Tragbarer SERS-Test erkennt schädliche Bakterien in Rindfleisch innerhalb von Minuten

Durch die Verwendung von Silbernanopartikeln und tragbarer Raman-Spektroskopie haben Forscher einen schnellen, kostengünstigen Test entwickelt, der gefährliche Bakterien in Rindfleisch innerhalb von Minuten identifiziert. Ein Durchbruch, der die Standards für Lebensmittelsicherheit vom Schlachthaus bis zum Supermarkt stärken könnte.

Bakterielle Kontamination von Fleisch ist eine große Bedrohung für Fleischkonsumenten. Die derzeit verfügbaren Tests für diese Bakterien sind oft umständlich, und die Ergebnisse kommen verspätet. Ein kürzlich in Foods veröffentlichter Artikel beschreibt die Verwendung von oberflächenverstärkter Ramanstreuung (SERS) in Kombination mit tragbarer Raman-Spektroskopie zum schnellen Testen von Rindfleisch auf bakterielles Wachstum oder Kontamination.

Einführung

Mit steigender Lebensmittelproduktion und -verkäufen weltweit stellt lebensmittelbedingte Erkrankung eine Bedrohung für die öffentliche Gesundheit dar. Rindfleisch ist besonders nährstoffreich und begünstigt das Bakterienwachstum.

Wenn Rindfleisch gründlich gekocht wird, tötet es normalerweise die meisten schädlichen Mikroben ab. Bei verzehrfertigen Lebensmitteln ist das Risiko jedoch viel höher, da es keinen Kochschritt gibt, um Krankheitserreger zu eliminieren. Daher ist eine schnelle und genaue Erkennung besonders wichtig. Obwohl es mehrere Testmethoden gibt, benötigen viele zu lange, um Ergebnisse zu liefern, oder sind nicht empfindlich genug, um Bakterien in niedrigen Konzentrationen zu erkennen.

Die Ramanstreuung, ein inelastisches Streuen von Licht durch Moleküle, erzeugt ein einzigartiges Lichtmuster, oft als spektroskopischer Fingerabdruck bezeichnet, das zur Identifizierung spezifischer Moleküle verwendet werden kann. Die Raman-Spektroskopie wurde weit verbreitet verwendet, um die Konzentration und Struktur von Molekülen in lebenden Geweben und Zellen sowie deren Wechselwirkungen zu bestimmen. In Kombination mit anderen Verarbeitungstechniken kann sie auch helfen, verschiedene Bakteriengattungen zu unterscheiden.

Allerdings haben ihre geringe Empfindlichkeit und Auflösung eine breitere Anwendung für bakterielle Erkennung und Identifikation behindert. SERS ist eine Technik, die darauf abzielt, diese Aspekte zu verbessern.

SERS kann Raman-Signale um bis zu sieben Größenordnungen verstärken. Dies geschieht, indem die Partikel zuerst auf rauen Metalloberflächen oder Nanostrukturen wie Gold, Silber oder Kupfer adsorbiert werden.

Obwohl SERS-Raman-Spektroskopie vielversprechend ist zur Identifizierung und Klassifizierung von Bakterien, wird sie oft mit reinen Bakterienkulturen unter kontrollierten Bedingungen getestet. Im Gegensatz dazu stellt das Testen von Lebensmitteln, insbesondere bei Produkten wie Rindfleisch, eine viel komplexere Umgebung dar, die zusätzliche Herausforderungen mit sich bringt.

Über die Studie

Die aktuelle Studie untersuchte, wie SERS in Kombination mit chemometrischer Analyse verwendet werden kann, um vier häufige, durch Lebensmittel übertragene Krankheitserreger in Rindfleisch zu erkennen. Es wurden stabile und leicht lagerbare Silbernanopartikel (AgNPs) vorbereitet und als Nanostrukturen für die Bakterienanhaftung verwendet.

Indem die Bakterien in engen Kontakt mit den AgNPs gebracht wurden, schuf das Setup ideale Bedingungen für SERS. Die meisten Bakterien hafteten an den Nanopartikeln, die Cluster an den Zelloberflächen bildeten und diese effektiv beschichteten. Dadurch fungierten sie als Verstärkungsubstrate zur Amplifikation des Raman-Signals.

Die Studie konzentrierte sich auf die Erkennung dieser vier wichtigen mit Rindfleisch assoziierten Krankheitserreger:

• Escherichia coli (E. coli) O157:H7
• Salmonella typhimurium (S. typhimurium)
• Staphylococcus aureus (S. aureus)
• Listeria monocytogenes (L. monocytogenes)

Die Forscher identifizierten die optimalen Bedingungen für die Erkennung der AgNPs. Sie legten auch die Nachweisgrenzen (LOD) für alle vier Krankheitserreger in Rindfleischproben und in Kulturen fest.

Ergebnisse der Studie

Jeder der vier Krankheitserreger erzeugte eindeutige spektrale Muster, wobei einzigartige Raman-Verschiebungen als Erkennungsmerkmale dienten. Zum Beispiel zeigte E. coli O157:H7 eine höhere Intensität bei 1350 cm-1, während S. typhimurium ein dominantes Signal bei 1520 cm-1 erzeugte. Diese spektralen Unterschiede spiegeln Variationen in den biochemischen Strukturen wider, wie etwa die C-N-Dehnungsmoden von Proteinen in E. coli im Vergleich zu biofilmbezogenen Signaturen in S. typhimurium.

