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 22-76-10048
НазваниеРазработка поликомпозитных пьезонановесов для технологий мониторинга микробиологической безопасности молока и молочных продуктов
РуководительШуба Анастасия Александровна, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет инженерных технологий", Воронежская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2025 |
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 пишевых продуктов
Ключевые словасенсор, 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.
Ожидаемые результаты
Основные наиболее значимые результаты проекта будут представлены в виде:
1. Результатов анализа и систематизации литературных данных по летучим соединениям – продуктам метаболизма патогенных микроорганизмов (E.coli, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Clostridium perfringens, дрожжей и плесневых грибов) на различных субстратах.
2. Алгоритма выбора сорбентов выбора сорбентов для создания поликомпозитных покрытий, содержащих от 2 до 4 модификаторов сходной или различающейся по физико-химическим свойствам структуры для детектирования легколетучих соединений различных классов.
3. Алгоритм изготовления поликомпозитных сенсоров с заданными селективными свойствами для детектирования целевых летучих веществ в газовых смесях и получения аналитической информации от них о качественном и количественном составе газовой фазы.
4. Способа входного контроля молока на производстве, контаминированного патогенными микроорганизмами (E.coli, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Clostridium perfringens, дрожжи и плесневые грибы) с применением поликомпозитных пьезонановесов.
5. Общая методология измерения легколетучих соединений молока и молочных продуктов с применением пьезонановесов с поликомпозитными покрытиями, обработки их многомерных аналитических сигналов для оценки микробиологической безопасности пищевых продуктов.
6. Технологический регламент анализа газовой фазы молока поликомпозитными пьезонановесами для оценки микробиологической безопасности и мониторинга в процессе производства молочных продуктов, в том числе при применении веществ с антимикробной активностью в случае обнаружения патогенных микроорганизмов по ходу технологического процесса.
7. Методические материалы внедрения полученных знаний в учебный процесс.
8. Публикация не менее 8 статей в журналах, индексируемых в Web of Science и Scopus.
Создание поликомпозитных покрытий для модификации пьезокварцевых резонаторов позволяет говорить о принципиально новых способах получения аналитической информации, возможной миниатюризации приборов, других способах 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. 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. По итогам выполнения гранта будут сформированы заделы для развития технологии мониторинга по летучим веществам при производстве молочных продуктов из сырого молока с консервирующими антибактериальными добавками, для безопасного хранения, употребления в пищу, в том числе в детских учреждениях. Разработанная методология и регламенты будут способствовать импортозамещению иностранных технологий для обеспечения безопасности молочных продуктов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведен анализ и систематизация литературных данных по летучим соединениям – продуктам метаболизма патогенных микроорганизмов (E.coli, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Clostridium perfringens, дрожжей и плесневых грибов) на различных субстратах. Выделены несколько групп летучих соединений, связанных с ростом и размножением патогенных микроорганизмов в сыром молоке, в технологическом процессе изготовления молочных продуктов, а также естественными изменениями состава продуктов в процессе хранения неконтаминированного сырья. Полный профиль легколетучих соединений молока включает 107 соединений. По результатам проведенного анализа литературы выбраны целевые летучие аналиты.
Разработан алгоритм выбора сорбентов для создания поликомпозитных покрытий, содержащих 2-3 модификатора сходной или различающейся по физико-химическим свойствам структуры для детектирования легколетучих соединений различных классов, в первую очередь, целевых летучих аналитов, состоящий из 5 этапов. При создании композитного покрытия из двух сорбентов рекомендуется выбор сорбентов из разных групп, максимально отличающихся друг от друга (крайние точки в разных кластерах), при создании композитного покрытия из трех сорбентов рекомендуется выбор сорбентов из разных групп, при этом допускается наличие двух сорбентов, которые могут быть из одной подгруппы. При возможности выбора сорбента из подгруппы со схожими сорбционными характеристиками следует отдавать предпочтение сорбентам с одинаковым способом нанесения покрытия.
Проведена оптимизация геометрии области и способа нанесения покрытий на электроды пьезокварцевого резонатора с числом сорбентов 2-3 для создания устойчивых и стабильных сенсоров. Было исследовано три способа формирования композитных покрытий из двух и трех сорбентов:
1. на разные стороны пьезокварцевого резонатора (обозначение - 1/2)
2. последовательное нанесение сорбентов из индивидуальных растворов (сэндвич-технология) на каждую сторону резонатора (обозначение - 1/2 последовательно)
3. нанесение из смеси растворов сорбентов на каждую сторону резонатора (обозначение - 1/2 вместе).
Также было изучено три способа нанесения покрытия:
1. статического испарения капли
2. погружения в суспензию сорбента
3. напыление из растворов и суспензий сорбентов
В качестве критерия для оптимизации выбрана массовая чувствительность, которая при одновременном измерении на нескольких сенсорах пропорциональна максимальному отклику сенсора. Оптимизированы способ нанесения и массы сорбентов в композитных покрытиях для селективного определения паров целевых аналитов.
