電子舌作用機理及其在肉品檢測中的研究進展

陳鵬羽，李少博，王衛(wèi)，鄭曉春，張佳敏，張銳，趙子儀，張德權(quán)，侯成立，陳麗*

（1.成都大學食品與生物工程學院，肉類加工四川省重點實驗室，四川 成都 610106；2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全收貯運管控重點實驗室，北京 100193；3.中國農(nóng)業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院，北京 100083）

電子舌是一種可以模擬生物體味覺對樣品進行感官評價的電子儀器，已初步應(yīng)用于食品的成分測量、感官分析和某些理化指標的快速檢測等場景，其實際上是一種使用具有選擇性和交叉響應(yīng)特征的傳感器陣列[1]。近年來電子舌發(fā)展快速，其不僅能對味覺特征或少數(shù)理化指標進行簡單的定性分析，還在樣品的高精度定量檢測等領(lǐng)域不斷創(chuàng)新[2]。國外的電子舌研究起步較早，但已有商品化儀器價格昂貴。目前電位型和伏安型兩種電子舌儀器已經(jīng)實現(xiàn)商品化，其他類型的電子舌仍在研發(fā)和優(yōu)化[3]。

隨著我國消費升級，切實保障肉類產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展和全面開展肉類產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)是未來發(fā)展重點[4]，客觀地對肉品味覺指標進行檢測尤為重要。電子舌采用多感官系統(tǒng)評估食品的質(zhì)量和風味，可以很好的滿足這一需求。本文詳細綜述了6種電子舌傳感器的作用機理及其在肉品真實性鑒別、新鮮度檢測、品質(zhì)解析和真實性溯源中的研究進展，以期為電子舌的推廣應(yīng)用提供新的思路。

1 人類味覺感受機理

味覺是人體主要感官之一，是舌頭直接與食物作用的感覺，直接影響到人類對食物的喜惡。人類的舌頭可以檢測到5種基本口味，即甜、苦、酸、咸和鮮味[5]。人類舌頭中的味蕾包含豐富的味覺受體細胞，這些受體可以識別苦味、甜味和鮮味，而酸味是由多囊腎蛋白2 樣1抗體（polycystickidneydisease2-like1，PKD2L1）與多囊腎蛋白1樣3抗體（polycystic kidney disease 1 like 3，PKD1L3）形成的異源四聚體作為酸味受體進行識別[6]，咸味則是通過上皮鈉離子通道蛋白（epithelial sodium cha-nnel，ENaC）進行信號的傳遞[7]。味覺細胞膜中的味覺受體受到刺激時，細胞的作用電位變化激活突觸，并將信號傳遞到腦干（神經(jīng)傳遞）。人類口腔中的唾液也可以對味覺敏感發(fā)揮作用，它溶解并輸送味覺受體，并自行保護和刺激味覺受體。對于生物來說，對味道的感知強烈影響個人的食物偏好。食物的5種基本口味代表了食物的狀態(tài)和質(zhì)量，決定其是否會被人類接受。甜味和鮮味被認為是碳水化合物和蛋白質(zhì)的來源[8]，而苦味則被認為是毒素存在的跡象[9]，人類以往經(jīng)歷中形成的味覺記憶可能會影響未來接受相同食物的決定[10]。當人類品嘗到味覺混合物時，不同的口味相互作用并影響彼此的味覺感知強度，這些在味覺和味覺受體相互作用中的現(xiàn)象可以應(yīng)用于基于人類味覺受體的生物型電子舌。生物舌味覺感受原理見圖1。

圖1 生物舌味覺感受原理Fig.1 Principles of biological tongue taste perception

2 電子舌構(gòu)成及其傳感器作用原理

電子舌主要由味覺傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和模式識別及結(jié)果分析系統(tǒng)三部分組成[11]，可進行定性和定量感官評估[12]，克服了感官評價中人為因素的干擾[13]。味覺傳感器是電子舌系統(tǒng)最重要的結(jié)構(gòu)單元，基于不同味覺傳感器的工作原理，電子舌主要有電位型、伏安型、阻抗譜型、光尋址型、聲波型和生物傳感器型等多種類型，其特性也有很大區(qū)別，各類型電子舌傳感器特性對比見表1。

表1 各類型電子舌傳感器特性對比Table 1 Comparison table of the characteristics of each type of electronic tongue sensor

