Einsatz digitaler Lösungen zur Reduzierung von Lebensmittelabfällen durch Verfolgung und Vorhersage von Transportbedingungen

Auf dem Weg vom Produktionsort bis zum Teller des Verbrauchers verderben weltweit etwa ein Drittel aller Lebensmittel. Ein Grund sind ungünstige Lagerbedingungen entlang der Produktions- und Lieferketten bis hin zur suboptimalen Lagerung zu Hause. Forschende der Abteilung Biomimetische Membranen und Textilien der Empa in St. Gallen arbeiten seit einiger Zeit an digitalen Lösungen, die diese Lebensmittelverschwendung reduzieren könnten. Nun hat das Team zusammen mit Forschenden der Universität Bern und der südafrikanischen Universität Stellenbosch digitale Zwillinge von Zitrusfrüchten entwickelt und die Ergebnisse im Fachjournal veröffentlicht Naturkost.

Teller statt Mülleimer

Zu den 17 Zielen für nachhaltige Entwicklung der Agenda 2030 der Vereinten Nationen gehören Ernährungssicherheit und nachhaltige Landwirtschaft. Auch die Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation (FAO) sieht nachhaltige digitale Lösungen und Innovationen als Mittel, um diese Ziele zu erreichen. Das Team um Chandrima Shrivastava und Thijs Defraeye setzt nun auf digitale Informationen für die virtuellen Doppelgänger von Zitrusfrüchten, die sie durch „Upcycling“, also die Aufwertung kaum genutzter Daten, ermitteln konnten. «Jeder Container auf der Welt ist heute mit einem oder mehreren Temperatursensoren ausgestattet», erklärt Defraeye von der Empa. Bisher wurden die vielfältigen Informationen, die in diesen Messdaten stecken, jedoch noch nicht ausgeschöpft.

Durch die mathematische Auswertung der physikalischen Prozesse konnte das Team anhand der Datensätze entscheidende Eigenschaften der Frucht im Laufe der Zeit verfolgen und so Qualitätsverluste und Vermarktungsprobleme aufdecken und sogar vorhersagen. Dazu verfolgten die Forscher die Temperaturentwicklung in 47 Containerladungen Zitrusfrüchten über den gesamten Transportweg und ermittelten mittels Computersimulationen die Wahrscheinlichkeit entsprechender Schäden wie Fäulnis, Feuchtigkeitsverlust, Kälteschäden, Schimmel oder erwünschte Veränderungen wie Sterblichkeit von Fruchtfliegenlarven, in den digitalen Zwillingen.

Die Folge waren unterschiedlichste Transportbedingungen und entsprechende Qualitätseinbußen. „In unserer Studie befand sich die Hälfte aller Sendungen außerhalb der optimalen Transportbedingungen“, sagt Defraeye. Die Folgen: Fäulnis, Kälteschäden, verdorbene Ware. Am Ende ihrer 30-tägigen Reise waren einige der verbliebenen Zitrusfrüchte nur noch wenige Tage haltbar.

Optimale Bedingungen

Die Lösung des Problems besteht jedoch nicht darin, die Lebensmittel einfach zu kühlen. Vielmehr ist eine genaue Anpassung der Transportbedingungen in Form eines Kompromisses notwendig. Reist die Zitrone beispielsweise zu kühl, werden Schädlinge wie Fruchtfliegen oder andere Qualitätsbeeinträchtigungen in Schach gehalten. Andererseits wird die Frucht durch die Kälte geschädigt, wodurch sie unverkäuflich werden kann.

Anhand digitaler Zwillinge konnte das Team nun optimale Bedingungen ermitteln, bei denen relevante Risiken wie Fliegenbefall, optische Mängel und Kälteschäden gegeneinander abgewogen werden. Bis zum Einsatz der Technologie sind noch weitere Entwicklungen nötig, doch das Ziel ist klar: Entlang ihrer Produktions- und Lieferketten sollen Unternehmen die virtuellen Früchte in ihre Prozesse integrieren können, um die Lagerbedingungen in der Realität zu optimieren und Lebensmittelverluste zu reduzieren.

Fruchtspione unterwegs

Empa-Forschende arbeiten auch an biophysikalischen Zwillingen von Früchten und Gemüse, um Lebensmittelabfälle zu reduzieren. Hier werden die Eigenschaften der Pflanzen durch Polymermodelle perfekt simuliert. Darüber hinaus sind die biophysikalischen Zwillinge mit Sensoren ausgestattet, die Temperatur und Feuchtigkeitsgehalt messen, wie sie auf der Haut und im Fleisch der echten Lebensmittel vorhanden sind. So meldet der „Spion“ unter den Produkten präzise Daten zur Optimierung der Lager- und Transportbedingungen – anders als herkömmliche Messmethoden.

Zuletzt haben die Forscher das Angebot bestehender Sensorfrüchte Apfel und Mango um Kartoffeln und Avocados in verschiedenen Größen erweitert sowie Materialien und Herstellungsverfahren verbessert.