郭程琳，樊玉霞，陳高樂，劉登勇，劉 源,*

（1.渤海大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，遼寧 錦州 121013；2.上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海 200240；3.江蘇省肉類生產(chǎn)與加工質(zhì)量安全控制協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210095）

隨著國民生活水平的提高，消費(fèi)者對(duì)食品品質(zhì)的要求從單一的滿足營養(yǎng)需求提升到兼顧食品風(fēng)味。食品風(fēng)味是食品品質(zhì)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，也是區(qū)分不同食品的重要特點(diǎn)。人體通過味覺和嗅覺對(duì)食品風(fēng)味進(jìn)行評(píng)價(jià)，不是基于某種單一感覺，而是味覺、嗅覺和三叉神經(jīng)綜合作用的結(jié)果，常被消費(fèi)者用作判斷食品品質(zhì)的指標(biāo)[1]。

目前，基于味覺或嗅覺感知原理的食品風(fēng)味評(píng)價(jià)常規(guī)方法主要包括人工感官和智能感官評(píng)價(jià)，儀器分析技術(shù)則主要用于分析食品中滋味及揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)。人工感官評(píng)價(jià)是指經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的感官評(píng)價(jià)人員對(duì)食品風(fēng)味特性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，其作為風(fēng)味評(píng)價(jià)最直接的方法，具有分析速度快、成本低的優(yōu)點(diǎn)；但對(duì)感官評(píng)價(jià)人員專業(yè)性有要求，也會(huì)受個(gè)體主觀性及其他因素（年齡、地域等）影響，人工感官評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用在一定程度上受到限制，感官特征的量化分析仍有待解決。常用的儀器分析方法如高效液相色譜、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、氣相色譜、氣相色譜-嗅聞?dòng)?jì)等能實(shí)現(xiàn)食品中多種目標(biāo)風(fēng)味成分的定量檢測(cè)，但無法揭示物質(zhì)的味覺、嗅覺信息，也不能實(shí)現(xiàn)味覺、濃度與強(qiáng)度的綜合評(píng)價(jià)。智能感官評(píng)價(jià)是指包括電子鼻、電子舌和機(jī)器視覺系統(tǒng)在內(nèi)的多種智能感官儀器，通過模擬嗅覺、味覺和視覺系統(tǒng)功能，基于多傳感器獲得目標(biāo)風(fēng)味物質(zhì)特征信號(hào)，結(jié)合模式識(shí)別方法實(shí)現(xiàn)感官的評(píng)價(jià)。相對(duì)人工感官評(píng)價(jià)，智能感官評(píng)價(jià)減少了人員培訓(xùn)、避免了主觀性等因素的影響，但該方法無法取代味覺系統(tǒng)（從舌頭到大腦）對(duì)風(fēng)味物質(zhì)的綜合信息進(jìn)行響應(yīng)，并且構(gòu)建傳感器的敏感材料對(duì)特殊離子的吸附催化作用極大程度地影響了其對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的分析檢測(cè)能力[2]。

基于生物傳感器對(duì)食品風(fēng)味進(jìn)行評(píng)價(jià)已成為近年來國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一[3-4]。基于酶催化氧化還原反應(yīng)的酶?jìng)鞲衅饕阎鸩綉?yīng)用于味覺化合物檢測(cè)，主要集中在鮮味和甜味分析方面[5-7]。以味覺組織、受體等[8-10]為敏感材料的生物傳感器與酶?jìng)鞲衅飨啾?，敏感元件可從自然界中獲得，使用壽命也相對(duì)較長。味蕾組織的開發(fā)及使用使生物傳感器在風(fēng)味分析中的應(yīng)用更加多元[11-12]。隨著微生物固定化技術(shù)的發(fā)展，微生物傳感器也逐步應(yīng)用于風(fēng)味分析、安全監(jiān)測(cè)中，如對(duì)乙醇進(jìn)行靈敏測(cè)定，檢測(cè)咖啡因、霉菌毒素等化合物[13]。細(xì)胞尤其是味覺細(xì)胞，被普遍認(rèn)為是構(gòu)建味覺生物傳感器的生物功能元件。目前，基于不同細(xì)胞作為生物敏感元件已開發(fā)出多種類型的傳感器，可用于食品風(fēng)味物質(zhì)的評(píng)價(jià)分析。因此，本文旨在簡(jiǎn)明闡述細(xì)胞生物傳感器概況，綜述基于不同味覺和嗅覺細(xì)胞的生物傳感器在食品風(fēng)味評(píng)價(jià)中的研究進(jìn)展，并對(duì)未來的研究方向進(jìn)行展望。

