Główka czosnku. Źródło: Wikipedia, Donovan Govan. Licencja CC BY-SA 3.0.

Czosnek (Allium sativum) pochodzi z Azji Środkowej. Udomowiony w Chinach ok. 5000 lat temu, stanowi dziś podstawę wielu kuchni świata, zwłaszcza w krajach śródziemnomorskich i Dalekiego Wschodu. Znane są jego właściwości przeciwbakteryjne i przeciwzapalne (to temat na osobny wpis). Ale jest w nim też coś, co powoduje, że potrawy z jego dodatkiem smakują lepiej. Wiąże się to ze smakiem umami.

Dlaczego umami jest inny niż pozostałe smaki?

W poprzednim wpisie napisałem o receptorach smaku, których jest sześć: słodki, słony, kwaśny, gorzki, tłusty i umami (z japońskiego „esencja pyszności”). Za ten ostatni odpowiadają m.in. sole (sodowa, potasowa) kwasu glutaminowego, które wiążą się do receptorów o nazwach T1R1/T1R3.  Sole te nie mają zdecydowanego smaku; jest on określany na ogół jako nieprzyjemny, a w najlepszym razie neutralny. A jednak potrawy zawierające glutaminian są smaczne, a przemysł spożywczy dodaje je praktycznie do wszystkich wyrobów (kody E620-E625). Dlaczego umami różni się od innych smaków?
Jest kilka przyczyn. Przede wszystkim – wśród wszystkich smaków współczynnik k smaku umami w prawie Webera-Fechnera jest najniższy. Prawo Webera-Fechnera mówi, że na naszą percepcję oddziałuje nie arytmetyczna różnica między bodźcami, ale ich wzajemny stosunek. Inaczej mówiąc, reakcja układu biologicznego na bodziec jest proporcjonalna do względnej zmiany bodźca. Tak więc siła wrażenia rośnie proporcjonalnie do logarytmu intensywności bodźca:

gdzie:
w: wrażenie,
B: bodziec,
B₀: próg percepcji bodźca,
k: doświadczalnie wyznaczany współczynnik proporcjonalności,

Niski współczynnik k dla umami oznacza, że kiedy jemy potrawę z dużą ilością cząsteczek umami, smak ten pojawia się stosunkowo późno, a jego wrażenie narasta wolno. Dzieje się tak z powodu stosunkowo niskiego powinowactwa cząsteczek umami wobec rozpoznających je receptorów. Dlatego nawet najsilniejszy smak umami jest znacznie słabszy w porównaniu do innych smaków, np. słodkiego. Ale są okoliczności, kiedy umami jest jednak silnie wyczuwalny. Kiedy to się dzieje?

Kokumi czyli obfitość

Odpowiadają za to substancje zawarte w niektórych potrawach, które mogą wzmacniać działanie receptorów smaku: głównie umami, ale również słonego, tłustego i słodkiego. Zauważyli to japońscy badacze, którzy analizowali wpływ wodnego ekstraktu czosnku na smak potraw. Okazało się, że o ile sam ekstrakt czosnku ma bardzo słaby smak, to jego dodatek do potrawy znacznie podwyższa poczucie smaku powodowane przez substancje umami. Czyli w czosnku jest coś (i nie jest to wcale jego charakterystyczny zapach), co polepsza smak, czyniąc go pełniejszym i bardziej trwałym. Publikacja ukazała się w 1990 r., a dla opisanego wpływu ekstraktu czosnku na smak autorzy zaproponowali nazwę kokumi, co po japońsku znaczy silny, bogaty, skoncentrowany.
Jeżeli zatem potrawa zawiera substancje umami, a także sól, tłuszcz i cukier, to czujemy wprawdzie te smaki, ale niezbyt intensywnie. Ale jeżeli dodatkowo są w niej substancje kokumi, to odczucie smaku pojawia się i narasta o wiele szybciej, większa jest też jego intensywność i subiektywna harmonia. Sam smak trwa w ustach o wiele dłużej. Tak więc można powiedzieć, że ten sam smak odbieramy jako o wiele mocniejszy.
Substancje kokumi są zatem czymś w rodzaju polepszacza jakości smaku: bez nich smak jest w zasadzie taki sam, ale nie ma tej pełni, siły i harmonii, co w ich obecności (Ryc. 1).

Ryc. 1. Efekt kokumi. A. Intensywność smaku potrawy (wrażenie subiektywne) w czasie jej spożywania, jeżeli czynniki kokumi nie są obecne. B. Jeżeli ta sama potrawa je zawiera, odczucie smaku narasta o wiele szybciej (6), większa jest też rozpiętość smaku (2), jego bogactwo (4) i harmonia (5), a jego ciągłość, równoważna z długością trwania (3) jest większa. Skutkiem jest większa intensywność smaku (1). Według: Yamamoto T, Yamamoto C-I, Science of Food 2023, 7:3. Licencja CC BY 4.0.

