«Digitale Petrischale» – modellbasierte virtuelle Tools ergänzen die klassische Laboranalytik. COLOURBOX.DE, 2020

Automatisierte Modellierung der mikrobiologischen Sicherheit von Rezepturen

Publiziert

Die mikrobiologische Sicherheit steht bei der Entwicklung neuer Produkte im Vordergrund. Neue datengetriebene Berechnungsmodelle ermöglichen es, dies bereits während des Designprozesses zu gewährleisten. Das vorgestellte Praxisbeispiel basiert auf der von Co-Autor Marco Brunschwiler erstellten Bachelor-Diplomarbeit.

Die neuen Trends in der Lebensmittelindustrie verlangen immer mehr Natürlichkeit, weniger Zucker und trotzdem eine längere Haltbarkeit. Um diesen kontinuierlich zunehmenden Anforderungen gerecht zu werden, wurde eine neue datengetriebene Modellierung entwickelt.

In der Produktentwicklung bezieht man sich heute auf erfahrungsbasierte Konzepte, wobei die meisten Firmen über Datenbanken mit Informationen zu Rezepturen und Rohstoffen verfügen dürften. Diese Daten können dazu genutzt werden, mit automatisierten Berechnungsmodellen quantitative Aussagen über die mikrobiologische Sicherheit eines neuen Produkts zu machen. Mit dieser neuen Unterstützung können die Entwickler*innen fundiertere Entscheidungen fällen und somit Kundenwünsche sowie die Richtlinien der Lebensmittelsicherheit besser umsetzen.

Im Rahmen einer Bachelorarbeit am Departement für Life Sciences und Facility Management der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) wurde in Zusammenarbeit mit der Firma Frutarom Schweiz AG in Reinach eine auf Microsoft Excel basierte Modellierung zur Überprüfung der mikrobiologischen Sicherheit von Rezepturen entwickelt.

Modellierung
Bei der Modellierung wurden prinzipiell drei Schritte berücksichtigt, die das Lebensmittel während der Produktion durchläuft: Die Keimreduktion während des Erhitzungsprozesses, das Keimwachstum bei der Lagerung und die chemisch-physikalischen Eigenschaften des Endprodukts vom Kunden in der Lebensmittelindustrie (vgl. Grafik).

Die Berechnung der Keimreduktion basiert auf den dezimalen Reduktionszeiten, sogenannten «D-Werten» und den «z-Werten», mit denen die Hitzebeständigkeit von Mikroorganismen erfasst wird. Als Grundlage dienen die entsprechenden Richtwerte aus der Fachliteratur. Diese fliessen in den «F-Wert» ein, der die Summe der letalen Werte angibt, welche durch die Erhitzungsschritte auf verschiedene Mikroorganismen wirken. Die Gefahr eines Keimwachstums bei der Lagerung wird durch ein Hürdenprinzip über die pH- und aW-Werte des Endprodukts sowie die Lagertemperatur ermittelt. Dasselbe Prinzip wird für die Gefahr eines Keimwachstums im Produkt des weiterverarbeitenden Kunden angewendet. Über eine Analyse der Rohstoffe wird ausserdem anzeigt, ob das Endprodukt Allergene enthält und ob es einen Konflikt mit Label-Konformitäten geben könnte. Dies hilft den Produktentwickler/innen dabei, gleich sicherzustellen, dass das Produkt die Anforderungen erfüllen kann oder ob gegebenenfalls ein Rohstoff ausgetauscht werden muss.