1 細(xì)胞生物傳感器簡(jiǎn)介

細(xì)胞生物傳感器采用固定或未固定的生物活細(xì)胞作為傳感器的敏感元件識(shí)別目標(biāo)分析物，通過換能器實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理，獲取目標(biāo)分析物的特征信息，通常信號(hào)響應(yīng)特征與目標(biāo)分析物存在一定規(guī)律的關(guān)聯(lián)性，從而實(shí)現(xiàn)有效評(píng)價(jià)[14]。細(xì)胞生物傳感器系統(tǒng)一般由3 個(gè)主要元件組成，包括一級(jí)感受器，即敏感元件，及兩個(gè)二級(jí)感受器，即換能器和信號(hào)處理系統(tǒng)。根據(jù)細(xì)胞類型可將細(xì)胞傳感器分為兩大類：一是微生物細(xì)胞傳感器，以細(xì)菌、真菌、酵母和藻類作為敏感元件；二是動(dòng)物細(xì)胞傳感器，以高等真核細(xì)胞為敏感元件，如魚類、大鼠、人體細(xì)胞等。隨著細(xì)胞生物傳感器的不斷發(fā)展，其在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、制藥、食品分析等方面的應(yīng)用也在不斷突破[15]。本文重點(diǎn)關(guān)注細(xì)胞生物傳感器在味覺及嗅覺評(píng)價(jià)中的研究進(jìn)展。圖1所示為典型的細(xì)胞生物傳感器構(gòu)建及其在不同風(fēng)味物質(zhì)分析中的應(yīng)用。

圖1 典型細(xì)胞生物傳感器示意圖及其應(yīng)用Fig.1 Schematic diagram of typical cell-based biosensors and their application

2 細(xì)胞生物傳感器在味覺物質(zhì)檢測(cè)中的研究進(jìn)展

已有研究表明，除味覺細(xì)胞外，其他細(xì)胞也能實(shí)現(xiàn)風(fēng)味物質(zhì)的識(shí)別，因此基于細(xì)胞生物傳感器對(duì)味覺物質(zhì)的檢測(cè)在過去幾十年中得到迅速發(fā)展[19-21]。用于味覺物質(zhì)檢測(cè)的細(xì)胞生物傳感器，根據(jù)敏感元件不同主要分為味覺細(xì)胞傳感器、鼠精細(xì)胞傳感器、腸內(nèi)細(xì)胞傳感器、心肌細(xì)胞傳感器。

2.1 基于味覺細(xì)胞的生物傳感器

味覺系統(tǒng)能夠辨識(shí)甜、苦、酸、咸、鮮5 種基本味型，其原理是味覺受體與味型分子結(jié)合后，味覺細(xì)胞膜去極化，釋放神經(jīng)遞質(zhì)，所產(chǎn)生信號(hào)經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化后傳入大腦而作出響應(yīng)。因此，選擇味覺細(xì)胞作為生物傳感器敏感元件是表達(dá)味覺信號(hào)最有效的方法之一。根據(jù)超微結(jié)構(gòu)特征、基因表達(dá)模式與細(xì)胞功能，味覺細(xì)胞可分為3 種類型，即I型細(xì)胞、II型細(xì)胞和III型細(xì)胞，其結(jié)構(gòu)如圖2所示[22]。甜味、苦味和鮮味均由II型味覺細(xì)胞感受[23-24]，其中味覺受體T1R2和T1R3結(jié)合形成甜味受體，T2Rs為苦味受體，T1R1和T1R3結(jié)合形成鮮味受體；III型細(xì)胞感知酸味刺激[25-26]；而咸味刺激（NaCl）的感知味覺細(xì)胞尚未確定[27]。

圖2 味蕾結(jié)構(gòu)示意圖[22]Fig.2 Schematic diagram of taste bud structure[22]

