Vorratsboxen sollen Verdorbenes wittern: Mit künstlichen Sinnen gegen Lebensmittelverschwendung

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Frischhalteboxen, die informieren, wie lange ihr Inhalt noch genießbar ist
und handliche Messgeräte, die im Supermarkt der Zukunft voraussagen, bis
wann Obst und Gemüse noch frisch sind: Dies sind konkrete Vorhaben eines
Projektes, bei dem das Forschungsteam der Experten für Sensorsysteme
Andreas Schütze und Christian Bur von der Universität des Saarlandes mit
europäischen Partnern aus Wissenschaft und Industrie zusammenarbeitet.
Ziel ist, weniger Lebensmittel zu verschwenden. Auch
Nachwuchsforscherinnen und -forscher arbeiten hieran mit. Die Europäische
Kommission fördert das Projekt im Rahmen des EU-Rahmenprogramms Horizon.

Ist die Suppe vom Wochenende noch gut? Wie steht´s um den Schinken mit dem
abgelaufenen Haltbarkeitsdatum? Und die Himbeeren: verschimmelt oder noch
ok? Solche Fragen stellen sich millionenfach in Küchen rund um den Globus.
Um das Risiko unguter Folgen zu umgehen, wandern tonnenweise Lebensmittel
vorsorglich in den Müll. Ebenso ist es in Supermärkten – auch hier werden
etwa Obst und Gemüse in gewaltigen Mengen entsorgt. Könnte man nur
Expertenrat einholen und die Lebensmittel vor Ort schnell daraufhin prüfen
lassen, wie lange sie tatsächlich noch genießbar sind. – Nicht machbar,
sollte man meinen – aber tatsächlich arbeitet ein europaweites Team daran,
genau so etwas möglich zu machen.

„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,
wird es noch verzehrt. Im Supermarkt wird der Verkauf besser planbar und
Salat oder Beeren können etwa noch zum Aktionspreis verkauft werden, bevor
sie verderben.

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.

Part der Saarbrücker Forscherinnen und Forscher um Andreas Schütze und
Christian Bur, promovierter Ingenieur aus Schützes Team, ist das
Gassensorsystem und die dazu gehörende künstliche Intelligenz: Sie 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. Ein
Vorgängerprojekt hierzu wurde von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt
(DBU) gefördert.

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
der Appetit schnell. 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 Geruchs-Moleküle sich an ihnen anlagern, senden die Riechzellen
diese Information zum Gehirn, damit es beginnt, zu deuten, was es hiermit
auf sich hat. Die künstlichen Sinnesorgane der Saarbrücker Forscherinnen
und Forscher im Team von Andreas Schütze kommen schon einzelnen Molekülen
unter Milliarden Luftmolekülen auf die Spur: 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 Andreas
Schütze. Das Sensorsystem bestimmt, 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 Professor Schütze.

Damit 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 Andreas Schütze.

„Gerüche hinterlassen in der Luft eine Art persönlichen Fingerabdruck, der
sich aus verschiedenen Konzentrationen verschiedener Stoffe
zusammensetzt“, sagt Christian Bur. „An den individuellen Geruchs-
Abdrücken, sogenannten Smellprints, wollen wir den jeweiligen Zustand der
Lebensmittel ablesen. Hierfür ordnen wir die einzelnen Smellprints den
verschiedenen Zuständen zu“, ergänzt der Ingenieurwissenschaftler. Die
Forscherinnen und 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 Christian Bur.

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 Christian Bur. Hieran arbeiten gezielt auch
Nachwuchsforscherinnen und -forscher 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 Professor Andreas Schütze.

Die Forschung wird von der EU in Höhe von insgesamt 1,8 Millionen Euro
gefördert im Rahmen des HORIZON-Programms „Marie Skodowska-Curie Doctoral
Networks“.

Beteiligt am Projekt Serenade sind von deutscher Seite neben dem Team von
Andreas Schütze und Christian Bur an der Universität des Saarlandes das
Unternehmen BOSCH Sensortec GmbH sowie die Saarbrücker 3S GmbH. Aus
Italien sind beteiligt die Universität Padova und das Unternehmen Sirmax
S.p.a., aus Spanien die Universität Zaragoza sowie die Firma BSH
Electrodomésticos España, S.A., in Belgien die Universität Leuven, das
Flemish Institute for Technological Research VITO sowie das Unternehmen
Galloo.
<https://serenade-project.eu>
Sensors and Eco-fRiendly food-grade matErials for a sustaiNable and smArt
fooD storagE and quality monitoring (Serenade)
doi: 10.3030/101072846

Das Vorläuferprojekt SiVERiS „Sichere Vermeidung von Lebensmittelverlusten
durch Erkennung von Reife- und Verderbprozessen mit intelligenten
Sensorsystemen“, kurz SiVERiS, wurde von der Deutschen Bundesstiftung
Umwelt DBU gefördert. In diesem Projekt legte Schützes Lehrstuhl gemeinsam
mit dem Projektpartner 3S GmbH die Grundlagen einer sensorikgestützten
Zustandsbewertung von Lebensmitteln zur Vermeidung von
Lebensmittelverlusten.
Die Saarbrücker 3S GmbH – vor über 15 Jahren aus dem Lehrstuhl von Andreas
Schütze ausgegründet – ist spezialisiert auf die Konzeption und Umsetzung
von Messsystemen im Bereich der Gassensorik und betreut im Projekt
Serenade gemeinsam mit dem Lehrstuhl eine Doktorandin, die die Erweiterung
der Sensorik mit einer gaschromatographischen Trennung erforschen wird, um
verschiedene Substanzen besser voneinander unterscheiden zu können.