韓方凱，馮 凡，張東京，段騰飛，夏秋霞，張興桃

(宿州學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

科教融合是當(dāng)代高等教育的核心理念。高素質(zhì)本科生人才不僅要具有扎實(shí)的專業(yè)理論知識(shí)，而且要具備良好的創(chuàng)新精神和一定的創(chuàng)新能力?？v觀各學(xué)科發(fā)展歷史，可以發(fā)現(xiàn)學(xué)科基礎(chǔ)理論均來源于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究。正是由于歷史上眾多涉及食品的科學(xué)研究，才有現(xiàn)行的食品基礎(chǔ)理論體系。因此，將科學(xué)研究的最新成果融入教學(xué)當(dāng)中，一方面可使本科生對(duì)所學(xué)習(xí)的專業(yè)基礎(chǔ)理論知其所以然，方便理解和掌握；另一方面還可激發(fā)本科生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。味覺傳感技術(shù)是目前食品品質(zhì)快速檢測(cè)領(lǐng)域中非?；钴S的研究課題。通過科研與人才培養(yǎng)緊密結(jié)合，味覺傳感新技術(shù)的研究豐富了食品專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容、促進(jìn)了本科生創(chuàng)新教育，極大地有利于高素質(zhì)食品專業(yè)本科生的培養(yǎng)。

1 味覺傳感技術(shù)研究概況及趨勢(shì)

味覺傳感技術(shù)，又稱電子舌，于20世紀(jì)80～90年代提出[1]，是感官分析儀器化表征的一種方法?，F(xiàn)已研究的電子舌主要由味覺傳感器陣列和模式識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)成。味覺傳感器陣列將液態(tài)樣品中微痕量化學(xué)信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并具備弱選擇性、非特異性和交互敏感性的特征；模式識(shí)別系統(tǒng)用于構(gòu)建定性識(shí)別或定量預(yù)測(cè)模型。與傳統(tǒng)的專一性傳感器檢測(cè)裝置相比，電子舌檢測(cè)范圍更寬，且檢測(cè)精度更高，在食品品質(zhì)快速檢測(cè)分析中應(yīng)用頗為廣泛，如食品品質(zhì)等級(jí)區(qū)分、產(chǎn)地區(qū)分、品牌識(shí)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(xué)物質(zhì)、毒有害成分的定量預(yù)測(cè)等。

味覺傳感技術(shù)的研究趨勢(shì)集中在以下3個(gè)方面：(1)新型低成本味覺傳感器陣列的研制?，F(xiàn)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(jià)格昂貴、制作困難、使用壽命短等缺陷。因此，開發(fā)味覺信息獲取新技術(shù)，研制低成本味覺傳感器陣列，對(duì)電子舌的普及使用具有重要的意義；(2)新型快速模式識(shí)別算法的研究。電子舌數(shù)據(jù)分析中常用的線性模式識(shí)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BP-Artificial neural network,BP-NN)、支持向量機(jī)(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(shù)據(jù)與檢測(cè)目標(biāo)之間是復(fù)雜的非線性關(guān)系，導(dǎo)致人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性算法往往能夠獲得較好的預(yù)測(cè)精確度[2]。然而，BP-NN和SVM計(jì)算過程復(fù)雜且預(yù)測(cè)性能易受模型預(yù)設(shè)參數(shù)的影響，耗時(shí)較久，難以滿足食品品質(zhì)在線檢測(cè)的要求。因此，新型快速模式識(shí)別算法的研究非常重要；(3)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展依然是味覺傳感技術(shù)研究的熱點(diǎn)方向，如檢測(cè)對(duì)象由液態(tài)食品向固態(tài)食品拓展，檢測(cè)目標(biāo)由食品中綜合品質(zhì)指標(biāo)及天然組分的定量分析向微痕量污染物的定量預(yù)測(cè)發(fā)展，檢測(cè)過程由離線檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)向在線檢測(cè)發(fā)展等。