2.1 電位型味覺傳感器

電位型味覺傳感器的電極結(jié)構(gòu)是采用工作電極與參比電極的二電極結(jié)構(gòu)[24]。作用原理為被測物質(zhì)與鍍在工作電極表面的敏感膜發(fā)生接觸時，敏感膜上的電荷數(shù)量會發(fā)生變化，從而造成電位發(fā)生變化。建立數(shù)據(jù)模型后，可以通過電位變化來確定被測物質(zhì)。強電解質(zhì)引起的膜電位變化較大，弱電解質(zhì)或非電解質(zhì)引起膜電位變化較小。

2.2 伏安型味覺傳感器

伏安型味覺傳感器是由工作電極、參比電極和輔助電極構(gòu)成的三電極結(jié)構(gòu)[25]。在該電子舌傳感器工作時，系統(tǒng)輸入有規(guī)律的電沖擊信號，通過參比電極上電壓與工作電極上電流的關(guān)系結(jié)合建立的數(shù)據(jù)模型，來找到引起傳感器反應(yīng)的味覺物質(zhì)。工作電極會發(fā)生電化學反應(yīng)，要求電極為不活潑的導電型固體材料，且反應(yīng)面積足夠小。參比電極為系統(tǒng)的脈沖信號輸入端，要求性質(zhì)穩(wěn)定，能作為工作電極電信號的參照多次重現(xiàn)。輔助電極則需要與工作電極形成回路，要求恰好和工作電極相反，即具有電阻小、表面積大的特性。伏安型味覺傳感器廣泛適用于液體中的非揮發(fā)性化合物測量[26]。

2.3 阻抗譜型味覺傳感器

阻抗譜型味覺傳感器有三電極和二電極兩種結(jié)構(gòu)。以二電極結(jié)構(gòu)為例，傳感器由工作電極和參比電極構(gòu)成，工作電極通常為貴金屬或碳。工作原理為以電化學阻抗譜分析方法為基礎(chǔ)，在工作電極上覆以導電聚合敏感膜，當待測物體的風味物質(zhì)與敏感膜接觸后，敏感膜表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導致膜中粒子間距增大，導電介質(zhì)發(fā)生變化，阻抗隨之增大。傳感器通過輸入不同頻率、不同幅值的正弦波信號，得到不同阻抗值和阻抗角[27]，從而測得不同的電位變化。阻抗譜型味覺傳感器主要用于定性或定量測定液體樣本[28]。

2.4 光尋址型味覺傳感器

光尋址型味覺傳感器依據(jù)半導體的內(nèi)光電效應(yīng)，傳感器材料通常為半導體。以N型硅為例，當在傳感器的上下兩端施加負偏壓時，在硅襯底靠近絕緣層的一側(cè)會形成耗盡層。當用特定光照射硅襯底時，電子吸收光子能量后會產(chǎn)生躍遷，部分會擴散到耗盡層，電子空穴在耗盡層的作用下產(chǎn)生光電流[29]，可以通過外部回路檢測到交變光電流。當光尋址型傳感器表面與溶液接觸時，產(chǎn)生膜電位，改變?nèi)芤簆H值，會引起膜電位的變化，進而電流/電壓特性曲線會發(fā)生偏移，偏移量與待測離子濃度成線性關(guān)系[30]，從而達到測量溶液的目的。

2.5 聲波型味覺傳感器

聲波型味覺傳感器是利用聲波-機械振動-電信號的相互作用，通過建立的等效電路模型來獲得聲波在諧振傳感器薄膜時振動引起的表面電流，從而測得液體中的物質(zhì)成分[20]。通過增加分析型涂層薄膜來提高聲波型傳感器的選擇性。在沒有分析型涂層薄膜的情況下，聲波型傳感器僅通過純粹的物理原理可以完成樣品的測量，使其相比于其他電化學原理的傳感器更加堅固耐用[31]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通訊行業(yè)，而在食品和飲料行業(yè)的檢測中，聲波型傳感器還處于新興領(lǐng)域。在食品的檢測中，聲波型傳感器目前多用于飲料行業(yè)的基本口味、氯化物和硫酸鹽等相對簡單的識別分析[21]。聲波型味覺傳感器聲-電原理作用圖見圖2。

圖2 聲-電原理作用Fig.2 Acousto-electric principle action

2.6 生物型味覺傳感器

生物型味覺傳感器是將生物感受體、受體輔助傳感器和電子分析系統(tǒng)結(jié)合的一種新型傳感器。生物傳感受體可以是微生物、核酸、酶、細胞器或其他生物組織[32]。田玉蘭等[33]設(shè)計了一種基于雄鼠精細胞的生物型傳感器，能對兩種常見的苦味物質(zhì)（苯硫脲和奎寧）進行檢測，且分析出了相應(yīng)的檢測范圍和檢出限。但容易受限于細胞受體對味覺物質(zhì)的特異性[34]。對于特定的揮發(fā)性物質(zhì)或氣味分析，提取相應(yīng)的特定細胞的膜部分受體，并與生物傳感器集成，通過記錄傳感器電路的信號變化，監(jiān)測細胞受體對各種氣味的反應(yīng)，從而建立相應(yīng)的模型對氣味進行分析[35]。生物型傳感器可用于反映氣味的特征，同時為特定細胞受體的功能分析提供豐富的信息數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在食品領(lǐng)域具有巨大潛力[36]。目前該種類型傳感器還處在實驗室研究階段，技術(shù)路線仍在探索，但將傳感器與細胞受體結(jié)合的方式是電子舌未來發(fā)展的重要路徑。