味覺細(xì)胞是味覺生物傳感器常用的生物傳感元件，作為敏感元件的細(xì)胞源具有靈敏識(shí)別信號(hào)并準(zhǔn)確傳導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)[5]。味覺細(xì)胞來源于味蕾，但原代味覺細(xì)胞的培養(yǎng)相對(duì)困難，對(duì)微環(huán)境要求較高，且體外生存繁殖能力較弱[28]。因此，可以使用味覺干細(xì)胞培養(yǎng)類器官，體外分化味覺細(xì)胞作為敏感元件，將完好的味覺細(xì)胞作為基本的味覺感知單元[29]，可以在體外最大限度地模擬真實(shí)的味覺和細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[30]，能更直接感受味覺物質(zhì)的刺激，這是實(shí)現(xiàn)味覺細(xì)胞傳感器構(gòu)建的基礎(chǔ)。但類器官的培養(yǎng)也具有一定難度，同時(shí)存在培養(yǎng)出的味覺細(xì)胞種類難以控制、類器官中味覺細(xì)胞比例小及存活時(shí)間短等問題，一定程度上限制了味覺細(xì)胞傳感器的發(fā)展。

在傳感器的搭建中，為記錄神經(jīng)元的細(xì)胞外電位，研究人員利用不同的二級(jí)感受器，如場(chǎng)效應(yīng)晶體管（field effect transistor，F(xiàn)ET）陣列、MEA、光尋址電位傳感器（light addressable potential sensor，LAPS）、玻碳電極（glassy carbon electrode，GCE）等感受器[31]，來實(shí)現(xiàn)信號(hào)記錄和放大。其中MEA和FET適用于長期檢測(cè)，但它們的記錄位點(diǎn)僅限于電極或柵極位點(diǎn)。

表1總結(jié)了近年來基于味覺細(xì)胞傳感器在味覺物質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。通過構(gòu)建味覺細(xì)胞傳感器對(duì)不同甜味、苦味、酸味物質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，反映出味覺細(xì)胞傳感器檢測(cè)種類多元、靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，但仍存在敏感元件獲取困難、穩(wěn)定性低、難以大量推廣等缺陷。與將其用作味覺物質(zhì)分析儀器相比，將細(xì)胞傳感器開發(fā)成生物傳感模型更為合理，可以使其在味覺系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論研究中具有更好的靈敏度和選擇性[32-33]。

表1 基于味覺細(xì)胞的傳感器研究及應(yīng)用Table 1 Research and applications of sensors based on taste cells

2.2 基于鼠精細(xì)胞的生物傳感器

研究發(fā)現(xiàn)人和小鼠基因組中包含成對(duì)的直系苦味受體基因，Xu Jiang等[40]研究也證實(shí)了苦味受體基因在小鼠睪丸組織中大量表達(dá)。苦味受體基因在整個(gè)進(jìn)化過程中都得到了保留，能夠識(shí)別多種苦味化學(xué)物質(zhì)[41-43]。小鼠睪丸中存在大量游離生殖細(xì)胞，因此作為細(xì)胞傳感器敏感元件的細(xì)胞源具有顯著數(shù)量來源優(yōu)勢(shì)。田玉蘭[44]利用鼠精細(xì)胞作為敏感材料，根據(jù)細(xì)胞阻抗傳感原理制備的傳感器可以對(duì)苦味物質(zhì)進(jìn)行特異性檢測(cè)。該實(shí)驗(yàn)探究了不同細(xì)胞密度下精細(xì)胞阻抗傳感器的靈敏度，確定最佳細(xì)胞密度為4h 106個(gè)/mL；通過苦味濃度測(cè)試確定苯硫脲和奎寧兩種苦味物質(zhì)的檢測(cè)范圍分別為10～200 μmol/L和62.5～1000 μmol/L，檢出限分別為4 μmol/L和40 μmol/L；此外，還發(fā)現(xiàn)傳感器阻抗值增量與苦味物質(zhì)濃度呈一定線性相關(guān)性。該方法結(jié)合了鼠精細(xì)胞對(duì)苦味物質(zhì)特異性響應(yīng)和細(xì)胞阻抗傳感器能夠?qū)崟r(shí)無侵入測(cè)量細(xì)胞生理生態(tài)變化的特點(diǎn)，為苦味物質(zhì)檢測(cè)提供了一種新的思路。Hu Liang等[18]利用細(xì)胞阻抗的原理構(gòu)建基于小鼠精細(xì)胞的苦味生物傳感器，研究4 種苦味化合物的細(xì)胞阻抗響應(yīng)，同時(shí)探究該細(xì)胞傳感器對(duì)其他基本味覺的檢測(cè)可行性。結(jié)果表明，該細(xì)胞傳感器只對(duì)苦味存在特異性，對(duì)其他味覺物質(zhì)無信號(hào)響應(yīng)，為混合味覺物質(zhì)中的苦味特異性檢測(cè)提供了一種新思路。Tian Yulan等[45]構(gòu)建了一種基于精子細(xì)胞的新型生物傳感器，該傳感器以小鼠活精子細(xì)胞為主要敏感元件，采用細(xì)胞內(nèi)鈣離子熒光探針（Fluo4-AM）作為傳感器，并結(jié)合流式細(xì)胞術(shù)，實(shí)現(xiàn)了苦味化合物的快速定量檢測(cè)；同時(shí)采用主成分分析法對(duì)3 種苦味物質(zhì)進(jìn)行分類，實(shí)現(xiàn)了苦味的定性評(píng)價(jià)與分類。精子細(xì)胞傳感器表現(xiàn)出方法簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉、靈敏度高、特異性強(qiáng)、檢測(cè)限低等特點(diǎn)。但目前精子細(xì)胞傳感器多用于苦味檢測(cè)，應(yīng)用范圍有限，并且若使用細(xì)胞阻抗原理檢測(cè)，傳感器對(duì)外界味覺刺激響應(yīng)緩慢，限制了味覺化合物的快速識(shí)別。因此，開發(fā)新的檢測(cè)方法提高傳感速度是精子細(xì)胞傳感器商業(yè)化應(yīng)用的一個(gè)突破方向。

