Применение системы искусственного обоняния для мониторинга состояния хлебобулочных изделий

Тем не менее, до настоящего времени нет глубокого понимания возможностей этих приборов, их достоинств по сравнению с обонянием дегустаторов. В то время, как самой природой внесены существенные ограничения и особенности восприятия и оценки запахов даже самыми опытными и обученными специалистами в этой области. Остановимся только на некоторых из них. Запах для большинства людей является слабодифференцированным интегральным ощущением и определяется суммарным воздействием от раздражения обонятельных рецепторов, рецепторов тройничного нерва и вомероназального органа. При этом площадь обонятельной зоны составляет около 6 см2, что не позволяет фиксировать все летучие соединения, попадающие в носовую полость.

Специфическое ощущение присутствия в воздухе одорантов, обнаруживаемых рецепторами обоняния, вызывает положительных и отрицательных эмоции. Следствием этого является выделение оттенков запаха. Попытки объяснения восприятия и различения запахов привели к возникновению более 30 различных теорий с древности и до нашего времени. Наиболее известными из них являются: атомарная (корпускулярная) теория (Тит Лукреций Кар); эмпирические классификации (Г. Цваардемакер); волновая теория; теория структурного подобия (Дж. Эмур); спектроскопическая теория; теория генетического механизма кодирования белков-одорирецепторов. В совокупности эти теории объясняют, что восприятие и различение запаха зависят от качества носового дыхания, гормонального фона, специфической аносмии, возрастных особенностей, проводимости нервных пучков, уровня возбуждения нервной системы, индивидуального опыта. Немаловажным фактором является деградация обонятельного эпителия. Так, у новорожденных младенцев обоняние развито сильно, но уже за 1-й год жизни теряется на 40–50%. С возрастом уменьшается чувствительность и различение запахов, причем у мужчин больше, чем у женщин [4]. Свозрастом происходит атрофия обонятельных волокон и их количество в обонятельном нерве неуклонно уменьшается (рисунок 1).

В определённых условиях наблюдается извращённое восприятие запахов, когда привычные вещества вдруг становятся резко неприятными. Психофизиологическое состояние человека определяет пристрастия и восприятие. Изучение психики человека все больше приводит к пониманию того, что нет «инстинктивного выбора». Не инстинкты руководят нами, а сложный индивидуальный мозг, который мы в течение жизни формируем и который контролирует процессы внутри. Поэтому практически невозможно человеку абстрагироваться от обонятельных предпочтений, которые формируются с раннего детства и получают сильнейшую эмоциональную окраску.

Рисунок 1. Возрастная динамика атрофии волокон обонятельного нерва у человека

Figure 1. Age dynamics of anatrophy of fibers of an olfactory nerve at the person

Противоречия в анализе различных систем все больше провоцируют исследователей на создание альтернативных человеческим искусственных обонятельных систем, способных не только анализировать запахи, но и в прямом смысле слова измерять (оцифровывать), запоминать и накапливать сведения об их следах (образах).

Если абстрагироваться от физиологии и принять ее как она есть, то внутри современного уровня развития технологий, прежде всего пищевых, также зреет серьезный конфликт.

Инновационные подходы в разработке новых видов продуктов, рецептур, технологий неуклонно развиваются и совершенствуются, а параметры для оценки качества продуктов практически не меняются либо меняются в области оценки по единичным показателям (например, содержание соли, влаги, жира, белка, этанола). В то же время традиционные показатели качества все чаще не отражают истинного состояния продукта, по которому легко поддерживаются контролируемые единичные показатели в границах требуемых нормативными документами уровнях, а по сути, продукт является фальсификатом или несоответствующим данному виду пищевого продукта, уровню качества. Уязвимость и существенное продвижение в решении такого несоответствия – возможность объективной оценки интегральных показателей качества, приоритетным из которых является запах. В нормативных документах на все виды продукции, как пищевые, так и непищевые, это первое из оцениваемых показателей качества имеет описательную (качественный анализ) формулировку общего толка: «соответствующий данному виду продукта». Специалисты могут противопоставить этому утверждению наличие современных легколетучих соединений – высокоэффективную газовую хроматографию с самыми селективными и чувствительными детекторами. Но и здесь есть одна особенность. Именно эффективное разделение и максимально полное детектирование компонентов, составляющих летучую фракцию пробы, не приближает, а удаляет исследователя от характеристики свойства «запах». Потому что человеческий орган обоняния воспринимает запах именно интегрально, суммарно, а не дифференцированно, как большинство существующих аналитических систем (например, хромато-масс-спектрометрия). Эти методы нужны и важны для понимания структуры и состава, развития и создания новых пищевых систем, добавок, продуктов, но не имитации человеческого органа обоняния. Это является основной причиной незаменимости дегустаторов и одорометров на всех пищевых и многих непищевых производствах.

