Lebensmittelverschwendung vermeiden durch Sensortechnik Intelligente Vorratsboxen sollen erste Anzeichen von Schimmel erschnuppern

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Mindesthaltbarkeitsdatum abgelaufen – und ab in den Müll. Dies passiert trotz diverser Aufklärungskampagnen immer noch viel zu oft. Neues Futter gegen Lebensmittelverschwendung will ein internationales Forscherteam bringen. Es entwickelt Sensortechnik für Vorratsboxen, die anzeigen sollen, ob ein Lebensmittel noch genießbar ist oder nicht.

Ist die Suppe vom Wochenende noch gut? Wie steht´s um den Schinken mit dem abgelaufenen Haltbarkeitsdatum? Und die Himbeeren: schon versteckter Schimmel oder noch ok? Solche Fragen stellen sich millionenfach in Küchen rund um den Globus. Um das Risiko unangenehmer Folgen zu umgehen, entsorgen Verbraucher tonnenweise Lebensmittel vorsorglich in den Müll. Ähnlich ist es in Supermärkten – auch hier werden etwa Obst und Gemüse meist ohne nähere Inspektion einfach anhand von Mindesthaltbarkeitsdaten entsorgt. Um solche Lebensmittelverschwendung zu reduzieren, arbeitet ein europaweit vernetztes Forscherteam an einem speziellen Analytiksystem.

„Wir entwickeln praxistaugliche Verfahren, um die Qualität von Lebensmitteln zu überwachen. Konkret sind dies ein intelligenter Vorratsbehälter, der seinen Inhalt kontrolliert, und ein Messgerät für Supermärkte: Allein dadurch, dass es über die Kisten gehalten wird, soll es genau angeben, wie lange unverpacktes Obst und Gemüse noch frisch sind“, erklärt der Messtechniker Professor Andreas Schütze von der Universität des Saarlandes. Dies würde helfen, dass weniger Nahrungsmittel im Müll landen: Gibt die Vorratsdose grünes Licht für das Aufbewahrte, kann es noch bedenkenlos verzehrt werden. Im Supermarkt wird der Verkauf besser planbar und Salat oder Beeren können etwa noch zum Aktionspreis verkauft werden, bevor sie verderben.

Genießbarkeit per App berechnen

Ein echtes Haltbarkeitsdatum für Lebensmittel?

Den Sensoren das Riechen lehren

Fachleute verschiedener Disziplinen aus Wissenschaft und Industrie arbeiten zusammen an diesem Vorhaben. Zehn Partnerinstitutionen aus Belgien, Deutschland, Italien und Spanien wirken am Projekt namens „Serenade“ mit: die Universitäten Padova, Zaragoza, Leuven und des Saarlandes, das belgische Forschungsinstitut Vito und fünf Unternehmen. Sie entwickeln die smarten Hilfsmittel vom empfindlichen Sensorsystem bis hin zu den nachhaltigen und spülmaschinengeeigneten Materialien.

Die Aufgabe des Saarbrücker Teams um Schütze und den promovierten Ingenieur Christian Bur ist das Gassensorsystem und die dazu gehörende künstliche Intelligenz. Die Forscher von der Universität des Saarlandes sind Spezialisten, wenn es darum geht, der Technik einen äußerst feinen Geruchssinn zu verleihen und ihr beizubringen, aus dem Erschnupperten Schlussfolgerungen zu ziehen. Schon seit Längerem forschen sie daran, Reife und Verderb mit intelligenten Sensorsystemen zu erkennen.

Gas- und Geruchssensoren verbessern

Elektronische Nasen für besseres Plastik-Recycling

Hochempfindliche elektrische Riecher

Altern Nahrungsmittel, verändern sie bekanntermaßen neben Aussehen und Geschmack vor allem ihren Geruch. Nicht umsonst riechen wir instinktiv an Essen, dem wir nicht trauen. Riecht etwas süßlich oder gar erdig, vergeht schnell der Appetit. Der Geruch hängt mit dem Werk von Mikroorganismen wie Bakterien, Hefen oder Schimmelpilzen zusammen, die organische Substanzen zersetzen und abbauen. Es fault und gärt, wird sauer oder ranzig. All dies bleibt für die Umgebung nicht folgenlos: Flüchtige Moleküle geraten in die Luft – wie Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Ethen oder Essigsäure – am Anfang vereinzelt, im Verlauf mehr und mehr.