Daten und die Herausforderungen bei deren Beschaffung
Die für das Modell benötigten Daten wurden zusammen mit Frutarom Schweiz identifiziert. Um die Informationen zur Rezeptur und den Rohstoffen aus dem ERP-System zu beziehen und automatisiert zu analysieren, wurden spezifische Filter, Regeln und Konsistenzbedingungen definiert und implementiert. Da allerdings nicht alle Daten direkt im ERP-System oder in öffentlichen Datenbanken zur Verfügung stehen, wurde punktuell entschieden, wie mit den fehlenden Daten zu verfahren ist. Beispielsweise sind Daten zur Anfangskeimbelastung von Rohstoffen nicht oder nur teilweise vorhanden. Die Keimbelastung der Rohstoffpositionen einer Rezeptur werden nun im Tool über den Abgleich mit Rohstoffgruppen festgelegt und anhand der Dosierung der einzelnen Rohstoffe hochgerechnet.

Die Datenbeschaffung stellt eine der grössten Herausforderungen bei der Entwicklung solcher Tools dar. Auch wenn bereits vieles vorhanden ist, wurde die Rezeptur- und Rohstoff-Datenbank ursprünglich nicht mit dem Ziel entwickelt, alle Informationen zur mikrobiologischen Sicherheit zu hinterlegen. Dies kann die Datenauswertung zusätzlich erschweren. Beispielsweise wurde bei der Programmierung versucht, die Erhitzungsschritte und die dazugehörigen Zeiten und Temperaturen automatisiert einzulesen. Dieses Vorhaben scheiterte allerdings vorerst daran, dass bis anhin die Einträge zu den genannten Parametern im ERP-System nicht nach einheitlichen Regeln vorgenommen wurden.

Erste Schritte in Richtung modellbasierter Qualitätssicherung
Die enge Zusammenarbeit mit dem Auftraggeber ermöglichte die Fertigstellung einer ersten funktionstauglichen Version des Tools. Die Berechnung der Endkeimzahlen erfolgt automatisiert, und die Effektivität der Erhitzungsschritte kann beurteilt werden. Einzelne Parameter, beispielsweise der pH- oder aW-Wert, können direkt im Tool angepasst werden, und deren Einfluss auf die Gefahr eines Keimwachstums wird sofort berechnet und sichtbar. Eine Liste der in den Rohstoffen enthaltenen Allergenen und die Label-Konformität einzelner Rohstoffe sind für die Entwickler*innen auf einen Blick ersichtlich.

Auf der Grundlage der hier vorgestellten Ergebnisse könnten weiterführende Untersuchungen zur Erweiterung des Modells durchgeführt werden. Um die Vorhersagen wesentlich verbessern zu können, wären allerdings umfangreichere Daten zu Keimwachstum und Anfangskeimzahlen (je Rohstoff und Lieferant) notwendig. Zwar existieren bereits offene Datenbanken zum Keimwachstum, beispielsweise «Combase» (www.combase.cc), allerdings werden dort aktuell vor allem wissenschaftliche Resultate geteilt und weniger direkt praxisbezogene Daten.

Eine wesentliche Innovation für die Produktentwickler*innen wäre, das bestehende Tool um eine Sensitivitätsanalyse zu erweitern. Dabei handelt es sich um eine Methodik, mit der die Empfindlichkeit von Kennzahlen bezüglich Parameter-Änderungen vorhergesagt werden kann. Dadurch würde man modellbasierte Vorschläge zur Gewährleistung der Sicherheit eines Produkts erhalten, ohne dabei die Eigenschaften negativ zu beeinflussen. Die Produktentwickler*innen würden damit aktiv dabei unterstützt, sichere und qualitativ hochstehende Produkte zu entwickeln.

Grafik: Schematische Darstellung der modellierten Prozessschritte, ZHAW WÄDENSWIL

www.zhaw.ch/de/lsfm/institute-zentren/ias/www.zhaw.ch/de/lsfm/institute-zentren/

Marco Brunschwiler, wissenschaftlicher Assistent
Dr. Lukas Hollenstein, Dozent und Fachstellenleiter – Fachstelle Simulation & Optimization der ZHAW Life Sciences und Facility Management
Julia Müller, Verantwortliche für Produktsicherheit, Stammdatenpflege, Lebensmittelrecht – Frutarom Schweiz AG

