舌尖上躍動的真命天子——簡介味覺及人工舌頭


筆者/何亨彥

審稿編輯/林翊庭

插圖/柯岱君


先備知識:神經傳訊

連結大學:生理學


俗話說:「民以食為天。」進食是我們生活中不可或缺的一環,但是當我們談到「吃」的時候,往往只聯想到負責切磨食物的牙齒,而忘記了口腔中還有另一個幫助我們「吃」的方便、「吃」的開心的功臣──舌頭。

舌頭是我們身體中接收食物味道的器官之一,在唾液的滋潤下,舌頭能夠保持濕潤,並接收到食物的味道。但是大家有沒有想過每個人在吃同一樣的東西時,吃起來的味道有沒有一樣?過去我們品嚐食物只能倚靠主觀的想法,但是隨著科技發展,科學家們透過模仿人體舌頭的各種味覺受體,發明出了人工舌頭。因此這篇電子報主要介紹人體味覺五覺的形成及人工舌頭。

味覺是如何產生的呢?

當食物進入口腔時,味覺分子會溶進唾液裡面,並漂浮在其中,直到遇上躲藏在味蕾之中的真命天子——味覺受體細胞(taste receptor cells, TRCs)。味覺受體細胞有很多種類,而不同的味覺分子只有在遇上他們的真命天子時,才會觸發接下來的反應。味覺受體細胞在接收到目標味覺分子後,便會以自己特有方式產生神經衝動,接著這個神經衝動就會一路傳遞至大腦皮質,並讓人產生不同的味覺。

圖一 味覺的傳遞示意圖

唾液與真命天子[1]

在這整個味覺產生的途徑中,唾液在最前端扮演了重要的角色。或許你聽說過唾液中的澱粉酶能將澱粉分解為麥芽糖,使我們在咀嚼米飯時感受到甜味,但是唾液的功能其實遠遠超過我們對它的想像。如前所述,它可以成為味覺分子的溶劑,將味覺分子溶在唾液中,幫助擴散並與真命天子——味覺受體細胞結合。而且唾液中含有部分蛋白,能跟不同的物質結合,形成更多元化的感覺體驗,例如:某些天然物質會與唾液蛋白結合,並沉降在舌頭上形成澀澀的感覺。除此之外,唾液提供的濕潤及微量抗菌成份,都能保護味覺受體。


五種真命天子

真命天子們在唾液的滋潤及保護下,安穩的住在味蕾之中。我們可以簡單的將這些真命天子分成五類,分別可以接收酸、甜、苦、鹹、鮮這五種味道。接收這五個味道的感覺受體,都有各自的傳訊路徑。例如:甜味受體在接收到甜味分子後,會激發腺苷酸環化酶(Adenylyl cyclase, AC),並以cAMP作為第二傳訊者進行進一步的訊號傳遞[2]。那麼詳細的機制到底有那些呢?就讓我們在接下來的段落瞭解吧!

味覺五覺的傳訊路徑

甜味

在自然界中能引發甜味的物質有很多,包括醣類、無機鹽、胺基酸、多肽類、蛋白質等,而人工的甜味劑更是多不勝數。當這些物質與甜味受體細胞上的G蛋白耦合受體(G-protein-couple receptor, GPCR)結合時,便會透過與cAMP相關的路徑(cAMP-dependent pathway)傳遞訊號。G蛋白耦合受體是身體中受體的一個大集合,在這個集合中,每個受體的共通點是都會穿過膜七次,而G蛋白就正好在受體的旁邊。因此,當受體接收到能與其結合的配體時,就能活化旁邊的G蛋白,並根據活化的G蛋白的不同,引發不一樣的下游反應。而在甜味的傳訊路徑中,G蛋白所引發的下游路徑就是cAMP相關路徑,能活化腺苷酸環化酶,將ATP轉換成第二傳訊者cAMP[註一]。隨著第二傳訊者cAMP的濃度大量提升,蛋白激酶A(protein kinase A, PKA)被活化,並打開膜上的鉀離子通道,使得細胞膜開始去極化反應。

至此,原本的化學訊號已經被轉換成電訊號,接著大家可以回憶過去高中生物所學的神經傳遞及突觸間訊號傳遞的知識:突觸前細胞(在這裡也就是味覺受體細胞),接收到神經衝動電訊號後,會在鈣離子的調節下,釋放神經傳導物質,而突觸後神經元接收到神經傳導物質後,則會再將訊號轉回電訊號。隨著一個神經元接著一個的接力傳導,甜味訊號最終抵達了大腦皮質,並讓我們有了甜甜的感覺。

圖二 甜味的傳訊路徑

苦味

談完了甜味,讓我們繼續聊聊苦味。苦味是生物遠離自然界毒素的其中一個方式,因為自然界中許多毒素或是毒素的前驅物都會產生苦味,例如:植物鹼(咖啡因、奎寧)以及氰化物等,也因為造成苦味的物質種類繁多,因此苦味傳導的路徑也很多樣化。鉀離子通道、G蛋白及與某些磷酸酶耦合的受體都有可能是造成苦味的物質所作用的對象,並會引發不一樣的下游反應。但是,到底分別是甚麼樣的下游反應,科學家們還沒找到一個定論,因此這裡就不再多做說明。

鮮、鹹、酸味

至於剩下的三個真命天子──鮮味、鹹味及酸味,相關的研究進行的比較少,科學家們提出了部分假設,但都還未被完全證實。鮮味受體可能與中樞神經系統中用來接收神經傳導物質──穀胺酸(glutamate)的受體相關,而鹹味是與鈉離子通道有關,酸味則與氫離子通道有關,剩下的眾多不清楚之處,等待有興趣的讀者未來努力發掘!

