atuВестник Алматинского технологического университетаThe Journal of Almaty Technological University2304-568X2710-0839АО "АТУ"10.48184/2304-568X-2023-4-121-131atu-1879Research ArticleТЕХНОЛОГИЯ ПИЩЕВОЙ И ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИFOOD AND PROCESSING INDUSTRY TECHNOLOGYПерспективы применения технологии layer-by-layer для разработки ферментного биосенсора используемого для контроля качества молокаProspects for the use of layer-by-layer technology for the development of an enzyme biosensor used for milk quality controlhttps://orcid.org/0000-0002-9607-1684КакимовА. К.KakimovА.

071412

ул. Глинки 20А

Семей

071412

st. Glinka, 20A

Semey

bibi.53@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2027-3183ЖарыкбасоваК. С.ZharykbassovaК.

071400

ул. Мәңгілік ел, 11

Семей

071400

st. Mangylik El, 11

Semey

https://orcid.org/0000-0002-1121-5520ТулькебаеваГ. Е.TulkebayevaG.

071412

ул. Глинки 20А

Семей

071412

st. Glinka, 20A

Semey

https://orcid.org/0000-0002-3501-3042КакимоваЖ. Х.KakimovaZh.

071412

ул. Глинки 20А

Семей

071412

st. Glinka, 20A

Semey

https://orcid.org/0000-0001-9707-0539ЖарыкбасовЕ. С.ZharykbassovYe.

071412

ул. Глинки 20А

Семей

071412

st. Glinka, 20A

Semey

https://orcid.org/0000-0003-4286-4563МирашеваГ. О.MirashevaG.

071412

ул. Глинки 20А

Семей

071412

st. Glinka, 20A

Semey

https://orcid.org/0000-0001-9607-823XИбрагимовН. К.IbragimovN.

071412

ул. Глинки 20А

Семей

071412

st. Glinka, 20A

Semey

НАО «Университет имени Шакарима города Семей»КазахстанNPJSC «Shakarim University of Semey»KazakhstanAlikhan Bokeikhan UniversityКазахстанAlikhan Bokeikhan UniversityKazakhstan20232212202304121131Copyright © Какимов А.К., Жарыкбасова К.С., Тулькебаева Г.Е., Какимова Ж.Х., Жарыкбасов Е.С., Мирашева Г.О., Ибрагимов Н.К., 20232023Какимов А.К., Жарыкбасова К.С., Тулькебаева Г.Е., Какимова Ж.Х., Жарыкбасов Е.С., Мирашева Г.О., Ибрагимов Н.К.Kakimov А., Zharykbassova К., Tulkebayeva G., Kakimova Z., Zharykbassov Y., Mirasheva G., Ibragimov N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://atu.ejournal.kz/jour/article/view/1879

   В данной статье представлены результаты научных исследований по разработке биосенсорной системы для определения солей тяжелых металлов (кадмия и свинца) в молоке. При разработке биосенсорной системы уделяется большое внимание подбору биологического материала и методу ее стабилизации с помощью физико-химических сил, а именно – иммобилизации. В связи с этим проведены исследования по подбору фермента и способа его иммобилизации при разработке биосенсора для обнаружения солей тяжелых металлов в молоке. Разработка биосенсора для определения токсичных элементов в пищевых продуктах имеет научное и практическое значение. В мировой практике особое внимание уделяется загрязнению сырья и пищевых продуктов токсическими химическими веществами, в основном антропогенного происхождения, которые относятся к стойким органическим загрязнителям. Поэтому контроль качества сырья, пищевых продуктов имеет важное значение для потребителей и, соответственно, для пищевой промышленности. Экспериментальные исследования основаны на методах Филипповой А. М., Воробьевой О. В. для определения удельной активности фермента ацетилхолинэстераза. Определение активности фермента каталазы проводили в соответствии с газометрическим способом по методу Варбурга. В результате экспериментальных исследований в качестве чувствительного элемента был выбран фермент каталаза как биологический материал. В качестве носителя для иммобилизации ферментов была подобрана 5-ти бислойная комбинация «хитозан-альгинат натрия». Для иммобилизации фермента на поверхности подложки при создании ферментного биосенсора применена технология layer-by-layer. Результаты исследований рекомендуется применять при изучении вопросов пищевой безопасности и при оценке показателей безопасности сырья и пищевых продуктов экспресс-методом.

