CNS_12.001_谷氨酸钠

谷氨酸钠及鲜味调味剂浅谈

一、谷氨酸钠基本信息与研究历史

谷氨酸钠（MSG，分子式C5H8NNaO4），化学名α-氨基戊二酸一钠，是谷氨酸的钠盐。为白色晶体，易溶于水，有强烈的肉类鲜味。

图1. 谷氨酸钠分子结构

二、其他鲜味成分与呈味机理概述

1. 其他鲜味剂

事实上，能够表现出鲜味的物质非常多，目前已知的鲜味成分主要为有机酸类，有机碱类，游离氨基酸及其盐类，核苷酸及其盐类，肽类等

（1）有机酸

具有鲜味的有机酸主要是琥珀酸钠，多存在于贝类等海产品中，香菇中也有存在，我国批准使用的有机酸类鲜味剂仅有琥珀酸二钠，主要用于酒，饮料，糖果等。

（2）有机碱

典型代表有甜菜碱和氧化三甲胺，在动、植、微生物中分布广泛，不仅可提高鲜味，也可与其他呈味物质共同作用是海产品呈现特有的鲜味。

（3）游离氨基酸

谷氨酸与天冬氨酸是两种主要呈鲜味的氨基酸，食物中游离的谷氨酸与天冬氨酸是影响食物特征风味的主要因素。

（4）核苷酸

核苷酸类的鲜味剂在食品鲜味呈鲜方面也有重要贡献。目前发现的有鲜味特性的核苷酸及其衍生物有30余种，以5’-肌苷酸（5’-IMP），5’-鸟苷酸（5’-GMP）和5’-腺苷酸（5’-AMP）为代表。

（5）肽类

主要是一些从食物中提取的小分子肽，典型如1978年分离得的鲜味肽（氨基酸序列为Lys-Gly-Asp-Glu-Glu-Ser-Leu-Ala 的辛肽）,其来源极广，在蛋白质含量丰富且有良好滋味的食物中均存在，不仅可直接增强食物口感，也可与食盐，谷氨酸钠等相互作用，提升食品口感。

2.呈鲜机理简述

影响鲜味的因素主要有温度、盐、pH、含水量及鲜味成分之间的协同效应。

谷氨酸钠的呈味强度可随pH的改变产生咸、鲜、酸的风味变化。当pH为5.5-8.0时鲜味最强，小于4.0时鲜味降低，并随着pH下降转为酸味，而当pH大于8.0时酸味消失。而L-谷氨酸钠在pH小于5的环境下如果长时间受热会发生分子内脱水，形成焦性谷氨酸，使得鲜味消失。而其他的鲜味剂鲜味最强的pH范围不尽相同，不再赘述。

鲜味成分之间的增效作用主要有两种：对比作用和相乘（协同）作用，鲜味成分之间的增效效应属于协同作用，这可是鲜味大大提高，最高可达到单独成分的八倍之多。有研究阐明谷氨酸与5’-核苷酸与受体蛋白相互结合，使其空间构象改变，暴露出原本隐藏的受体部位而产生协同作用。谷氨酸与肌苷酸间的作用在其比例为1:1时最为明显，可比单独使用谷氨酸的味觉鲜度提高七倍。

除此之外，不同的氨基酸类或核苷酸类鲜味成分之间也有相互作用。举例而言，核苷酸类的鲜味成分若配合使用克明显降低味觉阈值，提高增味效果。而氨基酸之间的协同作用，典型如甘氨酸和L-丙氨酸——两者本身都具有甜味，在与诸如谷氨酸钠这样的鲜味物质共存时，也有有效增鲜的作用。

无机离子对于鲜味的呈现也有重要作用。当去除钠离子与氯离子后，谷氨酸钠鲜味会消失，而去除鲜味物质后又只有无机金属离子的咸味，这表明无机离子并不会表现出鲜味，而其实质可能是由于其与鲜味物质相作用而体现出了鲜美的滋味。以谷氨酸钠为例，它所电离出的谷氨酸虽然具有鲜味，但必须要有大量的钠离子（或者其他碱金属离子）包围住这种负离子，这样才易被鲜味受所接受，而谷氨酸钠自身所电离出的钠离子又不足以完全包裹负离子，因此必须靠食盐来供给所缺失的钠离子。但是，当食盐过量时，由钠离子和氯离子所产生的咸味又会掩盖谷氨酸的鲜味。而谷氨酸二钠虽然能电离出更多的钠离子，但由于谷氨酸二钠本身是谷氨酸钠在碱性条件下形成的，其氨基被破坏，也就意味这谷氨酸表征鲜味的基团被破坏，使得谷氨酸二钠反倒不表现出鲜味。