3 影響電子舌作用效果的因素

電子舌測量結(jié)果的準確性和可靠性受諸多因素影響，本文分別從傳感器及其環(huán)境因素、樣品因素和模式識別及結(jié)果分析系統(tǒng)因素3個方面進行分析。

3.1 傳感器及其環(huán)境因素

目前已經(jīng)商業(yè)化的電子舌都是通過檢測樣品引起傳感器的電信號，再經(jīng)過建立好數(shù)據(jù)模型的分析系統(tǒng)進行模式識別比對達到測量效果。pH值、溫度和濕度等環(huán)境因素都會對電子舌傳感器的測量結(jié)果造成影響。如ASTREE型電位電子舌在每次測量樣品前，需要使用0.01 mol/L的鹽酸溶液調(diào)節(jié)電子舌傳感器測量前的環(huán)境pH值[37]。被視為電子舌發(fā)展方向的生物傳感器型電子舌則對環(huán)境要求更為嚴格，Pundir等[16]總結(jié)目前開發(fā)的測量L-賴氨酸的生物型傳感器，發(fā)現(xiàn)其在pH5～10、溫度25℃～40℃的環(huán)境下工作，測量結(jié)果最佳，但使用壽命最長為200 d。Rodrigues等[38]使用電子舌對橄欖油儲存期間的質(zhì)量指標進行測量，傳感器在每次測量之前都要用標準溶液進行標定，測量全程必須在合適的溫度下進行，否則就會出現(xiàn)信號漂移問題，導致測量數(shù)據(jù)不準確。

3.2 樣品因素

現(xiàn)代食品感官科學對味覺數(shù)據(jù)量化分析的需求，推動著電子舌傳感器的發(fā)展與創(chuàng)新。目前電子舌無法廣泛應(yīng)用的原因之一是樣品會對電子舌測量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。Du等[39]用電子舌對煙熏培根8個維度（苦味、鮮味、咸味、酸度、豐富度、回味-澀味、回味-苦味和澀味）進行測量，結(jié)果顯示對照品（未煙熏）的酸度物質(zhì)含量明顯低于用木屑熏制的培根酸度物質(zhì)含量，這是因為熏制培根時燃燒的木屑產(chǎn)生酚類物質(zhì)溶于水顯酸性，因而對電子舌的測量結(jié)果造成了影響。由此說明待測樣品的純凈度是電子舌測量準確的關(guān)鍵前提，同時樣品的處理方式也會影響電子舌。Ferreiro等[40]用電子舌分別對覆蓋有葵花籽油、精制橄欖油和3種初榨橄欖油的金槍魚的味覺特征進行測量，結(jié)果顯示不同油作為介質(zhì)覆蓋的金槍魚在味覺層面具有明顯差異，即使在覆蓋植物油瀝干的情況下，差異依然明顯。此外，該結(jié)果還可應(yīng)用于開發(fā)金槍魚不同口味的罐頭產(chǎn)品。