2.3 基于腸道細(xì)胞的生物傳感器

近年來，越來越多的研究人員對(duì)腸道細(xì)胞中味覺受體的表達(dá)機(jī)理進(jìn)行闡釋，發(fā)現(xiàn)小鼠、大鼠和人體的腸道內(nèi)部均有甜味、苦味、鮮味受體表達(dá)。苦味物質(zhì)在人結(jié)腸中可以通過苦味受體T2Rs進(jìn)行識(shí)別，其中包括T2R3、T2R4、T2R5、T2R10、T2R13、T2R38、T2R39、T2R40、T2R43、T2R44、T2R435、T2R46、T2R47、T2R49、T2R50和T2R60[46]。鮮味物質(zhì)可以通過T1R1與T1R3異源二聚體進(jìn)行識(shí)別[47-49]，甜味物質(zhì)可以通過T1R2與T1R3異源二聚體進(jìn)行識(shí)別[50-52]?；谀c道細(xì)胞表達(dá)味覺受體的特點(diǎn)，以其為敏感材料的傳感器也開始受到關(guān)注。表2總結(jié)了近年來基于腸道細(xì)胞的傳感器及其應(yīng)用。已有研究報(bào)道，NCI-H716和STC-1細(xì)胞多被用作腸道細(xì)胞敏感元件，構(gòu)建阻抗傳感器，且多數(shù)結(jié)果表明兩種細(xì)胞可實(shí)現(xiàn)苦味和甜味物質(zhì)的選擇性識(shí)別[53-55]，并可以進(jìn)行定量檢測(cè)[56]。Hui Guohua等[57]在碳絲網(wǎng)印刷電極上分別培養(yǎng)NCI-H716和STC-1細(xì)胞，構(gòu)建兩種細(xì)胞傳感器，結(jié)果表明，NCI-H716細(xì)胞傳感器可以區(qū)分13 種甜味劑混合物和7 種含蔗糖的促味劑混合物，對(duì)蔗糖的檢測(cè)范圍為0.71h 10－1～2h 10－1mol/L；STC-1細(xì)胞傳感器可以檢測(cè)7 種不同濃度的奎寧促味劑混合物，對(duì)奎寧的檢測(cè)范圍為2.6h 10－5～5h 10－5mol/L。此類型傳感器通過培養(yǎng)特定腸道細(xì)胞作為敏感元件構(gòu)建傳感器，相對(duì)容易，并且因其響應(yīng)速度快、靈敏度高、選擇性強(qiáng)等特點(diǎn)而受到關(guān)注[58-60]。但目前的研究僅對(duì)部分甜味和苦味物質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并且分析檢測(cè)前必須對(duì)檢測(cè)條件進(jìn)行優(yōu)化，如信號(hào)放大、特征提取等；此外，在檢測(cè)時(shí)還需通過一些生物學(xué)方法驗(yàn)證信號(hào)是由味覺物質(zhì)結(jié)合到選擇性味覺G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)引起，未來還需進(jìn)一步深入研究識(shí)別機(jī)制，拓展其應(yīng)用范圍。

