The study of taste interaction in the sweetener binary mixture using cell-based sweet and bitter taste receptors

Abstract

Sweet taste receptors (TAS1R2 and TAS1R3), a heteromeric complex, and bitter taste receptor, TAS2Rs belong to G-protein coupled receptors (GPCRs). Binding tastants to domains of taste GPCR transduces a signal cascade and causes the sense of taste. In a mixture of bulk sweeteners with high-intensity sweeteners, the sweetness contribution of bulk sweeteners was higher than those of high-intensity sweeteners, thereby enhanced the sweetness and the improved bitterness. The sweetness is changed when sweeteners are applied to various food matrices such as drinks, bakeries, jams, and puddings. The sweetness characteristics of sweet substances vary depending on the sensory interaction of mixed sweet substances, and the relative sweetness of sweet substances depends on the food matrix applied. Sensory evaluation is essential in developing new sweeteners. However, it has disadvantages, such as large amounts of samples, high cost, and long-term experiments. On the other hand, the cell-based affinity assay using taste receptors can evaluate sweetness with only a small amount of substances with no toxicity. A cell-based taste receptor affinity system has been proposed as an alternative tool for sensory evaluation. However, most studies were limited to sense the taste by using single sweet substance with single taste receptor. Therefore, the interaction and of the sweetener binary mixture at the receptor level were identified using an in vitro affinity system in the present study. TAS1R2, TAS1R3, and Gα15-gustducin were expressed in HEK-293 cells to construct an in vitro affinity system for cell-based human sweet taste receptors. The receptor-ligand activity of bulk (sucrose, fructose, glucose, allulose, and erythritol) and high-intensity sweeteners (acesulfame K, aspartame, saccharine, neohesperidin dihydrochalcone, rebaudioside A, and rebaudioside M) was identified by analyzing the Ca2+ release. The relative receptor potency of the sweeteners was compared over a wide concentration range for EC50s. Bulk sweeteners showed similar concentration ranges (EC50s > 1 mM) as sucrose and relative sweetness potency between 0.38 and 0.75 (sucrose = 1). On the other hand, high-intensity sweeteners showed a lower concentration range (EC50s < 1 mM) compared to sucrose and a higher relative sweetness potency from 151.52 to 1837.46 (sucrose = 1). Additionally, TAS2R31 and Gα15-gustducin were expressed in HEK-293 cells to construct an in vitro affinity system for cell-based human bitter taste receptors. To analyze the perceptual sweetness synergy of the binary mixture at the receptor level, acesulfame K and saccharin, which bind both sweet and bitter taste receptors, were used as base sweeteners and blended with various proportions with six sweeteners, including sucrose, fructose, glucose, allulose, erythritol, and aspartame dissolved in the same solution composition. It was confirmed that monosaccharides (such as fructose, glucose, and allulose) suppress bitter receptor activity induced by