为什么说辣是一种痛苦而不是一种味道？

辣是人们日常饮食中不可缺少的“味道”。在生理上，口腔内的感觉神经元受到辛辣物质的刺激，在中枢神经系统中产生灼痛和疼痛。从化学角度对我们生活中常见的辛辣成分进行综述，总结其结构、来源和药用活性，以期了解辛辣化学，为相关化合物的开发和应用提供参考。

写作 |高文超（太原理工大学生物医学工程学院）、田军（太原理工大学生物医学工程学院）、蒋雪峰（华东师范大学分子科学与工程学院）

一提到麻辣，脑海中浮现的名菜大多都是鲜红火辣的：麻辣鸡、水煮鱼、热气腾腾的麻辣火锅……让人垂涎三尺。虽然辣味与日常饮食密不可分，但辛辣物质的化学性质却鲜为人知。精选生活中常见的5种辣味食材（图1）：辣椒、大蒜、洋葱、辣根、姜，助你从化学角度揭开它们辣味的奥秘。

图 1 常见的辛辣食物

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辣味的产生、分类和分类

辣不同于酸、甜、咸或苦。它实际上是大脑燃烧和疼痛的综合反映，而不是味觉。在生理上，当人们品尝到五种味道（甜、甜、苦、咸、鲜）时，主要是通过食物中的化学物质激活舌面味蕾（Tast buds）上的味觉感受细胞，并将这些味觉信号传递给中枢神经系统产生味觉[1]。辣味不同于五味。当身体尝到辛辣物质时，它直接作用于舌面的化学感受神经元（包括温度感受器和疼痛感受器），并与这些神经细胞表面的辣椒素受体（也称为瞬时受体电位香草素型）相互作用。 1蛋白，瞬时受体电位通道vanilloid type-1，TRPV1）特异性结合开放的离子通道并产生瞬时电位，以电信号的形式传递到神经中枢，使中枢系统产生灼痛和疼痛这个过程也被称为三叉神经反应[2]，TRPV1受体不仅存在于口腔神经细胞中，还广泛存在于肌肉、肠、胰腺等组织细胞中。口腔 可产生烧灼感和疼痛感。涂抹于皮肤表面或进入眼睛时也可引起类似疼痛。还可引起滑雪板潮红n 或眼泪[3]，但皮肤或眼睛无法感知其他味觉。辣椒素作为一种伤害感受细胞受体[4]，除了辛辣物质外，43℃以上的温度、化学刺激、pH值变化也能激活体细胞蛋白[5]。

与酸度、甜度、咸度类似，也可以测量辛辣物质的辣度。目前，热度测量主要有两种类型：感官评价法和定量分析法。感官评价方法一般采用美国的Scoville Heat Unit（SHU）来衡量：首先，将辣味提取物按比例稀释，5个左右的审稿人就可以看出辣味。浓度最低的样品根据样品的稀释比例换算成辣度[6]。根据SHU法，可以对辛辣成分进行分类，以供人们使用时参考。几个知名辣椒品种的辣度和外观如表1所示。 虽然Scowell的辣度是目前公认的衡量辣度的标准，但这种方法有明显的缺点：每次测量都需要一组经过专门培训的测量员，而测量者需要以0.5h 或更多分隔。 , 检验结论靠感官判断；高辣物质的分类比较粗略，范围跨度大且一般[7]。因此，国内外许多研究人员将采用定量分析和高效液相色谱法，以纯辣味化合物为标准样品，对食品原料的辣味进行分析测定，建立较为完善的辣味分类体系[8]，可弥补因为它在一定程度上。 SHU热度测量的不足。

表1国际辣度分级表（注：图片来源于网络）

由于辣椒传入中国较晚，中国古代典籍中记载的辛辣食物主要是传统的五辣食物。 ，芫荽也”。清代王昂的《本草》词条《大蒜》记载：“辛文。开胃健脾，行五脏，通窍。祛寒除湿，清热解毒。消除痈肿和肿胀。 ，化肉，杀蛇，杀虫，毒……但其臭味，多食，生痰生火，散气耗血，昏目。风味对人体机能的影响相似，但由于辛辣成分的家族不同，导致辣味的化合物组成存在巨大差异：胡椒，辣味主要来自内部辣椒素及其同系物；大蒜和洋葱，辛辣味来源于大蒜素的结构；辣根和辣根，辣味的来源是异硫氰酸酯结构；姜，辣味来源于姜酚化合物（table2）.

