English China

Alles ist messbar Riechen, Schmecken und Fühlen – per instrumenteller Sensorik

Autor / Redakteur: Lisa Umseher* / Dr. Ilka Ottleben

Sensorische Analysen mit geschultem Panel sind in den verschiedensten Industrie­bereichen weit verbreitet und anerkannt. Die instrumentelle Sensorik imitiert mit dem Menschen nachgeahmten Sensoren die Humansensorik. Doch wie weit ist die Technik und für wen ist eine Anschaffung rentabel?

Firmen zum Thema

Viele Weinkenner werden sich die „Prüfung“ eines edlen Tropfens mithilfe ihrer eigenen Sinne nicht nehmen lassen. Viele Industriebereiche können aber von einer sensorischen Analyse unterschiedlichster Produkte per instrumenteller Sensorik sehr profitieren.
Viele Weinkenner werden sich die „Prüfung“ eines edlen Tropfens mithilfe ihrer eigenen Sinne nicht nehmen lassen. Viele Industriebereiche können aber von einer sensorischen Analyse unterschiedlichster Produkte per instrumenteller Sensorik sehr profitieren.
(Bild: © Africa Studio - Fotolia)

Das optische Erscheinungsbild, der Geruch, der Geschmack und die Konsistenz beeinflussen unsere Vorlieben für Produkte. Das Aussehen eines Produktes soll positive Gefühle bei uns Kunden hervorrufen. Die Einschätzung geschieht in weniger als einer Sekunde. Einige Millisekunden reichen aus, um einen ersten Eindruck zu gewinnen. Das Auge, als menschlicher Sensor, nimmt das optische Erscheinungsbild auf. Farbe und Farb­intensitäten werden eingestuft und mit bereits bekannten im Gehirn gespeicherten Mustern verglichen, bewertet und mit Adjektiven wie hell, dunkel, blass etc. beschrieben. Über die Transparenz und die einheitliche Farbgebung kann optisch auf die Oberflächenstruktur geschlossen werden. Der gewonnene Eindruck und die resultierende emotionale Reaktion stehen im engen Zusammenhang mit der anschließenden Kaufentscheidung.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 6 Bildern

Ist ein Lebensmittel erst gekauft, so muss der Geschmack und die Konsistenz überzeugen. Kunden wünschen eine gleichbleibende Qualität – optisch wie geschmacklich. Frankfurter Würstchen und Karotten müssen beim Reinbeißen so richtig knacken. Bei Chips und Keksen erwarten wir eine gewisse Festigkeit, aber anschließend soll sich das Produkt möglichst krümelig oder spröde verhalten. Tabletten sollten weder einen unangenehmen Geschmack haben noch Bitterness aufweisen. Und leichte Leder- und Kunststoffgerüche werden beim Einsteigen in ein Auto mit den Adjektiven „neu“ oder „hochwertig“ assoziiert. So wird deutlich, dass sensorische Sinneswahrnehmungen, sei es mit Mund, Nase, Ohr, Auge oder Zunge, uns Verbrauchern Qualitätsmerkmale wie Frische, Genuss und Wertigkeit vermitteln. Ohne dieses Empfinden könnten wir Produkte und die Umgebung nicht in gut oder schlecht, angenehm oder unangenehm, giftig oder ungefährlich sowie alt oder neu einteilen.

Humansensorik als wichtiger Bestandteil der Lebensmittelanalyse

Die Humansensorik ist aus dem Lebensmittelsektor nicht wegzudenken. Geschulte Testpersonen bewerten Produkteigenschaften vergleichend oder vergeben vorher definierte Deskriptoren und Intensitäten. Dennoch unterliegt die sensorische Analyse subjektiven Einflüssen, welche psychologischer und physiologischer Natur sind. Körperliches Wohlbefinden, Stress und Umwelteinflüsse beeinflussen im Unterbewusstsein. Jede unmittelbar vor der sensorischen Analyse gerauchte Zigarette und jeder Kaffee verändern das Urteilsvermögen. Durch sehr aufwändig geschulte und große Versuchspanels, standardisierte Prüfmethoden und geeignete Auswertungsmethoden werden Einflussgrößen minimiert. Der betriebene Aufwand in den verschiedenen Industriebereichen ist enorm.

