Alla gente piace la dolcezza dello zucchero, ma la cosa più dolce non è lo zucchero?丨Taste Chemistry

La dolcezza è un gusto gradevole che rende le persone felici. La sua essenza biologica è l'interazione tra molecole dolci e recettori del dolce, che poi attivano l'area della ricompensa del cervello per rilasciare il neurotrasmettitore dopamina dopo un complesso processo di trasmissione. Dal punto di vista della struttura chimica, le molecole dolci possono essere suddivise in: carboidrati (zucchero, derivati ​​dello zucchero, alcoli di zucchero, glicosidi), amminoacidi (dipeptidi, proteine), sulfonamidi, ecc. Il valore di dolcezza è strettamente correlato alla struttura molecolare. Questo articolo spiega i vari tipi di molecole dolci e la loro dolcezza a livello di struttura molecolare, per scoprire qual è la sostanza più dolce.

Scritto da Shi Min (Changzhou No. 1 Middle School), Jiang Xuefeng (Facoltà di Scienze e Ingegneria Chimica Molecolare, East China Normal University)

Acido, dolce, amaro, salato e umami sono i cinque gusti fondamentali dell'uomo. Le persone nascono con una preferenza per la dolcezza [1]. Secondo Shuowen Jiezi, "Yan significa bellezza. Lingua significa il senso della dolcezza." Ciò significa che la lingua può percepire il sapore dolce. Il meccanismo biologico della dolcezza è più o meno il seguente: le molecole dolci attivano i recettori del dolce (recettori T1R2/T1R3) sulle papille gustative dell'epitelio della lingua, che a loro volta attivano le proteine ​​G e la fosfolipasi Cβ2. L'inositolo trifosfato ottenuto dall'idrolisi di Cβ2 induce il rilascio di Ca2+ intracellulare, seguito dalla depolarizzazione della membrana cellulare e dal rilascio di neurotrasmettitori, producendo così dolcezza [2].

A livello chimico, gli scienziati hanno riassunto e costantemente rivisto e integrato la teoria struttura-attività molecolare rilevante:

(1) Nel 1963, Shallenberger propose la teoria AH-B, che afferma che le molecole dolci devono avere sia un gruppo donatore di idrogeno AH (come un gruppo idrossilico, un gruppo amminico, ecc.) sia un gruppo accettore di idrogeno B (come un atomo di ossigeno, un atomo di azoto, ecc.), e la distanza tra l'H (protone dell'idrogeno) del gruppo AH e B è 0,25~0,40 nm (Figura 1(a)). L'unità AH-B della molecola dolce interagisce con l'unità AH-B del recettore del dolce per produrre il gusto [3].

(2) Nel 1972, Kier integrò la teoria AH-B e propose la teoria del triangolo AH-BX, che afferma che la presenza di un gruppo idrofobico X, AH, B e X in una molecola determina congiuntamente la dolcezza della molecola [4] (Figura 1 (b)). Le distanze tra X e A e B sono rispettivamente 0,35 nm e 0,55 nm. Tuttavia, studi successivi hanno dimostrato che questa teoria non ha un significato universale.

(3) Nel 1991, Tinti ha ulteriormente proposto la teoria multi-sito, secondo la quale il recettore del gusto dolce ha almeno otto punti di riconoscimento che interagiscono con le parti corrispondenti delle molecole del gusto dolce per produrre dolcezza. Ad esempio, l'aspartame interagisce con il recettore in nove siti (Figura 1 (c)) [5, 6].

Si può osservare che la dolcezza è correlata al coefficiente di ripartizione lipidi-acqua della molecola. Quando la molecola raggiunge un equilibrio lipofilo-idrofilo, interagisce fortemente con i recettori del gusto dolce e ha un'elevata dolcezza[7]. Vale la pena sottolineare che le strutture tridimensionali dei singoli recettori del gusto dolce e dei complessi molecola-recettore non sono ancora state ottenute, quindi la teoria di cui sopra non è stata completamente verificata e presenta alcune limitazioni [8].

