电子舌作用机理及其在肉品检测中的研究进展

陈鹏羽，李少博，王卫，郑晓春，张佳敏，张锐，赵子仪，张德权，侯成立，陈丽*

（1.成都大学食品与生物工程学院，肉类加工四川省重点实验室，四川 成都 610106；2.中国农业科学院农产品加工研究所，农业农村部农产品质量安全收贮运管控重点实验室，北京 100193；3.中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083）

电子舌是一种可以模拟生物体味觉对样品进行感官评价的电子仪器，已初步应用于食品的成分测量、感官分析和某些理化指标的快速检测等场景，其实际上是一种使用具有选择性和交叉响应特征的传感器阵列[1]。近年来电子舌发展快速，其不仅能对味觉特征或少数理化指标进行简单的定性分析，还在样品的高精度定量检测等领域不断创新[2]。国外的电子舌研究起步较早，但已有商品化仪器价格昂贵。目前电位型和伏安型两种电子舌仪器已经实现商品化，其他类型的电子舌仍在研发和优化[3]。

随着我国消费升级，切实保障肉类产业健康发展和全面开展肉类产业现代化建设是未来发展重点[4]，客观地对肉品味觉指标进行检测尤为重要。电子舌采用多感官系统评估食品的质量和风味，可以很好的满足这一需求。本文详细综述了6种电子舌传感器的作用机理及其在肉品真实性鉴别、新鲜度检测、品质解析和真实性溯源中的研究进展，以期为电子舌的推广应用提供新的思路。

1 人类味觉感受机理

味觉是人体主要感官之一，是舌头直接与食物作用的感觉，直接影响到人类对食物的喜恶。人类的舌头可以检测到5种基本口味，即甜、苦、酸、咸和鲜味[5]。人类舌头中的味蕾包含丰富的味觉受体细胞，这些受体可以识别苦味、甜味和鲜味，而酸味是由多囊肾蛋白2 样1抗体（polycystickidneydisease2-like1，PKD2L1）与多囊肾蛋白1样3抗体（polycystic kidney disease 1 like 3，PKD1L3）形成的异源四聚体作为酸味受体进行识别[6]，咸味则是通过上皮钠离子通道蛋白（epithelial sodium cha-nnel，ENaC）进行信号的传递[7]。味觉细胞膜中的味觉受体受到刺激时，细胞的作用电位变化激活突触，并将信号传递到脑干（神经传递）。人类口腔中的唾液也可以对味觉敏感发挥作用，它溶解并输送味觉受体，并自行保护和刺激味觉受体。对于生物来说，对味道的感知强烈影响个人的食物偏好。食物的5种基本口味代表了食物的状态和质量，决定其是否会被人类接受。甜味和鲜味被认为是碳水化合物和蛋白质的来源[8]，而苦味则被认为是毒素存在的迹象[9]，人类以往经历中形成的味觉记忆可能会影响未来接受相同食物的决定[10]。当人类品尝到味觉混合物时，不同的口味相互作用并影响彼此的味觉感知强度，这些在味觉和味觉受体相互作用中的现象可以应用于基于人类味觉受体的生物型电子舌。生物舌味觉感受原理见图1。

图1 生物舌味觉感受原理Fig.1 Principles of biological tongue taste perception

2 电子舌构成及其传感器作用原理

电子舌主要由味觉传感器、数据采集系统和模式识别及结果分析系统三部分组成[11]，可进行定性和定量感官评估[12]，克服了感官评价中人为因素的干扰[13]。味觉传感器是电子舌系统最重要的结构单元，基于不同味觉传感器的工作原理，电子舌主要有电位型、伏安型、阻抗谱型、光寻址型、声波型和生物传感器型等多种类型，其特性也有很大区别，各类型电子舌传感器特性对比见表1。

表1 各类型电子舌传感器特性对比Table 1 Comparison table of the characteristics of each type of electronic tongue sensor

2.1 电位型味觉传感器

电位型味觉传感器的电极结构是采用工作电极与参比电极的二电极结构[24]。作用原理为被测物质与镀在工作电极表面的敏感膜发生接触时，敏感膜上的电荷数量会发生变化，从而造成电位发生变化。建立数据模型后，可以通过电位变化来确定被测物质。强电解质引起的膜电位变化较大，弱电解质或非电解质引起膜电位变化较小。

2.2 伏安型味觉传感器

伏安型味觉传感器是由工作电极、参比电极和辅助电极构成的三电极结构[25]。在该电子舌传感器工作时，系统输入有规律的电冲击信号，通过参比电极上电压与工作电极上电流的关系结合建立的数据模型，来找到引起传感器反应的味觉物质。工作电极会发生电化学反应，要求电极为不活泼的导电型固体材料，且反应面积足够小。参比电极为系统的脉冲信号输入端，要求性质稳定，能作为工作电极电信号的参照多次重现。辅助电极则需要与工作电极形成回路，要求恰好和工作电极相反，即具有电阻小、表面积大的特性。伏安型味觉传感器广泛适用于液体中的非挥发性化合物测量[26]。

