Seit Jahren wird in der Lebensmittelindustrie die Qualitätskontrolle durch Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) durchgeführt. Ende 2017 soll eine App auf den Markt kommen, die sich einer neuen Technik bedient und die Anwendung für jeden auf dem Smartphone ermöglichen soll. Beide Methoden sind auf Licht angewiesen und beruhen auf Reflexion oder Absorption.//Von Andrea Madea und Ilgaz Yorulmaz
08.08.2017// Healthy Food, Detox Tea, Smoothies, Fitness Shakes, Iso Drinks und viele andere Getränke sind vermeintliche Trendprodukte. Doch was beinhalten diese Lebensmittel?
Das Fraunhofer Institut für Fabrikbetrieb und Automatisierung IFF in Magdeburg kündigt mit der Smartphone-App "HawkSpex mobile" eine neue Messtechnik für den individuellen Lebensmittelcheck an. Ob sie Pflanzenschutzmittel bei Obst oder Gemüse oder aber eine gleichmäßige Verteilung von Lack auf Möbeln anzeigt - überall kann die App eingesetzt werden, wo Oberflächenanalysen gebraucht werden.
Bei dieser Methode spielt das Licht eine wichtige Rolle und sie soll mit einem üblichen Smartphone funktionieren. Auf die Frage, was ein Handy dafür können muss, lautet die Antwort von Christian Klück, Mitentwickler der App am Fraunhofer Institut IFF, dass die App nichts Spezielles verlange außer einer Fotokamera. Nicht die Kamera messe die reflektierende Lichtintensität, wie beim Fotografieren, sondern das Display beleuchte das Objekt mit unterschiedlichen Farben in Sekundenbruchteilen. Letztendlich ist es wie bei einer Lichtorgel. Wird nur bläuliches Licht auf das Objekt, beispielsweise einen Apfel, gegeben, kann auch nur bläuliches Licht reflektiert werden und die Kamera kann auch nur bläuliches Licht messen. Die Differenz zwischen ausgesendetem und reflektiertem Licht kann bestimmt werden. Es ist eine Messung an der Oberfläche, da das sichtbare Licht nicht in den Apfel eindringt.
Alte Technik noch heute im Einsatz
Seit den 60er-Jahren wird die Infrarotspektroskopie zur Qualitätskontrolle eingesetzt. Wichtige Inhaltsstoffe von Lebensmitteln wie Fette, Kohlenhydrate, Proteine und Wasser werden mit NIRS erkannt.
In der Gesamtheit aller elektromagnetischen Wellen befindet sich der Infrarotbereich nah an unserem sichtbaren Licht. Zwischen 400 bis 800 Nanometer (nm) sehen wir von violett über blau, grün, gelb, orange bis rot. Daran schließt sich das Nahinfrarot etwa zwischen 800 bis 3000 nm an. Ein Nanometer entspricht einem Milliardstel-Meter. Im Größenvergleich sind kleinste Bakterien etwa 300nm groß, kleine Viren etwa 15nm und der Durchmesser der DNS-Doppelhelix ungefähr 2,5nm. Allgemein werden Molekülverbindungen wie Fette oder Wasser durch energiereiches Licht beziehungsweise Strahlung zu typischen Schwingungen angeregt. Bei NIRS wird genau dieser Effekt angewendet. Energiereiches Licht mit bekannter Wellenlänge wird auf bekannte Moleküle gesendet, sodass die Molekülverbindungen sich bewegen. Somit ruft das energiereiche Licht die entsprechende Schwingung hervor. Die Strahlung wird somit vom Molekül "verschluckt". Dies nennt man Absorption, ein typisches Messverfahren in der Analytik bei der Qualitätskontrolle.
Zuverlässige Messmethode
"Deckel drauf und ab in die Kiste - Eierlikör trifft Referenzwerte" // Bild: Ilgaz Yorulmaz
Ein NIRS-Gerät ist recht unspektakulär und ungefähr so groß wie ein Wasserkasten. Es wird mit kleinen Glasröhrchen befüllt, die etwa 10 ml Probenmaterial beinhalten.
Die Probe muss homogen sein, also eine gleichmäßige Konsistenz besitzen, damit eine durchgängige Messung erfolgen kann. Eine Messung dauert in etwa fünf Minuten. Dies ist einer der Vorteile von NIRS, da in diesen fünf Minuten alle relevanten physikalischen, als auch chemischen Parameter abgefragt werden. "Beim Eierlikör wird beispielsweise der Eigelb-, Zucker- und Alkoholgehalt als chemische Parameter und Trockenmasse und Dichte als physikalische Parameter gemessen", sagt Bastian Rode, Leiter des Qualitätsmanagements und Labors bei einem großen deutschen Eierlikör-Hersteller. Das Grundprinzip beruht auf der Vergleichbarkeit von Messdaten mit hinterlegten Referenzdaten.
