苦い味は苦手ですか？まずは機械に「味見」を手伝ってもらいましょう

制作：中国科学普及協会

著者: Denovo チーム

プロデューサー: 中国科学博覧会

食べ物の味について話すとき、私たちは酸味、甘味、苦味、塩味、新鮮さなどを思い浮かべることが多いですが、その中でも苦味は最も人気がないことが多いです。実際、食品の苦味を引き起こす重要な要因の 1 つは、苦味ペプチドと呼ばれる生物学的分子です。人々は、食品の風味を追求するために、これらの苦味ペプチドを刺激したり阻害したりしようとしてきました。

人はなぜ苦い味を感じるのでしょうか？

人間や他の哺乳類は高度に発達した感覚システムを持っており、その中で味覚はさまざまな意味で重要な役割を果たしています。その中で、苦味の知覚は主に、舌、喉、口内の他の味覚関連組織に存在する特定のタイプの細胞表面受容体、 TAS2R味覚受容体によるものです。

これらの受容体は、特定の種類の苦味分子を認識して結合できる G タンパク質共役受容体 (GPCR) の一種です。この結合が起こると、cAMP やカルシウム チャネルの活性化など、細胞内の一連のシグナル伝達経路が活性化されます。これらの信号は最終的に脳の味覚中枢に伝達され、そこでさらに情報処理されて苦味という主観的な感覚が生み出されます。

空洞内のTAS2R味覚受容体は苦味分子と結合する

（画像出典：著者がAIを使用して生成）

では、苦味の知覚を引き起こす苦味ペプチドとは何でしょうか?

これはペプチドから始める必要があります。

ペプチドは、ペプチド結合（-CO-NH-）によって結合した 2 つ以上のアミノ酸で構成される生物学的高分子の一種です。この結合は、あるアミノ酸のカルボキシル基 (-COOH) と別のアミノ酸のアミノ基 (-NH2) の間で発生します。

アミノ酸は真珠のようなもので、真珠を短い紐でつなげるとポリペプチドになります。ペプチドが十分に長い場合、それは私たちがよく知っているタンパク質に折り畳まれます。

アミノ酸は真珠のようなもので、ペプチドは短い真珠のブレスレットのようなもので、タンパク質は長く積み重なった真珠のネックレスのようなものだ。

（画像出典：著者がAIを使用して生成）

ペプチドは生物の中で多様な機能を持ちます。これらはシグナル分子として機能し、免疫反応やホルモン調節などのさまざまな生物学的プロセスに関与します。

苦味ペプチドは特殊なタイプのペプチドです。これらは、味蕾を刺激して苦味を感じさせる小分子ペプチドです。これらの苦味ペプチドの構造と長さは異なる場合があります。通常、食品中のタンパク質は加工、保存、消化の過程で加水分解され、これらの短いペプチドが生成されます。

そのため、豆菓子、醤油、チーズ、キャビアなどの発酵食品や多くの自然食品には、苦味ペプチドが大量に含まれています。一部の食品は、口の中でプロテアーゼ加水分解されて苦味ペプチドを生成します。

苦味ペプチドの生物学的機能

苦味ペプチドは通常、1 つ以上の生物学的機能を持ちますが、その中で最も注目すべきは、動物が有毒物質や有害物質を摂取しないようにするための自然の警告メカニズムとして機能することです。

進化生物学の文脈では、苦味は防御機構であると考えられることが多く、多くの植物は消費を阻止したり食べられる可能性を減らすために苦味ペプチドを生成します。

さらに、苦味ペプチドは、消化の調節、栄養素の吸収への影響、特定の生理活性物質（ホルモンや神経伝達物質など）の前駆体または拮抗薬としての作用など、いくつかの生物学的調節効果にも関与している可能性があります。

苦味ペプチドは不快な味を生み出し、食品の味の質を低下させるため、人々は本能的にそのような物質を避けます。しかし、ビール、コーヒー、チーズなどの苦味は、食品や飲料に対する人々の嗜好を高めるのに役立つ非常に重要な感覚基準です。

そのため、苦味ペプチドは人間の食品の味覚体験を改善するために広く研究されてきました。

ビール、コーヒー、チーズなどの苦味は非常に重要な感覚基準である。

（画像出典：著者がAIを使用して生成）

食品から苦味ペプチドを除去するにはどうすればいいですか?

苦味ペプチドはさまざまな食品に広く含まれていますが、特にゴーヤ、特定の緑色の葉野菜（ほうれん草やブロッコリーなど）、大豆とその製品、熟成チーズや発酵チーズ、特定の内臓肉（肝臓や脾臓など）に多く含まれています。さらに、ソフォラ・フラベセンスやオウレンなどの天然植物やハーブにも、苦味ペプチドが高濃度に含まれています。一部のお茶やコーヒーなどの飲料にも、苦味ペプチドが含まれている場合があります。

モモルディカ・チャランティア

（写真提供：veerフォトギャラリー）

研究によると、苦味ペプチドの苦味のほとんどは、その中に含まれる疎水性アミノ酸によって引き起こされ、その苦味の強さは主に疎水性アミノ酸の種類や配列順などの要因によって決まることが分かっています。したがって、このような苦味ペプチドを人工的に発見し、分離精製、吸着、酵素修飾などにより除去・低減することで、食品の苦味を調節することが可能となります。

