Un team di scienziati guidato dalla Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) ha inventato un sistema olfattivo artificiale che imita il naso dei mammiferi per valutare con precisione la freschezza della carne.

Il naso elettronico (e-nose) comprende un codice a barre che cambia colore nel tempo in reazione ai gas prodotti dalla carne mentre si decompone, e un lettore di codici a barre sotto forma di app per smartphone alimentata dall'intelligenza artificiale (AI). Il naso elettronico è stato addestrato a riconoscere e prevedere la freschezza della carne da una vasta libreria di colori di codici a barre.

Quando testato su pollo confezionato in commercio, campioni di carne di manzo e pesce lasciati invecchiare, il team ha scoperto che il loro algoritmo di intelligenza artificiale della rete neurale convoluzionale profonda che alimenta il naso elettronico prevedeva la freschezza delle carni con una precisione del 98,5%. A titolo di confronto, il team di ricerca ha valutato l'accuratezza della previsione di un algoritmo comunemente usato per misurare la risposta di sensori come il codice a barre utilizzato in questo naso elettronico. Questo tipo di analisi ha mostrato una precisione complessiva del 61,7 percento.

Il naso elettronico, descritto in un articolo pubblicato sulla rivista scientifica Materiale avanzato in ottobre, potrebbe contribuire a ridurre lo spreco alimentare confermando ai consumatori se la carne è adatta al consumo, più accuratamente di quanto potrebbe fare un'etichetta "da consumarsi preferibilmente entro", ha affermato il team di ricerca di NTU Singapore, che ha collaborato con scienziati dell'Università di Jiangnan, Cina, e Monash University, Australia.

Il co-autore principale, il professor Chen Xiaodong, il direttore del Centro Innovativo per Dispositivi Flessibili di NTU, ha dichiarato:"Il nostro sistema olfattivo artificiale proof-of-concept, che abbiamo testato in scenari di vita reale, può essere facilmente integrato nei materiali di imballaggio e produce risultati in breve tempo senza l'ingombrante cablaggio utilizzato per la raccolta del segnale elettrico in alcuni e-nasi sviluppati di recente. Questi codici a barre aiutano i consumatori a risparmiare denaro garantendo che non scartino prodotti ancora idonei al consumo, che aiuta anche l'ambiente. La natura biodegradabile e non tossica dei codici a barre significa anche che potrebbero essere applicati in sicurezza in tutte le parti della catena di approvvigionamento alimentare per garantire la freschezza degli alimenti".

Il team sta ora lavorando con una società agroalimentare di Singapore per estendere questo concetto ad altri tipi di prodotti deperibili.

Un naso per la freschezza

Il naso elettronico sviluppato dagli scienziati della NTU e dai loro collaboratori comprende due elementi:un codice a barre colorato che reagisce con i gas prodotti dalla carne in decomposizione; e un lettore di codici a barre che utilizza l'intelligenza artificiale per interpretare la combinazione di colori sul codice a barre. Per rendere portatile il naso elettronico, gli scienziati l'hanno integrato in un'app per smartphone che può produrre risultati in 30 secondi.

Il naso elettronico imita il funzionamento del naso di un mammifero. Quando i gas prodotti dalla carne in decomposizione si legano ai recettori nel naso dei mammiferi, i segnali vengono generati e trasmessi al cervello. Il cervello quindi raccoglie queste risposte e le organizza in schemi, permettendo al mammifero di identificare l'odore presente quando la carne invecchia e marcisce.

Nel naso elettronico, le 20 barre nel codice a barre fungono da recettori. Ogni barretta è fatta di chitosano (uno zucchero naturale) incorporato su un derivato della cellulosa e caricato con un diverso tipo di colorante. Questi coloranti reagiscono con i gas emessi dalla carne in decomposizione e cambiano colore in risposta ai diversi tipi e concentrazioni di gas, risultando in una combinazione unica di colori che funge da impronta digitale del profumo per lo stato di qualsiasi carne.

Ad esempio, la prima barra del codice a barre contiene un colorante giallo debolmente acido. Quando esposto a composti contenenti azoto prodotti dalla carne in decomposizione (chiamati bioammine), questo colorante giallo si trasforma in blu quando il colorante reagisce con questi composti. L'intensità del colore cambia all'aumentare della concentrazione di bioammine man mano che la carne si decompone ulteriormente.

Per questo studio, gli scienziati hanno prima sviluppato un sistema di classificazione (fresco, meno fresco, o avariato) utilizzando uno standard internazionale che determina la freschezza della carne. Questo viene fatto estraendo e misurando la quantità di ammoniaca e altre due bioammine presenti negli imballaggi di pesce avvolti in un film di imballaggio trasparente in PVC (cloruro di polivinile) ampiamente utilizzato e conservati a 4°C (39°Fahrenheit) per cinque giorni a intervalli diversi.

Contemporaneamente hanno monitorato la freschezza di queste confezioni di pesce con codici a barre incollati sul lato interno del film in PVC senza toccare il pesce. Le immagini di questi codici a barre sono state scattate a intervalli diversi nell'arco di cinque giorni.

Il naso elettronico raggiunge il 98,5% di precisione complessiva

Un tipo di algoritmo di intelligenza artificiale noto come reti neurali convoluzionali profonde è stato quindi addestrato con immagini di diversi codici a barre per identificare i modelli nell'impronta digitale del profumo che corrispondono a ciascuna categoria di freschezza.

Per valutare l'accuratezza della previsione del loro naso elettronico, gli scienziati della NTU hanno quindi monitorato la freschezza del pollo confezionato in commercio, pesce, e manzo con codici a barre incollati sul film di confezionamento, e conservato a 25°C (77°Fahrenheit). Oltre 4, Sono state scattate 000 immagini dei codici a barre di sei confezioni di carne a diversi intervalli di tempo nell'arco di 48 ore senza aprire le diverse confezioni di carne.

Il team di ricerca ha prima addestrato il proprio sistema a individuare modelli tra le impronte digitali del profumo catturate in 3, 475 immagini di codici a barre, prima di testare l'accuratezza del sistema sulle immagini rimanenti.

I risultati hanno rivelato un'accuratezza complessiva del 98,5%:un'accuratezza del 100% nell'identificazione di carni avariate, e una precisione del 96-99% per le carni fresche e meno fresche.

A titolo di confronto, il team di ricerca ha selezionato casualmente 20 immagini di codici a barre da ciascuna categoria di freschezza per valutare l'accuratezza della previsione dell'analisi della distanza euclidea, un metodo comunemente usato per misurare la risposta di sensori come il codice a barre utilizzato in questo naso elettronico. Questa analisi ha mostrato una precisione complessiva del 61,7 percento.

Prof Chen, Professore presidente della cattedra in Scienza e ingegneria dei materiali presso NTU, ha dichiarato:"Mentre i nasi elettronici sono stati ampiamente studiati, ci sono ancora strozzature alla loro commercializzazione a causa dei problemi degli attuali prototipi con il rilevamento e l'identificazione accurata dell'odore. Abbiamo bisogno di un sistema che disponga sia di una solida configurazione del sensore che di un metodo di analisi dei dati in grado di prevedere con precisione le impronte digitali degli odori, che è ciò che offre il nostro naso elettronico. Il suo non distruttivo, la capacità di monitoraggio automatizzato e in tempo reale potrebbe anche essere utilizzata per riconoscere i tipi di gas emessi da altri tipi di alimenti deperibili quando diventano meno freschi, fornendo una nuova piattaforma ampiamente applicabile per il controllo della qualità degli alimenti, che è ciò per cui stiamo lavorando ora".