基于体外舌部感受机制的水凝胶传感器，用于评估葡萄酒的收敛性

《Microchemical Journal》：In-vitro tongue-inspired hydrogel sensor for wine astringency evaluation

涩味作为复杂口腔感受，其体外检测面临机制复杂与成分多样的挑战。本研究开发了一种仿生舌结构壳聚糖水凝胶传感器，通过嵌入粘蛋白模拟唾液蛋白与单宁等酚类化合物的相互作用。当多酚与粘蛋白形成疏水复合物时，水凝胶孔隙被阻断，离子电导率降低，通过循环伏安法实现涩味的定量检测。传感器构建了从1E-4wt%到5wt%的单宁标准曲线，可同步检测酚类物质协同效应，成功应用于葡萄酒涩味评价。该研究填补了体外涩味感知仿生模型的空白，为食品饮料行业提供了新检测范式。

　　

Jingjing Liu|Yan Zhang|Hongwei Yu|Weijia Li|Longfei Li|Yizhou Chen|Shikun Liu|Lixin Qiao|Jiale Kuang|Zetao Chen|Shuang Li|Qingjun Liu

东北电力大学自动化工程学院，中国吉林132000

摘要

涩味作为一种复杂的口腔感觉，由于其感知机制的复杂性和涉及涩味物质的多样性，给体外检测和量化带来了挑战。为了解决这一挑战，我们开发了一种受人类舌头启发的壳聚糖水凝胶传感器。在传感器中嵌入了黏蛋白以检测涩味多酚。当与涩味酚类化合物接触时，生成的沉淀物会缠结或阻塞孔隙，从而限制传感器内的离子导电性。涩味的检测是通过循环伏安法实现的。这种受舌头启发的传感器能够检测广泛的单宁酸浓度（1E^?4wt% - 5wt%），包括人类对涩味的感官阈值，并可以从传感数据中构建标准的涩味量化曲线。研究表明，通过整体涩味检测和协同效应可以再现实际的涩味感知过程，模拟了体外舌头的功能。此外，该传感器还可以根据涩味评估开瓶红葡萄酒的最佳饮用时间，为葡萄酒涩味的评估提供了一种新方法，显示出其在食品和饮料行业中的广泛应用潜力。

引言

葡萄酒是一种众所周知的酒精饮料，其质量和口感对消费者的体验至关重要[1]。涩味是葡萄酒最重要的感官特性之一，由多种富含酚类的化合物（如单宁、儿茶素和花青素）共同作用产生[2]。当葡萄酒中的酚类化合物进入口腔时，它们会与唾液蛋白通过氢键和疏水相互作用形成聚集体，从而产生干燥、粗糙和刺痛的感觉[3]、[4]、[5]。目前，通常使用感官评估方法来评价食品的涩味，但这些方法受主观因素影响较大，难以量化和标准化[6]、[7]。研究人员尝试使用浊度分析、光谱分析和口腔摩擦学等方法来定量检测涩味[8]、[9]、[10]。随着仿生学的发展，研究人员开发了基于生物原理的传感器，以模拟体外检测中的舌头功能[11]、[12]。与五种基本味道相比，由于涩味的感知过程存在争议，仿生涩味检测传感器的开发相对滞后[13]。

广泛接受的涩味刺激机制为仿生传感器的实现提供了基础。通过模拟涩味的变化来开发传感器，可以体外再现涩味的感知过程。Yoem等人[14]首次提出使用丙烯酰胺离子导电水凝胶来模拟舌头的结构。他们在水凝胶网络中嵌入了黏蛋白作为敏感材料，从而构建了用于涩味检测的仿生舌头。Khan等人[15]进一步使用壳聚糖水凝胶构建了一种高灵敏度的仿生涩味检测传感器。

这些人造舌头传感器旨在从多个角度模拟涩味的感知，如涩味机制、结构变化和信号转换。选择离子导电水凝胶作为仿生舌头的基底[16]、[17]。这种多孔且高度水合的水凝胶网络模仿了唾液层的结构和环境（99%的水分、分泌的蛋白质、电解质等）。水凝胶中的黏蛋白可以在涩味检测中替代唾液蛋白，并完成与酚类化合物的作用机制。与涩味化合物接触后，人体舌头上的唾液层结构会被疏水聚集体破坏。水凝胶层的孔结构也会被聚集体破坏，从而改变离子的流动性[18]、[19]。

