子机制[J]. 生命的化学, 2010, 30 (05): 810-814.
  • [2] Yarmolinsky, David A., Charles S. Zuker, and Nicholas JP Ryba. “Common sense about taste: from mammals to insects.” Cell 2009, 139, 234-244. DOI: 10.1016/j.cell.2009.10.001
  • [3] 毕继才, 崔震昆, 张令文, 林泽源, 江海洋, 莫海珍. 苦味传递机制与苦味肽研究进展[J]. 食品工业科技, 2018, 39 (11): 333-338.
  • [4] 维基百科:https://en.wikipedia.org/wiki/Denatonium

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