Противоречия приводят к появлению путей их разрешения или частичного устранения. Еще одно решение по совмещению прибора и человеческого обоняния нашло широкое распространение при анализе запахов пищевых продуктов, во Франции, Италии, Перу, Германии. Это применение эффективных газовых хроматографов с ольфактометрическим детектором (Gas Chromatography Analysis with Olfactometric Detection (GC-O). Последовательно подвижная фаза проходит через детектор и ольфактрометрическую приставку для установления связи между ключевыми соединениями и сенсорно-потребительского восприятия. По результатам GC-O ароматов получают информацию о пиках на хроматограмме, которые связаны с определенными одо-рометрическими ощущениями [5].

Наиболее близким решением в рассматриваемой области являются имитационные инструментальные методы и средства по разработке искусственного обоняния и систем «электронные носы». На рынке устройств насчитывается не менее 10 различных приборов на основе массива / набора относительно неселективных механических сенсоров с обратимой реакцией на легколетучие компоненты самых разнообразных проб: от воды, воздуха, почвы до пищевых матриц и непищевых материалов, биопроб и проб техпроцессов. «Электронные носы» – измерительные устройства нового поколения на основе газо-чувствительных сенсоров, в которых принципиально изменена интерпретация аналитической информации. Отсутствует классический подход по качественному и количественному анализу смесей. Как и человеком, регистрируется интегральная (комплексная) характеристика запаха. Сравнение этих приборов и наиболее близких к ним по объектам анализа – газовой хроматографии проведено в обзоре [6].

Продемонстрируем особенности применения «электронного носа» российского производства («МАГ-8») для решения сравнительно простой задачи – наблюдение и регистрация изменений запаха хлебобулочных изделий двух видов при хранении в течение 5 сут. Серьезных изменений качественного продукта за это время не должно произойти. Задача сводится именно к возможности детектирования плавных, некритических изменений и получение максимально возможной аналитической информации за 60 с измерения без пробоподготовки. Методология измерения практически идентична тест-системам, но метрологические характеристики соответствуют и не уступают точным физико-химическим методам.

Материалы и методы

Хлебобулочные изделия всегда присутствуют в рационе человека и употребление некачественного хлеба может причинить вред здоровью. При хранении хлеб может поражаться различными болезнями. Болезни хлеба возникают или из-за использования муки с повышенной микробиологической загрязнённостью, или при хранении хлеба в условиях повышенной влажности и температуры. Существуют различные болезни хлеба, такие как плесневение, картофельная болезнь и пигментные пятна. Поэтому обнаружение порчи хлеба на ранней стадии является актуальной проблемой.

Анализатор газов «МАГ-8» со съемным массивом сенсоров укомплектован набором 8 сенсоров с наноструктурированными покрытиями на основе окисленных многослойных углеродных нанотрубок, МУНТ (Черноголовка, Институт особо чистых материалов), нитрат оксида циркония, ЦР, свежесинтезированный биогидроксиапатит (ГА) различных масс: сенсор 1 (S1) – МУНТ (масса 5,03 мкг), сенсор 2 (S2) – ЦР(4,03 мкг), сенсор 3 (S3) – ГА (4,03 мкг), сенсор 4 (S4) – ГА (2,15 мкг), сенсор 5 (S5) – ЦР(2,12 мкг), сенсор 6 (S6) – МУНТ (1,96 мкг).

Поставлена задача мониторинга изменений образцов мякиша хлебобулочных изделий при хранении в закрытых пробоотборниках по составу равновесной газовой фазы для установления возможных поражений.

В качестве объектов исследования выбраны образцы белого (Городская булка) и черного (Дарницкий) хлеба. Исследование проводили в течение 5 дней с шагом 1 сут.

Результаты и обсуждение

Статистически обработанные отклики массива твердотельных нанодисперсных сенсоров в равновесной газовой фазе (РГФ) над пробами белого хлеба представлены в таблице 1, многомерные отклики «электронного носа» – на рисунке 2.

Таблица 1. Отклики сенсоров (ΔF, Гц) над пробами белого хлеба, n = 3, P = 0,95

Table 1.

