Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Цель работы на 1 этапе проекта (2021 г) – разработка исследовательского гиперспектрального и терагерцового спектрометра и обоснование возможности определения с его помощью показателей качества, а также содержания антибиотиков и гормонов в мясе и мясных продуктах. Для разработки научно-технических методов контроля качества и безопасности мясных продуктов с помощью гипреспектрального и терагерцового излучения проводили подтверждающие исследования известными физико-химическими методами (ВЭЖХ-МС на приборе Shimadzu LC-MS-8040, ГХ-МС на приборе Shimadzu GC-TQ-8040, ВЭЖХ на приборе Shimadzu LC-20 Prominence, содержание белка по Кьельдалю (VELP UDK 159), содержание жира методом Сокслета и другими). Для регистрации значений гипреспектрального и терагерцового излучения был разработан исследовательский спектрометр с адаптированными программным обеспечением, источником излучения, приемником и системой обработки сигнала. Для стандартов чистых веществ (Sigma-Aldrich, США) спектры, полученные с помощью разработанного исследовательского спектрометра, выборочно сравнивались с получаемыми в ИК диапазоне на коммерческом ИК-спектрометре Shimadzu IRA-1 и коммерческом приборе для осуществления терагерцовой спектроскопии временной области TeraPulse 4000 (TeraView, Великобритания). Получаемые гиперспектральные изображения и терагерцовые спектры сопоставлялись с данными химического состава, параметрами качества и безопасности, полученными арбитражными и охарактеризованными методами. Исследование последовательно проводили для химически чистых стандартов веществ (Sigma-Aldrich, США), модельных смесей, имитирующих пищевые продукты и непосредственно для мяса и мясных продуктов. Качественный и количественный анализ выполнялся в следующих видах мясных продуктов - охлажденная говядина, фарш говяжий, варёные и копчёные колбасы. За первый год выполнения работы проведено исследование по следующим параметрам качества: цвет, соответствие заявленному составу макронутриентов. Качественное и количественное определение выполнено для следующих аналитов: антибиотики химических групп аминогликозидов, бета-лактамов, макролидов, хинолонов, тетрациклинов, цефалоспоринов и гормоны тестостерон, зеранол, эстрадиол. С помощью различных объектов исследования определено влияние различных матриц на параметры сигнала искомого объекта. В результате проведенных исследований сформулированы требования к исследовательскому гиперспектральному и терагерцовому спектрометру, определяемые их назначением, условиями эксплуатации и применения для определения параметров качества и безопасности мясных продуктов. Обоснован выбор методик исследования экспериментальных образцов стандартов, модельных смесей и мясных продуктов, содержащих антибиотики и гормоны и определены параметры хромато-масс-спектрометрии, гиперспектрального и терагерцового анализа. Определение содержания антибиотиков и гормонов проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием (ВЭЖХ-МС) на ВЭЖХ-масс-спектрометре LC-MS-8400 (Shimadzu). Выбраны и оптимизировны параметры проведения ВЭЖХ-МС и ВЭЖХ-МС-МС анализа для стрептомицина, неомицина, амоксициллина, эритромицина, энрофлоксацина, доксициклина, цефалексина, тестостерона, зеранола и эстрадиола. Анализ образцов проводили в двух режимах – сканирование по полному ионному току и в режиме мониторинга множественных реакций (MRM-перехода). Параметры спектрального анализа включают схему получения изображений на исследовательском спектрометре, спектральные диапазоны и варианты длин оптического пути для характеристик пропускания и отражения. Определены параметры источника излучения, приемника и системы обработки сигнала для гиперспектрального и терагерцового спектрометра. Для получения гиперспектральных изображений анализируемых объектов система подсветки должна обеспечивать равномерное облучение зоны анализа излучением с широким спектральным диапазоном, обеспечивающим проведение анализа в диапазоне длин волн от 450 нм до 1700 нм. Для этого обоснован выбор модели галогеновой лампы. Разрабатываемый исследовательский спектрометр в части схемы для терагерцового диапазона реализован в виде когерентного ТГц детектора, основанного