Technologie der Zukunft


Tradition und Hightech bei Rohstoffen und Verarbeitungsprozessen: Strategien für eine zukunftsfähige Lebensmitteltechnologie sind vielfältig. Wie sich die Branche in Österreich mit dieser Thematik auseinandersetzt, zeigt dieser Fachbericht.

Henry Jäger, Wolfgang Kneifel*


Unter dem Titel «Zukunftsfähige Lebensmitteltechnologie zwischen Tradition und Hightech» veranstaltete der Verein Österreichischer Lebensmittel- und Biotechnologen (VÖLB) in Zusammenarbeit mit dem Department für Lebensmittelwissenschaften und -technologie der Universität für Bodenkultur (BOKU) ein Symposium. Fachvorträge aus Forschung und Industrie sowie eine angeregte Podiumsdiskussion zur Ausbildung und zu den Anforderungen an die Qualifikation der Lebensmitteltechnologen von morgen verschafften den Teilnehmer aktuelle Einblicke in branchenübergreifende Entwicklungen.

Herausforderungen
Den fachlichen Vortragsteil eröffnete Henry Jäger vom Institut für Lebensmitteltechnologie der BOKU. Er widmete sich der Bedeutung des Schlagwortes Industrie 4.0 für die Lebensmittelindustrie und diskutierte nachfolgend zukünftige Herausforderungen der Lebensmittelherstellung und -versorgung. Industrie 4.0 beschreibt dabei intelligente, vernetzte und hochflexible technische Systeme. Nun mag dieses Konzept insbesondere für den traditionellen Bereich der Lebensmittelverarbeitung noch recht abstrakt erscheinen, jedoch wird auch bei Lebensmitteln die Nachfrage nach einer Individualisierung im Zuge einer personalisierten Ernährung zum Trend und zum Beispiel über Internet-Bestellung massgeschneiderter Produkte, wie Müslimischungen, bereits umgesetzt. Während die Automatisierungssysteme und deren Verknüpfung in anderen Industriebereichen schon sehr weit fortgeschritten sind, hat die Lebensmittelverarbeitung hier noch Aufholbedarf. Als ein wesentliches Werkzeug der Lebensmitteltechnologie wird zukünftig der Einsatz zielgerichteter, flexibler und skalierbarer Technologien realisiert werden müssen, um der Forderung zur nachhaltigen Produktion gesunder und sensorisch ansprechender Produkte weiterhin in verstärktem Masse nachkommen zu können. Als wesentliche Ziele definiert Jäger dabei

  • die Herstellung neuer und verbesserter Produkte unter Berücksichtigung des Spannungsfeldes zwischen Bevölkerungswachstum, Nahrungsmangel und ernährungsbedingten Zivilisationskrankheiten
  • die Weiterentwicklung ressourceneffizienter Herstellungsprozesse unter Berücksichtigung von Wasser-, Energieund Rohstoffverbrauch, dem Anfall von Reststoffen sowie Möglichkeiten der Haltbarkeitsverlängerung
  • die Realisierung abgestimmter und transparenter Herstellungsketten unter Berücksichtigung der Konsumentenansprüche



Das patentierte Prinzip der Vakuumerzeugung in den hygienischen Lebensmittel greifern ermöglicht auch das sichere Handling von geschnittener Ware. Fotonachweis: DIL e.V.

Besonderer Bedeutung kommt laut Jäger dabei dem Aspekt der personalisierten Ernährung zu. Während zurzeit noch generelle Gesundheits- und Ernährungsrichtlinien vorherrschen, wird die Entwicklung hin zu personalisierten Ernährungsempfehlungen gehen. Dabei sind das Messen und Erfassen des Gesundheits- und Leistungsstatus, die Interpretation der Daten und die nachfolgende Kommunikation einer Ernährungsempfehlung wesentliche Schritte, die beispielsweise durch individuelle technische Systeme, wie Smartphones und Apps, unterstützt werden können. Wenngleich die Individualisierung der Ernährung und der Nahrungszubereitung an Bedeutung gewinnt, so kommt laut Jäger der industriellen Lebensmittelherstellung auch in Zukunft eine Schlüsselrolle zu. Jedoch müssen auch hier neue Wege zur Erfüllung oben genannter Ziele gegangen werden.

Verbindung von Natur und Technologie

Neben den Herstellungsprozessen bestimmen Rohstoffe und Zutaten wesentlich die Qualität eines Lebensmittels. Der Verbraucher fordert dabei die Verwendung natürlicher Zutaten unter weitgehendem Verzicht auf Zusatzstoffe, und die Lebensmittelindustrie versucht diesem Trend mit dem sogenannten Clean-Label-Konzept nachzukommen. Eine vielversprechende Möglichkeit stellt in diesem Zusammenhang der Einsatz färbender Lebensmittel in Form von Frucht-, Gemüse- und Pflanzenkonzentraten dar. Zu verfügbaren Produkten und Anwendungsmöglichkeiten sowie zu Entwicklungen in diesem Bereich referierte Marcus Volkert von der Fa. GNT Europa aus Aachen.