2.3 阻抗谱型味觉传感器

阻抗谱型味觉传感器有三电极和二电极两种结构。以二电极结构为例，传感器由工作电极和参比电极构成，工作电极通常为贵金属或碳。工作原理为以电化学阻抗谱分析方法为基础，在工作电极上覆以导电聚合敏感膜，当待测物体的风味物质与敏感膜接触后，敏感膜表面结构发生变化，导致膜中粒子间距增大，导电介质发生变化，阻抗随之增大。传感器通过输入不同频率、不同幅值的正弦波信号，得到不同阻抗值和阻抗角[27]，从而测得不同的电位变化。阻抗谱型味觉传感器主要用于定性或定量测定液体样本[28]。

2.4 光寻址型味觉传感器

光寻址型味觉传感器依据半导体的内光电效应，传感器材料通常为半导体。以N型硅为例，当在传感器的上下两端施加负偏压时，在硅衬底靠近绝缘层的一侧会形成耗尽层。当用特定光照射硅衬底时，电子吸收光子能量后会产生跃迁，部分会扩散到耗尽层，电子空穴在耗尽层的作用下产生光电流[29]，可以通过外部回路检测到交变光电流。当光寻址型传感器表面与溶液接触时，产生膜电位，改变溶液pH值，会引起膜电位的变化，进而电流/电压特性曲线会发生偏移，偏移量与待测离子浓度成线性关系[30]，从而达到测量溶液的目的。

2.5 声波型味觉传感器

声波型味觉传感器是利用声波-机械振动-电信号的相互作用，通过建立的等效电路模型来获得声波在谐振传感器薄膜时振动引起的表面电流，从而测得液体中的物质成分[20]。通过增加分析型涂层薄膜来提高声波型传感器的选择性。在没有分析型涂层薄膜的情况下，声波型传感器仅通过纯粹的物理原理可以完成样品的测量，使其相比于其他电化学原理的传感器更加坚固耐用[31]，已经广泛应用于通讯行业，而在食品和饮料行业的检测中，声波型传感器还处于新兴领域。在食品的检测中，声波型传感器目前多用于饮料行业的基本口味、氯化物和硫酸盐等相对简单的识别分析[21]。声波型味觉传感器声-电原理作用图见图2。

图2 声-电原理作用Fig.2 Acousto-electric principle action

2.6 生物型味觉传感器

生物型味觉传感器是将生物感受体、受体辅助传感器和电子分析系统结合的一种新型传感器。生物传感受体可以是微生物、核酸、酶、细胞器或其他生物组织[32]。田玉兰等[33]设计了一种基于雄鼠精细胞的生物型传感器，能对两种常见的苦味物质（苯硫脲和奎宁）进行检测，且分析出了相应的检测范围和检出限。但容易受限于细胞受体对味觉物质的特异性[34]。对于特定的挥发性物质或气味分析，提取相应的特定细胞的膜部分受体，并与生物传感器集成，通过记录传感器电路的信号变化，监测细胞受体对各种气味的反应，从而建立相应的模型对气味进行分析[35]。生物型传感器可用于反映气味的特征，同时为特定细胞受体的功能分析提供丰富的信息数据，这些数据在食品领域具有巨大潜力[36]。目前该种类型传感器还处在实验室研究阶段，技术路线仍在探索，但将传感器与细胞受体结合的方式是电子舌未来发展的重要路径。

3 影响电子舌作用效果的因素

电子舌测量结果的准确性和可靠性受诸多因素影响，本文分别从传感器及其环境因素、样品因素和模式识别及结果分析系统因素3个方面进行分析。

3.1 传感器及其环境因素

目前已经商业化的电子舌都是通过检测样品引起传感器的电信号，再经过建立好数据模型的分析系统进行模式识别比对达到测量效果。pH值、温度和湿度等环境因素都会对电子舌传感器的测量结果造成影响。如ASTREE型电位电子舌在每次测量样品前，需要使用0.01 mol/L的盐酸溶液调节电子舌传感器测量前的环境pH值[37]。被视为电子舌发展方向的生物传感器型电子舌则对环境要求更为严格，Pundir等[16]总结目前开发的测量L-赖氨酸的生物型传感器，发现其在pH5～10、温度25℃～40℃的环境下工作，测量结果最佳，但使用寿命最长为200 d。Rodrigues等[38]使用电子舌对橄榄油储存期间的质量指标进行测量，传感器在每次测量之前都要用标准溶液进行标定，测量全程必须在合适的温度下进行，否则就会出现信号漂移问题，导致测量数据不准确。

