郭青，王明鋒，廖頭根，朱保昆，何靚，潘紅陽(yáng)*

1. 云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心（昆明 650231）；2. 江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（無(wú)錫 214122）

仿生陣列傳感器，一般指可以模仿哺乳動(dòng)物味覺系統(tǒng)的仿生傳感系統(tǒng)。通常，信號(hào)由傳感器中的敏感陣列采集，信號(hào)處理系統(tǒng)隨后對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和濾波，進(jìn)而通過(guò)模式識(shí)別方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以達(dá)到檢測(cè)和分析目標(biāo)物質(zhì)的目的[1-3]。模仿哺乳動(dòng)物味覺的商品化的仿生傳感器，我們稱之為電子舌，其檢測(cè)對(duì)象一般是液體樣本。電子舌傳感陣列是味覺傳感陣列，信號(hào)傳輸模式是電信號(hào)；主要包括幾種類型：多通道脂質(zhì)膜、表面等離子體共振、表面光伏電壓技術(shù)等。電子舌主要通過(guò)物理吸附實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)物的結(jié)合和檢測(cè)，其結(jié)合力較弱，識(shí)別能力有限。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型仿生口味傳感器——視覺陣列傳感器，也能夠?qū)崿F(xiàn)與目標(biāo)物質(zhì)結(jié)合，與電子舌的最大區(qū)別在于其結(jié)合主要靠共價(jià)鍵、氫鍵等化學(xué)鍵，與目標(biāo)物質(zhì)的結(jié)合具有高度特異性，不受無(wú)味物質(zhì)的影響[1,4-5]。

與電子舌頭信號(hào)相比，視覺陣列傳感器使用的光學(xué)信號(hào)具有低噪聲和大數(shù)據(jù)量的優(yōu)點(diǎn)[2,6]。有研究結(jié)合溶膠-凝膠技術(shù)，構(gòu)建一種新型的視覺傳感器陣列系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)9個(gè)不同產(chǎn)區(qū)不同等級(jí)的烏龍茶的區(qū)分及檢測(cè)；模擬哺乳動(dòng)物嗅覺系統(tǒng)，還可構(gòu)建由13種卟啉化合物和23種染料組成的葡萄酒敏感視覺傳感陣列，實(shí)現(xiàn)8個(gè)不同區(qū)域的赤霞珠的真實(shí)性的判定，同時(shí)也獲得不同來(lái)源的葡萄酒的視覺指紋圖譜；以陣列反應(yīng)前后的光譜變化數(shù)據(jù)作為特征值，通過(guò)差譜計(jì)算，選用合適的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，取得較滿意的區(qū)分效果[7-8]。

試驗(yàn)主要采用卟啉材料（MnTPPCl、CoTPP等）、輔以極性指示劑等光敏材料，采用CCD采集陣列的顏色，通過(guò)可視化陣列傳感系統(tǒng)的敏感單元與所要檢測(cè)的目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的反應(yīng)后，敏感單元產(chǎn)生光譜顏色變化，通過(guò)對(duì)傳感器陣列與目標(biāo)物質(zhì)反應(yīng)前后的顏色變化進(jìn)行處理得到顏色分量R、G、B數(shù)據(jù)的差值，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的可視化識(shí)別。利用化學(xué)計(jì)量學(xué)及歸一化的方法，分析陣列傳感系統(tǒng)與五種味覺物質(zhì)反應(yīng)前后的RGB的差譜數(shù)據(jù)，得到基本植物浸膏味覺物質(zhì)的滋味雷達(dá)圖，可顯著區(qū)分5種味覺物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)植物浸膏味覺物質(zhì)的檢測(cè)。

1 材料與方法

1.1 主要試劑及儀器

四甲基卟啉錳（MnTPPCl）、四甲基卟啉錳（CoTPP）及二甲基甲酰胺（DMF）（美國(guó)Sigma公司）；檸檬酸（酸味）、葡萄糖（甜味）、咖啡因（苦味）、氯化鈉（咸味）、谷氨酸鈉（鮮味）（國(guó)藥試劑公司）。

