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Mobile Lebensmittelanalytik per NIR-Spektrometrie Lebensmittel-Check to go: Kommt das Mainstream-Spektrometer für die Hosentasche?

Ein Gastbeitrag von Dr. Heinrich Grüger, Dr. Peter Reinig, Dr. Jens Knobbe, Jens Kruse*

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Ist das Produkt frisch? Das weiße Pulver Salz, Zucker oder ganz etwas anderes? Manchmal sind es ganz einfache Fragestellungen, die in der Lebensmittelzubereitung eine große Tragweite haben. Eine entsprechende Analytik hingegen ist komplex. Doch per Nahinfrarot (NIR)-Spektrometrie könnte sie sich künftig auch für mobile Anwendungen realisieren lassen.

Abb. 1: Animation einer mobilen vor-Ort Lebensmittelanalyse am Beispiel Avocado
Abb. 1: Animation einer mobilen vor-Ort Lebensmittelanalyse am Beispiel Avocado
(Bild: Fraunhofer IPMS)

Ist die Avocado, die Kiwi oder die Mango wirklich frisch oder schon kurz vorm Verderben? Oder noch unreif? Oft lässt sich dies anhand von Geruch oder Haptik der Lebensmittel mehr oder weniger gut herausfinden. Oft aber eben nicht immer. Und wer immer zuerst die Kiwi „durchdrückt", bevor er sie dann doch nicht kauft, wird maximal sich selbst gerecht. Warum nicht mit dem Smartphone direkt im Laden z. B. den Reifegrad von Obst und Gemüse selbst bestimmen? Geht das?

Die Nahinfrarot (NIR) -Spektrometrie ist für die Materialanalyse im Allgemeinen und die Frischeanalyse von Lebensmitteln im Speziellen ein im Laboreinsatz bewährtes Verfahren. Hochgenaue Geräte sind in der Lage, präzise Aussagen über den Zustand der Probe zum Zeitpunkt der Messung zu liefern. Hierbei kann jedoch die zeitliche Korrelation problematisch sein, wenn sich die Probe im Zeitraum von der Probennahme vor Ort bis zur Messung im Labor verändert oder wenn die Ergebnisse schnell benötigt werden, wie beispielsweise für eine Bewertung oder Selektion vor Ort.

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Schluss mit unnötigen Wegen

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Viele neue Anwendungen könnten von der NIR-Spektralanalyse profitieren, wenn es gelingt, die Systemansätze für den mobilen Einsatz ausreichend zu miniaturisieren und kostengünstig bereit zu stellen. Mikro-elektromechanische Systeme (MEMS) ermöglichen extrem kompakte Systeme, die in großen Stückzahlen kosteneffizient gefertigt werden können. Die Qualität der Messungen ist trotz der geringen Größe für viele wichtige Anwendungen konkurrenzfähig. Die erfassten Daten werden vor Ort oder online chemometrisch ausgewertet und daraus spezifische Merkmale extrahiert. Hierdurch werden z. B. unmittelbare Aussagen zur Reife und Frische von Lebensmitteln möglich. Ebenso können andere Anwendungen wie die Überprüfung korrekter Mischverhältnisse in der Lebensmittelverarbeitung, schnelle Warenein- und -ausgangkontrollen oder die Selektion in Recycling- oder Weiterverwertungsprozessen bedient werden.

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NIR-Absorptionsspektroskopie

Der nahinfrarote (NIR) Spektralbereich schließt sich am langwelligen Ende des sichtbaren Lichts an. Er reicht von 780 nm bis 2.500 nm, hierauf folgt das mittlere Infrarot. Im für das menschliche Auge nicht sichtbaren NIR-Bereich liegen zahlreiche Kombinations- und Obertonschwingungen organischer Moleküle. Wird eine Probe mit breitbandigem („weißen“) Hintergrundlicht beleuchtet, so kann aus den spezifischen Absorptionsbanden des transmittierten oder diffus reflektierten Lichts, die mittels eines geeigneten Spektrometers erfasst werden, die Konzentration chemischer Verbindungen bestimmt werden. Anhand von Referenzdaten sind Zusammensetzungen, aber auch wichtige Parameter, wie beispielsweise Reife und Frische von Obst und Gemüse, erfassbar.

