科教融合促進食品專業本科生培養-以味覺傳感新技術研究為例

韓方凱，馮 凡，張東京，段騰飛，夏秋霞，張興桃

(宿州學院生物與食品工程學院，安徽 宿州 234000)

科教融合是當代高等教育的核心理念。高素質本科生人才不僅要具有扎實的專業理論知識，而且要具備良好的創新精神和一定的創新能力。縱觀各學科發展歷史，可以發現學科基礎理論均來源于嚴謹的科學研究。正是由于歷史上眾多涉及食品的科學研究，才有現行的食品基礎理論體系。因此，將科學研究的最新成果融入教學當中，一方面可使本科生對所學習的專業基礎理論知其所以然，方便理解和掌握；另一方面還可激發本科生的創新意識，培養創新精神。味覺傳感技術是目前食品品質快速檢測領域中非常活躍的研究課題。通過科研與人才培養緊密結合，味覺傳感新技術的研究豐富了食品專業課程教學內容、促進了本科生創新教育，極大地有利于高素質食品專業本科生的培養。

1 味覺傳感技術研究概況及趨勢

味覺傳感技術，又稱電子舌，于20世紀80～90年代提出[1]，是感官分析儀器化表征的一種方法。現已研究的電子舌主要由味覺傳感器陣列和模式識別系統構成。味覺傳感器陣列將液態樣品中微痕量化學信息轉換成電信號，并具備弱選擇性、非特異性和交互敏感性的特征；模式識別系統用于構建定性識別或定量預測模型。與傳統的專一性傳感器檢測裝置相比，電子舌檢測范圍更寬，且檢測精度更高，在食品品質快速檢測分析中應用頗為廣泛，如食品品質等級區分、產地區分、品牌識別、摻假食品的鑒定等定性判別，以及食品感官屬性、食品中天然化學物質、毒有害成分的定量預測等。

味覺傳感技術的研究趨勢集中在以下3個方面：(1)新型低成本味覺傳感器陣列的研制。現已研究的味覺傳感器，如電位型味覺傳感器、伏安型味覺傳感器、阻抗譜型味覺傳感器、光尋址型味覺傳感器等，普遍存在價格昂貴、制作困難、使用壽命短等缺陷。因此，開發味覺信息獲取新技術，研制低成本味覺傳感器陣列，對電子舌的普及使用具有重要的意義；(2)新型快速模式識別算法的研究。電子舌數據分析中常用的線性模式識別算法有判別分析、偏最小二乘回歸(Partial least squares,PLS)、K最近鄰等，非線性算法有BP-人工神經網絡(BP-Artificial neural network,BP-NN)、支持向量機(Support vector machine,SVM)等。由于味覺傳感器陣列的弱選擇性和交互敏感性，使得電子舌數據與檢測目標之間是復雜的非線性關系，導致人工神經網絡等非線性算法往往能夠獲得較好的預測精確度[2]。然而，BP-NN和SVM計算過程復雜且預測性能易受模型預設參數的影響，耗時較久，難以滿足食品品質在線檢測的要求。因此，新型快速模式識別算法的研究非常重要；(3)應用領域的拓展依然是味覺傳感技術研究的熱點方向，如檢測對象由液態食品向固態食品拓展，檢測目標由食品中綜合品質指標及天然組分的定量分析向微痕量污染物的定量預測發展，檢測過程由離線檢測、現場檢測向在線檢測發展等。

2 味覺傳感新技術的研究豐富食品專業課程教學內容

味覺傳感新技術研究豐富了《食品分析》的教學內容。《食品分析》研究食品在產、銷過程中的品質及變化，依據物理、化學分析及微生物學檢驗等基本手段，對食品原料、輔料、成品、半成品的各項品質指標，包括營養物質、食品添加劑、有毒有害成分、微生物等進行監測分析，以達到保障產品質量、革新加工工藝等目的。重金屬殘留嚴重影響食品的食用安全性，近乎所有的食品品質標準中均有對重金屬殘留的限量要求。食品重金屬殘留的常規檢測方法，如原子吸收光譜法、原子熒光光譜法、電感耦合等離子質譜法(Inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)等，普遍存在成本較高的缺陷。因此，新型低成本檢測技術的開發非常重要。研究篩選出5種卟啉類及4種吡啶偶氮類顯色劑作為可視化敏感材料，構建新型低成本味覺可視化傳感器陣列，用于鯽魚體內Pb，Cd，Hg殘留的定量預測。對比采用PLS和極限學習機(Extreme Learning Machine,ELM)構建基于味覺傳感的魚體內重金屬殘留定量預測模型。結果顯示，ELM模型的預測效果好，測試集對鯽魚體內Pb，Cd，Hg殘留量的預測值和ICP-MS法測量值之間的相關系數分別為0.854，0.83和0.845，預測均方根誤差(Root Mean Square Error of Prediction,RMSEP)分別為0.102 mg/kg，0.026 mg/kg和0.016 mg/kg[3]。研究結果表明，所構建的新型味覺可視化傳感器陣列在魚體內重金屬殘留的低成本、快速預測方面具有很大的潛力。顯然地，該味覺傳感新技術研究豐富了食品中有毒有害成分分析的教學內容。