选择水凝胶传感器进行体外模拟，因为它可以通过测量离子流动性来检测涩味，提供客观的量化值。在丙烯酰胺凝胶中，涩味物质的进入会触发络合反应，降低凝胶网络的孔隙率并显著增强离子流动[14]。生物相容性和化学稳定的壳聚糖凝胶可以应用于成分更复杂的实际样品[20]。它减少了检测过程中非目标物质的干扰，确保了结果的准确性。本研究选择壳聚糖、丙烯酰胺和丙烯酸作为传感器水凝胶层的基质材料。将能够与涩味物质相互作用的蛋白质嵌入水凝胶交联网络中，通过模拟口腔唾液层的感知过程来实现涩味检测。添加壳聚糖可以增加水凝胶的粘度，形成比单独使用丙烯酰胺凝胶更紧密的交联网络。这种将涩味聚集体捕获在水凝胶网络中的方式可以防止网络破裂，而是将它们困在网络内，减少水凝胶内的离子迁移。最终，水凝胶层的涩味刺激被捕获为电信号，模拟了从机械刺激到人体舌头上的生理电信号的转换过程。因此，这种受舌头启发的水凝胶传感器可以为涩味检测提供新的思路[21]。尽管仿生传感器取得了进展，但准确模拟涩味的整体感知仍然是一个挑战，特别是在捕捉涩味化合物之间的相互作用和协同效应方面[22]、[23]。

本研究结合了仿生传感器的设计概念和化学计量方法，开发了一种受舌头启发的水凝胶传感器来评估整体的涩味强度。选择壳聚糖/丙烯酰胺水凝胶作为主要材料，并将黏蛋白纳入水凝胶网络中，以完全模拟舌头的功能。在暴露于涩味刺激下，水凝胶基质内会发生络合反应，形成聚集体，阻碍水凝胶的三维孔结构，导致离子导电性降低。为了量化涩味，选择单宁酸作为代表性的酚类化合物进行检测，并使用Freundlich模型构建了标准的涩味量化曲线。该传感器可以检测结构相似的酚类化合物，评估整体涩味，并验证味道的协同效应，从而有效捕获全面的涩味信息。最终，该传感器被用于评估葡萄酒的涩味，验证了其实际应用能力。这种受舌头启发的传感器的开发填补了体外涩味感知模拟的空白，为仿生传感器的设计和葡萄酒涩味评估提供了新的思路。

材料与仪器

实验中使用了以下材料：壳聚糖（9012-76-4，分子量=60 kDa）、丙烯酸（9003-01-4，99%）、丙烯酰胺（79-06-1，AM，≥99%）、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（110-26-9，99%）、2,2-二乙氧基苯酮（6175-45-7，95%）、猪胃黏蛋白（84082-64-4）、单宁酸（1401-55-4，ACS）、原花青素（29106-49-8，≥95%）、没食子酸（149-91-7，≥99%）、儿茶素（154-23-4，≥97%）、硫酸奎宁、醋酸和乙醇，均购自上海阿拉丁（Shanghai Aladdin）

传感器的检测原理

涩味的感知涉及多种酚类化合物与唾液蛋白的相互作用。酚类化合物含有苯环和连接的羟基，而富含脯氨酸的蛋白质（如唾液中的蛋白质）主要由糖基骨架和疏水团组成[27]。当酚类化合物进入口腔时，它们的羟基与唾液蛋白的糖基骨架形成氢键，苯环与

结论

在这项研究中，我们开发了一种受舌头启发的水凝胶传感器，能够实现整体涩味的检测，填补了体外涩味感知模拟的空白。该传感器使用水凝胶材料作为主体来模拟口腔环境。它在水凝胶网络中嵌入蛋白质，以再现酚类化合物与蛋白质之间的相互作用。黏蛋白与酚类化合物之间的相互作用进一步增强了传感能力

CRediT作者贡献声明

Jingjing Liu：项目监督、项目管理、资金获取、概念构思。Yan Zhang：初稿撰写、可视化、数据整理。Hongwei Yu：撰写、审稿与编辑、验证、监督。Weijia Li：撰写、审稿与编辑、监督。Longfei Li：撰写、审稿与编辑。Yizhou Chen：验证、监督。Shikun Liu：撰写、审稿与编辑。Lixin Qiao：验证、监督、形式分析。Jiale Kuang：撰写、审稿与编辑。Zetao Chen：

资助

本工作得到了国家自然科学基金[31871882]和国家重点研发计划[2021YFC2800400]的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。