Zerstörungsfreie Messmethode zur schnellen Qualitätsbewertung und Haltbarkeitsabschätzung von Lebensmitteln mit Hilfe von Food-Scannern (NIR-Qualitätsbestimmung)

Im Frühjahr 2017 ist das Projekt ,,Zerstörungsfreie Messmethode zur schnellen Qualitätsbewertung und Haltbarkeitsabschätzung von Lebensmitteln mithilfe von Food-Scannern‘‘ gestartet. Es forciert die Entwicklung einer Methode zur einfachen und schnellen Messung der Qualität und Haltbarkeit von ausgewählten (abgepackten) Lebensmitteln. Das entwickelte Modell soll Händlern und Konsumenten eine bessere Orientierung ermöglichen, zu welchem Zeitpunkt genau ein Lebensmittel noch verzehrfähig ist. Finanziert wird das Projekt durch das Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten (StMELF).

Der Sensor SCiO von der Firma Consumer Physics funktioniert über eine Smartphone-App.

Food-Scanner – „Hosentaschen“-Modell von Fraunhofer

In Bayern liegt das Vermeidungspotential für Lebensmittelverluste bei etwa 1,3 Millionen Tonnen pro Jahr, wobei etwa 60 % der Verluste am Ende der Wertschöpfungskette - im Handel und beim Verbraucher - anfallen. Fast die Hälfte davon sind Obst und Gemüse. Leicht verderbliche Lebensmittel wie Backwaren und Fleischerzeugnisse tragen ebenfalls beträchtlich zu den Verlusten bei. Dabei liegen die Ursachen für die Entstehung der Lebensmittelverluste häufig im Ablauf des Mindesthaltbarkeits- bzw. Verbrauchsdatums und der fehlenden Möglichkeit zur schnellen Bewertung des aktuellen Qualitätszustands und der tatsächlich verbleibenden Haltbarkeit bei entsprechender Lagerung. Bei pflanzlichen Lebensmitteln (Obst, Gemüse), welche in der Regel ohne Mindesthaltbarkeitsdatum verkauft werden, beeinflusst der Reifegrad (Zuckergehalt) wesentlich die Haltbarkeit und sensorische Qualität der Produkte. Er lässt sich, vor allem bei abgepackten Lebensmitteln, meist nicht ohne weiteres ermitteln. Durch die frühzeitige Erkennung von Qualitätsveränderungen oder des Reifegrads sowie der Abschätzung der tatsächlichen bzw. verbleibenden Haltbarkeit, können durch Einleitung entsprechender Maßnahmen (alternative Verwertungswege, Preisreduzierung), Verluste auf allen Ebenen der Wertschöpfungskette reduziert werden.

Hintergrund des Projekts

In Bayern liegt das Vermeidungspotenzial für Lebensmittelverluste bei etwa 1,3 Millionen Tonnen pro Jahr. Dabei fallen rund 60 % der Verluste am Ende der Wertschöpfungskette an – im Handel und beim Verbraucher. Häufige Ursachen sind ein Ablauf des Mindesthaltbarkeitsdatums und die fehlende Möglichkeit, den aktuellen Qualitätszustand und die tatsächlich verbleibende Haltbarkeit schnell zu bewerten.

Ziel des Projekts

Das Projekt stellt eine der 17 Maßnahmen des Bündnis „Wir retten Lebensmittel!“ des Staatsministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten dar. Ziel ist die Entwicklung einer schnellen und zerstörungsfreien Messmethode zur Qualitätsbewertung und Haltbarkeitsabschätzung von ausgewählten Lebensmitteln. Die auf der Nahinfrarotspektroskopie (NIR) basierende Methode soll auf kompakte sowie kostengünstige Food-Scanner übertragen werden. Diese können im Handel von Qualitätskontrolleuren oder Endverbrauchern eingesetzt werden und sollen einen Beitrag zur Reduzierung von Lebensmittelverlusten leisten. Durch die frühzeitige Erkennung von Problemen sowie der Abschätzung der verbleibenden Haltbarkeit sollen Verluste auf allen Ebenen der Wertschöpfungskette reduziert werden – z. B. durch alternative Verwertungswege oder eine Preisreduzierung.

Methode des Projekts

Für die Forschungsphase wurden Hackfleisch und Tomaten ausgewählt. - Die gemessenen NIR-Spektren von Hackfleisch werden mithilfe statistischer Verfahren mit dem mikrobiellen Verderb korreliert und die weitere Haltbarkeit des Produktes abgeleitet. Dies geschieht unter Berücksichtigung der Lagerbedingungen sowie der mikrobiologischen Richt- und Warnwerte zur Beurteilung von Lebensmitteln. Auf Grundlage der erhaltenen Daten wird ein Algorithmus entwickelt, welcher anhand der gemessenen Infrarotspektren den Status des Verderbs und somit die weitere Haltbarkeit des Produkts ermittelt. - Bei Tomaten werden relevante Qualitäts- und Reifeparameter unter Berücksichtigung sensorischer Qualitätsattribute sowie der Haltbarkeit mit den NIR-Spektren korreliert. Hierfür sind umfangreiche sensorische Analysen und zerstörende Qualitätsmessungen mit Tomaten in Kombination mit den NIR-Messungen und Lagerversuchen notwendig. Aus den resultierenden Daten wird ein Modell zur sensorischen Qualitätsbewertung sowie zur Haltbarkeitsabschätzung entwickelt. - Nach erfolgreicher Implementierung wird die Übertragbarkeit auf weitere Lebensmittel geprüft. Im Anschluss werden die entwickelten Modelle in einen mobilen und kostengünstigen Food-Scanner umgesetzt.