既然我們已經大略知道了五覺的形成方法,聰明的科學家就想要用人工的方式來模擬舌頭,如此一來,我們就能用更客觀的方式來評斷食物的味道,甚至是在未來,能夠幫助失去舌頭的人重拾味覺。接下來就讓我們來談談人工舌頭吧!

人工舌頭

現今市面上的人工舌頭為了要能夠重現人體的五感,使用了各式各樣不同的方法。例如:有些人工舌頭是用奈米微泡充當味覺受體細胞,並在奈米微泡的表面放上人體原有的味覺受體[3];也有些是用一種近年來常被用於藥物的核苷酸──適體(aptamer)作為能與味覺分子特定結合的接收器[4],方法其實非常多樣。但是現在的人工舌頭依然面臨了許多挑戰,例如:受體對特定配體的選擇性太低,偵測目標分子的濃度範圍太狹窄以及澀感的還原性不夠。受體對特定味覺分子的選擇性低,代表受體並不能很忠實地呈現味覺分子的濃度,而會產生許多誤差;偵測的範圍太窄導致人工舌頭的廣用性不高,但是甚麼是澀感的還原性不夠呢?

澀感

文章的一開始,我們就有提到過當食物中的某些特殊物質跟唾液反應,並沉降在舌頭上時,就會產生人體五種味覺之外的澀感。澀感的來源其實就是自然中各式各樣的多酚類,可以在未成熟的水果、酒及茶等食品中發現。

當這些多酚類進入口腔時,會和唾液中分泌的蛋白質進行強力的結合,在舌頭上形成不可溶的沉澱物,造成表皮細胞的縮水並引發乾澀感。從這個過程我們可以發現:澀感的形成方式與舌頭的五感不同,並非是透過化學受體或離子通道傳訊,而是透過機械式的感覺受體,因此,人工舌頭無法很好的重現澀感。

但是,最近已經有科學家想出新的方法能解決澀感的問題,在今年六月刊登在Science Advances上的一篇論文提到,他們利用軟水膠為基底(soft hydrogel-based)做出的人工舌頭,搭配黏液素(mucin),就能做出能體會到澀感的舌頭[5]。實際上的設計當然更加複雜,不過其原理的核心就是黏液素。多酚類結構中的芳香環具有疏水的性質,能與同樣具有疏水區的黏液素進行耦合反應。當夠充足的多酚類與黏液素耦合時,多酚類就會將黏液素環繞,並在軟水膠中建立微米至奈米等級的多孔結構,進而改變軟水膠上離子通道的效率。如此一來,就能透過測量人工舌頭的離子導電度,就能量化分析澀感。

與味覺相關的研究是在近二三十年來人們才投入的,在發現各種味覺受器的傳訊路徑之後,又陸續投入人工舌頭的開發。儘管目前的知識都還不甚完備,人工舌頭也還有很多的進步空間,但相信在不遠的未來,我們一定能做出更加擬真、更加貼近人類感覺的舌頭。

看完這篇文章,你應該知道:

  1. 人體的味覺分成酸甜苦鹹鮮五種,每一種味覺受體都有各自的傳訊路徑。

  2. 甜味的傳訊路徑是甜味分子和G蛋白耦合受體結合,將訊號傳遞至與產生甜味相關的G蛋白受體,引發cAMP相關的路徑,並開啟膜上的鉀離子通道,產生神經衝動。

  3. 澀感的形成是因為多酚類物質與口腔唾液中的蛋白作用,形成不可溶的沉澱物沉降在舌頭上,造成表皮細胞的縮水並引發乾澀感。

  4. 新研發的人工舌頭能透過黏液素與多酚類的作用,在舌頭中建立微米或奈米的多孔結構,改變人工舌頭的離子導電度,以將澀感數據化。

[註一] cAMP便是環狀的腺苷酸


參考資料:

[1] Matsuo, R. (2000). Role of saliva in the maintenance of taste sensitivity. Critical Reviews in Oral Biology & Medicine, 11(2), 216-229.

[2] Lindemann, B. (1996). Taste reception. Physiological reviews, 76(3), 719-766.

[3] Ahn, S. R., An, J. H., Song, H. S., Park, J. W., Lee, S. H., Kim, J. H., ... & Park, T. H. (2016). Duplex bioelectronic tongue for sensing umami and sweet tastes based on human taste receptor nanovesicles. Acs Nano, 10(8), 7287-7296.

[4] Wu, C., Du, L., Zou, L., Huang, L., & Wang, P. (2013). A biomimetic bitter receptor-based biosensor with high efficiency immobilization and purification using self-assembled aptamers. Analyst, 138(20), 5989-5994.

[5] Yeom, J., Choe, A., Lim, S., Lee, Y., Na, S., & Ko, H. (2020). Soft and ion-conducting hydrogel artificial tongue for astringency perception. Science Advances, 6(23), eaba5785.

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