Mit fortschreitender Technik nimmt die Bedeutung der instrumentellen Sensorik zu. Besonders, da analytische Alternativen schnelle und exakte Ergebnisse liefern und durchgängig verfügbar sind. In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie werden die Geräte oft ergänzend zur sensorischen Analyse eingesetzt, um objektive Werte zu erhalten. In anderen Industriebereichen ist eine sensorische Analyse aus gesundheitlichen Gründen nicht möglich, da es sich um pharmazeutische Produkte oder um gesundheitlich bedenkliche flüchtige Aromastoffe handelt. Der Anwendungsbereich variiert von der klassischen Qualitätskontrolle über die Produktentwicklung bis hin zur Prozessüberwachung.

Nützliche Digitalisierung der menschlichen Sinne

Elektronische Nase: Die elektronische Nase Heracles des französischen Unternehmens Alpha MOS basiert auf dem Prinzip der Flash-Chromatografie. Es können Flüssigkeiten, Feststoffe und Gase mit verschiedenen Injektionsmöglichkeiten wie Headspace und SPME gemessen werden. Aufgebaut ist das System aus zwei parallel geschalteten kurzen Säulen unterschiedlicher Polarität, welche mit Flammenionisationsdetektoren (FID) ausgestattet sind. Somit entstehen parallel zwei Chromatogramme. Die kurzen Säulen ermöglichen typische Analysezeiten von 15 bis 120 s, wohingegen eine klassische Gaschromatographie 45 min und länger dauert. Die Analyse flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) läuft mithilfe eines Traps in weniger als 60 s mit einer Sensitivität im ppb-Konzentrationsbereich ab. Dank der parallelen Säulen werden Informationen doppelt übermittelt, wodurch eine verlässliche Identifikation der chemischen Substanzen sichergestellt wird. Weitere Besonderheit des Systems ist die Möglichkeit, die komplette Datenauswertung mit klassischer GC-Funktionalität und typischer Fingerprint-Erstellung einer elektronischen Nase durchzuführen:

  • Radar Plot;
  • Faktorenanalyse (PCA) für den Vergleich von Geruchsprofilen;
  • Partial Least Square (PLS)-Methode zur Konzentrationsbestimmung;
  • Statistische Qualitätskontrolle (SQC) zur Qualitätsüberwachung.

Geschmacksanalyse: Die elektronische Zunge ist ein Instrument, welches das Prinzip der menschlichen Zunge imitiert. Es können Geschmacksanalysen von flüssigen Medien wie Gelen, Sirup, Lösungen, Emulsionen oder gelösten Feststoffen einer flüssigen Lösung analysiert werden. Chemische Substanzen stimulieren unsere Geschmacksrezeptoren und sind so für unser Geschmacksempfinden verantwortlich. Bei der elektronischen Zunge Astree übernehmen Polymersensoren die Detektion der gelösten Stoffe.

Wie bei menschlichen Rezeptoren hat jeder Sensor ein anderes Reaktionsspektrum, wodurch sich die Rezeptoren unterscheiden. Das Sensorprinzip der elektronischen Zunge basiert auf nicht kovalenten und reversiblen chemischen Wechselwirkungen mit gelösten Stoffen, die zu potentiometrischen Veränderungen, gemessen als elektronisches Signal führen. Zu diesen Wechselwirkungen zählen ionische Bindungen und van-der-Waals-Wechselwirkungen. Die gemessenen Daten der Sensoren verhalten sich zueinander komplementär. Die Ergebnisse der einzelnen Sensoren ergeben in ihrer Kombination einen speziellen Fingerabdruck für jeden Geschmack.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 6 Bildern

Der Detektionsschwellenwert für die Sensoren der elektronischen Zunge liegt bei der Mehrheit der Verbindungen niedriger als die Wahrnehmung der menschlichen Rezeptoren oder kommt diesem mindestens gleich. Die Geschmackswahrnehmung und Geschmackserkennung basieren auf einem Erkennungsmuster von aktivierten sensorischen Nervenzellen, somit auf einem geschmacklichen Fingerabdruck. Zu der elektronischen Zunge Astree gehört eine wirkungsvolle statistische Software zur Interpretation der Sensordaten und zur Umwandlung in ein Geschmacksschema.