可視化味覺傳感器（實(shí)驗(yàn)室自制）；Lamda-900紫外分光光度計(jì)（美國(guó)Perkin-Elmer公司）。

1.2 味覺物質(zhì)的配制

選擇純度99.9%的酸味、甜味、苦味、咸味、鮮味。以DMF作為溶劑，配制不同濃度的溶液，濃度分別為0.000 05，0.000 10，0.001 00，0.005 00和0.001 00 mol/L。反應(yīng)時(shí)以V（DMF）:V（水）=1:100的混合溶液作為溶劑，在5 mL容量瓶中依次加入m（MnTPPCl）:m（CoTPP）=1:1混合卟啉材料檢測(cè)液，MnTPPCl、CoTPP的濃度為1.42×10-6mol/L，1.49×10-6mol/L，定容后混合均勻。待反應(yīng)平衡后，用紫外-可見分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)試。

1.3 仿生味覺陣列傳感器的構(gòu)建及其對(duì)植物浸膏味覺物質(zhì)的檢測(cè)

仿生陣列傳感器構(gòu)建在36孔陣列傳感芯片上（6×6）。先將陣列傳感芯片置于可視化傳感系統(tǒng)中，采集反應(yīng)前圖像，再將其與不同濃度的味覺物質(zhì)溶液及6種植物浸膏（蕓香浸膏、枸杞子浸膏、或桂花浸膏、或羅漢果浸膏、或樹苔浸膏、或山楂浸膏）待測(cè)液反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 min。將反應(yīng)后的芯片做干燥處理后，置于傳感系統(tǒng)中，采集反應(yīng)后圖像。

將6×6維的矩陣原始光譜數(shù)據(jù)作為輸入變量進(jìn)行主成分分析（PCA）、聚類分析（HCA）及判別分析（LDA），并進(jìn)行min-max標(biāo)準(zhǔn)化方法歸一化處理，得到量化的滋味雷達(dá)圖，并與人工感官評(píng)價(jià)結(jié)果及味覺分析儀繪制的滋味雷達(dá)圖進(jìn)行比對(duì)。

1.4 感官評(píng)定法測(cè)定

采用定量描述性感官評(píng)價(jià)方法對(duì)感官評(píng)定的結(jié)果進(jìn)行評(píng)分，選取5點(diǎn)制，0～5（0，沒味道；5，味道最強(qiáng)）。評(píng)價(jià)小組由有經(jīng)驗(yàn)的評(píng)價(jià)人員組成（有6周以上的感官評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)），共10人，年齡在23～30歲之間。酸、甜、苦、咸、鮮5種基本味覺物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)按照國(guó)標(biāo)選用檸檬酸、葡萄糖、咖啡因、氯化鈉、谷氨酸鈉，其濃度分別為0.08 g/100 mL檸檬酸，5 g/100 mL葡萄糖，0.5 g/100 mL NaCl，0.08 g/100 mL咖啡堿和1 g/100 mL谷氨酸鈉。每個(gè)味覺標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及植物浸膏（蕓香浸膏、枸杞子浸膏、或桂花浸膏、或羅漢果浸膏、或樹苔浸膏、或山楂浸膏）樣品重復(fù)評(píng)價(jià)2次。評(píng)價(jià)結(jié)果經(jīng)過(guò)min-max標(biāo)準(zhǔn)化方法歸一化處理后，以量化的滋味雷達(dá)圖表示。

1.5 味覺分析儀測(cè)定

采用日本Insent公司TS-5000Z味覺分析系統(tǒng)對(duì)植物浸膏（蕓香浸膏、枸杞子浸膏、或桂花浸膏、或羅漢果浸膏、或樹苔浸膏、或山楂浸膏）樣品進(jìn)行全面的味覺分析，并與仿生檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較研究。評(píng)價(jià)結(jié)果經(jīng)過(guò)min-max標(biāo)準(zhǔn)化方法歸一化處理后，以量化的滋味雷達(dá)圖表示。

