КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-76-10038

НазваниеРазработка экспресс-аналитических методов на основе больших данных спектрального анализа для определения сроков хранения и безопасности пищевого рыбного сырья

РуководительВилкова Дарья Дмитриевна, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Череповецкий государственный университет", Вологодская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2023 - 06.2026 

Конкурс№85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки, 06-301 - Технология пишевых продуктов

Ключевые словаэкспресс-методы, качество, сроки годности, рыбное сырьё, безопасность, рамановская спектроскопия, средняя инфракрасная спектроскопия, хемометрический анализ, большие данные, радужная форель, пищевая наука, открытая библиотека данных

Код ГРНТИ65.09.05

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Качеству продуктов питания все больше уделяется внимания со стороны правительств, ученых-исследователей и потребителей, и связано это, в первую очередь, с растущим спросом на более безопасные и питательные продукты. Рыба и рыбопродукты пользуются повышенным спросом во всем мире, так как являются природным источником легкоусвояемого белка, содержат микроэлементы и витамины. Традиционно качество рыбного сырья определяется при помощи ряда деструктивных и трудоемких методов с ограниченными аналитическими характеристиками, что подчеркивает высокую необходимость разработки новых аналитических методов для оценки качества продуктов питания. Проект по разработке экспресс-аналитических методов на основе больших данных спектрального анализа для определения сроков хранения и безопасности пищевого рыбного сырья позволит рассмотреть актуальный на сегодняшний день вопрос о повышении качества пищевой продукции в Российской Федерации. В доктрине продовольственной безопасности Российской Федерации указано, что пищевая безопасность является одним из главных направлений обеспечения национальной безопасности и устойчивого развития страны в долгосрочном периоде, что еще больше подтверждает необходимость реализации таких проектов. Четвертая промышленная революция (Индустрия 4.0) предполагает новый подход к производству, основанный на массовом внедрении информационных технологий. Новый подход к существующим проблемам, в частности в пищевой промышленности, позволит по-новому рассмотреть вопросы относительно оценки качества продуктов питания. Впервые будут рассмотрены закономерности и факторы, влияющие на рыбное сырье во время холодильного хранения с использованием спектральных методов и кластерного анализа. Эти методы позволят изучить зависимость каждого фактора (сезон вылова, пол, возраст) и построить прогностические и описательные модели с широким охватом выборки для оценки качества сырья и периода хранения. Изучая закономерности, влияющие на качество рыбного сырья (сезон вылова, пол, возраст, питание, температура хранения) спектральными методами и выявляя зависимости от этих факторов станет возможно по-новому рассматривать контроль качества рыбной продукции.

