Den Reifegrad von Früchten oder die Qualität von Nahrungsmitteln mittels elektrischem Widerstand messen: Dieser Herausforderung stellt sich zwei Doktorand*innen des Sensing Technologies Lab an der Fakultät für Naturwissenschaften der unibz. Ein innovatives Forschungsfeld für die Nahrungsmittelproduktion, für das allerdings trotz eines fast fertigen Prototypens noch einiges an Grundlagenforschung zu leisten ist.

Innovative Technologien und Anbaumethoden für die Landwirtschaft der Zukunft: Eine geballte Ladung davon war Ende Februar, bevor die Corona-Krise das gesamte öffentliche Leben lahmlegte, auf der Messe NovelFarm in Pordenone zu entdecken. Unter den vielen Austellern fanden sich mit Pietro Ibba und Maria Rivola auch zwei Doktoranden der Freien Universität Bozen, die Branchenexperten ein einfaches blaues Gerät mit zwei Sensoren präsentierten. FruitMeter nennt sich der Prototyp, mit dem die Messebesucher Qualitätschecks von Bananen und anderen Früchten machen konnten. Die gemeinsame Entwicklung von Pietro Ibba, Doktorand am Sensing Technologies Lab der Fakultät für Naturwissenschaften und Technik der unibz, und dem Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) aus Genua, ist eine Antwort auf ein konkretes Bedürfnis des Lebensmittelsektors nach einfachen, schnellen und zerstörungsfreien Analyseinstrumenten für die Lebensmittelqualität und -sicherheit. „Unser Ziel war es, ein tragbares und preisgünstiges Instrument zu entwickeln, das direkt auf den Feldern und während der Lagerung eingesetzt werden kann, um den Reifegrad von Obst zu testen”, sagt Ibba. Denn bisher gäbe es - wenn überhaupt - nur die Möglichkeit, solche Tests mit teuren, sensiblen und sperrigen Instrumenten in Labors durchzuführen. In seiner Doktorarbeit untersucht der Materialwissenschaftler, inwiefern sich dafür eine Methode eignet, die bislang vor allem in der Medizintechnik oder auch für Werkstofftests im Bausektor angewandt wird: die Impedanzspektroskopie.

Ein elektrisches Messverfahren, bei dem der Zustand von Materialien oder menschlichem und pflanzlichem Gewebe anhand des elektrischen Widerstands, der sogenannten Impedanz, beurteilt wird, die beim Anlegen einer Wechselspannung entsteht. „Bekannt ist diese Technologie zum Beispiel vom Messen des Body-Mass-Indexes“, erklärt Ibba. Um sie auch für Lebensmittel, bzw. im konkreten Fall bei Obst anzuwenden, ist allerdings noch weitreichendere Forschungsarbeit notwendig. Ein erster Teil davon ist mit der Entwicklung des FruitMeters bereits geschafft. Das tragbare und einfach zu bedienende Gerät, das nach den Vorgaben von Ibba von den Forschungsgruppen Smart Materials sowie Electronic Design Laboratory des Istituto Italiano di Tecnologia in Genua entwickelt wurde, ist bereits in einem fortgeschrittenen Prototyp-Stadium und kann über Bluetooth oder USB-Anschluss mit einem Computer oder Smartphone verbunden werden. Die Früchte selbst werden dagegen über Elektroden mit dem Gerät verbunden, die auch für Elektrokardiogramme (EKG) eingesetzt werden. „Wir sind dabei, in Zusammenarbeit mit dem IIT noch kleinere und flexiblere Elektroden zu entwickeln, doch im Wesentlichen erfüllt das Gerät weitgehend die erforderlichen Vorgaben“, sagt der Doktorand der unibz.

 

Fruchtqualitätsmessung per Sensor: Um verlässliche Daten zu liefern, muss der FruitMeter zusätzlich auf ein breites Datenset und statistische Modelle zurückgreifen können.