1.6 數(shù)據(jù)處理方法

采用味覺分析系統(tǒng)自帶的Astree統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)植物浸膏樣品采集數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，對(duì)不同的檢測(cè)樣品進(jìn)行區(qū)分辨識(shí)；味覺分析儀評(píng)定結(jié)果及人工感官評(píng)定結(jié)果（平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差）由SAS 9.1軟件和Origin Pro 9.2軟件分析。

2 結(jié)果與分析

卟啉母體卟吩環(huán)是由11個(gè)共軛雙鍵構(gòu)成的高度共軛體系，易受到吡咯環(huán)及次甲基等周邊官能團(tuán)的電子效應(yīng)影響，從而得到不同的電子光譜[1]。在金屬卟啉分子與味覺分子的反應(yīng)中，誘導(dǎo)效應(yīng)、共軛效應(yīng)、場(chǎng)效應(yīng)等方式進(jìn)行電子傳遞，都會(huì)影響到金屬卟啉分子的電子密度，金屬卟啉的光譜性質(zhì)（如峰位置的移動(dòng)或者是峰強(qiáng)度的改變）也會(huì)隨之改變[9-10]。因此，利用紫外-可見吸收光譜法，通過(guò)考察金屬卟啉分子與待測(cè)味覺分子咸味、苦味、甜味、鮮味和酸味作用前后的光譜變化，可篩選出對(duì)待測(cè)味覺分子具有敏感性的金屬卟啉敏感物質(zhì)。

2.1 卟啉陣列傳感系統(tǒng)的響應(yīng)與反應(yīng)時(shí)間的變化關(guān)系

考察5種味覺物質(zhì)與陣列傳感系統(tǒng)的響應(yīng)與反應(yīng)時(shí)間之間的關(guān)系，反應(yīng)時(shí)間依次為 0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 min。取反應(yīng)陣列中的17個(gè)作用明顯的敏感點(diǎn)的51個(gè)向量，計(jì)算歐氏距離，如圖1所示。

甜味和苦味響應(yīng)特征的歐氏空間比較接近，原因是這2種物質(zhì)都是有機(jī)氯味覺物質(zhì)，含有類似成分，因此具有相似結(jié)構(gòu)及化學(xué)性質(zhì)；而酸味與卟啉陣列傳感系統(tǒng)反應(yīng)具有最強(qiáng)的應(yīng)特征，因此其歐氏距離值最大。圖1中，隨反應(yīng)時(shí)間加長(zhǎng)，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間點(diǎn)為1.0，1.5，2.0和2.5 min時(shí)響應(yīng)特征的歐氏距離幾乎不再改變，說(shuō)明在時(shí)間約1 min時(shí)，陣列傳感芯片與味覺物質(zhì)的反應(yīng)已趨于完全，因此反應(yīng)時(shí)間選擇1 min為宜。

圖1 檢測(cè)5種味覺物質(zhì)得到的響應(yīng)特征的歐氏距離圖

2.2 卟啉陣列傳感系統(tǒng)對(duì)不同濃度味覺物質(zhì)的響應(yīng)

利用卟啉陣列與不同濃度為0.000 05，0.000 10，0.001 00，0.005 00和0.001 00 mol/L的味覺物質(zhì)反應(yīng)，其反應(yīng)時(shí)間設(shè)為1 min，RGB平均值以后，x軸表示濃度的對(duì)數(shù)，y軸表示平均響應(yīng)值，以此作圖，如圖2所示。根據(jù)圖2及表1所示，陣列平均響應(yīng)值隨著味覺物質(zhì)濃度增大而增大，而且呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系。

卟啉材料m（MnTPPCl）:m（CoTPP）=1:1檢測(cè)5種常見味覺物質(zhì)的仿生味覺傳感器檢測(cè)限，其結(jié)果與光譜響應(yīng)列于表1中。m（MnTPPCl）:m（CoTPP）=1:1混合卟啉材料對(duì)酸、甜、苦、咸、鮮的檢測(cè)限分別達(dá)到2.44×10-10，1.73×10-10，2.03×10-9，2.55×10-9和8.24×10-10mol/L，滿足實(shí)際應(yīng)用的檢測(cè)需求，可作為基于味覺基礎(chǔ)篩選植物浸膏的依據(jù)，并為進(jìn)一步的應(yīng)用提供味覺檢測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖2 陣列傳感系統(tǒng)對(duì)不同濃度味覺物質(zhì)的響應(yīng)