Aktueller Projektstand

Die definierten Arbeitspakete sind seit Projektbeginn (April 2017) in der Umsetzung. Die Versuchsreihen werden Ende 2017 abgeschlossen. Im Herbst 2018 werden Prognosemodelle zur Haltbarkeit und Qualitätsbestimmung erstellt sowie die Bewertung kommerzieller Food-Scanner beendet sein. Die Bewertung zur Übertragbarkeit der entwickelten Methode auf weitere Lebensmittel wird Anfang 2019 erwartet, sodass das Projekt Ende März 2019 erfolgreich beendet werden kann.

Projektpartner

Der Schwerpunkt der Forschungsarbeiten am Institut für Gartenbau der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf liegt auf der zerstörungsfreien Reife- bzw. Qualitätsbewertung von Tomaten sowie der Haltbarkeitsabschätzung auf Basis der NIR-Spektroskopie. Eine Übertragbarkeit auf weitere Lebensmittel wird dabei von Beginn an berücksichtigt. Am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV) werden die Untersuchungen zum mikrobiologischen Verderb von Hackfleisch durchgeführt sowie eine Korrelation der NIR-Spektren mit den produktrelevanten Qualitätsparametern (z.B. mikrobiologische Belastung, Brix-Gehalt, Aroma) erstellt. Darüber hinaus sind Feldtests zur Systemvalidierung vorgesehen. Das Fraunhofer IVV unterstützt die Hochschule Weihenstephan-Triesdorf bei der Analytik von qualitätsbestimmenden Aromastoffen. Am Technologie Campus Grafenau (TCG) der Technischen Hochschule Deggendorf erfolgt die Analyse der Messdaten und die Entwicklung der Algorithmen zur Mustererkennung, um mit Hilfe von NIR-Spektren auf die Qualität der untersuchten Lebensmittel und damit auch auf die verbleibende Haltbarkeit schließen zu können. Das Kompetenzzentrum für Ernährung (KErn) übernimmt sämtliche öffentlichkeitswirksamen Maßnahmen inklusive die Durchführung einer Verbraucherbefragung zur Anwendung und Nutzen des Messsystems. Die Erstellung von Zwischen- und Endberichten sowie Organisation von Symposien und die Einbindung des Projekts auf Fachtagungen obliegen ebenfalls dem KErn.

Publikationen

Goisser, S.; Mempel, H.; Bitsch, V. (2020): Food-Scanners as a Radical Innovation in German Fresh Produce Supply Chains. International Journal on Food System Dynamics 11 (2), S.101-116.
Abstract | Volltext

Originally advertised as tools for end-consumers, portable food-scanners have recently reached a high level of awareness and show potential as instruments for quality assessment along fruit and vegetable supply c hains. The current study explores preferences and concerns of chain actors regarding the implementation of this technology through semi-structured interviews. Results indicate that food-scanners could facilitate quality control at different levels of the fresh produce supply chain by providing fast, non-destructive and objective measurements. Concerns about the application of food-scanners could be identified with respect to potential additional requirements of fruit wholesaler resulting in more pressure on producers. To further a goal-oriented and user-directed development of this new technology, future research should be directed at its impacts on perception of fruit quality along the chain as well as end-consumers’ readiness to use these devices in everyday life.

Goisser, S.; Mempel, H.; Bitsch, V. (2019): Potential Application of Food-Scanners in Fruit and Vegetable Supply Chains and Possible Consequences for the German Market. Proceedings in System Dynamics and Innovation in Food Networks 2019, S.173-181.
Abstract | Volltext

Originally advertised as tools for end-consumers, food-scanners have recently gained publicity and show potential as instruments for quality assessment along the fruit and vegetable supply chain. The current study explores preferences and concerns of chain actors regarding the implementation of this technology through semi-structured interviews. Results indicate that food-scanners could facilitate quality control at different levels of the fresh produce supply chain by providing fast, non-destructive and objective measurements. Concerns about the application of food-scanners could be identified with respect to potential additional requirements of trading companies resulting in more pressure on producers. The use of food-scanners by end-consumers is discussed critically. To further a goal-oriented and user-directed development of this new technology, future research should be directed at its impacts on perception of fruit quality along the chain as well as end-consumers’ readiness to use these devices in everyday life.