Проведено сравнение аналитических характеристик сенсоров с поликомпозитными покрытиями с матрицей родственных сенсоров. Установлено, что для поликомпозитных покрытий наблюдается 1,5-5 кратное увеличение удельной массовой чувствительности сенсоров к парам целевых летучих аналитов. При этом замечено, что при использовании сочетаний сорбентов по предложенному алгоритму в композитных покрытиях наблюдается увеличение числа аналитов с повышенной селективностью микровзвешивания паров летучих соединений по сравнению с парами воды, что важно при анализе проб сырого молока. Установлено, что для поликомпозитных покрытий наблюдается снижение в 10 раз пределов обнаружения целевых аналитов в газовой фазе над водными растворами, и увеличение диапазона линейности отклика сенсора, следовательно, возможно расширение концентрационных границ чувствительности сенсоров, а также увеличения концентрационного диапазона для надежной идентификации летучих соединений в газовой фазе над пробами сырого молока по расчетным параметрам сорбции. Отмечено, что для повышения эксплуатационных характеристик покрытий с применением полимерных и макромолекулярных сорбентов необходимо введение в покрытие наноструктурированных сорбентов.
Проведено сравнение кинетических особенностей сорбции паров целевых летучих аналитов на поликомпозитных покрытиях с матрицей сенсоров с монопокрытиями. Учитывали как точечные характеристики кинетических кривых, так полный набор откликов сенсоров. По результатам анализа хроночастограмм сенсоров с композитными и монопокрытиями предложен дополнительный расчетный параметр β, который повышает вероятность и надежность идентификации летучих компонентов в смеси.
Обоснована надежность и информативность расчетных параметров сенсоров и алгоритма построения «визуальных отпечатков» сигналов сенсоров с композитными покрытиями для идентификации летучих соединений в смеси без предварительного разделения. Показано, что по форме «визуальных отпечатков» максимальных сигналов сенсоров с поликомпозитными покрытиями можно обнаружить компонент, преобладающий в равновесной газовой фазе над смесью, и установить присутствие дополнительных компонентов, без их идентификации. Для увеличения надежности идентификации веществ в смесях предложено 3 способа расчета параметров эффективности сорбции паров тест-веществ для оценки качественного состава смесей по сигналам композитных покрытий. Новые параметры были проверены при идентификации тест-веществ в модельных смесях, полученные расчетные значения параметров для модельных смесей позволили идентифицировать все компоненты и позволяют надежно идентифицировать в газовых смесях карбоновые кислоты (группой и отдельно масляную, изовалериановую кислоты), изопентанол, бутанон-2 и другие целевые аналиты.
Разработан алгоритм получения информации о количественном составе модельных смесей по выходным данным от сенсоров с поликомпозитными покрытиями, который включает в себя 1) проверку на аддитивность значений площадей «визуальных отпечатков» (Sв.о.) для композитных покрытий, что позволяет прогнозировать количественные данные по результатам сорбции на индивидуальных сорбентах. Проверка осуществляется либо по 3σ-критерию, либо по уравнениям зависимости Sв.о. от массы сорбентов. 2) Оценку относительного содержания веществ (ω, %) в газовой фазе методом простой нормировки по данным для покрытия с сохранением аддитивности. При наличии значимых отклонений от аддитивности необходимо введение поправочного коэффициента на отклонение от аддитивности, который рассчитывается по экспериментальным данным градуировочных зависимостей для целевых аналитов.
Составлено и апробировано четыре варианта математических моделей прогнозирования сорбционных свойств поликомпозитных покрытий с учетом природы, массы сорбента и особенностей изготовления покрытий, на основе проекционных и регрессионных методов. Ошибка прогноза для исследуемых покрытий не превышает 15 %, при замене в покрытии одного сорбента с родственными свойствами погрешность предсказания увеличивается до 25%.
На основании проведенных исследований разработан общий алгоритм изготовления сенсоров с поликомпозитными свойствами для детектирования летучих аналитов в газовых смесях, который содержит несколько стадий:
1. Выбор перспективных сочетаний сорбентов по описанному алгоритму (при необходимости создания покрытия для других классов летучих веществ)
2. Прогнозирование сорбционных свойств покрытий для разных способов формирования и нанесения покрытия для выбранных летучих соединений
3. Приготовление растворов и суспензий сорбентов в оптимальных растворителях;
4. Формирование покрытия по заданным параметрам.
5. Расчет сорбционных параметров для оценки качественного состава модельных смесей, в том числе кинетических, по базе данных для сенсоров с монопокрытиями.
6. Проверка работоспособности расчетных параметров по двум целевым летучим аналитам различной природы, оценка аддитивности вклада сорбентов по целевым веществам, отклонение экспериментальных значений от рассчитанных не более, чем на 15%, является удовлетворительным.
По результатам проведенных исследований 3 и 4 стадии алгоритма уточнены и конкретизированы для формирования покрытий, позволяющих надежно детектировать целевые летучие веществ в газовой фазе над водными растворами.
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) https://doi.org/10.3390/s22218529
2. - Микробиологическая безопасность молока ТВ-губерния, Программа «Открытая наука», ноябрь 2022 (год публикации - )
3. - Новая концепция «электронного носа» позволит уменьшить число сенсоров без потери аналитической точности Новости РНФ, 21.12. 2022 (год публикации - )