電子舌技術的原理及在中藥領域的應用

白杰，高利利，張志勤，蔡夢如，游龍泰，姚宇，吳慧敏，尹興斌，倪健（.北京中醫藥大學中藥學院，北京 02488；2.北京中醫藥大學中醫藥研究院，北京 00029）

在20 世紀90年代初期，電子舌（electronic tongue，ET）的概念被提出，即利用傳感器陣列模擬人類味蕾組織對液體樣品的味道進行檢測[1]，該技術通過傳感器陣列從復雜的樣本中獲得味道的電信號；同時應用一系列的化學計量法對高度復雜的數據進行處理，如主成分分析（PCA）、偏最小二乘法（PLS）、判別因子分析（DFA）、聚類分析（CA）、人工神經網絡（ANN）等[2]。電子舌技術因為檢測時間短、操作簡單、靈敏度高、可靠性強等特點，已被廣泛應用于食品和飲料領域，包括客觀評價牛肉、枸杞子、紅酒及白酒的味道，預測專家評分、檢測其是否摻假等[3-6]，體現出該技術既可以對液體樣品的整體滋味進行評價，又可檢測單體成分的優勢，兼顧了整體性和現代分析技術具體化的要求，且不用對樣品進行前處理。近年來，該技術在中藥領域中的應用也越來越廣泛，涉及評價中藥五味及其藥效物質基礎、評價掩味效果、依據中藥的味道差別鑒別中藥炮制品、評價安慰劑的味道及中藥材的質量等。本文對電子舌的組成、原理及其在中藥研究中的應用進行綜述，以期為中藥味道客觀評價的研究提供思路和技術方法。

1 電子舌的組成及原理

1.1 電子舌的組成

電子舌系統由味覺傳感器陣列、信號采集系統、模式識別系統三部分組成[7]。味覺傳感器陣列相當于人類的舌頭，能夠對被測液體中的味道進行感應，目前以電化學傳感器最為普遍。根據傳感器的工作原理不同，可分為電位分析傳感器、伏安分析傳感器、阻抗譜型傳感器；信號采集系統相當于人類的神經系統，采集由傳感器和液體樣品接觸所產生的電信號，并將其傳遞給電腦中的識別系統；模式識別系統相當于人類的大腦，將接收到的電信號轉換成味覺值并進行分析和預測，使檢測結果更接近實際值。目前針對模式識別的研究主要集中在對不同的化學計量學方法的研究。商品化的電子舌儀器中以伏安型和電位型居多，前者是以日本Toko 課題組開發的味覺分析系統和法國Alpha M.O.S 公司開發的電子舌為主，后者以瑞典Winquest 課題組電子舌和國內鄧少平課題組的智舌（smart tongue）為主；生物傳感器等類型電子舌仍在研究和優化之中[8]。

1.2 電子舌的原理

1.2.1 電位型電子舌 電位型電子舌是由Toko等[9]首次提出，其傳感器陣列由工作電極和參比電極組成。離子選擇電極（ISES）制作的電位分析傳感器，是液體多組分味覺分析中使用最為廣泛的類型。電位型電子舌的工作電極上鍍了一層具有離子選擇性的膜，稱為敏感膜，當被測溶液接觸工作電極時，溶液中的離子會在敏感膜和溶液之間進行選擇性分配，導致敏感膜上的電荷數量發生變化，從而產生電位的變化。由于電位傳感器的原理是電荷分離時產生電位變化的信號，因此電位型電子舌的檢測范圍僅限于強電解質溶液。

1.2.2 伏安型電子舌 伏安型電子舌是由Olsson等[10]提出的一種用于檢測各種飲料的電子舌，其傳感器陣列通常由不同類型的3 個電極組成，分別是工作電極、參比電極與輔助電極，也有少數電子舌系統的傳感器陣列由雙電極組成。當給工作電極施加有規律的脈沖電壓時，通過測量工作電極和參比電極之間的電流信號，得出檢測的液體樣品電信號[11]。相比于電位型和阻抗型電子舌，伏安型電子舌一般具有操作簡單、使用壽命長、檢測限低等優點，但其僅適用于檢測具有氧化還原型性的活性物質。

