《食品科学》：北京工商大学张玉玉教授：食品中苦味物质的感知与调控研究进展

2023-09-09 11:09:42

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苦味与酸味、甜味、鲜味、咸味共同组成五大基本滋味，对食品风味有着重要的影响。苦味的产生主要是通过味蕾上的苦味受体细胞受到苦味化合物的刺激后产生神经冲动，进而通过神经纤维传入神经中枢，最后经大脑皮层而形成。一般来说具有适宜甜味、咸味和鲜味的食品更受消费者的青睐，而带有较强苦味的食品往往被拒绝，因此需要调控食品中的苦味感知来提升消费者的可接受度。

老年营养与健康教育部重点实验室（北京工商大学）的黄岩、史伊格、张玉玉*等对食品中的苦味物质及其分析方法进行了综述，介绍苦味感知评价方法及其感知机制，最后总结苦味调控的方法，以期为食品中的苦味调控提供理论指导。

01 食品中的苦味物质

1.1 氨基酸

具有滋味特性的氨基酸大多是L-氨基酸。在这些L-氨基酸中，当R基较大（碳原子数大于3）时，通常具有苦味。研究表明，苦味是疏水氨基酸与苦味受体结合的结果。通过对蛋白溶液中疏水氨基酸的含量分析苦味强度，结果表明疏水氨基酸含量越高，苦味强度越大。此外，在对不同地域苦茶中苦味物质检测及与苦味的相关性分析结果表明，缬氨酸含量与苦味强度呈正相关。蛋白质本身没有苦味，但经过蛋白酶水解后苦味较为明显，这可能是因为大部分疏水性的氨基酸侧链在蛋白质的内部，无法与苦味受体接触，因此不会产生苦味；而在蛋白质水解过程中，疏水性氨基酸被释放到溶液中，且随着水解程度的增加，疏水性氨基酸的释放越来越多，苦味感知强度也越来越大。

1.2 小分子肽

苦味肽的苦味强度主要由疏水氨基酸的种类、结构、排列顺序等决定。只有当肽的分子质量在3 kDa以下时才具有苦味，且苦味强度与疏水氨基酸的含量呈正相关，目前已鉴定到的苦味肽中均含有一个或多个疏水性氨基酸且大多位于C端。对于苦味肽的分析最常用的手段是通过计算肽的平均疏水度（Q），然而，Q值的计算并没有考虑氨基酸序列的影响，因此在确定肽的苦味时可能会存在一些偏差。研究发现，在多肽的空间构象中，苦味肽的两个位点（结合单元和刺激单元）的距离对苦味至关重要。苦味肽在不同的食品体系中具有不同的滋味特性，这可能是滋味相互作用的结果。

1.3 多酚

多酚是一类具有多个酚羟基的化合物，作为次生代谢产物主要呈苦味且广泛存在于蔬菜、水果等产品中，对滋味形成具有重要的作用。多酚类化合物具有较强的抗氧化和自由基清除能力，但苦味特性往往限制了多酚在食品中的应用。研究表明多酚含量越高，苦味越强。

1.4 生物碱

生物碱是一类含氮的有机碱性化合物，如咖啡因、奎宁、茶碱、尼古丁等。目前已知的生物碱基本全部具有苦味，且通常情况下碱性越强，苦味也越强。随着氮原子杂化程度升高，碱性也增强，因此生物碱的碱性与氮原子杂化程度相关，苦味可能与氮原子杂化程度相关。

1.5 无机盐

无机盐类本身具有咸味或苦味，是食品的重要组分。无机盐离子具有不同的滋味特性，例如钠离子咸味强烈，钾离子的咸味中往往带有苦味特性，而钠离子在高浓度下也会呈现苦味特性。具有苦味的无机盐大多是因为碱性金属离子的存在，如钙盐、钾盐、镁盐等。无机盐的苦味与所含阴离子和阳离子的离子直径之和有关，一般情况下，离子直径小于0.65 nm的无机盐显示咸味，随着直径的增大，苦味增强。呈苦味的无机盐离子可与其他呈味物质间存在协同作用，例如在味精溶液中添加钙离子、钠离子和钾离子后可降低谷氨酸的阈值。