表2 基于腸內(nèi)細(xì)胞的傳感器及應(yīng)用Table 2 Applications of sensors based on intestinal cells

2.4 基于心肌細(xì)胞的生物傳感器

最新研究表明味覺受體不僅能在味覺系統(tǒng)中表達(dá)，也在大鼠心肌細(xì)胞中進(jìn)行表達(dá)[61]。味覺受體的廣泛表達(dá)為生物傳感器的構(gòu)建提供了多種可能性。Wei Xinwei等[62]首次以大鼠心肌細(xì)胞為敏感元件，以MEA為次要傳感器，記錄體外心肌細(xì)胞的電生理信號(hào)，開發(fā)了一種基于仿生體外細(xì)胞的苦味和鮮味檢測(cè)系統(tǒng)。結(jié)果表明，心肌細(xì)胞附著于傳感器表面，生長情況良好，它們形成的合胞體進(jìn)行電位傳導(dǎo)和機(jī)械跳動(dòng)，表明表面涂層具有良好的生物相容性；通過對(duì)苦、甜、酸、咸、鮮不同味覺成分進(jìn)行生物特異性驗(yàn)證，并采用主成分分析對(duì)不同味覺成分進(jìn)行鑒別，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩種苦味物（苯甲地那銨、地芬尼多）和鮮味化合物（谷氨酸鈉）的特異性檢測(cè)，其中苯甲地那銨的檢測(cè)范圍為1.0h 10－5～6.4h 10－4mol/L、檢出限為3.46h 10－6mol/L，地芬尼多的檢測(cè)范圍為5.0h 10－6～3.2h 10－4mol/L、檢出限為2.92h 10－6mol/L，谷氨酸鈉的檢測(cè)范圍為1h 10－6～4h 10－3mol/L、檢出限為1.6h 10－6mol/L。該研究基于心肌細(xì)胞和MEA構(gòu)建的味覺細(xì)胞傳感器是一種全新的味覺檢測(cè)方法，在區(qū)分苦味和鮮味化合物方面表現(xiàn)出良好的特異性。需要指出的是，位于心肌中的大部分G蛋白偶聯(lián)受體的準(zhǔn)確作用機(jī)制尚不完全清楚，未來仍需探討。體內(nèi)G蛋白偶聯(lián)受體的廣泛存在為味覺生物傳感器提供了豐富的替代傳感元件，基于心肌細(xì)胞的傳感器在味覺檢測(cè)和藥物研究方面都具有良好的應(yīng)用前景。

3 細(xì)胞生物傳感器在氣味物質(zhì)檢測(cè)中的研究進(jìn)展

嗅覺傳感器技術(shù)可以模擬人類嗅覺器官，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣味物質(zhì)的評(píng)價(jià)。近年來，基于嗅覺細(xì)胞生物傳感器的研究得到了廣泛關(guān)注，并普遍應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、食品、藥品、環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域[63-65]。根據(jù)作為敏感元件的細(xì)胞來源不同，用于氣味物質(zhì)檢測(cè)的細(xì)胞生物傳感器主要?jiǎng)澐譃橐韵? 類：脊椎動(dòng)物嗅覺細(xì)胞傳感器、昆蟲受體細(xì)胞傳感器、異源細(xì)胞傳感器。

