阿斯巴甜分子甜味稳定性研究综述

刘 菁

（上海市材料工程学校 上海 200231）

1 引言

阿斯巴甜（Aspartame,APM,C14H18O5），化学名N-α-L-天冬氨酰-L-苯丙氨酸甲酯(CAS 22839-47-0,分子量 294.31)，是目前市面上使用比较普遍的一种二肽类的人工甜味剂，它已经在100多个国家使用，我国于1986年批准在食品和饮料中使用。APM的最主要的优势是不会产生龋齿，不影响血糖、低热量、高甜度、甜味纯[1]。它优于其他人工甜味剂的另一个更重要原因是APM有增香的效果，特别对酸性的柑橘、柠檬和柚子樱桃等饮料有显著延长香味的作用。APM在pH=3～5条件下相对比较稳定，但缺点是怕强酸碱、长时间加热条件下会失去甜味甚至产生苦味。因此，APM常用于偏酸性的冷饮料中，pH＞5的液态食品或长时间热加工（如高温焙烤、煎炸）都不适合使用APM。因此，分析APM分子不稳定性的原因尤为重要，通过改进，增加APM分子热稳定性和耐碱性，使其应用于更多食品加工领域中，也能对未来研究二肽类高稳定性甜味剂提供研究思路和参考。

2 APM分子变化造成失甜的研究

研究表明，由于APM分子结构变化导致与受体结合位点的变化使甜味的消失。影响APM分子结构稳定性的因素主要有温度、水、pH等。

干燥条件下，固体APM的稳定性较好，保质期可以达到2000天[1]，但是在有水的条件下、较高的温度和pH就会对APM的结构造成影响，导致不同程度的失甜。

首先，温度会对APM分子造成较大的影响。蕈晓等[2]测试了在中性条件下，不同浓度的APM溶液在不同加热温度、不同加热时间里的甜度的变化：在加热温度达到100 ℃后，甜度会下降，当加热时间达到30 min时，甜度下降到将近原来的一半；加热温度越高，甜度越低，当加热温度达到120 ℃或以上，加热时间超过30 min时，甜度完全丧失。

其次，pH也是导致APM失甜的主要因素。陈刚等[3]做了更深入的热稳定性研究，分析了温度、pH和加热时间对于APM热稳定性的影响，以及APM水解产物苯丙氨酸含量增加与APM含量减少之间的对应关系。研究发现pH在5时稳定性最好，pH=6时水解率最高，当加热到170 ℃，APM分子几乎全部破坏。Yakici等[4]研究含等量APMpH分别为2.75、3.25、4.57软饮料，pH=2.75饮料中APM最不稳定，pH=4.57最稳定。因此APM在强酸或中性甚至碱性条件都下不稳定。

2.1 APM分子水解造成失甜

苯丙氨甲酯中的甲基作为最重要的疏水基团具有助甜作用，一旦水解，APM分子将失去甜味[5]，强酸、强碱溶液和高温都会造成酯键的水解，这也是APM分子不稳定易失甜的主要原因之一。酰胺键的水解会使APM分子失甜，由于酰胺键水解生成天冬氨酸和苯丙氨酸，根据Shallenberger AH/B/X理论，氨基（-NH3）即供氢体AH和羧基（-COOH）即电负性强基团B原本距离0.3 nm(3)破坏，导致无法与甜味受体结合位点结合，失去甜味[6]。APM水溶液在强碱或强酸条件下，或者在生物酶的作用下，可以全部水解。

2.2 APM分子环合造成失甜

APM在烘焙产品中会失去甜味（一般烘焙温度处于453～473 K），Magdalena Jaworska等[7]的研究中发现，APM固体在高温条件下(大于463 K)分子内脱水形成环合二酮哌嗪，同时甲酯键断裂，同核质子两极偶极化，形成新的电子自旋动力规律即氨基端（NH3+）的酸性氢质子转移到失去甲基的羰基O上。环合产物二酮哌嗪产生苦味，其解释可以借鉴Kubota的内氢键学说，环合氨基和羰基的距离变小产生内氢键，使得二酮哌嗪分子疏水性增强，无法和甜味基团位点形成氢键(环合产物见图2～3)。二酮哌嗪的六元环含有两个N，圆环不在一个平面上，产生的扭角力导致内酰胺键易断裂。这些变化破坏了原本与甜味受体相连接的固定位点（H键的结合点），导致甜味消失。APM环合产物二酮哌嗪分子空间结构及断键位置见图1。

