FLANDERS' FOOD RADAR

Biofilmen detecteren en reinigingsprocessen controleren: nieuwe mogelijkheden

Biofilmen opsporen is één van de grooste uitdagingen in de voedingsindustrie. Ze zijn hardnekkig, ze laten zich niet gemakkelijk verwijderen en vormen de ideale kweekbodem voor micro-organismen. Het reinigingsproces controleren om er zeker van de zijn dat alle biofilmen verdwenen zijn is dan ook uitermate belangrijk. Draagbare hyperspectrale camera’s in combinatie met fluorescentie bieden hiervoor nieuwe mogelijkheden.

Biofilmen in de productieomgeving vormen een permanente uitdaging voor de voedingsindustrie. Doordat ze moeilijk te verwijderen zijn door desinfectantia staken vormen ze een ideale kweekbodem voor micro-organismen. Nabesmettingen steken dan ook met de regelmaat van de klok terug de kop op. De micro-organismen afkomstig van deze biofilmen zijn meer persistent dan de normale, vrij voorkomende micro-organismen en hebben een dramatisch effect op het ‘shelf-life’ potentieel van de voedingsproducten. Een accurate detectie van deze biofilmen is dan ook van cruciaal belang voor de voedingsindustrie.

Recent werd het potentieel van draagbare hyperspectrale camera’s in combinatie met fluorescentie voor de detectie van biofilmen en voor het monitoren van het reinigingsproces onderzocht. Deze technologie kent al verschillende andere applicaties op gebied van voedselkwaliteit en –veiligheid [1], zoals:

  • de identificatie van contaminaties (pathogene micro-organismen, faeces, pesticiden) op voedingsgewassen;
  • de inspectie van de interne kwaliteit van fruit en groenten (gerelateerd aan het chlorofyl gehalte);
  • de inspectie van de graankwaliteit (met onder meer de detectie van mycotoxines, zoals aflatoxine).

Een generiek systeem is niet voorhanden aangezien voor iedere toepassing onderzocht moet worden welke de beste configuratie (type lichtbron, opstelling, …) is en welke kalibratie en data-analyse procedures moeten toegepast worden voor een nauwkeurige detectie. Het potentieel van hyperspectrale cameratechnologie in combinatie met fluorescentie werd eveneens onderzocht voor de detectie en karakterisatie van biofilmen en het monitoren van het reinigingsproces in productie installaties en op snijmachines.

 

Hyperspectrale cameratechnologiecombineert digitale beeldanalyse wordt met spectroscopie. Zo wordt voor iedere pixel een spectrale handtekening bekomen, die uniek is voor elk type materiaal (zie ook eerdere FoodRadar artikels).  Door de specifieke UV-belichting (lager of rond 400 nm), zal het golflengtegebied waarin de hyperspectrale cameratechnologie functioneel is, zich situeren tussen 450 nm en 700 nm. Bij fluorescentie wordt immers specifiek het signaal opgemeten van langere golflengten (emissie signaal) dan deze van het ingestuurde licht (excitatie signaal). Een belangrijk aspect bij deze technologie is de lage intensiteit van de uitgaande straling waardoor analyses moeten plaatsvinden bij een minimum aan omgevingslicht.


BIOFILMDETECTIE EN -KARAKTERISATIE

Een draagbare hyperspectrale camera werd gecombineerd met fluorescentie voor de identificatie van biofilmen bestaande uit E. Coli en Salmonella species op roestvrij staal, één van de meest gebruikte materialen in de voedingsindustrie [2]. Hierbij werd een ‘bench-top’ opstelling gebruikt met een UV-A lamp als excitatie bron (365 nm) en werd de ideale emissiegolflengte bepaald door middel van de hyperspectrale camera. Hieruit bleek dat het mogelijk was om de biofilmen te discrimineren van de achtergrond (zowel van het oppervlak als van het groeimedium).Deze experimenten werden herhaald op 4 verschillende oppervlakken (roestvrij staal, polypropyleen (PP), formica, en graniet) waarbij het signaal werd opgemeten op een golflengte van 482 nm [3]. Uit Figuur 1 blijkt duidelijk dat een PP-oppervlak een zeer hoog achtergrond signaal geeft hoewel visualisatie van de individuele spots nog mogelijk is. De minst goede resultaten werden behaald met een formica oppervlak. Het gebruik van meerdere golflengten (multispectrale analyse) zou wel een toegevoegde waarde zou kunnen bieden naar detectie van biofilmen.


