科学家利用仿生摩擦学原理开发的舌头形状的水凝胶。（南方周末资料图/图）
中国科学家第一次揭开“涩”的科学原理：水果或茶中的单宁酸等酚类化合物增加了口腔内壁的摩擦系数，导致了口腔发涩。未来，科学家不仅试图继续从摩擦学的角度研究其他口腔刺激的原因，还希望基于这些原理开发出新的材料。
大多数人都有这样的经历：喝茶和咖啡，或者吃没有完全成熟的水果时，感觉口中发涩。那么，究竟什么是“发涩”？
最近，《德国应用化学》上刊发的一篇论文解释了“涩”的机理。来自中科院兰州化学物理研究所研究员周峰带领研究小组发现，水果或茶中的单宁酸等酚类化合物增加了口腔内壁的摩擦系数，导致了口腔发涩。
这是科学家们第一次揭开“涩”的科学原理。未来，科学家们不仅试图继续从摩擦学的角度研究其他口腔刺激的原因，同时还希望基于这些原理开发出新材料。
摩擦生“涩”
科学家们已经知道，酸、甜、苦、辣等味觉是食物刺激舌头上的味蕾让人产生的感觉。“涩”不仅在舌头上发生，也在口腔黏膜覆盖的地方发生，显然与味觉的产生机理不同。尽管人们早就注意到这一奇妙现象，却一直无法解释其生物学原理。
早在1974年，英国谢菲尔德大学化学系教授埃德温·哈斯拉姆（Edwin Haslam）注意到水果中存在涩味。他认为，许多植物组织中含有单宁酸，在单宁酸的存在下，水果中的多酚与唾液蛋白和糖蛋白在口腔中发生了复杂的化学作用。
“这样的相互作用产生了人对‘涩味’（the physiology of the astringency sensation）的生理感知。”哈斯拉姆1974年1月刊发在学术期刊《生物化学》（Biochem. J.）上的论文中写道。
但是，这篇论文并没有像人们所期待的那样，进一步研究“涩味”的产生机制。哈斯拉姆站在一个化学家的角度，深入讨论了不同条件下多酚与各种唾液蛋白、糖蛋白的化学反应和产物。
大约四十年后，哈斯拉姆于2013年去世。通过这篇论文，从事生物摩擦学的科学家周峰与哈斯拉姆的想法相遇了。
周峰告诉南方周末，“润滑”是摩擦学研究的主要领域。多年来，周峰通过反复对“润滑”一词的考据，找到了该领域研究的关键逻辑。“无论是英文‘lubrication’和汉语中的‘润滑’都有通过施加一种物质来降低相对运动表面摩擦或者磨损之意。”他意识到。
这意味着，找到一种合适的润滑物质，就能改变相对运动的表面的摩擦状态。比如，用力推动地面上的重物，如果在地面上涂上一层油，推箱子就能省力不少。而在自然界，也存在许多因“润”而“滑”的例子，小溪旁布满青苔的岩石，水中游动的鱼，我们每天频繁眨动的眼睛以及人体膝、髋关节等。
基于摩擦学中“润滑”的观点，科学家们试图在哈斯拉姆的假设上再迈进一步。美国莫内尔化学感官中心（Monell Chemical Senses Center）的研究人员保罗·布莱斯林指出，“涩”是一种类似于“起皱”的感觉，并非味觉，其发生可能与唾液中分泌的黏蛋白（mucin）有关。
黏蛋白是口腔中非同寻常的润滑剂，能够附着在口腔中的各种表面，而形成一层润滑膜，包括牙齿。“如果没有黏蛋白，人的牙齿可能在30岁前就磨坏了。”布莱斯林表示。研究发现，食物中多酚类物质与唾液中的黏蛋白相遇时，通过疏水和氢键相互作用力与其缔合，导致唾液蛋白脱水，失去对口腔的润滑作用，引起舌头“发涩”。
也就是说，脱水的过程让人产生“涩”的同时，也让人感觉口腔干燥。因此，“干涩”往往被连在一起形容这种让人有些许不快的感觉。
沿着这一思路，周峰的研究小组试图从摩擦学的角度进行定性的测量。首先，他们选择了典型的多酚物质单宁酸——一种在工业提纯蛋白质时广泛使用的沉淀剂。然后，他们将柔软的硅胶球放置在涂有黏蛋白的玻璃平面上，并用摩擦试验机获取数据。