Responses of sensors (ΔF, Hz) over tests of white loaf, n = 3, P = 0,95

Сутки Days		S1	S2	S3	S4	S5	S6
1	X±ΔX	3 ± 1	5 ± 1	5 ± 1	5 ± 1	4 ± 1	7 ± 1
	δ	0,39	0,30	0,30	0,23	0,39	0,21
2	X±ΔX	3 ± 1	6 ± 1	5 ± 1	3 ± 1	2 ± 1	5 ± 1
	δ	0,54	0,16	0,27	0,42	0,54	0,27
3	X±ΔX	2 ± 1	4 ± 1	3 ± 1	3 ± 1	4 ± 1	3 ± 1
	δ	0,86	0,28	0,53	0,53	0,34	0,47
4	X±ΔX	3 ± 1	4 ± 1	3 ± 1	3 ± 1	4 ± 1	3 ± 1
	δ	0,61	0,39	0,54	0,54	0,39	0,54
5	X±ΔX	2 ± 1	2 ± 1	3 ± 1	3 ± 1	2 ± 1	3 ± 1
	δ	0,61	0,61	0,54	0,54	0,86	0,54

Геометрическая форма и ее постоянство для «визуальных отпечатков» максимумов отражают постоянство химического состава РГФ над пробами и соответственно самих проб [7].

Изменение формы фигуры «визуального отпечатка» вызывается изменением качественного и количественного состава запаха. Так, за 2 дня хранения проба белого хлеба не изменяет состав либо изменения находятся за пределами чувствительности пьезовесов и не регистрируются надежно.

Со 2-го на 3-й день фиксируется резкое уменьшение содержания соединений, что отражается на величине интегрального количественного параметра массива сенсоров – площади фигуры «визуального отпечатка», S в.о , Гц^.с. Изменение формы «визуального отпечатка» может объясняться как естественным старением запаха или появлением новых соединений, изменяющих характер взаимодействия смесей с массивом. На 4-й день увеличивается содержание новых веществ в РГФ, что подтверждается увеличением S в.о (рисунок 2) при сохранении формы «визуального отпечатка».

Время хранения, сут | Storage time, day

Рисунок 2. Изменение площади «визуального отпечатка» максимальных сигналов сенсоров в РГФ над пробами белого хлеба

Figure 2. Change of the area of "a visual print" of the maximum signals of sensors in RGF over tests of white loaf

На 5-е сут хранения регистрируется минимальное содержание компонентов в РГФ и новые изменения формы. Параллельно проводили органолептическую оценку запаха проб (таблица 2).

Таблица 2. Органолептическая оценка проб белого хлеба при хранении

Table 2.

Organoleptic assessment of tests white loaf at storage

Сутки Days	Внешний вид Арреаrаnсе	Запах Smell
1	Белый, пористый, характерный для свежего хлеба White, porous, characteristic of fresh bread	Характерен выбранному виду пробы | Characteristic of the selected sample type
2
3	Черные точки, незначительные изменения | Black dots, minor changes	Практически не отличается от запаха свежего | Virtually no different from the smell of fresh
4	Появление микробиологической порчи | The appearance of microbiological damage	Слабый неприятный запах | Faint odor
5

Для распознавания присутствия в РГФ хлеба отдельных классов соединений применены параметры идентификации Аij, рассчитанные по сигналам сенсоров в анализируемых образцах и для тест-веществ. При этом выбраны параметры Aij, изменяющиеся при хранении. По всем значениям установлено значительное изменение качественного состава на 4–5-й день хранения (таблица 3). Наиболее информативный параметр для идентификации веществ в РГФ – А(S2/S3), дополнительный – А (S3/S4). В результате надежно детектируется по совокупности параметров в 1-й и 2-й дни – вода, уксусная кислота, ацетаты и кетоны. На 5-е сут количество веществ растет, добавляются тяжелые кетоны (алкилкетоны, метилэтилкетон, МЭК), амины.

Накопление на 4-й день этилацетата и кетонов свидетельствует о порче и устойчивых изменениях мякиша. Присутствие уксусной кислоты объясняется тем, что в настоящее время актуальной проблемой является «картофельная болезнь» хлеба. Для борьбы с ней при производстве хлеба в качестве консерванта добавляют уксусную кислоту. Для свежей пробы содержание ее минимально, так как она связана в массе хлеба. При «старении» хлеба уксусная кислота может выделяться из мякиша.

На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что в пробах белого хлеба с помощью массива наноструктурированных сенсоров фиксируется порча хлеба на ранних сроках хранения (3–4-е сут), когда органолептические изменения еще неявные.