Figuur 1. Identificatie van biofilmen, bestaande uit uniforme Salmonella en E. Coli species in functie van verschillende oppervlakken [3].

Hiervoor werd specifiek onderzocht welke de meest discriminerende golflengten waren voor de detectie van de verschillende biofilmen op 5 verschillende oppervlakken [4]. waarbij nog een extra onderscheid gemaakt tussen uniforme en niet-uniforme graniet oppervlakken. Om de gevoeligheid van het detectiesysteem uit te testen, werden ook nog biofilmen, bestaande uit verschillende concentraties aangebracht op het oppervlak. Vervolgens werd door middel van statische technieken een protocol opgesteld voor de analyse van de bekomen fluorescentie data. In Figuur 2 staan dergelijke protocols weergegeven voor de detectie van biofilmen, bestaande uit E. Coli micro-organismen. Hieruit blijkt duidelijk dat voor detectie van de biofilmen op het ‘high-density polyethylene’ (HDPE) oppervlak, het gebruik van twee golflengten het achtergrond signaal sterk kan gereduceerd worden. Voor detectie van biofilmen op roestvrij staal is één enkele golflengte voldoende om het onderscheid te kunnen maken tussen de biofilmen en het oppervlak.

Figuur 2. Voorbeeld van een beslissingsprotocol voor de detectie van biofilmen op een roestvrij en een HDPE oppervlak [4].

MONITOREN REINIGINGSPROCESSEN

Naast detectie van biofilmen werd hetzelfde meetprincipe ook gebruikt voor het monitoren van reinigingsprocessen. Hierbij werd specifiek onderzoek verricht naar controle op industriële productiefaciliteiten en naar snij-installaties voor kaas- en charcuterieproducten. Hiertoe werd een draagbaar toestel ontwikkeld, voorzien van 3 LED lichtbronnen (met een excitatie golflengte van 405 nm). In productiefaciliteiten [5] konden succesvol enkele lijnen gescreend worden op de aanwezigheid van restproducten zoals selderresidu’s op een (witte) transportband, aardappelresidu’s in een industriële pelmachine of ui deeltjes op een transportband. Voor de detectie van de verschillende residu’s waren wel verschillende emissiegolflengten nodig: 675 nm (ui- en selderresidu’s) en 520 nm (aardappelresten). Daarnaast werden ook pogingen ondernomen om (HDPE) snijplanken te screenen op de aanwezigheid van dergelijke residu’s, maar dit bleek niet zo eenvoudig te zijn. Bij dit type materiaal treedt autofluorescentie op waardoor het moeilijk is om specifieke vervuilingen te detecteren. Er worden veel vals positieve resultaten gegenereerd door bijvoorbeeld oneffenheden op de planken.Ook de reiniging van snijmachines voor charcuterie [6] werd gecontroleerd.. Hierbij werd een onderscheid gemaakt naar residucontrole van zowel kaas- als vleessoorten op de snijmachines. Ook hier werden positieve resultaten bekomen voor beide toepassingen en de meest discriminerende emissiegolflengte voor detectie betrof 670 nm voor de kaas- en 520 nm voor de vleestoepassingen. Kenmerkend was wel dat er een duidelijk onderscheid kon gemaakt worden in de intensiteit van het fluorescentiesignaal naargelang de onderzochte kaassoort en het type vlees. In Figuur 3 werd het systeem toegepast voor de controle van de reinigings/desinfectieprocedures op een snijmachine na het versnijden van kalkoenvlees. Uit deze analyse bleek alvast dat een extra desinfectiestap noodzakelijk was voor een volledige reiniging van de snijmachine. Op deze manier kan dus op een eenvoudige, objectieve manier vastgesteld worden of de machines residuvrij zijn. Bovendien biedt een dergelijk systeem ook mogelijkheden naar een objectieve bepaling van de effectiviteit van nieuwe desinfectieproducten.