Kokumi i peptydy

Co odpowiada za efekt kokumi? Są to peptydy składające się z 2-6 reszt aminokwasowych, przy czym na N-końcu jest zawsze reszta kwasu glutaminowego przyłączona wiązaniem γ. Tu wyjaśnienie chemiczne: kwaśne aminokwasy, takie jak kwas asparaginowy i kwas glutaminowy, zawierają dwie grupy karboksylowe: obecną we wszystkich aminokwasach grupę karboksylową związaną do tego samego atomu węgla, co grupa aminowa (czyli grupę α), oraz grupę γ, która wchodzi w skład łańcucha bocznego.
Najbardziej znanym peptydem zawierającym resztę kwasu glutaminowego związaną wiązaniem γ jest glutation, który chroni komórki przed reaktywnymi formami tlenu. Pisałem o nim w moim wpisie na temat niebezpieczeństw związanych z jedzeniem bobu (Ryc. 2).

Ryc. 2. Glutation. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

Peptydów zawierających resztę kwasu glutaminowego związaną wiązaniem γ jest jednak znacznie więcej (obecnie znamy ich ponad 100). Mogą powstawać w wyniku działania kilku enzymów, takich jak γ-glutamylotranspeptydaza, syntetaza γ-glutaminylocysteiny czy ligaza glutaminylocysteiny. Na N-końcu jest zawsze reszta kwasu glutaminowego związana przez grupę karboksylową γ (dlatego nazywamy je γ-glutamylopeptydami), ale na drugim i następnych miejscach mogą być różne reszty aminokwasowe. W czosnku jest to przeważnie cysteina, ale np. w roślinach strączkowych może to być fenyloalanina lub kwas asparaginowy, a w serach walina, glicyna czy leucyna.
Efekt kokumi wywoływany przez te peptydy zależy od ich sekwencji. Próg wyczuwania (mierzony subiektywnie) dla efektu kokumi może wynosić przykładowo 5 µmol/l dla peptydu γ -Glu-Val-Gly, 200 µmol/l dla peptydu γ-Gly-Cys-Val i 1250 µmol/l dla peptydu ­ γ -Glu- γ -Glu-Tyr.
Peptydy te są dość trwałe, ponieważ wiązanie typu γ trudniej ulega rozkładowi niż powszechnie występujące w peptydach wiązanie typu α. Pełną listę takich peptydów można zobaczyć tutaj.

Receptory dla jonów wapnia i peptydy kokumi

Jak działają takie peptydy? Wiążą się do receptorów dla jonów wapnia (calcium sensing receptors, CaSR). Są to białka związane z białkiem G (pisałem o nich we wpisie o receptorach smaku). Są więc podobne do receptorów smaku słodkiego, gorzkiego i umami. Różnica jest następująca: wymienione receptory wiążą małe cząsteczki, takie jak glukoza, chinina czy L-glutaminian, i po związaniu wysyłają sygnał do mózgu. Skutkiem jest odczucie smaków: słodkiego, gorzkiego i umami.
Receptory dla jonów wapnia działają na podobnej zasadzie: wiążą jony wapnia i pod ich wpływem aktywują szlaki sygnałowe. Najwięcej jest ich w przytarczycach, czyli gruczołach zlokalizowanych w okolicy tarczycy, gdzie regulują wydzielanie parathormonu, który jest głównym regulatorem gospodarki wapniowej w organizmie. Pod jego wpływem kości uwalniają jony wapnia, co wiąże się z rozkładem tkanki kostnej i  może powodować osteoporozę. Receptory dla jonów wapnia są też obecne w nerkach, gdzie regulują gospodarkę wapniem.
Ale receptory dla jonów wapnia są też obecne w nabłonku języka. Mogą wprawdzie wiązać jony wapnia, ale przede wszystkim wiążą γ-glutamylopeptydy, które są tym samym agonistami receptorów dla jonów wapnia.
Jaki jest mechanizm działania takich peptydów? Aktywacja receptorów CaSR powoduje aktywację cyklazy adenylowej i podwyższenie wewnątrzkomórkowego stężenia jonów wapnia. Wpływa to na wzmocnienie sygnału od innych receptorów, przede wszystkim umami (bo jego sygnał jest najsłabszy), ale również słonego, tłustego i słodkiego. Receptory CaSR nie mogą tylko wzmacniać sygnałów receptorów smaku kwaśnego, bo te są transporterami jonów i nie używają ścieżki sygnałowej białka G (Ryc.3).

Ryc. 3. Mechanizm działania receptorów dla jonów wapnia (CaSR). Związanie jonów wapnia lub ich agonistów takich jak γ-glutamylopeptydy powoduje uruchomienie kilku szlaków sygnałowych w komórce, co w przypadku komórek receptorowych smaku może prowadzić do wzmocnienia sygnału. Według: Höppner J. et al., J. Clin Med. 2022, 11:2595. Licencja CC BY-SA 4.0.

Ale γ-glutamylopeptydy działają nie tylko na komórki z receptorami smaku. Mają silne działanie przeciwzapalne, a takie stany utrzymujące się długo mogą być przyczyną chorób cywilizacyjnych takich jak otyłość, cukrzyca, nadciśnienie czy choroba wieńcowa serca. Dlatego potrawy zawierające te peptydy (czosnek!) mają silne działanie prozdrowotne.

