Разработка поликомпозитных пьезонановесов для технологий мониторинга микробиологической безопасности молока и молочных продуктов

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 проекта 22-76-10048

НазваниеРазработка поликомпозитных пьезонановесов для технологий мониторинга микробиологической безопасности молока и молочных продуктов

Руководитель Шуба Анастасия Александровна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет инженерных технологий" , Воронежская обл

Конкурс №71 - Конкурс 2022 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 пищевых продуктов

Ключевые слова сенсор, пьезокварцевое микровзвешивание, поликомпозитные покрытия, продукты питания, молоко, молочные продукты, патогенные микроорганизмы, консервирующие добавки

Код ГРНТИ65.63.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку принципиально новых поликомпозитных чувствительных покрытий пьезонановесов, позволяющих получать аналитическую информацию о качественном и количественном составе газовых сред. Сочетание нескольких сорбентов с разной селективностью и чувствительностью на одном преобразователе является интересным аналитическим решением. Применение полученных покрытий позволит открыть новые пути решения проблемы контроля микробиологической обсемененности продуктов питания, как при входном контроле на предприятии, так и в процессе технологических изменений для исключения риска перекрестного контаминирования на предприятии, оценить изменения при введении новых консервирующих экодобавок в технологический процесс. Разработка новых видов сенсоров и устройств на их основе является актуальной задачей, а широкие возможности их применения позволяют говорить об их практической значимости. Создание поликомпозитных покрытий для модификации пьезокварцевых резонаторов требует разработки принципиально новых способов получения аналитической информации, расширяет возможности миниатюризации приборов на их основе и других способов внедрения в практику производств, что является значимым вкладом в фундаментальную область аналитической химии. Применение разработанных покрытий для оценки микробиологической обсемененности продуктов питания позволит внести вклад в методологическую базу контроля безопасности пищевых продуктов на производстве. Микробная контаминация пищи является одной из основных проблем здравоохранения и экономики. Наличие в продуктах питания патогенных микроорганизмов превалирует над другими факторами по числу пострадавших, быстроте развития заболеваний, по способности превращать доброкачественную продукцию в непригодную к потреблению при нарушении условий хранения. Для защиты здоровья и жизни населения повсеместно создаются системы обеспечения микробиологической безопасности пищи, основанные на нормативно-правовых требованиях в санитарном, пищевом законодательстве и техническом регулировании, гигиеническом нормировании, государственном надзоре и производственном контроле продукции. В связи с этим разработка новых способов контроля патогенных микроорганизмов в сырье и продуктах питания с применением безконтактных методов на основе новых поликомпозитных сенсоров является важной и актуальной задачей для обеспечения Стратегии повышения качества пищевой продукции в Российской Федерации до 2030 г. Разработка систем и приборов на основе сенсоров различных типов (электронные языки, носы) для анализа пищевых продуктов ведется более 30 лет (https://doi.org/10.1016/j.trac.2017.09.014, https://doi.org/10.1007/s13197-019-04143-4). За это время мировыми научными группами накоплен большой материал по свойствам различных покрытий (полимерных сорбционных фаз, неорганических наноструктурированных фаз, биологически активных соединений, макромолекулярных соединений, металл-органических соединений) для создания газовых химических сенсоров, оценена возможность их применения для широкого круга задач и проблем. Одним из возможных путей развития научного направления в этой области является создание поликомпозитных сенсоров, отражающих свойства нескольких сорбционных фаз. Применение современных методов обработки данных позволит дифференцировать информацию, получаемую от поликомпозитного покрытия, тем самым сократить количество измерительных элементов, миниатюризировать приборы на их основе или внедрить в уже существующие технологии контроля производства. Однако для создания такого рода сенсоров необходима фундаментальная проработка и экспериментальные исследования по оценке закономерностей сорбции различных классов веществ на новых покрытиях в различных режимах сорбции, по способам формирования поликомпозитных покрытий, по оценке их аналитических характеристик. Результаты пилотного эксперимента научной группы проекта позволяет положительно оценить возможность создания такого рода покрытий. Применение их для оценки микробиологической безопасности молока и молочных продуктов как на этапе входного контроля сырья, так и в технологическом процессе является междисциплинарным направлением внедрения инноваций на производство. В последнее время в научной литературе появляются работы по применению сенсоров и систем на их основе для оценки наличия патогенных микроорганизмов в молоке и молочных продуктах (https://doi.org/10.3168/jds.2020-19987, https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.2002.tb10672.x, https://doi.org/10.1016/j.sbsr.2021.100428), однако генотипирование микроорганизмов в этих работах не проводилось. Сочетание методов газового анализа поликомпозитными сенсорами и молекулярно-генетических исследований молока и молочных продуктов позволит обеспечить необходимый предел обнаружения микроорганизмов при сканировании газовой фазы разработанными сенсорами, а также оценить эффективность антибактериальных экодобавок в процессе производства молочных продуктов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шуба А.А, Кучменко Т.А., Умарханов Р.У. Piezoelectric Gas Sensors with Polycomposite Coatings in Biomedical Application Sensors, 22(21), 8529 (год публикации - 2022)
10.3390/s22218529

2. Шуба А.А., Анохина Е.П., Умарханов Р.У., Богданова Е.В., Буракова И.Ю. Application of Piezoelectric Sensors with Polycomposite Coatings for Assessing Milk Quality Indicators Engineering Proceedings, номер 48, выпуск 1, ст. 21 (год публикации - 2023)
10.3390/CSAC2023-14874

3. Шуба А.А., Анохина Е.П., Умарханов Р.У., Богданова Е.В. Development of a Chemical Sensor Based on Deep Eutectic Solvents and Its Application for Milk Analysis Engineering Proceedings, номер 48, выпуск 1, ст. 34 (год публикации - 2023)
10.3390/CSAC2023-14889