Miniaturisierung und Variabilität sind Trumpf

Aktuelle Arbeiten des Fraunhofer-Instituts für Photo­nische Mikrosysteme (IPMS) zielen auf einen Systemansatz, der eine einfache Technologie für die MEMS-Komponente mit einem großen adressierbaren Spektralbereich und einem hohen Maß an Modularität kom­biniert. Hierzu wurde der optische Aufbau angepasst und das Scanning Mirror Micro Spectrometer (SMMS) realisiert. Kernstück ist ein MEMS-Scannerspiegel (s. Abb. 2), der die einfallenden kollimierten Lichtbündel auf ein im System montiertes Gitter ablenkt. Die Be­wegung des Spiegels variiert die Winkel im System und definiert hierdurch die Wellenlänge des am Gitter gebeugten Lichts, das zurück über den Scannerspiegel, die Refokussieroptik und den Austrittspalt auf den Detektor fällt.

Abb. 2: Beispiele miniaturisierter MEMS-Scannerspiegel
Abb. 2: Beispiele miniaturisierter MEMS-Scannerspiegel
(Bild: Fraunhofer IPMS)

Der große Vorteil des neuen Ansatzes ist die doppelte Nutzung der Auslenkung des MEMS-Bauelements, sodass entweder weniger Auslenkung und damit einfachere Antriebselektronik den gleichen Spektralbereich des Vorgängersystems ermöglicht oder ein größerer Spektralbereich adressiert werden kann. Prinzipiell sind mit diesem Ansatz Systeme realisierbar, die besonders große Spektralbereiche abdecken. Erreicht wird dies durch die Kaskadierung von zwei oder mehr Detektorelementen hinter entsprechend mehrfachen Austrittsspalten.

Die Detektoren können optimiert für den jeweiligen Bereich ausgewählt werden, optional ist auch die Kühlung ausgewählter Detektoren möglich. Ein weiterer Vorteil ist die Modularität des spektralen Beugungsgitters. Dies kann bei der Montage ausgewählt und auf den angestrebten Einsatzfall optimiert werden. Die Auflösung und der Spektralbereich lassen sich durch die Liniendichte variieren. Zudem kann über den Blazewinkel des Gitters die Effizienz in ausgewählten Bereichen optimal eingestellt werden.

Demonstrationssystem am Analytica-Messestand

Das aktuelle Demonstrationssystem (s. Abb. 4), das auch auf dem Messestand des Fraunhofer IPMS auf der Analytica in München zu sehen ist (s. LP-Tipp), adressiert den bewährten Spektralbereich von 950 nm bis 1.900 nm mit einer spektralen Auflösung von 10 nm. Aktuell wird ein Bauvolumen von ca. 2 cm3 erreicht, eine weitere Miniaturisierung ist möglich. Die Messungen erfolgen in typischen Anordnungen je nach Probenbeschaffenheit, beispielsweise in Transmission bei flüssigen Medien oder ausreichend transparenten Festkörpern oder in diffuser Reflexion bei wenig transparenten Proben mit ausreichendem Streuquerschnitten. Die optische Ankopplung des Spektrometers ist als Freistrahloptik oder über angekoppelte Fasern möglich.

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Abb. 4: Demonstrationssystem zur spektroskopischen Identifikation weißer Pulver
Abb. 4: Demonstrationssystem zur spektroskopischen Identifikation weißer Pulver
(Bild: Fraunhofer IPMS)

Bei der Identifizierung von Lebensmittelinhaltsstoffen können bereits einfache Fragestellungen eine hohe Tragweite haben. Im Demonstrationssystem wird die Unterscheidung weißer Pulver gezeigt. Hierbei könnte es sich um Salz, Zucker, Stärke oder Mehl handeln, es können aber zahlreiche visuell ähnlich erscheinende Substanzen zuverlässig erkannt und zugeordnet werden.

Kommt die Smartphone-App für den Supermarkt?

Das Demonstrationssystem ist z. B. in der Lage Druck- und Schadstellen beispielsweise an Äpfeln sehr frühzeitig zu erkennen. Das erlaubt eine geeignete Selektion nach Qualität und die Verwertung mit höchstmöglicher Wertschöpfung. Auf diese Weise müssen weniger Lebensmittel unnötig vernichtet werden. Quantitative Analysen sind unter Nutzung entsprechender mathematischer Modelle ebenfalls möglich. Um die Qualität von Olivenöl zu bewerten, wurde die Zusammensetzungsanalyse im Demonstrationssystem implementiert. Und auch in der Landwirtschaft gibt es zahlreiche mögliche Anwendungen. Sie reichen von der Bewertung des Ackerbodens über Saat, Wachstum und Reife bis hin zur Reststoffverwertung, beispielsweise in Biogasanlagen.

