嗅觉与气味的仿生测定

西北 业大学 马海乐 扬巧绒 摘 ‘要 本文介绍了嗅觉的原理、嗅觉的分辨机制及气味的仿生测定的有关研究进展，并指出 嗅觉传感器的四个发展方向：从单功能向多功能发展J人工感觉的智能化J功能的开 发}响应结果的识别模拟。 ABSTRACT This paper introduced some studies on principle of smell，its distingui sh dable mechani sm and blonle determination for food odour．F0ur dlrectlons of evelopmeat on Sensor of sme11 have beea pointed： (1)development from sin— gle—function to multiple fnnctiorLs； (2)iatelligentization of artificial sence l (3)opening—up of functional materialj and (4)simulat n 0d discer~ment of the responding result． 1．嗅觉的原理 嗅觉能提高我们对食物的兴趣，增强好的情绪，增进对劳香环境的欣赏。同样，以嗅 感为依据，我们对食品风味可提出改进。然而，对嗅觉的原理至今尚未完垒搞清。现 在关于嗅觉有3O多种假说。 嗅觉的振动说假定，物质的气味来自分子内的振动。气味物质分子、原子的振动，会 发射出一定频率的电磁波 ．据认为，渡数为每厘米500以下的振动对嗅觉最重要。不管气 味物质分子的尺寸、形状如何，只要低频振动相似，就有差不多的气味。例如硝 基 苯 、 a一硝基硫茂和苯甲醛有相似的振动波数，它们都有杏仁味。这个学派认为， 共 有 95种 原始气味，其他气味都是它们的一定组合。气味分子与嗅觉细胞接触时，细胞内 的 嗅 色 素吸收气味分子发射的低频振动，发生一系列的能量转换，产生的神经脉冲便被传给中枢 神经系统，结果就产生了嗅觉。 嗅觉的化学说假定，嗅觉与某些化学过程有关，而这些化学过程是由气味物质的结构 及其他性质确定的。 嗅觉的 “立体化学”说候定，鼻子根据分子的形状不同而区别五种不同的原始气味， 又根据分子电荷 的不同区别两种不同的气味。区别这些气味差异的嗅觉器官，具有一定形 状的凹陷，一定类型的发气味的分子，正好和这个凹陷吻合。研究者曾用六种不同的 来检验这个理论，取得了积极的结果。 有人认为，一定量的气味物质分子破坏嗅觉盛受细胞的脂类膜，并吸附在其表面上时 产生嗅觉反应。这时，细胞内外的离子达到平衡。睦的区域性破坏 写气味物质分子的大小 和构型有关。 维普资讯 http://www.cqvip.com 嗅觉的吸附说能解释嗅觉的极重要的性质： (1)嗅觉的高度灵敏性。因为吸附是浓 集过程，即使空气流中有少量气味物质，也可选择性地集中于嗅觉上皮，故嗅觉极灵敏， (2)嗅觉器官对气味物质能瞬时感觉，瞬时消除。因为吸附是动力学过程，有气昧物质 时即瞬时吸附，没有时即孵时解吸。物质被吸附时可以产生许多现象，它们都可能是嗅觉 感受的原因。因此，吸附说又可细分为吸附热说、表面张力说、接触电位说等 2．嗅觉对气味的分辨机制 食品气味同味道一样，是复杂微量成分的混合物，那么嗅细胞是怎样分辨这些种类繁 多的气味呢?目前关于嗅觉的分辨机制有如下几种相关的研究： 第一种是基本嗅觉的研究。