3.2 样品因素

现代食品感官科学对味觉数据量化分析的需求，推动着电子舌传感器的发展与创新。目前电子舌无法广泛应用的原因之一是样品会对电子舌测量的数据产生影响。Du等[39]用电子舌对烟熏培根8个维度（苦味、鲜味、咸味、酸度、丰富度、回味-涩味、回味-苦味和涩味）进行测量，结果显示对照品（未烟熏）的酸度物质含量明显低于用木屑熏制的培根酸度物质含量，这是因为熏制培根时燃烧的木屑产生酚类物质溶于水显酸性，因而对电子舌的测量结果造成了影响。由此说明待测样品的纯净度是电子舌测量准确的关键前提，同时样品的处理方式也会影响电子舌。Ferreiro等[40]用电子舌分别对覆盖有葵花籽油、精制橄榄油和3种初榨橄榄油的金枪鱼的味觉特征进行测量，结果显示不同油作为介质覆盖的金枪鱼在味觉层面具有明显差异，即使在覆盖植物油沥干的情况下，差异依然明显。此外，该结果还可应用于开发金枪鱼不同口味的罐头产品。

3.3 模式识别及结果分析系统因素

模式识别及结果分析系统是电子舌重要的组成部分，如何把数据采集系统记录的传感器信号准确分析并与构建的模型精准比对，是电子舌测量结果是否作为食品评价参考依据的重要标准。目前的电子舌结果分析系统大多是通过主成分分析法（principal component analysis，PCA）[41]、偏最小二乘回归分析（partial least squares regression，PLS）[42]、多元线性回归模型（multiple linear regression，MLR）和离散小波变换（discrete wavelet transformation，DWT）[43]等方法和技术相结合的方式，相互计算验证，来使系统分析检测数据更加精确，数据预处理更加敏感。Qin等[44]通过构建系统的不同数据处理方法来分析使用电子舌检测红茶中的茶黄素总含量，对偏最小二乘法、区间偏最小二乘法、联合区间偏最小二乘、竞争自适应加权采样与偏最小二乘法和竞争自适应加权采样与联合区间偏最小二乘法5种方法进行比较，结果表明应用后3种分析方法的系统可以极大地提高红茶中总茶黄素含量预测模型的性能。Söderström等[45]运用伏安型电子舌和电位型电子舌对两种肉汤样品各生长阶段进行测量，样品接种4种不同的曲霉菌和一种酵母（黄曲霉、米曲霉、赭曲霉、杂色曲霉和接合酵母），测量结果表明两个电子舌均能区分各阶段的曲霉菌和酵母，但不同的电子舌的测量图示有明显区别，两个电子舌相结合的区分结果比单一电子舌更加准确。此外，在电子舌模式识别及结果分析系统中设定“传感器测量阵列组合”、“传感器循环测试次数”和“电子舌传感器质检时间”等具体测量参数，也会对电子舌最后输出的数据产生一定的影响。

4 电子舌在肉品检测中的研究进展

目前电子舌主要在肉品真实性鉴别、肉品新鲜度检测、肉品品质解析和肉品溯源等方面开展研究，通过分析相关领域案例，可以为电子舌在肉品中的应用提供一定的技术依据，电子舌肉品检测案例见表2。

4.1 电子舌在肉品真实性鉴别中的应用

在肉类需求量不断上升的前提下，有商家把低价肉掺入高价肉中来获取高额利润，这严重影响市场的稳定和消费者的健康[55]。电子舌技术是通过测定样品中挥发性气味物质和水溶性呈味物质实现肉品品质的快速分析，这一特性能很好的应用在不同畜种肉品或同一畜种不同品种肉品的真实性鉴别中。Tian等[46]利用电子舌检测羊肉产品中掺杂的猪肉成分，结果表明，利用建立的线性判别分析模型，可以有效对掺入不同比例猪肉（0%、20%、40%、60%、80%和100%）的羊肉混合样品进行真实性鉴别。田晓静等[47]取少量样品置于浸提液30 min，利用电子舌结合PCA和判别分析，能够鉴别掺入不同含量鸡肉的羊肉糜真实性，并建立了能有效预测掺杂鸡肉比例的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结合的分析预测模型，实现了电子舌对猪肉肠掺杂鸡肉的快速识别分析及真实性鉴别。Surányi等[37]利用电子舌结合方差分析、线性判别分析和主成分分析，测量经过烹饪的5种牛肉（匈牙利灰牛、荷斯坦奶牛、安格斯牛、匈牙利斑点牛和当地驯养水牛）中任意3种牛肉的混合物，使用电子舌依然能够区分出3种牛肉的具体牛品种，有效解决了同一畜种不同品种肉品的真实性鉴别问题。