EVENTS

Brennpunkt Nahrung

Konferenz zur Stärkung der nachhaltigen Lebensmittelversorgung, Ernährung

Datum: 03. November 2020

Ort: Luzern (CH)

ArbeitsSicherheitSchweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz & Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 10. - 11. November 2020

Ort: Online (CH)

electronica

Komponenten, Systeme, Anwendungen, Lösungen

Datum: 10. - 13. November 2020

Ort: München (D)

BrauBeviale

Europäische Fachmesse für die Getränkewirtschaft

Datum: 10. - 12. November 2020

Ort: Nürnberg (D)

Empack Schweiz

The Future of Packaging Technology

Datum: 18. - 19. November 2020

Ort: Zürich (CH)

Logistics & Distribution

Schweizer Fachmesse für Logistik und Transport

Datum: 18. - 19. November 2020

Ort: Zürich (CH)

all4pack Paris

The global marketplace for Packaging Processing Printing Handling

Datum: 23. - 26. November 2020

Ort: Paris (F)

Lebensmitteltagung

Circular Economy in der Lebensmittelverarbeitung - Innovative Technologische Ansätze

Datum: 26. November 2020

Ort: Wädenswil (CH)

Fi Europe

Internationale Fachmesse für Lebensmittelzusatzstoffe

Datum: 01. - 03. Dezember 2020

Ort: Frankfurt (D)

FBKplus

Schweizer Fachmesse für Bäckerei-, Konditorei- und Confiseriebedarf

Datum: 16. - 19. Januar 2021

Ort: Bern (CH)

ISM

Weltleitmesse für Süsswaren und Snacks

Datum: 31. Januar - 03. Februar 2021

Ort: Köln (D)

Pro Sweet Cologne

Internationale Zuliefermesse für Süsswaren- und Snackindustrie

Datum: 31. Januar - 03. Februar 2021

Ort: Köln (D)

Fruit Logistica

Weltweite Messe aller Frisch-Produkte

Datum: 03. - 05. Februar 2021

Ort: Berlin (D)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 10. - 11. Februar 2021

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Fachmesse für Pumpen- und Ventiltechnik

Datum: 10. - 11. Februar 2021

Ort: Zürich (CH)

BioFach

Weltleitmesse für Bio-Lebensmittel

Datum: 17. - 20. Februar 2021

Ort: Nürnberg (D)

Filtech

Internationale Fachmesse für Filter- und Trenntechnologie

Datum: 23. - 25. Februar 2021

Ort: Köln (D)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 25. Februar - 03. März 2021

Ort: Düsseldorf (D)

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 09. - 11. März 2021

Ort: Stuttgart (D)

Schweizer Planertag

Treffpunkt der Planer, Ingenieure und Installateure

Datum: 16. März 2021

Ort: Campussaal Brugg (CH)

INTERNORGA

Leitmesse für den Ausser-Haus-Markt

Datum: 12. - 16. März 2021

Ort: Hamburg (D)

EuroCIS

Fachmesse für Retail Technologien

Datum: 16. - 18. März 2021

Ort: Düsseldorf (D)

Pro Wein

Internationale Fachmesse Weine und Spirituosen

Datum: 21. - 23. März 2021

Ort: Düsseldorf (CH)

Anuga FoodTec

Internationale Zuliefermesse für die Lebensmittel-und Getränkeindustrie

Datum: 23. - 26. März 2021

Ort: Köln (D)

LOPEC

International führende Fachmesse mit Kongress für Gedruckte Elektronik

Datum: 23. - 25. März 2021

Ort: München (D)

Hannover Messe

Weltleitmesse der Industrie - Industrie 4.0 trifft Logistik 4.0

Datum: 12. - 16. April 2021

Ort: Hannover (D)

Lebensmitteltag

Die führende schweizerische Lebensmittelfachtagung von bio.inspecta und SQS

Datum: 15. April 2021

Ort: Luzern (CH)

