ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ФЕРМЕНТИРОВАННОЙ МОЛОЧНОЙ ПРОДУКЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГАЗОВОГО КВАДРУПОЛЬНОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА

Производство молока в России растет и приближается к цифре 32 млн тонн в год, а потребление молока и молочной продукции на душу населения составляет около 230 литров в год [1]. Разнообразные молочные продукты активно завоевывают российский рынок, их качественный состав имеет первостепенное значение для обеспечения здорового и полноценного питания населения.

Состояние здоровья во многом зависит от рациона питания. Одна из причин патологии желудочно-кишечного тракта — несбалансированное питание. Важно не только соблюдать нормы потребления белков, жиров и углеводов, но и восполнять дефицит витаминов и микроэлементов, регулирующих физиологические процессы организма. Большую роль в этом играют ферментированные молочные продукты, имеющие множество питательных и профилактических свойств. Молочнокислые бактерии играют важную роль в определении положительного воздействия на здоровье человека [2].

Кисломолочные продукты входят во все основные рекомендации и руководства по здоровому питанию и образу жизни. Они не только обеспечивают макро- и микроэлементы и их более высокую биодоступность, но и содержат бактерии, способствующие развитию здоровой микробиоты. Помимо классических бактерий, используемых при производстве кисломолочных продуктов, во многие из них в последнее время стали включать пробиотики, которые благотворно действуют на флору кишечника, вытесняя патогены, и поэтому рекомендуется предусматривать их потребление в рационе взрослых и детей с первых лет жизни [3].

Молочнокислые бактерии издавна используются в пищевой промышленности в качестве заквасок для изготовления кисломолочных продуктов. Ключевой метаболит, образующийся в ходе таких реакций ферментации, — молочная кислота, которая является коммерчески ценным продуктом для пищевой и фармацевтической промышленности. Польза кисломолочных продуктов заключается в легкой усвояемости содержащихся в них питательных веществ. Благодаря бифидо-и лактобактериям, входящим в их состав, лучше усваиваются молочные сахара. Компоненты кисломолочных продуктов (такие как молочная кислота, диоксид углерода, небольшой процент алкоголя в кефире и кумысе) стимулируют работу пищеварительной системы, создавая условия для комфортного и полного переваривания пищи.

Необходимый для организма кальций лучше проникает через слизистую оболочку кишечника, т.к. кислая среда переводит его в растворимое состояние. В детском и подростковом возрасте регулярное употребление кисломолочных продуктов в пищу становится решающим фактором в укреплении костного скелета и профилактике развития остеопороза [3].

Масс-спектрометрия широко используется в анализе безопасности и качества пищевых продуктов благодаря ее высокой чувствительности и неселективности [3]. Важной задачей современной масс-спектрометрии является обеспечение контроля качества пищевых продуктов, включая идентификацию, мониторинг и количественную оценку вновь выявленных пищевых загрязняющих веществ и компонентов. Получаемая в результате масс-спектрометрического анализа совокупность многомерных данных требует современной математической обработки. С этой целью для обработки данных широко применяются такие методы машинного обучения, как дискриминантный анализ и метод главных компонент [4–7].

Целью настоящей работы является масс-спектрометрический анализ состава газовой среды образцов ферментированной молочной продукции в режиме реального времени и применение методов интеллектуального статистического анализа для выделения групп схожих по своим свойствам образцов. Это позволит в перспективе разработать методики экспресс-контроля качества кисломолочной продукции и определять принадлежность продукции к промышленному или штучному методу изготовления.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Методика исследований

Исследованы пробы газового состава ферментированной молочной продукции. Анализ состава проб производился на малогабаритном квадрупольном масс-спектрометре МС7-200 с прямым капиллярным вводом пробы при атмосферном давлении, разработанном в ИАП РАН. Отбор проб производился через капилляр системы ввода масс-спектрометра непосредственно внутри упаковки с ферментированной молочной продукцией в режиме реального времени. Схематическое изображение процесса измерений приведено на рис. 1.

Рис. 1. Этапы исследования.

а — забор газовой пробы исследуемого образца путем ввода иглы в крышку без соприкосновения с продуктом; б — вид пробозаборного шприца с газовым составом исследуемого образца; в — измерения при помощи масс-спектрометра МС-7200 с прямым вводом газовой пробы; г — гибкая капиллярная трубка на шприце, которая вводилась в пробозаборник; д — спектр масс исследуемого вещества на экране ПК

Были проведены исследования трех групп ферментированной молочной продукции. Группа 1 была представлена девятью йогуртами из коровьего и козьего молока от индивидуальных фермерских хозяйств. Группа 2 состояла из пяти образцов иной ферментированной продукции от индивидуальных фермерских хозяйств (кефиры, йогурты, сметана). В группу 3 вошли пять образцов промышленных йогуртов из коровьего молока. Всего было проанализировано девятнадцать образцов ферментированной молочной продукции.

