ДАТЧИК РАЗМОРАЖИВАНИЯ ПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕ ОРАНЖЕВОГО КАРОТИНОИДНОГО БЕЛКА
SENSOR FOR DEFROSTING OFR PRODUCTS BASED ON ORANGE CAROTENOID PROTEIN

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к сервисному оборудованию холодильной техники и может быть использовано в пищевой, фармацевтической, медицинской и других отраслях, где необходим контроль за соблюдением температуры хранения продукта и возможность установления факта его несанкционированного размораживания и последующего повторного замораживания. Например, при транспортировке и хранении замороженных овощей, фруктов, грибов, мяса, рыбы и полуфабрикатов, а также при транспортировке и хранении медицинских препаратов, биологических материалов и химических реагентов, требующих соблюдения низкотемпературного режима.
Уровень техники
Важнейшими факторами, определяющими качество замороженных продуктов, являются скорость замораживания и температура хранения. Для мониторинга качества замороженных продуктов обычно используют набор биохимических методов, требующих значительных затрат времени и средств, а также размораживания части продукции, при этом повторное замораживание не допускается, поскольку это приводит к потере потребительских качеств (таких как внешний вид, вкус, аромат и т.д.). Многие из таких продуктов - мясные, рыбные - становятся испорченными и даже вредными для здоровья, так как становятся питательной средой для многочисленных бактерий, которые не уничтожаются при повторной заморозке.
Существующие датчики размораживания имеют следующие недостатки:
- определяют, как правило, несанкционированное размораживание именно морозильной камеры или крупной партии товара, а не конкретной упаковки продукта, который могли хранить при положительных температурах и замораживать непосредственно перед продажей;
- конечный потребитель не всегда имеет или практически не имеет доступа к датчику;
- некоторые существующие датчики могут использоваться многократно, что позволяет недобросовестным сотрудникам скрыть факт несанкционированного размораживания от конечного потребителя;
- имеющиеся на рынке электронные датчики температуры хотя и обеспечивают высокоточный контроль изменения температуры, обладают высокой себестоимостью, а их показания могут быть скорректированы недобросовестными производителями, что в совокупности со сложным техническим устройством затрудняет их использование;
- крупные габариты и/или наличие электронных элементов датчика.
После того как замороженная продукция покидает заводские помещения и попадает к компаниям, обеспечивающим транспортировку и реализацию продукта, вероятность того, что в руки потребителю попадет качественный продукт, значительно снижается.
Из уровня техники известны индикаторы размораживания [авторское свидетельство SU на изобретение №1295166, патент US на изобретение №4114443, патенты RU на ПМ №27221 и №67711], представляющие собой корпус, состоящий из двух частей, одна из которых выполнена из прозрачного материала и частично заполнена жидкостью. Длительность размораживания определяется по уровню растаявшего льда с помощью ряда рисок, нанесенных на корпус индикатора. Однако недостатком вышеперечисленных индикаторов [SU №1295166 и US №4114443] является возможность неоднократного использования индикаторов после размораживания с сохранением их свойств, что является негативным фактом для конечного потребителя, т.к. позволяет скрыть факт несанкционированного размораживания в процессе хранения и/или транспортировки продукта.
Из числа названных аналогов патент US на изобретение №4114443 описывает прибор индикации, состоящий из корпуса, имеющего прозрачную и непрозрачную части. Последняя заполнена цветной жидкостью. В непрозрачной части имеются упоры для фиксации замороженной жидкости. Длительность размораживания определяется по уровню растаявшего льда в прозрачной части. Недостатком данной конструкции является недостаточная безопасность работы, так как возможно разрушение прибора при размораживании рабочей жидкости. Кроме того, такая конфигурация позволяет скрыть факт несанкционированного размораживания в процессе хранения продукта, поскольку датчик не предъявляется конечному потребителю.
Другой известный аналог - индикатор размораживания [патент RU на изобретение №2018098] - выполнен в виде частично заполненного полого корпуса с горизонтальными метками и состоит из двух аналогичных частей из прозрачного материала, выполненных в виде двух усеченных конусов, соединенных меньшими основаниями. Отличием индикатора является выполнение больших оснований усеченных конусов из металлов или сплавов металлов. Индикатор устанавливают в камере так, что замерзшая вода находится в верхней его части. При температуре выше 0°C лед в индикаторе тает и стекает в нижнюю часть индикатора, постепенно проходя отметки, позволяющие оценить время, в течение которого температура была выше 0°C. При длительном повышении температуры лед полностью превращается в воду. Для повторного использования датчик достаточно перевернуть и перезаморозить.
