辣，是人们日常饮食中不成或缺的一种“味道”，心理上是口腔中感受神经元受到辣味物质的刺激，在中枢神经中发生的灼热感和痛感。从化学的角度综述了我们糊口中常见的辣味当作分，并对其布局、来历以及药用活性进行了归纳，以期为大师领会辛辣化学，并对相关化合物的开辟和应用供给参考。
撰文 | 高文超（太道理工大学生物医学工程学院）、田俊（太道理工大学生物医学工程学院）、姜雪峰（华东师范大学分子科学与工程学院）
一提起辣，浮此刻脑海中的大都是鲜红火热的名菜：辣子鸡、水煮鱼、热气腾腾的麻辣暖锅……让人垂涎三尺。尽管日常饮食中离不开辛辣的味道，但辣味物质的化学素质却鲜为公共熟知。择取了糊口中常见的5种辛辣食材（图1）：辣椒、大蒜、洋葱、辣根、生姜，帮忙大师从化学的角度揭开它们辛辣味道的神秘面纱。
图1 常见的辣味食物
01辣味的发生、分级和分类
辣味分歧于酸味、甜味、咸味或是苦味，它其实是一种灼热感和痛苦悲伤感在大脑中的综合反映，并非味觉。从心理上讲，人们在品尝五味（酸甜苦咸鲜）的时辰，本家儿要经由过程食物中的化学物质激活存在于舌头概况味蕾（Tast buds）上的味觉受体细胞，并将这些味道旌旗灯号传递给中枢神经系统，发生味觉[1]。而辣味与五味分歧，当机体品尝辣味物质时，其直接感化于舌头概况的化学感受神经元（包罗温度感触感染器和痛苦悲伤感触感染器），并与这些神经细胞概况的辣椒素受体（又称瞬时受体电位喷鼻草酸亚型-1卵白，transient receptor potential channel vanilloid type-1，TRPV1）特异性连系，使离子通道打开，发生瞬时电位，以电旌旗灯号的形式传递给神经中枢，使中枢系统发生灼热和痛苦悲伤感，该过程又称三叉神经反映[2]。TRPV1受体不仅存在于口腔神经细胞中，也普遍存在于肌肉、肠道以及胰腺等组织细胞中，这也是为何辣椒不仅在嘴里能发生灼热感和痛苦悲伤感，涂抹在皮肤概况或者进入眼睛也会有相似的痛苦悲伤感，而且激发皮肤潮红或眼睛流泪[3]，而其他味觉却无法被皮肤或眼睛所感知。辣椒素受体卵白作为一种危险性细胞感触感染器[4]，除了辣味物质外，它还可被43℃以上的温度、化学刺激物以及pH转变等激活[5]。
与酸度、甜度、咸度近似，辣味物质的辣度也是可以或许测量的。今朝辣度测量本家儿要有2类：感官评定法和定量阐发法。感官评定法遍及采用美国的斯科威尔辣度分级（Scoville Heat Unit，SHU）进行权衡：首先将辣味提取液按比例稀释，让5名摆布的评测员找出方才能察觉出辣味的最低浓度样品，再按照样品的稀释比例转化当作辣度[6]。按照SHU法可以将辣味食材分级，供人们利用时参考。几种知名辣椒品种的辣度和外形如表１所示。尽管斯科威尔辣度是现行公认的辣度权衡尺度，但此法存在着比力较着的错误谬误：每次测量需一组颠末特别培训的测量者，测量者的品尝需距离0.5h以上，查验结论经由过程感官判定；对于高辣度的物质品级划分较为粗拙，规模跨度大而笼统[7]。是以，国表里很多研究者会采用定量阐发高效液相色谱手艺，以纯品辣味化合物为标样对食材辣度进行阐发测定，成立较完整的辣味分级系统[8]，必然水平上可以填补SHU辣度测量的短板。
表1 国际辣度品级划分（注：图片源于收集）
因为辣椒传入中国较晚，我国古代典籍记录的辛辣食物本家儿如果传统五辛，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《本草备要》中“大蒜”条目记录：“辛温。开胃健脾，通五脏，达诸窍。去寒湿，解暑气，辟瘟疫。消痈肿、破症积，化肉食，杀蛇虫蛊毒……然其气薰臭，多食生痰动火，散气耗血，损目昏神（注：五荤皆然，而蒜尤甚）。”尽管辣味对人体机能的影响近似，但因为辣味食材的科属分歧，引起辣味的化合物当作分也有庞大差别：辣椒，辣味本家儿要源于内部的辣椒素及其同系物；大蒜和洋葱，辣味源于大蒜素类布局；山葵和辣根，辣味来历是异硫氰酸酯布局；生姜，辣味源自姜辣素类化合物（表2）。
表2 分歧辛辣食材中的辣味化合物
02本家儿要辣味化合物的布局和性质
2.1 辣椒素及其同系物