Interessanterweise wurden einige Peaks, die zuvor mit der Biofilm-Bildung von S. typhimurium in Verbindung gebracht wurden (bei 1330, 1030 und 875 cm-1), nicht beobachtet. Dies hebt die Variabilität in den spektralen Merkmalen über verschiedene Studien oder experimentelle Bedingungen hervor.

Ein wesentlicher Vorteil der Methode ist, dass keine Voranreicherung oder Trennschritte erforderlich sind, was sie schneller und kosteneffizienter macht als viele traditionelle Ansätze.

Für S. aureus nahm die Signalintensität bei 1330 cm−1 dosisabhängig zu, wahrscheinlich aufgrund des „Atmungsmodus des Phenylalaninrings“, einer Vibration, die häufig durch Raman-Spektroskopie erkannt wird. Die LOD für diese Spezies war niedriger als zuvor berichtet, möglicherweise aufgrund von methodischen Variationen.

Die aktuelle Methode ist wirtschaftlicher und effizienter als frühere Techniken; sie erfordert jedoch keine bakterielle Auffangung.

Schließlich war die Signalintensität für L. monocytogenes bei 1325 cm−1 in einer dosisabhängigen Weise höher, wahrscheinlich aufgrund der C-H-Deformationsschwingung von Lipiden oder Proteinen in den Bakterienzellen. Auch hier wird dies in der früheren Literatur angesprochen, jedoch mit einer genaueren Methode.

Die Rückgewinnungsraten von Krankheitserregern aus Rindfleischproben lagen zwischen ~91 % und 110 %, mit einem Durchschnitt von 99,47 %. Dies zeigt, dass die SERS-Methode selbst in komplexen Lebensmittelmatrizen effektiv ist. Die Technik erkannte so wenige wie 4–23 CFU/mL von Bakterien in Rindfleisch.

Die LOD für E. coli O157:H7 und S. typhimurium war jedoch höher als bei einigen auf Gold- oder Gold-Silber-Nanopartikeln basierenden Methoden. Trotzdem lieferte die hohe Ramanstreuungseffizienz der AgNPs weiterhin starke Ergebnisse. Die Anwesenheit von Fetten, Proteinen und Pigmenten im Rindfleisch könnte die Intensität des Raman-Signals beeinträchtigen, was darauf hindeutet, dass eine weitere Verfeinerung zur Reduzierung der Matrixeffekte erforderlich ist.

Es ist erwähnenswert, dass, obwohl das SERS-Verfahren auf Basis von AgNPs Bakterien erkennen und unterscheiden kann, es keine Informationen über die bakterielle Aktivität oder Virulenz liefert, die beide entscheidend sind für die Bewertung der Lebensmittelsicherheit.

Durch die Anwendung der linearen Diskriminanzanalyse (LDA) auf die spektralen Daten erreichten die Forscher eine Gesamterkennungsgenauigkeit von 92–97 %. Alle vier Krankheitserreger wurden mit 100 % Genauigkeit korrekt identifiziert, ausgenommen S. typhimurium, das eine Erkennungsrate von 95 % aufwies.

Dies zeigt die Fähigkeit der Methode, zwischen verschiedenen Krankheitserregern zu unterscheiden und gemischte Bakterienpopulationen zu erkennen, wodurch sie für Tests in der Praxis geeigneter ist als Ansätze, die ausschließlich auf reinen Kulturen basieren.

Praktische Auswirkungen

Diese Studie präsentiert eine schnelle, tragbare Methode zur Erkennung multipler durch Lebensmittel übertragener Krankheitserreger in Rindfleisch. Zukünftige Forschungen sollten die Erkennung auf andere Bakterienarten ausdehnen und die Modellgenauigkeit bei Mischproben stärken.

Für Landwirte bietet diese Methode eine Möglichkeit zur schnellen Erkennung von Krankheitserregern in ihrem Fleisch und zur Kontrolle ihrer Verbreitung, um die Gesundheit ihres Viehbestands zu erhalten und die Effizienz ihres Betriebs zu verbessern. Darüber hinaus fördern solche Maßnahmen die Lebensmittelsicherheit und stärken das Vertrauen der Verbraucher.

Fleischverarbeitungswerke unterliegen strengen Sicherheits- und Regulierungsstandards. Daher könnte dieser Test die Produktionseffizienz steigern und Prüfungsverzögerungen vermeiden, während gleichzeitig die Lebensmittelsicherheit gewährleistet und der Ruf sowie die Wettbewerbsfähigkeit des Betriebs aufrechterhalten werden.

Ähnliche Auswirkungen werden auch an Verkaufsstellen für Rindfleisch, einschließlich Schlachthäusern und Supermärkten, sowie auf Familien und Cateringunternehmen erwartet.

Fazit

Diese Forschung zeigt das Potenzial von SERS in Kombination mit tragbarer Raman-Spektroskopie als leistungsstarkes Werkzeug zur schnellen Erkennung pathogener Bakterien in Fleischprodukten.

Zukünftige Studien sollten darauf abzielen, die Nachweisbedingungen weiter zu optimieren, den Einfluss komplexer Lebensmittelmatrizen zu berücksichtigen und die Verwendung realer Proben zu priorisieren. Zudem besteht Bedarf an der Entwicklung tragbarer und benutzerfreundlicher Systeme. Darüber hinaus wird die Untersuchung von bakteriellen Eigenschaften wie Lebensfähigkeit und Virulenz wichtig sein, wahrscheinlich durch die Integration komplementärer Nachweismethoden.

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Quellen: