引言
食品发酵是通过微生物的代谢活动将原料转化为具有特定风味和营养价值的产品的过程。发酵过程中，酶作为生物催化剂，起着关键作用。准确检测酶的活性有助于优化发酵条件，提高产品质量。传统的酶活性检测方法通常耗时长、操作复杂，而电化学传感器因其快速、灵敏、便携等特点，在酶活性检测中展现出广阔的应用前景。本文综述了电化学传感器在食品发酵酶活性检测中的应用，探讨了电化学传感器的工作原理、分类及其在实际应用中的优势。重点分析了不同类型的电化学传感器在发酵食品中的应用实例，指出了当前研究存在的问题和未来的发展方向。
一、电化学传感器的原理与设计
电化学传感器利用工作电极、参比电极和辅助电极组成的结构，通过检测工作电极上酶膜与底物反应产生的电信号变化来反映酶活性。这些传感器能够实时、快速地测量电流、电压或电阻的变化，提供了一种高效准确的酶活性检测方法[1]。
1.1传感器材料选择
传感器的材料选择对其检测性能至关重要。常用的材料如金、铂和碳纳米管具有优异的导电性和生物相容性，这些特性使它们成为电化学传感器的理想选择。金和铂作为传感器电极材料，具有良好的电化学稳定性和反应活性，能够有效传递电子信号。碳纳米管由于其高表面积和优异的电化学特性，被广泛用于增强传感器的灵敏度和稳定性。材料的选择不仅影响传感器的检测灵敏度，还能影响其对复杂样品中酶活性的特异性和稳定性，进而提高检测的准确性和可靠性。随着材料科学的进步，未来可能会出现更多新型材料，进一步优化电化学传感器的性能。
1.2传感器的制备
电化学传感器的制备过程涉及多个关键步骤，确保传感器能够准确反映酶活性并保持稳定性。首先是电极清洗阶段，通过使用适当的溶剂和清洗方法去除电极表面的杂质和有机残留物，以确保电极表面干净且具备良好的电化学活性。清洗后，需要将酶固定在电极表面。这可以通过物理吸附或化学键合实现，选择的方法取决于酶和电极材料的特性以及固定的稳定性需求。物理吸附简单易行，但可能稳定性较差；而化学键合则能更牢固地将酶固定在电极表面，提高传感器的稳定性和重复使用能力。
最后，固定酶后的电极需要进行传感器的组装。这一步骤包括将工作电极、参比电极和辅助电极组装在一起，并确保它们正确连接以形成一个完整的电化学传感器系统。组装完成后，传感器需要进行性能测试，以验证其在实际应用中测量酶活性的能力和准确性。通过这些步骤，能够有效地制备出性能优良的电化学传感器，用于各种食品发酵过程中酶活性的快速检测和监测。
二、电化学传感器的分类及其在酶活性检测中的应用
2.1 电位型传感器
电位型传感器通过检测电极电位的变化来反映酶活性[2]。这类传感器常用的类型包括离子选择电极和pH电极等。离子选择电极根据电极表面的特定离子选择性，测量溶液中特定离子的活性，从而间接反映酶活性的变化。而pH电极则通过检测溶液中氢离子浓度的变化，直接反映酶催化产物或底物的酸碱性质变化。
电位型传感器在酶活性检测中具有灵敏度高、响应速度快等优点，适用于需要实时监测和控制的食品发酵过程。例如，在乳酸发酵和醋酸发酵中，这些传感器能够快速准确地反映出乳酸菌或醋酸菌的代谢活性，帮助调节发酵条件，优化产品质量。
电位型传感器的应用不仅限于食品工业，还涵盖了环境监测、生物医药等领域，其高效、精准的特性使其成为现代化生产过程中不可或缺的重要工具之一。
2.2 电流型传感器
电流型传感器通过检测电流的变化来反映酶活性。这类传感器常见的类型包括安培传感器和库仑传感器等。安培传感器利用电流强度的变化来间接测量酶活性的影响，适用于需要高灵敏度和高选择性的应用场合。库仑传感器则通过测量电荷的转移或移动来检测反应中涉及的电流变化，从而实现对酶活性的实时监测。