Ein typisches Anwendungsbeispiel der elektronischen Zunge im pharmazeutischen Bereich ist das Benchmarking von Bitterness. Die meisten pharmazeutisch aktiven Substanzen haben einen bitteren, unangenehmen Geschmack. Wir sind es nicht gewohnt, solche Substanzen unter natürlichen Umständen zu uns zu nehmen. So „warnt“ der Körper bei einem schlechten Geschmack. Nicht nur Kinder werden unangenehm schmeckende Medizin verweigern. Auch daher ist es wichtig, Original und Generikum zu vergleichen und deren Geschmack anzupassen.

Prinzip und Funktionalität eines Texture Analysers

Der multifunktionale und dennoch einfache Textur Analyser Taxtplus des englischen Unternehmens Stable Micro Systems verwendet verschiedene Messstempel, angepasst an die individuellen Bedürfnisse der Branchen und Unternehmen, um die Textur hinsichtlich ihrer Eigenschaften zu analysieren. In einem einfachen Test bewegt sich der horizontale Arm des Texture Analysers, welcher die Kraftmesszelle enthält, nach unten, durchdringt oder komprimiert das Produkt und kehrt in seine Ausgangsposition zurück. Dabei wird die Kraft aufgezeichnet. Diese Werte werden in einem Kraft/Weg- oder Kraft/Zeit-Diagramm dargestellt und anschließend interessante Bereiche näher betrachtet. Von Bruchkräften, Festigkeiten, Konsistenz, Elastizitäten und Klebrigkeitsverhalten bis hin zu Zugversuchen lässt sich alles messen. Von dieser Anpassungsfähigkeit profitieren, können nahezu alle Industriebereiche angefangen mit der Lebensmittel-, der pharmazeutischen Industrie bis hin zur Anwendungen bei Farben und Lacken. Typisch sind z.B. Klebkraftmessungen von pharmazeutischen Pflastern und klebrigen Emulsionen. Neben der maximalen Klebkraft ist auch der gemessene Fadenzug des Produktes charakterisierend für Klebrigkeit.

Visuelle Analyse – Das Auge isst mit

Das visuelle Analysegerät Iris von Alpha MOS wurde mit dem Ziel entwickelt, komplexe Lebensmittel und Verpackungsprodukte zu analysieren. Reproduzierbare Messungen unter kontrollierten Bedingungen vom Aussehen eines Produkts sind schnell und ohne Probenvorbereitung möglich. Analysiert wird ein komplettes Produkt, eine Produktgruppe oder ein Schüttgut. Das System bietet viele Messmöglichkeiten: So kann die Farb- und Belagverteilung einer Pizza ebenso wie ein Müslimix oder das Reifungs- bzw. Alterungsverhalten einer Banane oder Schokolade beurteilt werden. Intuitiv ablaufende Prozesse im Gehirn, wie die Einstufung ob eine Zutat gleichmäßig und in ausreichender Menge vorhanden ist, werden so analytisch messbar.

Die Arbeitsweise von Iris ist der menschlichen visuellen Wahrnehmung nachempfunden. Eine CCD-Kamera nimmt Daten von Form und Farbe auf, stellt sie einem Computersystem zur Verfügung und vergleicht sie mit einem Standard oder einem hinterlegten Muster. Dank der Kamera, die eine oder mehrere Proben gleichzeitig ablichtet, läuft die Oberflächenanalyse in wenigen Sekunden ab. Eine Auswertung der komplexen Bilder erfolgt über eine statistische Auswertungssoftware. n

* L. Umseher: Winopal Forschungsbedarf GmbH, 31008 Elze

(ID:43971295)