Purdue-Forscher bekämpfen Lebensmittelbetrug mit neuer Fingerabdrucktechnik

03. August 2023

Wenn Sie für hausgemachtes Essen – Schweizer Gruyère-Käse, Bio-Vanilleextrakt, italienischen Prosciutto – bezahlen, haben Sie dann das bekommen, wofür Sie bezahlt haben? Da der weltweite Lebensmittelbetrug schätzungsweise 40 Milliarden US-Dollar pro Jahr beträgt, gehen Forscher der Purdue University diese Frage mit einer Lebensmittel-„Fingerabdruck“-Technik an, die empfindlich genug ist, um zwischen Lebensmitteln zu unterscheiden, die aus denselben Zutaten, aber an unterschiedlichen Orten hergestellt wurden.

Lebensmittelbetrug, den die US-amerikanische Lebensmittel- und Arzneimittelbehörde offiziell als „wirtschaftlich motivierte Verfälschung“ bezeichnet, liegt dann vor, wenn Hersteller eine billigere Zutat durch eine wertvollere ersetzen, etwa Olivenöl durch Pflanzenöl zerschneiden oder Safran durch gemahlene Pflanzenstängel auffüllen. Es ist ein schwer zu fassendes Verbrechen, da Lebensmittel überall in der globalen Lieferkette verändert werden können. Die Gewährleistung der Authentizität wird noch schwieriger, wenn unehrliche Lieferanten einfach ein ähnliches Produkt gegen ein teureres Gegenstück wie Himalaya-Meersalz oder San-Marzano-Tomaten austauschen.

„Denken Sie an den Unterschied zwischen einem Schinken aus Freilandhaltung aus Portugal, der zwei Jahre in einer Höhle gereift ist, und einem Schinken, den Sie bei Walmart kaufen“, sagte Bartek Rajwa, Forschungsprofessor für Computational Life Sciences an der Purdue University. „Es handelt sich bei beiden um Schweinefleisch, die gleichen Zutaten, aber sie haben einen sehr unterschiedlichen Geschmack, Geruch und eine ganz andere Textur. Um sie voneinander zu unterscheiden, brauchen wir ein System, das diese Merkmale quantitativ analysieren kann. Das ist eine große Herausforderung.“

Rajwa und sein Team entwickeln ein zum Patent angemeldetes zweiteiliges Verfahren, um Informationen über die atomare Zusammensetzung und die chemische Struktur einer Lebensmittelprobe zu liefern, die ausreichen, um die Zutaten, die Zubereitung und möglicherweise den Ursprungsort genau zu bestimmen.

Die veröffentlichten Ergebnisse eines Tests, bei dem der erste Schritt als eigenständige Methode verwendet wurde, ergaben eine Genauigkeit von 99 % bei der Unterscheidung von nachgeahmtem Vanillearoma von echtem Vanilleextrakt und eine Genauigkeit von etwa 90 % bei der Identifizierung von europäischem Käse mit der Marke „Gruyère“ gegenüber einem in Wisconsin hergestellten Käse nach Gruyère-Art . Anfang dieses Jahres stellte Rajwa das anspruchsvollere zweiteilige Verfahren auf der XV. Konferenz der Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers Sensing for Agriculture and Food Quality and Safety vor.

Rajwa, ein Experte für biologische Analysetechniken, stieß im Rahmen seiner Arbeit an der Entwicklung von Systemen zur Erkennung bakterieller Kontaminationen von Lebensmitteln auf das Gebiet der Lebensmittelauthentifizierung.

„Ich fing an, Konferenzen zur Lebensmittelwissenschaft zu besuchen und den Führungskräften auf diesem Gebiet zuzuhören, und da wurde mir das Ausmaß des Problems klar“, sagte Rajwa. „Wir sprechen von einem riesigen kriminellen Unternehmen, das fast unbemerkt bleibt. Meistens besteht der einzige Schaden darin, dass man einen Aufpreis zahlt und ein Produkt von minderer Qualität erhält, aber es gibt Fälle, in denen es ernsthaften Schaden anrichten kann.“ "

Zur Identifizierung von Lebensmitteln werden viele Spektroskopiemethoden eingesetzt, darunter Massenspektrometrie, Fluoreszenzspektroskopie und Flüssigkeitschromatographie. Rajwa sagte jedoch, dass keine der bestehenden Methoden narrensicher sei und die meisten schwierig und teuer seien, was viel Raum für Innovationen auf diesem Gebiet lasse.

Um diese Herausforderung zu meistern, wandten sich die Rajwa- und Purdue-Mitarbeiter J. Paul Robinson und Euiwon Bae der laserinduzierten Breakdown-Spektroskopie zu, einer Methode, die für den Einsatz in der Materialwissenschaft und Metallurgie gut entwickelt ist, in der Lebensmittelwissenschaft jedoch nicht häufig eingesetzt wird. LIBS verwendet einen Hochleistungslaser, um eine winzige Plasmawolke auf der Oberfläche einer Probe zu erzeugen. Die Intensität des vom Plasma emittierten Lichts verschiedener Wellenlängen gibt Aufschluss über die Art und den Anteil der Elemente, aus denen die Inhaltsstoffe der Probe bestehen, und liefert sogar wertvolle Informationen über deren Textur. LIBS erstellt ein einzigartiges digitales Spektrum, das mit einem maschinellen Lernansatz, den Rajwas Team für diese Aufgabe entwickelt hat, zu einem Fingerabdruck verarbeitet wird, der zur Überprüfung der Identität des getesteten Lebensmittels verwendet werden kann.

In einem in Foods veröffentlichten Artikel testete das Team mehrere Proben von Alpenkäse, Kaffee, Vanilleextrakt, Balsamico-Essig und Gewürzen wie Muskatnuss, Pfeffer und Kurkuma. Bei vielen Lebensmitteln war die Methode sehr genau, selbst wenn ein kostengünstiges tragbares LIBS-Handgerät verwendet wurde. Aber für komplexere Lebensmittel wie Käse nach Alpenart reicht das LIBS-Spektrum laut Rajwa nicht aus.

Um zusätzliche Informationen zu erhalten, die dabei helfen können, die Herkunft selbst komplexer Lebensmittel wie Käse und Schinken zu überprüfen, arbeitet er an einem zweiten Schritt mithilfe der Raman-Spektroskopie, mit der bestimmte organische Moleküle identifiziert werden können, beispielsweise solche, die mit dem Vorhandensein von Pestiziden, Fungiziden usw. in Verbindung stehen Antibiotika in Lebensmitteln.

„In gewisser Weise bilden sie dieses komplementäre Paar; was der eine nicht erkennen kann, kann der andere“, sagte Rajwa. „LIBS gibt Ihnen die Menge jedes Atoms an und Raman sagt Ihnen, wie sie organisiert sind.“

Auf der SPIE-Konferenz präsentierte Rajwa Daten mit der zweiteiligen Methode, die Verbesserungen der Genauigkeit gegenüber LIBS als eigenständige Methode zeigten; Endgültige Ergebnisse wurden noch nicht veröffentlicht.

Diese Forschung wurde vom USDA, Agricultural Research Service, im Rahmen der Vereinbarung Nr. 59-8072-6-001 und mit Hilfe von SciAps Inc. finanziert, das tragbare LIBS-Instrumente lieferte. Rajwa gab die Innovation dem Purdue Research Foundation Office of Technology Commercialization bekannt, das ein Patent auf das geistige Eigentum angemeldet hat. Industriepartner, die daran interessiert sind, die Forschung für den Markt weiterzuentwickeln, können sich per E-Mail an Dipak Narula wenden.

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