Ученые ИТМО разработали первую в России систему мониторинга кислотности среды молочнокислых бактерий на базе смартфона. Она работает в реальном времени и выдает результат с точностью до 0,01 единиц. Новое решение поможет контролировать качество кисломолочных продуктов прямо во время мелкосерийного производства.
Для работы с системой не требуются специальные знания, а благодаря ее мобильности изучать молочнокислые бактерии можно не только в лаборатории, подчеркнули в пресс-службе Российского научного фонда.
Молочнокислые бактерии незаменимы в фармацевтической и пищевой промышленности. 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 кожи.
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 ориентированы на выявление патогенных микроорганизмов и не предназначены для анализа молочнокислых культур.
Сотрудники научно-образовательного центра инфохимии ИТМО разработали первую в России систему на базе смартфона, которая по фотографии оценивает рост молочнокислых бактерий из группы термофильного стрептококка (Streptococcus thermophilus). Разработка поможет оперативно оценивать микробиологические показатели, особенно в лабораториях, где такой анализ нужно проводить эпизодически, но для этого нет профильной специализации. Простота использования и независимость от стационарного лабораторного оборудования делают систему мониторинга 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.
Главное преимущество технологии — возможность отслеживать рост молочнокислых бактерий на этапе их подготовки к производственному процессу. Такая система позволяет контролировать входные параметры бактериальной 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.
В перспективе разработанная система поможет следить за гигиеной полости рта. Патогенные молочнокислые 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.
Ученые планируют 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.
Исследование опубликовано в Journal of Industrial and Engineering Chemistry и поддержано грантом Российского научного фонда.
