基于味觉细胞传感器的人工甜味剂识别方法的研究

【摘

要】根据目前的研究结果，某些人工甜味剂对人体是无毒无害的，如三氯蔗糖；然而某些甜味剂对人体健康是有不同程度的副作用，如阿斯巴甜、糖精。所以对食品中不同种类的人工甜味剂进行识别是非常有必要的。

【关键词】丝网印刷碳电极；味觉细胞传感器；NCI-H716细胞系；随机共振

本文构建了以NCI-H716甜味受体细胞为味觉敏感元件的细胞传感器来识别三种人工甜味剂的实验系统。同时分别检测不同浓度的三种人工甜味剂溶液，通过细胞阻抗法检测NCI-H716细胞对味质刺激的响应信号，并利用非线性信号分析方法处理实验数据，从而实现味觉特征信息提取的目的。

1、实验材料与方法

1.1　主要仪器设备

冰箱，培养箱，倒置显微镜，超净工作台，AL104型电子天平，KQ-500型超声波清洗器，恒温自动灌流系统，玻璃仪器气流烘干器，普林斯顿电化学阻抗分析系统（由EG&G　273A恒电位仪和Signal　Recovery　5210锁相放大器构成）。

1.2　实验材料

直肠癌细胞NCI-H716，丝网印刷碳电极125，PBS细胞培养缓冲溶液（不含Ca、Mg），多聚赖氨酸，实验用水>18MΩ/cm，阿斯巴甜，三氯蔗糖，糖精，KH2PO4，NaH2PO412H2O，戊二醛，锇酸溶液，乙醇，异戊酯，纯醋酸，均为分析纯。

1.3　实验方法

（1）参数的设置：甜味细胞传感器实验系统控制在1KHz频率下10μA的探针电流下进行阻抗测试，每间隔5s进行一次采样，一共采集70个点，用PBS对前13个点进行灌流，余下的点用味质溶液持续灌流。

（2）味质的检测实验：

①三氯蔗糖溶液的电极检测

已修饰了NCI-H716细胞的丝网印刷碳电极插入灌流室，将阻抗分析系统与电极连接线连接。7个不同浓度的三氯蔗糖溶液每个浓度检测3次，每次用一个电极检测，并且将测得的数据保存做好记录。

②阿斯巴甜溶液的电极检测

已修饰了NCI-H716细胞的丝网印刷碳电极插入灌流室，将阻抗分析系统与电极连接线连接。7个不同浓度的阿斯巴甜溶液每个浓度检测3次，每次用一个电极检测，并且将测得的数据保存做好记录。

③糖精溶液的电极检测

已修饰了NCI-H716细胞的丝网印刷碳电极插入灌流室，将阻抗分析系统与电极连接线连接。7个不同浓度的糖精溶液每个浓度检测3次，每次用一个电极检测，并且将测得的数据保存做好记录。

（3）溶液配制

①溶液配制

三氯蔗糖7种不同甜度溶液：2.8333×10-5M、4.1666×10-5M、5.8333×10-5M、8.5000×10-5M、1.1783×10-4M、1.6667×10-4M、3.3333×10-4M。

阿斯巴甜7种不同甜度溶液：8.50×10-5M、1.25×10-4M、1.75×10-4M、2.55×10-4M、3.535×10-4M、5.00×10-4M、1.00×10-3M。

糖精7种不同甜度溶液：　4.250×10-5M、6.250×10-5M、8.750×10-5M、1.275×10-4M、1.7675×10-4M、2.500×10-4M、5.000×10-4M。

所有溶质溶于新鲜PBS（1×）溶液中。

2、结果与讨论

2.1　味觉细胞传感器对三种人工甜味剂的识别结果

2.1.1　随机共振处理数据

随机共振是非线性动力学领域中的一种以噪声诱发使输出信号产生节律性并增强输出信噪比的一种新型理论。随机共振现象是非线性动力系统中的一种反直观的现象，双稳态随机共振包括：非线性系统、弱信号和噪声源。随机共振理论是利用噪声而非消除噪声来达到信号检测的目的，在本实验中，我们选用随机共振的方法处理数据，从而解释阻抗响应信号。

2.2　味觉细胞传感器识别人工甜味剂浓度梯度

2.2.1　三种人工甜味剂溶液区分结果图

图1是通过对原始实验数据进行随机共振处理后的结果，图中纵坐标代表的是信噪比强度，横坐标代表的是噪声强度。图1（a）是丝网印刷碳电极对三氯蔗糖响应的信噪比-噪声曲线，图1（b）是丝网印刷碳电极对阿斯巴甜响应的信噪比-噪声曲线，图1（c）是丝网印刷碳电极对糖精响应的信噪比-噪声曲线。从图1（a）可以得出：在相同的噪声强度下，7个不同浓度的三氯蔗糖溶液都出现了信噪比极大值，从图1（b）可以得出，在相同的噪声强度下，7个不同浓度的阿斯巴甜溶液都出现了信噪比极大值，从图1（c）可以得出，在相同的噪声强度下，7个不同浓度的糖精溶液都出现了信噪比极大值，但是信号强度跟三种人工甜味剂的浓度都不存在线性相关。

由图1（a）、（b）、（c）可以得出：三氯蔗糖、阿斯巴甜和糖精分别在各自特定的噪声强度下出现了信噪比极大值。三氯蔗糖出现信噪比极大值时的噪声强度为80，与阿斯巴甜、糖精差别较大，比较容易区分。而阿斯巴甜与糖精出现信噪比极大值时的噪声强度较接近，分别为135和144。

根据随机共振的实验结果，我们可以得出NCI-H716细胞与三种人工甜味剂特异性结合的时候，会导致味觉细胞的细胞膜去极化和神经递质的释放。并且分别在不同的噪声强度下出现信噪比极大值，从而可以通过观察丝网印刷碳电极对其响应的信噪比-噪声曲线来区分这三种人工甜味剂。

2.2.2　三种人工甜味剂浓度梯度与其对应信噪比强度峰值柱状图

图2是对图1中三种人工甜味剂经过随机共振处理后的数据，再选用Origin8.0软件作柱状图的结果。图中纵坐标代表的是信噪比强度（SNR），横坐标代表的是溶液浓度（con）。从图2（a）、（b）、（c）可以看出：三氯蔗糖、阿斯巴甜和糖精溶液出现信噪比强度峰值与溶液浓度基本呈反比关系。三氯蔗糖与阿斯巴甜、糖精溶液的柱状图差异较大，而阿斯巴甜与糖精溶液的柱状图比较相近。图2（a）中，三氯蔗糖溶液7个浓度所对应的信噪比强度峰值柱状处于逐渐递减的趋势。图2（b）与图2（c）中的阿斯巴甜与糖精溶液7个浓度所对应的信噪比强度峰值柱状的中间5个浓度比较密集，最大的浓度处于骤减的趋势。图2（b）中的阿斯巴甜溶液7个浓度所对应的信噪比强度峰值柱状的前6个浓度递减趋势要比图2（c）的明显。图2（c）中的第3个跟第4个浓度并不是递减的，第4个浓度所对应的信噪比强度峰值反而要比第3个浓度所对应的要高一点，但是这并不影响总体呈现递减的趋势。

综上图所述，我们可以根据三氯蔗糖、阿斯巴甜、糖精浓度梯度与其对应的信噪比强度峰值柱状图来分别识别这三种人工甜味剂的浓度。