味覺傳感新技術研究豐富了《食品保藏學》課程的教學內容。《食品保藏學》研究食品在保藏過程發生的品質變化，并闡釋食品品質變劣的原因，針對導致食品腐敗變質的主要因素，開發控制方法并解釋保藏機理。顯然，食品在保藏過程中品質指標變化的客觀、準確、快速監測，對深入理解食品品質的劣變機理，開發相應保藏技術至關重要。魚營養豐富，極易發生腐敗變質。新鮮度是表征魚在貯藏過程中綜合品質的重要指標，其常規檢測方法主要是感官評價法、化學指標檢測法等。感官評價法主觀性較強，化學指標檢測法操作過程繁瑣、耗時較久。因此，開發一種客觀、簡便的魚新鮮度快速 檢測新方法具有重要的研究意義。研究采用電子舌技術對4℃下不同冷藏天數的鯧魚進行檢測分析，并構建了基于電子舌的魚新鮮度化學指標值-揮發性鹽基氮(Total volatile basic nitrogen,TVB-N)的SVM定量預測模型。結果顯示，SVM模型測試集相關系數為0.9727，RMSEP為2.8×10-4mg/g，預測效果較好，實現了基于電子舌的魚新鮮度定量預測[4]。

味覺傳感新技術研究豐富了《食品感官評定》的教學內容。食品感官評定以人的感覺為基礎，通過味覺、嗅覺、視覺、觸覺等感官對食品的各種屬性進行鑒定分析。感官評價較理化分析和微生物檢驗更能精確表達食品的綜合品質。發展能夠符合人類感官系統的儀器是感官分析研究的必然趨勢。味覺傳感技術就是對人類味覺感知系統的模仿。在人類味覺感知系統中，味蕾中的味覺細胞將食物中的滋味信息轉換成生物電信號，生物電信號通過神經纖維傳遞給大腦，大腦對采集到的味覺信息進行處理分析，得出指紋識別結果，即產生味覺。電子舌系統中味覺傳感器陣列即是對味蕾的模仿，采集液態樣本中的"滋味"信息，并轉換成電信號輸出；模式建模及預測即是對大腦處理味覺信息過程的模仿。顯然，味覺傳感新技術研究豐富了食品味覺評定的教學內容，促進了《食品感官》課堂教學。

3 味覺傳感新技術的研究促進本科生創新教育

創新教育在高素質本科生人才培養中具有重要的意義。味覺傳感新技術的研究促進食品專業本科生開展創新訓練項目研究。葡萄酒滋味鮮美、營養豐富、品位高雅，深受消費者喜愛。近年來，我國葡萄酒的生產量和消費量均在穩步上升，與此同時葡萄酒的營養及安全性品質問題亦愈來愈受到消費者的關注。傳統的葡萄酒品質檢測方法主要是感官評價法和理化指標檢測法。感官評價法雖簡單易行、但主觀性較強；理化檢測法一般成本較高、時間長且操作不便。味覺可視化技術是近年來新發展的食品品質快速檢測技術。它是采用金屬卟啉等化學顯色劑與待測液體中微痕量化學組分反應前后顏色發生變化這一性質來進行食品品質指標的定性和定量分析。與傳統的基于導電聚合物薄膜或電化學方法的傳感器測定法相比，味覺可視化技術具有成本低、靈敏度高、抗干擾能力強等優點。提出采用味覺可視化技術結合化學計量學建立葡萄酒品質的快速檢測新方法，具有一定的理論和實踐意義。基于此，指導本科生開展創新項目研究，以本科生作項目負責人獲得2017年度國家級大學生創新創業訓練項目支持(編號：201710379008)，并以良好等次結項。

味覺傳感新技術研究促進食品專業本科生發明創造。食品味覺、嗅覺信息融合檢測可以更加全面地反映食品綜合品質。然而，現有的研究均是通過分別制作可視化味覺、嗅覺傳感器陣列，用于同一樣品的檢測。試驗時，分別獲取味覺、嗅覺可視化傳感器信息，經數據融合后，構建預測模型，用于目標食品品質指標的定性或定量分析。通過分別構建傳感器陣列進行味覺、嗅覺特征信息融合此種形式的融合檢測對食品品質的檢測分析，不僅耗時耗力，且成本較高。為克服現有技術的不足，提出一種可視化味覺、嗅覺融合傳感器的制作方法，該融合傳感器不但費用成本低、檢測速度快、檢測精度高、檢測范圍寬，且使用壽命長、不同批次間一致性好。基于此，以本科生作重要發明人申請發明專利1項(申請號：201710540958.3)。

味覺傳感新技術的研究促進食品專業本科生學科競賽。研究所建立的魚體內重金屬殘留的低成本電子舌預測新方法，獲得第三屆全國大學生生命科學創新創業大賽二等獎；所建立的基于智能味覺、嗅覺可視化融合的葡萄酒品質快速檢測新方法獲得全國大學生生命科學競賽優勝獎。

4 結束語

民以食為天，食品工業是我國國民經濟重要的支柱產業。食品工業持續快速地發展需要高素質食品專業人才的大力支撐，高等教育在此發揮著極其重要的作用。將優質豐富的科學研究資源與本科教學緊密結合，以提高人才培養質量，是我國高等教育發展的必然趨勢。可以從科研豐富食品專業課程的教學內容、促進大學生創新訓練項目研究、發明創造、學科競賽等方面著手，將科學研究與本科教學緊密結合，為我國食品工業培養高素質專門人才。