   This article presents the results of scientific research on the development of a biosensor system for the determination of salts of heavy metals (cadmium and lead) in milk. When developing a biosensor system, much attention is paid to the selection of biological material and the method of their stabilization using physical and chemical forces, namely, immobilization. In this regard, studies were carried out on the selection of the enzyme and the method of its immobilization in the development of a biosensor for the detection of salts of heavy metals in milk. The development of a biosensor for the determination of toxic elements in food products is of scientific and practical importance. In world practice, special attention is paid to the contamination of raw materials and food products with toxic chemicals, mainly of anthropogenic origin, which are persistent organic pollutants. Therefore, quality control of raw materials, food products is important for consumers, and, accordingly, for the food industry. Experimental studies are based on the methods of Filippova A. M., Vorobieva O. V. to determine the specific activity of the enzyme acetylcholinesterase. Determination of the activity of the catalase enzyme was carried out in accordance with the gasometric method according to the method of Warburg. As a result of experimental studies, the catalase enzyme as a biological material was chosen as a sensitive element. As a carrier for the immobilization of enzymes, a 5-bilayer combination of "chitosan-sodium alginate" was selected. The layer-by-layer technology was used to immobilize the enzyme on the substrate surface when creating an enzyme biosensor. The results of the research are recommended to be applied in the study of food safety issues and in the assessment of safety indicators of raw materials and food products by the express method.