图1 APM环合产物二酮哌嗪分子空间结构及断键位置

2.3 APM分子构象异构造成失甜

由于环境因素，如温度的涨落、分子的频繁碰撞及化学生物作用，少量APM分子会发生构象异构。

以往研究发现只有L,L型APM具有强甜味，若变成D,L或L,D、DD型就完全不能和甜味受体结合，甚至产生苦味，主要原因可能是手性C上的H的翻转，造成氨基（AH）和羰基（B）位置互换，破坏了结合位点规律。根据苦味三点接触理论，Temussi的AH/B基团在立体结构上相反时，会有甜味和苦味的变化，使得原来左旋体APM甜味变成异构体后的苦味，图2圈出部分是位于APM分子中的两个手性碳。按照闫红颜等[8]对天冬氨酸对映异构体的转变机理分析，见图3，手性碳1C中的12H以5N为桥梁，在三分子水和羟基自由基作质子迁移媒介催化剂，12H从1C的一侧转到另一侧实现从L型转变成D型。苯丙酰胺部位翻转机理是在双水协同作用下L -Phe-OMe分子手性2C上的H原子以羧基上的O原子为桥，转移至手性C原子的另一侧，实现从L型到D型苯丙氨酸分子的手性转变[9]。

图2 α-L,L-APM的两个手性碳（紫色）

图3 12H翻转后的D-Asp部分

3 提升APM分子稳定性的研究探索

根据以往研究者对APM分子结构改造，很多仅限于研究甜度的大小，对热稳定性的研究较少，但是根据甜味呈味机理及失甜原因，通过结构改造后的APM衍生物可能会更稳定。目前对APM分子改造的研究有对R1、R2进行取代，见图4。

图4 APM分子结构改造取代基位置

3.1 APM分子取代基R1改造研究

为了防止APM分子环合或构象异构，科研工作者尝试各种方法对APM分子进行改造，大部分研究工作是对APM分子天冬酰胺部分的α-NH2上的一个H的取代研究，N原子上如果两个H都被取代，会破坏AH结构造成失甜。纽甜是在APM分子的R1位置取代了3，3-二甲基丁基，已被证明甜度更高，稳定性也优于APM，pH 4～6水溶液相对保存率高于APM，且温度在90 ℃以内较稳定，瞬间高温对其结构没有破坏作用[10]。Kumari A等[11]对含有APM和纽甜的酸奶进行巴氏杀菌（90 ℃/20 min）比较，通过HPLC测定APM的损失率达到了40%，纽甜只有8%，而对于高温灭菌操作（121 ℃/15 min），APM全部破坏，纽甜还有50.5%分子保持完整。姜土等[12]对R1进行改造，先后合成出了3种含卤素APM衍生物：N-（对氯苯甲基）-APM、N-（间氯苯甲基）-APM和N-（邻氯苯甲基）-APM，多出了Cl与甜味受体的结合位点，甜度均高于APM。吴美红等[13]合成了N-[3-(3-羟基-4-甲氧基苯基)丙基]-APM，由于取代基R1上又多出了OCH3和-OH与甜味受体结合位点，甜度是蔗糖的22000倍，大大高于APM，同时稳定性也更好。李艳波等[14]合成了N-［N-［3-(2-乙酰基-3，6-二甲基苯基)-3-甲基丁基］-L-α-天冬氨酰］-L-苯丙氨酸1-甲酯，其稳定性在酸性或中性水溶液中较高，同时甜度是APM的150倍。白德发等[15]在R1引入了4-甲氧基苯基合成了3-（4-甲氧基苯基）-丙基APM，甜度及稳定性相当于纽甜，均高于APM。这些衍生物氨基取代较大基团能造成空间位阻，在一定程度上阻碍了分子环合和翻转增加分子稳定性，同时又增加了与甜味受体的疏水结合位点，甜度大大提升。

3.2 APMR2的取代研究

早期，研究者们就对二肽类人工甜味剂APM的Phe-COR2进行结构改造，将原本酯键变成了酰胺键，增加其稳定性，同时连接6元环结构，基于Newman六数规律且从肽键C=O开始数到分子结束需要9个原子的长度即曾广植C9律，R2取代连接基团结构可以是环己烷类，也可以是苯环类见表3-1，符合这两个规律的二肽糖被证明有明显甜度，结构更稳定。

