蔗糖卤代衍生物甜度与分子能量的关系研究

赵文武，陈仁远*，徐兴江，陈梦元

（贵州省产品质量监督检验院仁怀分院，贵州 仁怀 564500）

随着社会的发展及人们生活水平的日益提高，食用糖的消费量也在逐年增加，特别是卤代蔗糖中的三氯蔗糖[1-2]，这类糖作为非营养食用糖，有甜度高、甜味特性好、安全性高、稳定性好、不参与人体代谢的特点，被认为是至今为止最完美、最具竞争力的甜味剂，其开发前景十分广阔。2013年中国食糖的用量已达1 800万t，由于食糖是一种高热量、低甜度的食品添加剂，长期服用容易患肥胖、高血脂、糖尿病、冠心病和龋齿等疾病，严重危害人体健康；近年来，中国患有上述疾病的人数逐年增加，因此开发低热量、高甜度及具有功能性的非营养型甜味剂就显得尤为重要。而卤代蔗糖以高甜度、低热量及优异的理化生物特性成为目前较好的可以替代食糖的甜味剂，特别是其中的三氯蔗糖被广泛应用于调味品中，在调味品中添加三氯蔗糖有效的抑制咸味，增加调味品鲜甜的口感，而且其在低pH和高温条件下稳定，良好的耐热性，烹调时甜度没损失，使得餐桌食品更加安全；由于其优异的性能特点，应用前景将不可估量，近年来新的卤代蔗糖不断被合成出来，但还需要进一步进行究，本研究通过研究卤代蔗糖的总能量，再与它的甜度联系起来，揭示它们之间一定的关系。通过此种方法，能为评估和预测卤代蔗糖甜度的大小提供理论依据，通过此模型筛选出可能具有高甜度的衍生物，然后再对该衍生物进行理化特性的实验测试，从而能够节省大量的实验工作和研究费用。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

Hyperchem7.5量子化学计算软件：Hypercube软件公司；ChemSketch10.0化学绘图软件：高级化学发展有限公司；卤代蔗糖：北京源盛昌商贸有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 卤代蔗糖甜味机理

蔗糖是一个多羟基化合物，如图1所示，在五元环和六元环连接的羟基有8个之多，甜味机理是基于一个简单的蛋白质受体的假设模型之上[3]。1966年，DEUTSCH E W等[4]提出甜味的产生条件是分子内要有疏水性结合部位，和另一个带电的部位相结，这与医药品的活性结合有一定的相似性。1967年，SHALLENBERGER R S等[5]提出AH-B双氢键假说，首次提出有的甜味化合物具有相同的结构特征，即拥有两个带相反电荷的原子A和B，两者相距0.25～0.40 nm，含有一个带正电荷的质子，B为质子受体。他们认为甜味分子中的AH-B系统可和位于味蕾蛋白受体上合适AH-B系统进行氢键结合，形成双氢键复合结构。甜味分子和甜味蛋白受体的复合反应产生一个依靠神经冲动传递的甜味刺激，而两者间的复合强度决定了甜味刺激强度，即甜度，该假说能够很好地解释已知的所有甜味化合物的甜味特性，形成了AH-B甜味机理理论。而不同蔗糖衍生物的空间结构对蔗糖甜度的影响很大，不同甜味分子通过离子键、氢键和空间立体的作用方式与受体蛋白结合[6]，不同的蔗糖衍生物因为生甜团受键角大小、键长长短、不同取代基团和空间位阻等条件的影响，与甜受体蛋白的结合程度不一样，从而产生不同的甜度。

蔗糖结构：

甜味分子与甜受体间双氢键复合结构：

1.2.2 数据采集

采用Hyperchem7.5[7]量化软件，用PM3半经验量子方法计算了16个蔗糖衍生物的总能（total energy，TE），分子生成热（heat of formation，HOF），扭转能Et，孤立原子能和电子能5个量子化学结构参数，取其中的12个卤代蔗糖（见表1），并用总能量TE与蔗糖衍生物甜度建立联系，蔗糖衍生物甜度的数据主要来源于文献[8-12]。

