【科普】化学与味觉——解密酸甜苦辣咸鲜其一：酸

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背景

酸是我们日常生活中常常接触到的一种味道，它可以让我们品尝到柠檬的清爽，醋的香醇，酸奶的酸甜，也可以让我们感受到牙齿的酸痛，胃部的不适，甚至是食物的变质。那么，什么是酸呢？为什么我们能够尝到酸味？酸味和化学上的酸性有什么关系？本文将从化学与味觉的角度，为您揭开酸味的奥秘。

图1 酸的代表：柠檬、醋与酸奶

（图源自unsplash网站）

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正文

在日常生活中，我们常常遇到酸味的食物，如柠檬、酸奶和醋等。酸味通常被描述为酸性物质的味道，具有明显的刺激性和清爽感。

−−从柠檬酸到醋酸到碳酸

水果中富含的有机酸是赋予其特殊风味和营养价值的关键成分。柠檬酸、苹果酸、酒石酸、乙酸、丁二酸和草酸等有机酸是水果中最常见的代表性物质。它们不仅让水果味道酸爽宜人，还具有多种健康益处[1-4]。首先，柠檬酸和苹果酸等有机酸可以促进血管的舒张，改善血液循环，降低心血管疾病的风险。其次，有机酸有助于促进钙和铁元素的吸收。这些酸能够与钙和铁形成可溶性的盐类，增加它们在消化道的溶解度，从而提高它们的吸收率，帮助我们更好地摄取这些重要的营养物质。此外，有机酸还能够刺激消化腺的分泌活动，促进胃酸和消化酶的分泌，增强食物的消化和吸收效率，有助于缓解消化不良问题。柠檬酸广泛存在于天然蔬菜与水果中，尤其是在柑橘属水果。特别是柠檬和青柠，它们含有大量柠檬酸。在果汁中，柠檬酸含量大约为47g/L，而在干燥之后，含量可达8%。柠檬酸的分子式为C6H8O7，具有三个羧基官能团，1个柠檬酸分子可以电离出3个H+，这就赋予了柠檬酸酸性的性质。当我们咬一口柠檬时，柠檬酸与我们的唾液中的水分分子反应，产生氢离子（H+）。这些氢离子刺激味蕾上的酸味受体，向我们的大脑发送信号，让我们感受到酸味的特殊滋味。

图2 柠檬酸的分子结构与3D模型（图源自MolView网站）

醋是一种常见的食酸，被广泛应用于烹饪、调味和食品加工中。醋中的主要风味成分是乙酸，其浓度一般为2 % ~ 9 %。乙酸的分子式为C2H4O2，具有一个羧酸基团，1个乙酸分子可以电离出3个H+。与大多数人印象中不同的是，乙酸并不是易挥发物质，其饱和蒸汽压为2.10 kPa。然而，人体对乙酸的气味较为敏感，很容易造成乙酸容易挥发的错觉。它不仅赋予食物独特的酸味，还具有许多有益的化学和营养特性[5]。首先，醋是一种良好的食品防腐剂和抑菌剂。乙酸能够抑制细菌和真菌的生长，延缓食物的腐败，保持食品的新鲜和品质。其次，醋在烹饪中有着重要的作用。它可以改善食物的口感和风味，增加食欲。醋的酸性可以中和其他食材的甜味、咸味或油腻感，使菜肴更加平衡和美味。醋还具有一些营养特性。乙酸可以促进胃液的分泌，增加消化能力，改善消化不良。此外，醋还有一些实用的用途。它可以用于清洁和消毒，去除异味和污渍。

图3 醋酸的分子结构与3D模型（图源自MolView网站）

碳酸饮料中的酸性主要来自碳酸，其分子式为H2CO3。在碳酸饮料中，二氧化碳（CO2）被溶解在水中，形成碳酸，从而赋予饮料起泡和酸味的特性。当二氧化碳溶解在水中时，发生以下反应：

CO2 + H2O → H2CO3

碳酸在水中部分解离为氢离子和碳酸氢根离子：

H2CO3→ H+ + HCO3−

这个平衡反应是一个弱酸的离解过程。尽管碳酸是弱酸，但由于二氧化碳的溶解度较高，它依然可以在饮料中提供足够的酸度感知。饮料中的二氧化碳气泡释放时，部分碳酸会进一步分解为二氧化碳和水：

H2CO3→ CO2 + H2O

这个分解过程导致了饮料中的气泡和口感的变化。需要注意的是，尽管碳酸饮料在口感上呈酸性，但其酸度相对较低，通常不会对人体造成显著的影响。然而，过度饮用含有碳酸饮料的饮食可能对牙齿和骨骼健康产生一定的负面影响[6]。因此，碳酸饮料虽好，可不要贪杯哦。

