Разработка оптически активных индикаторов для умной упаковки пищевых 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 24-76-10093

НазваниеРазработка оптически активных индикаторов для умной упаковки пищевых продуктов

Руководитель Назарова Елена Александровна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №98 - Конкурс 2024 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 умная упаковка, индикаторы свежести, углеродные точки, биосенсорные системы, биополимеры

Код ГРНТИ65.01.90

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Безопасность пищевых продуктов является глобальным приоритетом и одной из основных целей действующего законодательства в области пищевой промышленности. Однако микробиологические риски пищевых продуктов даже сегодня являются одним из основных источников болезней пищевого происхождения. Современным решением данной проблемы может выступать умная упаковка, которая предоставляет переработчику, розничному продавцу и/или потребителю информацию о состоянии продукта питания или окружающей его среды. Углеродные точки крайне перспективны для химических и биосенсоров, поскольку помимо настраиваемых оптических флуоресцентных свойств, фотостабильности и биосовместимости они могут взаимодействовать с молекулами анализируемого вещества с избирательным оптическим откликом. Тем не менее их склонность к агрегации может привести к потере оптической активности и загрязнению систем, в которых они используются, что ограничивает их потенциальное применение в пищевой промышленности. Предложенная в данном проекте идея новых индикаторов свежести заключается, во-первых, в применении прямого синтеза углеродных точек на поверхности различных биополимеров, включая модификацию существующих функциональных групп, что обеспечит прочное связывание нанообъектов с материалом носителя и исключит контаминацию пищевых продуктов, а во-вторых, в расширении спектра анализируемых метаболитов за счет включения ферментов в состав биосенсорного материала. Таким образом, актуальной задачей является разработка данных индикаторов для умной упаковки, поскольку они могут контролировать качество упакованных пищевых продуктов, реагируя гашением флуоресценции на изменения, происходящие в продукте или окружающей его газовой фазе в результате роста или метаболизма микроорганизмов. Новизна данного проекта состоит в использовании in situ синтеза углеродных точек непосредственно на поверхности биополимеров для создания оптически активных биосовместимых индикаторов, встраиваемых в умную упаковку продуктов питания. Также впервые предлагается модификация синтезируемых материалов ферментами для получения биосенсорных систем, применяемых в пищевой промышленности для контроля качества продукции. Исследования проекта включают в себя анализ физико-химических процессов и изучение формирования межмолекулярных взаимодействий. Кроме того, будет изучена возможность применения различных технологий формования разрабатываемых индикаторов, интегрированных в умную упаковку, для улучшения свойств материалов и добавления новых функций. Этот комплексный подход позволит не только создавать материалы для уникальных применений в пищевой отрасли, но также понять процессы образования углеродных точек и их взаимодействия с анализируемыми веществами, а также биологическими объектами.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе проекта был оптимизирован in situ синтез углеродных точек на нанокристаллических хитине (С-dots/ChNC) и хитозане (С-dots/ChsNC) с характерным флуоресцентным откликом конечного гибридного материала в синей области спектра. Устойчивость дисперсных систем оценивалась путем измерения размеров частиц и дзета-потенциала методом динамического светорассеяния. Результаты показывают, что среднее значение дзета-потенциала составляет +43 ± 5 мВ, говоря о коллоидной стабильности суспензии, а размер частиц варьируется от 150 до 450 нм. Физико-химические свойства и структуру исследовали с помощью комплекса методов SEM, TEM, XRD, FTIR, флуоресцентной спектроскопии. Оптические свойства (спектры возбуждения и испускания флуоресценции) полисахаридов с углеродными точками изучены на флуоресцентном спектрофотометре Agilent Cary Eclipse, а также на микропланшетном ридере TECAN Spark при работе с малыми объемами вещества. При возбуждении на длине волны 365 нм, материалы С-dots/ChNC, С-dots/ChsNC излучают свет в области 460 нм. Выявлена селективность углеродных точек как в водном растворе, так и на носителе к сульфид-ионам, построены калибровочные зависимости гашения флуоресценции от концентрации ионов сульфида в растворе. Предел обнаружения сульфид-ионов с помощью гибридных материалов составил 0,64 мкМ. Для удобства формирования и дальнейшего использования индикаторов проведены подбор гелирующих агентов суспензий С-dots/ChNC, С-dots/ChsNC и реологические исследования полученных композиций. Выявлено, что наиболее подходящим гелирующим компонентом выступает нанокристаллическая целлюлоза за счет своих тиксотропных свойств. По показателям динамической вязкости самым перспективным для практического применения в качестве индикатора оказался гидрогель на основе C-dots/ChNC. Соответственно, был разработан прототип индикатора свежести, представляющий собой круглую тестовую зону диаметром 6 мм, состоящую из оптически активного материала и размещенную на черном фоне. В данном проекте также впервые предлагается способ для количественной оценки оптического отклика с флуоресцентных индикаторов свежести продуктов с помощью специально разработанного портативного смартфон-совместимого устройства, обеспечивающего постоянство условий и простоту операций детектирования. Фотографии флуоресцентного отклика с поверхности тестовых зон получены в приложении камеры смартфона с помощью данного устройства и обработаны в программе ImageJ. Зависимость оптического отклика от количества образующихся в процессе порчи микроорганизмов продемонстрирована на калибровочных графиках для таких видов продуктов, как сырая курица и креветка. Изучено срабатывание индикаторов на различных скоропортящихся продуктах (курица, креветка) как при комнатной температуре (24 °C), так и при температуре холодильного хранения (4 °C). Результаты микробиологического мониторинга порчи куриного мяса показали, число КМАФАнМ превысило допустимые 1*10^3 КОЕ/г спустя 4,5 ч (при хранении при 24 °C) и спустя 2 дня при холодильном хранении. Снижение интенсивности флуоресценции гибридных индикаторов составило 14% и 15% соответственно. Аналогичные эксперименты были проведены для портящейся креветки, гашение флуоресценции индикаторов составили 15% (24°C) и 13% (4°C). Установлено, что снижение интенсивности флуоресценции коррелировало с ростом числа бактерий в поле зрения микроскопа при окраске по Граму и с ростом общего числа колоний на питательных средах. Разработанные в ходе проекта биосовместимые индикаторы на основе флуоресцентных материалов и способ их детекции могут быть использованы предприятиями пищевой отрасли для контроля качества и безопасности продукции. Их преимущества - природное происхождение компонентов, отсутствие риска загрязнения пищевых продуктов. Команда проекта стала победителем в реалити-шоу “Страсти по грантам. 2 сезон”, которое создано при поддержке Института развития интернета (ИРИ) в сотрудничестве с Российским научным фондом в рамках Десятилетия науки и технологий. Выпуски реалити выложены на платформе Premier: https://premier.one/show/strasti-po-grantam На странице новостного портала ITMO.News опубликована статья “В ИТМО разработали индикаторы для определения реального срока годности продуктов”, рассказывающая про проект: https://news.itmo.ru/ru/science/life_science/news/14023/

