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Lebensmitteltechnologie
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– neue Technologien
verbessern die Kühlkettenlogistik und den
Verbraucherschutz
Judith KREYENSCHMIDT (Bonn)
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>>> Die Qualität, Sicherheit und
Haltbarkeit frischer Lebensmittel
wird durch interne Faktoren des Le­
bensmittels sowie durch die externe
Faktoren während der Lagerung
und des Transports beeinflusst. Zu
den internen Falktoren zählen u. a.
die Art der Inhaltsstoffe, die Was­
seraktivität und der pH-Wert. Die
externen Faktoren werden durch
die Lagerbedingungen, wie z. B.
relative Feuchte und Gasatmosphäre,
charakterisiert. Insbesondere der
Temperatur kommt dabei eine wich­
tige Rolle zu.
Abweichungen von der idealen Lagertemperatur bzw. wechselnde Temperaturbedingungen beeinflussen die Qualität eines Lebensmittels unmittelbar
und führen zum vorzeitigen Verderb der
Ware. Abbildung 1 zeigt die Auswirkung
unterschiedlicher Lagertemperaturen auf
die Haltbarkeit von Frischfleisch.
Für den Verbraucher sind diese Abweichungen normalerweise nicht unmittelbar erkennbar. Er verlässt sich beim
Kauf der Ware in der Regel auf das Mindesthaltbarkeitsdatum. Dies sagt jedoch
nichts über die eigentliche Frische des Lebensmittels aus, sondern lediglich etwas
über die geschätzte Mindesthaltbarkeit
bei empfohlenen Lagerungsbedingungen.
Je nach Lagerungsbedingungen kann die
reale Haltbarkeit wesentlich länger, aber
auch wesentlich kürzer sein.
Aber nicht nur für den Verbraucher,
sondern auch für den Produzenten, den
Lieferanten und den Händler ist es vielfach schwierig, schnelle und sichere Entscheidungen über den Zustand der Ware
zu treffen. Beurteilungen der Qualität
Abb. 1
und Sicherheit der Ware sind häufig nur
durch aufwendige Messmethoden möglich. Rückrufaktionen, die Ermittlung der
Ursachen und die Beurteilung der Gefahren sind nicht selten mit erheblichen
Schwierigkeiten sowie Zeit- und Kostenaufwand verbunden.
Für ein wirksames Supply-Chain-Management bedarf es daher innovativer
Hilfsmittel und Technologien, die das
Veränderung der Haltbarkeitsdauer (Stunden) von Schweinefleisch in
Abhängigkeit von der Lagertemperatur
Rundschau für Fleischhygiene und Lebensmittelüberwachung 5/2007
173
Lebensmitteltechnologie
Produkt und seine Umgebung von der
Produktion bis zum Endverbraucher
begleiten, um Aufschluss über Historie,
Qualität und Sicherheit zu erhalten. Dazu
diskutiert man gegenwärtig die Nutzung
unterschiedlicher „Label“, wie Temperatur-Zeit-Indikatoren (TTIs) oder auch
autarker Mikrosysteme wie „Smart Active Label“, die zusätzliche Informationen
über die Temperaturhistorie liefern. Darüber hinaus ermöglichen diese Label die
Einschätzung des Frischezustandes des
Produktes an unterschiedlichen Punkten
der Supply-Chain. Voraussetzung ist die
Verknüpfung beider Systeme (Lebensmittel-Label) über Modelle zur Berechnung des Frischeverlustes. Im Folgenden
werden zunächst die Prinzipien von Temperatur-Zeit-Indikatoren sowie von Smart
Active Labeln vorgestellt. Anschließend
wird gezeigt, wie diese Systeme zur produktbegleitenden Kontrolle von Lebensmittel genutzt werden können.
Temperatur-Zeit-Indikatoren (TTIs)
Temperatur-Zeit-Indikatoren sind kleine Etiketten, die Rückschlüsse auf die
Temperaturbedingungen erlauben, bei
denen ein Produkt gelagert wurde. Das
Prinzip dieser Indikatoren beruht dabei
auf temperatur- und zeitabhängigen physikalischen, chemischen, mikrobiologischen oder enzymatischen Reaktionen.
Der Einfluss von Temperatur und Zeit
auf die jeweilige Reaktion wird in Form
Kühlung
einer mechanischen Deformation, einer
Farbveränderung oder auch einer Farbentwicklung sichtbar. So bewirken hohe
Temperaturen schnelle Farbveränderungen, niedrige Temperaturen dagegen
entsprechend langsamere Veränderungen
(LABUZA, 2000; TSOKA et al., 1998;
TAOUKIS, 2001).
