Датчик размораживания продуктов на основе фикобилипротеинов - RU171261U1
Код документа: RU171261U1
Описание
Область техники к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к сервисному оборудованию холодильной техники и может быть использована 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 вьппеперечисленных индикаторов [SU №1295166 и US №4114443] для конечного потребителя является возможность неоднократного использования индикаторов после размораживания.
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 заявляемой полезной модели 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.
Поставленная задача решается тем, что устройство (датчик) для индикации факта размораживания продуктов, подлежащих хранению при температурах, исключающих размораживание и последующее перезамораживание, имеет герметичную оболочку (контейнер) с расположенным в ней (в нем) элементом индикации размораживания продуктов, при этом элемент индикации представляет собой фикобилипротеины, характеризующиеся изменением квантового выхода флуоресценции 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. В качестве элемента индикации использован водный раствор фикобилипротеинов в концентрации 10-9М до 10-6М. Фикобилипротеины могут быть получены из штаммов цианобактерий Arthrospira sp. и Synechocystis sp. Оболочка представляет собой уплощенную конструкцию, объем которой обеспечивает размещение фикобилипротеинов 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 - фикобилипротеинов, изменяющих квантовый выход флуоресценции при размораживании.
Технический результат заявляемой полезной модели 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.).
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен вид упаковки замороженного продукта с датчиком размораживания с индикатором из фикоблилипротеинов, на фиг. 2 - датчик размораживания продуктов с индикатором из фикобилипротеинов и спектры флуоресценции датчика до размораживания и после размораживания и повторного замораживания.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - упаковка контролируемого продукта,
2 - капсула (оболочка или контейнер) 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 фикобилипротеинов (Фиг. 1). Габариты капсулы предусматривают равномерное распределение раствора фикобилипротеинов 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 снижению квантового выхода флуоресценции фикобилипротеинов (Фиг. 2). Изменения спектральных свойств элементов индикации служат маркерами размораживания сопровождаемого продукта.
В качестве материалов для элементов индикации (3) используют раствор фикобилипротеинов (смесь водорастворимых пигмент-белковых комплексов цианобактериальных фикобилисом), обладающих в нативном состоянии высоким квантовым выходом флуоресценции и интенсивной флуоресценцией в области 640-690 нм. В результате проведенных нами исследований было обнаружено, что при замораживании водных растворов фикобилипротеинов квантовый выход флуоресценции изменяется в зависимости от скорости замораживания. Так, при высокой скорости замораживания (например, в жидком азоте) квантовый выход флуоресценции растет, а при низкой (бытовые и промышленные холодильные установки), напротив, снижается, вероятно, из-за образования крупных кристаллов льда и нарушения конформации белкового окружения хромофоров. Таким образом, если материал датчика предварительно заморожен быстро, то такой датчик характеризуется высоким квантовым выходом, последующее размораживание и замораживание с использованием стандартных холодильных камер вызывает резкое снижение квантового выхода флуоресценции и может легко детектироваться спектральным оборудованием (Фиг. 1). В качестве эталона для сравнения при анализе показаний датчика, сопровождающего замороженный продукт, может быть использован другой датчик, который был предварительно заморожен в жидком азоте, или замороженный раствор фикобилипротеинов, содержащий 40-60% глицерина, свойства которого как криопротектора известны. Концентрация фикобилипротеинов может быть подобрана в зависимости от используемого метода детектирования, так при использовании время-коррелированного счета фотонов (на основе систем Simple-Tau 140, Becker&Hickl, Германия) достаточно концентрации фикобилипротеинов порядка 10-9 М, при использовании более концентрированных растворов фикобилипротеинов (порядка 10-6 М) для детектирования сигнала флуоресценции могут быть использованы недорогие ПЗС-спектрометры (например, USB4000 Ocean Optics, США) и цифровые камеры. Материал для датчика - фикобилипротеины (концентрация от 10-9 М до 10-6 М) может быть приобретен у компаний, специализирующихся на производстве и продаже особо чистых химических веществ, например, Sigma-Aldrich, или же получен с помощью нижеописанной процедуры.
Необходимые для выделения фикобилипротеинов 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,
Для выделения фикобилипротеинов суспензию клеток цианобактерий (Arthrospira sp.) промывают и ресуспендируют в 30 мл 40 мМ Tris-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). Синий осадок растворяют в 15 мл 1.2 М сульфата аммония в буфере А. 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 HiTrap Phenyl-Sepharose (GE Healthcare, США). Отмывку осуществляют градиентом сульфата аммония и буфера А. Фракцию с интенсивным поглощением в области 620 нм отбирают и затем диализуют против 2 л буфера А и после против 1 л 40 мМ К-фосфатного буфера с pH 7.3.
