基于小鼠类器官生物传感器检测鲜味物质及其协同效应的新策略

鲜味作为第五种基本味觉，在食物的风味偏好中扮演着关键角色，其独特的协同增强特性使其在提升食物整体感官质量和满意度方面具有显著作用。自1908年谷氨酸钠(MSG)从海带中被分离出来并确认为鲜味的关键化合物后，它便因其独特的鲜美风味被广泛应用于食品中以增强适口性。此外，具有特定游离L-氨基酸序列的鲜味肽，如EP肽，也已被鉴定出来。值得注意的是，某些鲜味增强物质，如嘌呤5'-核糖核苷酸(包括鸟苷酸、肌苷酸IMP和腺苷酸)，在蘑菇和贝类中被发现，它们能够显著增强鲜味的感知。然而，传统的分析系统在量化复杂食品基质中的鲜味感知和协同作用方面存在挑战，尤其是在模拟人类味觉辨别方面。

尽管液相色谱-质谱联用技术可以测定食品样品中已识别鲜味化合物的浓度，但仅靠色谱方法无法在没有人类感官评价的情况下测量未知味觉活性化合物的感官强度。电子舌通过电化学反应检测食品样品的味觉强度或味觉特征，但在复制人舌的生物学特性以识别复杂混合物中的微妙分析物方面仍面临挑战。生物电子舌虽然集成了生物受体、细胞或组织，但在受体表达和纯化、味觉细胞寿命短以及组织制备和选择标准化等方面存在限制。

2025年6月13日，发表在Food Chemistry上题为A novel strategy based on mouse organoid biosensor for detecting umami substances and their synergistic effect的研究提出了一种基于小鼠味蕾类器官和流式细胞术(TOS-FC)的新型鲜味生物传感器。该传感器利用从解离味蕾类器官中分离的味觉细胞，通过Ca²⁺荧光探针染色进行流式细胞术分析，以评估其对鲜味物质的响应。实验结果表明，TOS-FC鲜味生物传感器具有广泛的动态范围(10⁻⁷M至2×10⁻¹M)和良好的线性相关性(R²>98%)，并且展现出稳定的长期操作性。该传感器成功量化了三种代表性鲜味刺激物(MSG、IMP和EP)及其协同效应，与感官评价结果高度一致，为复杂食品系统中的生理相关味觉分析提供了一种新的、具有生物模拟特性的检测方法。

研究结果

1，类器官培养与鉴定

研究成功建立了小鼠味蕾类器官的体外培养体系。通过解离小鼠轮廓乳头的味蕾组织并进行体外培养，干细胞有效生成了直径约200μm的味蕾类器官。使用Krt8(Ⅱ型味觉受体细胞标记物)进行免疫染色验证了类器官内分化味觉细胞的存在。进一步的荧光标记验证了鲜味相关受体的表达，包括异二聚体G蛋白偶联味觉受体T1R1/T1R3、代谢性谷氨酸受体mGluR1和mGluR4，以及味觉转导中的关键信号蛋白α-味觉蛋白。结果显示类器官中T1R1、T1R3、mGluR1、mGluR4和α-味觉蛋白表达强烈，进一步验证了成熟味觉细胞的分化。

图1.类器官培养与鉴定

2，TOS-FC鲜味生物传感器构建。

基于鲜味信号转导机制，研究团队构建了结合小鼠味觉类器官和流式细胞术的TOS-FC鲜味生物传感器。该传感器利用从解离味蕾类器官中分离的味觉细胞，用Ca²⁺荧光探针染色进行流式细胞术分析，评估其对鲜味物质的响应。在MSG刺激下，TOS-FC鲜味生物传感器表现出强烈的荧光信号响应。在10⁻⁷M至2×10⁻¹M范围内，TOS-FC鲜味生物传感器输出荧光信号的变化率与MSG浓度呈线性关系，相关系数为99.05%。传感器在线性浓度范围内连续检测MSG溶液，感应电流的相对标准偏差(RSD)为6.23%。超过一个月的重复测量显示RSD值低于10%，证明了可靠的长期稳定性。

