Coldchainmanagement Frischeverlust und Resthaltbarkeit: RFIDs und Temperatursensoren geben Auskunft Dr. Judith Kreyenschmidt Prof. Dr. Petersen Institut.

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1 coldchainmanagement Frischeverlust und Resthaltbarkeit: RFIDs und Temperatursensoren geben Auskunft Dr. Judith Kreyenschmidt Prof. Dr. Petersen Institut für Tierwissenschaften Abt. Präventives Gesundheitsmanagement Katzenburgweg 7-9, 53115 Bonn www.itw.uni-bonn.de www.ccm.uni-bonn.de

2 coldchainmanagement Koordinatorin: Dr. J. Kreyenschmidt Arbeitsgruppe „Cold Chain-Management“ der Universität Bonn Abteilung Präventives Gesundheitsmanagement Abteilung Haushalt- und Verfahrenstechnik Abteilung Lebensmitteltechnologie Wissenschaftliche Mitarbeiter, Doktoranden: Prof. Dr. B. PetersenProf. Dr. R. StammingerProf. Dr. B. Kunz Thomas Lettmann Simone Thomas Astrid Klingshirn Dr. Susanne Knura Yvonne Kampmann Stefanie Bruckner Verena Raab Vassilis Gkisakis Dr. Tobias Thiele Diplomanden: Kerstin Kloft, Magaretha Dschepper, Kerstin Hesel, Leonie Consch, Mira Emons, Elisabeth Puchert, Ulrike List; Annika Scherer, Yasmin Habibullah, Sanae Langhuth, Ulrike Schulze-Tomberge, Stefanie Slüter, Christine Wibbeling Institut für TierwissenschaftenInstitut für Landtechnik Institut für Ernährungs- und Lebensmittelwissenschaften

3 coldchainmanagement Arbeitsgruppe „Cold Chain-Management“ der Universität Bonn Forschungsschwerpunkte der Arbeitsgruppe Bestimmung von Verderbsprozessen und Qualitätsparametern Erstellung von Simulationsmodellen zur Prognose der Lebensmittelqualität, Resthaltbarkeit und des Verzehrsrisikos von kühlpflichtigen Lebensmitteln. Konzeption und Entwicklung technologische Methoden zur Verbesserung der Lebensmittelqualität und zur Verlängerung der Haltbarkeit Untersuchung zur Nutzung von innovativen Lösungen im Bereich „Cold-Chain- Management“ und Lebensmittellagerung (Temperatur-Zeit-Indikatoren) Untersuchung neuer Hygienetechniken und deren Auswirkungen auf die Lebensmittelqualität

4 coldchainmanagement Einflussfaktoren auf den Frischeverlust Möglichkeiten der Temperaturüberwachung in der Kühlkette Modelle zur Beschreibung des Fischeverlustes Einsatz von RFIDs und TTIs zur Frischeüberwachung Gliederung Frischeverlust und Resthaltbarkeit: RFIDs und Temperatursensoren geben Auskunft

5 coldchainmanagement Frische: Zustand des Produktes und seines Stoffwechsels zum Schlacht- bzw. Erntezeitpunkt. Frischezustand ist veränderlich und durchläuft verschiedene Entwicklungsstufen: Frischegrad, Frischestadium Was bedeutet „Frischeverlust“ Frischeverlust: ist die Abnahme von Qualität (schwierig zu definieren) Ursache: Mikrobiologische Stoffwechselaktivitäten, produkteigene Enzyme, Oxidationsprozesse,…….. Einflussfaktoren auf den Frischeverlust

6 coldchainmanagement Endogene Faktoren: a w & pH-Wert, Art der Inhaltsstoffe Licht: UV, Infrarot Gas: O 2 ;CO 2, Ethylen; N 2 Luftfeuchtigkeit Druck Exogene Faktoren Einflussfaktoren auf den Frischeverlust Zeit Temperatur Der Frischeverlust eines Lebensmittels wird in erster Linie durch die Temperaturbedingungen beeinflusst Einflussfaktoren auf den Frischeverlust

