電子舌技術(shù)的原理及在中藥領(lǐng)域的應(yīng)用

白杰，高利利，張志勤，蔡夢如，游龍?zhí)?，姚宇，吳慧敏，尹興斌，倪?。?北京中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院，北京 02488；2.北京中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)藥研究院，北京 00029）

在20 世紀(jì)90年代初期，電子舌（electronic tongue，ET）的概念被提出，即利用傳感器陣列模擬人類味蕾組織對液體樣品的味道進行檢測[1]，該技術(shù)通過傳感器陣列從復(fù)雜的樣本中獲得味道的電信號；同時應(yīng)用一系列的化學(xué)計量法對高度復(fù)雜的數(shù)據(jù)進行處理，如主成分分析（PCA）、偏最小二乘法（PLS）、判別因子分析（DFA）、聚類分析（CA）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）等[2]。電子舌技術(shù)因為檢測時間短、操作簡單、靈敏度高、可靠性強等特點，已被廣泛應(yīng)用于食品和飲料領(lǐng)域，包括客觀評價牛肉、枸杞子、紅酒及白酒的味道，預(yù)測專家評分、檢測其是否摻假等[3-6]，體現(xiàn)出該技術(shù)既可以對液體樣品的整體滋味進行評價，又可檢測單體成分的優(yōu)勢，兼顧了整體性和現(xiàn)代分析技術(shù)具體化的要求，且不用對樣品進行前處理。近年來，該技術(shù)在中藥領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來越廣泛，涉及評價中藥五味及其藥效物質(zhì)基礎(chǔ)、評價掩味效果、依據(jù)中藥的味道差別鑒別中藥炮制品、評價安慰劑的味道及中藥材的質(zhì)量等。本文對電子舌的組成、原理及其在中藥研究中的應(yīng)用進行綜述，以期為中藥味道客觀評價的研究提供思路和技術(shù)方法。

1 電子舌的組成及原理

1.1 電子舌的組成

電子舌系統(tǒng)由味覺傳感器陣列、信號采集系統(tǒng)、模式識別系統(tǒng)三部分組成[7]。味覺傳感器陣列相當(dāng)于人類的舌頭，能夠?qū)Ρ粶y液體中的味道進行感應(yīng)，目前以電化學(xué)傳感器最為普遍。根據(jù)傳感器的工作原理不同，可分為電位分析傳感器、伏安分析傳感器、阻抗譜型傳感器；信號采集系統(tǒng)相當(dāng)于人類的神經(jīng)系統(tǒng)，采集由傳感器和液體樣品接觸所產(chǎn)生的電信號，并將其傳遞給電腦中的識別系統(tǒng)；模式識別系統(tǒng)相當(dāng)于人類的大腦，將接收到的電信號轉(zhuǎn)換成味覺值并進行分析和預(yù)測，使檢測結(jié)果更接近實際值。目前針對模式識別的研究主要集中在對不同的化學(xué)計量學(xué)方法的研究。商品化的電子舌儀器中以伏安型和電位型居多，前者是以日本Toko 課題組開發(fā)的味覺分析系統(tǒng)和法國Alpha M.O.S 公司開發(fā)的電子舌為主，后者以瑞典Winquest 課題組電子舌和國內(nèi)鄧少平課題組的智舌（smart tongue）為主；生物傳感器等類型電子舌仍在研究和優(yōu)化之中[8]。

1.2 電子舌的原理

1.2.1 電位型電子舌 電位型電子舌是由Toko等[9]首次提出，其傳感器陣列由工作電極和參比電極組成。離子選擇電極（ISES）制作的電位分析傳感器，是液體多組分味覺分析中使用最為廣泛的類型。電位型電子舌的工作電極上鍍了一層具有離子選擇性的膜，稱為敏感膜，當(dāng)被測溶液接觸工作電極時，溶液中的離子會在敏感膜和溶液之間進行選擇性分配，導(dǎo)致敏感膜上的電荷數(shù)量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電位的變化。由于電位傳感器的原理是電荷分離時產(chǎn)生電位變化的信號，因此電位型電子舌的檢測范圍僅限于強電解質(zhì)溶液。

