電子舌檢測技術及其在食品領域的應用研究進展

黃嘉麗，黃寶華*，盧宇靖，劉傲璐，左珊珊，周金林

(1.廣東工業大學 輕工化工學院，廣州 510006；2.廣東金駿康生物技術有限公司， 廣東 佛山 528225；3.梅州金柚康健康科技有限公司，廣東 梅州 514021)

食品風味的評價是一個復雜的味覺評估過程，目前常使用感官評價法，人為因素較大，評價結果的可靠性和可比性較差[1]。因此，有必要建立一種模擬味覺評估過程的智能檢測技術，以滿足食品風味的客觀評價要求。電子舌作為一種新型的現代化智能感官儀器，是以低選擇性、非特異性和交互敏感性的多傳感器陣列為基礎，檢測液體樣品的整體特征響應信號，結合化學計量學方法對樣品進行模式識別處理，進行定性和定量分析的檢測技術。商品化的儀器已陸續投入市場。在日本，電子舌儀器已經較成熟地應用于食品味道特性的標識、廣告宣傳和風味調控方面。隨著我國經濟的快速發展，人們生活水平的提高，對食品的風味和品質的要求越來越高，電子舌技術日益受到國內食品檢測和研發人員的關注，在研發和應用方面均取得新的進展。近年來國內外已有研究表明，該技術可應用于食品的味道評價及比較[2]、溯源[3]、質量分級[4]、摻偽鑒別和加工過程監測[5，6]，方法快速、簡便、靈敏度高，在食品檢測領域展示了廣闊的應用前景。

1 電子舌的結構及原理

電子舌由味覺傳感器陣列、信號采集系統和模式識別系統三大部分組成。其中，味覺傳感器陣列是電子舌系統最重要的結構單元，近年大多數研發圍繞著其表面修飾、電活性材料的選擇及不同傳感器的組合優化等方面進行。目前文獻報道的傳感器主要有類脂薄膜傳感器、硫屬玻璃傳感器、非修飾及修飾貴金屬傳感器和Langmuir-Blodgett修飾膜傳感器[7-16]等。這幾類傳感器具有交叉敏感性，即傳感器不僅對某一特定的化學物質有響應，而是響應一類或幾類化學物質；具備廣域選擇性，對各種味道有選擇性地響應。信號采集系統具有傳輸和儲存由傳感器與液體樣品接觸產生的電信號的作用。例如，伏安型電子舌中的信號采集系統可放大工作電流信號，濾除原始信號的噪聲，將電信號轉化為數字信號和施予激勵信號，以便于后續的數據處理和特征信號提取[17]。模式識別系統是利用計算機對樣品信息進行判斷、分類和識別，使識別的結果最大可能地接近實際值。目前針對模式識別系統的研究主要在于對不同化學計量學方法的選擇、組合及優化，如主成分分析、方差分析、判別與聚類分析、偏最小二乘回歸和人工神經網絡等。電子舌的結構原理見圖1。

圖1 電子舌的結構原理Fig.1 The structure and principle of electronic tongue

基于不同的傳感器陣列工作原理，電子舌被劃分成電勢型、伏安型、阻抗譜型、光尋址電位型和生物傳感器等多種類型。目前商品化的電子舌儀器主要是電勢型和伏安型，前者以法國Alpha M.O.S公司開發的電子舌(Electric Tongue)和日本Toko課題組開發的味覺分析系統(Taste Sensing System)為主[18]，后者以瑞典Winquest課題組電子舌和國內鄧少平課題組的智舌(Smart Tongue)為主；其他類型的電子舌仍在研發和優化。

1.1 電勢型電子舌原理

電勢型電子舌主要檢測傳感器與溶液相互作用所產生的電信號。傳感器類型主要有類脂薄膜傳感器和硫屬玻璃傳感器。雖同為電勢型電子舌，這2種傳感器所組成的電子舌系統在工作原理和應用領域上都有所區別。

