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NIR-Spektroskopie

Lebensmittelanalyse mittels NIR-Spektroskopie

02.04.2009 | Autor / Redakteur: Thomas Egloff*, Heinrich Grüger*,
Michael Scholles* und Wolfgang Becker** / Marc Platthaus

Abb. 1: Durch NIR-Spektroskopie lassen sich beispielsweise Druck- oder Stoßstellen an Obst detektieren.
Abb. 1: Durch NIR-Spektroskopie lassen sich beispielsweise Druck- oder Stoßstellen an Obst detektieren.

Die Qualität von Lebensmitteln spiegelt sich auch in deren Frische oder Zusammensetzung wider. Forscher am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) machen diese Qualitätsmerkmale mithilfe eines neu entwickelten bildgebenden NIR-Spektrometers detektierbar.

Lebensmittel sollten nicht nur chemisch und biologisch unbedenklich sein, sondern auch frisch, unversehrt und von hochwertiger Zusammensetzung – so wünscht es sich zumindest der Verbraucher. Aspekte der Lebensmittelsicherheit sind weitestgehend gesetzlich geregelt und unterliegen der Kontrolle staatlicher Institutionen. Hinsichtlich der Frische oder beispielsweise des Wasser-, Zucker-, Eiweiß- und Fettgehalts können sich jedoch auch ansonsten einwandfreie Lebensmittel qualitativ stark unterscheiden. Der anhaltende Bio- und Wellnessboom und das breiter werdende Angebot höherwertiger Lebensmittel aus kontrolliertem Anbau bzw. mit reduziertem Fett- oder Zuckergehalt zeigen, dass zahlreiche Verbraucher bereit sind, für bessere Qualität auch mehr auszugeben. Jedoch stellt sich für sie die Frage, wie diese Qualität sichtbar gemacht werden kann.

Ein möglicher Ansatz ist die optische Spektroskopie, insbesondere im nahen Infrarot (NIR). Die Analyse eines einzelnen Punktes ist für inhomogene Probenstücke nicht aussagekräftig, sodass in solchen Fällen die bildgebende Spektroskopie, englisch „Hyper Spectral Imaging“, angewendet werden muss. Solche ortsaufgelösten Messungen ermöglichen die Analyse ganzer Objekte beispielsweise Obst, Gemüse, Molkereierzeugnisse, Fleisch- oder Wurstwaren. Auf diese Weise wird die Erkennung von Druck- oder Stoßstellen z.B. bei Obst durch frühzeitige Detektion möglich. Auch für den Erzeuger bieten sich dadurch Vorteile: Einwandfreie Ware wird in den direkten Verkauf an den Endverbraucher gegeben, der Rest je nach Güte alternativen Nutzungen wie Saft- oder Biokraftstoffherstellung zugeführt.

Hauptkomponentenanalyse durch NIR-Spektroskopie

In den meisten Fällen wird die NIR-Spektroskopie in Reflexion durchgeführt, da die Objekte für eine Durchleuchtung zu dick sind. Das Licht einer geeigneten Quelle mit bekannter Intensitätsverteilung I0(λ) fällt auf die Messstelle. Das rückgestreute Licht weist eine von den chemischen Eigenschaften der Probe abhängig veränderte Intensitätsverteilung Ir(λ) auf. Aus dem Vergleich der einfallenden und der reflektierten Intensität als Funktion der Wellenlänge (λ) lässt sich auf Basis geeigneter Modelle die Hauptkomponentenanalyse durchführen. Dazu werden Referenzmessungen an Proben durchgeführt, die mit Laboranalytik quantitativ untersucht wurden. Aus der Kenntnis der spektralen Eigenschaften in Abhängigkeit der Zusammensetzung wird ein mathematisches Modell erstellt, das anschließend die quantitative Analyse entsprechender Proben ermöglicht.

Ortsaufgelöste Messungen am Lebensmittel

Im Fertigungsprozess, aber auch bei Messungen vor Ort, ist wie erwähnt nicht ein isolierter Punkt der Probe von Interesse, sondern die Verteilung der Komponenten innerhalb der gesamten Probe bzw. der Zustand an allen Stellen der Probe. Beispielsweise ist bei einem Fleischstück zwischen dem eigentlichen Fleisch, Knochen und der Schwarte zu unterscheiden. Diese Aspekte müssen in die Bewertung der Qualität einbezogen werden. Bei einem Apfel muss die gesamte Oberfläche auf Stoß- oder Druckstellen untersucht werden. Folglich werden für die Analysesysteme Förderbänder oder sogar spezielle Vorrichtungen zur 360° Analyse von drehbaren Objekten zum Einsatz kommen.

Die Erfassung erfolgt dann entlang einer Linie, die zeitsequenziell über die Bewegung oder Drehung zu einem Scan der gesamten dem Detektor zugewandten Oberfläche wird. Entlang der Zeile muss der spektrale Reflexionsgrad erfasst werden.

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