на динамическом электрооптическом эффекте Поккельса. Адаптировано программное обеспечение для расчета дисперсии показателя преломления, диэлектрической проницаемости, электрической проводимости, коэффициента поглощения, коэффициента рассеяния и анизотропии рассеяния в конкретной точке образца. В случае анализа непрозрачных объектов коэффициент отражения, рассчитанный в каждой точке гиперспектральных изображений, может быть пересчитан в коэффициент поглощения по полученной формуле. Также была проведена адаптация программного обеспечения Spectrina для расчета оптических свойств объектов исследования в ТГц диапазоне частот. Так, дисперсии амплитуд и фаз, необходимые для расчета, получаются из сигнала путем преобразования Фурье. Результатом будут являться дисперсии показателя преломления (действительная и мнимая части), коэффициент поглощения, диэлектрическая проницаемость (действительная и мнимая части), показатель преломления, глубина проникновения. Получены гиперспектры, терагерцовые и масс-спектры экспериментальных образцов стандартов, модельных смесей и мясных продуктов. Получены масс-спектры образцов стандартов методом ВЭЖХ-МС анализа, как в режиме сканирования по полному ионному току, так и в режиме MRM-перехода. В исследованных образцах парной и охлажденной говядины, фарша говяжьего, варёных и копчёных колбас (общее количество образцов – 63) не было обнаружено выбранных антибиотиков и гормонов. Для поиска максимально широкого круга антибиотиков, гормонов и прочих ксенобиотиков, был проведён скрининг различных вариантов экстрактов из мяса и мясных продуктов, без и с различными вариантами предколоночной дериватизации с помощью газовой хромато-масс-спектрометрии (ГХ-МС). Во образцах мяса обнаружены пики соединений, которые были идентифицированы по молекулярным массам как ди-н-бутилфталат и диизооктилфталат. Терагерцовые спектры поглощения стандартов стрептомицина и неомицина имеют одинаковую линейную форму на всем спектральном диапазоне. Эти спектры близки друг к другу, так как данные препараты соответствуют одной группе антибиотиков-аминогликозидов. Для всех образцов отмечено изменение интенсивности спектров в зависимости от концентрации. Установлено, что терагерцовое излучение чувствительно к основным макронутриентам – белкам, жиру и воде, которые использовались для создания модельных объектов мясных продуктов. Это было подтверждено при спектрометрическом анализе мяса, мясного фарша и эмульгированных мясопродуктов с различным содержанием воды, белка и жира. При анализе ТГц спектров подготовленных образцов некоторых эмульгированных мясных продуктов были установлены повторяющиеся пики поглощения лактозы. Установлено изменение оптических свойств образцов в зависимости от показателя качества – внешнего вида поверхности мяса и мясных продуктов, на примере пигментов, придающих мясу цвет: миоглобина, оксимиоглобина и метмиоглобина. Построены калибровочные кривые, найдены пределы обнаружения и погрешности метода. Для использованных методов ВЭЖХ-МС определения антибиотиков и гормонов были получены калибровочные зависимости для определения их концентрации. Получены калибровочные кривые и параметры метода исследования содержания фталатов в мясе и мясных продуктах. В силу комплексности объектов анализа и возможностей настроек и калибровок приемных систем исследовательского спектрометра, пределы измерений и погрешности определяются параметрами приемников разрабатываемого образца спектрометра.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В 2022 году на Этапе 2 проекта были получены следующие результаты: 1. Определены гиперспектры, терагерцовые и масс-спектры образцов мясных продуктов изготовленных с подтвержденным адекватным содержанием антибиотиков или гормонов. Были исследованы спектральные характеристики произведенных образцов охлажденного мяса, мясных фаршей, эмульгированных мясных продуктов и копчёных колбас с внесением антибиотиков и гормонов в концентрациях (% масс.) 5, 1, 0,5, 0,1, 0,05, 0,01, 0,001. Исходные концентрации ксенобиотиков до и после внесения в продукт, а также после термообработки продукта, подтверждались с помощью высокоэффективной хромато-масс-спектрометрии (ВЭЖХ-МС). На основании полученных гиперспектров для всех видов продукции удалось определить их некоторые показатели качества. На основании полученных терагерцовых спектров было определено наличие в сырье и продукции ксенобиотиков – антибиотиков и гормонов. 