Новое решение поможет контролировать качество кисломолочных продуктов прямо во время производства. Для этого нужно сфотографировать образец продукции, в которую добавлен специальный цветовой индикатор. Для работы с системой не требуются специальные знания, а благодаря ее мобильности изучать молочнокислые бактерии можно не только в лаборатории. Однако опрошенные «Известиями» эксперты отметили, что для успешного выведения проекта на рынок разработчикам необходимо решить еще ряд задач.
Микробиологическая лаборатория в смартфоне
Ученые Научно-образовательного центра инфохимии Университета ИТМО разработали первую в России систему на базе смартфона, которая по фотографии оценивает рост молочнокислых бактерий из группы термофильного стрептококка (Streptococcus thermophilus). Она поможет оперативно оценивать микробиологические показатели, особенно в тех лабораториях, где для этого нет профильного оборудования, рассказали «Известиям» разработчики.
— В процессе роста термофильного стрептококка кислотность среды постепенно изменяется, и это визуально проявляется в изменении окраски индикатора, добавленного в образец. Пользователь фотографирует на смартфон чашку Петри с бактериями, а затем загружает фото в наш Telegram-бот, — рассказала один из авторов исследования, инженер Научно-образовательного центра инфохимии ИТМО Ольга Осьмак.
Алгоритм анализа цвета с использованием шестнадцатеричного цветового кода автоматически определяет контур чашки Петри, удаляет фон и шум. Далее он рассчитывает средние значения цвета загруженного изображения и сравнивает их с ранее построенным цветовым градиентом 25 эталонных изображений, которые хранятся в локальной базе данных. Через несколько секунд система выдает значение кислотности с точностью до 0,01 единицы, рассказала специалист.
Молочнокислые бактерии незаменимы в фармацевтической и пищевой промышленности, отметили ученые. При брожении они производят молочную кислоту, которая используется при производстве йогуртов, сыров и других кисломолочных продуктов, а также служит натуральным консервантом для многих продуктов питания. Помимо этого, молочная кислота входит в состав кремов, сывороток и других косметических средств.
Для обеспечения стабильного качества продукции важно контролировать процессы, связанные с образованием молочной кислоты и активностью молочнокислых бактерий. Как правило, такие исследования осуществляются с использованием титриметрии, газовой или высокоэффективной жидкостной хроматографии. Эти методы требуют специализированного лабораторного оборудования и условий. Альтернативой могут выступать биосенсоры, однако большинство из них ориентировано на выявление патогенных микроорганизмов и не предназначено для анализа молочнокислых культур.
Главное преимущество новой технологии — возможность отслеживать рост молочнокислых бактерий на этапе их подготовки к производственному процессу. Такая система позволяет контролировать входные параметры культуры до ее внесения в технологическую линию, тем самым обеспечивая стабильность и воспроизводимость конечного кисломолочного продукта на мелкосерийном производстве. Также система подойдет для школьных экспериментов по микробиологии. Учащиеся могут посеять бактерии в чашки Петри и с помощью смартфона и Telegram-бота изучить процесс ферментации молочнокислых бактерий и выработки молочной кислоты. Простота использования делает систему мониторинга доступной для пользователей без специальной подготовки, рассказали «Известиям» разработчики.
Где программа найдет применение
В перспективе разработанная система поможет следить за гигиеной полости рта. Патогенные бактерии группы стрептококк мутанс (Streptococcus mutans) — одна из причин возникновения кариеса. Они производят молочную кислоту, что приводит к снижению кислотности среды, в итоге эмаль зубов разрушается. Чтобы узнать состояние полости рта, на зубы можно нанести специальный гель и сфотографировать его на смартфон, а система определит кислотность.
Ученые ИТМО собираются расширить функционал системы. Сейчас она анализирует рост термофильного стрептококка в присутствии бромкрезолового пурпурного — кислотно-основного индикатора, позволяющего отслеживать изменение кислотности среды. Но разработку можно адаптировать под другие культуры или штаммы молочнокислых бактерий и кислотно-основные индикаторы, например бромтимоловый синий.
Кроме того, в планах добавить точечное наведение фокусировки, если исследователю нужно проанализировать конкретную область образца в чашке Петри, а также автоматическое определение стадии роста молочнокислых бактерий и количества выработанной молочной кислоты. Последнее улучшение позволит узнать, как растут бактерии и изменяется кислотность, а также регулировать качество продукции в процессе производства. Для подготовки этих функций команда ИТМО уже провела серию лабораторных экспериментов с использованием спектрофотометрии и сформировала базу данных изменений оптической плотности бактериальных культур.
Разработка ученых ИТМО имеет важное значение для контроля качества кисломолочных продуктов, многие инструменты подобного характера очень дороги, измерения требуют значительных затрат времени, узкоспециализированного лабораторного оборудования и обученного высококвалифицированного персонала. И внедрение в практику рутинного анализа (в том числе внелабораторного исследования) более простых подходов обнаружения и определения кислотности представляет большой интерес, рассказал «Известиям» руководитель сегмента «Умные цепи поставок» рабочей группы FoodNet (Фуднет) НТИ Сергей Косогор.
— Выявление отклонений активности молочнокислых бактерий позволит быстро просигнализировать о качестве поставляемого молока, что вполне может быть использовано как фермерским сообществом, так и крупными предприятиями, — сказал он.
Само по себе решение очень интересное, за оптическим и прочими неразрушающими методами анализа химических показателей будущее, отметил ведущий эксперт рынка FoodNet (Фуднет) НТИ экономист Алексей Кук. Однако использование продукта сопряжено с рядом сложностей.
— Если есть камера и приложение — почему просто не выдавать результат по наведению или хотя бы просто по сделанной фотографии, не заставляя пользователя ее куда-то грузить, и выдавать ему результат в удобной форме (например, нанеся данные на фотографию, вместе с датой и временем и другими вспомогательными данными)? Также не до конца ясен рынок. Сделано несколько гипотез, где это может быть полезно. Но проведена ли более детальная оценка рынка — непонятно, — отметил он.
Исследование опубликовано в Journal of Industrial and Engineering Chemistry и поддержано грантом Российского научного фонда.