1.2.3 计算方法

利用ChemSketch10.0[13]软件画出各种蔗糖衍生物的结构并进行简单的结构优化，然后用Hyperchme7.5对每一个样本分子进行进一步的结构优化，同时采用PM3方法算出它们每一个分子的总能量，分子生成热、扭转能、孤立原子能和电子能5个量子化学结构参数[14-15]，然后对数据进行分析，找出分子总能量与蔗糖甜度大小的关系，其中，电子能可作为分子给出电子能力的量度，负值越大，轨道中的电子越稳定，该分子给出电子的能力越小；孤立原子能与分子中原子的作用力相关，其负值越大，则表示电子进入该轨道后体系能量降低越多，即分子接受电子的能力越强；TE是反映分子总能的参数，TE负值越大，说明反应活性越高；HOF表征分子的稳定性，HOF值越高，分子越不稳定，另外同样用Hyperchem7.5计算出分子的电荷分布，并分析取代基（卤素）、氢原子、氧原子上的电荷量，利用分子的电荷分布进一步证明分子总能量大小与甜度大小之间的关系。

经过对数据的分析，研究12个样品的量子化学结构参数，并查出了其相对于蔗糖的甜度值，结果见表1，找出样品总能量与甜度值的关系，用于建立能量与甜度之间产关系模型，并用预测样本对本模型进行验证。

2 结果与讨论

对样品进行分组处理，按照相似性的规律进行分组，使建立的模型更具说服力，用分子总能量与其相对甜度建立联系，利用分子总能量能较好的对卤代蔗糖甜度进行估计，而其他参数可用于辅助的数据分析。

表1 样品集中蔗糖衍生物的量子化学结构参数及其相对甜度的文献值Table 1 Quantum chemical structure parameters and its sweetness of sucrose derivatives

2.1 总能量TE、电荷分布与卤代蔗糖甜度大小的关系

2.1.1 取代基数目不同对卤代蔗糖甜度的影响

由表2可知，对蔗糖进行溴代处理，取代位分别是4-OH，1'-OH，4'-OH，6'-OH的组合，可以很清晰的看到，随着取代的溴原子数目的增多，溴代蔗糖分子的总能量的绝对值在增大，而其相对于蔗糖的甜度值也在急剧增大。卤代蔗糖的甜度大小与生甜团密切相关，蔗糖可能具有两个不同生甜团，分别是2-OH（AH）/3-O（B）和3'-OH（AH）/2-O（B），生甜团与甜味受体结合，从而使人能够感觉到甜味，甜度的大小与卤代蔗糖分子上的电荷分布有关，但与卤素原子的半径和电负性也密切相关，从表2可以看出，3-OH上的O原子上的电荷密度，随着O上电荷量的减少，溴代蔗糖的甜度在增大。

表3 不同取代基数目的蔗糖衍生物总能量与对应的甜度值Table 3 Total energy and its sweetness of sucrose derivatives with different number of substituent

由表3可知，对蔗糖进行溴代处理，从二氟蔗糖到三氟蔗糖，分子的总能量增大，甜度也随之增大，总体来看，氟代蔗糖的甜度比蔗糖增加的倍数不是那么大，不超过100倍，但是从二氟蔗糖到三氟蔗糖，多增加一个氟原子，后者是前者的10倍，这个幅度还是比较大的，随着取代原子数的增多，氟代蔗糖的甜度在增大，但是氟原子电负性比较大，造成分子形成内氢键，甜味剂不能和人体口腔内的受体蛋白结合，总体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 相同位置的不同卤素取代对甜度的影响

从表4可知，把蔗糖的4-OH，1'-OH，6'-OH用不同的卤原子取代，随着分子总能量的增加，卤代蔗糖的甜度值也在增加，但是，4，1'，6'-三氟蔗糖却反常，它的总能量最高，但是相对甜度却最低，这是因为，F原子的电负性是所有元素中最大的，在溶液中形成了内氢键，导致氟代蔗糖上的生甜团难以与口腔内受体蛋白结合，从而使它的甜度大大降低，只有蔗糖甜度的40倍，如果按按照电负性的规律，4，1'，6'-三碘蔗糖的甜度应该是4个衍生物中最大的，但是，其甜度却小于4，1'，6'-三氯蔗糖和4，1'，6'-三溴蔗糖，这是因为甜度的大小还与卤素原子的半径大小有关，半径过大，会造成空间位阻过大，这样也可了阻碍卤代蔗糖上的生甜团与受体蛋白结合，从而也使卤代蔗糖甜度的减小，卤代原子只有适中的电负性和适合的半径，才能大大提高卤代蔗糖的甜度。