Goisser, S.; Krause, J.; Fernandes, M.; Mempel, H. (2019): Determination of tomato quality attributes using portable NIR-sensors. 4th International Conference on Optical Characterization of Materials (OCM), March 13th - 14th, 2019, Karlsruhe, Germany, S.1-12.
Abstract | Volltext

Each material has its own specific spectral signature independent if it is food, plastics, or minerals. During the conference we will discuss new trends and developments in material characterization. You also will be informed about latest highlights to identify spectral footprints and their realizations in industry.

Goisser, S.; Fernandes, M.; Ulrichs, C.; Mempel, H. (2018): Non-destructive measurement method for a fast quality evaluation of fruit and vegetables by using food-scanner. DGG-Proceedings 8 (13), S.1-5.
Volltext

Goisser, S.; Fernandes, M.; Mempel, H. (2018): Zerstörungsfreie Messmethode zur schnellen Qualitätsbewertung und Haltbarkeitsabschätzung von Lebensmitteln mit Hilfe von Food Scannern. Tagung der Deutschen Gartenbauwissenschaftlichen Gesellschaft. BHGL-Schriftenreihe 33, S.34.

Vorträge

Goisser, S. (2019): Der Einsatz von Food-Scannern zu zerstörungsfreien Qualitätsmessung. Vortrag bei einer Weiterbildung für Erwerbsgärtner zum Thema "Neueste Entwicklungen im Unterglas-Gemüsebau" am 20.11.2019 an der Bayerischen Landesanstalt für Weinbau und Gartenbau (LWG) in Bamberg.

Goisser, S.; Mempel, H. (2019): Mobile Nahinfrarottechnik im Post-Harvest-Management. Vortrag im Forum "Auf einer Wellenlänge" des Forschungsprojekts "Food-Scanner" am 26.10.2019 in Freising.

Goisser, S.; Mempel, H. (2019): Können Food-Scanner Lebensmittelverluste reduzieren? "Zu gut für die Tonne" - Themenabend zur Lebensmittelverschwendung am 14.05.2019 in Ansbach.

Goisser, S.; Mempel, H.; Bitsch, V. (2019): Potential applications of food-scanners in fruit and vegetable supply chains and possible consequences for the German market. 13th International European Forum (Igls-Forum) on System Dynamics and Innovation in Food Networks, February 18th - 22nd, 2019, Garmisch-Partenkirchen, Germany.

Goisser, S.; Mempel, H. (2018): Der Einsatz portabler Mini-Sensoren vom Erzeuger bis zum Verbraucher. Deutscher Obst & Gemüsekongress (20.-21.09.2018 Düsseldorf).

Mempel, H.; Goisser, S. (2018): Fruchtqualität auf Knopfdruck – Nachernteverluste im Gartenbau. Vortrag beim 1. Bayerisches Symposium gegen Lebensmittelverschwendung – Du bist, was du aufisst!“ Fachsymposium 2018 .
Volltext

Mempel, H.; Goisser, S. (2018): Qualitätsveränderungen bei pflanzlichen Lebensmitteln. Vortrag beim Fachkongress "Lebensmittel retten 4.0 - Innovative Verfahren zur Reduzierung von Lebensmittelverlusten" am 16.05.2018 im Bayerischen Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten.
Volltext

Goisser, S. (2018): Zerstörungsfreie Messmethode zur schnellen Qualitätsbewertung und Haltbarkeitsabschätzung von Lebensmitteln mit Hilfe von Food-Scannern. analytica (Forum Digitale Transformation), 10.-13. April 2018, München.

Goisser, S. (2018): Zerstörungsfreie Messmethode zur schnellen Qualitätsbewertung und Haltbarkeitsabschätzung von Lebensmitteln mit Hilfe von Food Scannern. 52. DGG & BHGL Jahrestagung in Geisenheim (28.02. - 03.03.2018).

Goisser, S. (2018): Smart Quality Check - Qualitätscheck ganz smart. Fruit Logistica (Future Lab), 07.-09. Februar 2018, Berlin.
Abstract

The use of portable mini-sensors from the producer to the consumer is presented for the destruction-free quality determination. The aim of current work at the HSWT is the development of a fast and non-destructive measuring method for the quality assessment of foodstuffs (eg tomato) using portable food scanners, which work on the basis of near infrared spectroscopy (NIR).

Presseberichte und Medienbeiträge

Goisser, S. (2019): Zerstörungsfreie Qualitätsmessung mit Hilfe von Food-Scannern. Fruchthandel Magazin 103 (05/2019), S.84.

Goisser, S. (2019): Food-Scanner zum Messen der Qualität und Haltbarkeit. Taspo 153 (1), S.9.

Promotionen

Eignung portabler NIR-Sensoren (Foodscanner) zur Bestimmung der Fruchtqualität entlang der gärtnerischen Supply-Chain (Beispiel: Tomate)

Doktorand:	M.Sc. Simon Goisser
Wissenschaftlich betreuende Person HSWT:	Prof. Dr. Heike Mempel
Einrichtungen:	Applied Science Centre Smart Indoor Farming und Fakultät Gartenbau und Lebensmitteltechnologie
Wissenschaftlich betreuende Person (extern)	Humboldt-Universität zu Berlin \| Prof. Dr. Christian Ulrichs
Zeitraum:	01.08.2018 - 31.12.2021