Молекулярные механизмы восприятия вкуса и вещества со вкусом кокуми

FOOD Chemistry - одна из самых сложных кулинарных дисциплин. Однако эти знания необходимы шефу и в любой из фундаментальных кулинарных школ эту науку преподают на протяжении всего периода обучения. Мы предлагаем вам цикл статей разных авторов и начнем, пожалуй, с понимания восприятия вкуса.

Несмотря на то, что понимание молекулярной основы восприятия вкуса давно воспринималось как необходимость с целью большего количества практических применений, только в последнее время научные открытия в этой области начали заменять теории с устоявшимися фактами и принципами. Большая часть последних достижений в понимании восприятия вкуса была сделана с использованием методов, характерных для современных исследований в молекулярной биологии.

Мощная движущая сила для проведения фундаментальных исследований механизмов восприятия вкуса обеспечивается стремлением более широко использовать структурно-активные особенности молекул (например, определенная структурная особенность дает предсказуемый аромат или вкус), чтобы предопределять развитие более полезных и эффективных вкусовых соединений (например, интенсивных подсластителей). Кроме того, существует высокий спрос на вещества, маскирующие или удаляющие неприятные вкусовые качества некоторых пищевых ингредиентов (например, производные соевого белка), а особенно нежелательную горечь, присущую некоторым фармацевтическим препаратам и нутрицевтическим ингредиентам.

Специальные клетки обонятельного эпителия в носовой полости, имеющие способность обнаруживать следы летучих пахучих веществ, дают возможность ощущать почти неограниченные вариации интенсивности и качества запахов и вкусов. Вкусовые рецепторы, расположенные на языке и задней части ротовой полости позволяют человеку ощущать сладость, кисловатость, соленость, горечь, и умами – вкус белка, и эти ощущения дополняют вкусовые качества пищи. В целом, общий процесс восприятия запаха и вкусовых ощущений на молекулярном уровне включает в себя три последовательных стадии, которые, так или иначе, достигают высшей точки в чувственном опыте дегустатора. Речь идет о приеме, преобразовании и нейронной обработке или кодировании информации электрических импульсов.

Для запахов и некоторых вкусов (сладкого, горького, и умами), начальное восприятие предполагает избирательное связывание (считается, что оно соответствует структурной концептуальной модели «замка и ключа») молекулы аромата со специфическим белком-рецептором в мембране соответствующей рецепторной клетки.

Когда происходит связывание молекулы аромата с белком-рецептором, с помощью одного из нескольких очень специфических каскадов биохимических реакций происходит преобразование химической энергии в электрическую.

Именно такое связывание между белком-рецептором и молекулой аромата стимулирует сопряженный с G-белком рецептор активировать ферментативные реакции и получить продукты каскада реакций (например, циклический АМФ или инозитолтрифосфат), которые взаимодействуют с ионными каналами Na+ или Са2+ в мембране клетки-рецептора и открывают их. Как результат, внезапный поток заряженных ионов, проходящий через мембрану клетки-рецептора, вызывает деполяризацию клетки, и производит уникальную серию электрических зарядов (потенциал действия или нервные импульсы), которые отражают количество аромата, стимулирующего клетку, и предоставляют информацию о виде молекулы аромата. Сведения о критических процессах, кодирующих электрическую информацию, в данное время чисто теоретические, но данные генетических и физиологических исследований подтверждают положение о том, что такие процессы достигаются за счет создания пространственных карт (отличие скорости и интенсивности срабатывания нейронов) в обонятельной луковице и других структурах мозга.

Некоторые вкусовые молекулы обладают уникальными органолептическими свойствами, например, тепло или жгучесть, охлаждение и покалывание

События на молекулярном уровне, участвующие в восприятии кислых (H+) и соленых (Na+) вкусовых ионов, отличаются как от запахов, так и от сладкого, горького, и вкуса умами, а также друг от друга. Однако, как кислые, так и соленые ионы непосредственно взаимодействуют с ионными каналами в мембранах вкусовых клеток-рецепторов. В случае с кислым вкусом, ионы Н+ связываются непосредственно с ионными каналами, вызывая их закрытие для потоков ионов Nа+, что в свою очередь приводит к деполяризации мембраны и нервному импульсу. Что касается восприятия солености, то оно инициируется прямым входом ионов Na+ из внешней среды в клетки вкусовых рецепторов, так как ионные каналы проницаемы для катиона соли (Na+). Таким образом, когда ионы Na+ проникают в клетки рецепторов и изменяют электрическое напряжение на мембране клетки, клетки деполяризуются и генерируют нервный импульс в ответ на присутствие соли (NaCl) во внешней среде.

Некоторые вкусовые молекулы обладают уникальными органолептическими свойствами, например, тепло или жгучесть, охлаждение и покалывание, что в значительной степени делает особенным вкус некоторых продуктов питания и напитков. Поскольку эти ощущения возникают из-за влияния на определенные нервные волокна, и для их возникновения не требуется участия специфических клеток рецепторов (т.е. вкусовых или обонятельных), в прошлом их считали неспецифическими вкусовыми ощущениями. Такие ощущения в тканях полости рта и носа появляются точно также как и в кожной хемосенсорной системе (т.е. чувства раздражения, боли, тепла, холода и т.д.). Однако, чтобы отличать эти, связанные с вкусовыми, ощущения, исходящие от иннервирующих систем ротовой и носовой полостей (т.е. тройничной, языкоглоточной и блуждающей), создан и используется новый термин – «общее химическое чувство», коллективно обозначающий эти вкусовые ощущения.