Другое устройство для визуального контроля факта замораживания или размораживания продукции в таре (преимущественно, продуктов питания, при хранении и транспортировке), описанное в патенте RU №27221, включает корпус, содержащий прозрачное окно, узел термоиндикации в виде стеклянной ампулы, заполненной красящей жидкостью. Узел крепления устройства к таре выполнен в виде клейкой невосстанавливаемой полоски, прикрытой защитной пленкой. В случае размораживания продукции на какой-либо стадии хранения или транспортировки ампула устройства раскалывается и впитывающий элемент окрашивается жидкостью. И приемщик продукции будет наблюдать цветной индикатор в окне корпуса, который однозначно устанавливает факт нарушения температурного режима хранения и транспортировки замороженной продукции. Однако данная конструкция позволяет скрыть факт несанкционированного размораживания от конечного потребителя продукта, поскольку разработана именно для определения размораживания низкотемпературных камер и бытовых холодильников приемщиком продуктов.
Известно устройство, описанное в патенте RU №67711, которое позволяет детектировать размораживание благодаря элементам индикации, которые выполнены в виде предварительно сформированных ледяных фигурок двух разных цветов, которые смешиваются при длительном повышении температуры и последующем таянии льда. Недостатком данной конфигурации является необходимость использования относительно крупногабаритных ледяных фигурок. Также заявленный резкий переход двух цветов в третий происходит при перемешивании растворов, что, вероятно, эффективно при транспортировке, но не всегда достигается при хранении.
Задачей заявляемого изобретения является разработка миниатюрного, простого в обращении, с минимальным количеством механических элементов, дешевого и в то же время информативного датчика размораживания, в том числе для конечного потребителя.
-8
-3
Поставленная задача решается тем, что датчик размораживания продуктов, подлежащих хранению при температурах, исключающих размораживание и последующее перезамораживание, имеет герметичную оболочку (контейнер или корпус) с расположенным в ней (в нем) элементом индикации размораживания продуктов, при этом элементы индикации изготовлены из раствора фотоактивного оранжевого каротиноидного белка, цвет которого резко изменяется при размораживании и повторном замораживании, и, по крайней мере, часть поверхности оболочки (контейнера) выполнена из оптически прозрачного материала. Оболочка снабжена элементами крепления к упаковке замороженного продукта, предотвращающими снятие датчика с упаковки без нарушения целостности упаковки контролируемого продукта. Для элемента индикации использован водный раствор оранжевого каротиноидного белка в концентрации от 10 моль до 10 моль. Оранжевые каротиноидные белки могут быть получены из штаммов цианобактерий Arthrospira sp. и Synechocystis sp. В одном из вариантов исполнения оболочка представляет собой уплощенную конструкцию, объем которой обеспечивает размещение оранжевого каротиноидного белка слоем не менее 2 мм. Оболочка может быть выполнена в виде цилиндра или параллелепипеда.
Таким образом, ключевым элементом датчика является изготовление его элемента индикации из растворов водорастворимых пигмент-белковых комплексов - раствора фотоактивного оранжевого каротиноидного белка, цвет которого резко изменяется при размораживании и повторном замораживании.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в возможности индикации (получении достоверной информации конечным потребителем продукта) о нарушении соблюдения режима транспортировки и хранения продукта.
Решение проблемы определения факта несанкционированного размораживания продуктов, подлежащих хранению при температурах, исключающих размораживание и последующее повторное замораживание, с помощью датчиков выражается такими их техническими характеристиками, как надежность в эксплуатации, информативность, мобильность в перевозке и хранении, простота. Важным техническим результатом заявляемого датчика является то, что нарушение необходимых условий хранения продуктов может быть обнаружено как специалистом с помощью специализированного оборудования, так и конечным потребителем без нарушения целостности упаковки благодаря ее прозрачности и месторасположению индикаторов вблизи продукта, а также конструктивным особенностям датчика. Предлагаемый датчик размораживания продуктов предназначен для облегчения распознавания качества продукта с учетом факта несанкционированного размораживания, в том числе и конечным потребителем. Использование предлагаемого индикатора размораживания в пищевой промышленности позволит, во-первых, предотвратить пищевые отравления конечных потребителей по причине нарушения температурного режима, во-вторых, повысить общую культуру обслуживания в различных торговых точках. Возможно также использование предлагаемых индикаторов и в сфере медицины (хранение и транспортировка донорской крови, плазмы, органов для трансплантации и т.д.).
