E-nose beherrscht die Kunst, verdorbenes Fleisch zu erkennen

19.08.2024

Untersuchungen haben gezeigt, dass verdorbene Lebensmittel etwa 250 Gesundheitsprobleme verursachen, darunter Vergiftungen, Allergien und sogar Krebs. Heute wird der Verderb von Lebensmitteln durch sehr zeitaufwändige bakteriologische Analysen festgestellt. Ein Team von Skoltech, dem Charkewitsch-Institut für Informationsübertragungsprobleme der RAS und anderen führenden Forschungseinrichtungen hat eine neue Methode vorgeschlagen, die auf elektronischen Nasen und Computer-Vision-Technologien basiert und eine schnellere und genauere Bewertung der Fleischqualität ermöglicht. Die Studie wurde in Analytica Chimica Acta veröffentlicht.

Skoltech-Forscher entwickeln und nutzen die E-Nose-Technologie bereits seit mehreren Jahren in verschiedenen Bereichen. Ihre im Jahr 2023 vorgestellte Anwendung hilft dabei, den Geruch von Lebensmittelkunststoff mithilfe einer Reihe von Gassensoren und Algorithmen zur Mustererkennung zu analysieren und auf diese Weise das menschliche Geruchssystem nachzuahmen. Anders als die menschliche Nase kann die E-Nose sowohl auf geruchsintensive als auch auf geruchlose Substanzen reagieren.

Die bakterielle Aktivität in Lebensmitteln erzeugt flüchtige Verbindungen, die einen spezifischen Geruch abgeben, der das erste Anzeichen für Verderb ist. In ihrer jüngsten Arbeit untersuchten die Forscher die Dynamik des Fleischverderbs, indem sie die e-nose einsetzten, um den mit flüchtigen Markern des Verderbs verbundenen Geruch zu digitalisieren, und verglichen die Ergebnisse mit Veränderungen im Mikrobiom verdorbener Fleischproben.

"Der Geruch ist der erste Indikator dafür, ob ein Lebensmittel frisch ist oder nicht. In unserer Studie untersuchten wir den "Übergangspunkt" oder "Veränderungspunkt", an dem Lebensmittel schlecht werden, und stellten fest, dass die e-nose Veränderungen früher erkennen kann als das Computerbild. Bei unseren Tests mit Fleisch aus dem Supermarkt konnten wir kaum Veränderungen in Bezug auf Frische und Qualität feststellen, während das Fleisch, das wir auf dem Markt kauften, schneller verdarb. Es stellte sich heraus, dass es bereits andere Bakterien enthielt. Irgendwann beginnen die meisten Bakterien zu sterben, und nur die widerstandsfähigsten Verderbnisbakterien bleiben am Leben und vermehren sich. Wir benutzten die e-nose, um zu sehen, wie sich der Geruch der mit Bakterien besiedelten Fleischprobe im Laufe der Zeit veränderte, und wendeten dann mathematische Protokolle an, um den Übergangspunkt zwischen Frische und Verderb zu bestimmen", sagte Fedor Fedorov, der Co-Leiter und Mitautor der Studie und Assistenzprofessor am Skoltech Photonics Center.

Das Team führte Experimente bei verschiedenen Luftfeuchtigkeitsstufen durch und identifizierte den e-nose-Sensor, der am empfindlichsten auf die Veränderung reagierte. "Es war der Sensor, der auf Wasserstoff reagierte. Der Punkt, den wir gefunden haben, hängt von der Luftfeuchtigkeit im Kühlschrank ab. Wir haben Tests bei Zimmertemperatur durchgeführt, um die bakteriellen Prozesse zu beschleunigen, und festgestellt, dass ihre Geschwindigkeit von der Luftfeuchtigkeit abhängt: Je feuchter die Luft, desto schneller verdirbt das Fleisch. Es stellt sich heraus, dass ein E-Nasen-Sensor und ein Feuchtigkeits- und Temperatursensor ausreichen könnten, um den Verderbnispunkt zu identifizieren", so Fedorov weiter.

Die Forscher führten auch einen PCR-Test durch, um die relative Häufigkeit der wichtigsten Bakterienklassen wie Brochotrix, Psychrobacter und Mycoplasma zu messen, deren Anzahl sich im Laufe der Zeit veränderte.

"Während die Sensoren Veränderungen registrieren, kann die mikrobiologische Analyse deren Ursache aufzeigen. Wir haben uns die Veränderungen in der bakteriellen Zusammensetzung der Fleischprobe angesehen, um zu sehen, welche Bakterien sich vermehren und welche absterben. Wir entdeckten, dass die e-nose beginnt, Veränderungen in der Luft wahrzunehmen, wenn sich die bakterielle Zusammensetzung stark verändert", sagte Professor Mikhail Gelfand, der Direktor des Biozentrums und Mitautor der Studie.

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