Ожидаемые результаты
В результате реализации проекта будет разработана методика экспресс-аналитического определения сроков хранения и безопасности пищевого рыбного сырья радужной форели. За три года исследований буду собраны спектральные данные 3000 проб рыбы радужной форели. На основе этих результатов будут сформированы базы данных сканированных спектров рамановской и средней инфракрасной спектроскопии, которые в последствии войдут в публичные библиотеки данных спектрального анализа. На основе большого массива данных будут созданы алгоритмические модели с использованием хемометрического анализа, с помощью которых станет возможным выявлять закономерности воздействия различных факторов на качество рыбного сырья и отслеживать сроки хранения рыбного сырья на примере радужной форели. Все эти результаты послужат фундаментом для создания международной платформы для публикации открытых научных баз данных на основе спектрального анализа в пищевом секторе. Результаты проекта продемонстрируют потенциал использования спектрального оборудования в сочетании с информационными технологиями в пищевой индустрии, что и рассматривается мировыми учеными в четвертой промышленной революции (Индустрия 4.0). Концепция «Пищевая промышленность 4.0» в нынешнюю цифровую эпоху за счет использования технологий позволяет повысить качество и безопасность продуктов питания, сокращая производственные затраты и время. Этот новый подход побудил ученых и исследователей активизировать и модернизировать текущие процессы контроля качества и оценки безопасности в пищевой индустрии, чтобы сделать их более разумными за счет внедрения инновационных стратегий, технологий и оборудования. В положении о Стратегии национальной безопасности Российской Федерации национальными интересами государства в сфере продовольственной безопасности на долгосрочный период является обеспечение населения качественной и безопасной пищевой продукцией, что подтверждает социальную значимость проекта. Продовольственная безопасность является одним из главных направлений обеспечения национальной безопасности страны в долгосрочном периоде, фактором сохранения ее государственности и суверенитета, важнейшей составляющей социально-экономической политики, а также необходимым условием реализации стратегического национального приоритета - повышение качества жизни российских граждан путем гарантирования высоких стандартов жизнеобеспечения. Более того, в нормативном документе указано о необходимости совершенствования организации контроля качества и безопасности пищевой продукции, включая создание современной технической и методической базы. Все из вышеперечисленного указывает, что для формирования здорового типа питания требуется проведение фундаментальных и прикладных научных исследований по оценке безопасности продовольственной продукции. Полученные результаты будут иметь практическую значимость для органов контроля безопасности пищевой продукции, для потребителей, которым важно знать уровень качества употребляемой продукции. Следует отметить, что разрабатываемые методы демонстрируют большой потенциал для предприятий пищевой промышленности. Они помогут оптимизировать процесс контроля качества, ключевой в пищевом секторе за счет повышения уровня автоматизации и цифровизации, которые, как ожидается, будут способствовать развитию этой области в ближайшие годы.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
На первом этапе оценка качества, безопасности и сроков хранения образцов радужной форели была проведена физико-химическими (сенсорный анализ, содержание воды, общее содержание ртути), микробиологическими (общее микробное число, число психрофильных микроорганизмов), спектральными (ИК в среднем диапазоне с преобразованием Фурье, рамановская спектроскопия) методами анализа на 500 пробах в общей сложности. В результате сенсорная оценка качества образцов показала, что в течение первых 3 дней хранения форель характеризовалась как свежая. Ухудшение качества отмечалось на 6–11 день хранения. Непригодными к употреблению в пищу образцы форели были признаны после 12 суток хранения. Изменения, проходящие на микроскопическом и макроскопическом уровне, отражаются на органолептических свойствах и визуально заметны. Результаты исследований по определению содержания воды в образцах показали снижение показателя: в 1-й день хранения содержание воды составило 73,6±1,99 г/100 г, на 16-й день – 71,0±1,59 г/100 г. Содержание ртути в мышечной ткани радужной форели в среднем варьирует в пределах от 0,049 до 0,071 мг/кг. Образцы радужной форели являются безопасными и могут быть использованы в качестве пищевого сырья. Микробиологическая оценка показала, что, качество радужной форели ухудшается со временем хранения и микробиологическая приемлемость была зафиксирована на 6-ой и 10-ый день, для общего микробного числа и психрофилов, соответственно. Инфракрасная спектроскопия в среднем диапазоне позволила дифференцировать образцы радужной форели в зависимости от дня хранения. Каждому дню хранения соответствовал свой уникальный спектр. В результате были получены наиболее мажорные полосы поглощения ~ 1088, 1547, 1635 и 3287 см-1 образцов форели во время 16 дней хранения. В целом, интенсивность полос поглощения зависела от срока хранения форели, при этом минимальные значения поглощения наблюдались для свежих образцов (1 день хранения). В результате рамановской спектроскопии были получены спектры 16 дней хранения радужной форели в спектральном диапазоне 100–3200 см-1 с наименьшей интенсивностью для свежих образцов 0, 1 и 4 дня хранения. Позволяя точно дифференцировать эти образцы от других. Увеличение интенсивности полос характерных для Tyr (640 см-1) и Trp (при 730 см-1) до 13-го дня хранения, указывали на рост количества свободных аминокислот и может рассматриваться как индикатор роста микробного числа при хранении радужной форели. Отмечается увеличение интенсивности полосы S–S (при 525 см-1), которая также достигает максимальных значений на 12-13 дни хранения. Были получены пики комбинационного рассеяния при 1262, 1305, 1443 и 1657 см–1 которые связаны с окислением липидов. Выраженные пики при 1305 см-1 и 1443 см-1 обусловлены деформационными колебаниями -СН2 и -СН3 липидов, и показывают максимальную интенсивность на 7 день хранения. Отмечается увеличение интенсивности флуоресценции в области растяжения (C=C) при 1657 см–1 начиная с 5 дня хранения, что может быть связано с образованием сопряженных диенов, и отражать степень окисления липидов при порче рыбы. Проведено первичное математическое моделирование спектральных данных радужной форели. Перед проведением анализа методом частичной регрессии наименьших квадратов в диапазоне спектров 4000–700 см-1 и было выявлено, что наиболее значимой областью для охлажденной радужной форели является 1470-930 см-1, при дальнейшем исследовании которой была построена математическая модель дня хранения. Для извлечения информации из наборов спектральных данных был применен метод главных компонент (PCA) отдельно к всему спектральному диапазону и к наиболее значимой области (1470-930 см-1). Обе модели показали дифференциацию образцов в зависимости от дней хранения. Однако, общая дисперсия для области 1470-930 см-1 по компоненте 1 и 2 была равная 89%, в то время как для всего спектрального диапазона 78% в двухмерной модели. Метод главных компонент (PCA) применялся к рамановским спектральным данным для извлечения информации. По компоненте 1 и 2 математическая модель была равная 78% в двухмерной модели (2D). Описывая полученную трехмерную модель (3D) процент общей дисперсии увеличился на 14%. За время исследований были сформированы две базы данных, содержащих измерения со значениями спектров (первичные и нормализованные) для ИК спектров в среднем диапазоне и для рамановских спектров. За отчетный период по результатам исследований подготовлена и зарегистрирована база данных «Спектральные данные охлажденной радужной форели в среднем инфракрасном диапазоне». Кроме того, разработана программа для автоматического сведение спектров в табличную базу данных в виде числовых значений для хемометрической обработки данных в сторонних программа для анализа. А также бала начата разработка сайта проекта для размещения открытых баз данных по адресу: http://odbf.ru  