Abb. 3: Ultrakompaktes MEMS NIR Spektrometer für die Integration in ein Smartphone
Abb. 3: Ultrakompaktes MEMS NIR Spektrometer für die Integration in ein Smartphone
(Bild: Fraunhofer IPMS)

Die Miniaturisierung des Systems und der geringe Energiebedarf ermöglichen künftig mobile Anwendungen. Integriert in ein Hostsystem, beispielsweise ein Handheld, ein Tablet oder sogar perspektivisch ein Smartphone (s. Abb. 3), können nicht nur Prozessor, Speicher und Energieversorgung genutzt werden, auch der Zugriff auf Datenbankinformationen, die zur Auswertung wichtig sind, können so ermöglicht werden. Zusätzliche Synergie im System ist möglich, indem weitere Komponenten in den Gesamtansatz einbezogen werden. Die Kamera ermöglicht über die Bildauswertung eine wichtige Eingrenzung des Messobjekts und erhöht so die Präzision der Resultate. Bei komplexeren Messaufgaben, beispielsweise inhomogenen Objekten, kann der Nutzer durch Kamera und Anzeige geführt werden, so dass die Messung an der vorgesehenen Stelle mit korrektem Abstand erfolgt. Hierdurch werden auch wissenschaftliche Laien in die Lage versetzt, anspruchsvolle Messaufgaben schnell und zuverlässig zu erledigen.

Die Einsatzszenarien für tragbare Profisysteme mit entsprechend hoher Messgenauigkeit für den Einsatz im landwirtschaftlichen Kontext reichen von der Bodenbewertung über die Überwachung des Wachstums bis zur Reifebewertung für die Ernte und anschließend der Verwertung der Erzeugnisse, d. h. Lagerung, Logistik und im Vertrieb. Am „Point of Sales“ ist die Selektion der Güter in der Auslage eine wichtige Anwendung, um Waren kurz vor dem Verlust von Frische noch preisreduziert für den sofortigen Verbrauch zu verkaufen, statt diese am Folgetag zu entsorgen.

Andererseits können einfachere Systeme für den privaten Nutzer entwickelt werden, z. B. integriert im Mobiltelefon oder als Zubehörgerät mit kabelloser Schnittstelle. Hierdurch wird der Verbraucher in die Lage versetzt, Messungen zu Qualität und Frische vor dem Kauf durchzuführen und eine bewusste Entscheidung auf Basis von Informationen zu treffen.

Speziell für Früchte, die nach dem Verkauf noch reifen – ein prominentes Beispiel ist die Avocado (s. Abb. 1) – wird die Auswahl zuhause unterstützt, um die auf den Höhepunkt der Reife befindlichen Lebensmittel zum Verzehr auszuwählen. Rechtzeitiger Verbrauch schnell verderblicher Lebensmittel leistet zudem einen wichtigen Beitrag zur Minimierung der Lebensmittelverschwendung.

Kopplung mit anderen Techniken erweitert Anwendungsspektren

In zukünftigen Systemen lassen sich über die Nahinfrarot-Spektroskopie hinausgehende Ansätze, also die Kombination verschiedener sinnvoll ausgewählter Messprinzipien, realisieren. Hierdurch werden noch umfassendere Gesamtaussagen und komplexe Bewertungen möglich, die den Anwender in die Lage versetzen, wissensbasierte Entscheidungen zu treffen.

Zur Verfahrenskombination bieten sich neben der schon benannten Bildauswertung weitere optische Verfahren wie Fluoreszenz- oder Raman-Spektroskopie zur Spurenanalytik ebenso an, wie grundlegend andere Messprinzipien. Hier ermöglicht speziell die Ultraschallsensorik das Erfassen physikalischer Parameter wie Dichte, Viskosität oder Partikelgröße oder die Detektion von Fremdkörpern. Unterschiedliche Festkörpersensoren ermöglichen es, globale Werte wie Temperatur, pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit oder Feuchte zu ermitteln. Derartige Messsysteme erreichen dann möglicherweise eine Qualität und Aussagekraft, die mit aktuellen Laboranalysen vergleichbar sind.

Im Lebensmittelbereich kann durch schnelle und zuverlässige Analysen vor Ort nicht nur die Qualität gesichert werden. Wird nachlassende Frische rechtzeitig erfasst, kann so auch ein wichtiger Beitrag zur Minimierung der Verluste in der Kette von der Erzeugung bis zum Verzehr geleistet werden. In Anbetracht von Verknappung und Verteuerung von landwirtschaftlichen Rohstoffen ist dies ein wichtiger Beitrag zur Versorgung der Menschheit mit sicheren, gesunden und frischen Lebensmitteln

Analytica 2022: Halle A3, Stand 227

* Dr. Heinrich Grüger, Dr. Peter Reinig, Dr. Jens Knobbe, Jens Kruse,Fraunhofer IPMS Dresden, 01109 Dresden

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