电子舌检测技术及其在食品领域的应用研究进展

黄嘉丽，黄宝华*，卢宇靖，刘傲璐，左珊珊，周金林

(1.广东工业大学 轻工化工学院，广州 510006；2.广东金骏康生物技术有限公司， 广东 佛山 528225；3.梅州金柚康健康科技有限公司，广东 梅州 514021)

食品风味的评价是一个复杂的味觉评估过程，目前常使用感官评价法，人为因素较大，评价结果的可靠性和可比性较差[1]。因此，有必要建立一种模拟味觉评估过程的智能检测技术，以满足食品风味的客观评价要求。电子舌作为一种新型的现代化智能感官仪器，是以低选择性、非特异性和交互敏感性的多传感器阵列为基础，检测液体样品的整体特征响应信号，结合化学计量学方法对样品进行模式识别处理，进行定性和定量分析的检测技术。商品化的仪器已陆续投入市场。在日本，电子舌仪器已经较成熟地应用于食品味道特性的标识、广告宣传和风味调控方面。随着我国经济的快速发展，人们生活水平的提高，对食品的风味和品质的要求越来越高，电子舌技术日益受到国内食品检测和研发人员的关注，在研发和应用方面均取得新的进展。近年来国内外已有研究表明，该技术可应用于食品的味道评价及比较[2]、溯源[3]、质量分级[4]、掺伪鉴别和加工过程监测[5，6]，方法快速、简便、灵敏度高，在食品检测领域展示了广阔的应用前景。

1 电子舌的结构及原理

电子舌由味觉传感器阵列、信号采集系统和模式识别系统三大部分组成。其中，味觉传感器阵列是电子舌系统最重要的结构单元，近年大多数研发围绕着其表面修饰、电活性材料的选择及不同传感器的组合优化等方面进行。目前文献报道的传感器主要有类脂薄膜传感器、硫属玻璃传感器、非修饰及修饰贵金属传感器和Langmuir-Blodgett修饰膜传感器[7-16]等。这几类传感器具有交叉敏感性，即传感器不仅对某一特定的化学物质有响应，而是响应一类或几类化学物质；具备广域选择性，对各种味道有选择性地响应。信号采集系统具有传输和储存由传感器与液体样品接触产生的电信号的作用。例如，伏安型电子舌中的信号采集系统可放大工作电流信号，滤除原始信号的噪声，将电信号转化为数字信号和施予激励信号，以便于后续的数据处理和特征信号提取[17]。模式识别系统是利用计算机对样品信息进行判断、分类和识别，使识别的结果最大可能地接近实际值。目前针对模式识别系统的研究主要在于对不同化学计量学方法的选择、组合及优化，如主成分分析、方差分析、判别与聚类分析、偏最小二乘回归和人工神经网络等。电子舌的结构原理见图1。

图1 电子舌的结构原理Fig.1 The structure and principle of electronic tongue

基于不同的传感器阵列工作原理，电子舌被划分成电势型、伏安型、阻抗谱型、光寻址电位型和生物传感器等多种类型。目前商品化的电子舌仪器主要是电势型和伏安型，前者以法国Alpha M.O.S公司开发的电子舌(Electric Tongue)和日本Toko课题组开发的味觉分析系统(Taste Sensing System)为主[18]，后者以瑞典Winquest课题组电子舌和国内邓少平课题组的智舌(Smart Tongue)为主；其他类型的电子舌仍在研发和优化。

1.1 电势型电子舌原理

电势型电子舌主要检测传感器与溶液相互作用所产生的电信号。传感器类型主要有类脂薄膜传感器和硫属玻璃传感器。虽同为电势型电子舌，这2种传感器所组成的电子舌系统在工作原理和应用领域上都有所区别。

1.1.1 类脂薄膜传感器

早在20世纪70年代就有研究报道，以牛舌上皮细胞中的脂质为原料制成的膜，对咸味和酸味物质的膜电位响应与活的味觉受体细胞膜电位响应一致[19,20]。由此，日本Toko课题组研发一种以类脂质膜为传感膜的味觉分析系统，其传感膜由脂质或类脂质、塑化剂和聚氯乙烯组成。类脂/聚合物膜、Ag/AgCl内参比电极和3.33 mmol/L KCl-饱和AgCl内部液，构成味觉传感器。传感器通过分析膜两端的电势差来感测样品的味道。传感膜对味道的选择性和灵敏度与类脂质和塑化剂的种类和浓度有关，选择合适的类脂质和塑化剂，可得到选择性响应某种味道的传感器[21]，见表1。