4. Шуба А.А., Кучменко Т.А., Умарханов Р.У. Оценка возможности прогноза и регуляции сорбционных свойств композитных покрытий пьезокварцевых сенсоров Сорбционные и хроматографические процессы, Том 23, номер 4, ст. 630-641 (год публикации - 2023)
10.17308/sorpchrom.2023.23/11571

5. Шуба А.А., Анохина Е.П., Умарханов Р.У., Богданова Е.В., Буракова И.Ю. Перспективы оценки микробиологических показателей сырого молока с применением химических газовых сенсоров ХРАНЕНИЕ И ПЕРЕРАБОТКА СЕЛЬХОЗСЫРЬЯ, № 1, Том 32 (год публикации - 2024)
10.36107/spfp.2024.1.559

6. Шуба А.А., Умарханов Р.У., Богданова Е.В., Анохина Е.П., Буракова И.Ю. Possibilities of an Electronic Nose on Piezoelectric Sensors with Polycomposite Coatings to Investigate the Microbiological Indicators of Milk Multidisciplinary Digital Publishing Institute (год публикации - 2024)
10.3390/s24113634

7. Шуба А.А., Богданова Е.В., Анохина Е.П., Умарханов Р.У. Current trends in the determination of microbiological indicators of dairy products Journal of Food Science and Technology, Том 62, страницы 453–470 (год публикации - 2025)
10.1007/s13197-025-06207-0

8. Шуба А.А., Богданова Е.В., Анохина Е.П., Умарханов Р.У. Determination of Escherichia coli in Raw and Pasteurized Milk Using a Piezoelectric Gas Sensor Array Engineering Proceedings, Том 87, страница 31 (год публикации - 2025)
10.3390/engproc2025087031

9. Шуба А.А., Кучменко Т.А., Умарханов Р.У., Богданова Е.В., Анохина Е.П., Буракова И.Ю. Multidimensional Patterns of Gas Sensors for Assessing the Microbiological Indicators of Raw Milk Journal of Chemometrics, Том 39, Номер 3 (год публикации - 2025)
10.1002/cem.70007

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчетном периоде проведены исследования газовой фазы образцов сырого молока с различной степенью бактериальной обсемененности, в том числе в процессе выработки кисломолочных продуктов из пастеризованной смеси и из искусственно контаминированной бактериями E.coli с использованием пьезосенсоров с поликомпозитными покрытиями. Так исследовано 48 проб, в которых оценивали минеральный состав по величине общей электропроводности, активную кислотность по величине рН, окислительно-восстановительный потенциал, температура пробы молока и содержание аминокислот. С помощью многомерного анализа (метод главных компонент) установлено, что массив пьезосенсоров позволяет различать пробы по уровням бактериальной обсемененности (менее 1000 и более 10000 КОЕ/мл) без необходимости дополнительной корректировки выходных кривых сенсоров. Оценена степень корреляции сигналов сенсоров с физико-химическими показателями и аминокислотным профилем проб. По набору расчетных параметров сенсоров со значимыми коэффициентами корреляции для каждой аминокислоты выявлена отрицательная корреляция между значением КМАФАнМ и содержанием триптофана, метионина, лейцина и изолейцина, что свидетельствует о преимущественной утилизации данных аминокислот микрофлорой молока. Оптимизированы праймеры для молекулярно-генетического анализа методом ПЦР в реальном времени для детекции E.coli и Staphylococcus aureus в образцах молока. Подтверждена эффективность применения этих праймеров при оценке некультивируемых форм бактерий в пробах молока для корректировки процесса обучения массива сенсоров при построении математических моделей. Проведены эксперименты по применению защитных культур (Holdbac YM-B Plus и Lyobac-D Probialac MXP-LRPS) и эфирного масла орегано для ингибирования развития условно-патогенной микрофлоры в пастеризованной смеси, искусственно контаминированной E. coli, в процессе выработки кисломолочных продуктов (йогурт, кефир). По результатам эксперимента установлено, что несмотря на указанное бактериостатическое действие этих соединений, их применение в рекомендованных концентрациях не предотвращает полностью размножение E.coli, что указывает на необходимость дальнейшей оптимизации условий их использования. Разработана и апробирована методология мониторинга газовой фазы с использованием пьезосенсоров для оценки микробиологической безопасности сырого и пастеризованного молока, кисломолочных продуктов. Разработана пропись методических рекомендаций анализа газовой фазы молока поликомпозитными пьезонановесами для оценки микробиологической безопасности и мониторинга в процессе производства молочных продуктов, в том числе при применении защитных культур. Разработана и апробирована лабораторная работа по оценке бактерий группы кишечной палочки в сыром молоке с помощью массива пьезонановесов с поликомпозитными покрытиями. Лабораторная работа может быть использована в учебных курсах по направлениям 04.05.01 «Фундаментальная и прикладная химия», 19.03.03 «Технология продукты питания животного происхождения». По итогам исследований опубликовано 4 статьи в индексируемых журналах WoS и Scopus, результаты представлены на 3 международных конференциях.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы для оперативного контроля микробиологической безопасности сырого и переработанного молока, что критически важно для пищевой промышленности и аграрного сектора. Разработанные сенсоры и алгоритмы анализа позволяют внедрить экспресс-методы диагностики качества продукции непосредственно на фермах и перерабатывающих предприятиях. Это способствует снижению потерь, повышению безопасности пищевых продуктов и защите здоровья потребителей. Технология может быть адаптирована для других типов пищевого сырья, а также служить основой для создания отечественных сенсорных систем, что формирует научно-технологический задел для импортонезависимости и экономического роста.