不喜歡苦味？先讓機器幫你“嘗嘗”
出品：科普中國
作者：Denovo團隊
監(jiān)制：中國科普博覽
說起食物的味道，我們常常想到酸、甜、苦、咸、鮮等等，其中苦味往往最不受大家的歡迎。其實引起食物中苦味的重要因素之一是一種叫作苦味肽的生物分子，一直以來，人們努力激發(fā)或抑制這些苦味肽，以實現(xiàn)人們對食物風(fēng)味的追求。
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人類和其他哺乳動物有高度發(fā)達的感官系統(tǒng)，這之中的味覺在多種方面都具有重要作用。其中，苦味的感知主要得益于舌頭、咽喉和口腔內(nèi)其他味覺相關(guān)組織上存在的特定類型的細胞表面受體——TAS2Rs味覺受體。
這些受體是一類G蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs），能夠識別和結(jié)合到特定類型的苦味分子上。當(dāng)這種結(jié)合發(fā)生時，會激活細胞內(nèi)的一系列信號傳導(dǎo)路徑，包括cAMP和鈣離子通道的活化。這些信號最終被傳輸至大腦的味覺中樞，經(jīng)過進一步的信息處理，使人產(chǎn)生苦味的主觀感覺。
空腔中的TAS2Rs味覺受體結(jié)合苦味分子
（圖片來源：作者使用AI生成）
那么能夠引發(fā)苦味感受的苦味肽是什么呢？
這需要先從肽說起。
肽是一類由兩個或多個氨基酸通過肽鍵（-CO-NH-）連接而成的生物大分子。這種連接發(fā)生在一個氨基酸的羧基（-COOH）與另一個氨基酸的氨基（-NH2）之間。
可以把氨基酸看作一顆顆珍珠，把珍珠用短線串起來，就變成了多肽。如果肽的長度足夠長，經(jīng)過折疊后就形成了我們熟知的蛋白質(zhì)。
氨基酸就像珍珠，肽就像短的珍珠手鏈，蛋白質(zhì)就像很長并且堆在一起的珍珠項鏈
（圖片來源：作者使用AI生成）
肽在生物體內(nèi)有著多樣的功能，它們可以作為信號分子，也可以參與免疫反應(yīng)、激素調(diào)節(jié)等多種生物過程。
而苦味肽則是一類特殊的肽，它們是通過刺激味蕾讓我們感受到苦味的小分子肽，這些苦味肽的結(jié)構(gòu)和長度可能各不相同，通常食品中的蛋白質(zhì)在加工、儲存或消化過程中會水解產(chǎn)生這類短肽。
因此，豆餅、醬油、乳酪、魚子醬等發(fā)酵產(chǎn)品和許多天然食品中會含有大量的苦味肽，一些食物也會在我們口腔內(nèi)經(jīng)蛋白酶水解后產(chǎn)生苦味肽。
苦味肽的生物功能
苦味肽通常具有一種或多種生物功能，其中最顯著的可能是作為一種天然的警示機制，幫助動物避免攝入有毒或有害的物質(zhì)。
在進化生物學(xué)的背景下，苦味通常被認為是一種防御機制，許多植物通過產(chǎn)生苦味肽來阻止被食用或減少被捕食的可能性。
除此之外，苦味肽還可能參與一些生物調(diào)節(jié)作用，例如調(diào)控消化、影響營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，或作為某些生物活性物質(zhì)（如激素或神經(jīng)遞質(zhì)）的前體或拮抗物。
由于苦味肽會產(chǎn)生令人不悅的味道，降低了食物的味覺品質(zhì)，人們會本能性地回避這類物質(zhì)。但啤酒、咖啡、干酪等物質(zhì)中的苦味，卻是非常重要的感官標(biāo)準(zhǔn)，有助于提高人們對該食品或飲料的嗜好性。
因此，為了改善人類對于食品的味覺體驗，苦味肽得到了廣泛的研究。
啤酒、咖啡、干酪等物質(zhì)中的苦味是非常重要的感官標(biāo)準(zhǔn)
（圖片來源：作者使用AI生成）
如何去除食物中的苦味肽？
苦味肽廣泛存在于各類食物中，特別是在苦瓜、某些綠葉蔬菜（如菠菜和花椰菜）、大豆及其制品、成熟或發(fā)酵的奶酪，以及某些特定的內(nèi)臟肉（如肝和脾）中。此外，一些天然植物和草藥，例如苦參和黃連，也含有高濃度的苦味肽。飲料如某些茶和咖啡，也可能含有一定量的苦味肽。