1.2.3 阻抗型電子舌 阻抗型電子舌是由Riul等[12]首次提出，其傳感器陣列中的電極為貴金屬電極或碳電極。該電子舌的響應靈敏度較高，但是對制作電極修飾膜的要求也較高，所以重現性和穩定性較差，不適用于快速、重復地檢測樣品。

2 電子舌在中藥領域的應用

電子舌技術目前已廣泛應用于中藥領域，包括鑒別藥材的種類、產地、采收及儲存時間、炮制程度，評價中藥五味及其藥效物質基礎、掩味效果、中藥質量及臨床試驗中安慰劑的味道等，為中藥材或中藥制劑的質量控制與評價提供科學有效的技術手段。

2.1 評價中藥五味及其藥效物質基礎

中藥藥性是中醫藥學理論體系的重要組成部分，“四氣五味”則是中藥藥性理論的核心內容之一，《本經》指出藥有酸、苦、甘（甜）、辛、咸五味[13]，這五味不僅指中藥的真實滋味，更是一種功能和性質的體現。2015年版《中國藥典》收錄的618 種藥材和飲片中，以苦味為主味的藥材占32.4%[14]，反映了苦味藥物在中藥中的普遍性和重要性，其中主要苦味成分是生物堿、糖苷類、萜類、蒽醌、黃酮及苦味素類等[15-16]。李學林等[17]為檢測電子舌預測苦味化合物苦度的效果，選用不同濃度的鹽酸小檗堿作為苦度等級參比溶液，分別用人工口嘗法和TS-5000Z 電子舌評價苦參堿和氧化苦參堿的苦度并建立其苦度預測模型，該模型能預測藥物的苦度。為了優化和驗證利用電子舌評價中藥苦度的方法，李學林等[18]通過檢測35 種不同的中藥混合物的苦度，對電子舌檢測方法進行了優化，結果顯示，該法在6 h 內具有較好的重復性和精密度。這是首次用電子舌分析中藥材的苦味，結果顯示該方法可以準確地評價中藥材的苦度。

杜瑞超等[19]使用電子舌檢測了22 種中藥的水煎液，得到其酸、苦、甜、咸規律的聚類圖和特征雷達圖譜及酸、苦、甜味的判別因子分析模型，結果發現電子舌能夠對中藥味道進行準確區分。曹煌等[20]選用5 種具有辛味的中藥，用電子舌、電子鼻檢測其藥材、物質族群及單體成分，采用主成分分析法對檢測數據進行分析。結果顯示，電子舌可以區分不同味道的樣品。近年來，有學者將電子舌技術應用到中藥五味的藥效物質基礎研究中，并取得了一定成果。為了研究黃連、吳茱萸的苦味物質基礎與藥效的關系，梁曉光等[21-22]使用電子舌分別測定了黃連中的小檗堿等生物堿、吳茱萸中的檸檬苦素和生物堿等苦味化合物的苦度，并分別比較各苦味化合物對大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌的抑菌活性，發現苦度越大，抑菌效果越好，為苦味化合物是苦味藥的重要藥效物質基礎提供了理論依據。目前，研究人員對苦味中藥的藥效物質基礎進行研究，為中藥藥性的現代化研究開拓了新的思路，未來還可以采用電子舌技術對酸、甘、辛及咸味中藥進行檢測，探究具有上述味道的中藥藥效與其物質基礎之間的關系，從而明確中藥五味的藥效物質基礎。

2.2 評價掩味效果

中藥往往具有苦味、酸味或澀味，會降低患者用藥依從性，甚至會制約中藥發展，因此在開發中藥口服制劑，特別是針對兒童制劑時，要用合適的掩味技術對其進行矯味。評估掩味效果的常規方法是經典人群口感評價法（THTPM），由于人的味覺感受器受個體生理和心理條件的影響，容易產生感官疲勞效應、個體差異性[23-24]。電子舌技術不僅避免了化合物的毒性對志愿者健康的影響，而且具有數據客觀、操作簡便、檢測速度快等優點[25]，故其作為一種中藥味道的客觀評價方法具有廣闊的應用前景。韓雪等[26]使用電子舌檢測澀味中藥，結合主成分分析法對數據進行分析，并對其動物偏好指數模型進行驗證，構建了體內外的澀味量化評價方法，為中藥澀味的精確量化和矯味提供了客觀、可靠的工具。迄今為止，關于應用電子舌評估苦味中藥掩味效果的研究已經發表了多篇論文，表1列出了其在評價苦味中藥掩味效果中的應用。

