Российские ученые разрабатывают технологию «электронного носа»

Ученые Сколковского института науки и технологий (Сколтех, Москва) и Института проблем передачи информации им. А.А. Харкевича Российской академии наук создают технологию, которая может стать альтернативой бактериологическому анализу, используемому для определения свежести пищевых продуктов. Авторы исследования называют свой проект «электронным носом» и занимаются им уже несколько лет, причем сфера применения не ограничена только контролем качества еды. Как сообщает пресс-служба Сколтеха, в 2023 году было показано применение созданного решения для анализа запаха пластика. Также в составе разработки используются элементы машинного зрения.

«Электронный 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 нём 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», — рассказал соавтор работы и один из её научных руководителей Федор Федоров, старший преподаватель Центра фотоники и фотонных технологий.

Учёные 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 пропало», — добавил Федор.

В ходе ПЦР-исследования учёные 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», — рассказал профессор Михаил Гельфанд, директор Центра молекулярной и клеточной биологии в Сколтехе и соавтор работы. 

Работа поддержана грантом Российского научного фонда № 21-73-10288 «Новые селективные газоаналитические системы для картирования химического пространства». 

На фото: Старший преподаватель Федор Федоров из Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха в работе над электронным носом. Источник: Тимур Сабиров.