1.2.2 伏安型電子舌 伏安型電子舌是由Olsson等[10]提出的一種用于檢測各種飲料的電子舌，其傳感器陣列通常由不同類型的3 個電極組成，分別是工作電極、參比電極與輔助電極，也有少數(shù)電子舌系統(tǒng)的傳感器陣列由雙電極組成。當(dāng)給工作電極施加有規(guī)律的脈沖電壓時，通過測量工作電極和參比電極之間的電流信號，得出檢測的液體樣品電信號[11]。相比于電位型和阻抗型電子舌，伏安型電子舌一般具有操作簡單、使用壽命長、檢測限低等優(yōu)點，但其僅適用于檢測具有氧化還原型性的活性物質(zhì)。

1.2.3 阻抗型電子舌 阻抗型電子舌是由Riul等[12]首次提出，其傳感器陣列中的電極為貴金屬電極或碳電極。該電子舌的響應(yīng)靈敏度較高，但是對制作電極修飾膜的要求也較高，所以重現(xiàn)性和穩(wěn)定性較差，不適用于快速、重復(fù)地檢測樣品。

2 電子舌在中藥領(lǐng)域的應(yīng)用

電子舌技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于中藥領(lǐng)域，包括鑒別藥材的種類、產(chǎn)地、采收及儲存時間、炮制程度，評價中藥五味及其藥效物質(zhì)基礎(chǔ)、掩味效果、中藥質(zhì)量及臨床試驗中安慰劑的味道等，為中藥材或中藥制劑的質(zhì)量控制與評價提供科學(xué)有效的技術(shù)手段。

2.1 評價中藥五味及其藥效物質(zhì)基礎(chǔ)

中藥藥性是中醫(yī)藥學(xué)理論體系的重要組成部分，“四氣五味”則是中藥藥性理論的核心內(nèi)容之一，《本經(jīng)》指出藥有酸、苦、甘（甜）、辛、咸五味[13]，這五味不僅指中藥的真實滋味，更是一種功能和性質(zhì)的體現(xiàn)。2015年版《中國藥典》收錄的618 種藥材和飲片中，以苦味為主味的藥材占32.4%[14]，反映了苦味藥物在中藥中的普遍性和重要性，其中主要苦味成分是生物堿、糖苷類、萜類、蒽醌、黃酮及苦味素類等[15-16]。李學(xué)林等[17]為檢測電子舌預(yù)測苦味化合物苦度的效果，選用不同濃度的鹽酸小檗堿作為苦度等級參比溶液，分別用人工口嘗法和TS-5000Z 電子舌評價苦參堿和氧化苦參堿的苦度并建立其苦度預(yù)測模型，該模型能預(yù)測藥物的苦度。為了優(yōu)化和驗證利用電子舌評價中藥苦度的方法，李學(xué)林等[18]通過檢測35 種不同的中藥混合物的苦度，對電子舌檢測方法進行了優(yōu)化，結(jié)果顯示，該法在6 h 內(nèi)具有較好的重復(fù)性和精密度。這是首次用電子舌分析中藥材的苦味，結(jié)果顯示該方法可以準(zhǔn)確地評價中藥材的苦度。

杜瑞超等[19]使用電子舌檢測了22 種中藥的水煎液，得到其酸、苦、甜、咸規(guī)律的聚類圖和特征雷達(dá)圖譜及酸、苦、甜味的判別因子分析模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電子舌能夠?qū)χ兴幬兜肋M行準(zhǔn)確區(qū)分。曹煌等[20]選用5 種具有辛味的中藥，用電子舌、電子鼻檢測其藥材、物質(zhì)族群及單體成分，采用主成分分析法對檢測數(shù)據(jù)進行分析。結(jié)果顯示，電子舌可以區(qū)分不同味道的樣品。近年來，有學(xué)者將電子舌技術(shù)應(yīng)用到中藥五味的藥效物質(zhì)基礎(chǔ)研究中，并取得了一定成果。為了研究黃連、吳茱萸的苦味物質(zhì)基礎(chǔ)與藥效的關(guān)系，梁曉光等[21-22]使用電子舌分別測定了黃連中的小檗堿等生物堿、吳茱萸中的檸檬苦素和生物堿等苦味化合物的苦度，并分別比較各苦味化合物對大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌的抑菌活性，發(fā)現(xiàn)苦度越大，抑菌效果越好，為苦味化合物是苦味藥的重要藥效物質(zhì)基礎(chǔ)提供了理論依據(jù)。目前，研究人員對苦味中藥的藥效物質(zhì)基礎(chǔ)進行研究，為中藥藥性的現(xiàn)代化研究開拓了新的思路，未來還可以采用電子舌技術(shù)對酸、甘、辛及咸味中藥進行檢測，探究具有上述味道的中藥藥效與其物質(zhì)基礎(chǔ)之間的關(guān)系，從而明確中藥五味的藥效物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.2 評價掩味效果