3.3 模式識別及結(jié)果分析系統(tǒng)因素

模式識別及結(jié)果分析系統(tǒng)是電子舌重要的組成部分，如何把數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的傳感器信號準確分析并與構(gòu)建的模型精準比對，是電子舌測量結(jié)果是否作為食品評價參考依據(jù)的重要標準。目前的電子舌結(jié)果分析系統(tǒng)大多是通過主成分分析法（principal component analysis，PCA）[41]、偏最小二乘回歸分析（partial least squares regression，PLS）[42]、多元線性回歸模型（multiple linear regression，MLR）和離散小波變換（discrete wavelet transformation，DWT）[43]等方法和技術(shù)相結(jié)合的方式，相互計算驗證，來使系統(tǒng)分析檢測數(shù)據(jù)更加精確，數(shù)據(jù)預(yù)處理更加敏感。Qin等[44]通過構(gòu)建系統(tǒng)的不同數(shù)據(jù)處理方法來分析使用電子舌檢測紅茶中的茶黃素總含量，對偏最小二乘法、區(qū)間偏最小二乘法、聯(lián)合區(qū)間偏最小二乘、競爭自適應(yīng)加權(quán)采樣與偏最小二乘法和競爭自適應(yīng)加權(quán)采樣與聯(lián)合區(qū)間偏最小二乘法5種方法進行比較，結(jié)果表明應(yīng)用后3種分析方法的系統(tǒng)可以極大地提高紅茶中總茶黃素含量預(yù)測模型的性能。S?derstr?m等[45]運用伏安型電子舌和電位型電子舌對兩種肉湯樣品各生長階段進行測量，樣品接種4種不同的曲霉菌和一種酵母（黃曲霉、米曲霉、赭曲霉、雜色曲霉和接合酵母），測量結(jié)果表明兩個電子舌均能區(qū)分各階段的曲霉菌和酵母，但不同的電子舌的測量圖示有明顯區(qū)別，兩個電子舌相結(jié)合的區(qū)分結(jié)果比單一電子舌更加準確。此外，在電子舌模式識別及結(jié)果分析系統(tǒng)中設(shè)定“傳感器測量陣列組合”、“傳感器循環(huán)測試次數(shù)”和“電子舌傳感器質(zhì)檢時間”等具體測量參數(shù)，也會對電子舌最后輸出的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的影響。

4 電子舌在肉品檢測中的研究進展

目前電子舌主要在肉品真實性鑒別、肉品新鮮度檢測、肉品品質(zhì)解析和肉品溯源等方面開展研究，通過分析相關(guān)領(lǐng)域案例，可以為電子舌在肉品中的應(yīng)用提供一定的技術(shù)依據(jù)，電子舌肉品檢測案例見表2。

4.1 電子舌在肉品真實性鑒別中的應(yīng)用

在肉類需求量不斷上升的前提下，有商家把低價肉摻入高價肉中來獲取高額利潤，這嚴重影響市場的穩(wěn)定和消費者的健康[55]。電子舌技術(shù)是通過測定樣品中揮發(fā)性氣味物質(zhì)和水溶性呈味物質(zhì)實現(xiàn)肉品品質(zhì)的快速分析，這一特性能很好的應(yīng)用在不同畜種肉品或同一畜種不同品種肉品的真實性鑒別中。Tian等[46]利用電子舌檢測羊肉產(chǎn)品中摻雜的豬肉成分，結(jié)果表明，利用建立的線性判別分析模型，可以有效對摻入不同比例豬肉（0%、20%、40%、60%、80%和100%）的羊肉混合樣品進行真實性鑒別。田曉靜等[47]取少量樣品置于浸提液30 min，利用電子舌結(jié)合PCA和判別分析，能夠鑒別摻入不同含量雞肉的羊肉糜真實性，并建立了能有效預(yù)測摻雜雞肉比例的PLS和MLR模型（R2＞0.99）。范文教等[48]采用定性分析和定量分析相結(jié)合的分析預(yù)測模型，實現(xiàn)了電子舌對豬肉腸摻雜雞肉的快速識別分析及真實性鑒別。Surányi等[37]利用電子舌結(jié)合方差分析、線性判別分析和主成分分析，測量經(jīng)過烹飪的5種牛肉（匈牙利灰牛、荷斯坦奶牛、安格斯牛、匈牙利斑點牛和當?shù)伛Z養(yǎng)水牛）中任意3種牛肉的混合物，使用電子舌依然能夠區(qū)分出3種牛肉的具體牛品種，有效解決了同一畜種不同品種肉品的真實性鑒別問題。

4.2 電子舌在肉品新鮮度檢測中的應(yīng)用

新鮮度是決定肉類質(zhì)量的重要指標，常用的評價方法是感官檢驗和揮發(fā)性鹽基氮的測定，但感官檢驗主觀性強、再現(xiàn)性差，而揮發(fā)性鹽基氮的測定繁瑣耗時。電子舌可以通過檢測樣品的味覺物質(zhì)變化實現(xiàn)肉品新鮮度的快速評定。韓劍眾等[49]利用伏安型電子舌對生鮮肉不同溫度（15、4 ℃）和不同時間（1、2、3、4 d）的新鮮度進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不同貯藏條件和貯藏時間下，電子舌均能表征肉品新鮮度的變化，區(qū)分不同品種（豬肉和雞肉）和不同部位（背最長肌和半膜?。?。魯偉[50]運用電子舌系統(tǒng)，對冰鮮黃雞的胸肌和腿肌的酸味、苦味、澀味、苦味回味、澀味回味、鮮味、豐富性、咸味進行測量，結(jié)合理化指標測量和電子鼻檢測，對數(shù)據(jù)進行PCA和分析判別，結(jié)果表明電子舌能對不同的冰鮮黃雞進行有效區(qū)分，可應(yīng)用于冰鮮黃雞的新鮮度評價及分級。

