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Motivation

In der heutigen Zeit fordern Konsumenten einen uneingeschränkten Zugang zu allen Obst- und Gemüsesorten. Es wird erwartet, dass das angebotene Obst und Gemüse frisch sowie qualitativ hochwertig ist und dabei bezahlbar bleibt. Um die Hersteller zur Erfüllung der Kundenwünsche zu bewegen und einen besseren Schutz der Verbraucher vor minderwertigen Nahrungsmitteln zu gewährleisten, werden die vom Gesetzgeber erlassenen Vorgaben bezüglich Rückverfolgung und Qualitätssicherung von der Produktion, über den Transport, bis hin zum Endverbraucher von Nahrungsmitteln zunehmend strenger. So schreibt beispielsweise die EU Richtlinie 178/2002 [1] neue Qualitäts-standards für die Lebensmittellogistik vor.


Die Forderung der Gesetzgeber gegenüber der Logistikbranche ist sinnvoll, da zwar während der Nahrungsmittelproduktion in der Regel eine ausreichende Qualitätsüberwachung vorhanden ist, aber eine unmittelbare Qualitätskontrolle während der Nahrungsmitteltransporte zum Kunden hin so gut wie nicht stattfindet. Die technisch bedingte Messung von Umweltparametern während des Transports, wie z. B. die für die Regelung der Temperatur in Kühlcontainern notwendige Temperaturerfassung, ist für eine Qualitätsüberwachung von Nahrungs-mitteln nicht ausreichend. Dies liegt zum einen daran, dass die Temperaturen in einem beladenen Container an unterschiedlichen Messpositionen stark voneinander abweichen können [2].

Zum anderen müssen die Messdaten mit dem Verhalten der Qualität der aktuell geladenen Ware in Verbindung gebracht, ausgewertet und an eine Person oder einen Computer weitergeleitet werden. Ebenfalls ist in vielen Fällen die alleinige Verwendung der Temperatur zur Bestimmung der Warenqualität nicht ausreichend. Vielmehr müssen mehrere Umgebungsparameter herangezogen werden, um eine Aussage über die momentane Qualität der Ware sowie über deren zukünftige Veränderung machen zu können. Um die gesetzlichen Vorgaben und die Kunden-wünsche zu erfüllen, werden derzeit vermehrt Anstrengungen bei der Entwicklung von Technologien zur autonomen Überwachung diverser Umweltparameter in Containern und Trailern unternommen, wobei die Überwachung von Temperatur und Feuchte im Mittelpunkt stehen. Ziel ist es, Hardware zu entwickeln, die eine Online-Überwachung der Qualität von Nahrungsmitteln während des Transports ermöglicht.

Die Fruchtlogistik stellt besondere Anforderungen an die Entwicklung solcher Systeme. Zwar beeinflussen Temperatur und Feuchte transportierte Früchte, jedoch genügt die Kenntnis über diese Parameter nicht aus, um eine Aussage über den Reifezustand und damit über die Qualität der Ware machen zu können. Es werden vielmehr Informationen über die Konzentration von Ethylen in der Umgebung der transportierten Früchte benötigt. Ethylen ist ein Gas, das von vielen Obstsorten, neben Kohlenstoffdioxid, während ihres Reifevorgangs abgegeben wird. Die Ethylenabgabe findet auch nach der Ernte statt. Dabei ist die Menge des abgegebenen Ethylens vom Reifezustand des Obstes abhängig. Ein typischer Verlauf der durch Obst abgegebenen Ethylenmenge als Funktion der Zeit ist in Bild 1 qualitativ dargestellt [3].

 

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Bild 1: Beispiel für den qualitativen Verlauf der während des Reifeprozesses von Obst abgegebener Ethylenmenge in Abhängigkeit der Zeit (Größenordnung abgegebene Ethylenmenge: μl/(kg · h); Größenordnung Zeit: Tage).


Anhand des Verlaufs des Graphen kann der Reifeprozess von Obst grob in drei Stadien unterteilt werden. Im so genannten Vorklimakterium befindet sich das Obst im Stadium der Vorreife. Hier werden sehr geringe Mengen von Ethylen an die Umgebung abgegeben. Kurz vor dem Zustand der Reife steigt die Ethylenproduktion rapide an, bis im Zustand der Reife die Menge des an die Umgebung abgegebenen Ethylens ein Maximum erreicht. Dem Zustand der Reife folgt das Postklimakterium bzw. die Überreife. Hier nimmt die Menge des produzierten Ethylens mit der Zeit ab. Wird die von Obst abgegebene Ethylenmenge gemessen und ist die Ausgangsreife der Früchte bekannt, so kann aufgrund des beschriebenen Verhaltens der aktuelle Reifegrad der Früchte errechnet bzw. die zukünftige zeitliche Entwicklung des Reifegrads abgeschätzt werden.
Eine weitere Notwendigkeit für die Messung der Ethylenkonzentration während des Fruchttransports geht aus der Eigenschaft des Ethylen hervor, bei Kontakt mit Obst als Reifebeschleuniger zu wirken. Befindet sich Obst im Vorklimakterium, leitet die Begasung mit Ethylen die Reifephase ein [4]. Dieses um 1930 entdeckte Phänomen führte zur Einführung der so genannten Reifekammern in der seebasierten Fruchtlogistik, die bis in die heutige Zeit verwendet werden. Um zu verhindern, dass Obst während des Seetransports verdirbt, wird das Obst im unreifen Zustand abgeerntet und z. B. von Südamerika nach Europa auf dem Seeweg transportiert. Am Zielpunkt angekommen muss das Obst, noch im Zustand der Vorreife, in Reifekammern mit Ethylen begast werden. Dadurch wird der eigentliche Reifeprozess der Früchte initiiert und das Obst kann im reifen Zustand verkauft werden.
Gibt Obst jedoch bereits während des Transports bestimmte Mengen von Ethylen an die Umgebung ab, weil z. B. einige Früchte im Container reifer sind als andere, kann es dazu kommen, dass schon während des Transports der Reifeprozess eingeleitet wird und das Obst noch mehr Ethylen abgibt. Dadurch kann eine Kettenreaktion ausgelöst werden, die dazu führt, dass die Ladung eines Containers beim Erreichen des Zielortes verdorben und damit unverkäuflich ist. So entstehen alleine bei Obstproduzenten, die Ihre Waren auf dem Seeweg transportieren, Warenverluste von mehreren 10 Prozent. Hinzu kommen Kosten für die Entsorgung der verdorbenen Waren, Versicherungskosten und evtl. Rechtskosten für die am Transport beteiligten Parteien.
Um diese Verluste zu minimieren bzw. eine Qualitätsänderung des Obstes frühzeitig zu erkennen, werden von der Fruchtlogistikbranche mobile Messsysteme benötigt, die Ethylenkonzentrationen in der Transportumgebung autonom ermitteln können. Zudem müssen die Systeme besondere Spezifikationen erfüllen, die im einzelnen nachfolgend erläutert werden.