 


Um tatsächlich die Bedürfnisse der Nahrungsmittelproduzenten zu erfüllen oder auch einen Durchbruch der Qualitätsprüfungsmethode in anderen Lebensmittelbereichen zu erreichen, hat der Forscher jedoch noch ein steiles Stück des Weges vor sich. Denn noch zeigt der FruitMeter als Ergebnis der Impedanzmessung schwer interpretierbare Kurvengrafiken an. Um daraus tatsächlich Rückschlüsse auf die Qualität bzw. den Reifegrad des jeweiligen Produkts ziehen zu können, braucht es ein breites Datenset und statistische Modelle. „Erst durch die Verknüpfung der Ergebnisse der Impedanzanalyse mit statistischen Vorhersagemodellen, die wir auf Basis realer Daten wie dem Zuckergehalt oder der Konsistenz des Fruchtfleisches in verschiedenen Reifestadien des jeweiligen Produkts entwickeln, können wir verlässliche Werte liefern“, erklärt Pietro Ibba. Seit Mitte Januar forscht er deshalb für ein halbes Jahr in Oslo, wo er mit der Forschungsgruppe Bioimpedance and Medical Technology am Institut für Physik der Universität Oslo zusammenarbeitet, die im Bereich Medizintechnik europaweit führend in der Bio-Impedanzanalyse ist. „Die menschliche und die pflanzliche Matrix unterscheiden sich aber doch wesentlich, das heißt, ich muss die bereits bestehenden Modelle für unsere Zwecke anpassen“, meint der Forscher. Derzeit experimentiert er gerade mit Erdbeeren, um mit Hilfe von Machine Learning Klassifizierungsmodelle zu entwickeln, die eine Beurteilung des Reifegrads ermöglichen.

Doch an der Freien Universität Bozen wird das vielversprechende Forschungsprojekt nicht nur von einem Supervisoren-Team, dem Leiter des Sensing Technologies Lab und Rektor Prof. Paolo Lugli sowie der Forscherin Luisa Petti, begleitet. Gleich mehrere konkrete Beiträge liefert auch Maria Rivola. Nach einem Bachelor und Master in Agrarwissenschaften und -technologien in Bologna wird sie im ersten Jahr ihres Doktorats im Sensing Technologies Lab an einer Standardisierung der Impendanzmessung für Früchte arbeiten. „Die Ergebnisse, die ich hier bei Labortests erhalte, werden die Zuverlässigkeit des Prototyps weiter verbessern“, erklärt Rivola. In einem zweiten Schritt wird die Forscherin dann ein weiteres Forschungsfeld eröffnen. „Ziel ist es, die Eignung der Impedanzspektroskopie für die Qualitätsprüfung von Getränken und halbflüssigen Lebensmitteln wie Schokolade zu untersuchen“, sagt Maria Rivola.

Ob der Durchbruch gelingt, und die Forschungsaktivitäten der unibz künftig zu Vereinfachung der Qualitätskontrolle entlang der Produktionsketten in der Lebensmittelindustrie führen werden, wird sich im Laufe der kommenden Jahre zeigen. „Eines der wichtigsten Ziele des Sensing Technologies Lab ist es, innovative und kostengünstige Technologien zu entwickeln, die zur Entwicklung Südtirols beitragen und die Wettbewerbsfähigkeit einiger Produktionszweige steigern können, allen voran der Landwirtschaft und der Nahrungsmittelindustrie“, sagt der Betreuer des Forschungsprojektes und Rektor der unibz, Prof. Paolo Lugli. „Der FruitMeter geht genau in diese Richtung: Er erlaubt eine schnelle und nicht-invasive Analyse des Reifegrades bestimmter Früchte direkt auf dem Feld und hat damit einen klaren Vorteil gegenüber bestehenden Technologien, die entweder auf recht kostspieligen optischen Messungen basieren, zu ungenau sind oder das Risiko bergen, die Früchte zu beschädigen.“ Einer der nächsten Schritte wird laut Paolo Lugli nun die Entwicklung eines Handschuhs aus biologisch abbaubarem Material sein, in den Sensoren und die elektronische Steuerung eingebaut werden. „Richtungsweisend ist für uns auch die Zusammenarbeit mit einem der prestigereichsten Forschungszentren auf europäischem Niveau, dem Istituto Italiano di Tecnologia, das auch die beiden Doktoratsstipendien mitfinanziert“, so Prof. Paolo Lugli.

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