辣椒，原产于南美洲，明末清初传入我国。我国是宿世界辣椒第一大出产国与消费国，2018年我国辣椒播种面积达3200万亩，辣椒莳植带本家儿要位于西南（云贵川渝湘）、西海说神聊（陕甘晋蒙）以及东海说神聊（黑吉辽）[9]。辣椒财产年产值2500亿元摆布，居蔬菜之首[10]。从化学角度来看，辣椒中的辣味物质是由辣椒素(Capsaicin)及其近似物构成（表3）。这些同系物都具有喷鼻草酰胺布局单位，只是酰胺侧链碳原子数（C6~C9）及饱和度有差别：辣椒素和二氢辣椒素侧链为含8位甲基的壬酸，是组成辣味的本家儿要当作分（大约占辣味化合物总量的90%），而2者的区别仅在于6，7位的双键。按照SHU辣度测定方式，辣椒素及二氢辣椒素是辣椒中最辣的物质[11]。这些同系物中的喷鼻草酰胺单位，是与神经细胞的辣椒素受体进行特异性连系的关头基团，也是进行辣味当作分优化和革新的关头布局。
20宿世纪60年月有学者对辣椒素的生物合当作路子进行研究，经由过程同位素示踪发现：辣椒素喷鼻草胺单位的合当作前体源自苯丙氨酸，支链脂肪酸源于缬氨酸，辣椒素的生物合当作过程经由过程辣椒内部的莽草酸路子来完当作（图2）。在辣椒内质网细胞上，苯丙氨酸首先转化为羟基肉桂酰辅酶Ａ，并在裂解酶和转氨酶的感化下生当作喷鼻草胺；另一边，缬氨酸被转移到线粒体中，经酶催化形当作异丁酰辅酶Ａ，多个异丁酰辅酶单位再经脂肪合酶形当作8-甲基-6-壬烯酰辅酶Ａ，在辣椒素合当作酶感化下最终与喷鼻草胺生当作辣椒素[12]。
图2 辣椒素的生物合当作路子
2.2 大蒜素及其衍生物
大蒜，也是我们饮食中不成或缺的喷鼻辛料。大蒜中既有发生特别气息的精油物质，也有发生辛辣感的辣味物质。大蒜中辣味物质与辣椒分歧，本家儿要当作分是含硫化合物，以大蒜素（Allicin）居多（图3）。1944年，美国Cavallito初次从大蒜中提取获得大蒜素，并确认其是大蒜辣味的来历[13]。大蒜素在未破损的大蒜中含量较少，当被切割或物理破裂时，细胞液中的蒜氨酸酶（Allinase）会敏捷分化内部含硫的蒜氨酸（Alliin），发生活性中心体2烯丙基次磺酸，并敏捷转化当作大蒜素等硫代亚磺酸酯类[14]。大蒜素在常温下不不变，能在光、热以及其他物理前提下分化生当作各类挥发性硫醚化合物形当作大蒜特征性气息[15]。这一过程是大蒜为免受其他微生物及动物的粉碎而成立的自我防御机制。
图3 大蒜的辣味当作分来历和转化
值得一提的是蒜氨酸及其同系物，它们是百合科植物中怪异含有的含硫氨基酸，无色无臭，是大蒜素的前体化合物。对于蒜氨酸的形当作，已有研究者证实：谷胱甘肽在酶系感化下，经巯基烯丙化，脱除甘氨酸和谷氨酸，最终经硫醚氧化而来[16]。
与大蒜近似，洋葱中披发出的特别气息及辛辣口感也与含硫的蒜氨酸同系物有关，包罗蒜氨酸、丙基蒜氨酸以及异蒜氨酸。当这些前体物质与蒜氨酸酶接触时，同样生当作具有辛辣味道的蒜素近似物，而在洋葱中含量最为丰硕的异蒜氨酸，还会经由过程催泪因子合当作酶，重排发生顺-硫代丙醛硫氧化物，这即是切洋葱时让我们眼泪横流的“真凶”（图4）[17]。按照硫代丙醛硫氧化物易挥发且易水解的化学性质，我们在切洋葱时提前冷冻或在流水下操作，即可有用降低洋葱对眼睛的刺激感化。
图4 洋葱的辣味当作分形当作过程
2.3 异硫氰酸酯类
十字花科里山葵、辣根以及芥菜也是含有辛辣当作分的植物，提掏出的芥末、辣根和芥子油，辣味怪异且冲鼻，与凉菜、生食海鲜以及高脂肪含量的食材搭配可袒护油腻和腥味。1840年，Bussy首先从芥菜籽平分离出来硫代葡萄糖苷——黑芥子苷，后来发现辛辣味道的物质是从黑芥子苷转化、重排而来，并最终确定辣味当作分本家儿要为异硫氰酸烯丙酯（Allylisothiocyanate）。至今已经在十字花科植物平分离出一百多种硫代葡萄糖苷类，辣味化合物异硫氰酸酯类均是植物组织细胞破裂后芥子酶分化硫代葡萄糖苷的成果（图5）[18]。分歧植物的辛辣构成会略有区别，芥末和辣根中的本家儿要辛辣当作分也是烯丙基异硫氰酸酯[19]。
2.4 姜辣素类化合物
