舌頭髮澀是怎麼產生的？
科學家利用仿生摩擦學原理開發的舌頭形狀的水凝膠。（南方周末資料圖/圖）
中國科學家第一次揭開「澀」的科學原理：水果或茶中的單寧酸等酚類化合物增加了口腔內壁的摩擦係數，導致了口腔發澀。未來，科學家不僅試圖繼續從摩擦學的角度研究其他口腔刺激的原因，還希望基於這些原理開發出新的材料。
大多數人都有這樣的經歷：喝茶和咖啡，或者吃沒有完全成熟的水果時，感覺口中發澀。那麼，究竟什麼是「發澀」？
最近，《德國應用化學》上刊發的一篇論文解釋了「澀」的機理。來自中科院蘭州化學物理研究所研究員周峰帶領研究小組發現，水果或茶中的單寧酸等酚類化合物增加了口腔內壁的摩擦係數，導致了口腔發澀。
這是科學家們第一次揭開「澀」的科學原理。未來，科學家們不僅試圖繼續從摩擦學的角度研究其他口腔刺激的原因，同時還希望基於這些原理開發出新材料。
摩擦生「澀」
科學家們已經知道，酸、甜、苦、辣等味覺是食物刺激舌頭上的味蕾讓人產生的感覺。「澀」不僅在舌頭上發生，也在口腔黏膜覆蓋的地方發生，顯然與味覺的產生機理不同。儘管人們早就注意到這一奇妙現象，卻一直無法解釋其生物學原理。
早在1974年，英國謝菲爾德大學化學系教授埃德溫·哈斯拉姆（Edwin Haslam）注意到水果中存在澀味。他認為，許多植物組織中含有單寧酸，在單寧酸的存在下，水果中的多酚與唾液蛋白和糖蛋白在口腔中發生了複雜的化學作用。
「這樣的相互作用產生了人對『澀味』（the physiology of the astringency sensation）的生理感知。」哈斯拉姆1974年1月刊發在學術期刊《生物化學》（Biochem. J.）上的論文中寫道。
但是，這篇論文並沒有像人們所期待的那樣，進一步研究「澀味」的產生機制。哈斯拉姆站在一個化學家的角度，深入討論了不同條件下多酚與各種唾液蛋白、糖蛋白的化學反應和產物。
大約四十年後，哈斯拉姆於2013年去世。通過這篇論文，從事生物摩擦學的科學家周峰與哈斯拉姆的想法相遇了。
周峰告訴南方周末，「潤滑」是摩擦學研究的主要領域。多年來，周峰通過反覆對「潤滑」一詞的考據，找到了該領域研究的關鍵邏輯。「無論是英文『lubrication』和漢語中的『潤滑』都有通過施加一種物質來降低相對運動表面摩擦或者磨損之意。」他意識到。
這意味著，找到一種合適的潤滑物質，就能改變相對運動的表面的摩擦狀態。比如，用力推動地面上的重物，如果在地面上塗上一層油，推箱子就能省力不少。而在自然界，也存在許多因「潤」而「滑」的例子，小溪旁布滿青苔的岩石，水中遊動的魚，我們每天頻繁眨動的眼睛以及人體膝、髖關節等。
基於摩擦學中「潤滑」的觀點，科學家們試圖在哈斯拉姆的假設上再邁進一步。美國莫內爾化學感官中心（Monell Chemical Senses Center）的研究人員保羅·布萊斯林指出，「澀」是一種類似於「起皺」的感覺，並非味覺，其發生可能與唾液中分泌的黏蛋白（mucin）有關。
黏蛋白是口腔中非同尋常的潤滑劑，能夠附著在口腔中的各種表面，而形成一層潤滑膜，包括牙齒。「如果沒有黏蛋白，人的牙齒可能在30歲前就磨壞了。」布萊斯林表示。研究發現，食物中多酚類物質與唾液中的黏蛋白相遇時，通過疏水和氫鍵相互作用力與其締合，導致唾液蛋白脫水，失去對口腔的潤滑作用，引起舌頭「發澀」。
也就是說，脫水的過程讓人產生「澀」的同時，也讓人感覺口腔乾燥。因此，「乾澀」往往被連在一起形容這種讓人有些許不快的感覺。
沿著這一思路，周峰的研究小組試圖從摩擦學的角度進行定性的測量。首先，他們選擇了典型的多酚物質單寧酸——一種在工業提純蛋白質時廣泛使用的沉澱劑。然後，他們將柔軟的硅膠球放置在塗有黏蛋白的玻璃平面上，並用摩擦試驗機獲取數據。