Figura 1 (a) teoria AH-B, (b) teoria AH-BX, (c) teoria multi-punto

Ad oggi, sono più di 20 le molecole dolci comunemente utilizzate, come zuccheri (saccarosio), derivati ​​dello zucchero (sucralosio), alcoli di zucchero (sorbitolo), glicosidi (stevioside), dipeptidi (aspartame), proteine ​​(taumatina), sulfonamidi (saccarina), ecc. La dolcezza di una soluzione di saccarosio al 5% a temperatura ambiente è solitamente definita come 1 e altre molecole dolci vengono confrontate con essa per ottenere valori di dolcezza. La dolcezza di un alimento viene solitamente misurata tramite la media di più assaggi effettuati da un ispettore, quindi il valore della dolcezza è influenzato da fattori soggettivi. Di recente è stata sviluppata una lingua elettronica che simula il gusto umano e può valutare la dolcezza in modo più oggettivo, ma la tecnologia è ancora immatura[9].

Lo zucchero trasmette una sensazione di felicità alle persone, ma un consumo eccessivo può portare all'obesità e persino a malattie (come il diabete). Il meccanismo è che le molecole di zucchero in eccesso vengono scomposte nel corpo per produrre energia "abbondante". Si stima che entro il 2030, 2,16 miliardi di persone saranno affette da obesità[10]. Il concetto di stile di vita ipocalorico ha aperto la strada allo sviluppo di dolcificanti senza zucchero e ha promosso lo sviluppo diversificato della chimica dolce.

01

Zuccheri, alcoli di zucchero, glicosidi

1.1 Zuccheri e loro derivati

In genere si ritiene che la dolcezza derivi dallo zucchero (noto anche come carboidrati), il più comune dei quali è il saccarosio. La struttura chimica è attribuita a due gruppi idrossilici adiacenti, vicini nello spazio, soddisfacendo la teoria AH-B, con un gruppo idrossilico che agisce come AH e l'atomo di ossigeno sull'altro gruppo idrossilico che agisce come B (Figura 2, in alto). Anche il fruttosio e il glucosio prodotti dopo l'idrolisi del saccarosio sono conformi alla teoria AH-B, con livelli di dolcezza rispettivamente pari a 1,1~1,8 e 0,5~0,8. Anche la dolcezza del maltosio, un altro zucchero naturale utilizzato nella vita quotidiana, ha un riscontro teorico. Dopo la decomposizione, produce due molecole di glucosio, che derivano dall'idrolisi dell'amido (un polisaccaride non dolce). Ecco perché l'amido ha un sapore dolce dopo essere stato masticato (Figura 2 sotto).

Figura 2 Zuccheri comuni e la loro dolcezza

Un consumo eccessivo di zucchero può portare a disfunzioni pancreatiche e causare malattie come il diabete e l'obesità. Per questo motivo, gli scienziati sviluppano costantemente sostituti degli zuccheri tradizionali per soddisfare il desiderio di dolcezza delle persone senza causare cambiamenti significativi nei livelli di zucchero nel sangue e di insulina. Alcuni zuccheri rari naturali hanno tali proprietà [11]. Wiggers scoprì il trealosio nel 1832 dal fungo ergot della segale, e Levin utilizzò per primo un metodo biologico per ottenere il tagatosio mediante la conversione enzimatica del galattosio nel 1988 [12]. Esiste anche l'allosio prodotto dalla conversione catalizzata dal fruttosio (Figura 3).

Figura 3 Zuccheri rari e la loro dolcezza

La dolcezza dello zucchero naturale è generalmente concentrata intorno a 1,0, il che rende difficile soddisfare le esigenze di una più ampia gamma di applicazioni. Nel 1976, Hough et al. [13] hanno scoperto che la sostituzione selettiva di alcuni gruppi idrossilici nelle molecole di saccarosio con alogeni può influenzare significativamente la dolcezza della molecola. La clorazione in posizione 2 lo rende addirittura amaro, mentre il 4,1′,6′-triclorosaccarosio e il 4,6,1′,4′-tetrabromosaccarosio hanno una dolcezza notevolmente migliorata (Figura 4 (a)), con livelli di dolcezza rispettivamente di 400-800 e 7500. Il motivo è: l'introduzione di alogeni può aumentare la lipofilia delle molecole di saccarosio e rafforzare la loro interazione con i recettori del dolce; I prodotti bromurati sono più dolci di quelli clorurati perché il raggio dell'atomo di bromo è paragonabile alla dimensione molecolare dei recettori dolci e il legame è più completo. Studi dettagliati hanno dimostrato che l’alogenazione nelle posizioni 1, 4, 1′ e 4′ della molecola di saccarosio può aumentare la dolcezza[14].

