Künst­li­che Intel­li­genz hilft bei nach­hal­ti­gem Verbraucherschutz

Damit Lebens­mit­tel beden­ken­los genos­sen wer­den kön­nen, ist unter ande­rem deren Fri­sche­zu­stand ein wich­ti­ger Fak­tor. Die­sen zu bewer­ten ist aller­dings hoch­kom­plex. Vor allem bei Fri­sche­pro­duk­ten wie Fleisch, Milch oder Obst ver­än­dert sich die vor­han­de­ne Mikro­flo­ra kon­ti­nu­ier­lich, zudem unter­lie­gen die Pro­duk­te dyna­mi­schen phy­si­ko­che­mi­schen Ver­än­de­run­gen. Um die Qua­li­tät der Erzeug­nis­se bis zu deren Ver­kauf opti­mal zu bewer­ten, ist ein kon­ti­nu­ier­li­ches Moni­to­ring erfor­der­lich – aktu­ell ist das jedoch noch nicht aus­rei­chend mög­lich. Um den Schutz für Ver­brau­che­rin­nen und Ver­brau­cher und die Sicher­heit von Lebens­mit­teln zu erhö­hen, soll im »Zukunftslabor2030« mit­hil­fe Künst­li­cher Intel­li­genz (KI) und dem Ein­satz neu­er Tech­no­lo­gien ein noch bes­se­res und nach­hal­ti­ge­res Lebens­mit­tel-Moni­to­ring ent­wi­ckelt wer­den. Das Pro­jekt wird geför­dert durch das Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Ernäh­rung und Land­wirt­schaft auf­grund eines Beschlus­ses des Deut­schen Bundestages.
Der Weg von Lebens­mit­teln ist lang, bis sie von der Her­stel­lung auf den Tel­ler gelan­gen. Die zahl­rei­chen Sta­tio­nen ber­gen viel­fach Fak­to­ren, die die Pro­dukt­qua­li­tät nega­tiv beein­flus­sen kön­nen. Bei­spie­le dafür sind Unter­bre­chun­gen in der Kühl­ket­te, Ver­un­rei­ni­gun­gen von Trans­port­be­hält­nis­sen, fal­sche Lage­rung oder man­geln­de Hygie­ne. Um die Lebens­mit­tel­qua­li­tät und ‑sicher­heit best­mög­lich zu bewer­ten, ist ein durch­gän­gi­ges Moni­to­ring der mikro­bio­lo­gi­schen Ver­än­de­run­gen ent­lang der gesam­ten Pro­zess­ket­te, von der Her­stel­lung über die Lage­rung bis hin zum Ver­kauf, erforderlich.
Dies ist jedoch auf­grund aktu­el­ler Tech­ni­ken und spe­zia­li­sier­ter Ana­ly­sen, die in der Regel im Labor statt­fin­den, mit­un­ter nicht aus­rei­chend zu rea­li­sie­ren und erfor­dert zudem häu­fig einen sehr hohen Auf­wand bei Lebens­mit­tel­un­ter­neh­men. Damit zukünf­tig eine ein­fa­che und vor allem kon­ti­nu­ier­li­che Über­wa­chung und Pro­gno­se mög­lich ist, hat sich das inter­dis­zi­pli­nä­re Exper­ten-Team des Pro­jekts »Zukunftslabor2030« das Ziel gesetzt, die Grund­la­gen für den Ein­satz KI-basier­ter Metho­den im Bereich der Lebens­mit­tel­qua­li­tät und ‑sicher­heit zu schaf­fen. Moder­ne ana­ly­ti­sche Ver­fah­ren in Ver­bin­dung mit KI und Daten­ana­ly­se­ver­fah­ren sol­len ermög­li­chen, dass z.B. die Aus­wir­kun­gen von Pro­zess­än­de­run­gen sofort bewer­tet wer­den kön­nen. Somit wird die Lebens­mit­tel­si­cher­heit für Ver­brau­che­rin­nen und Ver­brau­cher noch wei­ter opti­miert. Zudem birgt das KI-Sys­tem das Poten­ti­al, durch eine Echt­zeit-Bewer­tung des tat­säch­li­chen Fri­sche­zu­stands – auf Basis von Produkt‑, Pro­duk­ti­ons- und Trans­port­da­ten – die Qua­li­täts­pro­gno­se von Lebens­mit­teln grund­le­gend zu verbessern.