2. Разработана база данных спектров образцов стандартов, модельных смесей и мясных продуктов. Все программные компоненты, входящие в состав веб-приложения и БД, выполнены в свободно распространяемой операционной среде современной версии. Выбранная СУБД (система управления базами данных) PostgreSQL в современной версии представляет собой объектно-ориентированную иерархическую СУБД. Приложения могут использовать все преимущества объектной БД с любыми расширениями на уровне прикладной логики, если это необходимо. Дополнительными преимуществами, доступными в PostgreSQL, являются также такие возможности, как подключение через внешние интерфейсы других сред хранения, широкая поддержка транзакций и возможность проведения откатов. Структура БД, как и набор хранящихся в ней объектов, является полностью динамической. Она дает возможность добавлять, удалять и изменять любые объекты и их наборы. Архитектурное решение позволяет использовать для создания пользовательского окружения программные компоненты, поддерживающие стандартные протоколы доступа, и выполненные в любой операционной и аппаратной среде. В базу данных размещена информация о проведенных экспериментах, снятых терагерцовых, масс- и гиперспектрах стандартов, модельных смесей и мясных продуктов. 3. Определены гиперспектры, терагерцовые и масс-спектры экспериментальных образцов стандартов, модельных смесей и мясных продуктов для определения содержания жирных кислот. В ходе выполнения работ по проекту были произведены измерения ТГц, гиперспектров и масс-спектров стандартных образцов вытопленных жиров, эмульсий жиров с говяжьим белком и водой, мясных продуктов – жира сырца говяжьего, бараньего и свиного, охлажденной говядины, свинины и баранины, фарша и колбас. Гиперспектры для образцов разных жиров (свиной, бараний, говяжий) имеют характерный вид и отличаются друг от друга, что может быть использовано для определения фальсификации жиров. Показатель преломления жиров в ТГц диапазоне имеет значение около 1,35-1,4 во всем исследуемом частотном диапазоне от 0,2 до 1,0 ТГц. Коэффициент поглощения жиров растет от 2 до 10 см-1 во всем исследуемом частотном диапазоне от 0,2 до 0,8 ТГц. В образцах жиров различного происхождения и, соответственно, фракционного состава отмечено различие в получаемых спектральных характеристиках. 4. Получены калибровочные кривые, пределы обнаружения и погрешности метода для новых объектов исследования. В силу комплексности объекта анализа и возможностей настроек используемых камер и калибровок акусто-оптических ячеек исследовательского ТГц и гиперспектрального спектрометра, пределы измерений и погрешности определяются параметрами приемников разработанного исследовательского спектрометра. Установленные пределы масс-спектрометрического обнаружения жирных кислот составили 0,1-0,3 нг/ввод с погрешностью 6-11 %. 5. Определена методика измерений параметров качества и безопасности образцов мясных продуктов до упаковки и в потребительской таре. По результатам серий тестовых измерений получены последовательности действий для методики измерений параметров качества и безопасности образцов мясных продуктов до упаковки и в потребительской таре для охлажденного мяса, мясного фарша, эмульгированных мясных продуктов и копчёных колбас. Разработанные последовательности определения параметров качества и безопасности для разных объектов отличаются выбором и обработкой спеткрозональных изображений, набором определяемых параметров, уточнением способа расположения образцов в различных видах держателей в зоне анализа объекта для исследования. На основании получаемых данных могут быть уточнены и выбраны более узкие спектральные диапазоны, характеризующие соответствующие параметры качества и безопасности мясопродуктов. 