數據顯示，當研究人員在黏蛋白中加入單寧酸時，表面的摩擦係數隨之增大。如果增加單寧酸的濃度，摩擦係數還會進一步增大。「加入單寧酸後，我們測到的摩擦係數比沒有單寧酸時增加了三四倍。」周峰告訴南方周末。
為了更加直接地模擬口腔的真實情況，研究人員還採用了一塊舌頭形狀的聚丙烯醯胺水凝膠，其化學組成也對多酚敏感。實驗中，他們發現，單寧酸的加入讓這塊凝膠更加黏稠，其體積也因為脫水而不斷變小，從而證明了發澀與脫水直接相關。
因此，要消除咖啡或者茶的口感發澀，牛奶是最好的選擇——它能中和單寧酸等多酚類化合物，避免這些化合物使黏蛋白的潤滑作用失效。這就不難解釋，為何拿鐵和奶茶以「絲滑」的口感廣受歡迎。
味覺研究新視角
回溯歷史，「澀」並不是人們關注的第一種口腔刺激。隨著基因組學研究逐步發展，從基因的角度來研究味覺逐漸成為一種潮流。
1931年，杜邦公司的化學家亞瑟·福克斯不小心將苯硫脲吹入空氣中，旁邊一位同事抱怨說「這東西嘗起來真苦」，他自己卻沒有任何感覺。福克斯讓親戚朋友都來嘗嘗這種東西的味道，發現有的能嘗出苦味，有的卻不能。當時，福克斯意識到，每個人感受苦味的能力不同。
後來，科學家研究發現，分辨苯硫脲苦味的確是由一種稱為TAS2R38的基因決定的，其位於人類第7號染色體。
生物學家傾向於用進化的觀點來解釋這一現象。植物是人類祖先最容易獲得的食物，也是必要維生素和纖維素的來源。許多有毒的植物具有苦味，一些人可能因為攜帶分辨苦味有毒物質的基因，沒有吃進有毒物質而存活下來。反之，那些沒有攜帶苦味基因的人，卻因為偶然誤食了有毒物質而死於非命。久而久之，擁有辨別苦味植物能力的人便獲得了強大的生存優勢。
研究發現，為了規避有毒物質，人類進化出了一系列基因，為味蕾編碼出二十多種苦味基因，每個基因都能對某一類別的十幾到幾十種物質感到苦味，全部苦味基因能夠察覺出上千種苦味物質。
除了能夠分辨苯硫脲的TAS2R38，具有TAS2R16的人則能嘗出植物中常見的吡喃葡萄糖苷類毒素。2011年6月，《人類生物學》雜誌上發表了復旦大學現代人類學實驗室李輝研究小組對現代中國人群基因的研究。結果表明，人體舌頭細胞中TAS2R16的苦味基因在所有味覺基因中對毒性的識別力最強，中國人群的這一基因更是顯現出超強能力。
研究人員還推測出，大約5000至6000年前，中國曾發生過大規模的自然篩選，那些不能嘗出有毒植物中苦味的人被淘汰。
類似地，甜味基因也被陸續發現。例如，2001年，分別來自美國西奈山醫學院、哈佛大學醫學院、國家聾啞研究院以及莫內爾化學感官中心的四個研究小組，在人類第四對染色體上鑒別出一個與甜味感知有關的基因T1R3。這是歷史上第一個被發現的甜味基因。
探索味覺產生機制的另一條路徑，則始於上世紀八十年代。1987年前後，羅格斯大學食品科學系教授柯奇尼（Jozef Kokini）連續發表的三篇論文中，對液體食品的口感開展了物理學研究，其中包括了摩擦係數。柯奇尼在論文中寫道：「通常，食品被描述成『順滑』是表明其與表皮的摩擦力小。」
科學家認為，這是摩擦學概念首次被引入味覺研究，為這一領域的研究提供了新視角。直到2003年，聯合利華公司的研究人員開始研究多糖溶液的潤滑特性對口腔感覺的影響，被視為味道摩擦學系統研究的開端。
儘管味道摩擦學的研究剛剛起步，周峰認為，這將是味覺研究的趨勢。最近，周峰和一位朋友做了一個有趣的實驗。他請朋友將一小撮食鹽放在舌尖，先感受一下鹹味，然後再動一動舌頭，鹹味確實增強了。儘管還不確定鹹味的增強一定源於口腔內的摩擦，但周峰相信，「食物的味道和口感極有可能和摩擦有關」。