«Oft entscheidet der erste Blick – nicht zuletzt auch bei der Wahl des Lebensmittels», so Volkert zur Bedeutung der Farbe von Produkten. Färbende Lebensmittel sind Lebensmittelzutaten, die ausschliesslich aus Früchten, Gemüsen und essbaren Pflanzen mittels nicht selektiver, physikalischer Prozesse hergestellt werden. Um auf die Rohwarenqualität maximalen Einfluss nehmen zu können, setzt der Herstellungsprozess der GNT Gruppe bereits am Anbau des Rohmaterials mit Vertragslandwirten an. Eine hohe Produktqualität bezüglich Stabilität und Funktionalität der gewonnenen Konzentrate für eine Vielzahl von Applikationsfeldern verbunden mit einem ressourcen effizienten Herstellungsprozess und dem entsprechenden Innovationspotential zur Weiterentwicklung dieser Kriterien sind laut Volkert Gründe für die Position der Firma GNT als Marktführer.

Orangefarbene oder schwarze Karotten, roter Rettich, Süsskartoffeln oder Paprika stellen nur eine kleine, beliebte Auswahl aus den vielen von Natur aus pigmentreichen pflanzlichen Rohstoffen dar. GNT kann dank gezielter Mischungen inzwischen eine Farbpalette mit mehreren hundert Nuancen anbieten. Egal, ob reine Gelb-, Rot- und Blautöne oder Mischfarben wie Violett, Grün oder Braun. Volkert weist auf die Ende November 2013 von der Europäischen Kommission verabschiedeten Leitlinien zur Abgrenzung färbender Lebensmittel von Farbstoffen hin. In einem dreistufigen Entscheidungsbaum werden dabei folgende Punkte abgefragt: die vorrangige Zweckbestimmung (färbende Hauptwirkung vs. aromatisierende oder ernährungsphysiologische Eigenschaften)

  • ist das Ausgangsmaterial ein in der EU bekanntes Lebensmittel oder eine charakteristische Lebensmittelzutat
  • die Anreicherung bzw. selektive Extraktion (Verhältnis von Pigment zu nutritiven und aromatischen Bestandteilen des zu beurteilenden Produktes im Vergleich zum Ausgangsmaterial)

Transparenz für alle Beteiligten und mehr Rechtssicherheit bei der Abgrenzung zwischen färbenden Lebensmitteln und Farbstoffen sind das Ergebnis dieser Regelung, die Volkert positiv hervorhebt.

Messtechnik für gleichbleibende Produktqualität
Die Farbe ist ohne Frage eine wesentliche Produkteigenschaft, die der Konsument unmittelbar wahrnimmt und Farbabweichungen sensibel erkennt. Die Objektivierung und Quantifizierung dieses Sinneseindrucks ist unter anderem eine messtechnische Aufgabe. Einblicke in neueste Entwicklungen zerstörungsfreier Messverfahren lieferte der Vortrag von Robert Holzer von der Recendt GmbH aus Linz. Die Materialcharakterisierung nimmt in der Lebensmitteltechnologie zur Überwachung von Rohwaren- und Endproduktqualität in der Wareneingangs- und Ausgangskontrolle sowie zum Monitoring von Verarbeitungsprozessen in der Prozesskontrolle einen grossen Stellenwert ein. Anforderungen an die Messverfahren umfassen meist den Inline- Einsatz, keine oder eine geringe Probenvorbereitung, ein zerstörungsfreies Messprinzip sowie eine möglichst schnelle Messung. Dafür steht eine Reihe von Verfahren zur Verfügung, die ein unterschiedliches Mass an Praxistauglichkeit und Einsatzmöglichkeiten im Lebensmittelbereich mitbringen. Bekannt und weit verbreitet ist unter anderem die Infrarot Spektroskopie als Messmethode zur Inline-Prozesskontrolle und Qualitätssicherung, zum Beispiel zum Nachweis und der Quantifizierung verschiedener Inhaltsstoffe und Qualitätsparameter. Dies reicht von der Bestimmung des Fettgehaltes einer Nussfülle oder des Eiweissgehaltes in Hefeteigmehl im Backwarenbereich bis hin zur Zuckerbestimmung in Mischgetränken, wobei eine Messung sowohl im trockenen als auch wässrigen Zustand möglich ist.


Überwachung eines Coatingprozesses mittels Optischer Kohärenztomographie.

Optische Kohärenztomographie
Als besonders interessant bei den von Holzer vorgestellten Verfahren erweist sich die Optische Kohärenztomographie (OCT). Es handelt sich dabei um ein bildgebendes Verfahren, welches die zerstörungsfreie Charakterisierung der inneren Strukturen von optisch teiltransparenten Objekten im Submikrometer-Massstab ermöglicht. Schaum- oder Faserstrukturen, die Dicke oder Homogenität von Zuckerschichten oder auch dynamische Prozesse wie die Rehydratation von Milchpulverpartikeln werden so sichtbar. «Das Potenzial dieser Verfahren für die Anwendung im Lebensmittelbereich ist da bei Weitem noch nicht ausgeschöpft», erklärt Holzer. Die Prüfung von Mehrschichtfolien, die Beobachtung dynamischer Prozesse (z.B. Hydratation oder Fliessverhalten) oder die Mikrostrukturanalyse von Lebensmitteln hält beispielsweise für bildgebende Verfahren noch ein riesiges Anwendungspotenzial bereit. Für die Kontrolle der Güte von Mischprozessen sowie der Homogenität von Produkten, für die Fremdkörperdetektion oder die Detektion von Keksbruch in geschlossenen Verpackungen weisen unterschiedliche spektroskopische Verfahren (bei Wellenlängen bis in den Terahertzbereich) zukünftig noch viele Möglichkeiten auf. Ein wesentliches Ziel der Anwendung von Messverfahren ist dabei die Verringerung der Prozess- und Produktvariabilität durch Überwachung von Materialkennwerten und durch das Verstehen, Modellieren und Überwachen von Prozessen für eine gleichbleibende Produktqualität.