02 高苦味物质分析方法

2.1 苦味物质的分离、纯化及鉴定

对于苦味化合物的研究主要是通过逐级分离纯化得到相对纯的组分，浓缩冻干随后进行感官分析。确定该组分存在苦味后通过红外光谱、高分辨质谱以及核磁共振等方法进行结构解析，最终得到苦味化合物的结构信息（图1）。研究表明，苦味化合物主要是小分子化合物和肽（分子质量低于3 kDa），为了能够获得苦味最强且相对纯的组分，往往通过逐级分离纯化技术结合感官导向进行分离。通过上述分离手段结合感官分析得到目标组分后，需要进行结构解析和滋味验证才能最终确认化合物是否具有苦味。目前有很多结构未知的关键苦味物质还没有被鉴定出来，这是由于含量低、结构不稳定和异构体多样化等因素导致其难以被分离纯化。色谱、质谱和光谱是目前鉴定化合物的主要方式。

2.2 苦味感知效应解析方法

通过上述分离纯化结合感官分析进行苦味化合物的评价往往是比较有效的手段。多元数据分析是目前较为广泛使用的统计分析技术，主要运用的分析方法有主成分分析、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）、正交偏最小二乘法判别分析等。

随着越来越多的苦味化合物被发掘出来和一些计算机技术在食品领域的广泛应用，可通过智能分析手段对苦味化合物进行分析。目前对于苦味物质的智能分析主要包括两个方面：通过对文献报道出的苦味物质进行收集汇总，构建苦味物质数据库，如BIOPEP-UWM、Bitter DB、Bitter X数据库等；通过构效关系结合一些数据分析模型对苦味化合物进行苦味预测，如iBitter-SCM、iBitter-Fuse模型等。表2总结了目前常用的苦味分析及预测工具。基于构效关系对苦味化合物预测是一种快速便捷的分析方法，通过机器学习算法如偏最小二乘回归分析、支持向量机以及随机森林等对数据集（包括训练集和测试集）进行分析能够得到较好的效果。

03 苦味感知评价方法

3.1 感官评价法

主要包括定量阈值分析、定量描述分析（QDA）和滋味稀释分析（TDA）。QDA是要求评价员对产品所有特性进行定量分析与描述的感官评价方法。TDA是检测食品中关键活性物质的一种方法，其通过对样品逐步稀释来筛选滋味活性化合物，并对化合物的滋味阈值进行评价，然后根据阈值和化合物浓度计算它们的滋味活性值（TAV）来评价其贡献。

3.2 动物尝味法

主要有两种：简短摄取实验、双瓶偏好实验。简短摄取实验主要是通过记录受试动物短时间内摄取样品的次数，分析摄入次数可以得到受试动物对样品的偏好程度。双瓶偏好实验主要是通过在饲养笼外加两瓶不同的溶液，其中一组作为实验组溶液，另一组作为对照组溶液。通过测量实验组溶液的体积减少量，并与对照组比较，计算出实验动物的味觉偏好特性。动物尝味评价法只能作为对人感官评价的补充。

3.3 电子传感器法

电子舌是目前最常用的一种新型电子传感器，是一种通过模拟人类味觉系统将电化学和计算机模拟结合的智能识别电子系统，具有灵敏度高、可靠性强、重复度好等优点。然而，电子舌也存在一定的局限性，即无法完全模拟出人的25 种苦味受体，因此也就无法完整、正确地掌握样品中全部的苦味信息。此外由于电子舌传感器灵敏度高、重复性好的特点，对于测试样品的要求也就比较高，这给复杂食品体系的检测带来了一定的难度。

3.4 生物传感器法

钙成像技术和电生理法是目前较为常用的两种方法。钙成像法是由于苦味物质刺激苦味受体细胞，内质网释放钙离子进入细胞，使得细胞内钙离子浓度升高。通过细胞内钙离子的浓度变化分析苦味物质与受体的结合情况。电生理法是将电极放在位于舌前部的鼓索神经或者舌后部的舌咽神经处，通过计算苦味物质刺激舌部后的响应电流，计算电流的变化率。然而，电生理法需要对动物进行外科手术，对于仪器和操作的要求较高，且动物的苦味受体与人的苦味受体存在一定的差异，这限制了电生理法在食品领域的应用。