食品の加工および調理方法は、主に高温、酵素活性、pH の変化、およびその他の添加物によってペプチド分子の構造または安定性が変化する可能性があるため、苦味ペプチドの含有量と特性に影響を及ぼす可能性があります。

たとえば、高温調理によりペプチド分子が分解したり、立体構造が変化して苦味が軽減される一方、発酵や加工中に導入された酵素によって苦味ペプチドが分解または変化することがあります。同時に、食品の pH 値を変更したり、他の調味料や添加物を加えたりすることで、苦味ペプチドの溶解性や他の成分との相互作用にも影響が及び、食品中の苦味ペプチドの含有量や味がさらに変化する可能性があります。

食品の加工や調理方法は苦味ペプチドの含有量に影響を与える可能性がある

（写真提供：veerフォトギャラリー）

したがって、苦味はタンパク質の加水分解の避けられない結果であるにもかかわらず、苦味を隠したり、除去したり、防いだりして食品の苦味を軽減する努力が今も続けられています。

機械学習は苦味ペプチドも予測できるのでしょうか?

牛乳は超高温（UHT）殺菌後、長期間保存できますが、一部のUHT牛乳は保存期間中に苦味が出ることがよくあります。研究によると、これは牛乳に含まれるカゼインが何らかの耐熱性プロテアーゼによって加水分解され、苦味ペプチドを生成するためであると考えられています。腐敗した UHT ミルク中の苦味ペプチドの特定は、UHT ミルクの苦味の原因を分析し、その品質を向上させるのに役立ちます。

従来の実験室方法は、苦味ペプチドを識別するための信頼できる方法です。液体クロマトグラフィータンデム質量分析に基づくペプチドミクス法は、腐敗した UHT ミルク中のペプチドを効果的に分析できますが、苦味ペプチドを特定することは通常、時間と費用がかかる困難な作業です。

この問題を解決するために、中国科学院大連化学物理研究所のチームは、ペプチドミクス技術と機械学習を使用して、苦味ペプチドを効率的に識別する予測モデル（CPM-BP）を構築しました。ペプチドミクスはタンパク質の断片（ペプチドなど）を分析するために使用される技術を指し、機械学習はアルゴリズムを使用してコンピューターに複雑な予測を行う方法を「教える」ものです。

機械学習アルゴリズムが苦味ペプチドを予測

（画像出典：参考文献[7]）

研究者らは「ライト グラディエント ブースティング マシン」と呼ばれるアルゴリズムを使用して、独立したテスト セットで苦味ペプチドを予測する精度が 90.3% の予測モデルの構築に成功しました。

モデルの有効性を検証するために、研究者らは腐った牛乳と新鮮なUHT牛乳も比較した。研究者らは、腐った牛乳の中に180種類の潜在的な苦味ペプチドを発見し、さらにそのうちのいくつかを、特定のヒト苦味受容体（hT2R4）を発現するように設計されたHEK293T細胞株を使用して検証したところ、そのうち3種類の潜在的な苦味ペプチドはすべて、この苦味​​受容体（hT2R4）を活性化する能力を持っていました。最終的に、実験によりモデルの有効性が証明されました。

つまり、この研究は苦味ペプチドを特定するためのより高速で経済的な方法を提供するだけでなく、その予測モデルの正確性と信頼性を検証することにも成功しました。これは食品科学、医薬品開発、栄養研究において重要な応用価値を持っています。

結論

社会や経済のレベルが継続的に向上するにつれて、消費者の食品の品質に対する期待はますます高まっています。健康を追求するだけでなく、味にも気を配っています。そのため、機械学習はより多くのシナリオに適用されています。苦味にはさまざまな化合物と苦味受容体、そして他の風味成分との複雑な相互作用が関係しているため、この分野の研究は依然として大きな課題に直面しており、科学者たちは苦味に関するさらなる「秘密」を発見しようと懸命に取り組んでいます。

参考文献

[1] 黄磊、周其洋。大豆タンパク質加水分解物中の苦味ペプチドの研究の進展[J]。モダンフード、2022年、28(21):22-24。

[2] Lin Tong、Zhao Jichun、Lei Xiaojuan、他。食用菌類からの風味ペプチドの調製とその風味付与メカニズムに関する研究の進歩[J]。食品・発酵産業、2022年、48(19):313-319。

[3] Si Kuolin、Li Zhiguo、Li Lingyu 他。チーズ苦味ペプチドの生成と苦味除去法に関する研究の進歩[J]。食品産業、2021年、42(03):267-271。

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[6] ホーメ、リサ、クリスティン・フィッシャー、トーマス・クラインシュミット。 「包括的な二次元液体クロマトグラフィーを使用したカゼイン加水分解物中の苦味ペプチドの特性評価」食品化学404（2023）：134527.

[7] ユウ・ヤン他「ペプチドミクス技術と機械学習法に基づく牛乳由来の苦味ペプチドの同定と予測」食品化学433（2024）：137288.