3.1 基于脊椎動(dòng)物嗅覺細(xì)胞的生物傳感器

脊椎動(dòng)物的嗅覺細(xì)胞能夠以極高的靈敏度識(shí)別不同氣味物質(zhì)，已被越來越多的研究者認(rèn)為是開發(fā)細(xì)胞傳感器的潛在對(duì)象。在嗅覺上皮中嗅覺細(xì)胞的軸突形成嗅神經(jīng)，其中的嗅覺神經(jīng)元擁有數(shù)以千計(jì)的嗅覺受體，能感受不同類型氣味的刺激。因此，基于脊椎動(dòng)物嗅覺細(xì)胞的嗅覺傳感器具有強(qiáng)特異性、高靈敏度和快速響應(yīng)等特點(diǎn)，是嗅覺傳感器的理想生物材料[66]。Liu Qingjun等[67]通過將嗅覺細(xì)胞固定在LAPS的表面上構(gòu)建了生物電子鼻。利用醋酸、丁二酮進(jìn)行刺激測(cè)試，結(jié)果表明LAPS檢測(cè)到嗅覺上皮中受體細(xì)胞的細(xì)胞外電位發(fā)生變化，通過主成分分析也可對(duì)醋酸、丁二酮進(jìn)行區(qū)分。此類系統(tǒng)具有作為檢測(cè)醋酸、丁二酮等氣味的嗅覺生物傳感器神經(jīng)元芯片的潛力。但通常嗅覺細(xì)胞直接固定在換能器表面，導(dǎo)致細(xì)胞隨機(jī)分布，且細(xì)胞與換能器耦合不可控。這種明顯的缺陷導(dǎo)致這類仿生嗅覺細(xì)胞的生物傳感器的性能和應(yīng)用受到各種限制，因此如何實(shí)現(xiàn)嗅覺細(xì)胞與傳感器的可控、高效耦合也是提高嗅覺細(xì)胞傳感器性能面臨的挑戰(zhàn)之一。Du Liping等[68]采用DNA定向位點(diǎn)特異性細(xì)胞固定化方法，為細(xì)胞隨機(jī)分布問題提供了新的解決方案。該方法以大鼠嗅覺細(xì)胞為敏感元件，MEA芯片為傳感器，細(xì)胞在質(zhì)膜上與單鏈DNA共價(jià)連接，而互補(bǔ)的單鏈DNA則以確定的圖案印在支持物表面，由此控制細(xì)胞固定在固體支持物表面，以形成理想的細(xì)胞模式。通過辛醛和乙醛刺激嗅覺細(xì)胞傳感器，有效監(jiān)測(cè)嗅覺細(xì)胞的膜電位變化，進(jìn)而監(jiān)測(cè)傳感器的響應(yīng)。此方法不僅可以實(shí)現(xiàn)嗅覺細(xì)胞與MEA的可控位點(diǎn)特異性偶聯(lián)，固定化的嗅覺細(xì)胞可以在傳感器表面形成理想的分布，并對(duì)特定的氣味刺激（辛醛和乙醛）作出響應(yīng)；還可以極大提高耦合效率，增強(qiáng)嗅覺細(xì)胞傳感器的穩(wěn)定性?；诖?，未來也可以將不同堿基序列的ssDNA附著在不同的嗅覺細(xì)胞上，構(gòu)建化學(xué)傳感微細(xì)胞陣列。但此類嗅覺傳感器所獲得的信號(hào)響應(yīng)是多個(gè)嗅覺受體電信號(hào)的疊加，可能會(huì)給后期數(shù)據(jù)分析帶來一定困難。

