Qualität von Lebensmitteln schnell überprüft

Dresden, /

Ob bei Obst, Fleisch oder Käse – die Qualität ist nicht immer so wie sie sein sollte. Ein Spektrometer soll Verbrauchern künftig verraten, wie es um die Qualität von Lebensmitteln bestellt ist. Es ist nicht größer als ein Stück Würfelzucker, lässt sich günstig produzieren und könnte künftig gar in Smartphones Platz finden.

MEMS mit integriertem Beugungsgitter, Gitterantrieb, Positionsdedektoren und optischen Spalten
MEMS mit integriertem Beugungsgitter, Gitterantrieb, Positionsdedektoren und optischen Spalten.

Ist die Ananas reif? Oder stellt man zuhause genervt fest, dass das gekaufte Exemplar weder süß noch saftig ist? Und wie ist es um die Qualität des Fleisches bestellt? Enthält es zu viel Wasser und wird beim Braten zäh? Beim Einkauf von Lebensmitteln muss der Kunde sich oft auf sein Glück verlassen. Das soll künftig ein Ende haben: Dann reicht es, ein Smartphone an das Produkt zu halten, die entsprechende App und die entsprechende Menüauswahl, zum Beispiel »Ananas«, zu starten – und schon gibt das Gerät eine Empfehlung: Der Fruchtzuckergehalt dieser Ananas ist hoch, grünes Licht für den Kauf. Grundlage dieser Anwendung ist ein Nahinfrarot-Spektrometer, das den Anteil von Wasser, Zucker, Stärke, Fett und Proteinen in den Produkten misst. Dabei »schaut« das Spektrometer einige Zentimeter tief in das Lebensmittel hinein – so kann es etwa bei einem Apfel erkennen, ob das Kerngehäuse fault. Auch dünne Verpackungsfolien sind kein Hindernis. Doch wie funktioniert das Gerät? Es strahlt weißes Licht auf die Probe, etwa ein Stück Fleisch. Je nach seiner Zusammensetzung reflektiert die Probe das Licht verschiedener Wellenlängen im Nahinfrarot-Bereich unterschiedlich stark. Das Spektrum verrät den Forschern daher, wie viel von welchem Stoff in dem Lebensmittel enthalten ist.

Das Besondere an dem Mikrospektrometer: Mit einem Volumen von nur 2,1 cm³ ist es 30% kleiner als ein gewöhnliches Stück Würfelzucker. Gegenüber handelsüblichen Spektrometern, die etwa die Abmessungen von zwei Päckchen Butter haben, beansprucht es sogar nur 1% des Platzes. Ein weiterer Vorteil: Das Gerät eignet sich für die Massenfertigung und lässt sich somit kostengünstig produzieren. »Wir erwarten, dass die Spektrometer sich auf ähnliche Weise entwickeln wie die Digitalkameras«, sagt Dr. Heinrich Grüger, verantwortlicher Geschäftsfeldleiter am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden, wo das Spektrometer entwickelt wird. »Die Kameras, die man vor zehn Jahren für 500 Euro kaufen konnte, können weniger als die, die man heute in Handy quasi umsonst dazu bekommt.«

Üblicherweise werden Spektrometer aus den einzelnen Bauelementen gefertigt: Spiegel, Spalte, Gitter und Detektor müssen Stück für Stück an die richtige Stelle gesetzt und zueinander justiert werden. Die Forscher am Fraunhofer IPMS fertigen die einzelnen Gitter und optischen Spalte direkt auf Siliziumwafern. Doch damit nicht genug: Die dünnen Siliziumplatten sind so groß, dass die Bauteile für mehrere hundert Spektrometer darauf passen – es können also hunderte Spektrometer auf einen Schlag gefertigt werden. Perspektivisch stapeln die Wissenschaftler die Wafer mit den integrierten Bauteilen mit den ebenfalls auf großen Substraten gefertigten optischen Komponenten aufeinander, justieren und fixieren sie und vereinzeln sie dann zu den einzelnen Spektrometern. Die Wissenschaftler müssen also nicht jedes einzelne Bauteil ausrichten, sondern lediglich die jeweiligen Substratverbünde. Ein weiterer Vorteil dieser MEMS-Technologie: Die gefertigten Spektrometer sind wesentlich robuster als ihre handgefertigten Gegenstücke.

Auf der Messe Sensor+Test vom 22. bis 24. Mai in Nürnberg stellen die Wissenschaftler einen Prototyp des Spektrometers vor (Halle 12, Stand 202). In etwa drei bis fünf Jahren könnte das Gerät auf den Markt kommen. In einem weiteren Schritt entwickeln die Forscher nun die passende Infrastruktur. »Wir entwickeln intelligente Algorithmen, die die aufgenommenen Spektren sofort analysieren, mit Vorgaben vergleichen und dem Kunden dann eine Kaufempfehlung oder -ablehnung geben. Diese Aussage bezieht sich jedoch lediglich auf die Qualität des Produktes wie Reife oder Wassergehalt. Einen mikrobiologischen und toxikologischen Befund dagegen kann das System nicht liefern.« Die Anwendungen des Spektrometers beschränken sich nicht auf den Lebensmittelbereich: Es erkennt Plagiate, kann also beispielsweise nachweisen, ob es sich um hochwertige Materialien handelt wie beim Original oder um minderwertigere Ware. Ebenso kann es beim Auto nachlackierte Stellen enttarnen oder die Inhalte von Medikamenten und Pflegecremes überprüfen.