В качестве многомерного разведочного анализа данных был использован метод главных компонент. Данный метод представляет собой ортогональное линейное преобразование, которое отображает данные из исходного пространства признаков в новое пространство меньшей размерности, сохраняя при этом наибольшее количество информации. Выделение двух главных компонент ГК1 и ГК2 — собственных векторов, соответствующих наибольшим собственным числам, построение на плоскости (ГК1, ГК2) в виде точек, каждая из которых обозначает состояние определенного молочного продукта, и анализ их взаимного расположения составляют полный цикл анализа [9].

Метод главных компонент был успешно применен для кластеризации и визуализации полученных данных. Конечные результаты представляются в виде сводки или визуального изображения, такого как диаграмма или график. Данные инструменты визуализации помогают определить неявные закономерности, которые присутствуют в данных, и обнаружить корреляционные зависимости переменных.

Анализ результатов исследования

В результате экспериментального исследования были получены масс-спектры газового состава для девятнадцати образцов ферментированной молочной продукции.

Рис. 2. Масс-спектр образцов ферментированной молочной продукции от индивидуальных фермерских хозяйств

Рис. 3. Масс-спектр образцов ферментированной молочной продукции промышленного изготовления

Сравнительный анализ масс-спектров газового состава ферментированной молочной продукции одного производителя показан на рис. 2. Образцы отличаются наполнителем. Для йогурта 1 наполнитель — черная смородина, йогурт 2 — классический, без наполнителя.

Сравнительный анализ масс-спектров газового состава промышленной ферментированной молочной продукции показан на рис. 3. Образцы йогурт 3 и йогурт 4 не содержат наполнителя и сахара.

Полученные в результате измерений масс-спектры различных групп имели существенные особенности. Спектральный состав масс выделенных трех групп ферментированной молочной продукции заметно отличался наличием в группе 3 дополнительных компонент с отношением массы к заряду, равным 71 дальтон, и повышенной концентрацией компонент с отношением массы к заряду со значениями 56 и 57 дальтон.

Это обстоятельство свидетельствует о наличии дополнительных веществ в составе ферментированной молочной продукции относительно продукции индивидуальных фермерских хозяйств. Можно предположить, что такое соотношение интенсивностей компонент масс-спектров содержит информацию о добавках, о составе, что позволяет проводить экспресс-анализ отклонений состава ферментированной продукции от заданного эталона после набора определенной статистики.

Было обнаружено, что некоторые образцы из первой и второй групп имеют пик отношения массы к заряду, равным 69, который, возможно, отражает высоконенасыщенный углеводород — сквален (С30Н50). Благодаря своим значительным диетическим преимуществам, биосовместимости, инертности и другим полезным свойствам, сквален широко используется в качестве вспомогательного вещества в фармацевтических препаратах. Кроме того, сквален действует как защитное средство и, как было показано, снижает побочные эффекты, вызванные химиотерапией. Более того, сквален сам по себе проявляет профилактическую активность [3].

Был проведен статистический анализ данных, полученных в результате масс-спектрометрических измерений ферментированной молочной продукции. Метод главных компонент был выбран с целью уменьшения размерности многомерных данных и их визуализации в двумерном пространстве. Метод главных компонент представляет ортогональное линейное преобразование, которое отражает данные из исходного пространства в новое меньшей размерности. Количество выделяемых компонент (как и сумма всех полученных собственных значений) равно числу исходных признаков. Для расчета доли дисперсии, которая связана с каждой компонентой, каждую дисперсию, приходящуюся на каждую компоненту, делят на сумму совокупной общей дисперсии по всем компонентам с последующим отбрасыванием менее значимых компонент. Все компоненты в сумме исчерпывают 100% совокупной дисперсии исходных признаков [10].

Первой главной компонентой называется первая ось двумерного пространства, второй главной компонентой называется вторая ось двумерного пространства, на них приходится наибольшая доля совокупной дисперсии. Каждый исследуемый образец представляется двумерной точкой в декартовой системе координат, которая характеризуется признаками образца молочной продукции (рис. 4).

Рис. 4. График двух первых главных компонент для 19 образцов ферментированной молочной продукции.

Образцы 0–13 — ферментированная продукция от индивидуальных фермерских хозяйств, образцы 14–18 — промышленная продукция

Для расчета были взяты десять пиковых значений отношения массы к заряду, наиболее типичных для анализируемых образцов ферментированной молочной продукции.

Каждый образец представлен в виде точки в пространстве двух главных компонент. В результате вычислений установлено, что первая и вторая главные компоненты ГК1 и ГК2 в сумме объясняют 64.7% совокупной дисперсии исходных данных. В результате применения методов математической статистики исследуемые образцы разделились на две группы, состоящие из четырех и пятнадцати образцов. Предлагаемая методика позволяет выделить группы схожих по своим свойствам образцов и определять принадлежность продукции к промышленному или штучному методу изготовления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, настоящее исследование показывает перспективность использования масс-спектрометрического программно-аппаратного метода контроля качества ферментированной молочной продукции и возможность с его помощью определения степени соответствия продукции заданному эталону.

Работа выполнена в рамках Государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 075-00761-22-00.