中藥往往具有苦味、酸味或澀味，會降低患者用藥依從性，甚至?xí)萍s中藥發(fā)展，因此在開發(fā)中藥口服制劑，特別是針對兒童制劑時，要用合適的掩味技術(shù)對其進行矯味。評估掩味效果的常規(guī)方法是經(jīng)典人群口感評價法（THTPM），由于人的味覺感受器受個體生理和心理條件的影響，容易產(chǎn)生感官疲勞效應(yīng)、個體差異性[23-24]。電子舌技術(shù)不僅避免了化合物的毒性對志愿者健康的影響，而且具有數(shù)據(jù)客觀、操作簡便、檢測速度快等優(yōu)點[25]，故其作為一種中藥味道的客觀評價方法具有廣闊的應(yīng)用前景。韓雪等[26]使用電子舌檢測澀味中藥，結(jié)合主成分分析法對數(shù)據(jù)進行分析，并對其動物偏好指數(shù)模型進行驗證，構(gòu)建了體內(nèi)外的澀味量化評價方法，為中藥澀味的精確量化和矯味提供了客觀、可靠的工具。迄今為止，關(guān)于應(yīng)用電子舌評估苦味中藥掩味效果的研究已經(jīng)發(fā)表了多篇論文，表1列出了其在評價苦味中藥掩味效果中的應(yīng)用。

表1 電子舌在評價苦味中藥掩味效果中的應(yīng)用Tab 1 Application of electronic tongue in the evaluation of the flavor masking effect of bitter Chinese medicine

2.3 鑒別中藥材的產(chǎn)地

中藥材的不同生長條件會影響其質(zhì)量和產(chǎn)量，與其他地區(qū)所產(chǎn)的同種中藥材相比，道地藥材的療效更好、質(zhì)量更穩(wěn)定[35]。目前，中藥材的異地引種、以次充好等現(xiàn)象日益突出，亟須一種能夠方便、快速判斷藥材產(chǎn)地的檢測方法。近年來，關(guān)于應(yīng)用電子舌技術(shù)鑒別中藥材產(chǎn)地的研究已經(jīng)發(fā)表了多篇論文，為未來中藥材市場監(jiān)管及產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了一定的技術(shù)理論支持，表2列出了其在鑒別中藥材的產(chǎn)地中的應(yīng)用。

2.4 鑒別中藥材的不同炮制品及炮制程度

中藥炮制品的炮制程度是否得當(dāng)，將直接影響藥效。鑒別中藥炮制品主要根據(jù)中藥的顏色、質(zhì)地、氣味，但目前中藥性狀鑒別中關(guān)于“味”的表述多為主觀感受，憑經(jīng)驗描述，實際操作中難以區(qū)別不同炮制品的味道差異。因此，亟須一種技術(shù)來代替人的經(jīng)驗判斷，客觀準(zhǔn)確地判別中藥不同炮制品、控制中藥炮制過程中的質(zhì)量。近年來，關(guān)于應(yīng)用電子舌鑒別中藥材的不同炮制品及其炮制程度的研究已經(jīng)發(fā)表了多篇論文，為未來中藥飲片炮制過程中的質(zhì)量控制研究提供了進一步的思路與方法，表3列出了電子舌在鑒別中藥材的不同炮制品及炮制程度中的應(yīng)用。