4.2 电子舌在肉品新鲜度检测中的应用

新鲜度是决定肉类质量的重要指标，常用的评价方法是感官检验和挥发性盐基氮的测定，但感官检验主观性强、再现性差，而挥发性盐基氮的测定繁琐耗时。电子舌可以通过检测样品的味觉物质变化实现肉品新鲜度的快速评定。韩剑众等[49]利用伏安型电子舌对生鲜肉不同温度（15、4 ℃）和不同时间（1、2、3、4 d）的新鲜度进行研究，结果发现，在不同贮藏条件和贮藏时间下，电子舌均能表征肉品新鲜度的变化，区分不同品种（猪肉和鸡肉）和不同部位（背最长肌和半膜肌）。鲁伟[50]运用电子舌系统，对冰鲜黄鸡的胸肌和腿肌的酸味、苦味、涩味、苦味回味、涩味回味、鲜味、丰富性、咸味进行测量，结合理化指标测量和电子鼻检测，对数据进行PCA和分析判别，结果表明电子舌能对不同的冰鲜黄鸡进行有效区分，可应用于冰鲜黄鸡的新鲜度评价及分级。

4.3 电子舌在肉品品质解析中的应用

品质解析的方法和角度多种多样，肉品的品质可以从理化特性、安全性、食用性、加工品质等方面来解析。利用电子舌对肉品进行测量可以达到肉品品质解析的目的。在畜禽养殖、运输和加工等过程中，肉品会受到各种因素的污染，造成肉品品质发生变化，从而导致腐败变质[56]。Gil等[51]设计了一组由 Au、Ag、Cu、Pb、Zn和C制成的6个电极和1个参考电极组成的电子舌，成功确定了猪肉样本的pH值、微生物计数、肌苷5'-一磷酸盐、肌苷和次黄嘌呤的浓度。Zhang等[52]运用电子舌与气相色谱质谱相结合的方法成功测量出不同烟熏时间（0、2、3、4、5、6、7 min）烟熏鸡腿的挥发性化合物及各种理化指标。上述品质解析中电子舌对肉品的理化参数和微生物含量的检测仍然为半定量评估。

4.4 电子舌在肉品溯源中的应用

肉品溯源是对不同畜种或不同产地的肉进行追溯，对保障肉品质量、规范市场具有积极作用。电子舌虽然无法准确定量的检测到特定的化合物，但可以模拟人的味觉，定性检测肉品的整体味道，通过对比肉品整体气味和味道之间的差异，完成对肉品的溯源[57]。王霞等[53]以雪山草鸡、肥西老母鸡和白羽肉鸡的胸肉为研究对象，运用多频脉冲电子舌系统测量同品种不同部位鸡肉和同部位不同品种鸡肉的物理、化学特征值，采用主成分分析法对采集到的数据进行处理，结论表明该电子舌能有效区分同品种不同部位鸡肉，但对同部位不同品种鸡肉的区分效果较差。黄珏等[54]利用电子舌和近红外光谱技术相结合的方法，通过对澳大利亚、新西兰和加拿大安格斯进口牛肉的电子舌滋味特征图谱和红外光谱数据进行测量，建立能对牛肉产地进行溯源的定性判别模型，结果表明3个不同产地的进口牛肉样本在 SRS（酸味）、STS（咸味）、SWS（甜味）和GPS（复合味2）等电子舌检测出的滋味特征信号存在明显差异，能有效区分3种不同产地的进口牛肉，为电子舌在产地溯源的应用上提供参考。

5 展望

目前电子舌系统还存在诸多问题，如价格昂贵、电子舌传感器的寿命较短、使用的参比溶液受样品影响及不同实验室不同型号的电子舌数据不能合并分析等。但电子舌的使用能极大提高食品味觉评价的客观性，在肉品检测上的应用潜力巨大。鉴于肉品成分复杂，如何在特定需求、特定场景下实现电子舌的应用价值至关重要。基于全文论述提出三点建议：一是通过电子舌和物理化学分析技术（气相色谱、液相色谱及其质谱联用）相结合，使测量结果互相补充验证，提高样品风味分析的全面性；二是考虑电子舌传感器易受环境因素的影响，在测量不同样品前，选择合适的参比溶液对电子舌传感器进行标定，保证味觉数据的准确性；三是味觉指标从感官评价到定量分析的过程中，要通过数据分析找出样品的有效味觉指标，进一步对味觉的差异进行量化区分。随着仿生科学和新材料的不断发展，进一步提升电子舌传感器的耐受度和敏感性，在保证测量精确度的同时延长使用寿命。同时，电子舌中的模式识别及结果分析系统在神经网络算法和大数据的赋能下，通过对大量以往测量数据的深度学习，数据处理模型和结果分析会变得更加准确、智能。