数据显示，当研究人员在黏蛋白中加入单宁酸时，表面的摩擦系数随之增大。如果增加单宁酸的浓度，摩擦系数还会进一步增大。“加入单宁酸后，我们测到的摩擦系数比没有单宁酸时增加了三四倍。”周峰告诉南方周末。
为了更加直接地模拟口腔的真实情况，研究人员还采用了一块舌头形状的聚丙烯酰胺水凝胶，其化学组成也对多酚敏感。实验中，他们发现，单宁酸的加入让这块凝胶更加黏稠，其体积也因为脱水而不断变小，从而证明了发涩与脱水直接相关。
因此，要消除咖啡或者茶的口感发涩，牛奶是最好的选择——它能中和单宁酸等多酚类化合物，避免这些化合物使黏蛋白的润滑作用失效。这就不难解释，为何拿铁和奶茶以“丝滑”的口感广受欢迎。
味觉研究新视角
回溯历史，“涩”并不是人们关注的第一种口腔刺激。随着基因组学研究逐步发展，从基因的角度来研究味觉逐渐成为一种潮流。
1931年，杜邦公司的化学家亚瑟·福克斯不小心将苯硫脲吹入空气中，旁边一位同事抱怨说“这东西尝起来真苦”，他自己却没有任何感觉。福克斯让亲戚朋友都来尝尝这种东西的味道，发现有的能尝出苦味，有的却不能。当时，福克斯意识到，每个人感受苦味的能力不同。
后来，科学家研究发现，分辨苯硫脲苦味的确是由一种称为TAS2R38的基因决定的，其位于人类第7号染色体。
生物学家倾向于用进化的观点来解释这一现象。植物是人类祖先最容易获得的食物，也是必要维生素和纤维素的来源。许多有毒的植物具有苦味，一些人可能因为携带分辨苦味有毒物质的基因，没有吃进有毒物质而存活下来。反之，那些没有携带苦味基因的人，却因为偶然误食了有毒物质而死于非命。久而久之，拥有辨别苦味植物能力的人便获得了强大的生存优势。
研究发现，为了规避有毒物质，人类进化出了一系列基因，为味蕾编码出二十多种苦味基因，每个基因都能对某一类别的十几到几十种物质感到苦味，全部苦味基因能够察觉出上千种苦味物质。
除了能够分辨苯硫脲的TAS2R38，具有TAS2R16的人则能尝出植物中常见的吡喃葡萄糖苷类毒素。2011年6月，《人类生物学》杂志上发表了复旦大学现代人类学实验室李辉研究小组对现代中国人群基因的研究。结果表明，人体舌头细胞中TAS2R16的苦味基因在所有味觉基因中对毒性的识别力最强，中国人群的这一基因更是显现出超强能力。
研究人员还推测出，大约5000至6000年前，中国曾发生过大规模的自然筛选，那些不能尝出有毒植物中苦味的人被淘汰。
类似地，甜味基因也被陆续发现。例如，2001年，分别来自美国西奈山医学院、哈佛大学医学院、国家聋哑研究院以及莫内尔化学感官中心的四个研究小组，在人类第四对染色体上鉴别出一个与甜味感知有关的基因T1R3。这是历史上第一个被发现的甜味基因。
探索味觉产生机制的另一条路径，则始于上世纪八十年代。1987年前后，罗格斯大学食品科学系教授柯奇尼（Jozef Kokini）连续发表的三篇论文中，对液体食品的口感开展了物理学研究，其中包括了摩擦系数。柯奇尼在论文中写道：“通常，食品被描述成‘顺滑’是表明其与表皮的摩擦力小。”
科学家认为，这是摩擦学概念首次被引入味觉研究，为这一领域的研究提供了新视角。直到2003年，联合利华公司的研究人员开始研究多糖溶液的润滑特性对口腔感觉的影响，被视为味道摩擦学系统研究的开端。
尽管味道摩擦学的研究刚刚起步，周峰认为，这将是味觉研究的趋势。最近，周峰和一位朋友做了一个有趣的实验。他请朋友将一小撮食盐放在舌尖，先感受一下咸味，然后再动一动舌头，咸味确实增强了。尽管还不确定咸味的增强一定源于口腔内的摩擦，但周峰相信，“食物的味道和口感极有可能和摩擦有关”。