表2 不同辣味成分中的辣味成分

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主要辛辣化合物的结构与性质

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。我国是世界上最大的胡椒生产国和消费国。 2021年，我国辣椒播种面积将达到3200万亩。辣椒种植带主要分布在西南（云贵、四川、重庆、重庆）、西北（山西、甘肃、山西和蒙古）和东北（黑机寮）[9]。辣椒产业年产值约2500亿元，居蔬菜之首[10]。从化学角度看，辣椒中的辛辣物质是由辣椒素及其类似物（表3）。这些同系物都有香草酰胺结构单元，但酰胺侧链的碳原子数（C6~C9）和饱和度有差异：辣椒素和二氢辣椒素是具有8位甲基的壬酸的侧链，是辣味的主要成分（约占辣味化合物总量的90%），与2的区别它们之间只有6、7位的双键。根据SHU辣度测定法，辣椒素和二氢辣椒素是辣椒中最辣的物质[11]，这些同系物中的香兰素酰胺单元与神经有关。细胞辣椒素受体的特异性结合也是辣味成分优化和修饰的关键结构。

表 3 辣椒素及其类似物

1960年代辣椒属于什么类蔬菜，有学者研究辣椒素的生物合成途径。通过同位素示踪，发现辣椒素香兰素单元的合成前体来源于苯丙氨酸，支链脂肪酸来源于缬氨酸。辣椒素的生物合成是通过辣椒内部的莽草酸途径完成的（图2）。在辣椒的内质网细胞上，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中起作用。对另一方面，缬氨酸被转移到线粒体，通过酶催化形成异丁酰辅酶A，然后通过脂肪合成酶形成多个异丁酰辅酶A单元，形成8-甲基-6-壬烯酰辅酶A，在辣椒素合成酶的作用下，最终将与香兰素形成辣椒素[12]。

图2 辣椒素的生物合成途径

2.2 大蒜素及其衍生物

大蒜也是我们饮食中不可或缺的香料。大蒜含有产生特殊气味的精油物质和产生刺鼻感觉的辛辣物质。大蒜中的辛辣物质与辣椒不同。主要成分是含硫化合物，其中大部分是大蒜素（图片3）。1944年，美国Cavallito首次从大蒜中提取大蒜素辣椒属于什么类蔬菜，并证实它是大蒜辣味的来源[13]蒜素在未破碎的大蒜中含量较少，当切开或物理破碎时，细胞液中的蒜氨酸酶会迅速分解含硫的蒜氨酸（Alliin），产生活性中间体2烯丙基亚磺酸，并迅速转化为大蒜素等硫代亚磺酸盐[14]。大蒜素在常温下不稳定，在光、热等物理条件下可分解，生成各种挥发性硫化物，形成大蒜特有的气味[15]。这个过程是建立起来的自卫机制避免受到其他微生物和动物的伤害。

图 3 大蒜辣味成分来源及转化

值得一提的是，大蒜素及其同系物是百合科植物中特有的含硫氨基酸辣椒属于什么类蔬菜，无色无味，是大蒜素的前体化合物。关于蒜氨酸的形成，研究人员已经证实谷胱甘肽在酶的作用下发生巯基烯丙基化，去除甘氨酸和谷氨酸，最后被硫醚氧化[16]。

与大蒜类似，洋葱的特殊气味和辛辣味也与含硫的蒜氨酸同系物有关，包括蒜氨酸、丙基蒜氨酸和异蒜氨酸。当这些前体物质与蒜氨酸酶接触时，它们也会产生辛辣的大蒜素类似物，洋葱中含量最高的异蒜氨酸也可以重新排列以产生顺式泪液因子合酶。硫代丙醛硫氧化物，这是切洋葱时让我们流泪的“真正杀手”（图片4）[17]。根据硫代丙醛硫氧化物易挥发、易水解的化学性质，我们提前将洋葱冷冻或切洋葱时在流水下操作，可有效减少洋葱对眼睛的刺激。