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена упаковка замороженного продукта с датчиком размораживания с индикатором из оранжевого каротиноидного белка, общий вид; на фиг. 2 - то же, вид спереди; на фиг. 3 - то же, вид сверху; на фиг. 4 представлены схематическое изображение двух упаковок (верхней и нижней) с датчиком размораживания продуктов: верхняя - до размораживания, нижняя - после повторного замораживания, и график изменения поглощения датчиков верхней и нижней упаковок. Позициями на чертежах обозначены: 1 - упаковка контролируемого продукта, 2 - капсула (оболочка, или контейнер, или корпус) датчика размораживания, прикрепленная к упаковке контролируемого продукта с помощью элемента крепления, 3 - элементы индикации датчика, наблюдаемые через прозрачную стенку капсулы.
Заявляемый датчик размораживания размещается снаружи или внутри упаковки контролируемого продукта (1) и включает капсулу датчика, прикрепленную к упаковке контролируемого продукта с помощью элемента крепления (2), элементы индикации (3), заключенные в герметичную капсулу датчика (2), которая обеспечивает контакт датчика с упаковкой контролируемого продукта (1) и исключает отделение капсулы датчика (2) от упаковки контролируемого продукта без нарушения целостности упаковки продукта (1) и капсулы датчика (2) (Фиг. 1, 2). Капсула датчика (2) может быть выполнена в виде цилиндра с диаметром основания от 5 мм и высотой от 2 мм, при этом капсула имеет одну сторону визуализации - круглое окно, выполненное из оптически прозрачного материала. Элементы индикации датчика (3) выполнены из раствора оранжевого каротиноидного белка (Фиг. 2). Габариты капсулы предусматривают равномерное распределение раствора оранжевого каротиноидного белка слоем толщиной от 2 мм и более. Герметичность капсулы с элементом индикации достигается за счет сварного шва. При размораживании элемента индикации и последующем повторном замораживании происходит изменение конформации пигмент-белковых комплексов, приводящее к изменению поглощения оранжевого каротиноидного белка и, соответственно, цвета индикатора. Изменения спектральных свойств элементов индикации служат маркерами размораживания сопровождаемого продукта.
-2
-1
В качестве материалов для элементов индикации (3) используют раствор фотоактивного оранжевого каротиноидного белка, способного под действием сине-зеленого света (440-500 нм) высокой интенсивности переходить из оранжевой формы в красную и затем, после выключения света, обратно в оранжевую. Как известно из научной литературы [A. Wilson, С. Punginelli, A. Gall, С. Bonetti, М. Alexandre, J.M. Routaboul, C.A. Kerfeld, R. van Grondelle, B. Robert, J.T.M. Kennis, D. Kirilovsky (2008) A photoactive carotenoid protein acting as light intensity sensor, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 105, 12075-12080.], скорость фотоактивации и последующей релаксации данного белка сильно зависит от температуры. В то же время для фотоактивации требуются высокомощные источники сине-зеленого света, поэтому для подготовки к эксплуатации, датчик с данным индикаторным материалом необходимо замораживать на свету (например, набор светодиодов с максимумом излучения при 450±40 нм и плотностью потока фотонов до 2000 мкмоль квантов мс). В таких условиях индикаторный материал датчика будет представлен красной формой оранжевого каротиноидного белка. Белок сохраняется в такой конформации до повышения температуры и размораживания датчика, в результате которого происходит изменение поглощения индикаторного раствора и его цвета с красного на оранжевый (Фиг. 2), что служит индикатором размораживания. Последующее замораживание без фотоактивации не приводит к изменению цвета индикаторного элемента. Таким образом, красный цвет индикаторного элемента говорит о том, что датчик не размораживался и не перезамораживался, оранжевый цвет индикаторного элемента свидетельствует о нарушении температурного режима и размораживании датчика. Данный тип материала для индикаторного элемента датчика удобен для конечного потребителя, поскольку не требует дополнительного оборудования для считывания показателей датчика, для этого оптическая плотность раствора должна составлять от 0,3 до 0,7 единиц в максимуме поглощения оранжевой формы (Фиг. 2). Для удобства конечного потребителя непрозрачная часть передней стенки капсулы (оболочки или контейнера) датчика (2) может быть выполнена из двух окрашенных элементов - красного и оранжевого, по цветам, соответствующим красной и оранжевой форме раствора индикаторного элемента, или капсула может содержать указанные цветовые метки.
Материал для датчика может быть приобретен у компаний, специализирующихся на производстве и продаже особо чистых химических веществ, например Sigma-Aldrich, или же получен с помощью нижеописанной процедуры.