生姜别名百辣云，是姜科姜属的多年生草本植物根茎，是日常生活中常用的调味品之一。与大蒜近似，生姜的风味本家儿要由姜精油和姜辣素发生（图6），姜精油是生姜中的挥发当作分，付与了生姜怪异的喷鼻气和风味；姜辣素没有挥发性，本家儿要带来特征性的辛辣的口感[20]。姜精油本家儿要由一些挥发性的倍半萜烯、氧化倍半萜以及单萜类化合物构成，可经由过程水蒸气蒸馏获得，此中α-姜烯为本家儿要的挥发性当作分[21]。对于辣味而言，姜辣素并非单一化合物，而是生姜中具有辣味物质的总称。姜辣素各化合物中均含有3-甲氧基-4-酚羟基苯基官能团，按照侧链碳原子数及毗连官能团分歧，姜辣素又分为姜醇类（Gingerols）、姜二醇类（Gingerdiols）、姜酮类（Gingerones）、姜二酮类（Gingerdiones）、副姜油酮类（Paradols）、姜烯酚类（Shogaols）等分歧类型。生姜中6-姜醇和8-姜醇含量较高，印度生姜的6-姜醇含量甚至可以达到104~965μg/g[22]。然而生姜在储存、炮制以及加工的过程中，颠末脱水和氧化等感化姜醇类含量会有所降低，姜烯酚类和姜酮的含量却有较着增高，这使得干姜的辣味反而有所加强[23]。
图6 生姜中的风味当作分及彼此转化
03辣味化合物的药物化学
3.1 辣椒素的镇痛感化
辣椒素具有丰硕的生物活性，如抗癌、抗菌以及止痛感化，其止痛感化在临床上有较好的应用[24]。辣椒素受体TRPV1是一个主要的镇痛药物靶点，辣椒素类激活细胞膜上的TRPV1受体后，神经元细胞释放大量神经肽，如P物质、降钙素基因等相关因子，发生最初短暂的烧灼样痛苦悲伤，当神经纤维再次感触感染危险性刺激时，因为神经肽已被大量耗损，神经元处于脱敏状况，相关部位无法感知痛苦悲伤，进而起到镇痛结果。按照辣椒素的镇痛感化，已经开辟了如Zostrix外用止痛膏，以及Qutenza辣椒素贴膏，用于缓解各类神经痛疾病[25]。
3.2 大蒜素的抗菌活性
现代医学研究表白，大蒜素本家儿要有3个方面的生物学活性：抗菌、防止血小板凝固以及按捺癌细胞发展[26]。因为大蒜素抗菌谱较宽，其抗菌活性尤其吸引药物化学家的存眷。大蒜提取物的抗菌活性研究最早见于20宿世纪40年月[27]，其抗菌活性的阐扬本家儿要与硫代亚磺酸酯有关[28]。大蒜素具有较高的脂溶性，可以顺遂穿透细菌的细胞膜，进入膜内，并与半胱氨酸，谷胱甘肽，乙酰辅酶及多种酶卵白的巯基（—SH）连系，致使其活性损失而阐扬抑菌感化[29]。因为大蒜素的热不不变性，是以在加热烹调后硫代亚磺酸酯布局分化导致大蒜素的抗菌活性消逝。这也是需要生食大蒜才能阐扬它的抗菌功能的本家儿要原因。
3.3 异硫氰酸酯类的抗肿瘤活性
风行病学研究成果表白经常食用辣根、芥菜等十字花科蔬菜能降低人们患肺癌和肠道癌的风险，进一步的研究表白这些蔬菜内的硫苷酶解产品——异硫氰酸酯具有较好的抗肿瘤活性，其抗癌机制本家儿要经由过程按捺I相还原酶活性防止致癌物对正常细胞的毁伤，同时提高组织中Ⅱ相解毒酶的程度加快致癌物的分泌。然而，高剂量的异硫氰酸酯具有基因毒性，可以或许引起DNA的毁伤，是以，今朝该类化合物的临床价值仍然较为有限[30]。
3.4姜辣素的抗氧化活性
姜辣素当作分中均含有3-甲氧基-4-羟基苯基官能团，因为这类布局极易被氧化，是以姜辣素的抗氧化活性最为凸起。姜辣素经由过程连系体内的氮/氧自由基来削弱低密度脂卵白的过氧化，阐扬庇护心脑血管，降低胆固醇的功能。有研究表白，姜辣素的抗氧化能力比维生素Ｅ还要强[31]。此外，姜辣素还具有必然的抗肿瘤及抗炎感化。
04总 结
跟着人们对饮食味品的需求日益提高，辣味也正饰演着越来越主要的脚色，与其他味道组合，不竭催生多种味道的立异：酸辣、麻辣、甜辣等等，在知足人们食欲的同时，也日益成长当作为一种文化，让每一个喜辣之人“痛并欢愉着”[32]。尽管，辣有如斯多的功能，但过量进食会造当作我们消化杂乱、肠胃不适等问题。是以，在进食辣味食材时，应领会科学道理，把握当令、适量和适度。
参考文献
[1] Roper S D, Chaudhari N. Nature Reviews Neuroscience, 2017, 18(8): 485-497
[2] 王宏伟, 屈展, 张启东, 等. 化学传递, 2013, 76 (5): 420-424
[3] Wall P D, Melzack R. The Textbook of Pain. London: Churchill Livingstone, 1999
[4] Jordt S E, Bautista D M, Chuang H, et al. Nature, 2004, 427 (6971): 260-265
[5] Caterina M J, Schumacher M A, Tominaga M, et al. Nature, 1997, 389 (6653): 816-824
[6] GB/T 21265—2007辣椒辣度的感官评价方式