In der Literatur finden sich mehrere
Ansätze, um die auf recht unterschiedlichen Prinzipien basierenden Temperatur-Zeit-Indikatoren zu klassifizieren
und zu definieren. Ein gängiges Schema
zur Klassifizierung von TTIs basiert auf
bestimmten Indikator-Reaktionen und
ihrer Abhängigkeit bzw. Unabhängigkeit
gegenüber einer Schwellentemperatur
(WELLS und SINGH, 1988).
Demnach werden zwei Systeme klassifiziert:
• „ Partial-History-Indikatorsysteme“:
Systeme, die erst dann eine Reaktion
zeigen, wenn eine definierte Temperaturschwelle überschritten wird.
• „Full-History-Indikatorsysteme“: Diese
Indikatoren reagieren kontinuierlich auf
Umweltbedingungen und sind ein Spiegelbild der gesamten Temperatur-ZeitHistorie. Das Verhalten ist unabhängig
von einer Schwellentemperatur.
meldet worden. Trotz der Vielzahl an TTIPatenten wurde jedoch nur eine geringe
Anzahl von Prototypen zur Praxisreife
entwickelt: Onvu (Freshpoint), Monitor
Mark® (3M); Fresh Check (TempTIME),
Check Point (Vitsab) (Abb. 2).
Wichtige Voraussetzungen für die Praxistauglichkeit sind u. a. eine einfache
Handhabung des Indikators (Ablesbarkeit, Aktivierung, Lagerung) und eine hohe Zuverlässigkeit. Weiterhin dürfen die
verwendeten Substanzen keine toxische
Wirkung aufweisen. Darüber hinaus sollte der Indikator von externen Faktoren,
wie z. B. Luftfeuchtigkeit, Licht u. ä.
unbeeinflusst bleiben. Schließlich muss
die temperatur- und zeitabhängige Reaktion des Indikators visualisierbar sein
(BENGTSSON und BLIXT, 1996; RIVA
et al., 2001; TAOUKIS, 2001, KREYENSCHMIDT, 2003).
Bisher werden TTIs u. a. in den USA
(Trader Joes) und in Frankreich (Monoprix) für die produktbegleitende Kontrolle von unterschiedlichen Lebensmitteln eingesetzt. Die WHO nutzt die Labels zur Überwachung der Kühlkette bei
Impfstofftransporten.
Die Entwicklung des ersten TTIs geht bereits auf das Jahr 1932 zurück. Seitdem
sind in diesem Bereich Hunderte von
internationalen und US-Patenten ange-
Vereinfacht dargestellt handelt es sich um
ein autarkes Mikrosystem, das aus einem
Mikrosensor zur Datenspeicherung, einer
Signalverarbeitungskomponente und aus
Abb. 2 Unterschiedliche Temperatur-Zeit-Indikatoren
174
Rundschau für Fleischhygiene und Lebensmittelüberwachung 5/2007
Autarke Mikrosysteme: „Smart
Label“ bzw. „Smart Aktive Label“
Abb. 3
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keit eröffnet, die Funktion des „Smart
Labels“ zu erweitern, indem zusätzliche
Sensoren zur Überwachung der Umweltbedingungen auf dem Inlay aufgebracht
werden. Bei diesen so genannten „Smart
Active Labels“ handelt es sich um semiaktive Transponder. Dabei werden Mikrochip und Speicher von einer eigenen
Stromquelle versorgt, die Leistung zur
Datenübertragung wird jedoch aus dem
Sendefeld übernommen.
Je nach Anwendungsgebiet ist es möglich, unterschiedliche Sensoren in den
„Tag“ zu integrieren. Zur Überwachung
der Temperaturhistorie eines Produktes
werden diese Label mit Temperatursensoren ausgestattet. Diese intelligenten
Etiketten lassen sich so programmieren,
dass eine Temperaturaufzeichnung jeweils dann erfolgt, wenn ein kritischer
Punkt überschritten oder unterschritten
wird. Es ist ebenfalls möglich, eine kontinuierliche Temperaturmessung in vom
Benutzer vorgegebenen, definierten Zeitintervallen durchzuführen. Im Gegensatz zu Temperatur-Zeit-Indikatoren, bei
denen die Temperaturhistorie über Farbveränderungen angezeigt wird, werden
die Daten bei diesem System im digitalen
Format angezeigt.
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Lebensmitteltechnologie
Abb. 3 Erstellung eines Modells zur Beschreibung des Frischeverlustes
Elementen zur Energieversorgung besteht. Charakteristisch ist die drahtlose
Datenübertragung vom Sensor auf die
Verarbeitungskomponente und das Aufnehmen und Verarbeiten von mehreren
Sensoren (FISCHER und WOLF, 2000).