 

Публикации

1. - Научные сотрудники кафедры биологии ЧГУ приняли участие в Конгрессе молодых ученых в «Сириусе» Официальный сайт Череповецкого государственного университета, - (год публикации - )

2. - "Школа РНФ" в рамках деловой программы Конгресса молодых ученых продолжает свою работу. Официальный телеграм-канал Российского научного фонда, - (год публикации - )

3. Белова М.А., Дахова Л.Е., Хомякова И.А., Новиченко О.В., Каруи Р., Кутузов М.Н., Вилкова Д.Д. Потенциал использования инфракрасной спектрометрии в среднем диапазоне для оценки качества пищевого рыбного сырья Проблемы ветеринарной санитарии, гигиены и экологии, 2024. № 1 (49). С. 47–53 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.36871/vet.san.hyg.ecol.202401007

4. Вилкова Д.Д., Белова М.А., Фонякина В.С., Штер К.В., Новиченко О.В., Кутузов М.Н. Оценка качества и безопасности охлажденной радужной форели Oncorhynchus Mykiss Проблемы ветеринарной санитарии, гигиены и экологии, - (год публикации - 2024)

5. Вилкова Д.Д., Новиченко О.В., Белова М.А., Кутузов М.Н., Никитин И.А. Инфракрасная спектроскопия как метод экспресс-оценки сроков хранения и свежести охлажденной радужной форели Хранение и переработка сельхозсырья, - (год публикации - 2024)

6. Румянтцева О.Ю, Комов В.Т., Кутузов М.Н., Заруал Х., Мизина К., Белова М.А, Никитин И.А., Столярова А.Н., Машин Д.В. Hair mercury levels in pregnant women: fish consumption as a determinant of exposure Toxics, - (год публикации - 2024)

7. Вилкова Дарья Дмитриевна, Белова Мария Алексеевна, Кутузов Михаил Николаевич, Новиченко Ольга Викторовна Спектральные данные охлажденной радужной форели в среднем инфракрасном диапазоне -, № 2024621831 (год публикации - )

8. - Ряд уникальных промышленных разработок представили молодые учёные Вологодской области ГТРК «Вологда», - (год публикации - )

9. - Уникальную технологию определения качества рыбы разрабатывают череповецкие учёные ГТРК «Вологда», - (год публикации - )

10. - Ученые Череповецкого государственного университета нашли способ быстро определить качество рыбного сырья Официальный портал "Наука и инновации Вологодской области", - (год публикации - )