Auf dem Weg vom Produktionsort zum Konsumenten verdirbt ein großer Teil der Lebensmittel weltweit. Ein Grund sind ungünstige Lagerungsbedingungen entlang von Produktions- und Lieferketten bis hin zur suboptimalen Aufbewahrung zuhause. Forschende der „Biomimetical Membranes and Textiles“-Labors der Empa in St. Gallen arbeiten seit Längerem an digitalen Lösungen, mit denen diese Lebensmittelverschwendung reduziert werden könnte. Nun hat das Team gemeinsam mit der Universität Bern und der südafrikanischen Stellenbosch University digitale Zwillinge von Zitrusfrüchten entwickelt, die hierbei behilflich sein sollen.
Das Team um die Empa-Forscher Chandrima Shrivastava und Thijs Defraeye baut bei den virtuellen Zitrus-Doppelgängern auf digitale Informationen, die sie durch Upcycling, also ein Aufwerten kaum genutzter Daten, ermittelt haben. „Jeder Container auf der Welt ist mittlerweile mit einem oder mehreren Temperatursensoren ausgestattet“, sagt Defraeye. Bisher seien die vielfältigen Informationen, die in diesen Messwerten verborgen liegen, jedoch nicht verwertet worden.
Daten über Schimmel und Fruchtfliegen
Mittels mathematischer Auswertungen der physikalischen Prozesse konnte das Team die Datensätze dazu nutzen, entscheidende Eigenschaften der Früchte im Zeitverlauf zu verfolgen und dadurch Qualitätseinbußen und Vermarktungsprobleme aufzuzeigen sowie auch vorherzusagen. Hierzu hatten die Forschenden die Temperaturentwicklung in 47 Containerladungen mit Zitrusfrüchten über den gesamten Transportweg hinweg verfolgt und hierdurch bei den digitalen Zwillingen die Wahrscheinlichkeit entsprechender Schäden wie Austrocknung, Verschimmeln oder Verrotten ermittelt. Erwünschte Veränderungen wie die Sterberate von Fruchtfliegen-Larven ließ sich ebenfalls anhand von Computersimulationen feststellen.
Heraus kam eine große Bandbreite an Transportbedingungen und Qualitätseinbußen. „In unserer Studie lagen die Hälfte aller Lieferungen außerhalb der idealen Bedingungen für den Transport“, berichtet Defraeye. Die Folgen: Fäulnis, Kälteschäden, verdorbene Ware. Am Ende ihrer rund 30-tägigen Reise waren die verbliebenen Zitrusfrüchte im Haushalt schließlich teilweise nur noch wenige Tage haltbar.
Zwischen Schädlingsbefall und Kälteschaden
Die Lösung des Problems liegt jedoch nicht einfach in einer stärkeren Kühlung der Lebensmittel. Vielmehr ist eine präzise Einstellung der Transportbedingungen in Form eines Kompromisses nötig. Denn reist die Zitrone beispielsweise zu kühl, werden zwar Schädlinge wie Fruchtfliegen oder andere Qualitätseinbußen vermieden, dafür entstehen Kälteschäden an den Früchten, was sie unter Umständen unverkäuflich macht.
Anhand seiner digitalen Zwillinge hat das Team nun optimale Bedingungen errechnet, in denen relevante Risiken wie Fliegenbefall, optische Mängel und Kälteschäden gegeneinander abgewogen sind. Noch sind weitere Entwicklungen bis zur Anwendung nötig. Dann aber sollen Unternehmen entlang der Produktions- und Lieferketten die virtuellen Früchte in ihre Prozesse einbinden können, um reale Lagerungsbedingungen zu verbessern und Lebensmittelverluste zu reduzieren.
Physische Zwillinge im Einsatz
Die Empa-Forschenden arbeiten zudem an biophysikalischen Zwillingen von Früchten und Gemüse, um Lebensmittelverschwendung zu reduzieren. Die Eigenschaften der Feldfrüchte werden hierbei von den Polymer-Modellen simuliert. Zudem sind die biophysikalischen Zwillinge mit Sensoren ausgestattet, die die Temperatur und den Feuchtegehalt messen, wie sie an der Schale und im Fruchtfleisch der echten Nahrungsmittel herrschen. So erfasst der „Spion“ Daten, um die Bedingungen bei Lagerung und Transport anzupassen.
Zuletzt haben die Forschenden das Sortiment der Sensorfrüchte Apfel und Mango um Kartoffeln und Avocados in verschiedenen Größen erweitert. Ebenso wurden deren Materialien und Herstellungsprozess verbessert.
