Een team van wetenschappers onder leiding van de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) heeft een kunstmatig reuksysteem uitgevonden dat de neus van zoogdieren nabootst om de versheid van vlees nauwkeurig te beoordelen.

De elektronische neus (e-nose) bestaat uit een streepjescode die in de loop van de tijd van kleur verandert als reactie op de gassen die door vlees worden geproduceerd als het bederft, en een barcodelezer in de vorm van een smartphone-app aangedreven door kunstmatige intelligentie (AI). De e-nose is getraind om de versheid van vlees te herkennen en te voorspellen uit een grote bibliotheek met barcodekleuren.

Wanneer getest op commercieel verpakte kip, vis- en rundvleesmonsters die zijn gerijpt, het team ontdekte dat hun diepe convolutionele neurale netwerk AI-algoritme dat de e-nose aandrijft, de versheid van het vlees voorspelde met een nauwkeurigheid van 98,5 procent. Ter vergelijking, het onderzoeksteam beoordeelde de voorspellingsnauwkeurigheid van een veelgebruikt algoritme om de respons van sensoren te meten, zoals de streepjescode die in deze e-nose wordt gebruikt. Dit type analyse toonde een algehele nauwkeurigheid van 61,7 procent.

De e-neus, beschreven in een paper gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Geavanceerde materialen in oktober, voedselverspilling kan helpen verminderen door aan de consument te bevestigen of vlees geschikt is voor consumptie, nauwkeuriger dan een 'ten minste houdbaar tot'-label zou kunnen, zei het onderzoeksteam van NTU Singapore, die samenwerkte met wetenschappers van de Jiangnan University, China, en Monash-universiteit, Australië.

Co-hoofdauteur professor Chen Xiaodong, de directeur van het Innovatief Centrum voor Flexibele Apparaten bij NTU, zei:"Ons proof-of-concept kunstmatige olfactorische systeem, die we hebben getest in real-life scenario's, kan gemakkelijk worden geïntegreerd in verpakkingsmaterialen en levert in korte tijd resultaten op zonder de omvangrijke bedrading die wordt gebruikt voor het verzamelen van elektrische signalen in sommige recentelijk ontwikkelde e-noses. Deze barcodes helpen consumenten om geld te besparen door ervoor te zorgen dat ze geen producten weggooien die nog geschikt zijn voor consumptie, wat ook het milieu helpt. De biologisch afbreekbare en niet-toxische aard van de barcodes betekent ook dat ze veilig kunnen worden toegepast in alle delen van de voedselvoorzieningsketen om de versheid van het voedsel te garanderen."

Het team werkt nu samen met een agribusinessbedrijf in Singapore om dit concept uit te breiden naar andere soorten bederfelijke waren.

Een neus voor frisheid

De e-nose die is ontwikkeld door NTU-wetenschappers en hun medewerkers bestaat uit twee elementen:een gekleurde streepjescode die reageert met gassen die worden geproduceerd door rottend vlees; en een barcodelezer die AI gebruikt om de combinatie van kleuren op de barcode te interpreteren. Om de e-nose draagbaar te maken, de wetenschappers integreerden het in een smartphone-app die in 30 seconden resultaten kan opleveren.

De e-nose bootst de werking van een zoogdierneus na. Wanneer gassen geproduceerd door rottend vlees zich binden aan receptoren in de neus van zoogdieren, signalen worden gegenereerd en doorgegeven aan de hersenen. De hersenen verzamelen deze reacties en organiseren ze in patronen, waardoor het zoogdier de geur kan identificeren die aanwezig is als vlees veroudert en rot.

In de e-neus, de 20 streepjes in de streepjescode fungeren als receptoren. Elke reep is gemaakt van chitosan (een natuurlijke suiker) ingebed op een cellulosederivaat en geladen met een ander type kleurstof. Deze kleurstoffen reageren met de gassen die worden uitgestoten door rottend vlees en veranderen van kleur als reactie op de verschillende soorten en concentraties gassen, wat resulteert in een unieke combinatie van kleuren die dient als een geurvingerafdruk voor de staat van elk vlees.

