吃辣的學問 全都在化學

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辣,是人們日常飲食中不可或缺的一種“味道”,生理上是口腔中感覺神經元受到辣味物質的刺激,在中樞神經中產生的灼熱感和痛感。本文從化學的角度綜述了我們生活中常見的辣味成分,並對其結構、來源以及藥用活性進行了歸納,希望為大家瞭解辛辣化學,並對相關化合物的開發和應用提供參考。




撰文 高文超(太原理工大學生物醫學工程學院)、田俊(太原理工大學生物醫學工程學院)薑雪峰(華東師範大學分子科學與工程學院)


一提起辣,浮現在腦海中的大都是鮮紅火熱的名菜:辣子雞、水煮魚、熱氣騰騰的麻辣火鍋……讓人垂涎三尺。儘管日常飲食中離不開辛辣的味道,但辣味物質的化學本質卻鮮為大眾熟知。擇取了生活中常見的5種辛辣食材(圖1):辣椒、大蒜、洋蔥、辣根、生薑,幫助大家從化學的角度揭開它們辛辣味道的神秘面紗。


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圖1 常見的辣味食物


01

辣味的產生、分級和分類



辣味不同於酸味、甜味、鹹味或是苦味,它其實是一種灼熱感和疼痛感在大腦中的綜合反映,並非味覺。從生理上講,人們在品嘗五味(酸甜苦咸鮮)的時候,主要通過食物中的化學物質激活存在於舌頭錶面味蕾(Tast buds)上的味覺受體細胞,並將這些味道信號傳遞給中樞神經系統,產生味覺[1]。而辣味與五味不同,當機體品嘗辣味物質時,其直接作用於舌頭錶面的化學感覺神經元(包括溫度感受器和疼痛感受器),並與這些神經細胞錶面的辣椒素受體(又稱瞬時受體電位香草酸亞型-1蛋白,transient receptor potential channel vanilloid type-1,TRPV1)特異性結合,使離子通道打開,產生瞬時電位,以電信號的形式傳遞給神經中樞,使中樞系統產生灼熱和疼痛感,該過程又稱三叉神經反應[2]。TRPV1受體不僅存在於口腔神經細胞中,也廣泛存在於肌肉、腸道以及胰腺等組織細胞中,這也是為何辣椒不僅在嘴裡能產生灼熱感和疼痛感,塗抹在皮膚錶面或者進入眼睛也會有相似的疼痛感,並且引發皮膚潮紅或眼睛流淚[3],而其他味覺卻無法被皮膚或眼睛所感知。辣椒素受體蛋白作為一種傷害性細胞感受器[4],除了辣味物質外,它還可被43℃以上的溫度、化學刺激物以及pH變化等激活[5]


與酸度、甜度、鹹度類似,辣味物質的辣度也是能夠測量的。目前辣度測量主要有2類:感官評定法和定量分析法。感官評定法普遍採用美國的斯科威爾辣度分級 (Scoville Heat Unit,SHU)進行衡量:首先將辣味提取液按比例稀釋,讓5名左右的評測員找出剛剛能察覺出辣味的最低濃度樣品,再根據樣品的稀釋比例轉化成辣度[6]。根據SHU法可以將辣味食材分級,供人們使用時參考。幾種知名辣椒品種的辣度和外形如表1所示。儘管斯科威爾辣度是現行公認的辣度衡量標準,但此法存在着比較明顯的缺點:每次測量需一組經過特殊培訓的測量者,測量者的品嘗需間隔0.5h以上,檢驗結論通過感官判斷;對於高辣度的物質等級劃分較為粗糙,範圍跨度大而籠統[7]。因此,國內外許多研究者會採用定量分析高效液相色譜技術,以純品辣味化合物為標樣對食材辣度進行分析測定,建立較完整的辣味分級體系[8],一定程度上可以彌補SHU辣度測量的短板。


