«Точка перехода». Электронный нос научили понимать, когда портится мясо

Испорченные продукты, по данным исследований, становятся причиной около 250 патологий, включая отравления, аллергии и даже онкологические заболевания. Для качественной оценки порчи продуктов сегодня применяют бактериологический анализ, однако он занимает много времени.

Группа ученых Сколтеха, Института проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН и других мировых ведущих научных организаций предложили новый метод для более точной и быстрой оценки качества мяса на основе технологий электронного носа и компьютерного зрения.

Специалисты Сколтеха развивают технологию электронного носа на протяжении нескольких лет, применяя ее в разных сферах. Так, в 2023 году было показано применение для анализа запаха пластика. Такой «нос» состоит из линейки газовых сенсоров и использует алгоритмы распознавания образов для точной идентификации запаха, имитируя работу обонятельной системы человека. Разница в том, что электронный нос, в отличие от носа человека, может реагировать не только на вещества, обладающие запахом.

В процессе жизнедеятельности бактерий в продуктах формируются летучие соединения — иначе говоря, появляется характерный запах, который считается первым признаком порчи. В новой статье исследователи изучили динамику порчи мяса с помощью электронного носа для оцифровки запаха, связанного с летучими маркерами его порчи, и сравнили результаты с изменениями в составе микробиома образцов испорченного мяса.

Запах является первым индикатором свежести либо несвежести продукта. В этой работе мы исследовали „точку перехода“, пытаясь понять, когда продукт становится несвежим, некачественным, и увидели, что электронный нос позволяет выявить изменения на более ранних стадиях, в отличие от компьютерного зрения. Когда мы начали проводить тесты с мясом из супермаркета, динамика изменений была минимальной — оно почти не портилось, но когда взяли мясо на рынке, оно начало портиться. Оказалось, что на нем уже были бактерии, и довольно-таки разнообразные. В какой-то момент большинство бактерий начинает погибать, но остаются и размножаются самые стойкие — гнилостные. С помощью электронного носа мы наблюдали, как меняется запах образца мяса, на котором живут такие бактерии, и мы определили с помощью математических протоколов, когда наступает та самая точка перехода мяса из свежего состояния в несвежее.

• Федор Федоров, соавтор работы и один из ее научных руководителей , старший преподаватель Центра фотоники и фотонных технологий

Ученые провели эксперименты при разной влажности и выяснили, какой сенсор в системе электронного носа наиболее чувствителен к таким изменениям.

Мы увидели, что это сенсор, который чувствителен к водороду. Найденная точка зависит от влажности в камере, в которой хранится мясо. Мы делали тесты при комнатной температуре, чтобы процессы проходили быстрее, и увидели, что есть зависимость от влажности: чем более влажный воздух, тем быстрее мясо пропадает. Оказывается, что одного сенсора и датчика влажности и температуры может быть достаточно, чтобы можно было определять точку, когда мясо испортилось.

• Федор Федоров

В ходе ПЦР-исследования ученые измеряли относительное количество основных видов бактерий, численность которых изменялась в разные периоды времени — это бактерии классов Brochotrix, Psychrobacter и Mycoplasma.

В то время как сенсоры улавливают изменения, микробиологический анализ может показать их причину. Мы с коллегами посмотрели, как меняется бактериальный состав образцов мяса: какие бактерии размножаются, а какие погибают. Мы увидели, что электронный нос улавливает изменения в атмосфере как раз тогда, когда сильно меняется состав бактерий.

• Михаил Гельфанд, профессор, директор Центра молекулярной и клеточной биологии в Сколтехе, соавтор работы

Результаты работы представлены в журнале Analytica Chimica Acta. Работа поддержана грантом Российского научного фонда № 21-73-10288 «Новые селективные газоаналитические системы для картирования химического пространства».

Фото в тексте: старший преподаватель Федор Федоров из Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха в работе над электронным носом. Автор снимка: Тимур Сабиров. Источник: институт науки и технологий Фото на обложке: графическая аннотация статьи. Источник: Monitoring of meat quality and change-point detection by a sensor array and profiling of bacterial communities