电流型传感器在酒精发酵、氨基酸发酵等领域有着广泛的应用。例如，在酒精发酵过程中，安培传感器可以实时检测乙醇的生成速率，帮助优化发酵条件，提高产量和产品质量。在氨基酸发酵中，电流型传感器能够精确测量氨基酸代谢产物的电导率变化，从而评估酶活性及其对发酵过程的影响。
电流型传感器不仅在食品工业中有应用，还广泛用于生物工艺、医药等领域，其高灵敏度和实时监测能力使其成为生产过程中不可或缺的重要工具之一。
2.3 电导型传感器
电导型传感器通过测量溶液电导的变化来检测酶活性。这类传感器特别适用于检测发酵过程中产生或消耗的电解质浓度变化，如乳酸发酵中乳酸浓度的监测。传感器工作原理基于溶液中离子的导电性与浓度之间的关系，当酶在发酵过程中催化特定底物或产物时，会导致溶液电导率的变化，进而反映出酶活性的变化。
电导型传感器在食品工业中的应用广泛，特别是在发酵食品的生产过程中起到关键作用。例如，在乳酸发酵过程中，乳酸细菌通过催化糖类底物产生乳酸，电导型传感器能够实时测量溶液中乳酸的浓度变化，帮助控制发酵过程的进展和最终产品的质量。
电导型传感器具有快速响应、操作简便以及对样品预处理要求低等优点，使其成为食品发酵过程中理想的监测工具之一。未来，随着传感器技术的进一步发展和改进，其在食品工业中的应用前景将更加广阔。
2.4 阻抗型传感器
阻抗型传感器通过测量电极界面阻抗的变化来检测酶活性。这类传感器在检测发酵食品中的酶活性方面具有独特优势。传感器的工作原理基于酶催化反应引起的电极表面电导性或电容性的变化，进而影响电极与溶液之间的阻抗。
阻抗型传感器特别适用于需要高灵敏度和高精度监测的场合，例如在发酵豆制品中检测蛋白酶活性。在这种应用中，传感器可以实时测量发酵过程中蛋白酶产生的肽键断裂情况，从而评估酶活性及其对产品结构和质量的影响[3]。
与其他类型的传感器相比，阻抗型传感器具有更高的灵敏度和更广泛的应用性。它们能够实现非侵入性测量，无需样品预处理，操作简便，适用于复杂的食品发酵体系。
未来，随着传感器技术的进步和应用领域的扩展，阻抗型传感器在食品工业中的应用前景将进一步扩展，为提高食品发酵过程的效率和产品质量提供重要支持。
三、 电化学传感器在发酵食品中的应用实例
3.1 乳酸发酵
乳酸发酵是乳制品和酸菜等食品生产中的重要过程，通过乳酸菌的代谢活动将糖类转化为乳酸，形成特定风味和营养价值。在乳酸发酵过程中，控制乳酸菌的生长和活性是确保产品质量的关键因素之一。
电化学传感器在乳酸发酵过程中发挥着重要作用。这些传感器能够快速、准确地检测发酵液中乳酸的浓度和乳酸菌酶的活性变化。通过监测乳酸浓度，生产人员可以实时调节发酵条件，例如控制温度、pH值和营养物质的供给，以优化乳酸菌的生长环境，提高乳酸的产量和产品的品质稳定性。
电化学传感器的工作原理基于电极与乳酸之间的电化学反应，常见的应用包括电位型传感器和电导型传感器。电位型传感器通过测量电极电位变化反映乳酸浓度的增加或减少，而电导型传感器则通过测量溶液电导率的变化来间接评估乳酸浓度的变化。
通过电化学传感器的使用，乳酸发酵过程中的监测变得更加精确和便捷，有助于生产过程的自动化控制和优化，从而保证乳制品和酸菜等产品的一致性和品质。
在未来，随着传感器技术的不断发展和应用的深入，电化学传感器在食品工业中的作用将进一步扩展，为生产过程的智能化和高效化提供支持。
3.2 酒精发酵
