Multi-Excitation Front-Face Fluorescence Spectroscopy with Explainable LSTM for Detection of Lymphatic Tissue Adulteration in Ground Beef

Die Integrität der Lebensmittellieferkette beruht darauf, genau zu wissen, was sich in einer Verpackung befindet. Wenn Rinderhackfleisch verkauft wird, verlangen Vorschriften und das Vertrauen der Verbraucher, dass es ausschließlich aus Skelettmuskulatur besteht, dem essbaren Fleisch, das wir erwarten. Die Fleischindustrie steht jedoch vor einer hartnäckigen Herausforderung: dem versehentlichen oder betrügerischen Einschluss von Lymphgewebe. Lymphknoten sind Teil des Immunsystems des Tieres und fungieren als Filter, die Bakterien und Krankheitserreger beherbergen können. Im Gegensatz zum Muskel werden sie als Innereien klassifiziert und sind nicht für den menschlichen Verzehr bestimmt. Sob️⃣en diese Gewebe zerkleinert und in eine Charge Rindfleisch gemischt werden, werden sie für das bloße Auge unsichtbar. Traditionelle Methoden, um sie zu finden, wie etwa DNA-Tests, sind langsam, teuer und zerstörend, was sie unpraktisch macht, um jede Fleischcharge macht, die ein Schlachthof durchläuft. Wissenschaftler haben lange nach lichtbasierten Technologien als schnellerer Alternative gesucht. Indem man Licht auf eine Probe scheint und misst, wie sie zurückleuchtet, können Forscher spezifische Moleküle detektieren, die als chemische Fingerabdrücke fungieren. Dieser Ansatz, bekannt als Fluoreszenzspektroskopie, kann subtile Unterschiede in der Zusammensetzung aufzeigen, die das menschliche Auge übersieht, und bietet eine potenzielle Möglichkeit, Kontaminationen schnell und ohne Beschädigung des Produkts zu erkennen.

Ein Forschungsteam setzte sich zum Ziel, das spezifische Problem der Detektion von verborgenem Lymphgewebe in Rinderhackfleisch zu lösen. Sie wussten, dass ein einfacher Lichttest Schwierigkeiten haben würde, da Rinderhackfleisch eine komplexe Mischung ist, bei der Fettgehalt, Oxidation und die Art des Fleischstücks die Art und Weise, wie das Fleisch leuchtet, beeinflussen können, was oft das Signal einer Kontamination imitiert. Um diese Verwirrung zu umgehen, entwickelten sie eine Methode, die vier verschiedene Farben des Lichts verwendet, um das Fleisch zu untersuchen, anstatt nur eine einzige. Sie kombinierten diesen mehrfarbigen Lichtansatz mit einem hochentwickelten Computerprogramm, das darauf ausgelegt ist, Muster zu lernen, ähnlich wie das menschliche Gehirn ein Gesicht erkennt, indem es viele Merkmale gleichzeitig betrachtet. Die Forscher sammelten eine riesige Menge an Rindfleischproben aus fünf verschiedenen kommerziellen Schlachthöfen, die drei verschiedene Rinderrassen, zwei Altersgruppen und verschiedene Fleischstücke repräsentierten. Sie erstellten hunderte von Testchargen, indem sie reines Rindfleisch mit Lymphgewebe in präzisen Mengen mischten – von gar keinem bis hin zu reinem Lymphgewebe –, um ihrem System beizubringen, wie echte Kontamination aussieht.

Der Kern ihrer Entdeckung liegt darin, wie die verschiedenen Gewebe auf Licht reagieren. Als die Forscher spezifische Wellenlängen des Lichts auf die Proben schienen, stellten sie fest, dass Lymphgewebe und Muskelgewebe sehr unterschiedliche Geschichten erzählten. Muskelgewebe ist reich an bestimmten Proteinen, die unter einer spezifischen Farbe hell leuchten, während Lymphgewebe arm an diesen Proteinen, aber reich an anderen Molekülen ist, die mit der Energiegewinnung und Immunaktivität assoziiert sind und unter anderen Farben leuchten. Durch die Messung des Fleisches mit vier verschiedenen Lichteinstellungen konnte das System ein einzigartiges Muster erkennen: einen Abfall des muskelspezifischen Leuchtens und einen Anstieg des lymphatischen Leuchtens. Diese Kombination von Signalen diente als definitives Merkmal für eine Kontamination. Das Computermodell lernte, diese Veränderungen gemeinsam zu gewichten, was es ermöglichte, zwischen tatsächlichem Lymphgewebe und anderen Faktoren wie zusätzlichem Fett oder Wasser zu unterscheiden, die zwar die Lichtreflexion ändern, aber nicht dieses spezifische chemische Muster.