1.1.1 類脂薄膜傳感器

早在20世紀70年代就有研究報道，以牛舌上皮細胞中的脂質為原料制成的膜，對咸味和酸味物質的膜電位響應與活的味覺受體細胞膜電位響應一致[19,20]。由此，日本Toko課題組研發一種以類脂質膜為傳感膜的味覺分析系統，其傳感膜由脂質或類脂質、塑化劑和聚氯乙烯組成。類脂/聚合物膜、Ag/AgCl內參比電極和3.33 mmol/L KCl-飽和AgCl內部液，構成味覺傳感器。傳感器通過分析膜兩端的電勢差來感測樣品的味道。傳感膜對味道的選擇性和靈敏度與類脂質和塑化劑的種類和濃度有關，選擇合適的類脂質和塑化劑，可得到選擇性響應某種味道的傳感器[21]，見表1。

表1 味覺傳感器可檢測的味覺信息Table 1 Taste information detected by taste sensors

注：“-” 表示未得到味覺信息。

脂質膜的響應原理是與液體樣品中的呈味物質發生靜電作用或疏水作用而產生電勢差并感知味道。根據Gouy-Chapman理論，進入溶液中的脂質膜由于脂質中H+的解離而帶負電，導致膜與溶液間形成雙電層，產生膜電位[22]。若在溶液中加入酸性物質(如鹽酸)或咸味物質(如NaCl)，溶液中H+或Na+的增多抑制了膜的H+擴散，從而引起膜電位的變化；當加入苦味物質鹽酸奎寧時，其中的奎寧正離子被吸附進膜的疏水基團部分，使膜電荷密度降低，引起膜電位的變化。加入鮮味物質谷氨酸鈉時，傳感膜的負電荷隨著谷氨酸鈉濃度的增加而增加，推測帶正電的氨基與帶負電的脂質膜疏水基團存在相互作用，同時帶負電的羧基使膜電位更負，因此膜電位發生變化。

Toko小組的味覺分析系統將檢測得到的電信號值轉換成味覺值。通過味覺值的比較，研究者能夠直觀地表征樣品的味道組成。由Weber-Fechner定律可知，味覺的刺激強度與對應的感知強度之間是對數關系。研究表明人類可感知到味道差異的最小濃度增量為20%[23]。對于某一味道，該系統將20%的濃度增量定義為味覺值的1個單位，測得1個單位的膜電位變化(mV)，即可得到所需的味覺轉換因子(mV/單位)。使用該轉換因子，將傳感器的輸出信號轉換成味覺值，量化食物的味道，適用于食品味道的客觀描述和新產品的開發和比較。

1.1.2 硫屬玻璃傳感器

硫屬玻璃電極是一種固態離子選擇性電極，敏感膜由含硫化合物構成，具有良好的交叉敏感性。Legin小組研發了20余種硫屬玻璃傳感器并運用于電子舌系統。傳感器陣列的響應是基于膜-溶液界面的離子化、氧化還原反應以及分子間的相互作用[24]。這類傳感器不能直接獲得樣品相應的味覺信息，而是得到表征樣品的整體信息[25]，這是由傳感器陣列的交互敏感性所決定的。這類電子舌是廣義上的電子舌，不僅能夠應用于食品檢測和新產品開發，還能應用于溶液中無機陰、陽離子含量的檢測。硫屬玻璃傳感器陣列的優點在于化學穩定性強，壽命長，應用領域廣。由于此類傳感器陣列數量眾多，檢測樣品前需篩選合適的電極，且后續數據處理要求較高。

