仿生味觉阵列传感器在植物浸膏味觉检测中的应用

郭青，王明锋，廖头根，朱保昆，何靓，潘红阳*

1. 云南中烟工业有限责任公司技术中心（昆明 650231）；2. 江南大学食品科学与技术国家重点实验室（无锡 214122）

仿生阵列传感器，一般指可以模仿哺乳动物味觉系统的仿生传感系统。通常，信号由传感器中的敏感阵列采集，信号处理系统随后对信号进行转换和滤波，进而通过模式识别方法对试验数据进行统计分析，以达到检测和分析目标物质的目的[1-3]。模仿哺乳动物味觉的商品化的仿生传感器，我们称之为电子舌，其检测对象一般是液体样本。电子舌传感阵列是味觉传感阵列，信号传输模式是电信号；主要包括几种类型：多通道脂质膜、表面等离子体共振、表面光伏电压技术等。电子舌主要通过物理吸附实现与目标物的结合和检测，其结合力较弱，识别能力有限。近年来发展起来的新型仿生口味传感器——视觉阵列传感器，也能够实现与目标物质结合，与电子舌的最大区别在于其结合主要靠共价键、氢键等化学键，与目标物质的结合具有高度特异性，不受无味物质的影响[1,4-5]。

与电子舌头信号相比，视觉阵列传感器使用的光学信号具有低噪声和大数据量的优点[2,6]。有研究结合溶胶-凝胶技术，构建一种新型的视觉传感器阵列系统，实现9个不同产区不同等级的乌龙茶的区分及检测；模拟哺乳动物嗅觉系统，还可构建由13种卟啉化合物和23种染料组成的葡萄酒敏感视觉传感阵列，实现8个不同区域的赤霞珠的真实性的判定，同时也获得不同来源的葡萄酒的视觉指纹图谱；以阵列反应前后的光谱变化数据作为特征值，通过差谱计算，选用合适的化学计量学方法，取得较满意的区分效果[7-8]。

试验主要采用卟啉材料（MnTPPCl、CoTPP等）、辅以极性指示剂等光敏材料，采用CCD采集阵列的颜色，通过可视化阵列传感系统的敏感单元与所要检测的目标物质进行相应的反应后，敏感单元产生光谱颜色变化，通过对传感器阵列与目标物质反应前后的颜色变化进行处理得到颜色分量R、G、B数据的差值，实现对目标物质的可视化识别。利用化学计量学及归一化的方法，分析阵列传感系统与五种味觉物质反应前后的RGB的差谱数据，得到基本植物浸膏味觉物质的滋味雷达图，可显著区分5种味觉物质，实现植物浸膏味觉物质的检测。

1 材料与方法

1.1 主要试剂及仪器

四甲基卟啉锰（MnTPPCl）、四甲基卟啉锰（CoTPP）及二甲基甲酰胺（DMF）（美国Sigma公司）；柠檬酸（酸味）、葡萄糖（甜味）、咖啡因（苦味）、氯化钠（咸味）、谷氨酸钠（鲜味）（国药试剂公司）。

可视化味觉传感器（实验室自制）；Lamda-900紫外分光光度计（美国Perkin-Elmer公司）。

1.2 味觉物质的配制

选择纯度99.9%的酸味、甜味、苦味、咸味、鲜味。以DMF作为溶剂，配制不同浓度的溶液，浓度分别为0.000 05，0.000 10，0.001 00，0.005 00和0.001 00 mol/L。反应时以V（DMF）:V（水）=1:100的混合溶液作为溶剂，在5 mL容量瓶中依次加入m（MnTPPCl）:m（CoTPP）=1:1混合卟啉材料检测液，MnTPPCl、CoTPP的浓度为1.42×10-6mol/L，1.49×10-6mol/L，定容后混合均匀。待反应平衡后，用紫外-可见分光光度计进行测试。