3.2 基于昆蟲受體細(xì)胞的生物傳感器

科學(xué)家已從果蠅、蚊子、蛾、甲蟲等多種昆蟲物種中鑒定出100多種氣味受體的功能特征[69-71]。這些昆蟲氣味受體可選擇性地感知不同類型的氣味物質(zhì)，包括醇、醛、酮、酸、烴和芳香族化合物[72]。Mitsuno等[73]使用昆蟲細(xì)胞（Sf21細(xì)胞系）作為氣味傳感器元件，通過鈣成像將細(xì)胞響應(yīng)轉(zhuǎn)化為非侵入性、可視化的熒光強(qiáng)度，并采用該氣味傳感器對(duì)(E,Z)-10,12-十六碳烯醇、反-10,順-12-十六碳二烯醛進(jìn)行測(cè)定；結(jié)果表明，異源蛋白基因穩(wěn)定整合到細(xì)胞系基因組中，細(xì)胞能穩(wěn)定表達(dá)昆蟲氣味受體并選擇性區(qū)分不同氣味。鈣成像技術(shù)可防止對(duì)細(xì)胞造成機(jī)械損傷，能夠在約13 s內(nèi)作出快速響應(yīng)；該方法不僅克服了基于細(xì)胞的生物傳感器（如使用爪蟾卵母細(xì)胞的氣味傳感器[74]）壽命短的問題，其響應(yīng)檢測(cè)性能可保持至少2 個(gè)月，還極大增強(qiáng)了穩(wěn)定性。目前，雖然可以構(gòu)建多個(gè)表達(dá)不同嗅覺受體的氣味傳感器細(xì)胞系，但將多個(gè)細(xì)胞系集成到氣味傳感器陣列的方法尚未開發(fā)出?；诖朔N設(shè)想，Termtanasombat等[75]為在同一表面將多種細(xì)胞系結(jié)合，使用細(xì)胞圖案化技術(shù)創(chuàng)建了具有多氣味傳感器細(xì)胞系陣列模式的氣味傳感器（圖3），其原理同樣是利用Sf21細(xì)胞系作為氣味傳感器元件，通過熒光強(qiáng)度反映對(duì)目標(biāo)氣味的響應(yīng)。使用圖案化的聚二甲基硅氧烷膜模板和細(xì)胞固定試劑，成功創(chuàng)建了表達(dá)Or13a、Or56a、BmOR1和BmOR34 種細(xì)胞系的陣列圖案。通過檢測(cè)1-辛烯-3-醇、土臭素、(E,Z)-10,12-十六碳烯醇和反-10,順-12-十六碳二烯醛氣味物質(zhì)，證明了傳感器能夠區(qū)分多個(gè)目標(biāo)氣味?；诖祟惱ハx受體的細(xì)胞傳感器具有穩(wěn)定性好、可用響應(yīng)檢測(cè)時(shí)間長、可以表達(dá)多個(gè)細(xì)胞系受體、能夠辨別多種氣味的優(yōu)點(diǎn)，但仍存在與其他類型細(xì)胞傳感器類似的共性問題，包括復(fù)雜耗時(shí)的前處理工作流程，最終受體表達(dá)效率低，溫度、濕度等環(huán)境條件可能會(huì)影響傳感器的性能，傳感器的最終構(gòu)建成本高等，從而限制了此類傳感器的商業(yè)化應(yīng)用。

圖3 基于細(xì)胞的氣味傳感器陣列開發(fā)示意圖[75]Fig.3 Schematic diagram of cell-based odor sensor array development[75]

3.3 基于異源細(xì)胞的生物傳感器

近10 年，許多研究者對(duì)嗅覺受體蛋白在異源細(xì)胞系統(tǒng)中的表達(dá)進(jìn)行了嘗試[76]。將某些嗅覺受體與其他生物材料（如細(xì)胞）通過人工方式進(jìn)行轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的結(jié)合，并利用物理、化學(xué)探測(cè)器或傳導(dǎo)微系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)的表達(dá)，從而達(dá)到嗅聞的目的。研究表明，幾種受體蛋白可通過大腸桿菌細(xì)胞[77]、酵母細(xì)胞[78-79]和爪蟾卵母細(xì)胞[80]等系統(tǒng)進(jìn)行表達(dá)。表3總結(jié)了部分異源細(xì)胞來源嗅覺傳感器的研究進(jìn)展。與其他類型的嗅覺傳感器相比，異源細(xì)胞傳感器可在細(xì)胞質(zhì)膜上僅表達(dá)一種所需類型的嗅覺受體，且其具有更好的維持嗅覺受體天然結(jié)構(gòu)的特異性。此外，異源細(xì)胞傳感器允許標(biāo)記的轉(zhuǎn)接，有助于嗅覺受體的有效固定[77,81]。但研究也發(fā)現(xiàn)異源細(xì)胞生物傳感器構(gòu)建中的一些問題，如基于表達(dá)的嗅覺受體生產(chǎn)耗時(shí)、勞動(dòng)密集且效率相對(duì)較低等。此外，該方法的產(chǎn)物會(huì)含有一些不相關(guān)的蛋白質(zhì)，需要額外的純化。在表達(dá)嗅覺受體蛋白的功能分析方面也存在許多困難，如何做好細(xì)胞的抗凋亡策略也是異源細(xì)胞生物傳感器研究面臨的一個(gè)重要問題[82]。

