Schmecken und riechen auf elektronischem Weg

Instrumentelle Analytik erzeugt sensorischen Fingerabdruck von Lebensmitteln

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Die instrumentelle Analytik ist Schwerpunkt von Winopal. Für Produktanalysen bietet das Unternehmen die elektronische Zunge Astree sowie die elektronische Nase Heracles von Alpha Mos an. Die beiden Systeme ermöglichen eine messtechnische Erfassung des Geschmacks und Geruchs von Lebensmitteln und bieten Anwendern schnelle und durchgängig verfügbare Ergebnisse.

Verbraucher erwarten von Lebensmitteln eine gleichbleibend hohe Qualität. Täglich bewerten sie Produkte bewusst oder unbewusst und prüfen mit ihren Sinnen Optik, Geruch, Geschmack und Konsistenz gleichermaßen. Chips und Kekse müssen für sie beispielsweise knusprig sein, dagegen soll Joghurt besonders cremig imponieren.

Um sensorische Eigenschaften reproduzierbar und möglichst objektiv für Produktoptimierungen und Qualitätssicherungen messen zu können, setzen Lebensmittelbetriebe in der Regel auf Sensorikpanels – also auf eine Prüfpersonengruppe, die Produkte sensorisch bewertet. Diese Analysemethode ist jedoch sehr aufwendig und es können dabei nicht alle störenden Umwelteinflüsse eliminiert werden. Hinzu kommt, dass Testpersonen nicht für gesundheitsgefährdende Produkte, wie etwa Medikamente, eingesetzt werden können.
Mit der elektronischen Nase und Zunge von Alpha Mos lässt sich der Geschmack und Geruch eines Produkts messtechnisch exakt erfassen. Dies bietet Anwendern im Gegensatz zu Sensorikpanels schnelle, präzise und durchgängig verfügbare Ergebnisse.
Elektronische Zunge
Die elektronische Zunge besitzt mehrere Sensoren mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften. Sie kann flüssige Medien wie Gele, Lösungen, Sirupe, Emulsionen oder gelöste Feststoffe analysieren. Ihre einzelnen Polymerrezeptoren verfügen zudem über unterschiedliche Rezeptorschwellen – genau wie ihr natürliches Vorbild. Beim Menschen ist beispielsweise die Erkennungsschwelle für Bitterstoffe, die potentiell auf Gifte hinweisen, viel niedriger, als für die subjektiv ungefährlichen Geschmacksrichtungen salzig und süß.
Wie in der Natur auch hat jeder Rezeptor außerdem ein anderes Reaktionsspektrum. Das Prinzip der Sensoren basiert dabei auf potentiometrischen Veränderungen. Sie ergeben sich aus nicht kovalenten und reversiblen chemischen Wechselwirkungen mit gelösten Stoffen und können als elektrisches Signal gemessen werden.
Da die Rohdaten der Sensoren sich komplementär zueinander verhalten, lässt sich aus der Kombination der Einzelsensoren ein individueller Fingerabdruck des Geschmackes ableiten. Er lässt sich anschließend mithilfe einer leistungsfähigen statistischen Software in ein Geschmacksschema umwandeln, das leicht zu verstehen ist.
Elektronische Nase
Bevor etwa ein Stück Käse den Mund erreicht hat, wird der Verbraucher bereits durch den Geruch des Produkts eine Bewertung treffen. Im Mund angekommen erlaubt erst die Verknüpfung aus Geruchssinn und Geschmackssinn das vollständige Erfassen des sensorischen Eindrucks.
Damit Lebensmittelbetriebe vom Geruch ihrer Produkte einen objektiven und reproduzierbaren elektronischen Fingerabdruck erstellen können, hat Alpha Mos die elektronische Nase Heracles entwickelt. Sie ermöglicht es, die Produktqualität konstant zu halten und bietet eine einfache Grundlage, Rezepturen weiterzuentwickeln.
Das Heracles-System basiert auf dem Prinzip der Flash-Chromatografie. In zwei 10 m langen, parallel geschalteten Metallsäulen MXT5/MXT1701 unterschiedlicher Polarität erfolgt die Separation flüchtiger, polarer Moleküle (hydrophob/hydrophil). Sie werden mithilfe von zwei Flammenionisationsdetektoren (FID) detektiert, nachdem die flüchtigen Moleküle durch ein vorgeschaltetes Trap konzentriert werden.
Während eine klassische Gaschromatografie mindestens 45 min dauert, ermöglicht der Aufbau des Heracles-Systems mit zwei parallel geschalteten kurzen Säulen sehr schnelle Analysezeiten von 15 bis 120 s. Zur Injektion des Headspace eignen sich Flüssigkeiten, Feststoffe, Gase und SPME (Solid Phase Micro Extraction). Es besteht zudem die Möglichkeit, flüssige Medien einzuspritzen oder gasförmige Medien über Tedlar-Bags zuzuführen. Durch die Kalibrierung des Heracles-Systems mit einer zertifizierten Lösung (n-Alkane [C6-C16]) werden die einzelnen Moleküle mithilfe des Kovatsindex identifiziert.
Zur Analyse des Chromatogramms verfügt die Software Alphasoft über ein umfassendes Statistikprogramm. Mit ihm können die Messergebnisse bedarfsgerecht ausgegeben werden. Neben den klassischen PCA-Diagrammen können die Ergebnisse auch speziell für die Qualitätskontrolle als SQC-Graphik zur schnellen Identifikation von In und Out dargestellt werden.
Durch eine Kalibrierung des Systems lässt sich der Kovatsindex jedes Moleküls über die Retentionszeit bestimmen. Die Software Arochem Base ermöglicht es anschließend, das jeweilige Molekül mit den dazugehörigen Geruchsattributen zu identifizieren. Die Datenbank Arochem Base beinhaltet mehr als 88 000 Komponenten mit über 1900 sensorischen Attributen.
Fingerabdruck von Lebensmitteln
Hersteller gewinnen mit dem Fingerabdruck ihrer Produkte wertvolle Daten. Er kann als Informationsgrundlage dienen, um Rezepturen zu verfeinern oder sie auf neue Kundenanforderungen abzustimmen. Auf diese Weise geht beispielsweise ein Produzent von Fruchtjoghurt kein Risiko ein, den charakteristischen und beliebten fruchtigen Geruchseindruck seines Produkts zu verlieren.
Verbinden Lebensmittelhersteller eine Geruchsanalyse zusätzlich noch mit einer Untersuchung des Geschmackes sowie der Konsistenz ihrer Produkte, so erhalten sie die maximale Kontrolle über die sensorische Qualität ihrer Erzeugnisse. Folglich erhöht sich zudem die Sicherheit in der Qualitätskontrolle sowie im Bereich der Forschung und Entwicklung.

Ralf-André Winopal
Geschäftsführer,
Winopal Forschungsbedarf
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