而鲜味是由鲜味成分与G蛋白偶联受体作用产生的——鲜味物质激活受体，在细胞内启动一系列复杂的信号传递过程，最后经味觉神经传入大脑味觉中枢，产生鲜味。

鲜味成分入口后先与舌上皮的味蕾、味细胞及味觉受体作用，产生味感，再由与味觉相关的跨膜G蛋白偶联受体，产生级联放大作用和信号转导，从而诱导细胞电位变化，使得味蕾中特异的离子通道发生改变，将味觉信号经神经传导给大脑。

图2. 鲜味分子的识别与信号传导

引自刘源,王文利,张丹妮.食品鲜味研究进展[J].中国食品学报,2017,17(09):1-10.

G蛋白在接受信号后，其β及γ两亚基将分离，从而激活磷脂酸酶，水解磷脂酰肌醇二磷酸，进而产生两个第二信使——1,4,5-肌醇三磷酸和二酯酰甘油。肌醇三磷酸与肌醇三磷酸受体结合后，导致细胞内钙库中的钙离子释放，胞内钙离子浓度上升，使得瞬时受体电位通道打开，钠离子随之内流，这导致膜去极性化，由此而产生了动作电位并释放ATP。这些被释放的ATP将作为神经递质，由膜联蛋白通道传入神经纤维上的嘌呤受体。

对于呈鲜分子，必须具有带正电、带负电荷和亲水性残基分子团，三种分子团分别接触对应的感受器才能令人感受到鲜味。以谷氨酸钠为例，其鲜味主要是由α-NH3+和γ-COO-两个静电基团互相吸引而形成五元环结构。对于呈鲜的氨基酸，事实上都可以归属于谷氨酸钠类型，它们的共同是是都具有一个-O-(C)n-O-（n=3-9）的骨架结构，当n=5时其鲜味最强，而当n=5时该物质即为氨基戊二酸——也就是谷氨酸——这也是谷氨酸钠可作为代表性的鲜味氨基酸的原因。而谷氨酸的分子结构中不仅有鲜味受体的结合位点，也同时具有酸、甜、苦、咸感受器的结合位点——这也就解释了为什么在pH不同的环境下谷氨酸钠会表现出截然不同的风味。

图2. 谷氨酸分子结构及其上的受体结合位点

引自龚骏,陶宁萍,顾赛麒.食品中鲜味物质及其检测研究方法概述[J].中国调味品,2014,39(01):129-135.

对于核苷酸类的鲜味剂，有研究指出核苷酸呈鲜必须满足两个条件：只有核糖部分5’碳原子上链接磷酸基的5’-核苷酸才能表现出鲜味活性；只有嘌呤部分的第六位碳原子上有一个羟基的5’-核苷酸才能产生鲜味。进一步的研究表明了，只有嘌呤类的核苷酸才会呈现出鲜味，而其他类型的核苷酸不呈鲜鲜味。

三、谷氨酸钠的工业生产与应用

现今谷氨酸钠的生产主要采用发酵法，该法基本可分为以下三个阶段：

1.淀粉水解为葡萄糖

2.葡萄糖发酵，生成谷氨酸

3.发酵液制成味精

以上三个阶段分别对应了生产厂的糖化、发酵、提取和精制四个主要车间，其中，核心为谷氨酸中和提取和浓缩结晶。

而目前提取谷氨酸主要采用冷冻等电-离子交换法，该法主要操作如下：

发酵液在等电罐中一边用冷冻盐水缓慢搅拌冷却降温至5℃，一边用硫酸调Ph值至3.22，沉淀后离心即得粗谷氨酸；

在装有60～65℃底水的中和罐中加入谷氨酸，搅拌，并缓慢加入纯碱溶液，中和至Ph值6.2～6.4；

待中和液降温至50℃以下，加入适量的硫化钠溶液以除铁；然后用粗谷氨酸回调Ph值至6.2～6.4，并升温至60℃，再加入粉末活性炭，搅拌半小时后送入压滤机压滤；

再将滤液用颗粒活性炭柱二次脱色得清液；清液送入真空煮晶锅内在60～70℃下蒸发浓缩，加入晶种；

放料后，经育晶槽，再离心分离得结晶味精，母液或经脱色后再蒸发结晶，精制收率可达理论量的92%。

但是该法提起谷氨酸后的尾液化学需氧量高、产生量大、酸碱消耗量大等缺点，与现今提倡的清洁绿色生产不符。目前也有如连续等电-转晶法等更清洁的新提取方法。

除发酵法之外，也有如α-酮戊二酸合成法，丙烯腈合成法等方法。

α-酮戊二酸合成法是使NH4+和供氢体还原性辅酶II（NADPH）存在的条件下，α-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶（GHD）的催化下，发生还原氨基化反应，或转氨酶（AT）催化转氨反应，或谷氨酸合成酶（GS）催化，形成谷氨酸。