生理学家认为，嗅觉可细分为数个离散的基本嗅觉互相配 合而产生。阿莫雷1964年曾提出7种基本嗅觉，即t樟脑气味、麝香气味、花 香 气味 、 薄荷气味、乙醚气味、辛酸气味、腐败气味。可新近对嗅盲的研究认为有5O多种 基本 嗅 觉。第二种是气味物质的功能一结构关联的研究。功能一结构关联学说认为，引起相同气 味感觉的物质，其整个分子结构有一定的相似性。整个分子的形状和在此形状内存在的功 能基是两个重要的参数。第三种是受俸的研究。嗅觉细胞单位电活动研究表明，许多物质 可以刺激嗅觉细胞，但任何一种物质只使每一嗅觉细胞不同程度地兴奋。例如 将香 蕉水 (乙酸戊酯)、醋酸己酯及二丁酯的气味依次以各种浓度给与某一个嗅细胞 (图 1)．，结 果选种单一嗅细胞对于这三种气味能很好地响应，但是各自的临界值浓度不同，而且各自 脉 冲 数 气味浓度 圈l 同单— 细胞对3种气味脉 冲数和气味浓度的关系 产生脉冲数最多的浓度因气味 不同而有差别。逸就体现了兴 奋程度的差 异 。有 人 认为， 一 个嗅细胞上含有2O至3O个不 同类型的受体，每一受体能与 多种气味分子作用而刺激嗅细 胞，但只对具有特异形状极性 和大小的气味分子 起 反 应 最 大。不同的嗅觉细胞所含有的 某种类型受体的数量和组合形 武是不同的。这样，某一气味 分子可同时，但不同程度地刺 激不同的嗅细胞，反映不同的信息密码，提供分辨气味的能力。第四种是嗅觉信息在传导 途径上的整合与编码的研究。其中研究较多的是嗅球，因为嗅球是对嗅觉信息进行整合与 编码的重要部位。 虽然嗅觉的分辨机制尚无定论，但这些相关研究无疑对嗅觉的人工模拟大有帮助。 3．气味的仿生测定 根据嗅觉的感受机理，福特动力公司航空分部的科学家把丽蝇的嗅觉器官与触角神经 分离开来，用微电极把嗅神经接到示渡器上。当有气味的物质靠近丽蝇的鼻子时，示波器 上就出现信号。气味不同，信号的额率和振幅就不同。初期就是用活苍蝇来作 为 生 物 探 头，后来在深入研究苍蝇嗅觉器官内化学反应转变成电脉冲信号的方式后，甲旁研究基金 会发明了一种人工鼻。若有特殊气味的分子存在于样品中，既使其数量只有样品的百分之 5B 维普资讯 http://www.cqvip.com 几，这种仪器仍能检测出来。虽然这种化学一电子鼻不太完善，但它对实验室的分菥工 作，对食品工业和其他工作都很有帮助。 我国研铷成功的嗅敏仪是 一个嗅敏半导体探头代替生物探头。嗅敏仪设计的理论根 据是，周期表中过渡元素和B族元素的氧化物大多数为半鲁体。它们遇到多种气体都有 电 阻变化响应，特别对那些有电子或孤对电子的分子组成的气体，其 电 阻变 化 往 往 很 明 显 还有一种被称为电子鼻的气体检测仪，它由4个不动的和1个转动的金箔组成。工作 时，它们安置在玻璃罩里构成气味室 (图2)，气味混合物可以进入其中。不动的盘箔上 目2 电子 ‘‘鼻，， 覆盖着不同的吸附剂 (例如，硫酸铁、硼酸、自蛋 白、重铬酸钾，氯化钠等)，它们的接触电位由转 动的金箔来测量 在转动盘箔与地联接当中的电阻 上的电压降，可以作为接触电位大小的度量。接触 电位的大小决定于吸附表面的材料和气味物质的性 质。当气味物质进入气味室后，4个不动金箔上的 接触电位发生变化，测量接触电位的相对变化，即 可据此判断气味物质质和量。 另一种电子鼻是根据吸附热原理制成的。仪器 的感受元件是半导体热敏电阻，其表面覆以含有活 性炭、活性铝和硅凝胶等的各种吸附剂薄膜。