表3 基于異源細(xì)胞的嗅覺傳感器研究進(jìn)展Table 3 Recent research progress on olfactory sensors based on heterologous cells

4 結(jié)語

從近幾十年基于細(xì)胞的生物傳感器發(fā)展來看，對(duì)細(xì)胞傳感器作用機(jī)理的研究為新型細(xì)胞傳感器在食品風(fēng)味評(píng)價(jià)中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。細(xì)胞傳感器在食品風(fēng)味評(píng)價(jià)方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)以及可觀的發(fā)展前景。然而細(xì)胞傳感器完全應(yīng)用于風(fēng)味評(píng)價(jià)仍然面臨極大的挑戰(zhàn)。目前基于細(xì)胞生物傳感器應(yīng)用的瓶頸主要分為3 個(gè)方面：1）細(xì)胞對(duì)微環(huán)境要求較復(fù)雜，原代培養(yǎng)較為困難。為解決這一技術(shù)難題，研究者通過干細(xì)胞培養(yǎng)類器官，體外分化為所需細(xì)胞，但其培養(yǎng)過程相對(duì)復(fù)雜，培養(yǎng)出的細(xì)胞也存在表達(dá)信號(hào)弱等問題；此外，通過構(gòu)建能夠表達(dá)特定味覺受體的人工細(xì)胞系進(jìn)行異源蛋白表達(dá)，但人工細(xì)胞系是否能完全替代天然細(xì)胞的傳感系統(tǒng)卻不得而知。2）細(xì)胞傳感器雖已建成但是仍難以滿足多樣化分析，發(fā)掘能夠多樣化表達(dá)的細(xì)胞有助于多功能細(xì)胞傳感器的研究。3）細(xì)胞存在凋亡等問題，細(xì)胞傳感器保存時(shí)間不長，長期儲(chǔ)存后性能穩(wěn)定性降低。降低成本與細(xì)胞傳感器保持長時(shí)間穩(wěn)定表達(dá)往往不能兼得，如何在降低成本的同時(shí)延長保存時(shí)間，也是細(xì)胞傳感器在食品評(píng)價(jià)中能否實(shí)際應(yīng)用的決定性問題。因此，在未來研究中，推動(dòng)細(xì)胞傳感器在關(guān)鍵味覺、嗅覺活性化合物篩選中的應(yīng)用是食品風(fēng)味評(píng)價(jià)方法的重要方向之一；3D/4D細(xì)胞培養(yǎng)可為細(xì)胞生長提供穩(wěn)定的環(huán)境，以期其在味蕾細(xì)胞培養(yǎng)中應(yīng)用，為細(xì)胞傳感器敏感元件選擇提供保障；增強(qiáng)細(xì)胞與次級(jí)傳感器之間的耦合是提高傳感器穩(wěn)定性的一個(gè)良好思路，采用新形式電極可以促進(jìn)電極與細(xì)胞之間信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，例如碳納米纖維電極，改進(jìn)味覺細(xì)胞培養(yǎng)方法、促進(jìn)細(xì)胞電極耦合均是提高細(xì)胞生物傳感器性能的有效策略。在應(yīng)用方面，開發(fā)便攜、多功能的細(xì)胞傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)食品風(fēng)味物質(zhì)的分析以及各種氣味、滋味物質(zhì)的準(zhǔn)確識(shí)別，將具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。細(xì)胞傳感器可與智能終端結(jié)合，實(shí)時(shí)、有效地對(duì)風(fēng)味信息進(jìn)行采集。在此基礎(chǔ)上與人工感官結(jié)合，進(jìn)行相關(guān)分析并建立數(shù)據(jù)庫，為味覺、嗅覺評(píng)價(jià)建立統(tǒng)一的感官評(píng)價(jià)方法或評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。總之，以味覺及嗅覺感知機(jī)制研究為基礎(chǔ)，基于細(xì)胞生物傳感器的食品風(fēng)味評(píng)價(jià)將為智能感官技術(shù)的發(fā)展提供一定理論依據(jù)。細(xì)胞生物傳感器的發(fā)展促進(jìn)了味覺、嗅覺系統(tǒng)相關(guān)理論的研究，在食品風(fēng)味評(píng)價(jià)領(lǐng)域具有重要意義，在未來食品風(fēng)味研究中將取得更大突破。