Разработка ученых ИТМО представляет собой первую в России систему мониторинга кислотности среды молочнокислых бактерий на баземонитор смартфона. Она функционирует в реальном времени и предоставляет результаты с точностью до 0,01 единиц. Это инновационное решение позволит контролировать качество кисломолочных продуктов непосредственно в процессе мелкосерийного производства. Для работы с системой не нужны специальные знания, а благодаря ее мобильности изучать молочнокислые бактерии можно не только в лабораторных условиях.
Исследование было опубликовано в Journal of Industrial and Engineering Chemistry и поддержано грантом Российского научного фонда.
Молочнокислые бактерии играют ключевую роль в фармацевтической и пищевой отраслях. В процессе брожения они вырабатывают молочную кислоту, которая применяется при изготовлении йогуртов, сыров и других кисломолочных продуктов, а также выступает в качестве натурального консерванта для множества пищевых товаров. Кроме того, молочная кислота является компонентом кремов, сывороток и других косметических средств для ухода за кожей.
Для поддержания стабильного качества продукции необходимо контролировать процессы, связанные с образованием молочной кислоты и активностью молочнокислых бактерий. Обычно такие исследования проводятся с использованием титриметрии, газовой или высокоэффективной жидкостной хроматографии. Эти методы требуют специализированного лабораторного оборудования и определенных условий. В качестве альтернативы могут использоваться биосенсоры, однако большинство из них предназначены для обнаружения патогенных микроорганизмов и не подходят для анализа молочнокислых культур.
Ученые из научно-образовательного центра инфохимии ИТМО создали первую в России систему, основанную на смартфоне, которая позволяет оценивать рост молочнокислых бактерий из группы термофильного стрептококка (Streptococcus thermophilus) по фотографии. Эта разработка призвана ускорить анализ микробиологических показателей, особенно в лабораториях, где такие исследования проводятся нерегулярно и отсутствует специализированное оборудование. Удобство в использовании и независимость от стационарных лабораторных инструментов делают систему доступной даже для пользователей без специальной подготовки.
«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. 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 нашей в локальной базе данных. Через несколько секунд система выдает значение кислотности с точностью до 0,01 единиц», — рассказала первый автор исследования, инженер научно-образовательного центра инфохимии ИТМО Ольга Осьмак.
Основное преимущество данной технологии заключается в возможности мониторинга роста молочнокислых бактерий на этапе их подготовки к производственному процессу.
Эта система позволяет контролировать начальные параметры бактериальной культуры перед ее добавлением в технологическую линию, что обеспечивает стабильность и воспроизводимость конечного кисломолочного продукта в условиях мелкосерийного производства.
Кроме того, система идеально подходит для школьных экспериментов по микробиологии. Ученики могут сеять бактерии на чашках Петри и, используя смартфон и Telegram-бота, наблюдать за процессом ферментации молочнокислых бактерий и образованием молочной кислоты.
В будущем разработанная система позволит контролировать гигиену полости рта. Патогенные молочнокислые бактерии, такие как стрептококк мутанс (Streptococcus mutans), являются одной из причин кариеса. Эти бактерии вырабатывают молочную кислоту, что приводит к снижению pH среды и, как следствие, к разрушению зубной эмали. Для определения состояния полости рта достаточно нанести специальный гель на зубы и сделать фотографию с помощью смартфона, после чего система сможет оценить уровень кислотности.
Ученые из ИТМО планируют расширить возможности своей системы. В настоящее время она исследует рост термофильного стрептококка при наличии бромкрезолового пурпурного — индикатора кислотно-основного равновесия, который позволяет отслеживать изменения кислотности среды. Однако данную разработку можно адаптировать для работы с другими культурами или штаммами молочнокислых бактерий, а также с различными кислотно-основными индикаторами, такими как бромтимоловый синий.
Кроме того, в планах добавить возможность точечного наведения фокусировки, чтобы исследователь мог проанализировать конкретную область образца в чашке Петри. Также будет реализовано автоматическое определение стадии роста молочнокислых бактерий и уровня выработанной молочной кислоты. Это усовершенствование позволит отслеживать рост бактерий и изменения кислотности, а также контролировать качество продукции в процессе производства. Для реализации этих функций команда ИТМО уже провела серию лабораторных экспериментов с использованием спектрофотометрии и создала базу данных изменений оптической плотности бактериальных культур.
Исследование было выполнено в рамках гранта РНФ (№ 23−16−224).