模型 中应用了丁酸乙酯、纤维素、聚氯丙烯，粘纤维素、 乳酪蛋白，白明胶、石蜡等构成的薄膜 由于某些薄膜具有选择性吸附某种气睐物质的能 力，因此可以用来鉴定某种气味物质 根据嗅觉的吸附说建造的另一种人工鼻，是应用电解槽作为转换器，在液 一 气 界 面 上，气味物质被吸附并被氧化，使电解槽的电流量发生变化。这些变化可被用来分辨某些 气味物质 这种仪器对某些醇 (例如，乙醇)的灵敏度，比人的鼻高出100倍。 根据与气体测定同样的原理，B本若林商店同东京工业大学和东京农业大学的研究人 员共同研究 功可以测定食品，化学品等的香味强弱的传感器，并已投放市场。此传感器 是在电极间置入铁等金属氧化物而构成，可将具有香味的分子吸附于金属氧化物后的电流 变化转变为信号。 为了多方面的模拟嗅觉功能，日本大阪市电工技术实验室科技人员也在从事嗅觉机制 的研究。他们业已查明，在这样或那样的气昧下，在人的大脑的一定部位中就会激励起各 种形式的电波动 他们将一根电极紧贴在自愿进行试验者的颅骨上，电极则通过一台放大 器与一台示波器相连接。从一支传感器把记录了吸一口气的时间的信号输送判 上 述设 备 中。结果表明，尽管所有被试验者都具有知觉方面的个人特性，但吸入相同物质 的情 况 下，他们脑电波的总的特性都是一致的。并且发现嗅觉对好气味的反应比对坏气味的反应 持续时间要长。这两名科技人员为自己提出的进一步目标是：一定要研制一种能代替香料 鉴定人的仪器 前人关于嗅细胞的分辨机制和气味的模拟检测的研究，为食品气味的科学测定打下了 坚实的基础。目前采用半导体探头的为数较多，且多为单探头，虽然它们都有一定的选择 维普资讯 http://www.cqvip.com 性检测功能，但在范围和量值上都有一定的局限性。根据味受体的特性和基本嗅觉理论， 可提出如下一种组台模拟 ；设 计 7种 (或更多种)各自对每一种 “基本嗅觉”的 刺激反应最敏感 (通过吸附剂、增敏 的选 择等手段来实现)的探头，然后由它们组成 一 个 “嗅细胞” 当气味物质被探头表面吸 附时，共 电导率则发生变化。其变化值也可 采用电桥电路来记录。若显示部分和电脑连 接起来，就可以直接读出食品气味的基本嗅 觉组成及其比例关系。 4．嗅觉传I蠡器的发展方向： 今后嗅觉传感器舶发展应从以下几方面 以生物穗觉为代表的，生物所具有的抟藤器 (即感受器)是一种完全集成他的极限传 感器。然而，人工感觉的工程传盛器在现阶段多数是极其简单的元件。因此，从单功能开 始，向复合集成蛩传瑟器等多功能传感器的方向发展是今后的一个发展方向。 4．2人工感觉的智能化 在嗅觉研究中，发现嗅球是对嗅觉信息进行整台与编码的重要部位。除其突触联系特 点外，研究还表明， (1)嗅牯膜至嗅球的投射具有一定的空闻排列：嗅黏膜的前部和背 部投射至嗅球前端，后部和腹部投射至嗅球后端 (2)嗅球不同部位对不同气 味 的刺 激，所产生的电活动是有区别的。兔嗅球前部对水果气味 (醋酸戊酯)发生活跃反应，而 嗅球后部对油臭味 (荤或戊烷)发生活跃反应。 (8)僧帽细胞电活动的潜 伏 期、时 程 和波形，与气昧物质的物理特性，化学特性和气流速度有关。嗅球内的二级神经元活动的 逸些空问性区剐和时间性区别，在 嗅觉信息的整合与编码上起重要作用，可能构成分辨气 味的基础。由二级神经元活动构成的分辨功能是在受体 (感受器)部分无法 完 成 的 。因 此，嗅球和受体二者组成极为完善的智能检测前端札。对嗅球的信息整台与编码功能的深 入探讨，对其选择性地模拟，应成为气睐的人工感始更接近人的嗅觉的研究方向之一。 目前在工程界通常认为通向传盛器智能化的技术途径有三种方法： (1)传感器瓤信号处理装置的功能集成化， (2)应用功能材料物性的信号处理功能， (8)运甩传赡器形态和结构本身具有的信号处理功能 方法 (1)在其它领域应用较多，在嗅觉模拟方面的应用很少， 作为重要的研究方 向·方法 (2)曾有过尝试，有待进一步完善与开发。方法 (8)在气味检铡方面束见报 导。 4．8功能材料的开发 通过动能材料的开发，可能制造 出象生物那样有自我恢复性和自我诊断性的理憩传藏 ， 选就需要分子一电子器件。传感器不能局限于已有的材料，应从非晶质半导体、液_恍 半导体、有机半导体，进而扩展到生物物质的范围进行考虑。例如，非晶质材料在组织上 6O 维普资讯 http://www.cqvip.com 无规律 ，和品体相比组织的内部储存能量高，因此即使组织有一部分被破坏，也有主动 自我恢复的可能性。 另外，若将感受器 (嗅细胞)固定在半导体上，则可能将感受器上的反应 变 成 电、信 号，最后可以用它来测定化学物质。但是，为了将感受器固定在半导体上以使 其 显 示 活 性，必须实现薄膜形成技术等，尚须继续进行开发研究。 受体材料是极其不稳定 的，为使其稳定必须利用蛋 白质工程、化学修饰和固定化技术 等，当然还必须研究它们的具体方法，最终将可创造出和生物感受器功能极为接近的人工 感受器，速曾被说成是走向二十一世纪的研究课。 4．4响应结果的识别模拟研究 有一种看法，认为各嗅细胞对于各种气味物质所显示出各自不同的响应频谱，可在大 脑 中作为各 自不同的图形加以识别 为此，可考虑组合几种不同的传感器，将每一只传感 器的测量值作为一个指标，从而绘制出某种图形，可认为是一种识别模拟。在同一类型的 研 究中有测量鱼贝类鲜度的传感器系统为铡。 食品气味韵仿生测定既可以用于食品气味的客观评价，又可用于食品生产过程质量的 监控。尽管它的实现是非常不易之事，但是一旦实现将会对食品风味的改善有着极大的促 进意义。 。 枣考文献 (略) (上按56页) 对虾头香味料含蛋白质42．87 ，还原糖为l1．42 氨基酸2．18％，脂肪 8％，灰分 6．35 水分，31．51 ，氨基酸总量为21．83 。营养比较丰富，基本保持了烹调新鲜 对 虾 的色、香 、味，并可与多种食品配伍。于酱油中加 3 的对虾头香味料，制成虾睐酱油， 有明显的虾味和增鲜作用，类似于传统的虾籽酱油之风味 此外，按 虾 头 香 味 料 味 精：食盐 (5’：5：9O)之比混台，制成香味汤料。该汤料易溶于水，无沉淀，虾味浓郁， 颇受人们青睐。 四、结语 ／ 综上所述，关于对虾头的开发利用于已经取得 了一些成就，多种以对虾头为原料的产 品相继问世。这些对虾头制品基本保持了对虾头固有海鲜风味，其味道鲜美，营养丰富， 价格低廉。使普通的对虾头一举成为各类方便食品、营养保康食品以及海味餐馆中的高档 调睐佳品，深受人们的欢迎。如此，既充分开发利用了廉价的对虾头，变废为宝，又消除 了环境污染，增加 了经济收入，此乃一举两得。但是，随着国内水产养殖业的迅速发展， 对虾头的产量也会随之增加。因此，进一步研究开发对虾头新产品，开辟对虾头综合利用 的新途径，仍然是一项亟待解决的课题 ／ 。表面活性剂 磷 去枯瓣囊衣技术及其特点 广东省廉江县广东果皇食品饮料总厂 量兰丑 广东省廉江县经委技术科 圭 壁 I ／ 61 维普资讯 http://www.cqvip.com