在20世纪90年代初期,电子舌(electronictongue,ET)的概念被提出,即利用传感器阵列模拟人类味蕾组织对液体样品的味道进行检测[1],该技术通过传感器阵列从复杂的样本中获得味道的电信号;同时应用一系列的化学计量法对高度复杂的数据进行处理,如主成分分析(PCA)、偏最小二乘法(PLS)、判别因子分析(DFA)、聚类分析(CA)、人工神经网络(ANN)等[2]。电子舌技术因为检测时间短、操作简单、灵敏度高、可靠性强等特点,已被广泛应用于食品和饮料领域,包括客观评价牛肉、枸杞子、红酒及白酒的味道,预测专家评分、检测其是否掺假等[3,4,5,6],体现出该技术既可以对液体样品的整体滋味进行评价,又可检测单体成分的优势,兼顾了整体性和现代分析技术具体化的要求,且不用对样品进行前处理。近年来,该技术在中药领域中的应用也越来越广泛,涉及评价中药五味及其药效物质基础、评价掩味效果、依据中药的味道差别鉴别中药炮制品、评价安慰剂的味道及中药材的质量等。本文对电子舌的组成、原理及其在中药研究中的应用进行综述,以期为中药味道客观评价的研究提供思路和技术方法。

1、电子舌的组成及原理

1.1电子舌的组成

电子舌系统由味觉传感器阵列、信号采集系统、模式识别系统三部分组成[7]。味觉传感器阵列相当于人类的舌头,能够对被测液体中的味道进行感应,目前以电化学传感器最为普遍。根据传感器的工作原理不同,可分为电位分析传感器、伏安分析传感器、阻抗谱型传感器;信号采集系统相当于人类的神经系统,采集由传感器和液体样品接触所产生的电信号,并将其传递给电脑中的识别系统;模式识别系统相当于人类的大脑,将接收到的电信号转换成味觉值并进行分析和预测,使检测结果更接近实际值。目前针对模式识别的研究主要集中在对不同的化学计量学方法的研究。商品化的电子舌仪器中以伏安型和电位型居多,前者是以日本Toko课题组开发的味觉分析系统和法国AlphaM.O.S公司开发的电子舌为主,后者以瑞典Winquest课题组电子舌和国内邓少平课题组的智舌(smarttongue)为主;生物传感器等类型电子舌仍在研究和优化之中[8]。

1.2电子舌的原理

1.2.1电位型电子舌

电位型电子舌是由Toko等[9]首次提出,其传感器阵列由工作电极和参比电极组成。离子选择电极(ISES)制作的电位分析传感器,是液体多组分味觉分析中使用最为广泛的类型。电位型电子舌的工作电极上镀了一层具有离子选择性的膜,称为敏感膜,当被测溶液接触工作电极时,溶液中的离子会在敏感膜和溶液之间进行选择性分配,导致敏感膜上的电荷数量发生变化,从而产生电位的变化。由于电位传感器的原理是电荷分离时产生电位变化的信号,因此电位型电子舌的检测范围仅限于强电解质溶液。

1.2.2伏安型电子舌

伏安型电子舌是由Olsson等[10]提出的一种用于检测各种饮料的电子舌,其传感器阵列通常由不同类型的3个电极组成,分别是工作电极、参比电极与辅助电极,也有少数电子舌系统的传感器阵列由双电极组成。当给工作电极施加有规律的脉冲电压时,通过测量工作电极和参比电极之间的电流信号,得出检测的液体样品电信号[11]。相比于电位型和阻抗型电子舌,伏安型电子舌一般具有操作简单、使用寿命长、检测限低等优点,但其仅适用于检测具有氧化还原型性的活性物质。

1.2.3阻抗型电子舌

阻抗型电子舌是由Riul等[12]首次提出,其传感器阵列中的电极为贵金属电极或碳电极。该电子舌的响应灵敏度较高,但是对制作电极修饰膜的要求也较高,所以重现性和稳定性较差,不适用于快速、重复地检测样品。

2、电子舌在中药领域的应用

电子舌技术目前已广泛应用于中药领域,包括鉴别药材的种类、产地、采收及储存时间、炮制程度,评价中药五味及其药效物质基础、掩味效果、中药质量及临床试验中安慰剂的味道等,为中药材或中药制剂的质量控制与评价提供科学有效的技术手段。

2.1评价中药五味及其药效物质基础

中药药性是中医药学理论体系的重要组成部分,“四气五味”则是中药药性理论的核心内容之一,《本经》指出药有酸、苦、甘(甜)、辛、咸五味[13],这五味不仅指中药的真实滋味,更是一种功能和性质的体现。2015年版《中国药典》收录的618种药材和饮片中,以苦味为主味的药材占32.4%[14],反映了苦味药物在中药中的普遍性和重要性,其中主要苦味成分是生物碱、糖苷类、萜类、蒽醌、黄酮及苦味素类等[15,16]。李学林等[17]为检测电子舌预测苦味化合物苦度的效果,选用不同浓度的盐酸小檗碱作为苦度等级参比溶液,分别用人工口尝法和TS-5000Z电子舌评价苦参碱和氧化苦参碱的苦度并建立其苦度预测模型,该模型能预测药物的苦度。为了优化和验证利用电子舌评价中药苦度的方法,李学林等[18]通过检测35种不同的中药混合物的苦度,对电子舌检测方法进行了优化,结果显示,该法在6h内具有较好的重复性和精密度。这是首次用电子舌分析中药材的苦味,结果显示该方法可以准确地评价中药材的苦度。

杜瑞超等[19]使用电子舌检测了22种中药的水煎液,得到其酸、苦、甜、咸规律的聚类图和特征雷达图谱及酸、苦、甜味的判别因子分析模型,结果发现电子舌能够对中药味道进行准确区分。曹煌等[20]选用5种具有辛味的中药,用电子舌、电子鼻检测其药材、物质族群及单体成分,采用主成分分析法对检测数据进行分析。结果显示,电子舌可以区分不同味道的样品。近年来,有学者将电子舌技术应用到中药五味的药效物质基础研究中,并取得了一定成果。为了研究黄连、吴茱萸的苦味物质基础与药效的关系,梁晓光等[21,22]使用电子舌分别测定了黄连中的小檗碱等生物碱、吴茱萸中的柠檬苦素和生物碱等苦味化合物的苦度,并分别比较各苦味化合物对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌的抑菌活性,发现苦度越大,抑菌效果越好,为苦味化合物是苦味药的重要药效物质基础提供了理论依据。目前,研究人员对苦味中药的药效物质基础进行研究,为中药药性的现代化研究开拓了新的思路,未来还可以采用电子舌技术对酸、甘、辛及咸味中药进行检测,探究具有上述味道的中药药效与其物质基础之间的关系,从而明确中药五味的药效物质基础。

2.2评价掩味效果

中药往往具有苦味、酸味或涩味,会降低患者用药依从性,甚至会制约中药发展,因此在开发中药口服制剂,特别是针对儿童制剂时,要用合适的掩味技术对其进行矫味。评估掩味效果的常规方法是经典人群口感评价法(THTPM),由于人的味觉感受器受个体生理和心理条件的影响,容易产生感官疲劳效应、个体差异性[23,24]。电子舌技术不仅避免了化合物的毒性对志愿者健康的影响,而且具有数据客观、操作简便、检测速度快等优点[25],故其作为一种中药味道的客观评价方法具有广阔的应用前景。韩雪等[26]使用电子舌检测涩味中药,结合主成分分析法对数据进行分析,并对其动物偏好指数模型进行验证,构建了体内外的涩味量化评价方法,为中药涩味的精确量化和矫味提供了客观、可靠的工具。迄今为止,关于应用电子舌评估苦味中药掩味效果的研究已经发表了多篇论文,表1列出了其在评价苦味中药掩味效果中的应用。

表1电子舌在评价苦味中药掩味效果中的应用

2.3鉴别中药材的产地

中药材的不同生长条件会影响其质量和产量,与其他地区所产的同种中药材相比,道地药材的疗效更好、质量更稳定[35]。目前,中药材的异地引种、以次充好等现象日益突出,亟须一种能够方便、快速判断药材产地的检测方法。近年来,关于应用电子舌技术鉴别中药材产地的研究已经发表了多篇论文,为未来中药材市场监管及产业发展提供了一定的技术理论支持,表2列出了其在鉴别中药材的产地中的应用。

2.4鉴别中药材的不同炮制品及炮制程度

表2电子舌在鉴别中药材的产地中的应用

中药炮制品的炮制程度是否得当,将直接影响药效。鉴别中药炮制品主要根据中药的颜色、质地、气味,但目前中药性状鉴别中关于“味”的表述多为主观感受,凭经验描述,实际操作中难以区别不同炮制品的味道差异。因此,亟须一种技术来代替人的经验判断,客观准确地判别中药不同炮制品、控制中药炮制过程中的质量。近年来,关于应用电子舌鉴别中药材的不同炮制品及其炮制程度的研究已经发表了多篇论文,为未来中药饮片炮制过程中的质量控制研究提供了进一步的思路与方法,表3列出了电子舌在鉴别中药材的不同炮制品及炮制程度中的应用。

表3电子舌在鉴别中药材的不同炮制品及炮制程度中的应用

2.5评价中药的质量

鉴别中药的真伪优劣、评价中药饮片的质量,对保证临床用药的安全性与有效性具有重要意义。中药鉴定方法主要包括基源鉴定法、性状鉴定法、显微鉴定法和理化鉴定法[49,50],其中性状鉴别法因实用性强、操作简单而较为常用。胥敏等[51]应用色彩色差计、电子舌和电子鼻技术分别测定芸香科的枳壳、陈皮、枳实、青皮、佛手5种中药,得到其颜色、味感、嗅感的客观数值,并对其数据进行主成分分析、归一化处理和聚类分析。结果显示,通过对中药性状中颜色、味感、嗅感的客观数据化并结合主成分分析模型和聚类分析模型可以对5种芸香科中药进行鉴别。吴娜等[52]采用α-Astree电子舌和电子鼻很好地区分了川贝母、浙贝母及两者等比例混合粉末。电子舌技术为中药性状鉴别研究提供了新的思路与方法,可将电子舌技术与色彩色差计、电子鼻技术相结合,从而全面客观地鉴别人工难以区分的中药饮片及粉末。