图4 洋葱辣味成分的形成过程

2.3 异硫氰酸盐

十字花科中的芥末、辣根和芥末也是含有辛辣成分的植物。提取的芥末、辣根和芥末油具有独特的辣味和红鼻子。它们搭配凉菜、生海鲜和高脂肪食材。它可以掩盖油腻和鱼腥味。 1840 年，Bussy 首次从芥菜籽中分离出芥子油苷-芥子油苷。后来发现辛辣物质是由硫代葡萄糖苷转化重排而成，最终确定辛辣成分主要是异硫。异硫氰酸烯丙酯（Allylisothiocyanate）。迄今为止，已从十字花科植物中分离出一百多种硫代葡萄糖苷。辛辣化合物异硫氰酸酯是植物组织细胞破碎后芥子苷酶分解芥子油苷的结果（图5）[18]。不同植物的辛辣成分会略有不同，芥末和辣根中的主要辛辣成分也是异硫氰酸烯丙酯[19]。

图5 芥末、辣根和芥菜中辣味成分的形成过程

2.4 姜酚化合物

姜，又名白拉云，是姜科姜属的多年生草本根茎。是日常生活中常用的调味品之一。与大蒜类似，姜的香味主要由姜精油和姜辣素产生（图片6），姜精油是姜中的挥发性成分，赋予姜独特的香气和风味；姜辣素不挥发，主要带来特征辛辣味[20].生姜精油主要由一些挥发性倍半萜、氧化倍半萜和单萜组成，可通过水蒸气蒸馏得到，其中α-姜烯是主要的挥发性成分[21]。对于辛辣味，姜辣素不是单一的化合物，而是姜中辛辣物质的总称。姜辣素的每种化合物都含有3-甲氧基-4-苯酚羟基苯基官能团，根据侧链碳原子数和连接官能团的不同，姜辣素分为姜辣素（Gingerols）、姜二醇（Gingerdiols）、姜酮（Gingerones）、姜二酮（Gingerdiones）、副姜酮（Paradols）和姜酮（学校）。生姜中6-姜醇和8-姜醇的含量较高，印度生姜中6-姜醇的含量甚至可以达到104~965μg/g[22]。但生姜在贮藏、加工、加工过程中，经过脱水氧化后，姜辣素的含量会降低，但姜辣素和姜酮的含量会显着增加，这使得干姜的辣味反而变差了。增强[23]。

图 6 生姜风味成分及其相互转化

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辛辣化合物的药物化学

3.1 辣椒素的镇痛作用

辣椒素具有丰富的生物活性，如抗癌、抗菌和镇痛作用，其镇痛作用具有良好的临床应用[24]。辣椒素受体TRPV1是镇痛药物的重要靶点。辣椒素激活细胞膜上的TRPV1受体后，神经元细胞释放大量的神经肽，如P物质、降钙素基因等相关因子，产生最初的短暂性，当神经纤维再次受到伤害性刺激时，神经肽已被消耗掉。量大，神经元处于脱敏状态，相关部位无法感知疼痛，从而起到镇痛作用。基于辣椒素的镇痛作用，已研制出Zostrix外用镇痛膏和Qutenza辣椒素贴膏，用于缓解各种神经痛疾病[25]。

3.2 大蒜素的抗菌活性

现代医学研究表明，大蒜素具有三大生物活性：抗菌、防止血小板聚集和抑制癌细胞生长[26]。由于大蒜素抗菌谱广，其抗菌活性尤其受到药物化学家的关注。大蒜提取物的抗菌活性最早见于1940年代[27]，其抗菌活性主要与硫代亚磺酸盐有关[28]。大蒜素具有很高的脂溶性，它能顺利穿透细菌的细胞膜，进入细胞膜，与半胱氨酸、谷胱甘肽、乙酰辅酶和各种酶蛋白的巯基（-SH）结合，导致其失去活性。抑菌作用[29]。由于大蒜素的热不稳定性，加热和蒸煮后硫代亚磺酸盐结构分解，导致大蒜素的抗菌活性消失。这也是大蒜需要生吃才能发挥抗菌作用的主要原因。

3.3 异硫氰酸酯的抗肿瘤活性

流行病学研究结果表明，经常食用辣根、芥菜等十字花科蔬菜可以降低患肺癌和肠癌的风险。进一步研究表明，这些蔬菜中的葡萄糖苷酶水解产物-异硫氰酸酯具有良好的抗肿瘤活性。其抗癌机制主要是通过抑制Ⅰ相还原酶的活性来防止致癌物质对正常细胞的破坏，同时提高组织中Ⅱ相解毒酶的水平，加速致癌物质的排泄。然而，高剂量的异硫氰酸酯具有遗传毒性，会导致 DNA 损伤。因此，这些化合物的临床价值仍然有限[30]。