表1 味觉传感器可检测的味觉信息Table 1 Taste information detected by taste sensors

注：“-” 表示未得到味觉信息。

脂质膜的响应原理是与液体样品中的呈味物质发生静电作用或疏水作用而产生电势差并感知味道。根据Gouy-Chapman理论，进入溶液中的脂质膜由于脂质中H+的解离而带负电，导致膜与溶液间形成双电层，产生膜电位[22]。若在溶液中加入酸性物质(如盐酸)或咸味物质(如NaCl)，溶液中H+或Na+的增多抑制了膜的H+扩散，从而引起膜电位的变化；当加入苦味物质盐酸奎宁时，其中的奎宁正离子被吸附进膜的疏水基团部分，使膜电荷密度降低，引起膜电位的变化。加入鲜味物质谷氨酸钠时，传感膜的负电荷随着谷氨酸钠浓度的增加而增加，推测带正电的氨基与带负电的脂质膜疏水基团存在相互作用，同时带负电的羧基使膜电位更负，因此膜电位发生变化。

Toko小组的味觉分析系统将检测得到的电信号值转换成味觉值。通过味觉值的比较，研究者能够直观地表征样品的味道组成。由Weber-Fechner定律可知，味觉的刺激强度与对应的感知强度之间是对数关系。研究表明人类可感知到味道差异的最小浓度增量为20%[23]。对于某一味道，该系统将20%的浓度增量定义为味觉值的1个单位，测得1个单位的膜电位变化(mV)，即可得到所需的味觉转换因子(mV/单位)。使用该转换因子，将传感器的输出信号转换成味觉值，量化食物的味道，适用于食品味道的客观描述和新产品的开发和比较。

1.1.2 硫属玻璃传感器

硫属玻璃电极是一种固态离子选择性电极，敏感膜由含硫化合物构成，具有良好的交叉敏感性。Legin小组研发了20余种硫属玻璃传感器并运用于电子舌系统。传感器阵列的响应是基于膜-溶液界面的离子化、氧化还原反应以及分子间的相互作用[24]。这类传感器不能直接获得样品相应的味觉信息，而是得到表征样品的整体信息[25]，这是由传感器阵列的交互敏感性所决定的。这类电子舌是广义上的电子舌，不仅能够应用于食品检测和新产品开发，还能应用于溶液中无机阴、阳离子含量的检测。硫属玻璃传感器阵列的优点在于化学稳定性强，寿命长，应用领域广。由于此类传感器阵列数量众多，检测样品前需筛选合适的电极，且后续数据处理要求较高。

1.2 伏安型电子舌原理

伏安型电子舌的传感器主要采用金属裸电极，检测原理是基于电化学的伏安分析法，在传感器电极上施加阶跃电势，检测待测溶液产生的极化电流对样品进行分析。常用的阶跃电势有循环伏安法、大幅脉冲伏安法和组合多频脉冲伏安法。以常规大幅脉冲伏安法为例，在外部激励信号的刺激下，电极表面与溶液间由于电位差而形成双电层，双电层充电形成充电电流；同时驱动了积聚在电极表面的溶液中的各种化学成分在该电位下发生氧化还原反应，产生氧化还原电流。这两种电流同时发生，共同形成响应电流。随着激励信号的持续刺激，充电电流逐渐减弱至零，充电完成，响应电流达到平衡。将激励信号电位降为零，双电层放电，产生反向的响应电流，然后激发下一个递减的激励信号，产生类似的响应电流[26]。提取响应电流中的极值点、拐点为特征值进行分析，最终实现样品的区分和识别。

Winquest课题组研发的伏安型电子舌以贵金属裸电极为传感器阵列，采用常规大幅脉冲激励信号，测试样品溶液在相应电位激发下产生的电化学信息。国内第一套商品化的伏安型电子舌系统智舌由此改良而得，其特点主要在于外部施加的激励信号为组合频率脉冲信号，由不同频率的大幅脉冲信号组成，得到大量可表征样品的数据。该系统的信号调理模块可以实现工作电极电位与施加的激励信号电位保持一致。另外，智舌利用LabView开发平台软件设计特征值提取算法，大大压缩了分析处理的数据量，简化了数据分析的难度。

1.3 其他类型电子舌原理

除上述类型电子舌外，阻抗谱型电子舌以贵金属电极或碳电极为传感器，基于电化学的阻抗谱法，检测液体样品的阻抗谱信息进行分析。光寻址型电子舌的传感器主要为光寻址电位传感器，利用半导体的内光电效应，选择性激活半导体表面的敏感膜形成光寻址，检测敏感膜表面电位变化引起的光电流变化来对样品进行分析[27]。阻抗谱型电子舌的特点是灵敏度高和对样品的区分效果好[28]，光寻址电位型电子舌具有检测速度快、稳定性好和灵敏度高等优点，两者均具有潜在的应用前景。

