BIOANALYTIK Elektronische Nasen in der Lebensmittelindustrie

Sensor-Array-Technologie ist unter dem Namen „elektronische Nase“ bereits seit einigen Jahren am Markt vertreten. Die Eigenschaft dieser Technologie, direkte Klassifizierungen vorzunehmen, ist für die Routineprüfung sehr interessant.

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Sensor-Array-Technologie ist unter dem Namen „elektronische Nase“ bereits seit einigen Jahren am Markt vertreten. Die Eigenschaft dieser Technologie, direkte Klassifizierungen vorzunehmen, ist für die Routineprüfung sehr interessant, da der Zwischenschritt über eine aufspaltende und identifizierende Analytik umgangen wird und so Analysezeiten abgekürzt werden können [1].

Sobald die Einstellungen auf ein bestimmtes Problem vorgenommen sind, ist eine Anwendung mit Hilfe der hier vorgestellten Sensor-Array-Technologie relativ leicht zu handhaben. Hierbei wird eine schnelle und kostengünstige Untersuchung erzielt. Da auf der anderen Seite keine genaue Information über die chemischen Bestandteile einer Probe gegeben wird, ist eine genaue Einstellung einer Anwendung erforderlich. Eine Sensor-Array ist daher kein Allround-Gerät, das vielfältig eingesetzt werden sollte. Es ist eher wirtschaftlich, eine feste Anwendung für z.B. routinemäßige Überprüfung zu erstellen und diese mit häufiger Wiederholung und ohne Änderung durchzuführen.

Die Möglichkeit einer schnellen Entscheidung („gut/schlecht“ oder „viel/wenig“) macht die Technik für Überwachungsaufgaben in lebensmitteltechnischen Prozessen interessant. Zwei Beispiele, einmal zur Erkennung von Fremdhefen in Milchprodukten und ein weiteres zur Erkennung und Meldung von Kontaminationen im Recycling von Getränkebehältern zeigen die Vorteile solcher Anwendungen nachfolgend auf.

Laboranwendungen

Als wohl die wichtigste Anwendung werden elektronische Nasen im Labor zur schnellen Routinekontrolle oder zur Vorauswahl von Proben vor der eigentlichen Analyse eingesetzt. Vielfach kommen die Fragestellungen aus der Lebensmittelindustrie, beispielsweise der Überwachung von Milchprodukten, bei denen die Kontamination mit Fremdhefen eine wichtige Rolle spielt. Eine elektronische Nase wird bei dem milchverarbeitenden Betrieb Nordmilch e.G. eingesetzt, um bei der täglichen Routinekontrolle die Fermentation zu beurteilen. Dabei werden unterschiedliche Fremdhefen durch ihre gasförmigen Stoffwechselprodukte als Abweichung erkannt und alarmiert. Es ist also nicht notwendig, alle Spezies von Fremdhefen zu vermessen und in die Datenbank zu überführen.

Das Verfahren bei Laboranwendungen ist in der Regel eine Form der Headspace-Analyse (Abbildung 2), wobei mit Sensor-Arrays zumeist ein dynamisches Verfahren angewendet wird. Einer Probe wird gefilterte Luft zugeführt und die Headspace-Gase über einen definierten Zeitraum (Sammelzeit) dem Sensor-Array zugeführt. Im Labor bestehen alle Möglichkeiten, um eine Probe zu konditionieren. Jedoch wird immer versucht, das nach Möglichkeit einfachste Verfahren zu finden, wobei die Wiederholbarkeit genauso gut sein muss, dass die Klassifizierung unbekannter Proben mit guter Statistik durchgeführt werden kann.

Im Fall der Überwachung von Joghurt reicht es, eine Probennadel durch den Deckel eines fertigen Joghurts hindurch zu stechen. Abbildung 3 zeigt die Hauptkomponentenanalyse (PCA) einiger Testdaten. Diese Anwendung ist durch das UFT der Universität Bremen für ein halbes Jahr getestet worden, bevor sie beim Anwender zum Einsatz kommt.

Ebenso einfach ist die Probenahme aufgebaut bei der Vermessung von Paraffinen, die einer sensorischen Bewertung unterliegen. Schwankungen im Ausgangsmaterial und der Produktion führen dazu, dass der Anteil oxidierter Substanzen variiert und den geruchlichen Eindruck erheblich beeinflusst. Mit einer Headspace-Messung direkt in der Probenflasche können auf schnelle Weise „gute“ Proben sicher klassifiziert werden und somit die Qualität des Produktes überwacht werden. Auch eine Anwendung, bei der es im Wesentlichen darauf ankommt, den Standard zu überwachen und Abweichungen davon zu erkennen.

Prozessanwendungen

Die gleiche Art der Erkennung wird angewendet bei der Überwachung von Kontaminationen in Getränkebehältern. Das Konzept der elektronischen Nase ist für den Einsatz bei der Analyse in industriellen Prozessen ideal: es wird sofort klassifiziert und das Ergebnis kann genommen werden, um wieder steuernd in den Prozess einzugreifen. Andere Vorteile sind beispielsweise der relativ einfache Betrieb: es wird nur Luft als Referenzgas benötigt, die Sensoren weisen gute Empfindlichkeit auf (im ppm-Bereich) und ganz entscheidend ist die Fähigkeit, sehr breitbandig messen zu können.

Das auf Sensor-ArrayTechnologie aufbauende Gerät „KegControl“ (Abb. 4) ist dadurch in der Lage, sehr viele unterschiedliche Kontaminationen zu detektieren, so lange diese sich durch flüchtige Komponenten in dem Behälter erkennen lassen. Bei der Untersuchung von Bierfässern wird alles, was an „normalen“ Inhalten an die Brauerei zurückgeliefert wird, als Standard definiert, jede Abweichung davon kann detektiert und alarmiert werden.

KegControl ist eine elektronische Nase, die auf die Einsatzumgebung und die Aufgabenstellung angepasst ist. Das Gerät erreicht eine Zykluszeit von drei Sekunden und ist damit ein für die Halbleiter-Sensortechnik sehr schnell messendes Gerät. In Abbildung 5 ist das Pattern von Messungen der Standards (Restbier) wie auch von Kontaminationen gezeigt. Erste Einsatzorte für diese Lösung sind einige Brauereien. Die gleiche Lösung wird bei der Abfüllung von Gallonen für Mineralwasser eingesetzt, da diese auch einem Recycling unterliegen und ein hohes Potenzial zur Verunreinigung durch Missbrauch haben.

Fazit

Beim Einsatz elektronischer Nasen für bestimmte Themen ist ein hohes Maß an Know-How gefordert. Bei Anwendung des richtigen Analysekonzeptes und der richtigen Probenahme können angepasste Lösungen gebaut werden, die von der technischen Seite wie auch von der Anwendung her interessant sind.

Literatur

[1] H. T. Nagle, R. Gutierrez-Osuna, Susan S. Schiffman, „The How and Why of Electronic Noses“, p. 22-34, IEEE Spectrum, September 1998

*W. Münchmeyer, A. Walte, WMA Airsense Analysentechnik GmbH, 19061 Schwerin**K.-H. Hahne, Nordmilch e.G., 26909 Neubörger*** G. Matz, TU Hamburg-Harburg, Arbeitsbereich Messtechnik, 21073 Hamburg

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