04 苦味感知机制

4.1 苦味受体简介

苦味受体是一种膜蛋白，属于G蛋白偶联受体A类家族，由7 个跨膜螺旋（TMs）、3 个胞外环（ECLs）和3 个胞内环（ILs）以及一个短的N端和C端组成（图2），分布于口腔中的味蕾细胞上。目前已经被确认的人源苦味受体有25 种，它们之间的整体同源性仅为30%～70%。25 个hTAS2Rs的信息如表3所示。

苦味受体的多样性增加了配体的识别种类，此外，苦味受体可以识别有毒化合物，为生物体提供安全保障。苦味受体不仅在口腔中表达，其他组织例如胃肠道、呼吸道、睾丸等中也发现了苦味受体的存在。因此，hTAS2Rs的功能不仅和滋味相关，在人体的其他生理活动中也扮演着重要的角色。

4.2 苦味受体的信号通路

苦味信号的产生是苦味物质结合到苦味受体上诱导苦味受体上偶联的G蛋白上G_α亚基与G_βγ亚基分离，第一条通路是G_βγ亚基激活磷脂酶-β2产生肌醇三磷酸信号，激活细胞内的Ca^2＋，使TRPM5通道开放、Na^＋内流、细胞膜去极化；另一条是G_α亚基介导的环磷酸腺苷信号通路，即通过G_α-味导素激活磷酸二酯酶，从而降低细胞内cAMP的水平，引起Ca^2＋水平变化（图3）。

最终不同配体结合到苦味受体上味蕾上的苦味受体细胞受到苦味化合物的刺激后产生下游信号，神经递质释放产生不同的神经电信号，进而通过神经纤维传入神经中枢，最终传递到大脑皮层从而产生苦味感知。然而，也有研究表明缺失G蛋白基因的小鼠仍然能够感受到苦味物质，这说明苦味受体的信号通路不完全依靠G蛋白介导，因此还需要更深层次的研究。

4.3 配体激活苦味受体

苦味受体主要分为3 个区域：ELs、TMs和ILs（图2）。TMs和ILs区高度保守，同源性较高，携带有大量的遗传信息。ELs区具有高度可变性，可以识别结构多样的配体。目前对于苦味受体的结合机制尚未有清晰的结论，除了苦味配体的多样性之外，苦味受体的结构复杂性也是很重要的因素。

05 苦味调控的方法

5.1 苦味去除

可以通过分离或吸附技术去除/减少苦味化合物/组分，降低苦味化合物含量。也可以通过酶促改性的办法，改变苦味化合物的结构。

5.2 苦味掩盖

其他味觉化合物的添加也可以降低苦味感知。通过添加甜味化合物抑制苦味是目前最常使用的方法。一些鲜味肽可以通过结合人类苦味受体hTAS2R16抑制苦味。咸味在增强甜味和抑制苦味方面发挥重要作用。由于钠盐摄入过多会导致高血压等不良健康问题，因此使用钠盐作为苦味抑制剂存在局限性。除了滋味化合物可以抑制苦味，一些香气化合物也有较好的苦味抑制效果。

一些质构剂如凝胶、明胶、环状糊精等添加到食品中可以减少苦味。这些质构剂的添加主要是通过聚合/络合作用与苦味化合物作用进而减弱苦味化合物与苦味受体的结合。

结语

随着人们生活生活水平的不断提高，消费者对于食品的需求不仅要有良好的风味，还要对健康有益，一些苦味食品由于其独特的功能特性而受到消费者的青睐。因此降低食品中的苦味感知对提高消费者的感官享受具有重要意义。为了更好地提高食品的感官品质，越来越多的降低苦味感知的方法也被开发出来，包括降低苦味化合物含量、添加风味改良剂、聚合/络合作用等。此外，对苦味感知机制以及苦味受体信号通路的进一步解析有利于在保持或提升食品功能特性的基础上开发更好的降低苦味感知的方法。然而，由于苦味化合物和苦味受体数量繁多，且与其他风味物质间还存在相互作用，这对降低苦味感知的研究带来了一定的挑战。

本文《食品中苦味物质的感知与调控研究进展》来源于《食品科学》2023年44卷第11期185-195页，作者：黄岩，史伊格，梁莉，蒲丹丹，郑向东，张玉玉。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220624-275。

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