谷氨酸发酵液与盐酸离心搅拌并育晶、搅拌、沉淀生成谷氨酸钠。

丙烯腈合成法是在120~150℃和20~30MPa条件下，钴催化剂局部选择催化丙烯腈氢甲酰化，生成3-氰基丙醛（直链醛产率为80%），然后通过Strecker降解反应（斯特雷克氨基酸合成反应）合成生成L-谷氨酸钠。这种办法曾经是一种工业生产工艺路线，但被更经济的办法取代。

谷氨酸钠广泛作为调味剂使用，其强烈的鲜味即使稀释3000倍仍能感受到，一般用量为0.2-0.5%。

除了单独使用之外，也常与其他核酸调味剂（如IMP）配成复合调味剂，可提升效果。与食盐共存时也能增强呈味作用。

我国规定各类食品生产中可按需适量使用谷氨酸钠。而关于味精会对人体有害的言论大部分属无稽之谈，研究表明只有在短时大量摄入的情况下才可能产生影响。

除调味剂外，谷氨酸钠也可作为医药试剂。由于谷氨酸在肝脏氮代谢中发挥着重要作用，当肝功能受损时，血液中含氮量提高会引起氮代谢紊乱和肝昏迷，因此医药上可用谷氨酸钠预防肝昏迷。同时谷氨酸也可作为脑组织的供能物质，因此谷氨酸钠也用于脑营养剂。

谷氨酸钠也有用于有机合成中间体，可用于助剂、渗透膜、丝蛋白改性、皮革助剂、生物医学材料、改性再生胶原纤维等，但该应用占的比例极小。

四、国标相关指标及检测方法

标准中同样也定义了加盐味精和增鲜味精两种产品，前者指在谷氨酸钠（味精）中定量添加了精制盐的混合物，后者指在谷氨酸钠（味精）中定量添加了核苷酸二钠[包括5’-鸟苷酸二钠（GMP）、5’-肌苷酸二钠（IMP）或呈味核苷酸二钠（IMP+GMP）]等增味剂的混合物。国标中要求以上两种衍生产品均需在99%味精基础上进行添加生产，也同样有对含量等理化性质的要求，此不再列出赘述。

对于谷氨酸钠，国标中对各个指标也有检测方式的规定。

谷氨酸钠含量这一重要指标使用经典滴定法进行测定，在乙酸（醋酸）存在下，用高氯酸标准溶液滴定样品中的谷氨酸钠。终点指示可以采用传统的颜色指示剂——以α-萘酚苯基甲醇为指示剂，滴定至溶液变绿色，即为终点。或是使用自动电位滴定仪，利用电位指示终点，实现自动化滴定。

因为谷氨酸钠中含有一个不对称的手型碳原子，分子具有旋光异构体，也可使用旋光法对谷氨酸钠含量进行测定，使用旋光仪即可测定旋光度，并计算出样品中谷氨酸钠含量。

除以上国标中规定的检测方法外，实验室中也可采用全自动氨基酸分析仪，其原理是通过阳离子交换柱将氨基酸分离，并通过显色反应测定不同氨基酸的吸光度。

关于其他几项指标，透光率与pH均有对应仪器可直接测定，氯化物、铁及硫酸盐含量也均可以使用滴定法进行测定——只需选择对应的滴定剂和指示剂即可。

而核苷酸类的鲜味剂可以直接使用检测核苷酸的实验方法，包括紫外分光光度法，毛细管电泳，离子交换色谱和高效液相色谱等。

五、结语

毫无疑问地，随着生活水平的提高人们对于味觉上的感受越来越高，尤其在现今所提倡与流行的健康绿色饮食的大背景下，针对人们在饮食方面提出的新要求，我认为包括调味剂在内的食品添加剂都应该考虑这些新的需要，以顺应时代的变化发展，改善人民生活品质。而对此，除了严格执行国家安全生产标准，为人民提供合规优质产品以外，对于更为健康，绿色的新型添加剂的开发也需加速进行。对于鲜味分子而言，随着21世纪分子生物科技与计算机技术的迅猛发展，一大批诸如细胞微流控，细胞芯片等具有方便、快速、有效等新优点的新检测技术如雨后春笋，同时分子动力学等学科研究也步步前进，毫无疑问这将有益于继续探究鲜味分子与受体蛋白之间的相互作用机理，并在此基础上有目的地改造、设计及合成新的鲜味分子。

参考文献：