图2.TOS-FC鲜味生物传感器构建

3，单一鲜味物质检测性能。

为确认TOS-FC鲜味生物传感器的分析性能，研究测试了三种典型鲜味物质(MSG、IMP和EP)的信号响应。结果表明，在单一物质系统中，MSG产生最强的鲜味信号，其次是IMP，而EP产生最弱的信号。这些结果与先前研究一致。对TOS-FC鲜味生物传感器检测浓度为0、5和10mM的MSG、IMP和EP的线性回归分析显示出良好的线性趋势(R²>98%)。与伏安电子舌(VET)和电位电子舌(PET)相比，TOS-FC鲜味生物传感器的检测结果与感官评价结果一致，显示MSG具有最强的鲜味信号，其次是IMP，而EP产生最弱的信号。相比之下，VET和PET显示IMP具有最强的鲜味信号，其次是MSG，而EP表现最弱，这些差异表明TOS-FC鲜味生物传感器通过提供即时荧光反馈有效检测风味，并反映真实的哺乳动物味觉感知。

图3.单一鲜味物质检测性能

4，协同鲜味增强效应检测。

研究使用TOS-FC生物传感器检测了IMP在MSG和EP溶液中的协同效应。在相同浓度的MSG溶液中添加5或10mM IMP显著增加了鲜味信号，分别比单独MSG增加了1.8倍和1.5倍。同样，5和10mM IMP在相同浓度的EP溶液中也表现出协同效应，分别增加鲜味信号8.7倍和9.0倍。这些结果通过感官评价得到确认。在添加IMP(5和10mM)的MSG溶液中，分别观察到3.6倍和2.9倍的增加。在含有IMP(5和10mM)的EP溶液中也观察到协同效应(鲜味强度分别增加9.4倍和7.3倍)。使用VET或PET方法在所选择的含有IMP的MSG或EP溶液中均未观察到这种协同效应。鲜味强度的协同增强对浓度和特定化合物组合都表现出显著依赖性。

图4.协同鲜味增强效应检测

5，性能比较与多元分析。

偏最小二乘判别分析(PLS-DA)揭示了四种检测方式(TOS-FC、感官评价、VET和PET)的不同聚类模式。该双变量配置表现出强大的预测性能，交叉验证均方根误差为0.329，决定系数(R²)为0.967，表明模型保真度高。在双标图分析中，LV1(解释67%的Y方差)揭示了主要的水平梯度，传感器模式沿此轴表现出明显的分离。通过变量识别(VID)分析揭示了特定模式的检测模式。TOS-FC(红色)和感官评价(紫色)表现出密切的一致性，表明在协同测定中的生理相关性。相比之下，VET(绿色)和PET(蓝色)与TOS-FC有显著差异，并与感官评价分开聚类。

6，生物学机制验证。

TOS-FC利用类器官味觉细胞作为感官元件，检测参与味觉感知信号通路的细胞内钙离子信号变化。通过流式细胞术分离特定细胞有效跟踪对单个味觉化合物的响应并捕获其协同效应。与传统电子舌技术相比，味觉受体细胞方法固有地检测味觉化合物之间的协同效应，因为它们保留了味觉细胞感知的信号转导通路。因此，TOS-FC有潜力作为在细胞水平探索味觉受体-配体相互作用的工具，克服了传统电子舌技术固有的仿生限制。

全文总结

本研究开发的TOS-FC鲜味生物传感器代表了味觉检测技术的重要突破，成功解决了传统电子舌技术在检测鲜味协同效应方面的局限性。该技术平台具有宽动态范围(10⁻⁷至2×10⁻¹M)、优异的线性相关性(R²>98%)、高重现性(RSD=6.2%)和不受传感器寿命限制的连续操作能力。更重要的是，TOS-FC能够准确检测鲜味物质间的协同效应，这是传统电子舌无法实现的功能，为复杂食品体系中生理相关的味觉分析建立了新的范式。该技术在食品质量研究、风味配方和质量控制应用中具有巨大潜力，为开发具有人类味觉模拟能力的智能食品质量控制系统开辟了新途径。