2 电子舌在食品领域的应用

2.1 食品的味道评价

食品的味道评价常采用感官评价法，该法受到评价员主观爱好的限制，而且检验成本随评价员的评价质量和数量的提高而增大。将电子舌应用在食品的味道评价中，作为感官评价的补充或替代，可以很好地解决上述问题。比如，Toko小组开发的味觉分析系统得到的味觉值可客观评价食品的味道组成及变化情况[29-32]。Hayashi等[33]使用该系统测得绿茶鲜味的味觉值，根据味觉值对绿茶的鲜味按等级进行评价。徐建芬等对不同年份黄酒味道特征的分析结果表明，黄酒整体偏咸味和鲜味，且随着黄酒年限的增大，黄酒的鲜味和丰富度降低，酸涩感增加。Benjamin分别用电子舌和感官评价评估4种石榴汁的味道特征，并比较2种方法的数据相关性。结果表明，酸味、涩味和苦味是石榴汁的主要味道特征，苦味和涩味的电子舌数据与感官评价得分具有良好的相关性，R2分别为0.92和0.78，说明应用电子舌替代传统的感官评价法分析石榴汁是可行的[34-37]。

然而，并不是所有电子舌都能直接测得食品的味道特性，电子舌有时需要与感官评价相结合，建立预测模型后才能应用于食品的味道评价中。比如，张高楠等[38]在考察4种甜米酒的滋味特征时，用感官评价法得到的各米酒的滋味特性与α-Astree电子舌测得的响应值做相关性和回归分析，得到了可表征甜米酒酸味、甜味和涩味的电子舌传感器，并获得了电子舌检测甜米酒味道的预测模型。Yu等[39]分析了中国米酒的味道属性及其呈味物质的组成。他们把电子舌作为感官评价的辅助手段，得到了输出信号与米酒中酸味、甜味、新鲜度和醇厚感高度相关的电子舌传感器。另外，将电子舌数据与化学分析方法结合研究，可进一步得到食品的味觉信息及其化学组成。Chikuni等[40]以电子舌测试结合化学成分分析，评估不同部位牛肉的肌肉纤维类型对牛肉味道特征的影响。结果表明，牛肉的乳酸含量与酸味相关，铁含量与苦味和涩味相关，牛肉中游离脂肪酸的含量是影响苦味的主要成分。

2.2 食品的区分和鉴别

电子舌对食品进行区分和鉴别，可以应用于食品安全和品质监控，如食品原料溯源、产品质量分级、伪劣掺假鉴别和食品加工过程监测等。

2.2.1 原料追溯

食品的质量、价格定位和销售市场等都受到食品来源的影响，食品原料溯源是食品安全监管的重要部分。电子舌技术由于其获取信息的整体性和客观性, 广泛用于食品溯源研究中。Esceiche等以金属或金属化合物为传感器的电势型电子舌能够很好地区分产自不同植物的蜂蜜，结果表明，电子舌数据与蜂蜜的色度、发光度和淀粉酶活性等物理化学参数具有显著的相关性。Souayah等[41]采用电势型电子舌和线性判别分析方法对突尼斯橄榄油进行原产地识别，电子舌和线性多变量统计方法相结合能够很好地对突尼斯橄榄油进行品种识别和质量等级划分。

2.2.2 质量分级

食品的品质分级关系到食品的质量定位和消费者的切身利益，尤其是在酒类和茶叶行业中，品质往往决定着产品的价格定位和目标消费人群。电子舌作为快速检测工具，能够有效地区分出酒类和茶叶产品间品质的差别，帮助实现产品的定位及配方的优化。Rudnitskaya等将电子舌作为红酒年份预测和有机酸、酚类化合物定量分析的快速检测工具，电子舌预测红酒年份误差在1.8年以内，并能有效检测多种有机酸的含量。Rudnitskaya等[42]把不同橡木片分别浸泡于人工配制的葡萄酒溶液和酿制葡萄酒中，用电子舌区分不同种类的橡木片对葡萄酒的影响情况。

在茶叶方面，电子舌可有效区分年份、炒焙工艺不同的茶叶产品。曹静等[43]使用伏安型电子舌对不同炒制温度、时间和不同贮藏期的苦芥茶进行品质辨识，使用主成分分析区分了炒制温度差异较大的苦荞茶，而对于同一炒制温度不同炒制时间的茶样以及不同储期的茶样区分效果不佳；用线性判别方法区分了不同炒制温度和时间制备的12 组苦荞茶以及不同储期的7 组苦荞茶，其区分指数分别达到99.8%和99.7%。Gao等[44]分析了不同年份和不同等级的普洱茶样品。主成分分析表明电子舌均能有效地对不同年份和不同等级的普洱茶样品进行分类。建立了不同年份熟普洱茶样品的线性判别模型，该模型对未知样品的识别率达93.75%。