биосенсорная системабиологический материалферментиммобилизациямолокоbiosensor systembiological materialenzymeimmobilizationmilkСтатья опубликована в рамках грантового финансирования AP09260805 «Разработка биосенсора для определения высококумулятивных ксенобиотиков в молоке и молочных продуктах на основе регионального мониторинга безопасности пищевых продуктов»ReferencesKadam U.S., Hong J.C. Advances in aptameric biosensors designed to detect toxic contaminants from food, water, human fluids, and the environment // Trends in Environmental Analytical Chemistry. – 2022. – Vol.36. – doi: 10.1016/j.teac.2022.e00184Kadam U.S., Hong J.C. Advances in aptameric biosensors designed to detect toxic contaminants from food, water, human fluids, and the environment // Trends in Environmental Analytical Chemistry. – 2022. – Vol.36. – doi: 10.1016/j.teac.2022.e00184Curulli A. Electrochemical Biosensors in Food Safety: Challenges and Perspectives // Molecules. – 2021. – 26(10). – doi: 10.3390/molecules26102940Curulli A. Electrochemical Biosensors in Food Safety: Challenges and Perspectives // Molecules. – 2021. – 26(10). – doi: 10.3390/molecules26102940Eyvazi S., Baradaran B., Mokhtarzadeh A. et.al. Recent advances on development of portable biosensors for monitoring of biological contaminants in foods // Trends in Food Science & Technology. – 2021. – Vol. 114. – P. 712-721Eyvazi S., Baradaran B., Mokhtarzadeh A. et.al. Recent advances on development of portable biosensors for monitoring of biological contaminants in foods // Trends in Food Science & Technology. – 2021. – Vol. 114. – P. 712-721Guo W., Pan B., Sakkiah S. et.al. Persistent Organic Pollutants in Food: Contamination Sources, Health Effects and Detection Methods // International Journal of Environmental Research and Public Health. – 2019. – 16(22). – 4361. – doi: 10.3390/ijerph16224361Guo W., Pan B., Sakkiah S. et.al. Persistent Organic Pollutants in Food: Contamination Sources, Health Effects and Detection Methods // International Journal of Environmental Research and Public Health. – 2019. – 16(22). – 4361. – doi: 10.3390/ijerph16224361Garvey M. Food pollution: a comprehensive review of chemical and biological sources of food contamination and impact on human health // Nutrire. – 2019. – 44 (2). - DOI: 10.1186/s41110-019-0096-3Garvey M. Food pollution: a comprehensive review of chemical and biological sources of food contamination and impact on human health // Nutrire. – 2019. – 44 (2). - DOI: 10.1186/s41110-019-0096-3Naresh V., Lee N. A Review on Biosensors and Recent Development of Nanoctructured Materials-Enabled Biosensors // Sensors. – 2021. – 21 (4). – 1109. – doi: 10.3390/s21041109Naresh V., Lee N. A Review on Biosensors and Recent Development of Nanoctructured Materials-Enabled Biosensors // Sensors. – 2021. – 21 (4). – 1109. – doi: 10.3390/s21041109Бутусов Л.А., Чудинова Г.К., Борулева Е.А. и др. Возможности и перспективы биосенсорных технологий в анализе продуктов питания // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Агрономия и животноводство. – 2018. – Т. 13, № 1. – С. 70-77Butusov L.A., Chudinova G.K., Boruleva E.A. i dr. “Vozmozhnosti i perspektivy biosensornyh tekhnologij v analize produktov pitaniya [Opportunities and perspectives of biosensor technologies in food analysis]” // Vestnik Rossijskogo universiteta druzhby narodov. Seriya: Agronomiya i zhivotnovodstvo. – 2018. – T. 13, № 1. – S. 70-77Lynette Alvarado-Ramirez, Magdalena Rostro-Alanis, Jose Rodriguez- Rodriguez et.al. Enzyme (Single and Multiple) and Nanozyme Biosensors: Recent Developments and Their Novel Applications in the Water-Food-Health Nexus // Biosensors. – 2021. – 11 (11). – 410. – doi: 10.3390/bios11110410Lynette Alvarado-Ramirez, Magdalena Rostro-Alanis, Jose Rodriguez- Rodriguez et.al. Enzyme (Single and Multiple) and Nanozyme Biosensors: Recent Developments and Their Novel Applications in the Water-Food-Health Nexus // Biosensors. – 2021. – 11 (11). – 410. – doi: 10.3390/bios11110410Bogdan Bucur, Cristina Purcarea, Silvana Andreescu et. al. Addressing the Selectivity of Enzyme Biosensors: Solutions and Perspectives // Sensors. – 2021. – 21 (9). – 3038. – doi: 10.3390/s21093038Bogdan Bucur, Cristina Purcarea, Silvana Andreescu et. al. Addressing the Selectivity of Enzyme Biosensors: Solutions and Perspectives // Sensors. – 2021. – 21 (9). – 3038. – doi: 10.3390/s21093038Будников Г.К., Евтюгин Г.А. Экспресс-тестовые методы определения ингибиторов гидролитических ферментов с помощью электрохимических биосенсоров / Г.