7 coldchainmanagement Lagerzeit (h) Haltbarkeit 2°C 5°C 10°C Temp 2°C Temp. 5 °C Temp 10°C Einfluss der Temperatur auf die Haltbarkeit am Beispiel von frischem Schweinfleisch Mit zunehmender Temperatur verkürzt sich die Haltbarkeit Ende der Haltbarkeit Einflussfaktoren auf den Frischeverlust

8 coldchainmanagement Temperaturverläufe in der Praxis ProduzentTransport Großhändler Transport Einzelhändler Verbraucher 6 12345 Die Kühlkette frischer Lebensmittel ist gekennzeichnet durch wechselnde Temperaturbedingungen Einflussfaktoren auf den Frischeverlust

9 coldchainmanagement Möglichkeiten der Temperaturüberwachung Konventionelle Thermometrie Elektronische Datenlogger Temperatur-Zeit-Integratoren Sensoren, die einfach und zuverlässig die Temperaturhistorie des Produktes durch Farbumschläge anzeigen Autarke Mikrosysteme Miniaturisierte Systeme zur drahtlosen Datenübertragung: Mikrosensor, Signalverarbeitungskomponente, Energieversorgung Kommunikation auf Basis von standardisierter Funktechniken (Bluetooth, GSM, usw.), optische Verfahren (Infrarot,..), Ultraschall oder elektromagnetisch Verfahren (RFID). Möglichkeiten der Temperaturüberwachung in der Kühlkette

10 coldchainmanagement RFID: automatisches Identifikations- und Datenerfassungssystem mit kontaktloser Datenübermittlung auf Basis der Radiofrequenztechnologie Der „RFID-Tag“ (Transponder) besteht aus einem Chip mit integriertem, einfachem Prozessor, einer Antenne und dem zugehörigen Speichermedium, welches i. d. R. eine Speicherkapazität zwischen 64 Bytes und mehreren KB besitzt, Frequenzbänder reichen von 30 KHz bis 5,8 GHz Autarke Microsysteme auf Basis von RFIDs mit integriertem Temperatursensoren Aktive Transponder (integrierte Batterie)Passive Transponder (keine Batterie) weite Reichweite zum Auslesen Hohe Speicherkapazität geringerer Preis (fast) keine Alterung kleines Design Lesegerät RFID-Tag“ (Transponder) mit Temperatursensor EDV System RFID-Middleware Möglichkeiten der Temperaturüberwachung in der Kühlkette

11 coldchainmanagement Autarke Microsysteme auf Basis von RFIDs Smart Active Label „Transponder inklusive Antenne werden auf eine Folie (Inlay) aufgebracht (Etikett), plus Sensoren zur Überwachung der Umweltbedingungen Semiaktiver Transponder; d.h. Mikrochip und Speicher von einer eigenen Stromquelle versorgt, die Leistung zur Datenübertragung wird aus dem Sendefeld übernommen Vorteile von RFID Systemen zur Temperaturüberwachung: schnelle Lesbarkeit richtungsunabhängige Lesevorgänge gleichzeitige Auslesevorgänge mehrerer Transponder ist möglich Mehrfachnutzung Schnelle Reaktionszeit durch geringe Wärmekapazität Schutzmatrix, z.B. Papier Klebstoff Chip Batterie Antenne Möglichkeiten der Temperaturüberwachung in der Kühlkette

12 coldchainmanagement Temperatur-Zeit-Integratoren (TTI) Prinzip: temperaturabhängige chemische, physikalische und enzymatische Reaktionen Nutzen /Vorteile: Kontinuierliche Überwachung der Produkttemperatur. Beurteilung des Frischezustandes bzw. der noch verbleibenden Haltbarkeit des Produktes (produktbegleitende Kontrolle) Voraussetzungen: einfache Handhabung, hohe Zuverlässigkeit, geringe Kosten, unabhängig von externen Einflüssen, Visualisierbarkeit der Reaktion, hohe Resistenz gegenüber mechanischen Beanspruchungen, nicht toxisch Die wichtigste Voraussetzung, die TTIs erfüllen müssen, ist eine leichte Anpassung an Lebensmittelverderbsprozesse Möglichkeiten der Temperaturüberwachung in der Kühlkette