图4 碳酸的分子结构与3D模型（图源自MolView网站）

−−酸在口腔中的化学反应

人体感知酸味的主要机制是通过味蕾上的酸敏感受体检测溶液中的质子浓度，从而产生神经信号。溶液中的质子浓度是决定酸味强度的关键因素，而不仅仅是酸性基团的数量。酸性物质在水中离解出质子，使溶液呈现酸性。酸性越高，质子浓度越高，从而激活更多的受体，产生更强烈的酸味感知信号。

酸离解氢离子的能力可以用酸离解常数（Ka）或其负对数（pKa）来衡量[7]。Ka值反映了酸在水中离解出质子的程度，Ka值越大，表示酸具有更高的离解能力，溶液中的质子浓度越高，从而呈现出更强的酸性特征。相反，Ka值越小，表示酸具有较低的离解能力，溶液中的质子浓度越低，从而呈现出较弱的酸性特征。pKa值是对Ka值取负对数后得到的值，因此pKa值越小，表示酸性越强。对于柠檬酸、醋酸和碳酸而言，碳酸的pKa约为6.38，醋酸的pKa约为4.76，而柠檬酸的pKa约为3.13。由于柠檬酸的pKa值较小，它在溶液中具有更高的质子浓度。因此，在相同浓度下，人们对柠檬酸的酸味感知会比对碳酸和醋酸更强烈。

图5 常见的有机酸与无机酸的解离常数[7]

除了羧基基团外，有机羧酸分子中还可能含有其他类型的官能团（如羟基、羰基等），这些官能团也会影响有机羧酸分子的结构和性质，进而影响其味觉感知[8]。不同类型和位置的官能团可能通过电子效应或立体效应改变有机羧酸分子的空间构型和电荷分布，从而影响其与水分子和受体之间的相互作用。需要注意的是，尽管溶液中的质子浓度是决定味觉感知强度的主要因素，但人们对于不同类型和来源的酸性物质可能还会受到其他感官因素（如气味、颜色、口感等）的影响。因此，人们对于不同类型和来源的酸性物质可能会有不同程度和方式的喜好或厌恶。

−−酸味的生物学机制

酸味是人类味觉的一种重要组成部分，它能够帮助我们辨别食物的新鲜程度和营养价值。酸味的检测主要依赖于味觉细胞表面的氢离子通道。水合氢离子通道是一种多次穿过细胞膜的螺旋状蛋白，它们在细胞膜上形成一个孔道，允许水合氢离子通过。水合氢离子通道有多种类型，其中最重要的是TRPV1、ASIC、PKD2L1等[9]。这些通道都有一个共同的特点，就是它们能够感知细胞外水合氢离子的浓度，并根据浓度的高低调节自身的开放和关闭状态。当细胞外水合氢离子浓度增加时，这些通道会打开，让水合氢离子进入细胞；这样，水合氢离子通道就起到了一个传感器的作用，能够实时反映细胞外环境的酸碱度变化。因此，当我们品尝酸味物质时，水合氢离子会与味觉细胞表面的特定受体结合，从而打开水合氢离子通道，使得水合氢离子进入味觉细胞。这样一来，味觉细胞内部的带正电荷粒子增多，膜电位升高，产生去极化。当膜电位达到一定阈值时，就会触发动作电位，并通过突触将信号传递给下游神经元，如面神经、舌咽神经、迷走神经。它们把信号传到延髓孤束核，换神经元后再传给丘脑，最后传到前岛和额叶盖区的味觉皮层。最终，味觉中枢对信息进行比较和综合分析，对味觉信号进行识别，判断出酸味。

图6 离子通道ASIC1与酸味感知机制[9]

另一方面，水合氢离子还会抑制一些钾离子通道，它们在正常情况下能够使细胞超极化，即增加细胞内外电位差。超极化会抑制神经末梢的兴奋，减弱酸味信号。因此，水合氢离子通过抑制钾离子通道，也能够降低细胞内外电位差，增强神经刺激。此外，对于一些弱酸物质，如碳酸等，它们在细胞内会被碳酸酐酶催化分解为碳酸氢离子和二氧化碳，从而增加细胞内的水合氢离子浓度，也有利于酸味检测。这些机制共同构成了人类对酸味的感知过程。

−−酸味的应用与文化

酸味是食品感官属性中的一个重要方面，它既关系到食品工业的发展，也反映了人类文化的多样性。酸味的来源主要有两类：一类是有机酸，如柠檬酸、乳酸、苹果酸等，它们天然存在于水果、蔬菜、奶制品等食物中，也可以通过人工合成或发酵产生，如乙酸、柠檬烯二羧酸等。有机酸通常具有清爽的果香或奶香，能够增加食物的香气和风味。另一类是无机酸，如碳酸、磷酸等，它们常用于碳酸饮料或肉制品中。这些酸味物质在食品中有着多重作用[10-12]。一方面，它们能够调节食品的pH值，使之保持在适宜的范围内，从而影响食品的色泽、香气、营养和安全性。例如，柠檬酸可以使水果和蔬菜保持鲜艳的颜色，乳酸可以使奶制品保持营养和活性，碳酸可以使碳酸饮料产生泡沫和气泡；另一方面，它们也是一种重要的风味成分，能够提升食物的新鲜度和口感，增加食欲和消化。例如，醋可以使食物具有浓郁的香气和味道，苹果酸可以使苹果汁具有甘甜的口感，磷酸可以使肉制品具有嫩滑的质地。因此，食品工业需要根据不同的产品特性和消费者需求，选择合适的酸化剂和添加量，以达到最佳的效果。