表4 相同位置的不同蔗糖卤代衍生物总能量与对应的甜度值Table 4 Total energy and its sweetness of different sucrosehalogenated derivatives in same position

2.1.3 同一位置蔗糖脱氧与卤代对其甜度的影响

表5 相同位置的蔗糖脱氧与卤代衍生物总能量与对应的甜度值Table 5 Total energy and its sweetness of deoxy or sucrosehalogenated derivatives in same position

由表5可知，对蔗糖上的4'-OH进行脱氧处理，得到4'-脱氧-4，1'，6'-三氯蔗糖，分子的总能量降低，而且降幅比较大，甜度值减小，当分子的4'-OH被脱去后，生甜团被破坏，这样造成4'-脱氧-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，分子的总能量升高，甜度增大，从脱氧到溴代，分子的总能量升高，相对甜度值也增大，从3'-OH上的O原子的电荷来看，从脱氧到溴代，O原子上的电荷减少，甜度值在增加。

2.1.4 两种卤素同时取代对甜度的影响

表6 两种卤素同时取代的蔗糖衍生物总能量与对应的甜度值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'-三溴蔗糖的总能的绝对值都比较大，虽然蔗糖分子取代了2种不同的卤素，但它们的甜度也是随着总能量的增加而增大，随着卤代原子数的增加，甜度在增大。

2.2 预测样本的分子总能量与甜度关系的分析

为了验证上述结论的正确性，取6个卤代蔗糖衍生物，用PM3半经验量子化学方法算出分子总能量、扭转能、生成热、电子能、孤立原子能这5个量子化学结构参数，并查出了其相对于蔗糖的甜度值，结果如表7所示。

表7 预测样品的量子化学结构参数及其相对甜度的文献值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强的，随着取代基的个数增加，蔗糖衍生物的分子总能量是增大了，相对甜度值也在增大，对蔗糖进行氯代处理，在C-4、C-1'、C-4'和C-6'这些位置上，首先取代一个氯原子，得到4-氯蔗糖，然后分别在增加取代的数目，得到4，1'-二氯蔗糖、4，1'，6'-三氯蔗糖和4，1'，4'，6'-四氯蔗糖，从分子总能量来看，它们能量的绝对值是增大的，然后再看它们相对蔗糖的甜度值，也是依次增大的，结果表明，蔗糖衍生物的甜度值是随取代基数目的增多而增大，随着分子总能量的增大而增大。

在同一个蔗糖分子上的C-4、C-1'、C-4'和C-6'四个位置上取代2种以上的卤素，从建立的模型来看，蔗糖衍生物的甜度随着总能量和取代基数目的增大而增大，从表7可知，4-氯-1'，4'，6'-三溴蔗糖和4-氟-1'，4'，6'-三氯蔗糖这两个蔗糖衍生物之间的相似性不大，但从能量和甜度的关系来看，随着分子总能量的增大，其相对甜值是增大的。

3 结论

利用量子化学计算软件Hyperchem7.5计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总能量的大小预测未知蔗糖衍生物甜度值的大小；结果表明蔗糖衍生物的甜度值是随着分子能量的增大而增大的，又加以用预测样本进行验证，更进一步证明了些模型有一定的预测能力，此模型是非常清晰的，直接用分子总能量与甜度之间建立联系，简单而方便、有效；最后得出在C-4、C-1'、C-4'和C-6'这四个位置上，蔗糖卤代衍生物甜度的大小随着取代基的数目和分子总能量的增大而增大。通过试验得到的结论，能为预测和评估卤代蔗糖的甜度大小提供理论依据，通过此模型筛选出可能具有高甜度的衍生物，再对该其进行理化特性的测试试验，从而能够节省大量的实验工作和研究费用，并且可应用于其他新型甜味剂的开发和研究工作。

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