К. Будников, Г.А. Евтюгин // Рос. хим. ж. им. Д.И. Менеделеева. – 2001. - Т. 14, № 4. – С. 86-94Budnikov G.K., Evtyugin G.A. “Ekspress-testovye metody opredeleniya ingibitorov gidroliticheskih fermentov s pomoshch'yu elektrohimicheskih biosensorov [Rapid test methods for the determination of hydrolytic enzyme inhibitors using electrochemical biosensors]” / G.K. Budnikov, G.A. Evtyugin // Ros. him. zh. im. D.I. Menedeleeva. – 2001. - T. 14, № 4. – S. 86-94Ramesh R., Puhazhendi P., Kumar J. et. al. Potentiometric biosensor for determination of urea in milk using immobilized Arthrobacter creatinolyticus urease // Materials Science and Engineering: C. – 2015. – V. 49. – P. 786-792Ramesh R., Puhazhendi P., Kumar J. et. al. Potentiometric biosensor for determination of urea in milk using immobilized Arthrobacter creatinolyticus urease // Materials Science and Engineering: C. – 2015. – V. 49. – P. 786-792Meena J., Gupta A., Ahuja R. et.al. Recent advances in nano-engineered approaches used for enzyme immobilization with enhanced activity // Journal of Molecular Liquids. – 2021. – Vol. 338, 15. – doi: 10.1016/j.molliq.2021.116602Meena J., Gupta A., Ahuja R. et.al. Recent advances in nano-engineered approaches used for enzyme immobilization with enhanced activity // Journal of Molecular Liquids. – 2021. – Vol. 338, 15. – doi: 10.1016/j.molliq.2021.116602Liu D., Dong C. Recent advances in nano-carrier immobilized enzymes and their applications // Process Biochemistry. – 2020. – Vol. 92. – P. 464-475Liu D., Dong C. Recent advances in nano-carrier immobilized enzymes and their applications // Process Biochemistry. – 2020. – Vol. 92. – P. 464-475Chandra P., Singh E.R., Arora P.K. Microbial lipases and their industrial applications: a comprehensive review // Microbial Cell Factories. – 2020. – Vol. 19. - DOI: 10.1186/s12934-020-01428-8Chandra P., Singh E.R., Arora P.K. Microbial lipases and their industrial applications: a comprehensive review // Microbial Cell Factories. – 2020. – Vol. 19. - DOI: 10.1186/s12934-020-01428-8Утегенова А.О., Ашкенова З.Н., Какимова Ж.Х. и др. Особенности функционирования и практического применения биосенсоров на основе фермента холинэстеразы // Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной памяти Василия Матвеевича Горбатова. – Семей, 2018. – С. 271-273.Utegenova A.O., Ashkenova Z.N., Kakimova Zh.H. i dr. “Osobennosti funkcionirovaniya i prakticheskogo primeneniya biosensorov na osnove fermenta holinesterazy [Features of functioning and practical application of biosensors based on cholinesterase enzyme]” // Materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyashchennoy pamyati Vasiliya Matveevicha Gorbatova. – Semej, 2018. – S. 271-273.Bilal M., Hafiz M.N. Iqbal Naturally-derived biopolymers: Potential platforms for enzyme immobilization // International Journal of Biological Macromolecules. – 2019. – Vol. 130. – P. 462-482Bilal M., Hafiz M.N. Iqbal Naturally-derived biopolymers: Potential platforms for enzyme immobilization // International Journal of Biological Macromolecules. – 2019. – Vol. 130. – P. 462-482Филиппова А.М. Разработка технологии формирования биосенсорных тест-систем на основе композиционных материалов : автореферат канд. биол. наук: 03.01.06 / Филиппова Анастасия Михайловна – Ставрополь, 2013. – 20 с.Filippova A.M. “Razrabotka tekhnologii formirovaniya biosensornyh test-sistem na osnove kompozicionnyh materialov [Development of technology for formation of biosensor test systems based on composite materials]”, avtoreferat kand. biol. nauk: 03.01.06 / Filippova Anastasiya Mihajlovna –Stavropol', 2013. – 20 s.Утегенова А.О. Разработка биометрических методов определения ксенобиотиков в молоке : дисс. на соиск. ст. PhD: 16.03.2023 / А.О. Утегенова. – Семей, 2023. – 158 с.Utegenova A.O. “Razrabotka biometricheskih metodov opredeleniya ksenobiotikov v moloke [Development of biometric methods for the determination of xenobiotics in milk]”. Dissertaciya na soiskanie stepeni PhD: 16.03.2023 / A.O. Utegenova. – Semej, 2023. – 158 s.Farag M.A., Tanios M., AlKarimy S. et. al. Biosensing approaches to detect potential milk contaminants: a comprehensive review // Food Additives & Contaminants: Part A. – 2021. – Vol. 38. – P. 1169-1192.Farag M.A., Tanios M., AlKarimy S. et. al. Biosensing approaches to detect potential milk contaminants: a comprehensive review // Food Additives & Contaminants: Part A. – 2021. – Vol. 38. – P. 1169-1192.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.