Il sucralosio è una molecola dolce ampiamente utilizzata che viene quasi sempre escreta dall'organismo dopo il consumo. Può essere conservato per 4 anni in condizioni asciutte a 20°C. Tuttavia, durante la cottura si decomporrà in L-glucosio chetone e 5-idrossimetilfurfurale. Nello stesso tempo, l'acido cloridrico rilasciato parteciperà alla clorurazione del glicerolo per produrre la sostanza tossica cloropropanolo. Pertanto, gli alimenti contenenti sucralosio non devono essere riscaldati ad alte temperature (Figura 4 (b)) [15]. Hough ha utilizzato un metodo di protezione del gruppo completo, che comprende le fasi di acilazione, clorurazione e deacilazione. Sebbene la resa fosse solo del 14,6% [16], essa fornì una base teorica per la sintesi della sucralosio (Figura 4 (c)). Con l'aumento della domanda di sucralosio e il continuo miglioramento del percorso di sintesi, il metodo di protezione a gruppo singolo è diventato un metodo di sintesi comunemente utilizzato grazie al minor numero di passaggi e alla maggiore resa. Dopo le fasi di acilazione, clorurazione e deacilazione, la resa può raggiungere il 27,8% [17] (Figura 4 (c)).

Figura 4 (a) Derivati ​​alogenati del saccarosio, (b) relazione di trasformazione della sucralosio ad alta temperatura, (c) via di sintesi della sucralosio

1.2 Alcoli di zucchero

È stata sviluppata un'altra serie di molecole dolci di uso comune: gli alcoli di zucchero, la cui struttura molecolare è quella di un poliolo (contenente più gruppi funzionali idrossilici), come il sorbitolo, il mannitolo, lo xilitolo, ecc. (Figura 5). Come le molecole di zucchero, è altamente idrofilo e interagisce poco con i recettori del gusto dolce, quindi non è molto dolce. Gli alcoli di zucchero possono essere ottenuti da piante naturali oppure ridotti con zuccheri corrispondenti. Ad esempio, il glucosio può essere ridotto a sorbitolo, il mannosio a mannitolo e lo xilosio a xilitolo. Sebbene gli alcoli di zucchero non siano dolci quanto lo zucchero, non producono acidi che corrodono i denti quando vengono a contatto con i batteri orali, e quindi possono prevenire la carie. Gli alcoli di zucchero non aumentano significativamente i livelli di zucchero nel sangue nel corpo umano dopo il consumo[18], quindi possono essere consumati dai diabetici, ma un consumo eccessivo può causare diarrea.

Figura 5 Alcoli di zucchero comuni e la loro dolcezza

1.3 Glicosidi

Le molecole dolci dello zucchero includono anche i glicosidi, la cui struttura molecolare è un legame glicosidico che collega un residuo di zucchero (il gruppo idrossilico emiacetalico di un monosaccaride o oligosaccaride) e un glicoside (una parte non zuccherina come un gruppo idrossilico). Ad esempio, lo stevioside, la neoesperidina diidrocalcone e il mogroside sono naturali, sicuri, molto dolci e ipocalorici e possono prevenire la carie[19].

Lo stevioside è una molecola di glicoside diterpenico tetraciclico che può essere estratta dalle foglie di stevia e ha un potere dolce pari a 270~300. Lo steviolo (glicoside) ha diversi valori di dolcezza quando è collegato a diversi numeri di gruppi glucosio (-glu) nella posizione C-19 e diversi numeri e tipi di gruppi zucchero nella posizione C-13 [20] (Figura 6 (a)):

(1) Lo stevioside A (dolcezza 350-450) con tre gruppi glucosio collegati da legami di ossigeno in C-13 è più dolce dello stevioside con due gruppi glucosio;

(2) Quando uno dei tre gruppi glucosio collegati al C-13 viene sostituito con ramnosile (-rhm) nello stevioside C (dolcezza 40-60), la dolcezza viene notevolmente ridotta;

(3) Se il C-19 è collegato allo stevioside E (dolcezza 100~150) con due gruppi glucosio, la dolcezza diminuirà leggermente.

