仿生系统：电子舌&电子鼻的魔法“感官”

仿生系统：电子舌&电子鼻的魔法“感官”

生物感觉系统经过数百万年的进化，在多功能性、性能和灵敏度方面脱颖而出。大脑从五种感官（视觉、听觉、嗅觉、触觉和味觉）进行的实时处理仍然远远超出了人工认知系统的能力。

尽管具有优势，但不可能使用生物传感系统来监测工业过程，分析令人反感、有害或有毒的样品，如药物、病毒、细菌和污染物。为了克服这些挑战，基于生物感觉系统的原理开发了仿生系统，例如模仿哺乳动物鼻子的电子鼻（E-Nose）和电子舌（E-Tongue）。

技术原理

电子鼻原理

电子鼻由气敏传感器、信号处理系统和模式识别系统等功能器件组成。由于食品的气味是多种成分的综合反映，当气味分子吸附在感测材料表面时，会导致体积膨胀、电荷转移或离子交换，或与离子种类的相互作用，从而改变感测材料的导电性或电阻性。

传感器的电信号（降噪或放大）通过使用模数转换器（ADC）处理并从模拟转换为数字。这些数据进一步使用机器学习算法进行分析和表征，如PCA、LDA、K-NN、ANN、PLSR、PLS-DA等。

依托这些数据，对每一样品进行数据计算和识别，可得到样品的“气味指纹图”和“气味标记”。实现了由仪器“嗅觉”对产品进行客观分析。

由于这种智能传感器矩阵系统中配有不同类型传感器，使它能更充分模拟复杂的鼻子，也可通过它得到某产品实实在在的身份证明（指纹图），从而辅助研究人员快速地进行系统化、科学化的气味监测、鉴别、判断和分析。

电子舌原理

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部分组成。电子舌最初的设计思想来自于生物感受味觉的机制。

生物体感受味觉的机制在于，舌面不同位置的味蕾，感受不同的溶液化味觉物质的刺激信号，通过神经传输至大脑，最后大脑针对味细胞采集信号的整体特征进行处理分析，给出不同物质的区分辨识以及感官性质方面的信息。

电子舌系统中的传感器阵列即相当于生物系统中的舌头，传感器感受不同的化学物质采集各种不同的信号信息，从而获得电信号。这些电信号被转换成数字数据文件，被输入到数学模型中，并通过计算机模拟进行评估，以确定其味道或性质。

基于电子舌与电子鼻各自的特点与检测中的优越性，电子鼻与电子舌已有了各种应用与潜在发展领域，国内外已在食品工业、环境检测、医疗卫生、药品工业等方面报道了不少研究成果。

应用领域

1、食品工业

大米作为全球重要的主食，其品质对农业和消费者至关重要。由于储存条件和酶活性的变化，大米会经历陈化过程，导致品质下降。

该研究建立了电子鼻在检测大米品质中的应用，包括对2-AP、醛类、杂环化合物和醇类的检测。并与传统方法进行比较，发现电子鼻检测具有操作更简单、检测速度更快、成本效益更高、检测结果更准确、更适用于大规模检测和实时监测等优点。

2、环境检测

该研究使用电子鼻收集土壤中的农药气味，根据所提出的检测流程框架，对土壤进行了农药污染检测，平均识别率高达99.55%，检测时间小于0.00003s。农药种类和品牌识别结果发现，平均识别率分别高达98.13% 和97.40%。农药浓度的半定量分析发现，4个浓度梯度的识别最高识别率可达93.75%。

该研究提出的分布式土壤污染检测和农药特异性识别框架可以实现土壤中农药的自动快速检测。

3、医疗卫生领域

尿液中的生物标志物、代谢物、cf-mtDNA和miRNA等的变化，以及尿液样本的易获取性和无创性，使得尿液成为一种有效的癌症诊断工具。但通过尿液诊断癌症中的方法要么处理方法复杂，要么灵敏度特异性相当低。

Solovieva 等人（2019 年）使用电子舌头来检测前列腺癌患者和健康志愿者那里获得的尿液样本。对所有样品进行了电位测量。将检测到的数据处理使用分类工具Logistic 回归从而构建出具有100%灵敏度、97% 准确率和93%特异性的分类模型。