Gdzie można znaleźć γ-glutamylopeptydy?

W roślinach, przede wszystkim strączkowych (fasola, bób) oraz w cebuli i czosnku (ten zawiera ich najwięcej), a także w różnego rodzaju produktach fermentowanych. Dużo  γ-glutamylopeptydów jest w sosie sojowym, który powstaje z nasion soi i pszenicy w wyniku fermentacji z udziałem kropidlaka Aspergillus oryzae (zawartość γ-glutamylopeptydów to 80-120 mg/l). Należy tu jednak dodać, że dotyczy to sosu sojowego produkowanego w sposób naturalny, czyli poprzez fermentację. Większość tanich sosów sojowych powstaje w wyniku hydrolizy białek sojowych za pomocą kwasu solnego. Takie sosy nie zawierają γ-glutamylopeptydów, a jedynie glutaminian. Mają więc smak umami, ale nie mogą dawać efektu kokumi. Żaden japoński mistrz sztuki kulinarnej nie użyłby takiego sosu do przygotowywania potraw.
Sery, a zwłaszcza sery pleśniowe, w których fermentacji może brać udział m.in. pędzlak  Penicillium roqueforti, zawierają też dużo γ-glutamylopeptydów (40-100 mg/kg). Fasola zawiera ich 50-100 mg/kg, a czosnek 100-200 mg/kg. Należy tu jednak zaznaczyć, że każdy γ-glutamylopeptyd ma inny wyczuwany subiektywnie próg aktywności, a ponieważ jest ich wiele rodzajów takich, efekt kokumi może być bardzo różny w zależności od ich sekwencji.
Zarówno grzyby (kropidlak, pędzlak), jak i rośliny (fasola, czosnek) wytwarzają γ-glutamylopeptydy w celach ochronnych, bo oprócz wymienionych wyżej właściwości mają one aktywność przeciwbakteryjną.
Tu uwaga dla amatorów serów: kazeina, najważniejsze białko mleka, stanowi też główny składnik serów. Kazeiny z mleka krów i owiec mają bardzo podobne sekwencje aminokwasowe, które jednak różnią się w kilku miejscach. Ponieważ reszta aminokwasowa w pozycji 9  w kazeinie krowiej to prolina, a w owczej to walina, to w wyniku proteolizy i przyłączenia kwasu glutaminowego powstają różne peptydy: z kazeiny krowiej γ-Glu-Pro-Gly, a z kazeiny owczej γ-Glu-Val-Gly. Ten drugi wykazuje 20-krotnie wyższą aktywność kokumi w porównaniu do „krowiego” peptydu. Dlatego owczy ser jest uważany za smaczniejszy niż krowi, a roquefort jest produkowany wyłącznie z mleka owiec. Jak mówi legenda, pewien pasterz ze wsi Roquefort-sur-Soulzon w Masywie Centralnym (Francja) pozostawił chleb z owczym serem w jaskini (których dużo jest w tej okolicy), a kiedy po kilku tygodniach wrócił, ser był wprawdzie zapleśniały, ale o wiele smaczniejszy. Ta pleśń to był wspomniany Penicillium roqueforti, a polepszenie smaku było zasługą efektu kokumi (Ryc. 4).

Ryc. 4. Ser roquefort. Źródło: Wikipedia, Thesupermat. Licencja CC BY-SA 4.0.

O serach i ich uzależniającym działaniu pisała Tatiana Pandora Saternus. Na pewno obecność γ-glutamylopeptydów może mieć działanie uzależniające, bo lubimy to, co nam smakuje.

A jaki smak mają γ-glutamylopeptydy? To zależy od sekwencji danego peptydu, ale większość z nich w dużym stężeniu jest lekko gorzka i cierpka. Cierpkość jest spowodowana agregacją białek śliny przez polifenole.
Ale γ-glutamylopeptydy też mają taką zdolność. Dlatego surowy czosnek, podobnie jak nierozcieńczony sos sojowy, nie jest specjalnie smaczny. Ale po odpowiednim rozcieńczeniu i w obecności substancji umami powoduje jakościową zmianę smaku potrawy. I jeszcze jedno: ponieważ γ-glutamylopeptydy mają zdolność wzmacniania również smaku słonego, do potraw można dodawać mniej soli, która w nadmiarze nie działa dobrze na nasze zdrowie.

Literatura dodatkowa

Czosnek i efekt kokumi
https://doi.org/10.1271/bbb1961.54.163
Teoria kokumi
https://doi.org/10.1038/s41538-023-00178-2
Zawartość γ-glutamylopeptydów
https://doi.org/10.1016/j.tifs.2021.04.051
https://doi.org/10.1016/j.focha.2022.100061
https://doi.org/10.1016/j.tifs.2019.07.022
Sery krowie i owcze
https://doi.org/10.3168/jds.2020-18512