Gli steviosidi sono resistenti agli acidi e agli alcali, ampiamente utilizzati nelle bevande e hanno gradualmente sostituito la saccarina.

Neoesperidina[21], estratta dalla buccia dell'arancia. La naringina e la neoesperidina dal sapore amaro (Figura 6(b) a sinistra) possono essere sottoposte all'apertura dell'anello mediante alcali e quindi idrogenate sotto catalisi al palladio per ottenere naringina diidrocalcone e neoesperidina diidrocalcone[22]. Il costo di produzione è relativamente elevato e viene spesso utilizzato nelle bevande. Relazione tra la struttura molecolare del diidrocalcone e il valore di dolcezza (Figura 6 (b) a destra):

(1) Il gruppo R collegato a C-7 nel diidrocalcone è un gruppo zucchero (neoesperidosile, abbreviato come Neo o glucosile, ecc.), e c'è almeno un gruppo idrossilico sull'anello benzenico collegato a C-2. La molecola ha un sapore dolce solo quando queste due condizioni sono soddisfatte contemporaneamente;

(2) Se il C-4′ sull'anello benzenico di destra è collegato a un gruppo alcossilico, la dolcezza sarà aumentata. Ciò significa che la dolcezza del neoesperidina diidrocalcone (la dolcezza è 1000) è molto più alta di quella del naringina diidrocalcone (la dolcezza è 500~700) [23].

Il Mogroside V è una molecola di glucoside triterpenoide che può essere estratta dalla vite Cucurbitaceae Momordica grosvenori con una dolcezza pari a 300 (Figura 6 (c)). Similmente allo stevioside, diversi numeri e tipi di gruppi zuccherini attaccati daranno luogo a diversi valori di dolcezza, mentre se il gruppo idrossilico in posizione C-11 viene distrutto, avrà un sapore amaro[24]. Nel mio Paese è comunemente utilizzato per curare la tosse secca, il mal di gola e altre malattie[25]. La sua coltivazione e il suo utilizzo hanno una storia di 800 anni, ma la sua commercializzazione è iniziata solo nel 2004.

Figura 6 (a) Stevioside, (b) Neoesperidina diidrocalcone, (c) Mogroside V

02

Dipeptidi, proteine

Gli amminoacidi sono le unità di base che compongono le proteine. Gli amminoacidi naturali che compongono le proteine ​​sono quasi tutti di tipo L, la maggior parte dei quali ha un sapore amaro, mentre gli amminoacidi di tipo D hanno un sapore dolce[26, 27]. La teoria del triangolo AH-BX sottolinea che le parti AH-BX nella molecola dolce interagiscono con i tre gruppi di legame dei recettori del dolce solo se sono disposte in senso orario per produrre dolcezza. Gli AH-BX degli amminoacidi di tipo D sono disposti in senso orario, mentre gli amminoacidi di tipo L sono disposti in senso antiorario, il che produrrà due sapori completamente opposti: dolce e amaro (Figura 7 (a)).

2.1 Dipeptidi

Le molecole dolci dipeptidiche sono composti con un legame peptidico tra molecole formate dalla condensazione per disidratazione di due amminoacidi, come l'aspartame e il neotame. Nel 1965, James M. Schlatter ottenne accidentalmente la molecola dolce aspartame, il cui nome scientifico è aspartame. L'aspartame ha un sapore dolce, dovuto principalmente alla capacità dell'anello benzenico della molecola di produrre interazioni idrofobiche con le regioni idrofobiche dei recettori del gusto dolce. Nefro e Tinti hanno proposto che il recettore del gusto dolce possa contenere due regioni idrofobiche distanti circa 1 nm[28]. Sulla base di questa base teorica, un gruppo alchilico è stato collegato alla molecola di aspartame per ottenere una seconda regione idrofobica ed è stata sintetizzata una nuova sostanza, il neotame. Il potere dolce dell'aspartame è compreso tra 120 e 200, mentre quello del neotame è compreso tra 7000 e 13000 (Figura 7(b)). Quando il numero di atomi di carbonio principali del gruppo alchilico introdotto è tre o quattro e il numero di ramificazioni sull'atomo di carbonio terminale è maggiore, l'idrofobicità è maggiore e anche la dolcezza è maggiore[29]. Nel 2008, la Coca-Cola Company ha lanciato una nuova cola “senza zucchero” che utilizza l’aspartame, che è altamente dolce, senza calorie e previene la carie[30]. Inoltre, l'aspartame con lo stesso potere dolcificante costa solo il 70% del saccarosio, il che lo rende competitivo sul mercato dei dolci.