浙江工商大学食品与生物工程学院教授陈建设指出：“‘斯特里贝克曲线’描述了运动速度、流体黏度等参数之间的关系，应当成为当前食品口腔加工摩擦学研究的核心任务。不过，鉴于真实口腔环境的复杂性，从实验中获得这些参数仍然是科学家面临的巨大挑战。”
科学家发明了一种带有单宁酸储液槽的橡胶手套。戴上这种手套，能准确无误地抓起一条鲇鱼。（南方周末资料图/图）
仿生材料的灵感来源
正处于起步阶段的味道摩擦学，给材料科学家带来了重要的启示。“目前口腔摩擦学主要关注牙齿之间的摩擦以及食品乳化液调控下的口感摩擦学等问题，主要研究目的在于开发功能性人工唾液、优良口感食品乳化液以及口腔抗磨材料。”周峰表示。
周峰和他的同事则在发涩的机制研究中获得了如何增加摩擦系数的灵感。他们相信，“涩”的分子机制在自然界应该非常普遍。例如，鱼的皮肤能分泌出一种黏糊糊的液体，摸起来非常顺滑。它能保护鱼不受寄生虫及病菌的侵害，也能减小鱼在水里游泳的阻力，使鱼游得更快，逃脱天敌的抓捕。
生物学研究表明，黏液的主要化学成为多糖类蛋白和部分纤维物质，与唾液中的黏蛋白类似。当从黏液细胞中释放后，与水结合即成黏液，覆盖全身。
周峰的研究小组发明了一种带有单宁酸储液槽的橡胶手套。戴上这种手套，实验人员能准确无误地抓起一条鲇鱼。“抓鱼时，手套单宁酸释放出来，鲇鱼皮肤上的蛋白遇到单宁酸后迅速‘发涩’，原有的润滑层失效。”周峰解释道，“手套和鱼表面之间的摩擦系数增大，就能轻松而牢固地抓鱼了。”
橡胶手套也不是第一个源自摩擦学的仿生材料。早在亚里士多德时期，人们就对壁虎行走的机制产生了浓厚的兴趣。直到2000年，美国路易克拉克大学生物学教授凯勒·奥特姆（Kellar Autumn）发现，壁虎脚掌上生长着无数根由β-角蛋白构成的超细刚毛阵列，超强黏附力来自刚毛与接触表面的分子间作用力——范德华力。
也就是说，壁虎脚掌刚毛上的分子能与接触表面的分子结合在一起。周峰认为，这极大地增加了壁虎脚与攀爬表面的摩擦系数。
科学家正在通过各种微、纳米尺度的技术手段，仿制具有相似粘附性能的结构具有较高的实用价值，比如开发具有黏附攀爬能力的微型机器人。2012年，马萨诸塞大学生物学家邓肯·伊尔斯切科（Duncan Irschick）根据壁虎脚产生吸附力与普通胶带产生吸附力的不同原理，设计出一款名为壁虎皮肤（Geckskin）的胶带。这种胶带能够重复使用，可将重达300公斤的物品粘在墙上。
最新的一项研究提出，壁虎脚掌刚毛可能具有类似细胞结构的特征，这些活的细胞组织的表面电位和刚毛的形状能够受到神经信号的调控。这一观点一旦证实，有望深刻影响仿生壁虎机器人脚掌设计的基本理念。
而由于壁虎脚掌上的刚毛具有疏水结构，浸没在溶液中吸附力会大大降低。这也成为壁虎脚仿生材料的一大缺陷，这些材料只能在空气中使用。基于此，周峰的研究小组正在探索制备一种能在溶液环境中使用的壁虎脚仿生材料。
此外，其他的仿生摩擦学材料的研发不断取得进展。例如，科学家受关节润滑机制启发，开发出具有低摩擦、抗磨损以及自修复性能的生物润滑界面材料；而受海洋生物体优异的抗黏附机制启发，科学家则开发了免受海洋生物附着的海洋防护材料。
在周峰看来，对舌头发涩的研究代表了科学家对如何“降低”摩擦系数的探索，而对壁虎脚吸附力的研究，则是对“增加”摩擦系数的典型探索，这正是仿生摩擦学科学问题的两大方向。
科学家相信，沿着“润滑”和“黏附”这两条思路，无论是味觉机理研究，还是仿生材料开发，摩擦学或许能打开一扇新的大门。