表1 電子舌在評價苦味中藥掩味效果中的應用Tab 1 Application of electronic tongue in the evaluation of the flavor masking effect of bitter Chinese medicine

2.3 鑒別中藥材的產地

中藥材的不同生長條件會影響其質量和產量，與其他地區所產的同種中藥材相比，道地藥材的療效更好、質量更穩定[35]。目前，中藥材的異地引種、以次充好等現象日益突出，亟須一種能夠方便、快速判斷藥材產地的檢測方法。近年來，關于應用電子舌技術鑒別中藥材產地的研究已經發表了多篇論文，為未來中藥材市場監管及產業發展提供了一定的技術理論支持，表2列出了其在鑒別中藥材的產地中的應用。

2.4 鑒別中藥材的不同炮制品及炮制程度

中藥炮制品的炮制程度是否得當，將直接影響藥效。鑒別中藥炮制品主要根據中藥的顏色、質地、氣味，但目前中藥性狀鑒別中關于“味”的表述多為主觀感受，憑經驗描述，實際操作中難以區別不同炮制品的味道差異。因此，亟須一種技術來代替人的經驗判斷，客觀準確地判別中藥不同炮制品、控制中藥炮制過程中的質量。近年來，關于應用電子舌鑒別中藥材的不同炮制品及其炮制程度的研究已經發表了多篇論文，為未來中藥飲片炮制過程中的質量控制研究提供了進一步的思路與方法，表3列出了電子舌在鑒別中藥材的不同炮制品及炮制程度中的應用。

表2 電子舌在鑒別中藥材的產地中的應用Tab 2 Application of electronic tongue in the identification of origin of Chinese medicinal materials

表3 電子舌在鑒別中藥材的不同炮制品及炮制程度中的應用Tab 3 Application of electronic tongue in the identification of different processed products and processing degree of Chinese medicinal materials

2.5 評價中藥的質量

鑒別中藥的真偽優劣、評價中藥飲片的質量，對保證臨床用藥的安全性與有效性具有重要意義。中藥鑒定方法主要包括基源鑒定法、性狀鑒定法、顯微鑒定法和理化鑒定法[49-50]，其中性狀鑒別法因實用性強、操作簡單而較為常用。胥敏等[51]應用色彩色差計、電子舌和電子鼻技術分別測定蕓香科的枳殼、陳皮、枳實、青皮、佛手5 種中藥，得到其顏色、味感、嗅感的客觀數值，并對其數據進行主成分分析、歸一化處理和聚類分析。結果顯示，通過對中藥性狀中顏色、味感、嗅感的客觀數據化并結合主成分分析模型和聚類分析模型可以對5 種蕓香科中藥進行鑒別。吳娜等[52]采用α-Astree 電子舌和電子鼻很好地區分了川貝母、浙貝母及兩者等比例混合粉末。電子舌技術為中藥性狀鑒別研究提供了新的思路與方法，可將電子舌技術與色彩色差計、電子鼻技術相結合，從而全面客觀地鑒別人工難以區分的中藥飲片及粉末。

中藥提取物作為中藥材的一個重要存在形式，評價其質量的主要指標是中藥提取物中化學成分含量及浸膏率等，但是該法容易使人們陷入“唯成分論”。蘇青等[53]利用α-Astree 電子舌檢測了黃芩提取物的味道，并對其味覺信息進行主成分分析、統計質量控制分析和判別因子分析。結果顯示，黃芩提取物的味道可作為其質量評價指標。Masumi 等[54]利用電子舌技術測定了10 種苦味中藥的提取液，利用主成分分析、歐氏距離分析所得數據。結果顯示，苦味中藥提取物中小檗堿的味道可作為其質量評價指標。將來可以采用電子鼻、電子舌和電子眼等系統對中藥的“氣、味、色”進行宏觀控制，結合GC-MS、HPLC、GC 等技術對中藥含有的化學成分進行微觀控制，從而對中藥質量進行整體性評價。