Figura 7 (a) D, L-amminoacidi, (b) aspartame e neotame

2.2 Proteine

Per proteina vegetale dolce si intende una macromolecola proteica dolce estratta da piante naturali. Nel 1972, VanderWel et al. estrasse dal frutto un ingrediente dolce, la taumatina[31]. Solo i recettori del gusto dolce degli esseri umani e delle scimmie possono interagire con esso e percepirne la dolcezza. Da allora le proteine ​​dal sapore dolce sono entrate nella vista umana. Successivamente, gli scienziati hanno isolato e purificato una varietà di proteine ​​vegetali dolci con diversi livelli di dolcezza (100-10.000, Tabella 1). Tutti presentano le seguenti caratteristiche: (1) nessuna sequenza caratteristica [32]; (2) la dolcezza aumenta con la diminuzione della carica negativa sulla superficie della proteina [33]; (3) i legami idrogeno intramolecolari e i gruppi idrofobici influenzano la dolcezza; (4) potrebbero esserci molteplici punti di legame tra proteine ​​dolci e recettori dolci; e (5) vengono degradati in aminoacidi nel corpo umano e il loro assorbimento e utilizzo sono indipendenti dall'insulina.

Le proteine ​​vegetali dolci hanno le caratteristiche di un elevato grado di dolcezza, poche calorie e la capacità di prevenire la carie[34]. Può essere utilizzato nella produzione di alimenti, bevande e medicinali[35]. Tuttavia, le proteine ​​tendono a denaturarsi ad alte temperature, pertanto gli alimenti contenenti proteine ​​dolci non possono essere utilizzati ad alte temperature. Poiché le risorse di frutta contenenti queste proteine ​​dolci non sono abbondanti e per motivi quali i costi di trasporto e di estrazione dei frutti, la produzione su larga scala è attualmente difficile.

Tabella 1 Proteine ​​dolci e loro dolcezza

03

Sulfonamidi

Le molecole dolci sulfonamidi sono una classe di molecole contenenti gruppi funzionali sulfonamidici, come la saccarina, il ciclamato e l'acesulfame potassico, tutti ottenuti accidentalmente dai chimici. La molecola soddisfa la teoria della dolcezza AH-B (Figura 8). La dolcezza delle molecole dolci di sulfonamide è correlata al volume molecolare e al volume dei sostituenti[36], che influenzano la distanza tra i "triangoli dolci" e quindi la dolcezza.

Figura 8 Struttura molecolare del sulfonamide dolce

Nel 1879, il chimico russo Fahlberg ottenne accidentalmente la saccarina, una molecola altamente dolce, il cui nome scientifico è o-benzoilsulfonimmide, con un potere dolcificante compreso tra 300 e 500. Fahlberg ha utilizzato il metodo del toluene per la sintesi[37], mentre il metodo comunemente utilizzato nel mio paese è il metodo dell'anidride ftalica sviluppato indipendentemente, che utilizza anidride ftalica, acqua ammoniacale, cloro liquido, acido solforico, nitrito di sodio, solfato di rame, anidride solforosa, ecc., e subisce processi come l'amidazione, la degradazione di Hofmann, la diazotazione, la clorurazione del solfonile e la ciclizzazione. La resa totale può raggiungere oltre l'80%[38] (Figura 9 (a)).