Датчик размораживания продуктов работает следующим образом. Датчик проходит предварительную активацию - быстрое замораживание в жидком азоте. В замороженном виде датчики готовы к эксплуатации. Затем датчики крепят к упаковке контролируемого продукта (1) с возможностью визуализации индикаторного элемента 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 происходит снижение квантового выхода флуоресценции (Фиг. 2). Изменения квантового выхода могут детектироваться как с помощью специализированного спектрального оборудования, так и камер мобильных телефонов, оснащенных диодной вспышкой. При регистрации показаний датчика в зависимости от используемой аппаратуры могут быть получены следующие типы данных:
- информация о времени жизни флуоресценции фикобилипротеинов при анализе кинетики затухания флуоресценции с помощью установки время-коррелированного счета фотонов (например, на основе систем Simple-Tau 140, Becker&Hickl, Германия). После активации датчика (замораживание в жидком азоте) время жизни флуоресценции фикобилипротеинов составляет примерно 1,6-2,1 нс. Если же датчик затем был разморожен и перезаморожен с помощью стандартных морозильных камер время жизни флуоресценции сокращается до 0,2-0,7 нс. Такие изменения времени жизни свидетельствуют о том, что весь материал датчика подвергался размораживанию;
- изменения интенсивности флуоресценции фикобилипротеинов. Поскольку изменения квантового выхода флуоресценции связаны с изменениями интенсивности флуоресценции, размораживание и повторное замораживание датчика приводит к снижению интенсивности флуоресценции от 40% до 90%. Для регистрации подобных изменений могут быть использованы как специализированные спектрометры (например, USB4000 Ocean Optics, США), обладающие спектральным разрешением сигнала флуоресценции, так и простейшее фотооборудование, способное регистрировать относительное изменение уровня светимости. Например, современные мобильные телефоны оснащены камерами и светодиодными вспышками. Последние могут функционировать как в импульсном, так и постоянном режиме. Для возбуждения флуоресценции фикобилипротеинов необходимо использовать светофильтр, пропускающий синюю часть излучения светодиода, а для регистрации перед объективом камеры должен быть установлен фильтр, блокирующий синее излучение, но пропускающий флуоресценцию фикобилипротеинов (с максимумом испускания при 660 нм). Такой простейший набор скрещенных фильтров может быть выполнен из цветного стекла в соответствии с каталогом [Каталог цветного стекла, издательство Машиностроение, Москва, 1967, 62 стр] - СЗС8 для возбуждения флуоресценции и КС 10 для регистрации флуоресценции. Таким образом, могут быть получены изображения датчика, на которых яркость соответствует интенсивности флуоресценции. При использовании одинаковых настроек экспозиции (ISO, выдержка) и интенсивности возбуждающего света такие изображения позволяют сравнить интенсивность флуоресценции эталонного датчика и датчика, сопровождающего замороженный продукт. При этом информации о сигнале эталонного датчика и последовательность действий для получения изображения должна находиться в памяти устройства (приложения), что позволяет обеспечить автоматизацию процедуры оценки состояния датчика. Так, например, снижение интенсивности флуоресценции датчика на 40-90% свидетельствует о том, что весь материал датчика подвергся размораживанию. Результат измерения может сопровождаться появлением на экране мобильного телефона рекомендаций о целесообразности покупки и использования данного продукта.
Реферат
Полезная модель относится к сервисному оборудованию холодильной техники и может быть использована 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. Датчик размораживания продуктов, подлежащих хранению при температурах, исключающих размораживание и последующее перезамораживание, представляет собой капсулу-оболочку, которая имеет, по крайней мере, одну сторону с оптически прозрачной стенкой, через которую могут быть считаны показания элемента индикации. Капсула датчика прочно соединена с упаковкой контролируемого продукта, способом, исключающим снятие ее без нарушения целостности упаковки контролируемого продукта. Элементы индикации датчика выполнены из растворов водорастворимых пигмент-белковых комплексов - фикобилипротеинов и помещены в герметичную капсулу-оболочку датчика. При размораживании раствора фикобилипротеинов и последующем их замораживании происходит резкое снижение квантового выхода флуоресценции, которое может детектироваться с помощью простейших спектральных приборов. Датчик размораживания позволяет повысить качество контроля, информативность, в том числе и для конечного потребителя, мобильность в перевозке и хранении.