Exak­te­re Pro­gno­sen mit­hil­fe des Digi­ta­len Zwillings

Zen­tra­les Ele­ment des »Zukunftslabor2030« stellt der Digi­ta­le Zwil­ling dar. Mit die­ser Metho­dik wird ein digi­ta­les, KI-basier­tes Lebens­mit­tel-Moni­to­ring geschaf­fen, das mit­tels Daten von inno­va­ti­ven Mess­ver­fah­ren wie Spek­tro­sko­pie, Mas­sen­spek­tro­me­trie oder Vola­ti­lom-Ana­ly­se stets dazu lernt und sich stän­dig durch neue Daten aktua­li­siert. Durch die Inte­gra­ti­on ver­schie­dens­ter Mess­da­ten wer­den im Pro­jekt die wich­tigs­ten che­mi­schen, phy­si­ka­li­schen und bio­lo­gi­schen Pro­zes­se von Lebens­mit­teln – und damit das gesam­te kom­ple­xe Sys­tem Pro­dukt-Mikro­bi­om – durch Com­pu­ter­mo­del­le digi­tal beschrie­ben. Die in der Cloud erfass­ten Daten bil­den den Digi­ta­len Zwil­ling. Dabei ist jeder Digi­ta­le Zwil­ling wie jedes natür­li­che Lebens­mit­tel spe­zi­fisch. Um die Varia­tio­nen und auch Mess­un­ge­nau­ig­kei­ten bei der Erstel­lung auf­zu­fan­gen, wer­den sta­tis­ti­sche Wahr­schein­lich­keits­aus­sa­gen mit­tels des Digi­ta­len Zwil­lings über den Zustand eines indi­vi­du­el­len Lebens­mit­tels getrof­fen. Durch kon­ti­nu­ier­li­ches Ler­nen des Digi­ta­len Zwil­lings kann der Zustand eines Lebens­mit­tels zukünf­tig bes­ser und genau­er beschrie­ben wer­den. Zudem ist es mit die­sem Ansatz zukünf­tig mög­lich, im zeit­li­chen Ver­lauf die Ände­rung der Qua­li­tät und damit die Sicher­heit eines Lebens­mit­tels vorherzusagen.

Neue Tech­no­lo­gien und Ver­fah­ren für die Lebensmittelüberwachung 

Zur Erfas­sung der Daten setzt das Fraun­ho­fer IVV erst­mals klei­ne, digi­ta­le Gas­sen­so­ren ein, die eine kon­ti­nu­ier­li­che Über­wa­chung des Pro­dukts ermög­li­chen und uner­war­te­te Umwelt­ein­flüs­se detek­tie­ren. Dazu wer­den ana­ly­ti­sche Ver­fah­ren zur Zustands­be­schrei­bung eines Lebens­mit­tels genutzt. All die­se Daten wer­den in der Cloud erfasst und mit wei­te­ren Laborda­ten der Part­ner im Digi­ta­len Zwil­ling abge­bil­det. Mit den Ergeb­nis­sen kann unter ande­rem die Qua­li­täts­pro­gno­se des Pro­dukts an den tat­säch­li­chen Lager­zu­stand ange­passt wer­den. Zum Ein­satz kom­men dabei Gas­sen­so­rik, Head-space-Gas­chro­ma­to­gra­phie mit Mas­sen­spek­tro­me­trie (HS-GC-MS), Gas­chro­ma­to­gra­phie (gekop­pelt) mit Ionen­mo­bi­li­täts­spek­tro­me­trie (GC-IMS), Sauer­stoff­mes­sung bzw. die Bestim­mung von Sauer­stoff­zehr­ra­ten sowie Hyper­spek­t­ral­de­tek­ti­on zur Ana­ly­se und Cha­rak­te­ri­sie­rung gezielt geal­ter­ter und fri­scher Fleisch­pro­ben. Zusätz­lich wer­den bei den Part­nern Mikro­biom­ana­ly­sen durchgeführt.