表1 仿生味覺傳感器檢測(cè)限及線性響應(yīng)

2.3 植物浸膏味覺檢測(cè)

2.3.1 仿生味覺陣列傳感器方法檢測(cè)

通過(guò)仿生味覺陣列傳感器方法檢測(cè)并轉(zhuǎn)化為雷達(dá)圖的結(jié)果如圖3所示。6種植物浸膏蕓香浸膏、枸杞子浸膏、桂花浸膏、羅漢果浸膏、樹苔浸膏、山楂浸膏在酸味、甜味、苦味及鮮味上具有顯著的區(qū)別；而在咸味上的檢測(cè)結(jié)果無(wú)法顯著區(qū)分6種植物浸膏。

圖3 不同植物浸膏仿生味覺陣列傳感器檢測(cè)滋味雷達(dá)圖

2.3.2 味覺分析儀器方法檢測(cè)

通過(guò)味覺分析儀檢測(cè)并轉(zhuǎn)化為雷達(dá)圖的結(jié)果如圖4所示。6種植物浸膏蕓香浸膏、枸杞子浸膏、桂花浸膏、羅漢果浸膏、樹苔浸膏、山楂浸膏在甜味、酸味及苦味上的比較趨勢(shì)相近，且區(qū)別度顯著；而在鮮味上區(qū)分明顯下降。

2.3.3 人工感官評(píng)價(jià)方法檢測(cè)

通過(guò)人工感官評(píng)價(jià)方法檢測(cè)并轉(zhuǎn)化為雷達(dá)圖的結(jié)果如圖5所示。6種植物浸膏蕓香浸膏、枸杞子浸膏、桂花浸膏、羅漢果浸膏、樹苔浸膏、山楂浸膏物在酸味、甜味及苦味上具有顯著的區(qū)別；但其區(qū)分度相比較于仿生陣列檢測(cè)方法而言，有所下降，尤其是甜味的區(qū)分度，下降更為明顯；在鮮味及咸味上的檢測(cè)結(jié)果顯示，其區(qū)分度進(jìn)一步下降，無(wú)法通過(guò)直接的人工感官評(píng)價(jià)方法區(qū)分這6種植物浸膏；進(jìn)一步表明仿生陣列檢測(cè)技術(shù)相對(duì)于人工感官評(píng)價(jià)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖4 不同植物浸膏味覺分析儀檢測(cè)滋味雷達(dá)圖

圖5 不同植物浸膏人工感官評(píng)價(jià)滋味雷達(dá)圖

3 結(jié)論

相比較于分析成本昂貴的味覺分析儀與主觀因素影響較大的人工感官評(píng)價(jià)，仿生味覺傳感器在分析靈敏度及區(qū)分度上，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

結(jié)果表明，開發(fā)的基于混合卟啉材料m（MnTPPCl）:m（CoTPP）=1:1的仿生味覺傳感器能夠很好地對(duì)不同種類的植物浸膏的味覺進(jìn)行識(shí)別區(qū)分。傳感器陣列的反應(yīng)時(shí)間為1 min，說(shuō)明能在1 min的短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定。同時(shí)，對(duì)于味覺物質(zhì)的濃度上升后，陣列對(duì)其的檢測(cè)時(shí)間也相應(yīng)的逐漸上升，通過(guò)這些所有信息，都可建立完整的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)味覺分子的檢測(cè)。利用聚類分析、主成分分析及線性判別分析等的化學(xué)計(jì)量學(xué)的分析方法對(duì)陣列傳感系統(tǒng)與5種味覺物質(zhì)反應(yīng)前后的RGB的差譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，卟啉陣列傳感系統(tǒng)可顯著區(qū)分5種味覺物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)植物浸膏味覺物質(zhì)的檢測(cè)。