4.3 電子舌在肉品品質(zhì)解析中的應(yīng)用

品質(zhì)解析的方法和角度多種多樣，肉品的品質(zhì)可以從理化特性、安全性、食用性、加工品質(zhì)等方面來解析。利用電子舌對肉品進行測量可以達到肉品品質(zhì)解析的目的。在畜禽養(yǎng)殖、運輸和加工等過程中，肉品會受到各種因素的污染，造成肉品品質(zhì)發(fā)生變化，從而導致腐敗變質(zhì)[56]。Gil等[51]設(shè)計了一組由 Au、Ag、Cu、Pb、Zn和C制成的6個電極和1個參考電極組成的電子舌，成功確定了豬肉樣本的pH值、微生物計數(shù)、肌苷5'-一磷酸鹽、肌苷和次黃嘌呤的濃度。Zhang等[52]運用電子舌與氣相色譜質(zhì)譜相結(jié)合的方法成功測量出不同煙熏時間（0、2、3、4、5、6、7 min）煙熏雞腿的揮發(fā)性化合物及各種理化指標。上述品質(zhì)解析中電子舌對肉品的理化參數(shù)和微生物含量的檢測仍然為半定量評估。

4.4 電子舌在肉品溯源中的應(yīng)用

肉品溯源是對不同畜種或不同產(chǎn)地的肉進行追溯，對保障肉品質(zhì)量、規(guī)范市場具有積極作用。電子舌雖然無法準確定量的檢測到特定的化合物，但可以模擬人的味覺，定性檢測肉品的整體味道，通過對比肉品整體氣味和味道之間的差異，完成對肉品的溯源[57]。王霞等[53]以雪山草雞、肥西老母雞和白羽肉雞的胸肉為研究對象，運用多頻脈沖電子舌系統(tǒng)測量同品種不同部位雞肉和同部位不同品種雞肉的物理、化學特征值，采用主成分分析法對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)論表明該電子舌能有效區(qū)分同品種不同部位雞肉，但對同部位不同品種雞肉的區(qū)分效果較差。黃玨等[54]利用電子舌和近紅外光譜技術(shù)相結(jié)合的方法，通過對澳大利亞、新西蘭和加拿大安格斯進口牛肉的電子舌滋味特征圖譜和紅外光譜數(shù)據(jù)進行測量，建立能對牛肉產(chǎn)地進行溯源的定性判別模型，結(jié)果表明3個不同產(chǎn)地的進口牛肉樣本在 SRS（酸味）、STS（咸味）、SWS（甜味）和GPS（復合味2）等電子舌檢測出的滋味特征信號存在明顯差異，能有效區(qū)分3種不同產(chǎn)地的進口牛肉，為電子舌在產(chǎn)地溯源的應(yīng)用上提供參考。

5 展望

目前電子舌系統(tǒng)還存在諸多問題，如價格昂貴、電子舌傳感器的壽命較短、使用的參比溶液受樣品影響及不同實驗室不同型號的電子舌數(shù)據(jù)不能合并分析等。但電子舌的使用能極大提高食品味覺評價的客觀性，在肉品檢測上的應(yīng)用潛力巨大。鑒于肉品成分復雜，如何在特定需求、特定場景下實現(xiàn)電子舌的應(yīng)用價值至關(guān)重要?；谌恼撌鎏岢鋈c建議：一是通過電子舌和物理化學分析技術(shù)（氣相色譜、液相色譜及其質(zhì)譜聯(lián)用）相結(jié)合，使測量結(jié)果互相補充驗證，提高樣品風味分析的全面性；二是考慮電子舌傳感器易受環(huán)境因素的影響，在測量不同樣品前，選擇合適的參比溶液對電子舌傳感器進行標定，保證味覺數(shù)據(jù)的準確性；三是味覺指標從感官評價到定量分析的過程中，要通過數(shù)據(jù)分析找出樣品的有效味覺指標，進一步對味覺的差異進行量化區(qū)分。隨著仿生科學和新材料的不斷發(fā)展，進一步提升電子舌傳感器的耐受度和敏感性，在保證測量精確度的同時延長使用壽命。同時，電子舌中的模式識別及結(jié)果分析系統(tǒng)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和大數(shù)據(jù)的賦能下，通過對大量以往測量數(shù)據(jù)的深度學習，數(shù)據(jù)處理模型和結(jié)果分析會變得更加準確、智能。