表2 電子舌在鑒別中藥材的產(chǎn)地中的應(yīng)用Tab 2 Application of electronic tongue in the identification of origin of Chinese medicinal materials

表3 電子舌在鑒別中藥材的不同炮制品及炮制程度中的應(yīng)用Tab 3 Application of electronic tongue in the identification of different processed products and processing degree of Chinese medicinal materials

2.5 評價中藥的質(zhì)量

鑒別中藥的真?zhèn)蝺?yōu)劣、評價中藥飲片的質(zhì)量，對保證臨床用藥的安全性與有效性具有重要意義。中藥鑒定方法主要包括基源鑒定法、性狀鑒定法、顯微鑒定法和理化鑒定法[49-50]，其中性狀鑒別法因?qū)嵱眯詮?、操作簡單而較為常用。胥敏等[51]應(yīng)用色彩色差計、電子舌和電子鼻技術(shù)分別測定蕓香科的枳殼、陳皮、枳實、青皮、佛手5 種中藥，得到其顏色、味感、嗅感的客觀數(shù)值，并對其數(shù)據(jù)進行主成分分析、歸一化處理和聚類分析。結(jié)果顯示，通過對中藥性狀中顏色、味感、嗅感的客觀數(shù)據(jù)化并結(jié)合主成分分析模型和聚類分析模型可以對5 種蕓香科中藥進行鑒別。吳娜等[52]采用α-Astree 電子舌和電子鼻很好地區(qū)分了川貝母、浙貝母及兩者等比例混合粉末。電子舌技術(shù)為中藥性狀鑒別研究提供了新的思路與方法，可將電子舌技術(shù)與色彩色差計、電子鼻技術(shù)相結(jié)合，從而全面客觀地鑒別人工難以區(qū)分的中藥飲片及粉末。

中藥提取物作為中藥材的一個重要存在形式，評價其質(zhì)量的主要指標(biāo)是中藥提取物中化學(xué)成分含量及浸膏率等，但是該法容易使人們陷入“唯成分論”。蘇青等[53]利用α-Astree 電子舌檢測了黃芩提取物的味道，并對其味覺信息進行主成分分析、統(tǒng)計質(zhì)量控制分析和判別因子分析。結(jié)果顯示，黃芩提取物的味道可作為其質(zhì)量評價指標(biāo)。Masumi 等[54]利用電子舌技術(shù)測定了10 種苦味中藥的提取液，利用主成分分析、歐氏距離分析所得數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，苦味中藥提取物中小檗堿的味道可作為其質(zhì)量評價指標(biāo)。將來可以采用電子鼻、電子舌和電子眼等系統(tǒng)對中藥的“氣、味、色”進行宏觀控制，結(jié)合GC-MS、HPLC、GC 等技術(shù)對中藥含有的化學(xué)成分進行微觀控制，從而對中藥質(zhì)量進行整體性評價。

2.6 識別藥材的采收時間和貯藏年限

大部分中藥是當(dāng)年產(chǎn)并在產(chǎn)地干燥之后在市場流通、運輸和使用的。少數(shù)中藥的質(zhì)量會受生長年限、貯存年限等條件的影響，例如傳統(tǒng)抗瘧植物青蒿應(yīng)該以鮮品絞汁服用[55]；8月采收的柴胡中柴胡總皂苷的含量最高[56]；陳皮則隨貯存時間增加，不良反應(yīng)減少，故宜陳久[57]。王斌等[58]利用電子舌對4 批不同生長年限的川牛膝藥材進行檢測，通過主成分和判別因子分析對其數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)1年生與2年生川牛膝藥材的電子舌響應(yīng)值相近，與3年或4年生川牛膝藥材差距較大，建立的判別模型可對未知樣品進行準(zhǔn)確判定。熊蕭蕭等[59]采用Astree-Ⅱ電子舌測定了10批不同年份的化橘紅樣品和1 個盲樣，采用主成分分析和判別因子分析處理數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，電子舌結(jié)合判別因子分析能夠識別化橘紅和盲樣的貯藏年份。臨床療效受采收時間或貯藏年限影響的中藥材中多含有揮發(fā)性成分，在檢測這類中藥材時，可以采用電子舌結(jié)合電子鼻的形式對其進行深入研究，以獲得更加全面的中藥材性狀信息。