6. Данные о соответствии спектральных характеристик мясных продуктов их основным показателям качества. Установлено, что наибольшие регистрируемые изменения в охлажденном мясе с различной продолжительностью хранения происходят в красном канале (660 нм), что соответствует взаимосвязи параметров качества и концентраций пигментов с представленными спектральными характеристиками. Показано, что при получении соответствующих спектров и составлении базы данных образцов мяса и мясопродуктов, возможно проведение оптического анализа на соответствие заявленному составу воды, белка и жира. При анализе ТГц спектров изготовленных образцов фаршей и копчёных колбас, а также фаршей для их изготовления были установлены повторяющиеся пики поглощения лактозы. В образцах фарша для производства копчёных колбас было установлено соответствие спектральных характеристик количеству жизнеспособных молочнокислых бактерий или продуктов их метаболизма. Предложен способ визуализации мясопродуктов в реальном в терагерцовом диапазоне, который перспективен для дальнейшего исследования и получения показателей качества и безопасности мясных продуктов. 7. Разработан самообучающийся программный алгоритм на базе нейронной сети для обработки и интерпретации получаемых с помощью гиперспектрального анализа и терагерцового излучения данных. Разработана первая версия самообучающегося алгоритма с типом машинного обучения с учителем на языке программирования Python. Обучающая и измерительная выборки представляют собой массивы данных формата DataFrame, содержащие различные наборы данных. Определены состав и способ обработки наборов данных, а также возможные варианты обучающих и измерительных категорий. Реализовано подключение алгоритма к базе данных через протокол API.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Произведено более 650 образцов стандартов, модельных смесей и мясных продуктов с упаковкой и без, на основании которых определены спектральные данные, насчитывающие почти две тысячи уникальных записей. Все записи были охарактеризованы по параметрам содержания ксенобиотиков, воды, белка, жира и углеводов, КМАФАнМ, некоторые дополнены значениями кислотного и перекисного чисел, соотношением предельных и непредельных жирных кислот – определявшихся стандартными методами. Был доработан метод и уточнены калибровочные кривые хромато-масс-спектрометра для определения жирнокислотного состава для соответствия погрешности получаемых результатов ГОСТ 31663-2012 – не более 3% (отн.) полученного значения, но не более 1% (абс.). Разработаны средства работы с базой спектральных данных и внесены дополнения в её структуру, обеспечивающие работу нескольких внешних программных модулей, а также внесение характеристик образцов по видам мясной продукции. Разработаны параметры машинного алгоритма обработки спектральных данных, включающие семантическую сегментацию охлажденного мяса, мясного фарша, эмульгированных мясных продуктов, копчёных колбас, с упаковкой и без, по признакам микробных и окислительных изменений. Чувствительность метода достаточна для неразрушающего экспресс контроля КМАФАнМ фарша, полуфабрикатов мясокостных, полуфабрикатов мясных рубленых, мясных бескостных мелкокусковых на соответствие требованиям ТР ТС 034/2013. Обучение нейронной сети всеми обучающими данными за 10 циклов показало точность выше 80 % для всех моделей. Подтверждена устойчивость разработанного алгоритма при смене объекта исследования и, таким образом, возможность его использования при добавлении других видов мясных продуктов. Разработан метод формирования единого вектора параметров ТГц и гиперспектральных данных для обучения или анализа. Полученные параметрические матрицы анализировались с помощью нейронной сети с обучением. Подтверждены значения средней точности семантической сегментации и обнаружения микробиологических и окислительных изменений для тестовых образцов мясопродуктов – более 90 %. Подтверждена возможность обнаружения стрептомицина и неомицина и возможность использования разработанного метода и алгоритма для определения параметров качества и безопасности для продукции, ранее не использованной в обучающей выборке, но относящейся к тому же виду, например, другого производителя. Разработанные в рамках проекта научно-технические основы контроля качества и безопасности мясных продуктов с помощью гиперспектрального анализа и терагерцового излучения обладают исключительной перспективностью с точки зрения практической реализации.