2 味覺傳感新技術(shù)的研究豐富食品專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容

味覺傳感新技術(shù)研究豐富了《食品分析》的教學(xué)內(nèi)容?！妒称贩治觥费芯渴称吩诋a(chǎn)、銷過程中的品質(zhì)及變化，依據(jù)物理、化學(xué)分析及微生物學(xué)檢驗(yàn)等基本手段，對(duì)食品原料、輔料、成品、半成品的各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)，包括營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、食品添加劑、有毒有害成分、微生物等進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，以達(dá)到保障產(chǎn)品質(zhì)量、革新加工工藝等目的。重金屬殘留嚴(yán)重影響食品的食用安全性，近乎所有的食品品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中均有對(duì)重金屬殘留的限量要求。食品重金屬殘留的常規(guī)檢測(cè)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(zhì)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(cè)技術(shù)的開發(fā)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(gòu)建新型低成本味覺可視化傳感器陣列，用于鯽魚體內(nèi)Pb，Cd，Hg殘留的定量預(yù)測(cè)。對(duì)比采用PLS和極限學(xué)習(xí)機(jī)(Extreme Learning Machine,ELM)構(gòu)建基于味覺傳感的魚體內(nèi)重金屬殘留定量預(yù)測(cè)模型。結(jié)果顯示，ELM模型的預(yù)測(cè)效果好，測(cè)試集對(duì)鯽魚體內(nèi)Pb，Cd，Hg殘留量的預(yù)測(cè)值和ICP-MS法測(cè)量值之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.854，0.83和0.845，預(yù)測(cè)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(jié)果表明，所構(gòu)建的新型味覺可視化傳感器陣列在魚體內(nèi)重金屬殘留的低成本、快速預(yù)測(cè)方面具有很大的潛力。顯然地，該味覺傳感新技術(shù)研究豐富了食品中有毒有害成分分析的教學(xué)內(nèi)容。

味覺傳感新技術(shù)研究豐富了《食品保藏學(xué)》課程的教學(xué)內(nèi)容?！妒称繁２貙W(xué)》研究食品在保藏過程發(fā)生的品質(zhì)變化，并闡釋食品品質(zhì)變劣的原因，針對(duì)導(dǎo)致食品腐敗變質(zhì)的主要因素，開發(fā)控制方法并解釋保藏機(jī)理。顯然，食品在保藏過程中品質(zhì)指標(biāo)變化的客觀、準(zhǔn)確、快速監(jiān)測(cè)，對(duì)深入理解食品品質(zhì)的劣變機(jī)理，開發(fā)相應(yīng)保藏技術(shù)至關(guān)重要。魚營(yíng)養(yǎng)豐富，極易發(fā)生腐敗變質(zhì)。新鮮度是表征魚在貯藏過程中綜合品質(zhì)的重要指標(biāo)，其常規(guī)檢測(cè)方法主要是感官評(píng)價(jià)法、化學(xué)指標(biāo)檢測(cè)法等。感官評(píng)價(jià)法主觀性較強(qiáng)，化學(xué)指標(biāo)檢測(cè)法操作過程繁瑣、耗時(shí)較久。因此，開發(fā)一種客觀、簡(jiǎn)便的魚新鮮度快速 檢測(cè)新方法具有重要的研究意義。研究采用電子舌技術(shù)對(duì)4℃下不同冷藏天數(shù)的鯧魚進(jìn)行檢測(cè)分析，并構(gòu)建了基于電子舌的魚新鮮度化學(xué)指標(biāo)值-揮發(fā)性鹽基氮(Total volatile basic nitrogen,TVB-N)的SVM定量預(yù)測(cè)模型。結(jié)果顯示，SVM模型測(cè)試集相關(guān)系數(shù)為0.9727，RMSEP為2.8×10-4mg/g，預(yù)測(cè)效果較好，實(shí)現(xiàn)了基于電子舌的魚新鮮度定量預(yù)測(cè)[4]。

味覺傳感新技術(shù)研究豐富了《食品感官評(píng)定》的教學(xué)內(nèi)容。食品感官評(píng)定以人的感覺為基礎(chǔ)，通過味覺、嗅覺、視覺、觸覺等感官對(duì)食品的各種屬性進(jìn)行鑒定分析。感官評(píng)價(jià)較理化分析和微生物檢驗(yàn)更能精確表達(dá)食品的綜合品質(zhì)。發(fā)展能夠符合人類感官系統(tǒng)的儀器是感官分析研究的必然趨勢(shì)。味覺傳感技術(shù)就是對(duì)人類味覺感知系統(tǒng)的模仿。在人類味覺感知系統(tǒng)中，味蕾中的味覺細(xì)胞將食物中的滋味信息轉(zhuǎn)換成生物電信號(hào)，生物電信號(hào)通過神經(jīng)纖維傳遞給大腦，大腦對(duì)采集到的味覺信息進(jìn)行處理分析，得出指紋識(shí)別結(jié)果，即產(chǎn)生味覺。電子舌系統(tǒng)中味覺傳感器陣列即是對(duì)味蕾的模仿，采集液態(tài)樣本中的"滋味"信息，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出；模式建模及預(yù)測(cè)即是對(duì)大腦處理味覺信息過程的模仿。顯然，味覺傳感新技術(shù)研究豐富了食品味覺評(píng)定的教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)了《食品感官》課堂教學(xué)。