-2
-1
Необходимые для выделения оранжевого каротиноидного белка штаммы цианобактерий Arthrospira sp. и Synechocystis sp. могут быть получены из коллекции Института Физиологии Растений имени К.А. Тимирязева Российской Академии Наук (для Arthrospira sp. № штамма в коллекции IPPAS В-424, Lefèvre, М-132-1, 1963., другие видовые названия Spirulina platensis (Nordst.) Geitl, Spirulina maxima (Setch. et Gard.) Geitl.; для Synechocystis sp. № штамма в коллекции IPPAS В-468, К. Floyd, 1973., другие видовые названия Anacystis nidulans, Synechococcus leopoliensis). Для выращивания отобранного штамма цианобактерий может быть использован культиватор, основанный на стеклянном сосуде объемом 1 л, через который проходит стеклянная U-образная трубка. Концы U-образной трубки шлангами соединяют с проточным термостатом, проток дистиллированной воды через U-образную трубку обеспечивает поддержание необходимой температуры в культиваторе в диапазоне от 20 до 45°С. Для перемешивания культуры и обогащения культуры газами воздуха используют компрессор, для этого шланг с диффузором помещают в нижнюю часть культиватора. Для освещения культиватора используют систему ламп дневного света, обеспечивающих регулируемый поток квантов от 5 до 100 мкмоль квантов мс. Для культивации клеток Arthrospira sp. используют среду Заррука (Zarrouk′s medium). Затем клетки собирают центрифугированием.
Суспензию клеток цианобактерий (Arthrospira sp.) промывают и ресуспендируют в 30 мл 40 мMTris-HCl с pH 8.8 (буфер А). Затем суспензию дважды озвучивают ультразвуком Ultrasonics Processor VCX 130 (Sonics&Materials Inc. США) при 40% мощности установки. Для удаления остатков клеточных стенок и других нерастворенных остатков раствор центрифугируют 20 минут при 12000 g. Супернатант обрабатывают сульфатом аммония. Фракцию с зелеными белками и мембранными фрагментами удаляют при 20% насыщении сульфатом аммония и центрифугировании при 105000 g. К полученному темно-синему супернатанту добавляют сульфат аммония до 40% насыщения и соответствующую фракцию осаждают центрифугированием 30 минут при 12000 g. Супернатант далее насыщают сульфатом аммония до 60% и после 30 минут инкубации на льду центрифугирование позволяет получить синий осадок и красноватый супернатант, содержащий цитохромы и оранжевый каротиноидный белок (Orange Carotenoid Protein, ОСР). Полученный раствор затем еще раз очищают от нерастворимых примесей с помощью центрифугирования 30 минут при 12000 g. Затем раствор наносят на гидрофобную обменную колонку 5 мл HiTrapPhenyl-Sepharose (GE Healthcare, США). Отмывку осуществляют градиентом сульфата аммония и буфера А. Фракцию с интенсивным поглощением в области 490 нм отбирают и затем диализуют против 2 л буфера А и после против 1 л 40 мМК - фосфатного буфера с pH 7.3.
Датчик размораживания продуктов работает следующим образом. Датчик проходит предварительную активацию - замораживание на сине-зеленом свету высокой интенсивности, для перевода оранжевого каротиноидного белка в красную форму (Фиг. 2). В замороженном виде датчики готовы к эксплуатации. Затем датчики крепят к упаковке контролируемого продукта (1) таким образом, что индикаторный элемент может визуализироваться через оптически прозрачную стенку капсулы датчика. Капсула датчика 2 и упаковка контролируемого продукта 1 могут быть соединены при помощи элементов крепления в виде дополнительного сварного шва, или саморазрушающейся пломбы-скотч, или полимеризирующего клея. При необходимости упаковка датчика с элементами индикации и контролируемый продукт могут быть помещены в общую оболочку. Пока температура хранения контролируемого продукта отрицательная, элементы индикации сохраняют конформацию и соответствующие спектральные характеристики, достигнутые в результате активации датчика. При повышении температуры выше 0°C, элементы индикации начинают таять. При этом конформация пигмент-белковых комплексов меняется за счет появления новых степеней свободы. Последующее замораживание датчиков с целью скрыть факт несанкционированного размораживания приводит к изменению спектральных характеристик индикаторных элементов, а именно цвет индикаторного элемента меняется с красного на желтый.
Датчик размораживания продуктов, подлежащих хранению при температурах, исключающих размораживание и последующее перезамораживание, исключает снятие его с упаковки без нарушения ее целостности.