Videointerview mit Bastian Rode über die Analyse beim Eierlikör
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Ohne Referenzwerte keine NIRS
Durch andere analytische Messmethoden erhält man Referenzwerte zum Vergleich der einzelnen Bestandteile, sogenannte Parameter der Probe. Sie liegen in einer sogenannten Softwarebibliothek und spiegeln die genauen Sollwerte für die jeweiligen Parameter wieder. Dabei wird an etwa 200 bis 300 unterschiedlichen Proben der gleiche Parameter, zum Beispiel Zucker, gemessen und anschließend der Mittelwert bestimmt. Dies stellt den exakten Soll-Wert für Zucker dar. Er dient dem NIRS-Gerät als Vorlage zum Vergleich mit den gemessenen Ist-Werten, der sogenannten Kalibrierung.
Gerade bei der NIRS-Methode müssen nicht immer alle untersuchten Parameter exakt dem Soll-Wert entsprechen. Es liegen unterschiedliche Standardabweichungen vor. Bei der Eierlikörherstellung darf der Zuckergehalt zum Beispiel eine Abweichung von bis zu 15 Gramm pro Liter betragen. "Wir messen die Zusammensetzungen von Proben, also quantitative NIRS. Es gibt aber auch qualitative NIRS, da misst man Identitäten von Proben. So können beispielsweise Produktverfälschungen erkannt werden", so Bastian Rode.
Der Fachmann erkennt alle gefragten Parameter von Eierlikör wieder. // Bild: Ilgaz Yorulmaz
Die x-Achse beschreibt die Wellenzahl, die gleichzusetzen ist mit der Wellenlänge. Die y-Achse dagegen gibt die jeweilige Intensität wieder. Die Kurve kann keiner speziellen Verbindung zugeordnet werden, denn das Spektrum muss immer als Ganzes betrachtet werden. "Wir nutzen die NIRS seit 20 Jahren im Unternehmen und verwenden immer noch dasselbe Gerät. Unsere Erfahrungen mit der Methode sind sehr gut, da wir innerhalb kürzester Zeit die Informationen erhalten, die wir brauchen", meint Bastian Rode. Generell sei die NIRS ein kostengünstiges Analyseverfahren, wenn man eine etwas erhöhte Messungenauigkeit tolerieren kann.
"Erweiterung der menschlichen Sinne"
Auch die neue Fraunhofer-App benötigt zum Anlernen vorab Referenzwerte. "Man braucht, wie bei NIRS auch, immer ein Kalibrierungsmodell, was dann aus den aufgenommenen Rohdaten letztlich eine anwendungsrelevante Information bereitstellt", sagt Udo Seiffert, Leiter Biosystems Engineering am Fraunhofer Institut IFF. Über einen selbstlernenden Algorithmus erweitert sich die "Wissensbank" der App. Die "HawkSpex-App" misst mit der inversen Fototechnik und nicht mit der NIRS-Technik - das ist ihr Alleinstellungsmerkmal.
"Es ist eine mathematische Software, die optische Messungen mit der künstlichen Intelligenz kombiniert, um die menschlichen Sinne zu erweitern", so Udo Seiffert. Eine Kernkompetenz des Fraunhofer IFF sei es, das maschinelle Lernen der künstlichen Intelligenz zu entwickeln.
NIRS für das Smartphone mit Zusatzgerät
Durch die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten sind einige Unternehmen in diesem Entwicklungsbereich tätig. Es gibt bereits einige Firmen auf dem Markt, die NIRS für das Smartphone anbieten, allerdings mit einem Spektrometer als Zusatzgerät, ungefähr in der Größe eines USB-Sticks. Die App sendet Werte an eine Cloud oder an eine Datenbibliothek der Firma. Anschließend erfolgt die Auswertung mit den verknüpften Referenzwerten durch die App. Auch hier werden die Daten wieder verglichen. Interesse an solchen Messmethoden haben vor allem Inhaber von Supermarktketten, da schnelle Entscheidungen bei Frische- und Haltbarkeitszuständen getroffen werden können.
Anwendungsbereiche für NIRS
Generell gibt es für NIRS ein breites Anwendungsspektrum. In der Landwirtschaft wird es genutzt, um Rohnährstoffe in Getreide zu bestimmen. Auch im medizinischen Bereich, besonders in der Neurologie, werden Durchblutungsmessungen im Gehirn mit NIRS erfasst. In der Mülltrennung wird NIRS eingesetzt, um verschiedene Kunststoffe voneinander zu trennen und selbst in modernen Biogasanlagen kann durch NIRS eine Vorhersage zum Ertrag der Biomasse getroffen werden.
NIRS von innen, APP von außen
Es kommt auf die Analysefrage an: Was will ich messen und wie genau will ich messen? So wie "HawkSpex mobile" eine moderne optische Anwendung beispielsweise zur oberflächlichen Obstkontrolle im Supermarkt für jeden werden könnte, bleibt die NIRS als zuverlässige, althergebrachte und schnelle Labor- und Smartphone-Anwendung von Bedeutung. Mit NIRS ist die Kontrolle von Healthy Food, Detox Tea oder Smoothies möglich, da sie das ganze homogene Gemisch analysiert. Die App dagegen kann mit Licht nur auf der Oberfläche eines Objekts messen. Allergene Stoffe, die lebensbedrohlich für Allergiker sein können, zum Beispiel Nüsse, wird diese Methode nicht erfassen können.
Methoden im Vergleich
Die Autorinnen
Andrea Madea
Ilgaz Yorulmaz
