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阿爾托大學(xué)Olli Ikkala教授、復(fù)旦大學(xué)彭勃研究員 Small ：機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的仿生水凝膠實(shí)現(xiàn)味覺識別

2023-10-18 來源：高分子科技

哺乳動物能夠通過味覺系統(tǒng)區(qū)分甜、酸、咸、苦和鮮這五種基礎(chǔ)味道。其中，甜、苦和鮮味可通過將水溶性非離子味覺分子與味蕾中的G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合進(jìn)行識別，而咸和酸味則是通過離子通道接收氫離子和堿金屬離子來觸發(fā)識別。

受味覺原理啟發(fā)，阿爾托大學(xué)Olli Ikkala教授和復(fù)旦大學(xué)彭勃研究員提出通過電性和體積變化兩種響應(yīng)方式，使仿生水凝膠能夠感知不同濃度的甜、咸和酸味。該水凝膠由非離子型單體2-羥乙基甲基丙烯酸酯（HEMA）和離子型單體N-(3-磺基丙基)-N-(甲基丙烯酰氧基乙基)-N,N-二甲基氨基甜菜堿（DMAPS）聚合而成，其識別方式模擬了味覺系統(tǒng)中的蛋白質(zhì)受體蛋白和離子通道，兩種單體分別與非離子性味覺物質(zhì)（糖類）和離子性味覺物質(zhì)（鹽類和酸類）相互作用，從而實(shí)現(xiàn)對甜、咸和酸味的特異性識別。

圖 1：仿生水凝膠的味覺識別示意圖

研究人員通過改變兩種單體的摩爾比例來調(diào)控水凝膠的透明度和機(jī)械性能（圖2a，b，c，d，f，g，h）。密度泛函理論模擬計算的分子間相互作用揭示了水凝膠合成的內(nèi)部機(jī)理：HEMA更傾向與HEMA發(fā)生相互作用，從而引發(fā)單體聚集。DMAPS傾向于與水結(jié)合并增加光學(xué)透明度。圖2e顯示，DMAPS-DMAPS和HEMA-HEMA的結(jié)合能高于DMAPS-HEMA的結(jié)合能，表明水凝膠內(nèi)部可能存在微觀相分離。

圖 2：水凝膠的特性表征

接下來，研究人員探討了水凝膠在0.17 M 氯化鈉水溶液中浸泡后的電學(xué)性能。電化學(xué)阻抗顯示，在不同HEMA和DMAPS比例下，水凝膠的電阻均在浸泡過氯化鈉溶液后呈降低趨勢，尤其當(dāng)DMAPS比例較高時，水凝膠的電阻變化更為明顯（圖3a，b，c），這表明DMAPS在容納離子中發(fā)揮了重要作用。此外，通過監(jiān)測水凝膠體積和電阻的瞬時變化（圖3e，f）揭示了水凝膠味覺檢測的動態(tài)穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，在特定條件下，采用直流電場測量可以簡化水凝膠的電學(xué)檢測（圖3d），為實(shí)際應(yīng)用提供了更便捷的測量方式。

圖 3：水凝膠的電學(xué)性能表征

圖4探討了水凝膠對不同濃度的氯化鈉、醋酸或D(-)果糖的相對電阻變化和相對體積變化。研究人員將水凝膠浸泡在不同味覺物質(zhì)的水溶液中，檢測其電阻和體積隨著味覺物質(zhì)濃度的增加而發(fā)生的變化。根據(jù)相對電阻變化?R/R₀，不同味覺物質(zhì)的響應(yīng)順序?yàn)橄涛?/span> > 酸味 > 甜味。而在相對體積變化?V/V₀方面，不同味覺物質(zhì)的響應(yīng)順序?yàn)樘鹞?/span> > 咸味 > 酸味。這意味著水凝膠對咸味物質(zhì)的電學(xué)響應(yīng)更為敏感，而在體積變化方面則對甜味物質(zhì)更為敏感。這些差異可以用于區(qū)分不同味覺分子，為仿生味覺傳感系統(tǒng)的開發(fā)提供了重要線索。

密度泛函理論揭示了水凝膠對不同味覺物質(zhì)的電性和體積響應(yīng)差異，為味覺識別提供了理論基礎(chǔ)。其中，對于具有反聚電解質(zhì)性質(zhì)的DMAPS單元，靜電相互作用導(dǎo)致其反平行偶極排列。當(dāng)氯化鈉插入水凝膠時，耦合的反聚電解質(zhì)基團(tuán)解離，從而導(dǎo)致水凝膠膨脹和電導(dǎo)率增加。非離子分子D(-)果糖對水凝膠的相對電阻變化影響較小，因?yàn)樗cDMAPS的相互作用較弱，但該分子可以與HEMA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行氫鍵作用，引起水凝膠的膨脹。醋酸在水溶液中主要以非電離態(tài)存在，醋酸分子對HEMA的結(jié)合能力大于與DMAPS的結(jié)合能，而離子狀態(tài)更傾向于與DMAPS結(jié)合，并導(dǎo)致水凝膠的電阻變化。
為了展示這一人工仿生味覺系統(tǒng)的實(shí)際用途，研究人員從本地超市購買了六種食品，包括橙汁、可樂、腌黃瓜汁、海鹽水、白醋和檸檬汁，將水凝膠浸泡在各溶液中過夜以達(dá)到平衡后，對其電阻和體積變化進(jìn)行了分析表征。圖4e顯示所有溶液均可根據(jù)水凝膠的電阻響應(yīng)和體積響應(yīng)劃分成三個味道，且其味覺劃分與人類的味覺體驗(yàn)極為相似。

圖 4：味覺識別測試

為了實(shí)現(xiàn)更具有應(yīng)用前景的味覺分析，研究引入了機(jī)器學(xué)習(xí)方法（圖5），采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（多層感知器）來處理電阻和體積響應(yīng)數(shù)據(jù)，以識別和分類不同味覺物質(zhì)的濃度。通過使用九個輸出來表示不同味道的濃度，包括甜味、咸味和酸味的淡、中和強(qiáng)濃度，機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠在限定數(shù)據(jù)集的情況下半定量地感知味道。這一方法可在實(shí)際食品中區(qū)分不同的味道，甚至能夠識別混合味道，具有廣泛前景。

圖 5：機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的味覺識別

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202305195

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