同时，酸味也是一种文化符号，它反映了不同地域和民族的饮食习惯和偏好。在不同地域和民族中，人们对于酸味有着不同的理解和喜爱。例如，在亚洲文化中，许多传统美食都以酸味为特色，如泰国的冬阴功汤、日本的寿司、中国的酸辣汤和酸菜等。冬阴功汤是一种以柠檬草、青柠汁、辣椒等为主要调料的汤类美食，它具有浓郁的香气和辛辣的口感，能够驱寒解暑；寿司是一种以米饭、海苔、生鱼片等为主要原料的日式美食，它通常配以芥末、姜片、日式醋等调料，能够增加食物的清爽度和消化度；酸辣汤是一种以豆腐、木耳、香菇等为主要原料的汤类美食，它通常加入白胡椒粉、陈醋等调料，能够开胃健胃；酸菜是一种以白菜、萝卜等为主要原料经过发酵处理的腌制美食，它具有浓郁的乳酸菌香气和微微的甘甜口感，能够促进肠道健康。这些美食不仅展示了各地烹饪技艺，也体现了人们对于健康和美味的追求，更具有鲜明的文化特色。

图7 酸味文化符号性食物：冬阴功汤、寿司与酸菜（图源自unsplash网站）

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结语

酸味作为一种普遍存在且具有重要作用的感官属性，是食品世界中令人着迷的一部分。通过深入了解酸味的来源，我们发现它主要来自食物中的有机酸和无机酸，如柠檬酸、乳酸、苹果酸、碳酸和磷酸等。我们还了解到，酸味不仅是食物中的一种感官属性，更是一种重要的风味成分。它能够提升食物的新鲜感和口感，增加食欲并促进消化。不同食品对于酸味的需求各不相同，这可以通过合理的酸味调控来实现，从而改善食品的口感平衡、稳定性和保鲜期，提升消费者的满意度。

此酸味也具有文化符号的意义。在亚洲文化中，许多传统美食以酸味为特色，如泰国的冬阴功汤、日本的寿司、中国的酸辣汤和酸菜等，都让我们感受到酸味所带来的魅力和多样性。这些美食不仅满足了人们对于口味的追求，更代表了对健康和美味的追求，展现了文化多样性。

让我们继续探索化学与味觉的奥秘，解密更多食物中的味道之谜。在未来的旅程中，我们将一同探索甜味、苦味、辣味、咸味和鲜味的奥妙，更深入地了解我们所喜爱的食物背后隐藏的化学宝藏。

参考文献

[1]宁亚维,李明蕊,陈艺,张东春,康亚朋,王志新,陈佳.食物来源有机酸及其衍生物抗血栓作用机制研究进展[J].食品科学,2022,43(13):292-301.

[2]韦会平,郑毅,韩洪波.芒果中有机酸含量及对小鼠和大鼠消化功能的影响[J].食品研究与开发,2021,42(01):26-30.

[3]罗家月,石汉平.食物对酸碱平衡的影响及其调控[J].肿瘤代谢与营养电子杂志,2016,3(01):52-57.

[4]翟巍,李冰华,闫臻,翟连臣.有机酸与人体健康[J].医学研究杂志,2012,41(07):18-20.

[5]刘梦玥. 苦荞醋饮、沙棘醋饮组合对代谢相关性脂肪肝患者的作用研究[D].山西医科大学,2021.

[6]孙艺菲. 东北地区自然人群碳酸饮料摄入与高尿酸血症的关系研究[D].中国医科大学,2021.

[7]罗洪君，许伟锋主编. 普通化学[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社, 2016.06.

[8]李俊雯. 中国四大名醋中呈味有机酸和多羟基化合物研究[D].江南大学,2019.

[9]宋兴磊. 离子通道ASIC1a的膜表面标记与可视化研究[D].上海交通大学,2019.

[10]鲁娜. 果汁饮料中常见食品添加剂分析方法研究[D].天津科技大学,2020.

[11]刘旭. 食品添加剂的电化学行为研究及测定[D].淮北师范大学,2018.

[12]韩会靖. 高效液相色谱法检测果蔬汁中五种食品添加剂的应用与研究[D].新疆农业大学,2014.

作者：何文绚

作者单位：广西大学