表1 R2取代基的结构、甜度与稳定性

日本味之素公司研发出爱德万甜，基于纽甜结构的基础上即R1上取代了3,3-二甲基丁基，R2基团取代了3-羟基-4-甲氧基苯基，甜度提升到蔗糖的20000倍；胡南等[16]基于以上思路，利用天冬氨酸和半胱氨酸进行二肽合成及结构修饰合成了40000倍蔗糖甜度的新型甜味剂N-{N-[3-(3-羟基-4-甲氧基)丙基]-L-α-天冬氨酰}-S-叔丁基-L-半胱氨-1-甲酯，也是目前国内甜味最高的二肽人工合成甜味剂。

3.3 APM分子成盐增加稳定性

不变动APM分子，将其做成盐也是稳定构象的一个方法。西班牙专利85.547.855中公开了盐酸和一系列甜味剂形成盐，不仅增加了APM的水溶性，同时引入HCl能增加水溶液的酸性从而增加APM的稳定性。王三永等[17]制备了双甜-双氧嗯噻嗪酸与APM分子成盐，双甜的甜度是蔗糖的340倍左右，没有吸湿性，在70～80 ℃下或较高温度下比APM有更好的稳定性。一般考虑成盐物质为一些无机酸、有机酸或者酸性的甜味剂，分析成盐增加稳定性的可能原因是盐更利于分子形成规则的结晶体，易溶于水，酸性水溶液能较好稳定APM分子。

3.4 其他增加APM分子稳定性的研究

Matthias A.Guentert[18]提到了风味改良剂，不仅能改善甜味剂的优良风味，延长甜度，而且还能防止失甜。因此，增加APM分子稳定性，除改造APM分子结构、与酸或酸性甜味剂成盐以外，稳定改良剂的应用也具有十分广泛的前景，改良剂分子能包裹稳定APM分子，例如朱甜甜等[19]研究了β-环糊精可以稳定APM分子，具有较高包结常数，APM苯环进入β-环糊精空腔，由仪器分析β-环糊精结合APM能提高APM的甜稳定性和热稳定性。

此外，Chiara Fasciani等[20]运用APM与等离子体光热性纳米结构双金属（金-银）结合，不但结构稳定同时也具有良好的水溶性和卓越的抑菌效果。由此可以判定，APM分子与金属螯合可以形成稳定分子，杨云裳等[21]对APM和锌、铜、钙和亚铁进行螯合研究，发现与钙螯合不易吸潮、结构稳定、亚铁易吸潮，螯合率最大为亚铁73.6%，最小为钙28.6%。APM金属络合物，由于与金属形成络合键产生缔合作用从而稳定APM分子构型，达到稳定分子效果。Karim Mahnam等[22]研究了APM与Cd2+, Fe2+, Zn2+,Ca2+,Na+金属阳离子的结合主要发生在羰基部位，与Cd的结合力最强，Na最弱；Shahabadi N等[23]研究发现APM与Cu2+的复合物（Cu(APM)2Cl2·2H2O）具有比APM更高的热力学参数，同时与人体血清蛋白键结合更强。因此，金属阳离子能稳定APM结构，同时也能增加其与蛋白的结合力。

4 结语

APM作为二肽类甜味剂因其优质的甜味口感，被大众喜爱，但是它容易受热、水和pH的影响造成失甜或产生苦味，主要原因是APM分子发生了如下变化：（1）酯键水解和酰胺键水解；（2）分子环合形成二酮哌嗪；（3）构象异构导致APM分子与人体甜味受体结合位点的改变和破坏。基于上述可能失甜的原因，总结了对APM甜稳定性的改进方法：（1）分子R1、R2改造：使氨基接入R1大基团，形成空间位阻，阻止环合与异构的发生，R2的取代替代了甲酯键，形成甜味更高更稳定的分子；（2）成盐：与酸性甜味剂或酸成盐，使分子溶于水形成弱酸性条件，防止APM分子水解；（3）添加风味改良剂如环糊精或与金属螯合（Fe2+、Ca2+）等。综上所述，通过对APM从分子层面呈甜和失甜机理剖析，提出可能的甜稳定性分子改进方法，为将来新型二肽类稳定型APM衍生物的研究提供科学参考与借鉴。