Figuur 3. Residudetectie op snijmachines, gebruikt voor het versnijden van kalkoenvlees na het snijden, reinigen, en na een extra desinfectiestap. De beelden werden opgemeten bij een golflengte van 520 nm.

SAMENVATTING

Hyperspectrale cameratechnologie in combinatie met fluorescentie biedt heel wat mogelijkheden naar zowel de detectie van biofilmen als het monitoren van reinigingsprocedures in de voedingsindustrie. Bovendien kan met een draagbaar systeem  dergelijke analyses ‘in-situ’worden uitgevoerd waardoor het  een snel en accuraat alternatief vormt voor de bestaande controlemechanismen. Toch moet onderzocht worden welke oppervlakken voor deze technologie geschikt zijn aangezien duidelijk is dat analyse op bepaalde materialen (zoals HPDE) minder effectief zijn.

MOBISPEC

In het kader van het i-FAST projectvoorstel, en meer specifiek binnen het MOBISPEC-validatietraject, wordt het potentieel onderzocht van draagbare spectroscopische systemen (zowel hyperspectrale als puntspectroscopische systemen) in de voedingsindustrie. Bent u geïnteresseerd om deze applicatie verder te ontwikkelen naar concrete uitdagingen in het kader van biofilmdetectie of controle van reinigingsprocedures binnen uw bedrijf contacteer dan mogelijk Veerle De Graef (veerle.degraef@flandersfood.com).


MEER INFO

Meer informatie over het MOBISPEC-validatietraject en het i-FAST projectvoorstel, kan teruggevonden worden via volgende link: http://2014.flandersfoodprojecten.com/ifast/?p=1 of bij de projectuitvoerders Prof. Saeys (wouter.saeys@biw.kuleuven.be, MeBioS-KU Leuven) en Dr. Lambrechts (Andy.Lambrechts@imec.be, IMEC)

REFERENTIES

[1] Zhang R., Ying Y., Rao X., and Li J. 2012. Quality and safety assessment of food and agricultural products by hyperspectral fluorescence imaging. Journal of the Science of Food and Agriculture, 92, 2397-2408.

[2] Jun W., Kim M.S., Lee K., Millner P., and Chao K. 2009. Assessment of bacterial biofilm on stainless steel by hyperspectral fluorescence imaging. Sensing and Instrumentation for Food Quality and Safety, 3, 41-48.

3] Jun W., Kim M.S., Chao K., Lefcourt A.M., Roberts M.S., and McNaughton J.L. 2009. Detection of microbial biofilms on food processing surfaces: Hyperspectral fluorescence imaging study. Proceedings of SPIE, 7315, 73150S.

[4] Jun W., Kim M.S., Cho B.-K., Millner P.D., Chao K., and Chan D.E. 2010. Microbial biofilm detection on food contact surfaces by macro-scale fluorescence imaging. Journal of Food Engineering, 99, 314-322.

[5] Wiederoder M.S., Liu N.T., Lefcourt A.M., Kim M.S., and Lo Y.M. 2013. Use of a portable hyperspectral imaging system for monitoring the efficacy of sanitation procedures in produce processing plant. Journal of Food Engineering, 117, 217-226.

[6] Beck A., Lefcourt A.M., Lo Y.M., and Kim M.S. 2015. Use of a portable fluorescence imaging device to facilitate cleaning of deli slicers. Food Control, 51, 256-262.

Nuttige links