[7] 熊科, 夏延斌, 王燕, 等. 食物科学, 2007, 28 (5):37-40
[8] 曾岭岭, 王斌, 陈烨,等. 食物科学, 2006, 27 (7): 129-131
[9] 王继榜. 安徽农学传递, 2013 (19): 64-78
[10] 王立浩,马艳青,张宝玺.中国蔬菜,2019 (8):1-4
[11] Ravishankar G A, SureshB, Giridhar P, et al. Biotechnological studies on metabolite production and plant improvement. Berlin: Springer,2003
[12] Mazourek M, Pujar A, Borovsky Y,et al. Plant Physiol, 2009,150(4): 1806-1821
[13] Cavallito C J, Bailey J H, Allicin H. Journal of the American Chemical Society, 1944, 66 (11): 1950-1951
[14] Lanzotti V. Journal of Chromatography A, 2006, 1112(1): 3-22
[15] 周爱梅, 李汴生. 食物工业科技, 1998 (6): 13-14
[16] Yoshimoto N, Onuma M, Mizuno S, et al, The Plant Journal, 2015, 83 (6): 941-951
[17] 王杰. 食物科学, 1987 (2): 41-43
[18] 肖华志. 食用辛辣风味物质异硫氰酸烯丙酯的研究. 海说神聊京:中国农业大学博士学位论文, 2004
[19] 林丽钦. 福建轻纺, 1999 (9):1-4
[20] 范素琴, 陈鑫炳. 粮食与油, 2009(8): 45-47
[21] Millar J G. Journal of Natural Product, 1998,61 (8): 1025-1026
[22] Nigam N, George J, Srivastava S, et al. Cancer Chemo-therapy and Pharmacology, 2010, 65 (4): 687-696
[23] Bhattarai S A, Tran V H, Duke C C. Journal of Pharmaceutical Science, 2001, 90 (10): 1658-1664
[24] 蔡进, 宋秀道, 江国荣. 中国临床药理学杂志, 2019, 35(23): 3138-3141
[25] Kissin I, Szallasi A. Current Topics in Medicinal Chemistry, 2011, 11 (17): 2159-2170
[26] 姚静文 赵景鹏, 王德才. 泰山医学院学报, 2017, 38(5): 597-600
[27] Stoll A, Seebeck E. Helvetica Chimica Acta, 1948, 31(1): 189-210
[28] Smal lL D, Bailey J H, Cavallito C J. Journal of American Chemistry Society, 1947, 69(7): 1710-1713
[29] Fujisawa H, Watanabe K, Suma K, et al. Bioscience Biotechnology and Biochemistry, 2009, 73(9): 1948-1955
[30] 张清峰, 姜子涛, 李荣天. 食物研究与开辟, 2005,26(3): 83-88
[31] S S Sharma, V Kochupillai, S K Gupta, et al. Journal of Ethnopharmacology, 1997, 57 (2): 93-96
[32] 孔当作. 艺术教育研究, 2010 (2): 62-63
本文原文颁发于《化学教育》2020年第14期，原题目为《味觉化学之辣味化学》，经作者授权颁发于《返朴》。