Menschliche Nasen können dies dank Millionen von Riechzellen wittern: Wenn solche Geruchsmoleküle sich an ihnen anlagern, senden die Riechzellen diese Information zum Gehirn. Die künstlichen Sinnesorgane der Saarbrücker Forscher erkennen bereits einzelne Moleküle unter Milliarden Luftmolekülen: Sie fischen aus einem ganzen Universum an nebensächlichen Luftmolekülen und Gasteilchen die heraus, auf die es ankommt. Dabei erschnuppern sie sogar mehr als menschliche Nasen. „Unsere Sensoren erfassen auch Komponenten wie Ethen oder Kohlenstoffdioxid, die Menschen nicht riechen können“, erklärt Schütze. Das Sensorsystem ermittelt, worum es sich bei den Molekülen handelt und in welcher Konzentration. Dafür sammeln die Sensoren über einen bestimmten Zeitraum die Moleküle und messen anschließend deren Menge. „Zum Einsatz kommen hierfür Halbleitergassensoren auf Metalloxid-Basis, die Industriepartner im Projekt auch weiterentwickeln. Wir erarbeiten auf dieser Basis das Sensorsystem. Im Laufe zahlreicher Forschungsprojekte haben wir die Systeme und ihre Signalauswertung immer weiter verfeinert“, erläutert Schütze.

Elektrische Nase bewertet Schimmelgeruch in Relation zum Gesamtduft

Mit der elektrischen Nase wird es möglich, den Verlauf des Verderbs kenntlich zu machen – von den ersten Anzeichen noch unproblematischer Reifeprozesse der Früchte selbst bis zu dem Punkt, an dem die Zusammensetzung der gesammelten Teilchen signalisiert, dass man das Lebensmittel nicht mehr essen sollte. „Wir messen nicht einfach nur eine Konzentration der einzelnen Substanzen, sondern vielmehr ihr Konzentrationsverhältnis in der Luft. Das macht einen großen Unterschied, denn damit funktionieren die Messgeräte unabhängig von der Menge der Geruchsmoleküle. Auch bei größerem Abstand zum Obst und Gemüse messen sie dadurch zuverlässig“, erklärt Messtechniker Schütze.

„Gerüche hinterlassen in der Luft eine Art persönlichen Fingerabdruck, der sich aus verschiedenen Konzentrationen verschiedener Stoffe zusammensetzt“, sagt Ingenueur Bur. „An den individuellen Geruchs-Abdrücken, so genannten Smellprints, wollen wir den jeweiligen Zustand der Lebensmittel ablesen. Hierfür ordnen wir die einzelnen Smellprints den verschiedenen Zuständen zu.“ Die Forscher bringen der Technik auf diese Weise bei, den Zustand der Lebensmittel zu bewerten und ihren Verfall mittels künstlicher Intelligenz vorherzusagen. Ein „technisches Gehirn“ wertet dabei alles aus, ordnet das von den Sensoren Erschnupperte ein, zieht passende Schlussfolgerungen und veranlasst entsprechende Aktionen – also zum Beispiel, die Information „noch fünf Tage frisch“ auf einem Display anzuzeigen. „Hierzu kombinieren wir die Mikrosensoren mit Mikroelektronik und analytischen Komponenten sowie Methoden des maschinellen Lernens“, erläutert Bur.

Theoretische Forschung und Industriepraxis Hand in Hand

Die Forschungspartner arbeiten gemeinsam an den verschiedenen Gewerken, die notwendig sind, damit am Ende des Projekts Vorratsbehälter und Messgeräte serienreif sind. „Das reicht von der Bewertung des Lebensmittelverfalls und seiner Vorhersage mit künstlicher Intelligenz über Design und Installation neuartiger miniaturisierter Gaschromatographen, die der Sensortechnik vorgeschaltet werden, um die Luftgemische aufzutrennen, bis hin zu den verwendeten alltagstauglichen Materialien“, schildert Bur. Hieran arbeiten gezielt auch Nachwuchsforscher mit. „Die Aufgabenstellung ist international und fachübergreifend – ideal für interessante Doktorarbeiten. Wir bilden im Netzwerk Doktorandinnen und Doktoranden an der zukunftsträchtigen Schnittstelle von Lebensmitteln, Sensoren und Werkstofftechnologien aus, die teils an der Universität und teils in der Industriepraxis forschen“, erklärt der Messtechnik-Lehrstuhlinhaber Schütze.

Weitere Infos gibt es auf der Projektseite „Serenade“

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