Аналогичные исследования проведены с пробами образца хлеба Дарницкого. Изменения всех регистрируемых и расчетных параметров «электронного носа» идентичны пробам батона. Для прослеживаемости дополнительной информации о составе запаха хлеба и его изменении в процессе хранения усложнили алгоритм обработки данных сенсоров и проанализировали форму более информативных кинетических «визуальных отпечатков» сигналов сенсоров в РГФ над пробами (рисунок 3).

Таблица 3.

Параметр A ij для белого хлеба и идентифицированные вещества

Table 3.

The A ij parameter for white loaf and the identified substances

Сутки Days	А (S2/S3)		А (S3/S4)		Надежно идентифицируемые вещества Reliably identified substances
1	0,95 ± 0,20 0,8–1,2	Вода, уксусная кислота Water, acetic acid	1,1 ± 0,20 0,9–1,3	Вода, бутанол-1, МЭК, этилацетат, уксусная кислота	Вода, уксусная кислота Water, acetic acid
2	1,1 ± 0,20 0,9–1,33		1,0 ± 0,2 0,80–1,20
3	1,2 ± 0,2 1,0–1,40		0,9 ± 0,2 0,7–1,1
4	0,80 ± 0,20 0,60–1,0	Этилацетат, уксусная кислота Ethyl acetate, acetic acid, ketones	1,3 ± 0,2 1,1–1,5	Вода, МЭК, этилацетат Water, IEC, ethyl acetate	Вода, этилацетат, уксусная кислота, кетоны Water, ethyl acetate, acetic acid, ketones
5	0,76 ± 0,0 0,5–0,86	МЭК, этилацетат, следы уксусной кислоты IEC, ethyl acetate, acetic methylamine	0,8 ± 0,2 0,6–1,0	Вода, метиламин, уксусная кислота, этилацетат, МЭК Water, methylamine, acetic acid, ethyl acetate, MEK	МЭК, этилацетат, уксусная кислота, метиламин IEC, ethyl acetate, acetic methylamine

3-е сут 3 day

1-е сут 1 day

2-е сут 2 day

4-е сут

4 day

5-е сут 5 day

Рисунок 3. Кинетические «визуальные отпечатки» сигналов сенсоров в РГФ над пробами хлеба. По радиальной оси – сигналы сенсоров, ΔF i , Гц, по круговой – время измерения, с

Figure 3. Kinetic "visual prints" of signals of sensors in EGP over tests of bread. On a radial axis – signals of sensors, ΔF i , Hz, on circular – time of measurement, s

Установлено, что качественный химический состав хлеба стабилен в течение первых двух суток хранения, при этом наблюдается незначительная (до 25%) потеря содержания легколетучих соединений вследствие усыхания. Уже на 3-и сут, когда запах по органолептической оценке еще стабилен, фиксируется резкое изменение формы интегрального сигнала массива сенсоров, что отражает изменение качественного состава легко летучей фракции запаха. С увеличением продолжительности хранения как качественный, так и количественный химический состав изменяется значительно.

Для распознавания в хлебе отдельных классов соединений применены параметры идентификации Aij. По всем показателям надежно детектируется накопление в пробах спиртов – этанола и пропанола-2. Накопление спиртов на 4й день свидетельствует об устойчивой порче проб черного хлеба.

Изменения в черном хлебе в отличие от белого начинаются уже на 2-е сут мониторинга, значимые изменения детектируются на 4-е сут. На 5-е сут изменения глубокие, найдены маркеры деструкции белков (амины).

Заключение

Предлагаемый способ мониторинга над состоянием хлебобулочных изделий в процессе хранения с применением систем искусственного обоняния на высокочувствительных нановесах (пьезосенсоры) позволяет эффективнее других методов анализа, особенно органолептического, оценивать количественно изменения интенсивности запаха (аромата), идентифицировать отдельные биомолекулы продукта, как нативные, так и отражающие устойчивые изменения в пробе при хранении. Чувствительность и особенности хроматографов не позволяют за короткое время (не более 2 мин) без пробоподготовки (достаточно насыщение газовой фазы) получить информацию, идентичную информации «электронного носа». А замена сенсоров в массиве анализатора газов «МАГ-8» существенно расширяет возможности анализа. Разработанный подход установления изменений по форме кинетического «визуального отпечатка» сигналов сенсоров наиболее предпочтителен для незначительных изменений проб, в то время как идентификационные параметры A ij и площадь фигуры (S в.о. ) отражают стабильные качественные и количественные изменения.

Работа выполнена в рамках гранта «У.М.Н.И.К-2017, г/к № 13142ГУ/2018».