Automatisierte Verarbeitung mittels Robotik

Der Erhalt der Produktqualität und die Verbesserung der Prozesseffizienz waren auch Kernpunkte im Vortrag von Bernhard Hukelmann vom Deutschen Institut für Lebensmitteltechnik e.V. (DIL) in Quakenbrück. Hukelmann widmete sich der automatisierten Verarbeitung von Lebensmitteln mittels Robotern insbesondere am Ende des Herstellungsprozesses (end-ofline). Als besondere Herausforderung stellt sich die robotergestützte Verarbeitung direkt am unverpackten Lebensmittel heraus, wobei komplexere Aufgabenstellungen, wie das Verformen von weichen Produkten zur Anpassung an Verpackungsabmessungen oder der Schutz vor Kontamination zu bewältigen sind. Ganz typisch für das end-of-line-processing (EOLP) und gleichzeitig eine bedeutsame Herausforderung für die Automatisierung dieser Prozesse ist das breite und relativ häufig wechselnde Produktspektrum, welches mit der gleichen Roboterlösung auf ein und derselben Linie verarbeitet werden soll.

Umwelt als Faktoren

Dabei muss zukünftig auch sichergestellt werden, dass für den Wechsel von Aufgabenstellungen kein vollständig neues Programmieren des Roboters erforderlich ist. Zudem spielen auch Umweltfaktoren eine Rolle bei der Umsetzung in roboterbasierte automatische Prozesse. Die entsprechenden Lösungen müssen häufig mit beengten Platzverhältnissen, grossen klimatischen Unterschieden und wechselnden Beleuchtungsverhältnissen zu rechtkommen. Derartige Anforderungen stellen in der Regel zusätzliche Hürden für eine Automatisierung dar. Unter Berücksichtigung des aktuellen Standes der Robotertechnologie und der dazugehörigen Peripherie sind laut Hukelmann drei Herausforderungen für eine weitgehende und flexible Automatisierung des EOLP mittels Roboter anzugehen:

  • Umsetzung als komplett reinigbares Gesamtsystem (Hygienic Design)
  • Einsatz von lebensmittelgeeigneter Greiftechnik
  • Integration geeigneter Sensortechnik wie z.B. taktile, akustische und/oder bildgebende/-verarbeitende Technologien einschl. Rückkopplung

Intelligente Bildverarbeitung und Sensortechnik
Die von Hukelmann und seinen Kolleginnen und Kollegen am Deutschen Institut für Lebensmitteltechnik entwickelten HDGreifer (HD steht für Hygienic Design) erfüllen diese Anforderungen in hervorragender Weise. Für die Handhabung der Produkte ist ein kleiner, freier Bereich auf deren Oberseite ausreichend, um diese mit festem Halt transportieren zu können. Durch diesen Vorteil sowie durch den Einsatz einer intelligenten Bildverarbeitung und Sensortechnik fällt die sonst zwingende Vereinzelung der Produkte weg. Aufgeschüttete Produkte werden einfach von oben abgetragen. Zudem zeichnen sich diese Greifer dadurch aus, dass mit dem Vakuum ein relativ hoher Ansaugluftstrom erzeugt werden kann. Leckagen oder Produktporositäten führen damit nicht notwendigerweise zum Abfallen vom Greifer. Weiteren Entwicklungsbedarf im Bereich der Automatisierung sieht Hukelmann unter anderem in der Bildverarbeitung zur Erkennung von Lage und Orientierung von nicht formstabilen, unsortierten und unregelmässig angeordneten Objekten. «Um an dieser Stelle zu industrie tauglichen Lösungen zu kommen, ist noch viel Entwicklungsaufwand in der 3D-Bildverarbeitung notwendig. Aber insgesamt ist abzusehen, dass der Roboter für die Prozesse am Ende der Verarbeitungslinie ein sehr hilfreicher und flexibler Kollege werden kann», ergänzte Hukelmann abschliessend.

* Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger und Univ.-Prof. DI Dr. Wolfgang Kneifel Universität für Bodenkultur (BOKU) Wien, Department für Lebensmittelwissen schaften und Lebensmitteltechnologie

Aus «Die Ernährung», Österreichische Zeitschrift für Wissenschaft, Recht, Technik und Wirtschaft



Lebensmittel-Industrie Ausgabe 1/2 Februar 2017