1.3 仿生味觉阵列传感器的构建及其对植物浸膏味觉物质的检测

仿生阵列传感器构建在36孔阵列传感芯片上（6×6）。先将阵列传感芯片置于可视化传感系统中，采集反应前图像，再将其与不同浓度的味觉物质溶液及6种植物浸膏（芸香浸膏、枸杞子浸膏、或桂花浸膏、或罗汉果浸膏、或树苔浸膏、或山楂浸膏）待测液反应，反应时间为0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 min。将反应后的芯片做干燥处理后，置于传感系统中，采集反应后图像。

将6×6维的矩阵原始光谱数据作为输入变量进行主成分分析（PCA）、聚类分析（HCA）及判别分析（LDA），并进行min-max标准化方法归一化处理，得到量化的滋味雷达图，并与人工感官评价结果及味觉分析仪绘制的滋味雷达图进行比对。

1.4 感官评定法测定

采用定量描述性感官评价方法对感官评定的结果进行评分，选取5点制，0～5（0，没味道；5，味道最强）。评价小组由有经验的评价人员组成（有6周以上的感官评价经验），共10人，年龄在23～30岁之间。酸、甜、苦、咸、鲜5种基本味觉物质的标准物质按照国标选用柠檬酸、葡萄糖、咖啡因、氯化钠、谷氨酸钠，其浓度分别为0.08 g/100 mL柠檬酸，5 g/100 mL葡萄糖，0.5 g/100 mL NaCl，0.08 g/100 mL咖啡碱和1 g/100 mL谷氨酸钠。每个味觉标准物质及植物浸膏（芸香浸膏、枸杞子浸膏、或桂花浸膏、或罗汉果浸膏、或树苔浸膏、或山楂浸膏）样品重复评价2次。评价结果经过min-max标准化方法归一化处理后，以量化的滋味雷达图表示。

1.5 味觉分析仪测定

采用日本Insent公司TS-5000Z味觉分析系统对植物浸膏（芸香浸膏、枸杞子浸膏、或桂花浸膏、或罗汉果浸膏、或树苔浸膏、或山楂浸膏）样品进行全面的味觉分析，并与仿生检测结果进行比较研究。评价结果经过min-max标准化方法归一化处理后，以量化的滋味雷达图表示。

1.6 数据处理方法

采用味觉分析系统自带的Astree统计分析软件对植物浸膏样品采集数据进行主成分分析，对不同的检测样品进行区分辨识；味觉分析仪评定结果及人工感官评定结果（平均值和标准偏差）由SAS 9.1软件和Origin Pro 9.2软件分析。

2 结果与分析

卟啉母体卟吩环是由11个共轭双键构成的高度共轭体系，易受到吡咯环及次甲基等周边官能团的电子效应影响，从而得到不同的电子光谱[1]。在金属卟啉分子与味觉分子的反应中，诱导效应、共轭效应、场效应等方式进行电子传递，都会影响到金属卟啉分子的电子密度，金属卟啉的光谱性质（如峰位置的移动或者是峰强度的改变）也会随之改变[9-10]。因此，利用紫外-可见吸收光谱法，通过考察金属卟啉分子与待测味觉分子咸味、苦味、甜味、鲜味和酸味作用前后的光谱变化，可筛选出对待测味觉分子具有敏感性的金属卟啉敏感物质。

2.1 卟啉阵列传感系统的响应与反应时间的变化关系

考察5种味觉物质与阵列传感系统的响应与反应时间之间的关系，反应时间依次为 0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 min。取反应阵列中的17个作用明显的敏感点的51个向量，计算欧氏距离，如图1所示。

甜味和苦味响应特征的欧氏空间比较接近，原因是这2种物质都是有机氯味觉物质，含有类似成分，因此具有相似结构及化学性质；而酸味与卟啉阵列传感系统反应具有最强的应特征，因此其欧氏距离值最大。图1中，随反应时间加长，当反应时间点为1.0，1.5，2.0和2.5 min时响应特征的欧氏距离几乎不再改变，说明在时间约1 min时，阵列传感芯片与味觉物质的反应已趋于完全，因此反应时间选择1 min为宜。