该方法的优点是整体简单、价格相对较低、测量时间短以及无需样品预处理阶段，说明电子舌用于诊断前列腺癌症具有一定的开发潜力。

4、药品工业

砂仁富含挥发性成分，具有药用价值和食用香料价值。然而，市售的产品质量参差不齐，来源混杂，同类产品掺假的问题也很常见。

此外电子舌和电子鼻的仿生感官分析结果表明，不同产地的砂仁在味觉和嗅觉上存在差异。PCA和PLS-DA方法，建立了砂仁真伪和产地的定性模型。其中电子鼻的PCA-DA模型在区分砂仁与其他样品时表现完美，准确度为1.00，电子舌则为0.91。

将电子舌和电子鼻的数据进行融合，建立了更为精确的产地识别模型。融合模型的PCA-DA准确度为0.82。

这些分析表明，电子鼻和电子舌技术可以作为快速、准确评估砂仁品种和质量的有效工具。通过这些技术，能够快速区分不同产地的砂仁，并评估其真伪。

以上的例子表明目前电子鼻电子舌检测应用十分广泛，但从发文量而言其主要应还是在食品研究方面，我们通过一篇非常有趣的文献来了解，电子鼻电子舌技术在食品研究方面的具体的应用方式和获得的结论。

案例分析

一区 TOP IF=7.0

目前对于食品的风味和品质研究较多，而口腔加工方面研究还是一种比较新颖的研究方向。南京农业大学徐娜等在Food Science and Human Wellness发表基于电子舌和电子鼻对白切鸡在口腔加工过程中滋味特性和感官感知的研究中，让我们从这篇文章来了解电子设备“觉得”鸡腿好吃还是鸡胸好吃。

研究通过电子舌测定四种鸡肉丸在口腔加工过程中的滋味特征，苦味、鲜味和甜味是鸡肉食团在口腔加工过程中形成的共同味觉特征。

苦味：CTS（鸡大腿和鸡皮）的苦味特征值最高，CB（鸡胸肉）的苦味特征值最低。鸡皮的添加显著改善了鸡肉的苦味特性。

此外，随着口腔处理时间的延长，每种类型食团的苦味特征值在20 s内均呈逐渐下降的趋势，在鸡胸肉样品中则在最后10 s内略有上升。可能的解释是鸡胸肉样品在20 s内已被完全咀嚼，随后产生的唾液放大了苦味特征。

鲜味：在口腔加工过程中，鲜味在10 s内先上升，20 s后下降，10 s后再次上升。与去皮鸡肉丸相比，带皮鸡肉丸的鲜味特征值在口腔加工的各个阶段均有显著性差异，在CT（鸡大腿）中最高，在CBS（鸡胸肉和鸡皮）中最低。因此，鸡皮的添加降低了各鸡肉丸的鲜味，其中鸡腿肉样品下降最为明显。

甜味：在咀嚼过程中，CB和CT的甜度特征值相对较高，几乎无显著性差异，而CBS和CTS的相应甜度显著降低，且在15 s内呈逐渐下降的趋势，添加鸡皮后略有上升。

由此可以得出，对于脂肪含量较低的鸡胸肉样品，鸡皮的添加会严重影响鸡胸肉中甜味物质的释放和感知。鸡皮的添加降低了鸡腿肉样品中咸味分子的释放和感知，增强了后味A的感知。

综合分析各种滋味特征发现，鸡腿样品在鸡胸肉上具有明显的滋味特征，尤其是CT，在各个阶段具有最高的鲜味和甜味值。

图2 咀嚼过程中鸡肉丸电子鼻数据的雷达图

食物摄入后，通过牙齿咀嚼、舌头蠕动、唾液分泌等一系列口腔加工过程，聚集成团，引发吞咽。

通过对CB、CBS、CT、CTS的粒径测定，发现随着口腔加工过程的进行，食团颗粒逐渐减小。质构的硬度、内聚性、弹性、咀嚼性和回复性从咀嚼前期到咀嚼后期整体呈下降趋势。表观黏度也随着流动性的增强而下降。

结合电子鼻，电子舌，PLSR分析也被用于测定食团的味道和相关性。鸡胸肉样品在20 s时达到吞咽点，而鸡腿肉样品在25 s时达到吞咽点。加入鸡皮可以显著降低丸剂的黏度，增加流动性，促进吞咽，增强芳香化合物的风味释放，但对鲜味和甜味的感知有负面影响。

白切鸡初咬前的成分、咀嚼过程都会影响人们对白切鸡良好品质的感知。特别是在鸡胸肉的咀嚼中，建议与鸡皮一起食用，以增强样品的嫩度和口感。总的来说，不同类型的白切鸡组合在味觉上存在一定的差异。无论是口感还是质地，鸡腿样品的各项指标都是最好的。

参考文献

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