LABVOLUTION

Europäische Fachmesse für innovative Laborausstattung und für die Optimierung von Labor-Workflows

Datum: 05. - 06. Mai 2021

Ort: Hannover (D)

TUTTOFOOD

Internationale B2B-Messe für Food & Beverage

Datum: 17. - 20. Mai 2021

Ort: Mailand (I)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 04. - 06. Juni 2021

Ort: Nürnberg (D)

Achema

Internationale Leitmesse der Prozessindustrie

Datum: 14. - 18. Juni 2021

Ort: Frankfurt am Main (D)

Securite Lausanne

Die Schweizer Fachmesse

Datum: 16. - 18. Juni 2021

Ort: Zürich (CH)

Automatica

Leitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 21. -24. Juni 2021

Ort: München (D)

SINDEX

Schweizer Messe für industrielle Automatisierung

Datum: 31. August - 02. September 2021

Ort: Bern (CH)

Drinktec Deutschland

Auf der Weltleitmesse der Getränke- und Liquid-Food-Industrie

Datum: 13. - 17. September 2021

Ort: München (D)

Oils + fats

Leitmesse der Öl- und Fettindustrie in Europa.

Datum: 14. - 16. September 2021

Ort: München (D)

AM Expo

Formen und Bauteile aus dem Drucker

Datum: 14. - 15. September 2021

Ort: Luzern (CH)

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 21. - 23. September 2021

Ort: Basel (CH)

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 28. - 30. September 2021

Ort: Nürnberg (D)

Anuga

Weltweite Ernährungsmesse für Handel und Gastronomie/Ausser-Haus-Markt

Datum: 09. - 13. Oktober 2021

Ort: Köln (D)

iba

Leitmesse für Bäckerei, Konditorei und Snacks

Datum: 23. - 28. Oktober 2021

Ort: München (D)

A + A

Internationale Fachmesse für Persönlichen Schutz, Betriebliche Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit.

Datum: 26. - 29. Oktober 2021

Ort: Düsseldorf (D)

SÜFFA

Die Fachmesse für die Fleischbranche

Datum: 06. - 08. November 2021

Ort: Stuttgart (D)

transport-CH

Schweizer Nutzfahrzeugsalon

Datum: 10. - 13. November 2021

Ort: Bern (CH)

Mefa

Fachmesse für Fleischwirtschaft und Lebensmittelproduktion

Datum: 20. - 24. November 2021

Ort: Basel (CH)

igeho

Internationale Fachmesse für Hotellerie, Gastronomie, Take-away und Care

Datum: 20.- 24. November 2021

Ort: Basel (CH)

aqua pro gaz

DIE SCHWEIZER MESSE DER TRINKWASSER-, ABWASSER- UND GASFACHLEUTES

Datum: 09. - 11. Februar 2022

Ort: Bulle (CH)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 26. - 28. April 2022

Ort: Nürnberg (D)

IFFA

Internationale Leitmesse für Fleischverarbeitung

Datum: 14. - 19. Mai 2022

Ort: Frankfurt (D)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 30. Mai - 03. Juni 2022

Ort: München (D)

Südback

Fachmesse für das Bäcker- und Konditorenhandwerk

Datum: 22. - 25. September 2022

Ort: Stuttgart (D)

Chillventa

Fachmesse für Energieeffizienz

Datum: 11. - 13. Oktober 2022

Ort: Nürnberg (D)

SIAL

Fachmesse für Nahrungsmittel-Innovationen

Datum: 15. - 19. Oktober 2022

Ort: Paris (F)

ZAGG

Schweizer Fachmesse für Gastgewerbe, Hotellerie & Gemeinschaftsgastronomie Luzern

Datum: 23. - 26. Oktober 2022

Ort: Luzern (CH)

EuroShop

Fachmesse für den Investitionsbedarf des Handels

Datum: 26. Februar - 03. März 2023

Ort: Düsseldorf (D)

Bezugsquellenverzeichnis