酒精发酵是酒类生产中至关重要的步骤，通过酵母菌的代谢作用将糖类转化为乙醇和二氧化碳。在整个发酵过程中，控制乙醇的生成速率和最终浓度是确保酒类产品质量和口感的关键因素之一。
电化学传感器在酒精发酵过程中扮演着关键角色。这些传感器能够实时、精确地监测发酵液中乙醇的浓度变化和相关酵素的活性。通过监测乙醇浓度，生产人员可以调节发酵条件，例如温度、pH值和营养物质的供给，以优化酵母菌的生长和代谢活性，提高乙醇产量和产品的稳定性。
电化学传感器在酒精发酵中的应用涉及多种类型，如电位型传感器和电流型传感器。电位型传感器通过测量电极电位变化反映乙醇浓度的增加或减少，而电流型传感器则通过测量电流变化来间接评估乙醇的生成速率和酵母菌的代谢活性。
除了乙醇浓度的监测，电化学传感器还可用于检测与酒精发酵相关的其他化学指标，如氧气浓度、气体压力和酵母细胞的生理状态等。这些数据不仅有助于调节发酵条件，还能够预测和预防潜在的生产问题，提高生产效率和产品质量的稳定性。
总之，电化学传感器在酒精发酵过程中的应用为酒类生产带来了现代化的监控和控制手段，促进了工艺的优化和生产效率的提升，对于满足市场需求和保证产品质量具有重要意义。
3.3 醋酸发酵
醋酸发酵是用于醋的生产的关键过程，通过醋酸菌（Acetobacter）的代谢作用将酒精转化为醋酸[4]。在整个发酵过程中，控制醋酸菌的生长和酶活性是保证醋产品质量和口感的重要因素之一。
电化学传感器在醋酸发酵中具有重要应用。这些传感器能够实时、精确地监测发酵液中醋酸浓度的变化和醋酸菌酶的活性。通过监测醋酸浓度，生产人员可以调节发酵条件，例如控制温度、通气和营养物质的供给，以优化醋酸菌的生长环境，提高醋酸的产量和产品的品质稳定性。
电化学传感器的工作原理包括电位型传感器和电流型传感器。电位型传感器通过测量电极电位变化反映醋酸浓度的增加或减少，而电流型传感器则通过测量电流变化来间接评估醋酸的生成速率和醋酸菌的代谢活性。
除了醋酸浓度的监测，电化学传感器还可用于检测与醋酸发酵相关的其他化学指标，如氧气浓度、气体压力和微生物的生理状态等。这些数据不仅有助于调节发酵条件，还能够预测和预防潜在的生产问题，提高生产效率和产品质量的稳定性。
总之，电化学传感器在醋酸发酵过程中的应用为醋类产品生产提供了现代化的监测和控制手段，促进了工艺的优化和生产效率的提升，对于满足市场需求和保证产品质量具有重要意义。
四、 结论
电化学传感器在食品发酵酶活性检测中的应用具有广阔的前景。然而，目前的研究仍存在一些问题，如传感器的稳定性、选择性和抗干扰能力等。未来的研究应集中于开发更高性能的电化学传感器，提升其在复杂发酵体系中的应用能力。总之，随着电化学传感器技术的不断发展，其在食品发酵酶活性检测中的应用将会更加广泛和深入，为食品发酵工业的发展提供重要技术支持。
参考文献
[1]徐丹意,高何刚,何婷婷. 发酵食品中生物胺前处理和检测方法的研究进展 [J]. 广东化工, 2024, 51 (10): 81-82+39.
[2]孙嘉浓. 脑组织和发酵食品中胺类小分子的HPLC-HRMS检测方法研究[D]. 兰州大学, 2023.
[3]马晓驰,金诺,刘佳萌,等. 发酵食品中氨基甲酸乙酯检测方法的研究进展 [J]. 中国食物与营养, 2021, 27 (05): 13-18.
[4]成祝,刘洁,冉琴,等. 发酵食品中多种防腐剂检测方法的建立 [J]. 中国酿造, 2020, 39 (04): 190-193.
作者简介：师静雅，女，1993-，汉，天津，工程师，学历：本科，研究方向：轻工