Die Ergebnisse zeigten, dass dieser Ansatz bemerkenswert effektiv war. Wenn das System mit Rindfleischproben aus Schlachthöfen getestet wurde, die der Computer noch nie zuvor gesehen hatte, konnte er die Menge an vorhandenem Lymphgewebe mit einem hohen Maß an Zuversicht genau vorhersagen. Er konnte das Vorhandensein von Kontamination auf einem Niveau erfolgreich nachweisen, das für regulatorische Schwellenwerte relevant ist, indem er zwischen reinem Rindfleisch und mit kleinen Mengen Lymphknoten gemischtem Rindfleisch unterschied. Die Forscher stellten jedoch klar, dass die Methode zwar Verunreinigungen nahe der 2%-Grenze detektieren kann, eine zuverlässige Quantifizierung auf diesem Konzentrationsniveau jedoch noch nicht gestützt wird. Die Forscher bewiesen zudem, dass die Verwendung mehrerer Lichtfarben der Schlüssel zu diesem Erfolg war. Als sie versuchten, nur eine einzige, traditionelle Lichtfarbe zu verwenden, auf die sich die meisten früheren Studien bezogen, wurde das System verwirrt und verwechselte Fett oder Wasser mit einer Kontamination. Erst durch die Kombination der vier verschiedenen Lichtsignale konnte das Modell präzise bleiben und Fehlalarme vermeiden. Dies bestätigte, dass die Verbesserung durch die Art und Weise der Datenerhebung zustande kam und nicht allein durch die Komplexität des Computerprogramms.

Um sicherzustellen, dass die Ergebnisse echt waren und nicht bloß ein Artefakt des Computers, überprüfte das Team ihre Resultate gegen tatsächliche chemische Tests. Sie maßen die spezifischen Moleküle, die der Computer als wichtig identifiziert hatte, und fanden heraus, dass die chemischen Werte exakt mit den Vorhersagen des Computers übereinstimmten. Wenn der Computer weniger Muskelprotein und mehr immunbezogene Moleküle anzeigte, bestätigten die Labortests genau das. Diese Gegenprüfung lieferte den Forschern starke Beweise dafür, dass ihre Methode die tatsächliche Biologie der Kontamination erfasste. Sie stellten fest, dass die Methode Lymphgewebe in Mengen von nur 1,8 Prozent detektieren kann, was unter dem Schwellenwert liegt, bei dem Regulierungsbehörden typischerweise besorgt reagieren. Dennoch wurde klargestellt, dass das System zwar exzellent darin ist, das Vorhandensein von Kontamination festzustellen, aber erst bei einer Kontamination von etwa 6 Prozent zuverlässig eine exakte Zahl liefern kann.

Diese Studie zeigt, dass ein relativ einfacher, zerstörungsfreier Lichtscan als leistungsfähiges Screening-Werkzeug für die Lebensmittelsicherheit dienen kann. Er bietet Schlachthöfen eine Möglichkeit, große Mengen an Rinderhackfleisch schnell auf eine spezifische, gefährliche Art der Verunreinigung zu prüfen, die bisher schwer zu erfassen war. Obwohl die Technologie noch nicht perfekt darin ist, winzige Mengen mit absoluter Präzision zu messen, ist sie robust genug, um verdächtige Chargen für weitere, detailliertere Tests zu markieren. Die Forscher merkten an, dass das System über verschiedene Farmen und Rinderrassen hinweg gut funktioniert, was darauf hindeutet, dass es für den realen Einsatz adaptiert werden könnte. Die Arbeit unterstreicht, dass man durch das Betrachten eines Problems durch mehrere Linsen statt nur durch eine einzige Lösungen entdecken kann, die zuvor im Rauschen komplexer biologischer Daten verborgen waren.