1.2 伏安型電子舌原理

伏安型電子舌的傳感器主要采用金屬裸電極，檢測原理是基于電化學的伏安分析法，在傳感器電極上施加階躍電勢，檢測待測溶液產生的極化電流對樣品進行分析。常用的階躍電勢有循環伏安法、大幅脈沖伏安法和組合多頻脈沖伏安法。以常規大幅脈沖伏安法為例，在外部激勵信號的刺激下，電極表面與溶液間由于電位差而形成雙電層，雙電層充電形成充電電流；同時驅動了積聚在電極表面的溶液中的各種化學成分在該電位下發生氧化還原反應，產生氧化還原電流。這兩種電流同時發生，共同形成響應電流。隨著激勵信號的持續刺激，充電電流逐漸減弱至零，充電完成，響應電流達到平衡。將激勵信號電位降為零，雙電層放電，產生反向的響應電流，然后激發下一個遞減的激勵信號，產生類似的響應電流[26]。提取響應電流中的極值點、拐點為特征值進行分析，最終實現樣品的區分和識別。

Winquest課題組研發的伏安型電子舌以貴金屬裸電極為傳感器陣列，采用常規大幅脈沖激勵信號，測試樣品溶液在相應電位激發下產生的電化學信息。國內第一套商品化的伏安型電子舌系統智舌由此改良而得，其特點主要在于外部施加的激勵信號為組合頻率脈沖信號，由不同頻率的大幅脈沖信號組成，得到大量可表征樣品的數據。該系統的信號調理模塊可以實現工作電極電位與施加的激勵信號電位保持一致。另外，智舌利用LabView開發平臺軟件設計特征值提取算法，大大壓縮了分析處理的數據量，簡化了數據分析的難度。

1.3 其他類型電子舌原理

除上述類型電子舌外，阻抗譜型電子舌以貴金屬電極或碳電極為傳感器，基于電化學的阻抗譜法，檢測液體樣品的阻抗譜信息進行分析。光尋址型電子舌的傳感器主要為光尋址電位傳感器，利用半導體的內光電效應，選擇性激活半導體表面的敏感膜形成光尋址，檢測敏感膜表面電位變化引起的光電流變化來對樣品進行分析[27]。阻抗譜型電子舌的特點是靈敏度高和對樣品的區分效果好[28]，光尋址電位型電子舌具有檢測速度快、穩定性好和靈敏度高等優點，兩者均具有潛在的應用前景。

2 電子舌在食品領域的應用

2.1 食品的味道評價

食品的味道評價常采用感官評價法，該法受到評價員主觀愛好的限制，而且檢驗成本隨評價員的評價質量和數量的提高而增大。將電子舌應用在食品的味道評價中，作為感官評價的補充或替代，可以很好地解決上述問題。比如，Toko小組開發的味覺分析系統得到的味覺值可客觀評價食品的味道組成及變化情況[29-32]。Hayashi等[33]使用該系統測得綠茶鮮味的味覺值，根據味覺值對綠茶的鮮味按等級進行評價。徐建芬等對不同年份黃酒味道特征的分析結果表明，黃酒整體偏咸味和鮮味，且隨著黃酒年限的增大，黃酒的鮮味和豐富度降低，酸澀感增加。Benjamin分別用電子舌和感官評價評估4種石榴汁的味道特征，并比較2種方法的數據相關性。結果表明，酸味、澀味和苦味是石榴汁的主要味道特征，苦味和澀味的電子舌數據與感官評價得分具有良好的相關性，R2分別為0.92和0.78，說明應用電子舌替代傳統的感官評價法分析石榴汁是可行的[34-37]。

然而，并不是所有電子舌都能直接測得食品的味道特性，電子舌有時需要與感官評價相結合，建立預測模型后才能應用于食品的味道評價中。比如，張高楠等[38]在考察4種甜米酒的滋味特征時，用感官評價法得到的各米酒的滋味特性與α-Astree電子舌測得的響應值做相關性和回歸分析，得到了可表征甜米酒酸味、甜味和澀味的電子舌傳感器，并獲得了電子舌檢測甜米酒味道的預測模型。Yu等[39]分析了中國米酒的味道屬性及其呈味物質的組成。他們把電子舌作為感官評價的輔助手段，得到了輸出信號與米酒中酸味、甜味、新鮮度和醇厚感高度相關的電子舌傳感器。另外，將電子舌數據與化學分析方法結合研究，可進一步得到食品的味覺信息及其化學組成。Chikuni等[40]以電子舌測試結合化學成分分析，評估不同部位牛肉的肌肉纖維類型對牛肉味道特征的影響。結果表明，牛肉的乳酸含量與酸味相關，鐵含量與苦味和澀味相關，牛肉中游離脂肪酸的含量是影響苦味的主要成分。