acesulfame K or saccharin. Furthermore, a binary mixture of aqueous solution conditions or pectin gel conditions was prepared to analyze whether the sweet or bitter taste receptor binding activity of the binary mixture was different by the food matrix (such as aqueous solution and pectin gel condition). The mixture of sucrose or acesulfame K with fructose showed a significantly higher sweet response under aqueous solution conditions. However, sucrose or acesulfame with allulose or erythritol showed a significantly higher sweet response in pectin gel conditions. Additionally, fructose significantly reduced the bitterness of acesulfame K under aqueous solution conditions, and glucose suppressed the bitterness of acesulfame K under pectin gel conditions. The relative sweetness potency of sweeteners was measured by a cell-based taste receptor affinity system, and the interaction and influence of sweet or bitter receptors activated by a binary sweetener mixture were confirmed and compared with sensory characteristics. Taken together, the present study was able to interpret and understand the sensory characteristics that were changed when sweeteners were mixed and applied to a food matrix.;단맛 수용체 기반 TAS1R2 및 TAS1R3과 쓴맛 수용체 기반 TAS2R계열은 G 단백질 결합 수용체(GPCR)에 속하는 미각 수용체들이다. GPCR에 미각 물질이 결합하면 GPCR의 형태가 활성상태로 변환되고 여러 신호 전달과정을 통해 뇌에서 맛을 인지한다. 관능시험에서는 벌크 감미료와 고강도 감미료를 혼합할 경우 그리고 혼합물에서 벌크 감미료의 단맛 기여도가 고강도 감미료에 비해 높을수록 단맛이 강화되고 쓴맛이 개선된다. 또한 감미료는 용액 상태와 달리 다양한 식품 매트릭스(음료, 베이커리, 잼, 푸딩 등)에 적용 시 단맛이 변한다. 단맛 물질의 특성은 혼합된 감미 물질의 감각적 상호작용에 따라 다르며, 단맛 물질의 상대적인 단맛은 적용된 식품 매트릭스에 따라 달라진다. 따라서 본 연구에서는 단맛 수용체 in vitro 친화도 시스템을 이용하여 수용체 수준에서 감미료 이성분 혼합물의 미각 지각 효과를 확인하였다. 시험관 내 친화도 분석 시스템 내에 인간 단맛 수용체 TAS1R2, TAS1R3 및 Gα15-gustducin 발현 세포를 구축하였다. 벌크 감미료(설탕, 과당, 포도당, 알룰로스 및 에리트리톨) 및 고강도 감미료(아세설팜 K, 아스파탐, 사카린, 네오헤스페리딘 디히드로칼콘, 레바우디오사이드 A 및 레바우디오사이드 M)의 수용체-리간드 활성은 GPCR의 Ca2+ 방출을 분석하여 확인되었다. 넓은 농도 범위에 걸쳐 감미료의 EC50를 활용하여 수용체 단맛 효능을 비교한 결과, 설탕과 비교하여 벌크 감미료는 유사한 농도 범위와 단맛 효능을 보인 반면, 고강도 감미료는 더 낮은 농도 범위와 더 높은 단맛 효능을 나타내었다. 단맛 유지 및 상승 효과에 있어 단맛 수용체 역할뿐만 아니라 쓴맛 수용체 역할의 중요성도 대두되고 있다. 따라서, 시험관 내 친화도 분석 시스템 내에 인간 쓴맛 수용체 TAS2R31 및 Gα15-gustducin 발현 세포도 추가적으로 구축하였다. 이성분 혼합물의 감각적 특성을 수용체 수준에서 분석하기 위해 단맛과 쓴맛 수용체에 모두 결합하는 아세설팜 K와 사카린을 기본 감미료로 사용하고 동일한 용액에 용해되는 6가지 감미료(설탕, 과당, 포도당, 알룰로스, 에리스리톨 및 아스파탐)를 다양한 비율로 혼합하였다. 단맛 수용체 활성 곡선의 기울기를 기준으로 적절한 상대 감미도를 활용하는 이성분 혼합물은 당류 감미료(수크로스, 과당, 글루코스, 알룰로스)와 아세설팜 K 또는 사카린의 조합에서 단맛 수용체 반응을 향상을 확인하였다. 흥미롭게도 단당류인 과당, 포도당 또는 알룰로스가 아세설팜 K와 사카린에 의해 유도된 쓴맛 수용체 활성을 억제하였다. 단당류와 혼합했을 때 아세설팜 K 또는 사카린의 관능적 단맛이 증가하는 메커니즘은 미각 수용체에서 고강도 감미료에 의해 유발된 쓴맛 수용체의 활성화를 억제하는 단당류의 능력일 가능성을 시사한다. 또한, 수용체 수준에서 식품 매트릭스(pH의 차이)에 의한 이원혼합물의 단맛 또는 쓴맛 수용체 결합 활성이 영향을 받는지 분석하기 위해 수용액 조건 또는 펙틴 겔 조건의 이성분 혼합물을 제조하였다. 수크로스 또는 아세설팜 K와 과당의 조합이 수용액 조건에서 유의하게 높은 단맛 반응을 나타냈다. 반면, 수크로스 또는 아세설팜과 알룰로스 또는 에리스리톨은 펙틴 겔 조건에서 유의하게 높은 단맛 반응을 나타냈다. 또한, 과당은 수용액 조건에서 아세설팜 K의 쓴맛 반응을 유의하게 감소시켰고, 글루코스는 펙틴 겔 조건에서 아세설팜 K의 쓴맛 반응을 감소시켰다. 세포기반 맛 수용체 친화 시스템을 모방하여 감미료의 상대 감미도를 측정하고, 이성분 혼합물에 의해 활성화된 단맛 또는 쓴맛 수용체의 상호 작용 및 영향을 확인하여 감각적 특성과 비교하였다. 이를 통해 본 연구는 오랫동안 지각적으로 확인된 감미료를 혼합할 때와 식품 매트릭스에 적용할 때 변화하는 감각적 특성을 해석하고 이해할 수 있었다. 추후 각기 다른 감미료의 수용체 미치는 영향에 대한 기전 분석이 요구된다.