2.6 識別藥材的采收時間和貯藏年限

大部分中藥是當年產并在產地干燥之后在市場流通、運輸和使用的。少數中藥的質量會受生長年限、貯存年限等條件的影響，例如傳統抗瘧植物青蒿應該以鮮品絞汁服用[55]；8月采收的柴胡中柴胡總皂苷的含量最高[56]；陳皮則隨貯存時間增加，不良反應減少，故宜陳久[57]。王斌等[58]利用電子舌對4 批不同生長年限的川牛膝藥材進行檢測，通過主成分和判別因子分析對其數據進行分析，發現1年生與2年生川牛膝藥材的電子舌響應值相近，與3年或4年生川牛膝藥材差距較大，建立的判別模型可對未知樣品進行準確判定。熊蕭蕭等[59]采用Astree-Ⅱ電子舌測定了10批不同年份的化橘紅樣品和1 個盲樣，采用主成分分析和判別因子分析處理數據，結果顯示，電子舌結合判別因子分析能夠識別化橘紅和盲樣的貯藏年份。臨床療效受采收時間或貯藏年限影響的中藥材中多含有揮發性成分，在檢測這類中藥材時，可以采用電子舌結合電子鼻的形式對其進行深入研究，以獲得更加全面的中藥材性狀信息。

2.7 評價臨床試驗中安慰劑的味道

安慰劑是一種用于臨床試驗研究，制備過程與試驗組產品相似的惰性物質，其外形與真藥相似，既沒有藥效，也沒有不良反應，例如葡萄糖、淀粉等[60]。實驗研究設計中的對照原則通常是首要強調的，因此安慰劑作為藥物臨床試驗中的對照組在臨床應用也越來越廣泛[61]。王茹茹等[62-63]對中藥安慰劑評價客觀量化的方法進行了歸納總結，提出采用α-Astree 型電子舌結合電子眼和電子鼻技術對自制的藿香正氣顆粒安慰劑與治療藥物樣品分別進行檢測，利用主成分分析、統計質量控制分析和雷達圖對電子舌的測定數據進行分析。結果顯示，智能感官技術可以對藿香正氣顆粒安慰劑和治療藥物進行準確地分析及判別。電子舌技術作為一種客觀可靠的安慰劑味道評價方法，可以在一定程度上避免人工評分所致的主觀因素影響，產生良好的安慰劑效應，保障對照試驗的科學性、客觀性。

3 結論與展望

全文總結了電子舌的原理及其在中藥領域的應用，與人工口嘗評價法相比，電子舌具有檢測時間短、數據客觀、操作方便、靈敏度高、不疲勞等特點，能夠用于評價中藥五味及其藥效物質基礎、評價掩味效果、鑒別中藥材產地、鑒別中藥材不同炮制品及炮制程度、評價中藥材的質量、識別藥材的采收時間和貯藏年限、客觀評價臨床試驗中安慰劑的味道等方面。目前，在中藥領域基于電子舌的研究中，應用最多的為Astree 電子舌，其次分別為TS-5000Z 型電子舌、α-Astree Ⅱ型電子舌、α-Astree 型電子舌及SA402B 系列電子舌。多數研究方法是以電子舌技術與化學計量學相結合，主要目的是客觀評價具有酸、苦、甘、辛、咸或澀味中藥的味道，并根據其味道對中藥樣品進行區分；少數方法是以電子舌與HPLC 相結合，主要研究了化學成分含量與味道的相關性；還有少數方法是電子舌結合電子鼻或電子眼來綜合考量中藥樣品的性狀特征。

由于中藥本身的復雜性，利用電子舌技術客觀評價中藥味道的研究中仍然存在一些挑戰。首先，電子舌系統只可以檢測液體樣品的味道，對難溶性藥物的檢測和分析造成了一定困難；其次，模擬識別系統作為電子舌技術中的重要組成部分，需要將統計學領域的數據處理手段與中藥的味道信息相融合，對分析人員的專業性需求較高。因此，亟需發展更加完善的電子舌技術，構建難溶性藥物味道的客觀評價標準，強化中藥味道客觀評價的科研能力以及提高分析人員對電子舌系統數據分析挖掘的能力。相信隨著電子舌技術的不斷發展，這項技術將會運用到中藥生產和使用的各個重要環節，為中藥材或中藥制劑的質量控制與評價提供科學有效的技術手段。