2.2 食品的區分和鑒別

電子舌對食品進行區分和鑒別，可以應用于食品安全和品質監控，如食品原料溯源、產品質量分級、偽劣摻假鑒別和食品加工過程監測等。

2.2.1 原料追溯

食品的質量、價格定位和銷售市場等都受到食品來源的影響，食品原料溯源是食品安全監管的重要部分。電子舌技術由于其獲取信息的整體性和客觀性, 廣泛用于食品溯源研究中。Esceiche等以金屬或金屬化合物為傳感器的電勢型電子舌能夠很好地區分產自不同植物的蜂蜜，結果表明，電子舌數據與蜂蜜的色度、發光度和淀粉酶活性等物理化學參數具有顯著的相關性。Souayah等[41]采用電勢型電子舌和線性判別分析方法對突尼斯橄欖油進行原產地識別，電子舌和線性多變量統計方法相結合能夠很好地對突尼斯橄欖油進行品種識別和質量等級劃分。

2.2.2 質量分級

食品的品質分級關系到食品的質量定位和消費者的切身利益，尤其是在酒類和茶葉行業中，品質往往決定著產品的價格定位和目標消費人群。電子舌作為快速檢測工具，能夠有效地區分出酒類和茶葉產品間品質的差別，幫助實現產品的定位及配方的優化。Rudnitskaya等將電子舌作為紅酒年份預測和有機酸、酚類化合物定量分析的快速檢測工具，電子舌預測紅酒年份誤差在1.8年以內，并能有效檢測多種有機酸的含量。Rudnitskaya等[42]把不同橡木片分別浸泡于人工配制的葡萄酒溶液和釀制葡萄酒中，用電子舌區分不同種類的橡木片對葡萄酒的影響情況。

在茶葉方面，電子舌可有效區分年份、炒焙工藝不同的茶葉產品。曹靜等[43]使用伏安型電子舌對不同炒制溫度、時間和不同貯藏期的苦芥茶進行品質辨識，使用主成分分析區分了炒制溫度差異較大的苦蕎茶，而對于同一炒制溫度不同炒制時間的茶樣以及不同儲期的茶樣區分效果不佳；用線性判別方法區分了不同炒制溫度和時間制備的12 組苦蕎茶以及不同儲期的7 組苦蕎茶，其區分指數分別達到99.8%和99.7%。Gao等[44]分析了不同年份和不同等級的普洱茶樣品。主成分分析表明電子舌均能有效地對不同年份和不同等級的普洱茶樣品進行分類。建立了不同年份熟普洱茶樣品的線性判別模型，該模型對未知樣品的識別率達93.75%。

2.2.3 摻偽鑒別

食品摻假，以次充好，不僅損害消費者的權益，更有可能影響人們的健康，偽劣食品摻假鑒別的研究一直備受重視。不少研究者將電子舌應用于偽劣產品和摻假鑒別研究中，并取得了較好的鑒別效果，證明了電子舌用于偽劣食品摻假鑒別的可行性。Apetrei等以伏安型電子舌檢測摻假的特級初榨橄欖油，使用改良的碳糊電極檢測摻入不同百分比向日葵油、大豆油和玉米油的橄欖油。偏最小二乘判別分析(PLSDA)結果表明，摻假量大于10%，該電子舌識別摻假橄欖油的正確率為100%。使用偏最小二乘回歸模型對摻入向日葵油、大豆油和玉米油的初榨橄欖油進行預測，預測模型的相關系數分別為0.9987，0.9953，0.9956。Gan等[45]采用電子鼻、電子舌和光譜分析3種方法分析了蜂蜜樣本，數據表明電子舌是分析蜂蜜的最有效方法，基于5個主成分建立的電子舌-PLSDA模型，識別和預測準確率分別為98.43%和100%。電子舌技術與偏最小二乘判別分析模型和主成分分析模型相結合，可以更準確地識別摻假蜂蜜。