2.2.3 掺伪鉴别

食品掺假，以次充好，不仅损害消费者的权益，更有可能影响人们的健康，伪劣食品掺假鉴别的研究一直备受重视。不少研究者将电子舌应用于伪劣产品和掺假鉴别研究中，并取得了较好的鉴别效果，证明了电子舌用于伪劣食品掺假鉴别的可行性。Apetrei等以伏安型电子舌检测掺假的特级初榨橄榄油，使用改良的碳糊电极检测掺入不同百分比向日葵油、大豆油和玉米油的橄榄油。偏最小二乘判别分析(PLSDA)结果表明，掺假量大于10%，该电子舌识别掺假橄榄油的正确率为100%。使用偏最小二乘回归模型对掺入向日葵油、大豆油和玉米油的初榨橄榄油进行预测，预测模型的相关系数分别为0.9987，0.9953，0.9956。Gan等[45]采用电子鼻、电子舌和光谱分析3种方法分析了蜂蜜样本，数据表明电子舌是分析蜂蜜的最有效方法，基于5个主成分建立的电子舌-PLSDA模型，识别和预测准确率分别为98.43%和100%。电子舌技术与偏最小二乘判别分析模型和主成分分析模型相结合，可以更准确地识别掺假蜂蜜。

2.2.4 加工过程监测

应用电子舌对产品的加工过程进行监测，可优化加工条件，达到食品质量控制的目的。Liu等[46]采用电子舌分析红烧鸡肉在整个烹饪过程中的味道变化。随着烹饪的进行，鸡肉的咸味增加，苦味减少。Yan等[47]采用电子舌监测室温下新鲜椰奶的质量变化，并通过主成分分析、聚类分析和相似性分析对数据进行分析；采用化学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，电子舌分析结果与化学和微生物分析结果一致，新鲜椰奶在室温2～3 h和7～8 h 2个时间段内发生显著变化，在2 h内完成加工可确保椰奶产品的品质。

2.2.5 电子舌和电子鼻联用

食品风味的评价是一个非常复杂的味觉评估过程，单用电子舌评估食品味道往往具有片面性，电子鼻由具有选择性的电化学传感器阵列和适当的模式识别系统组成，可识别和区分不同的气味。电子舌和电子鼻联合使用可更好地模拟食品的风味，获得更可靠的区分和鉴别结果。Hong等[48]采用电子鼻和电子舌数据融合的方法鉴别掺入熟番茄的新鲜樱桃番茄汁。结果表明，基于电子舌和电子鼻数据融合的预测性能优于单独使用电子舌或电子鼻的预测性能，4种融合方法得到的pH和可溶性固形物预测值与实际值具有很好的相关性，相关系数均大于0.99。Wu等[49]用电子鼻和电子舌区分来自7个产地、不同品种的共126个苹果样本。结果表明，电子鼻和电子舌共同使用能够更好地区分来源不同的苹果，使用线性判别分析、支持向量机和偏最小二乘判别分析都对样本有较好的判别效果。

3 存在问题与未来展望

电子舌作为一种新型的智能味觉仿生系统，能够方便、有效地检测样品的味觉信息，目前较为广泛地应用在食品领域的快速检测。然而，电子舌在食品领域中的应用仍具有一定的局限性。首先，仪器的数据与人的感觉仍然有较大的差别。人们对食品往往追求“色、香、味”俱全，人对食品风味的评价受味觉、嗅觉、触觉和视觉的综合影响，电子舌的食品风味评价结果往往具有片面性，这是目前电子舌无法完全替代感官评价的重要原因之一，电子舌、电子鼻和质构仪的功能一体化研究具有广泛的应用前景。其次，电子舌数据和感官评分缺乏关联性，缺少统一的评价标准。电子舌数值的规范化可作为电子舌未来的发展方向，使电子舌能成为诸如分贝仪等具有国家及行业标准的检测仪器。电子舌发展至今短短数十年，百花齐放，根据不同原理制备的电子舌不全都适用于食品检测，筛选出合适的电子舌产品应用于食品工业将促进电子舌在食品领域的发展。最后，电子舌技术仍受传感器材料和数据处理方法等方面的限制，Toko研发的味觉分析系统能够直观量化食物味道，但传感器寿命短、不稳定、价格昂贵是制约其发展的重要因素；法国α-Astree电子舌传感器稳定，但无法直接检测出食物的味道，必须结合数据分析处理。因此，传感器材料的改良升级和数据处理的简化将有效推动电子舌智能化的发展。