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Lebensmittelsicherheit

Nie mehr Milchrückrufe dank Schnelltest?

| Autor/ Redakteur: Annett Arnold* / Christian Lüttmann

Kontrollen in der Lebensmittelindustrie sind unerlässlich – für die Produktqualität und nicht zuletzt für die Sicherheit der Verbraucher. Ein neuer Mikrofluidik-Chip soll nun Schnelltests vor Ort ermöglichen – und so nicht nur die Lebensmittelsicherheit erhöhen, sondern auch Lebensmittelverschwendung minimieren.

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Der optische Sensor für Milchschnelltests vom Fraunhofer FEP
Der optische Sensor für Milchschnelltests vom Fraunhofer FEP
(Bild: Fraunhofer FEP)

Dresden – Lebensmittelsicherheit ist für Lebensmittelproduzenten unerlässlich – dies gilt auch für die Milchindustrie. Schädliche Organismen gelangen durch Euterinfektionen in die Milch., chemische Stoffe wie Antibiotika und Pestizide können über das Futter oder durch unzureichende Kontrollen zu Kontaminationen führen. Um den Eintritt verunreinigter Milch in die Nahrungskette zu verhindern, werden über den gesamten Produktionsprozess und die gesamte Lieferkette Kontrollen durchgeführt.

Doch diese Standardtests sind mit einem hohen Kosten- und Zeitaufwand verbunden. Die in Laboren analysierten Proben werden aus Tanks von Sammelfahrzeugen mit gemischter Milch von mehreren Milchviehbetrieben entnommen. Wird festgestellt, dass die Milch kontaminiert ist, müssen enorme Mengen vernichtet werden, was mit hohen Verlusten für die betroffenen Landwirte und Molkereien verbunden ist. Dies lässt sich vermeiden, indem die Milch direkt beim Landwirt überprüft wird, bevor sie in den Sammeltransport kommt.

Fünf Minuten bis zum Ergebnis

Ein neuer optoplasmonischer Sensor soll als Frühwarnsystem und als zusätzliche Kontrolle fungieren, bevor die Milch in den Tank kommt. In ca. fünf Minuten soll er sie mit einer einzigen Messung auf insgesamt sechs Inhaltsstoffe analysieren. Der Sensor ist dazu mit spezifischen Antikörpern für verschiedene Parameter von Milchsicherheit und -qualität funktionalisiert und ermöglicht die automatische quantitative Analyse direkt vor Ort in den Milchbetrieben. Entwickelt wurde der Sensor mit Unterstützung des Fraunhofer-Instituts für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) im EU-Projekt „Moloko“.

Nachhaltiger Mikrofluidik-Chip

Das komplette System besteht aus einem mikrofluidischen, wiederverwendbaren Chip, organischen lichtemittierenden Transistoren (OLET) oder Dioden (OLED), organischen Photodetektoren (OPD) bzw. dem Sensor, einem nanostrukturierten plasmonischen Gitter und den spezifischen Antikörpern. Das FEP entwickelt den organischen Photodetektor, das Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS den mikrofluidischen Chip.

„Das Besondere an unserem Chip ist, dass man ihn wiederverwenden kann. Dies gelingt, indem die Zielmoleküle mithilfe eines Regenerationspuffers von den immobilisierten Antikörpern lösen, sodass diese sich wieder für einen erneuten Nachweis nutzen lassen“, erklärt Andreas Morschhauser, Wissenschaftler am Fraunhofer ENAS. Der Chip ist für hundert Messungen ausgelegt. Mit jeder Messung können sechs Parameter bzw. Schadstoffe und Proteine analysiert werden. Hierfür entwickeln Morschhauser und seine Kollegen das mikrofluidische System in Form einer austauschbaren, automatisierten und miniaturisierten Kartusche.

Neben den gewonnenen Informationen zur Milch, erlauben die gemessenen Parameter auch Rückschlüsse auf die Gesundheit jeder einzelnen Kuh. Landwirte erhalten so vielfältige Informationen über deren Verfassung. Beispielsweise lassen sich frühzeitig Infektionen erkennen und umgehend behandeln. Dies kann idealerweise zu einem umsichtigeren, reduzierten Einsatz von Antibiotika beitragen.

Die Sensortechnik

Doch wie funktioniert der Nachweis? „Der Transistor erzeugt Licht, das auf das mit Antikörpern beschichtete Gitter fällt. Diese sind spezifisch für die relevanten Inhaltsstoffe. Wird die Milch nun über die Antikörper gespült, so binden die Zielmoleküle an ihnen. Dadurch ändert sich der Brechungsindex in der Umgebung des Gitters, was zu einer Änderung der Reflektion des Lichts führt. Das reflektierte Licht fällt auf den Photodetektor, der die minimale Änderung der Brechzahl misst“, erklärt Dr. Michael Törker vom Fraunhofer FEP. Der grundlegende Effekt wird als Oberflächenplasmonenresonanz bezeichnet und tritt u.a. an speziellen strukturierten Nanogittern auf.

Der Biosensor soll an verschiedenen Stellen der Wertschöpfungskette eingesetzt werden können: sowohl als Laborgerät als auch direkt in Melkanlagen integriert. Das System eignet sich jedoch nicht nur für den Qualitätscheck von Milch. Mit dem optoplasmonischen Sensor könnten in Zukunft auch andere Flüssigkeiten wie beispielsweise Bier oder Wasser analysiert werden. Hierfür ist lediglich eine Anpassung der immobilisierten Fängermoleküle und der notwendigen Reaktionspuffer notwendig.

* A. Arnold, Fraunhofer FEP, 01277 Dresden

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