Naukowcy z SGGW wykorzystują sztuczną inteligencję do oceny jakości mleka

W Szkole Głównej Gospodarstwa Wiejskiego (SGGW) opracowano metodę, dzięki której hurtowi odbiorcy mleka będą mogli szybko i skutecznie sprawdzić, czy dostarczany do mleczarni surowiec nie jest ”oszukany”. Autorzy nowego rozwiązania podkreślają, że jego zastosowanie umożliwi wyeliminowanie tzw. fraudów mleka już na pierwszym etapie łańcucha dostaw.

W SGGW powstała technologia wykrywania oszustw, do jakich może dochodzić na etapie dostaw surowego mleka do mleczarni. Nowe rozwiązanie o nazwie MFA (skrót z języka angielskiego Milk Fraud Analyzer) opiera się na sztucznej inteligencji i sieciach neuronowych, a jego twórcą jest zespół dr. hab. Marcina Gołębiewskiego, prof. SGGW, Dyrektora Instytutu Nauki o Zwierzętach.

„Opracowana metoda pozwala w sposób automatyczny sprawdzić, czy mleko przed dostarczeniem do mleczarni zostało odwirowane w celu usunięcia z niego komórek somatycznych. Do tego procederu zazwyczaj dochodzi, gdy producenci chcą ukryć fakt, iż mleko pochodzi od chorych krów. Trzeba tu dodać, że obecnie tego rodzaju nielegalny proceder jest praktycznie całkowicie niewykrywalny przy zastosowaniu standardowych procedur analitycznych. Nasza metoda proponuje zupełnie inne podejście, ponieważ nie analizujemy składu chemicznego lecz prowadzimy zautomatyzowaną analizę frakcji tłuszczowej mleka z wykorzystaniem mikroskopowego obrazu próbki mleka i specjalnie wytrenowanej sieci neuronowej”– wyjaśnia prof. Marcin Gołębiewski.

Na czym polega fraud mleka?

Obowiązujące w branży mleczarskiej normy wskazują, że na jeden mililitr surowego mleka nie powinno przypadać więcej niż 400 tys. komórek somatycznych. Komórki somatyczne to przede wszystkim leukocyty (żywe i obumarłe), czyli podstawowe elementy układu odpornościowego organizmu. Wysokie stężenie leukocytów w mleku wskazuje, że pochodzi ono od krowy, u której rozwinął się stan zapalny gruczołu mlekowego doszło u niej do zakażenia tkanek. Gdy choruje jedna krowa, a mleko pochodzi od wielu osobników, problem jest mniejszy, ponieważ nienormatywne mleko od chorej krowy ulega rozcieńczeniu. Gorzej, gdy choruje więcej osobników lub całe stado – wtedy ilość komórek somatycznych w udoju przekracza dopuszczalne normy, niekiedy kilkukrotnie. Taki surowiec nie powinien być poddawany dalszej obróbce zgodnie z procedurami produkcji właściwymi dla przyjętych norm mleka konsumpcyjnego. Niektórzy producenci, wiedząc o tym, że mleko pochodzi od chorych zwierząt, chcąc je zbyć, próbują oszukać aparaturę badawczą i w tym celu odwirowują mleko. W wyniku takiego zabiegu komórki somatyczne ulegają wytrąceniu, osadzając się na łopatkach i elementach wirówki. W konsekwencji w laboratorium mleczarni na cytometrze przepływowym zostanie wykazana prawidłowa ilość komórek somatycznych i mleko od chorych krów zostanie dopuszczone do dalszego przetwarzania.

 Wirowanie obniża jakość mleka i niszczy w nim struktury lipidowe

Rezultatem wirowania mleka jest zniszczenie w nim otoczek fosfolipidowych, potocznie zwanych kuleczkami tłuszczowymi. Te struktury pękają i niszczeją, przez co takie mleko ma niższą wydajność w dalszym przerobie. Jakość takiego surowca diametralnie się obniża. „Fraud oparty na odwirowaniu komórek somatycznych prowadzi nie tylko do oszukania producentów żywności i dopuszczenia do produkcji mleka od chorych krów, ale także wpływa na obniżenie jakości surowca i produktów, które są z takiego odwirowanego mleka wytwarzane. Nasze rozwiązanie skutecznie temu przeciwdziała, ponieważ potrafi niemal automatycznie ujawnić oszustwo” – dodaje prof. Marcin Gołębiewski.