中药提取物作为中药材的一个重要存在形式,评价其质量的主要指标是中药提取物中化学成分含量及浸膏率等,但是该法容易使人们陷入“唯成分论”。苏青等[53]利用α-Astree电子舌检测了黄芩提取物的味道,并对其味觉信息进行主成分分析、统计质量控制分析和判别因子分析。结果显示,黄芩提取物的味道可作为其质量评价指标。Masumi等[54]利用电子舌技术测定了10种苦味中药的提取液,利用主成分分析、欧氏距离分析所得数据。结果显示,苦味中药提取物中小檗碱的味道可作为其质量评价指标。将来可以采用电子鼻、电子舌和电子眼等系统对中药的“气、味、色”进行宏观控制,结合GC-MS、HPLC、GC等技术对中药含有的化学成分进行微观控制,从而对中药质量进行整体性评价。

2.6识别药材的采收时间和贮藏年限

大部分中药是当年产并在产地干燥之后在市场流通、运输和使用的。少数中药的质量会受生长年限、贮存年限等条件的影响,例如传统抗疟植物青蒿应该以鲜品绞汁服用[55];8月采收的柴胡中柴胡总皂苷的含量最高[56];陈皮则随贮存时间增加,不良反应减少,故宜陈久[57]。王斌等[58]利用电子舌对4批不同生长年限的川牛膝药材进行检测,通过主成分和判别因子分析对其数据进行分析,发现1年生与2年生川牛膝药材的电子舌响应值相近,与3年或4年生川牛膝药材差距较大,建立的判别模型可对未知样品进行准确判定。熊萧萧等[59]采用Astree-Ⅱ电子舌测定了10批不同年份的化橘红样品和1个盲样,采用主成分分析和判别因子分析处理数据,结果显示,电子舌结合判别因子分析能够识别化橘红和盲样的贮藏年份。临床疗效受采收时间或贮藏年限影响的中药材中多含有挥发性成分,在检测这类中药材时,可以采用电子舌结合电子鼻的形式对其进行深入研究,以获得更加全面的中药材性状信息。

2.7评价临床试验中安慰剂的味道

安慰剂是一种用于临床试验研究,制备过程与试验组产品相似的惰性物质,其外形与真药相似,既没有药效,也没有不良反应,例如葡萄糖、淀粉等[60]。实验研究设计中的对照原则通常是首要强调的,因此安慰剂作为药物临床试验中的对照组在临床应用也越来越广泛[61]。王茹茹等[62,63]对中药安慰剂评价客观量化的方法进行了归纳总结,提出采用α-Astree型电子舌结合电子眼和电子鼻技术对自制的藿香正气颗粒安慰剂与治疗药物样品分别进行检测,利用主成分分析、统计质量控制分析和雷达图对电子舌的测定数据进行分析。结果显示,智能感官技术可以对藿香正气颗粒安慰剂和治疗药物进行准确地分析及判别。电子舌技术作为一种客观可靠的安慰剂味道评价方法,可以在一定程度上避免人工评分所致的主观因素影响,产生良好的安慰剂效应,保障对照试验的科学性、客观性。

3、结论与展望

全文总结了电子舌的原理及其在中药领域的应用,与人工口尝评价法相比,电子舌具有检测时间短、数据客观、操作方便、灵敏度高、不疲劳等特点,能够用于评价中药五味及其药效物质基础、评价掩味效果、鉴别中药材产地、鉴别中药材不同炮制品及炮制程度、评价中药材的质量、识别药材的采收时间和贮藏年限、客观评价临床试验中安慰剂的味道等方面。目前,在中药领域基于电子舌的研究中,应用最多的为Astree电子舌,其次分别为TS-5000Z型电子舌、α-AstreeⅡ型电子舌、α-Astree型电子舌及SA402B系列电子舌。多数研究方法是以电子舌技术与化学计量学相结合,主要目的是客观评价具有酸、苦、甘、辛、咸或涩味中药的味道,并根据其味道对中药样品进行区分;少数方法是以电子舌与HPLC相结合,主要研究了化学成分含量与味道的相关性;还有少数方法是电子舌结合电子鼻或电子眼来综合考量中药样品的性状特征。

由于中药本身的复杂性,利用电子舌技术客观评价中药味道的研究中仍然存在一些挑战。首先,电子舌系统只可以检测液体样品的味道,对难溶性药物的检测和分析造成了一定困难;其次,模拟识别系统作为电子舌技术中的重要组成部分,需要将统计学领域的数据处理手段与中药的味道信息相融合,对分析人员的专业性需求较高。因此,亟需发展更加完善的电子舌技术,构建难溶性药物味道的客观评价标准,强化中药味道客观评价的科研能力以及提高分析人员对电子舌系统数据分析挖掘的能力。相信随着电子舌技术的不断发展,这项技术将会运用到中药生产和使用的各个重要环节,为中药材或中药制剂的质量控制与评价提供科学有效的技术手段。

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