Bijvoorbeeld, de eerste balk in de streepjescode bevat een gele kleurstof die zwak zuur is. Bij blootstelling aan stikstofbevattende verbindingen geproduceerd door rottend vlees (bioamines genoemd), deze gele kleurstof verandert in blauw als de kleurstof reageert met deze verbindingen. De kleurintensiteit verandert met een toenemende concentratie van bioamines naarmate het vlees verder bederft.

Voor deze studie is ontwikkelden de wetenschappers eerst een classificatiesysteem (vers, minder vers, of bedorven) met behulp van een internationale standaard die de versheid van vlees bepaalt. Dit wordt gedaan door de hoeveelheid ammoniak en twee andere bioamines te extraheren en te meten die worden aangetroffen in visverpakkingen die zijn gewikkeld in veelgebruikte transparante PVC (polyvinylchloride) verpakkingsfolie en gedurende vijf dagen met verschillende tussenpozen bij 4 ° C (39 ° Fahrenheit) zijn bewaard.

Tegelijkertijd bewaakten ze de versheid van deze visverpakkingen met barcodes die aan de binnenkant van de PVC-folie werden geplakt zonder de vis aan te raken. Beelden van deze streepjescodes werden gedurende vijf dagen met verschillende tussenpozen genomen.

E-nose bereikt een algehele nauwkeurigheid van 98,5 procent

Een type AI-algoritme dat bekend staat als diepe convolutionele neurale netwerken, werd vervolgens getraind met afbeeldingen van verschillende streepjescodes om patronen in de geurvingerafdruk te identificeren die overeenkomen met elke categorie versheid.

Om de voorspellingsnauwkeurigheid van hun e-nose te meten, de NTU-wetenschappers controleerden vervolgens de versheid van commercieel verpakte kip, vis, en rundvlees met barcodes op de verpakkingsfolie geplakt, en bewaard bij 25°C (77°Fahrenheit). meer dan 4, 000 afbeeldingen van de streepjescodes van zes vleesverpakkingen werden genomen met verschillende tijdsintervallen gedurende 48 uur zonder de verschillende vleesverpakkingen te openen.

Het onderzoeksteam trainde eerst hun systeem om patronen te ontdekken tussen de geurvingerafdrukken die zijn vastgelegd in 3, 475 barcode-afbeeldingen, voordat u de nauwkeurigheid van het systeem test op de resterende afbeeldingen.

De resultaten onthulden een algehele nauwkeurigheid van 98,5 procent - 100 procent nauwkeurigheid bij het identificeren van bedorven vlees, en een nauwkeurigheid van 96 tot 99 procent voor vers en minder vers vlees.

Ter vergelijking, het onderzoeksteam selecteerde willekeurig 20 barcodeafbeeldingen uit elke versheidscategorie om de voorspellingsnauwkeurigheid van Euclidische afstandsanalyse te beoordelen, een veelgebruikte methode om de respons van sensoren te meten, zoals de barcode die in deze e-nose wordt gebruikt. Deze analyse toonde een algehele nauwkeurigheid van 61,7 procent.

Prof Chen, President's Chair Professor in Materials Science and Engineering bij NTU, zei:"Hoewel e-noses uitgebreid is onderzocht, er zijn nog steeds knelpunten voor hun commercialisering vanwege de problemen van de huidige prototypes met het nauwkeurig detecteren en identificeren van de geur. We hebben een systeem nodig dat zowel een robuuste sensorconfiguratie heeft als een data-analysemethode die geurvingerafdrukken nauwkeurig kan voorspellen, dat is wat onze e-nose biedt. Het is niet-destructief, geautomatiseerde en realtime monitoring kan ook worden gebruikt om de soorten gassen te herkennen die andere soorten bederfelijk voedsel uitstoten naarmate ze minder vers worden, het bieden van een breed toepasbaar nieuw platform voor voedselkwaliteitscontrole, dat is waar we nu naar toe werken."