2.2.4 加工過程監測

應用電子舌對產品的加工過程進行監測，可優化加工條件，達到食品質量控制的目的。Liu等[46]采用電子舌分析紅燒雞肉在整個烹飪過程中的味道變化。隨著烹飪的進行，雞肉的咸味增加，苦味減少。Yan等[47]采用電子舌監測室溫下新鮮椰奶的質量變化，并通過主成分分析、聚類分析和相似性分析對數據進行分析；采用化學和微生物分析椰奶的pH值、可滴定酸度和微生物含量。研究表明，電子舌分析結果與化學和微生物分析結果一致，新鮮椰奶在室溫2～3 h和7～8 h 2個時間段內發生顯著變化，在2 h內完成加工可確保椰奶產品的品質。

2.2.5 電子舌和電子鼻聯用

食品風味的評價是一個非常復雜的味覺評估過程，單用電子舌評估食品味道往往具有片面性，電子鼻由具有選擇性的電化學傳感器陣列和適當的模式識別系統組成，可識別和區分不同的氣味。電子舌和電子鼻聯合使用可更好地模擬食品的風味，獲得更可靠的區分和鑒別結果。Hong等[48]采用電子鼻和電子舌數據融合的方法鑒別摻入熟番茄的新鮮櫻桃番茄汁。結果表明，基于電子舌和電子鼻數據融合的預測性能優于單獨使用電子舌或電子鼻的預測性能，4種融合方法得到的pH和可溶性固形物預測值與實際值具有很好的相關性，相關系數均大于0.99。Wu等[49]用電子鼻和電子舌區分來自7個產地、不同品種的共126個蘋果樣本。結果表明，電子鼻和電子舌共同使用能夠更好地區分來源不同的蘋果，使用線性判別分析、支持向量機和偏最小二乘判別分析都對樣本有較好的判別效果。

3 存在問題與未來展望

電子舌作為一種新型的智能味覺仿生系統，能夠方便、有效地檢測樣品的味覺信息，目前較為廣泛地應用在食品領域的快速檢測。然而，電子舌在食品領域中的應用仍具有一定的局限性。首先，儀器的數據與人的感覺仍然有較大的差別。人們對食品往往追求“色、香、味”俱全，人對食品風味的評價受味覺、嗅覺、觸覺和視覺的綜合影響，電子舌的食品風味評價結果往往具有片面性，這是目前電子舌無法完全替代感官評價的重要原因之一，電子舌、電子鼻和質構儀的功能一體化研究具有廣泛的應用前景。其次，電子舌數據和感官評分缺乏關聯性，缺少統一的評價標準。電子舌數值的規范化可作為電子舌未來的發展方向，使電子舌能成為諸如分貝儀等具有國家及行業標準的檢測儀器。電子舌發展至今短短數十年，百花齊放，根據不同原理制備的電子舌不全都適用于食品檢測，篩選出合適的電子舌產品應用于食品工業將促進電子舌在食品領域的發展。最后，電子舌技術仍受傳感器材料和數據處理方法等方面的限制，Toko研發的味覺分析系統能夠直觀量化食物味道，但傳感器壽命短、不穩定、價格昂貴是制約其發展的重要因素；法國α-Astree電子舌傳感器穩定，但無法直接檢測出食物的味道，必須結合數據分析處理。因此，傳感器材料的改良升級和數據處理的簡化將有效推動電子舌智能化的發展。