 Sztuczna inteligencja i sieci neuronowe dadzą odpowiedź

Aby wykryć fraud mleka oparty na wirowaniu, wystarczy przyjrzeć się kuleczkom tłuszczowym zawartym w surowcu. Choć badanie wydaje się proste, jak dotąd do jego wykonania odbiorcy mleka potrzebują wsparcia specjalistów oraz odpowiedniego sprzętu – przede wszystkim mikroskopów. Warto tu dodać, że badanie tą metodą pomimo stosowania mikroskopu i asysty człowieka obarczone jest pewnym błędem. Opracowany na SGGW system MFA usprawnia i przyśpiesza cały ten proces, jednocześnie poprzez zastosowanie sieci neuronowej ma on z czasem zmniejszać skalę błędnych odczytów. „Milk Fraud Analyzer zastępuje oczy człowieka i przyśpiesza analizy. Badanie sprowadza się do przygotowania i zaaplikowania próbki mleka do badania mikroskopowego oraz wykonania zdjęcia takiej próbki. Fotografia trafia do naszego systemu, gdzie jest poddawana automatycznej analizie. Ta bazuje na algorytmach, sztucznej inteligencji i sieci neuronowej. MFA natychmiast weryfikuje przesłany obraz i odsyła informację zwrotną ma temat tego, czy badane mleko było odwirowane” – tłumaczy prof. Marcin Gołębiewski.

Skuteczność wykrycia fraudów mleka za pomocą rozwiązania MFA przekracza 85%, co przy początkowym stadium tego systemu należy uznać za bardzo wysoki wskaźnik. Jest on porównywalny do wyników pracy specjalistów. Ważne jest tutaj to, że takie badanie można wykonywać z wysoką częstotliwością praktycznie dla każdej dostawy świeżego mleka. „Obecnie kontrolne badania jakościowe pod kątem wirowania mleka są wykonywane wyrywkowo, raz, dwa razy na tydzień. Poprzez usprawnienie analiz odbiorcy mleka mogliby znacznie uszczelnić system kontroli i z czasem całkowicie wyeliminować przypadki oszustw mleka. Poza tym warto podkreślić, że do przeprowadzenia analiz naszą metodą nie potrzeba zaangażowania specjalistów. Wystarczy tylko dobrze przygotować próbkę do mikroskopowego badania i wysłać zdjęcie” – dodaje prof. Marcin Gołębiewski.

Opracowany na SGGW system działa zarówno jako usługa sieciowa (SaaS), jak i w tradycyjnym modelu on-premise. W tym pierwszym przypadku użytkownik nie posiada oprogramowania, tylko wysyła wykonane przez mikroskop fotografie przez Internet, po czym otrzymuje informację zwrotną. W drugim modelu użytkowania, oprogramowanie można zainstalować u siebie na wydzielonym serwerze.

Fraudy mleka, które polegają na odseparowaniu komórek somatycznych, są dla branży mleczarskiej poważnym wyzwaniem ze względu na trudność w wykryciu oszustwa. Nie ma precyzyjnych danych na temat skali procederów wirowania mleka, ale szacuje się, że w Polsce od 10 do 15 procent surowca przed oddaniem do mleczarni jest odwirowane. „Przewagą innowacji wypracowanej przez zespół prof. Gołębiewskiego jest to, że może ona bez problemu zostać wykorzystana w skali przemysłowej. Z racji minimalnego zaangażowania człowieka i automatycznej obsługi może ona istotnie przyczynić się do wyeliminowania z branży przypadków zafałszowania surowego mleka. Zaletą jest też wygoda w zastosowaniu MFA. Wystarczy jedynie zrobić badanej próbce fotografię, by uzyskać wiarygodny wynik. Dlatego wierzę, że to rozwiązanie spotka się z dużym zainteresowaniem ze strony producentów mleka i wyrobów mlecznych” – mówi dr Maciej Paszewski, Dyrektor Centrum Innowacji i Transferu Technologii SGGW.