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表1 國際辣度等級劃分(註:圖片源於網絡)


由於辣椒傳入中國較晚,我國古代典籍記載的辛辣食物主要是傳統五辛,如《正一法文修真旨要》中提到“五辛者,大蒜、小蒜、韭菜、芸苔、胡荽是也”。清代汪昂所著《本草備要》中“大蒜”條目記載:“辛溫。開胃健脾,通五臟,達諸竅。去寒濕,解暑氣,闢瘟疫。消癰腫、破症積,化肉食,殺蛇蟲蠱毒……然其氣薰臭,多食生痰動火,散氣耗血,損目昏神(註:五葷皆然,而蒜尤甚)。”儘管辣味對人體機能的影響類似,但由於辣味食材的科屬不同,引起辣味的化合物成分也有巨大差異:辣椒,辣味主要源於內部的辣椒素及其同系物;大蒜和洋蔥,辣味源於大蒜素類結構;山葵和辣根,辣味來源是異硫氰酸酯結構;生薑,辣味源自薑辣素類化合物(表2)


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表2 不同辛辣食材中的辣味化合物


02

主要辣味化合物的結構和性質



2.1 辣椒素及其同系物


辣椒,原產於南美洲,明末清初傳入我國。我國是世界辣椒第一大生產國與消費國,2018年我國辣椒播種面積達3200萬畝,辣椒種植帶主要位於西南(雲貴川渝湘)、西北(陝甘晉蒙)以及東北(黑吉遼)[9]。辣椒產業年產值2500億元左右,居蔬菜之首[10]。從化學角度來看,辣椒中的辣味物質是由辣椒素 (Capsaicin) 及其類似物組成(表3)。這些同系物都具有香草酰胺結構單元,只是酰胺側鏈碳原子數(C6~C9)及飽和度有差異:辣椒素和二氫辣椒素側鏈為含8位甲基的壬酸,是構成辣味的主要成分(大約占辣味化合物總量的90%),而2者的區別僅在於6,7位的雙鍵。根據SHU辣度測定方法,辣椒素及二氫辣椒素是辣椒中最辣的物質[11]。這些同系物中的香草酰胺單元,是與神經細胞的辣椒素受體進行特異性結合的關鍵基團,也是進行辣味成分優化和改造的關鍵結構。


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表3 辣椒素及其類似物


20世紀60年代有學者對辣椒素的生物合成途徑進行研究,通過同位素示蹤發現:辣椒素香草胺單元的合成前體源自苯丙氨酸,支鏈脂肪酸源於纈氨酸,辣椒素的生物合成過程通過辣椒內部的莽草酸途徑來完成(圖2)。在辣椒內質網細胞上,苯丙氨酸首先轉化為羥基肉桂酰輔酶A,併在裂解酶和轉氨酶的作用下生成香草胺;另一邊,纈氨酸被轉移到線粒體中,經酶催化形成異丁酰輔酶A,多個異丁酰輔酶單元再經脂肪合酶形成8-甲基-6-壬烯酰輔酶A,在辣椒素合成酶作用下最終與香草胺生成辣椒素[12]


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圖2 辣椒素的生物合成途徑


2.2 大蒜素及其衍生物


大蒜,也是我們飲食中不可或缺的香辛料。大蒜中既有產生特殊氣味的精油物質,也有產生辛辣感的辣味物質。大蒜中辣味物質與辣椒不同,主要成分是含硫化合物,以大蒜素(Allicin)居多(圖3)。1944年,美國Cavallito首次從大蒜中提取獲得大蒜素,並確認其是大蒜辣味的來源[13]。大蒜素在未破損的大蒜中含量較少,當被切割或物理破碎時,細胞液中的蒜氨酸酶(Allinase)會迅速分解內部含硫的蒜氨酸(Alliin),產生活性中間體2烯丙基次磺酸,並迅速轉化成大蒜素等硫代亞磺酸酯類[14]。大蒜素在常溫下不穩定,能在光、熱以及其他物理條件下分解生成各種揮發性硫醚化合物形成大蒜特征性氣味[15]。這一過程是大蒜為免受其他微生物及動物的破壞而建立的自我防禦機制。


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圖3 大蒜的辣味成分來源和轉化


值得一提的是蒜氨酸及其同系物,它們是百合科植物中獨特含有的含硫氨基酸,無色無臭,是大蒜素的前體化合物。對於蒜氨酸的形成,已有研究者證實:谷胱甘肽在酶系作用下,經巰基烯丙化,脫除甘氨酸和谷氨酸,最終經硫醚氧化而來[16]


與大蒜類似,洋蔥中散髮出的特殊氣味及辛辣口感也與含硫的蒜氨酸同系物有關,包括蒜氨酸、丙基蒜氨酸以及異蒜氨酸。當這些前體物質與蒜氨酸酶接觸時,同樣生成具有辛辣味道的蒜素類似物,而在洋蔥中含量最為豐富的異蒜氨酸,還會通過催淚因子合成酶,重排產生順-硫代丙醛硫氧化物,這便是切洋蔥時讓我們眼淚橫流的“真凶”(圖4)[17]。根據硫代丙醛硫氧化物易揮發且易水解的化學性質,我們在切洋蔥時提前冷凍或在流水下操作,即可有效降低洋蔥對眼睛的刺激作用。


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圖4 洋蔥的辣味成分形成過程


2.3 異硫氰酸酯類


十字花科里山葵、辣根以及芥菜也是含有辛辣成分的植物,提取出的芥末、辣根和芥子油,辣味獨特且沖鼻,與涼菜、生食海鮮以及高脂肪含量的食材搭配可掩蓋油膩和腥味。1840年,Bussy首先從芥菜籽中分離出來硫代葡萄糖苷——黑芥子苷,後來發現辛辣味道的物質是從黑芥子苷轉化、重排而來,並最終確定辣味成分主要為異硫氰酸烯丙酯(Allylisothiocyanate)。至今已經在十字花科植物中分離出一百多種硫代葡萄糖苷類,辣味化合物異硫氰酸酯類均是植物組織細胞破碎後芥子酶分解硫代葡萄糖苷的結果(圖5)[18]。不同植物的辛辣組成會略有區別,芥末和辣根中的主要辛辣成分也是烯丙基異硫氰酸酯[19]


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圖5 山葵、辣根及芥菜中的辣味成分形成過程


2.4 薑辣素類化合物


生薑又名百辣雲,是薑科薑屬的多年生草本植物根莖,是日常生活中常用的調味品之一。與大蒜類似,生薑的風味主要由薑精油和薑辣素產生(圖6),薑精油是生薑中的揮發成分,賦予了生薑獨特的香氣和風味;薑辣素沒有揮發性,主要帶來特征性的辛辣的口感[20]。薑精油主要由一些揮發性的倍半萜烯、氧化倍半萜以及單萜類化合物組成,可通過水蒸氣蒸餾得到,其中α-薑烯為主要的揮發性成分[21]。對於辣味而言,薑辣素並非單一化合物,而是生薑中具有辣味物質的總稱。薑辣素各化合物中均含有3-甲氧基-4-酚羥基苯基官能團,根據側鏈碳原子數及連接官能團不同,薑辣素又分為薑醇類(Gingerols)、薑二醇類(Gingerdiols)、薑酮類(Gingerones)、薑二酮類(Gingerdiones)、副薑油酮類(Paradols)、薑烯酚類(Shogaols)等不同類型。生薑中6-薑醇和8-薑醇含量較高,印度生薑的6-薑醇含量甚至可以達到104~965μg/g[22]。然而生薑在儲存、炮製以及加工的過程中,經過脫水和氧化等作用薑醇類含量會有所降低,薑烯酚類和薑酮的含量卻有明顯增高,這使得乾薑的辣味反而有所增強[23]


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圖6 生薑中的風味成分及相互轉化


03

辣味化合物的藥物化學



3.1 辣椒素的鎮痛作用


辣椒素具有豐富的生物活性,如抗癌、抗菌以及止痛作用,其止痛作用在臨床上有較好的應用[24]。辣椒素受體TRPV1是一個重要的鎮痛藥物靶點,辣椒素類激活細胞膜上的TRPV1受體後,神經元細胞釋放大量神經肽,如P物質、降鈣素基因等相關因子,產生最初短暫的燒灼樣疼痛,當神經纖維再次感受傷害性刺激時,由於神經肽已被大量消耗,神經元處於脫敏狀態,相關部位無法感知疼痛,進而起到鎮痛效果。根據辣椒素的鎮痛作用,已經開發瞭如Zostrix外用止痛膏,以及Qutenza辣椒素貼膏,用於緩解各種神經痛疾病[25]


3.2 大蒜素的抗菌活性


現代醫學研究表明,大蒜素主要有3個方面的生物學活性:抗菌、防止血小板凝集以及抑制癌細胞生長[26]。由於大蒜素抗菌譜較寬,其抗菌活性尤其吸引藥物化學家的關註。大蒜提取物的抗菌活性研究最早見於20世紀40年代[27],其抗菌活性的發揮主要與硫代亞磺酸酯有關[28]。大蒜素具有較高的脂溶性,可以順利穿透細菌的細胞膜,進入膜內,並與半胱氨酸,谷胱甘肽,乙酰輔酶及多種酶蛋白的巰基(—SH)結合,致使其活性喪失而發揮抑菌作用[29]。由於大蒜素的熱不穩定性,因此在加熱烹飪後硫代亞磺酸酯結構分解導致大蒜素的抗菌活性消失。這也是需要生食大蒜才能發揮它的抗菌功效的主要原因。


3.3 異硫氰酸酯類的抗腫瘤活性


流行病學研究結果表明經常食用辣根、芥菜等十字花科蔬菜能降低人們患肺癌和腸道癌的風險,進一步的研究表明這些蔬菜內的硫苷酶解產物——異硫氰酸酯具有較好的抗腫瘤活性,其抗癌機制主要通過抑制I相還原酶活性防止致癌物對正常細胞的損傷,同時提高組織中Ⅱ相解毒酶的水平加速致癌物的排泄。然而,高劑量的異硫氰酸酯具有基因毒性,能夠引起DNA的損傷,因此,目前該類化合物的臨床價值仍然較為有限[30]


3.4薑辣素的抗氧化活性


薑辣素成分中均含有3-甲氧基-4-羥基苯基官能團,由於這類結構極易被氧化,因此薑辣素的抗氧化活性最為突出。薑辣素通過結合體內的氮/氧自由基來減弱低密度脂蛋白的過氧化,發揮保護心腦血管,降低膽固醇的功效。有研究表明,薑辣素的抗氧化能力比維生素E還要強[31]。此外,薑辣素還具有一定的抗腫瘤及抗炎作用。


04

總 結



隨着人們對飲食味品的需求日益提高,辣味也正扮演着越來越重要的角色,與其他味道組合,不斷催生多種味道的創新:酸辣、麻辣、甜辣等等,在滿足人們食欲的同時,也日益發展成為一種文化,讓每一個喜辣之人“痛並快樂着”[32]。儘管,辣有如此多的功效,但過量進食會造成我們消化紊亂、腸胃不適等問題。因此,在進食辣味食材時,應瞭解科學原理,掌握適時、適量和適度。


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本文原文發表於《化學教育》2020年第14期,原標題為《味覺化學之辣味化學》,經作者授權發表於《返樸》。

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來源:返樸

原標題:吃辣的學問,全都在化學 | 味覺化學

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編輯:前進四


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