Другие неспецифические, химически индуцированные, вкусовые ощущения (чувство полноты вкуса и многокомпонентности пищи и т.д.), по-видимому, воспринимаются тригеминальной нервной системой, но составляющие, вызывающие такие чувства не достаточно изучены и механизмы восприятия не до конца понятны.

Японские исследователи ввели отдельный термин – кокуми

Как уже упоминалось, поваренная соль (NaСl) обеспечивает глубокие усиливающие и модифицирующие вкусовые эффекты при восприятии вкуса продуктов питания. Хотя соль воспринимается исключительно специализированными вкусовыми клетками, многие считают, что она также может обеспечивать усиление вкуса, изменяя функции других клеток основных вкусовых рецепторов или другие ощущения, исходящие от других нейронных систем (например, тройничной, и т.д.) в полости рта. Таким образом, соль, вероятно, обладает некоторыми свойствами, сходными с другими веществами, улучшающими общий вкус, модифицирующие функции которых остаются пока плохо изученными.

Японские исследователи ввели отдельный термин – кокуми – чтобы ссылаться, по крайней мере, на часть химических веществ, не вызывающих реакции схожей с четырьмя основными вкусами и вкусом умами, но повышающих вкусовые качества еды путем обеспечения ощущений, какие лучше всего описать как полнота вкуса, многокомпонентность, целостность и плотность. Например, главными веществами характерных летучих ароматических соединений чеснока и лука является S-замещенные цистеина сульфоксидные аминокислоты. Эти соединения легко растворимы в воде, и они обладают сильными свойствами кокуми, которые отчетливо влияют на вкусовые качества пищи. Таким образом, хотя вкус продуктов питания, содержащих чеснок (например, макаронные изделия, соусы жареное мясо и т.д.), может не обладать легко отличимыми нотками аромата чеснока, вкус таких продуктов воспринимается как многокомпонентный, полный и аппетитный из-за наличия S-(2-пропенил) -L-цистеин сульфоксида.

В данное время используются ряд других терминов для описания вкусового разнообразия, связанного с вкусом кокуми, а именно: бархатистость, насыщенность, кремообразность и сочность.

Хорошо растворимые в воде вещества, придающие продуктам питания вкус кокуми пока не многочисленны, но есть еще один цистеин-содержащий пептид – глутатион, который также является веществом, обеспечивающим такой вкус. Соответственно выше сказанному, янтарная кислота (и ее растворимые соли) имеет отчетливый вкус бульона в дополнение к кислым качествам. Хотя вкус янтарной кислоты не классифицирован пока как кокуми, это вещество используется в коммерческих целях для создания ощущения многокомпонентного бульона вместе с солеными продуктами питания, особенно в соусах для мяса.

В данное время используются ряд других терминов для описания вкусового разнообразия, связанного с вкусом кокуми, а именно: бархатистость, насыщенность, кремообразность и сочность. Целый ряд природных и синтетических веществ обладают способностью обеспечивать такие оттенки вкусов, а также, среди некоторых из этих веществ можно встретить некоторые структурные сходства. Разнообразные сходные с ванилином вкусы являются одними из наиболее популярных вкусов во всем мире, и ароматы ванилина и этилванилина воспринимаются большинством как наиболее желательные. В дополнение к ароматам, вещества сходные с ванилином также придают пикантные вкусовые эффекты, характеризующиеся вкусовыми ощущениями повышенной эластичности, насыщенности и бархатистости, особенно в сладких жиросодержащих продуктах, таких как мороженое.

Точно так же, мальтол и этилмальтол широко использовались в качестве коммерческих вкусовых добавок для сладких товаров продуктов, содержащих фрукты. Хотя оба эти вещества обладают приятным вкусом жжёной карамели при высокой концентрации, они часто используются для придания мягкого, бархатистого вкуса сладким товарам, фруктовым сокам и продуктам в относительно низкой концентрации (50 к миллиону), при которой карамельные нотки неразличимы. Этилмальтол более эффективный подсластитель, чем мальтол, но мальтол до сих пор употребляется, если нужна в двое более низкая пороговая концентрация обнаружения для сахарозы.

Недавние исследования показали, что некоторые алкилфенолы, присутствующие в природе в молоке и мясе жвачных животных, способствуют возникновению ощущения обволакивания полости рта, усиления насыщенности и сочности при очень низких концентрациях (мг/г). Замена m-алкила на ароматическом кольце среди членов этой группы обеспечивает наиболее сильный модифицирующий вкус эффект, а m-крезол и m-(п)-пропилфенол являются наиболее важными в продуктах и ингредиентах полученных из продукции жвачных животных.

По материалам книги  "Fennema's Food Chemistry, Fourth Edition"