Публикации

1. Ионов Я.А., Назарова Е.А. Метод определения свежести мясных продуктов с использованием индикаторов на основе углеродных точек и разработанного флуоресцентного устройства Материалы Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2025» (год публикации - 2025)

2. Фрейнкман О.В., Назарова Е.А., Крайнова Д.В., Баринова В.В. Активная упаковка для пищевых продуктов на основе хитозана и углеродных точек Сборник трудов XIV Конгресса молодых ученых (год публикации - 2025)

3. Ионов Я.А., Хасанов Д.Г., Фрейнкман О.В., Назарова Е.А. Мониторинг процесса микробиологической порчи мясных и рыбных продуктов с помощью оптически активных индикаторов Сборник тезисов XI международной конференции молодых ученых: биоинформатиков, биотехнологов, биофизиков, вирусологов, молекулярных биологов и специалистов фундаментальной медицины в рамках площадки открытых коммуникаций OpenBio, Стр. 147 (год публикации - 2024)
10.25205/978-5-4437-1691-6-72

4. Мальченко В.А., Трейси Ш.Т., Кривошапкина Е.Ф., Назарова Е.А. Are food-derived carbon dots really edible? A potential harm versus potential benefits analysis Trends in Food Science & Technology, Volume 161, July 2025, 105031 (год публикации - 2025)
doi.org/10.1016/j.tifs.2025.105031