Figura 9 Percorsi di sintesi di (a) saccarina, (b) ciclamato e (c) acesulfame potassico

La saccarina viene quasi completamente metabolizzata dal corpo umano entro 24 ore dal suo ingresso nel corpo e non ha alcun effetto sull'organismo; Tuttavia, ci sono segnalazioni secondo cui la somministrazione di alte concentrazioni di saccarina avrebbe causato il cancro nei topi, per cui nel 1912 venne vietata negli Stati Uniti. Tuttavia, a causa della carenza di zucchero commestibile durante la guerra mondiale, la saccarina venne nuovamente utilizzata. Nel 1977 il Comitato misto dell'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) ha stabilito che la dose giornaliera accettabile (DGA) di saccarina è compresa tra 0 e 2,5 mg/kg. il mio Paese utilizza la saccarina sodica, che ha un basso costo di produzione e un consumo annuo di circa 10.000 tonnellate. Tuttavia, a causa dell'aumento delle molecole dolcificanti naturali negli ultimi anni, la produzione di saccarina si è ridotta.

Nel 1937, Michael Sve-da, uno studente dell'Università dell'Illinois, ottenne accidentalmente il ciclamato, il cui nome scientifico è cicloesilaminosolfonato di sodio, con un potere dolcificante compreso tra 30 e 60. La sua sintesi generalmente comporta la reazione della cicloesilammina con l'acido amminosolfonico a 165°C per produrre acido cicloesilamminosolfonico. Dopo che la temperatura scende sotto i 130°C, il prodotto viene sciolto in una soluzione al 10% di Na2CO3. Dopo la ricristallizzazione, la resa può raggiungere il 97,5% [39] (Figura 9 (b)). Tuttavia, in soluzione si idrolizzerà lentamente, producendo solfato inorganico e cicloesilammina tossica. Normalmente, dopo l'ingestione, il 40% viene escreto attraverso l'urina e il 60% attraverso le feci. Non si accumula nel corpo, quindi è approvato per l'uso in più di 40 paesi (ma vietato negli Stati Uniti), e la sua sicurezza è ancora oggetto di dibattito nel mondo accademico [40]. Nel 1982, l'OMS ha stabilito che l'assunzione giornaliera consentita di saccarina è compresa tra 0 e 11 mg/kg.

Nel 1967, lo scienziato tedesco K. Clauss ottenne accidentalmente l'acesulfame potassico mentre lavorava. Il suo nome scientifico è acesulfame potassico e il suo grado dolcificante è 130~200. Il suo metodo di sintesi (Figura 9(c)) adotta solitamente una strategia che utilizza acido amminosolfonico, dietilene chetone, trietilammina e triossido di zolfo come materie prime. Le condizioni di reazione sono miti e la purezza e la resa (81,6%) sono elevate37. Dopo l'ingestione, il 100% del farmaco viene eliminato dall'organismo attraverso le urine, nella sua forma originale. Solitamente non si decompone e non reagisce chimicamente con gli alimenti. La dose giornaliera consentita è 0~15 mg/kg. Nell'industria alimentare e delle bevande è comune mescolare acesulfame K e aspartame per ridurre la quantità di dolcificante utilizzato e migliorarne il sapore dolce.

04

Insomma

La chimica dolce è onnipresente nella nostra vita quotidiana e i composti dello zucchero costituiscono la principale fonte di energia per gli esseri umani. Lo sviluppo della teoria della dolcezza basata sulla struttura molecolare non solo aiuta le persone a definire e distinguere i composti dolci, ma fornisce anche una guida teorica agli scienziati per sviluppare nuovi dolcificanti. La definizione e la quantificazione della dolcezza devono essere più scientifiche, digitali e sistematiche, e la ricerca sulla relazione struttura-attività di molecole correlate richiede un'accumulazione sperimentale più ampia. Ciò fornirà anche una solida base teorica per lo sviluppo della chimica della dolcezza basata sull'intelligenza artificiale e indicherà la direzione da seguire per sviluppare molecole dolci con maggiore valore applicativo ed evitare di causare malattie. Con il continuo miglioramento degli standard di vita delle persone e lo sviluppo completo della chimica fine correlata, la chimica dei dolci inaugurerà un balzo in avanti scientifico e industriale più completo.

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Questo articolo è stato originariamente pubblicato nel 16° numero di "Chemical Education" nel 2020. Il titolo originale era "Sweetness Chemistry of Taste Chemistry" ed è stato autorizzato dall'autore a essere pubblicato su "Fanpu".