2.7 評價臨床試驗中安慰劑的味道

安慰劑是一種用于臨床試驗研究，制備過程與試驗組產(chǎn)品相似的惰性物質(zhì)，其外形與真藥相似，既沒有藥效，也沒有不良反應(yīng)，例如葡萄糖、淀粉等[60]。實驗研究設(shè)計中的對照原則通常是首要強調(diào)的，因此安慰劑作為藥物臨床試驗中的對照組在臨床應(yīng)用也越來越廣泛[61]。王茹茹等[62-63]對中藥安慰劑評價客觀量化的方法進行了歸納總結(jié)，提出采用α-Astree 型電子舌結(jié)合電子眼和電子鼻技術(shù)對自制的藿香正氣顆粒安慰劑與治療藥物樣品分別進行檢測，利用主成分分析、統(tǒng)計質(zhì)量控制分析和雷達(dá)圖對電子舌的測定數(shù)據(jù)進行分析。結(jié)果顯示，智能感官技術(shù)可以對藿香正氣顆粒安慰劑和治療藥物進行準(zhǔn)確地分析及判別。電子舌技術(shù)作為一種客觀可靠的安慰劑味道評價方法，可以在一定程度上避免人工評分所致的主觀因素影響，產(chǎn)生良好的安慰劑效應(yīng)，保障對照試驗的科學(xué)性、客觀性。

3 結(jié)論與展望

全文總結(jié)了電子舌的原理及其在中藥領(lǐng)域的應(yīng)用，與人工口嘗評價法相比，電子舌具有檢測時間短、數(shù)據(jù)客觀、操作方便、靈敏度高、不疲勞等特點，能夠用于評價中藥五味及其藥效物質(zhì)基礎(chǔ)、評價掩味效果、鑒別中藥材產(chǎn)地、鑒別中藥材不同炮制品及炮制程度、評價中藥材的質(zhì)量、識別藥材的采收時間和貯藏年限、客觀評價臨床試驗中安慰劑的味道等方面。目前，在中藥領(lǐng)域基于電子舌的研究中，應(yīng)用最多的為Astree 電子舌，其次分別為TS-5000Z 型電子舌、α-Astree Ⅱ型電子舌、α-Astree 型電子舌及SA402B 系列電子舌。多數(shù)研究方法是以電子舌技術(shù)與化學(xué)計量學(xué)相結(jié)合，主要目的是客觀評價具有酸、苦、甘、辛、咸或澀味中藥的味道，并根據(jù)其味道對中藥樣品進行區(qū)分；少數(shù)方法是以電子舌與HPLC 相結(jié)合，主要研究了化學(xué)成分含量與味道的相關(guān)性；還有少數(shù)方法是電子舌結(jié)合電子鼻或電子眼來綜合考量中藥樣品的性狀特征。

由于中藥本身的復(fù)雜性，利用電子舌技術(shù)客觀評價中藥味道的研究中仍然存在一些挑戰(zhàn)。首先，電子舌系統(tǒng)只可以檢測液體樣品的味道，對難溶性藥物的檢測和分析造成了一定困難；其次，模擬識別系統(tǒng)作為電子舌技術(shù)中的重要組成部分，需要將統(tǒng)計學(xué)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)處理手段與中藥的味道信息相融合，對分析人員的專業(yè)性需求較高。因此，亟需發(fā)展更加完善的電子舌技術(shù)，構(gòu)建難溶性藥物味道的客觀評價標(biāo)準(zhǔn)，強化中藥味道客觀評價的科研能力以及提高分析人員對電子舌系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析挖掘的能力。相信隨著電子舌技術(shù)的不斷發(fā)展，這項技術(shù)將會運用到中藥生產(chǎn)和使用的各個重要環(huán)節(jié)，為中藥材或中藥制劑的質(zhì)量控制與評價提供科學(xué)有效的技術(shù)手段。