Für die drahtlose Datenkommunikation
von autarken Mikrosystemen kommen
grundsätzlich alle Arten standardisierter
Funktechniken (Bluetooth, GSM, UMTS,
usw.), optische Verfahren (z.B. Infrarot,
Laser), Ultraschall oder elektromagnetisch Verfahren, wie z.B. RFIDs („Radio
Frequency Identification“), in Frage.
Auch in der Lebensmittelindustrie
hat sich insbesondere der Einsatz autarker Mikrosysteme auf Basis von RFIDs
durchgesetzt. Die „RFID-Technologie“
erlaubt eine einfache, flexible und zuverlässige Identifikation sowie die Verfolgung und Steuerung einer Vielzahl von
Objekten auf elektronischem Wege. Das
System setzt sich aus einem Lesegerät,
einer Schreibeinheit und einem „Tag“ zusammen. Der „RFID-Tag“ (Transponder)
besteht aus einem Chip mit integriertem,
einfachem Prozessor, einer Antenne und
dem zugehörigen Speichermedium, welches i. d. R. eine Speicherkapazität zwischen 64 Bytes und mehreren KB besitzt.
Es wird nach aktiven und passiven Transpondern unterschieden, welche sich in
der Form der Energieversorgung des Mikrochips unterscheiden. Daraus resultieren Unterschiede u. a. in der Lesereichweite, im Preis und der Lebensdauer. Bei
der Anwendung von RFIDs werden Frequenzbänder zwischen 30 KHz bis 5,8
GHz genutzt. Die Entfernung, über die
ein „Tag“ gelesen werden kann, hängt
u. a. auch von dem gewählten Frequenzbereich ab (FINKENZELLER, 2000;
Commission für Communications Regulations, 2004; BOXALL, 2000).
„RFID-Tags“, die auf einer Frequenz
von 13,56 MHz arbeiten und gleichzeitig als Etikett verwendet werden können,
werden als „Smart Label“ bezeichnet.
Bei den „Smart Labels“ wird der gesamte
Transponder inklusive Antenne auf eine
Folie (Inlay) aufgebracht, somit ist der
„Tag“ durch eine äußerst geringe Dicke
gekennzeichnet. Diese flache Bauweise
ermöglicht es, dass die Folie zwischen bedruckbaren Papierschichten einlaminiert
und somit als Etikett verwendet werden
kann (JANSEN und HARMS, 2004).
Durch das Aufbringen des Transponders auf ein Inlay bzw. durch die Integration in ein Etikett wird die Möglich-
Einsatz von Temperatur-ZeitIndikatoren und Smart Aktive
Label zur Bestimmung des
Frischeverlustes
Der integrierte Einsatz von TTIs oder
Smart Aktive Labels mit Temperatursensoren erleichtert allen Beteiligten der
Supply-Chain die Überprüfung der korrekten Handhabung des Produktes bzgl.
der Lagerungs- und Transporttemperatur.
Darüber hinaus ermöglichen diese
Systeme die Frische des Lebensmittels
an jedem Punkt der Wertschöpfungskette
zu bestimmen und die noch verbleibende
Haltbarkeit für bestimmte Umgebungsbedingungen abzuschätzen. Voraussetzung: Die Systeme müssen mit Modellen
des Frischeverlusts des entsprechenden
Lebensmittels korrelieren, d. h. zunächst
muss der Frischeverlust bzw. das kinetische Verhalten des Lebensmittels, dem
die Systeme beigefügt sind, untersucht
werden.
Dabei ist zu klären, welche Parameter
für die Charakterisierung des Frischeverlustes geeignet sind. Beim Frischfleisch
beispielsweise ist es in erster Linie das
Wachstum produktspezifischer Keime
durch die sich der Frischeverlust darstellen lässt. Die Entwicklung des Qualitätsparameters gilt es über die Zeit zu
analysieren und dessen Verlauf anschließend mit Modellen der primären Ebene
zu beschreiben. Der Verlauf produktspe-
Rundschau für Fleischhygiene und Lebensmittelüberwachung 5/2007
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Lebensmitteltechnologie
zifischer Bakterien wird i. d. R. über das
Gompertz-Model oder der Logistische
Wachstumsfunktion beschrieben (Abb.
3). Das Verhalten sensorischer Parameter
kann häufig durch einen linearen Verlauf
dargestellt werden.