浙江工商大學食品與生物工程學院教授陳建設指出：「『斯特里貝克曲線』描述了運動速度、流體黏度等參數之間的關係，應當成為當前食品口腔加工摩擦學研究的核心任務。不過，鑒於真實口腔環境的複雜性，從實驗中獲得這些參數仍然是科學家面臨的巨大挑戰。」
科學家發明了一種帶有單寧酸儲液槽的橡膠手套。戴上這種手套，能準確無誤地抓起一條鯰魚。（南方周末資料圖/圖）
仿生材料的靈感來源
正處於起步階段的味道摩擦學，給材料科學家帶來了重要的啟示。「目前口腔摩擦學主要關注牙齒之間的摩擦以及食品乳化液調控下的口感摩擦學等問題，主要研究目的在於開發功能性人工唾液、優良口感食品乳化液以及口腔抗磨材料。」周峰表示。
周峰和他的同事則在發澀的機制研究中獲得了如何增加摩擦係數的靈感。他們相信，「澀」的分子機制在自然界應該非常普遍。例如，魚的皮膚能分泌出一種黏糊糊的液體，摸起來非常順滑。它能保護魚不受寄生蟲及病菌的侵害，也能減小魚在水裡游泳的阻力，使魚游得更快，逃脫天敵的抓捕。
生物學研究表明，黏液的主要化學成為多糖類蛋白和部分纖維物質，與唾液中的黏蛋白類似。當從黏液細胞中釋放後，與水結合即成黏液，覆蓋全身。
周峰的研究小組發明了一種帶有單寧酸儲液槽的橡膠手套。戴上這種手套，實驗人員能準確無誤地抓起一條鯰魚。「抓魚時，手套單寧酸釋放出來，鯰魚皮膚上的蛋白遇到單寧酸後迅速『發澀』，原有的潤滑層失效。」周峰解釋道，「手套和魚表面之間的摩擦係數增大，就能輕鬆而牢固地抓魚了。」
橡膠手套也不是第一個源自摩擦學的仿生材料。早在亞里士多德時期，人們就對壁虎行走的機制產生了濃厚的興趣。直到2000年，美國路易克拉克大學生物學教授凱勒·奧特姆（Kellar Autumn）發現，壁虎腳掌上生長著無數根由β-角蛋白構成的超細剛毛陣列，超強黏附力來自剛毛與接觸表面的分子間作用力——范德華力。
也就是說，壁虎腳掌剛毛上的分子能與接觸表面的分子結合在一起。周峰認為，這極大地增加了壁虎腳與攀爬表面的摩擦係數。
科學家正在通過各種微、納米尺度的技術手段，仿製具有相似粘附性能的結構具有較高的實用價值，比如開發具有黏附攀爬能力的微型機器人。2012年，馬薩諸塞大學生物學家鄧肯·伊爾斯切科（Duncan Irschick）根據壁虎腳產生吸附力與普通膠帶產生吸附力的不同原理，設計出一款名為壁虎皮膚（Geckskin）的膠帶。這種膠帶能夠重複使用，可將重達300公斤的物品粘在牆上。
最新的一項研究提出，壁虎腳掌剛毛可能具有類似細胞結構的特徵，這些活的細胞組織的表面電位和剛毛的形狀能夠受到神經信號的調控。這一觀點一旦證實，有望深刻影響仿生壁虎機器人腳掌設計的基本理念。
而由於壁虎腳掌上的剛毛具有疏水結構，浸沒在溶液中吸附力會大大降低。這也成為壁虎腳仿生材料的一大缺陷，這些材料只能在空氣中使用。基於此，周峰的研究小組正在探索製備一種能在溶液環境中使用的壁虎腳仿生材料。
此外，其他的仿生摩擦學材料的研發不斷取得進展。例如，科學家受關節潤滑機制啟發，開發出具有低摩擦、抗磨損以及自修復性能的生物潤滑界面材料；而受海洋生物體優異的抗黏附機制啟發，科學家則開發了免受海洋生物附著的海洋防護材料。
在周峰看來，對舌頭髮澀的研究代表了科學家對如何「降低」摩擦係數的探索，而對壁虎腳吸附力的研究，則是對「增加」摩擦係數的典型探索，這正是仿生摩擦學科學問題的兩大方向。
科學家相信，沿著「潤滑」和「黏附」這兩條思路，無論是味覺機理研究，還是仿生材料開發，摩擦學或許能打開一扇新的大門。
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