3 味覺傳感新技術(shù)的研究促進(jìn)本科生創(chuàng)新教育

創(chuàng)新教育在高素質(zhì)本科生人才培養(yǎng)中具有重要的意義。味覺傳感新技術(shù)的研究促進(jìn)食品專業(yè)本科生開展創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目研究。葡萄酒滋味鮮美、營(yíng)養(yǎng)豐富、品位高雅，深受消費(fèi)者喜愛。近年來，我國(guó)葡萄酒的生產(chǎn)量和消費(fèi)量均在穩(wěn)步上升，與此同時(shí)葡萄酒的營(yíng)養(yǎng)及安全性品質(zhì)問題亦愈來愈受到消費(fèi)者的關(guān)注。傳統(tǒng)的葡萄酒品質(zhì)檢測(cè)方法主要是感官評(píng)價(jià)法和理化指標(biāo)檢測(cè)法。感官評(píng)價(jià)法雖簡(jiǎn)單易行、但主觀性較強(qiáng)；理化檢測(cè)法一般成本較高、時(shí)間長(zhǎng)且操作不便。味覺可視化技術(shù)是近年來新發(fā)展的食品品質(zhì)快速檢測(cè)技術(shù)。它是采用金屬卟啉等化學(xué)顯色劑與待測(cè)液體中微痕量化學(xué)組分反應(yīng)前后顏色發(fā)生變化這一性質(zhì)來進(jìn)行食品品質(zhì)指標(biāo)的定性和定量分析。與傳統(tǒng)的基于導(dǎo)電聚合物薄膜或電化學(xué)方法的傳感器測(cè)定法相比，味覺可視化技術(shù)具有成本低、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。提出采用味覺可視化技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)建立葡萄酒品質(zhì)的快速檢測(cè)新方法，具有一定的理論和實(shí)踐意義?；诖耍笇?dǎo)本科生開展創(chuàng)新項(xiàng)目研究，以本科生作項(xiàng)目負(fù)責(zé)人獲得2017年度國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目支持(編號(hào)：201710379008)，并以良好等次結(jié)項(xiàng)。

味覺傳感新技術(shù)研究促進(jìn)食品專業(yè)本科生發(fā)明創(chuàng)造。食品味覺、嗅覺信息融合檢測(cè)可以更加全面地反映食品綜合品質(zhì)。然而，現(xiàn)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(cè)。試驗(yàn)時(shí)，分別獲取味覺、嗅覺可視化傳感器信息，經(jīng)數(shù)據(jù)融合后，構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，用于目標(biāo)食品品質(zhì)指標(biāo)的定性或定量分析。通過分別構(gòu)建傳感器陣列進(jìn)行味覺、嗅覺特征信息融合此種形式的融合檢測(cè)對(duì)食品品質(zhì)的檢測(cè)分析，不僅耗時(shí)耗力，且成本較高。為克服現(xiàn)有技術(shù)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(fèi)用成本低、檢測(cè)速度快、檢測(cè)精度高、檢測(cè)范圍寬，且使用壽命長(zhǎng)、不同批次間一致性好。基于此，以本科生作重要發(fā)明人申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng)(申請(qǐng)?zhí)枺?01710540958.3)。

味覺傳感新技術(shù)的研究促進(jìn)食品專業(yè)本科生學(xué)科競(jìng)賽。研究所建立的魚體內(nèi)重金屬殘留的低成本電子舌預(yù)測(cè)新方法，獲得第三屆全國(guó)大學(xué)生生命科學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽二等獎(jiǎng)；所建立的基于智能味覺、嗅覺可視化融合的葡萄酒品質(zhì)快速檢測(cè)新方法獲得全國(guó)大學(xué)生生命科學(xué)競(jìng)賽優(yōu)勝獎(jiǎng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

民以食為天，食品工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的支柱產(chǎn)業(yè)。食品工業(yè)持續(xù)快速地發(fā)展需要高素質(zhì)食品專業(yè)人才的大力支撐，高等教育在此發(fā)揮著極其重要的作用。將優(yōu)質(zhì)豐富的科學(xué)研究資源與本科教學(xué)緊密結(jié)合，以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，是我國(guó)高等教育發(fā)展的必然趨勢(shì)。可以從科研豐富食品專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容、促進(jìn)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目研究、發(fā)明創(chuàng)造、學(xué)科競(jìng)賽等方面著手，將科學(xué)研究與本科教學(xué)緊密結(jié)合，為我國(guó)食品工業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)專門人才。