Anschließend wird der Einfluss der
Temperatur auf den Verlauf des produktspezifischen Parameters untersucht, d. h.
es müssen Zeitreihenmessungen durchgeführt werden, in denen das Verhalten
der Qualitätsparameter bei verschieden
Temperaturen während der einzelnen
Frischestadien untersucht und analysiert
bzw. modelliert wird. Die Temperaturabhängigkeit dieses Verlaufes wird mit Modellen der sekundären Ebene beschrieben.
Am häufigsten ist in der Literatur
die Berechnung des Einflusses der Temperatur durch das Arrhenius-Modell genannt. Dieses Modell ist ursprünglich
zur Beschreibung der Abhängigkeit von
Reaktionsgeschwindigkeiten chemischer
Prozesse von der Temperatur entwickelt
worden. Ausgedrückt wird die lineare
Beziehung durch das Auftragen der logarithmischen Geschwindigkeitskonstante
gegen die Reziprokwerte der absoluten
Temperatur. Aus dem so genannten Ar-
Kühlung
rhenius-Plot errechnet sich die Aktivierungsenergie. Über diese Kenngrößen
lässt sich eine Einschätzung der Temperaturabhängigkeit des Frischeverlustes
vornehmen bzw. die Haltbarkeit eines
Lebensmittels berechnen (LABUZA und
FU, 1995; WHITING, 1995).
Beim Einsatz von Temperatur-Zeit-Indikatoren zur Frischeüberwachung von
Lebensmitteln muss die Größe der Aktivierungsenergie des Indikators, die vom
Herstellen angegeben wird, auf die des
Lebensmittels abgestimmt werden. Ein
Indikator ist nach diesem Modell für die
Qualitätsüberwachung eines Lebensmittels geeignet, wenn beide, In ikator und
Lebensmittel, nahezu die gleiche Aktivierungsenergie besitzen (KOUTSOUMANIS et al., 2000; TAOUKIS, 2001).
Auf der dritten Modellebene erfolgt
die Programmierung der primären und
sekundären Modelle zu einer bedienerfreundlichen Software. Die Software
erst versetzt den Nutzer des Modells in
die Lage, beispielsweise das Wachstum
ausgewählter Bakterien bzw. die Resthaltbarkeit eines Lebensmittels unter bestimmten Temperaturbedingungen vorherzusagen (WHITING et al., 1995).
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Rundschau für Fleischhygiene und Lebensmittelüberwachung 5/2007
Über die erstellten Modelle lassen sich
somit die beiden zunächst unabhängigen
Systeme (Lebensmittel-TTI, Smart ­Active
Label) miteinander verknüpfen. n
Literatur bei der Verfasserin
Dr. Judith Kreyenschmidt
Institut für Tierwissenschaften
Katzenburgweg 7–9
53115 Bonn
Smart Labels –
Ein Ausblick
Der Einsatz der vorgestellten
„Label“ in Verbindung mit
Modellen zur Berechnung des Frischeverlustes kann allen Beteiligten
der „Supply Chain“ zusätzliche
Informationen über die Frische
eines Lebensmittels sowie über die
Lagerungsbedingungen liefern.
Das ermöglicht den Lieferanten,
den jeweiligen Kunden die bis zur
Übergabe korrekte Handhabung
des angelieferten Produkts
bezüglich der Lagerungs- und
Transporttemperatur auf eine einfache und preisgünstige Methode
nachzuweisen. Gleichzeitig erhält
man in der Wareneingangskontrolle
ergänzende Informationen, um
Frische und Qualität bzw. die noch
verbleibende Haltbarkeit der
angelieferten Ware zu beurteilen.
Durch eine schnelle und sichere
Einschätzung der Produktqualität
an jedem Punkt der Wertschöpfungskette – also produkt- und
prozessbegleitend – wird Produzenten, Lieferanten und Händlern
die Möglichkeit gegeben, im Falle
von Qualitätsmängeln direkt zu
reagieren. Dadurch ließe sich auch
das FIFO-Prinzip (First In, First
Out) der Lagerhaltung durch das
LSFO-Prinzip (Least Shelf Life,
First out) ablösen. Im Bereich der
Warenwirtschaftsysteme
lassen sich durch den Einsatz von
„Smart Labels“ die Warenströme
und der Informationsfluss optimieren, die Kosten senken und die
Rückverfolgbarkeit deutlich verbessern. Der Einsatz von TTIs kann eine
wertvolle Hilfe für den Verbraucher
darstellen, um den Frischezustand
des Produktes zu beurteilen.
Die Lebensmittelsicherheit kann
deutlich erhöht und die Zahl der
Lebensmittelinfektionen und
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