苦瓜
（圖片來源：veer圖庫）
研究表明，大部分苦味肽的苦味是由其中的疏水性氨基酸引起的，其苦味強度主要由構(gòu)成的疏水氨基酸種類、排列順序等因素決定。所以，人為地發(fā)掘這類苦味肽，并通過分離純化或是吸附去除/減少苦味肽、通過酶促改性等辦法，可以調(diào)控食物中的苦味。
食物的加工和烹飪方式可能會影響其苦味肽的含量和性質(zhì)，主要因為高溫、酶的活性、pH值變化以及其他添加物可以改變肽分子的結(jié)構(gòu)或穩(wěn)定性。
例如，高溫烹飪可能會導(dǎo)致肽分子降解或改變其三維結(jié)構(gòu)，從而減少苦味，而在發(fā)酵或加工過程中引入的酶可以分解或轉(zhuǎn)化苦味肽。同時，改變食物的pH值或添加其他調(diào)味料和添加劑，也可能會影響苦味肽的溶解度或與其他成分的相互作用，進一步改變其在食物中的含量和口感表現(xiàn)。
食物的加工和烹飪方式會影響苦味肽的含量
（圖片來源：veer圖庫）
因此，盡管苦味是蛋白質(zhì)水解的必然結(jié)果，人們?nèi)匀慌νㄟ^掩蓋、去除或預(yù)防來減輕我們食物的苦味。
機器學(xué)習(xí)也能預(yù)測苦味肽了？
經(jīng)超高溫（UHT）滅菌后，牛奶可以長時間儲存，但一些UHT牛奶在貨架存放期間常會有苦味。研究表明，這是由于牛奶中的酪蛋白可能被有些耐高溫的蛋白酶水解以產(chǎn)生苦味肽。識別變質(zhì)UHT牛奶中的苦味肽將有助于分析UHT牛奶產(chǎn)生苦味的原因并提高其質(zhì)量。
傳統(tǒng)的實驗室方法是識別苦味肽的可靠方法，基于液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜的肽組學(xué)方法，可以有效地分析變質(zhì)UHT牛奶中的肽，但識別苦味肽是一項困難的任務(wù)，通常耗時且昂貴。
為了解決這個問題，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所等團隊使用了肽組學(xué)技術(shù)和機器學(xué)習(xí)構(gòu)建了一個預(yù)測模型（CPM-BP），以高效地識別苦味肽。其中肽組學(xué)指的是一種用于分析蛋白質(zhì)片段（即肽）的技術(shù)，而機器學(xué)習(xí)則通過算法來“教”計算機如何進行復(fù)雜的預(yù)測。
機器學(xué)習(xí)算法可預(yù)測苦味肽
（圖片來源：參考文獻[7]）
研究者使用了一種名為“Light Gradient Boosting Machine”的算法，成功地構(gòu)建了預(yù)測模型，這個模型在獨立測試集中對苦味肽的預(yù)測準(zhǔn)確率高達90.3%。
為了驗證模型的有效性，研究者還對變質(zhì)和新鮮的UHT牛奶進行了比較。他們在變質(zhì)牛奶中發(fā)現(xiàn)了180個潛在的苦味肽，并對其中一些使用HEK293T的細胞系進行了進一步的驗證，這些細胞被改造以表達一種特定的人類苦味受體（hT2R4），其中三個潛在苦味肽均具有激活這種苦味受體（hT2R4）的能力。最終，實驗成功證明了模型的有效性。
簡而言之，這個研究不僅提供了一個更快、更經(jīng)濟的方法來識別苦味肽，而且成功地驗證了其預(yù)測模型的準(zhǔn)確性和可靠性。這對食品科學(xué)、藥物開發(fā)和營養(yǎng)研究都有重要的應(yīng)用價值。
結(jié)語
隨著社會經(jīng)濟水平的持續(xù)提升，消費者對食品質(zhì)量的期待越來越高，不僅追求健康，也更注重口感，機器學(xué)習(xí)也因此被應(yīng)用到了更多場景中。由于涉及到多種苦味化合物和苦味受體，以及它們與其他風(fēng)味成分的復(fù)雜相互作用，這方面的研究仍面臨著不小的挑戰(zhàn)，科學(xué)家們也正在努力發(fā)現(xiàn)更多關(guān)于苦味的“秘密”。
參考文獻
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