3.4姜辣素的抗氧化活性

姜辣素成分均含有3-甲氧基-4-羟基苯基官能团。由于这种结构容易被氧化，姜辣素的抗氧化活性最为突出。姜辣素通过结合体内的氮/氧自由基，减少低密度脂蛋白的过氧化，保护心脑血管，降低胆固醇。研究表明，姜辣素的抗氧化能力强于维生素E[31]。此外，姜辣素还具有一定的抗肿瘤、抗炎作用。

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总结

随着对食品和饮料的需求不断增加，辣味也发挥着越来越重要的作用。与其他口味相结合，不断催生出多种口味的创新：酸辣、麻辣、甜辣等，在满足人们食欲的同时，也日益发展成为让每一个爱吃辣的人的文化食物“痛苦和快乐”[32]。虽然辛辣有这么多功效，但暴饮暴食会导致消化系统紊乱、肠胃不适等问题。因此，食用辛辣食物时，应了解科学原理，掌握正确的时间、数量和适量。

参考资料

[1] Roper S D, Chaudhari N. Nature Reviews Neuroscience, 2021, 188: 485-497

[2] 王宏伟，曲展，张启东，等。化学通报, 2013, 76 5: 420-424

[3] Wall P D，Melzack R. 疼痛教科书。伦敦：丘吉尔利文斯通，1999 年

[4] Jordt SE、Bautista D M、Chuang H 等。自然, 2004, 427 6971: 260-265

[5] Caterina M J、Schumacher M A、Tominaga M 等。 Nature, 1997, 389 6653: 816-824[6] GB/T 21265—2007 辣椒辣味感官评价方法

[7] 熊克，夏彦斌，王艳，等。食品科学, 2007, 28 5:37-40

[8] 曾玲玲，王斌，陈晔，等。食品科学, 2006, 27 7: 129-131

[9] 王继邦。安徽农业科学通报，2013 19：64-78

[10] 王立豪，马延庆，张宝喜。中国蔬菜, 2021 8:1-4

[11] Ravishankar G A、SureshB、Giridhar P 等。代谢物生产和植物改良的生物技术研究。柏林：斯普林格，2003

[12] Mazourek M、Pujar A、Borovsky Y 等。植物生理学, 2009,1504: 1806-1821

[13] Cavallito C J, Bailey J H, Allicin H. 美国化学会杂志, 1944, 66 11: 1950-1951

[14] Lanzotti V. Journal of Chromatography A, 2006, 11121: 3-22

[15] 周爱梅，李变生。食品工业科技，1998 6：13-14

[16] Yoshimoto N, Onuma M, Mizuno S, et al, The Plant Journal, 2021, 83 6: 941-951[17] 王杰.食品科学，1987 2：41-43

[18] 肖华志.食用香辣味异硫氰酸烯丙酯的研究。北京：中国农业大学博士论文，2004

[19] 林励勤.福建纺织, 1999 9:1-4

[20] 范素琴，陈新兵。粮油, 20098: 45-47

[21] Millar J G. Journal of Natural Product, 1998,61 8: 1025-1026

[22] Nigam N、George J、Srivastava S 等。癌症化疗与药理学, 2010, 65 4: 687-696

[23] Bhattarai SA, Tran VH, Duke C C. Journal of Pharmaceutical Science, 2001, 90 10: 1658-1664[24] 蔡金, 宋修道, 蒋国荣.中国临床药理学杂志, 2021, 3523: 3138-3141

[25] Kissin I, Szallasi A. Current Topics in Medicinal Chemistry, 2011, 11 17: 2159-2170

[26] 姚景文，赵景鹏，王德才。泰山医学院学报, 2021, 385: 597-600

[27] Stoll A, Seebeck E. Helvetica Chimica Acta, 1948, 311: 189-210

[28] Smal lL D, Bailey J H, Cavallito C J. 美国化学会杂志, 1947, 697: 1710-1713

[29] 藤泽 H、渡边 K、须磨 K 等。 Bioscience 生物技术与生物化学, 2009, 739: 1948-1955

[30] 张庆峰，姜子涛，李荣添。食品研究与开发, 2005,263: 83-88

[31] S S Sharma、V Kochupillai、S K Gupta 等。民族药理学杂志, 1997, 57 2: 93-96

[32] 孔诚。艺术教育研究，2010 2：62-63

本文原文发表于《化学教育》2021年第14期，原标题为《味觉化学的辣味化学》，经作者授权发表于《归园》 .