图1 检测5种味觉物质得到的响应特征的欧氏距离图

2.2 卟啉阵列传感系统对不同浓度味觉物质的响应

利用卟啉阵列与不同浓度为0.000 05，0.000 10，0.001 00，0.005 00和0.001 00 mol/L的味觉物质反应，其反应时间设为1 min，RGB平均值以后，x轴表示浓度的对数，y轴表示平均响应值，以此作图，如图2所示。根据图2及表1所示，阵列平均响应值随着味觉物质浓度增大而增大，而且呈现很好的线性关系。

卟啉材料m（MnTPPCl）:m（CoTPP）=1:1检测5种常见味觉物质的仿生味觉传感器检测限，其结果与光谱响应列于表1中。m（MnTPPCl）:m（CoTPP）=1:1混合卟啉材料对酸、甜、苦、咸、鲜的检测限分别达到2.44×10-10，1.73×10-10，2.03×10-9，2.55×10-9和8.24×10-10mol/L，满足实际应用的检测需求，可作为基于味觉基础筛选植物浸膏的依据，并为进一步的应用提供味觉检测数据基础。

图2 阵列传感系统对不同浓度味觉物质的响应

表1 仿生味觉传感器检测限及线性响应

2.3 植物浸膏味觉检测

2.3.1 仿生味觉阵列传感器方法检测

通过仿生味觉阵列传感器方法检测并转化为雷达图的结果如图3所示。6种植物浸膏芸香浸膏、枸杞子浸膏、桂花浸膏、罗汉果浸膏、树苔浸膏、山楂浸膏在酸味、甜味、苦味及鲜味上具有显著的区别；而在咸味上的检测结果无法显著区分6种植物浸膏。

图3 不同植物浸膏仿生味觉阵列传感器检测滋味雷达图

2.3.2 味觉分析仪器方法检测

通过味觉分析仪检测并转化为雷达图的结果如图4所示。6种植物浸膏芸香浸膏、枸杞子浸膏、桂花浸膏、罗汉果浸膏、树苔浸膏、山楂浸膏在甜味、酸味及苦味上的比较趋势相近，且区别度显著；而在鲜味上区分明显下降。

2.3.3 人工感官评价方法检测

通过人工感官评价方法检测并转化为雷达图的结果如图5所示。6种植物浸膏芸香浸膏、枸杞子浸膏、桂花浸膏、罗汉果浸膏、树苔浸膏、山楂浸膏物在酸味、甜味及苦味上具有显著的区别；但其区分度相比较于仿生阵列检测方法而言，有所下降，尤其是甜味的区分度，下降更为明显；在鲜味及咸味上的检测结果显示，其区分度进一步下降，无法通过直接的人工感官评价方法区分这6种植物浸膏；进一步表明仿生阵列检测技术相对于人工感官评价的技术优势。

图4 不同植物浸膏味觉分析仪检测滋味雷达图

图5 不同植物浸膏人工感官评价滋味雷达图

3 结论

相比较于分析成本昂贵的味觉分析仪与主观因素影响较大的人工感官评价，仿生味觉传感器在分析灵敏度及区分度上，具有明显优势。

结果表明，开发的基于混合卟啉材料m（MnTPPCl）:m（CoTPP）=1:1的仿生味觉传感器能够很好地对不同种类的植物浸膏的味觉进行识别区分。传感器阵列的反应时间为1 min，说明能在1 min的短时间内实现检测结果的稳定。同时，对于味觉物质的浓度上升后，阵列对其的检测时间也相应的逐渐上升，通过这些所有信息，都可建立完整的数据库，实现味觉分子的检测。利用聚类分析、主成分分析及线性判别分析等的化学计量学的分析方法对阵列传感系统与5种味觉物质反应前后的RGB的差谱数据进行了分析，结果显示，卟啉阵列传感系统可显著区分5种味觉物质，实现植物浸膏味觉物质的检测。