13 coldchainmanagement Zeit-Temperatur-Integratoren am Markt Fresh-Check, TempTime Polymerisation von farblosem Monomer zum farbigen Polymer CheckPoint, Vitsab Enzymatisch bedingte Hydrolyse, eines lipid-haltigen Substrats bedingt pH-Wert Erhöhung ONVU, Freshpoint Photochrome Eigenschaften auf Basis von einer lichtinduzierten Transfer-Reaktion Aktivierung: Bestrahlung mit Photonen eines bestimmten Energiebereichs (UV-Licht) EnzymSubstrat + pH-Indikator Aktivierung Enzymatisch bedingte Hydrolyse pH-ÄnderungFarbwechsel Möglichkeiten der Temperaturüberwachung in der Kühlkette

14 coldchainmanagement Einsatz von Temperatur-Zeit-Indikatoren und RFIDs zur Bestimmung des Frischeverlustes Voraussetzung: Detaillierte Kenntnis über den Verderbprozess eines Lebensmittels Erstellung eines Modells zur Beschreibung des Frischeverlustes in Abhängigkeit von der Temperatur Die Anwendung von TTIs erfordert die zusätzliche Charakterisierung des Entfärbeprozesses der Indikatoren Modelle zur Beschreibung des Fischeverlustes

15 coldchainmanagement 1. Charakterisierung des Frischeverlust Bestimmung lebensmittelspezifischer Keime Beurteilung von Farbe, Geruch, Textur, Geschmack Nachweis von Metaboliten, Veränderungen von Inhaltsstoffen, Abbauprodukte Mikro- biologisch: Sensorisch: Chemisch/ Physikalisch: Der Frischeverlust eines Lebensmittel kann über die Veränderung eines Qualitätsparameters (Y) mit der Zeit beschrieben werden: Qualitätsfunktion Modelle zur Beschreibung des Fischeverlustes Definition des Qualitätsparameters d[Y] = k [Y] m oder Q(Y) = k*t dt Y = Qualitätsparameter k = Geschwindigkeitskonstante t = Zeit m = Reaktionsordnung Q = Qualität

16 coldchainmanagement 2. Charakterisierung des Frischeverlust Ermittlung des Verhaltens über die Zeit (Festlegung der Reaktionsordnung) ReaktionsordnungQualitätsfunktionBeispiel 0Y 0 –Y t = k * tNichtenzymatische Bräunung, Sensorik 1ln(Y 0 /Y t ) = k * tMikrobiologische Wachstum, Vitaminverlust usw. ZEIT QUALITÄT Modelle zur Beschreibung des Fischeverlustes

17 coldchainmanagement Quelle: Lettmann 2006 Veränderung des Qualitätsparameters „Mikrobiologisches Wachstum“ (Pseudomonas) und „Sensorik“ in Abhängigkeit von der Temperatur „Sensorik“ Wachstum von Pseudomas -dQ(Y) = k (E i ; X j ) dt Ei = Endogene Faktoren Xj = Exogene Faktoren Q = Qualität; t = Zeit Y = Qualitätsparameter k = Geschwindigkeitskonstante T = Temperatur -dQ(Y) = k (T) dt 3. Einflussfaktoren auf den Frischeverlust Modelle zur Beschreibung des Fischeverlustes Zur Berechnung des Frischeverlustes durch die Qualitätsfunktion muss die Geschwindigkeitskonstante k bestimmt werden

18 coldchainmanagement Beschreibt die Reaktionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur, (wenn alle Faktoren außer Temperatur = konstant) k (T) = k a e -Ea / RT Auftragen von ln k gegen 1/T  Gerade mit Steigung - E A / R Arrhenius-Plot 4. Berechnung des Frischeverlustes in Abhängigkeit von der Temperatur Arrhenius-Modell k = Geschwindigkeitskonstante ka = Reaktionskonstante Ea = Aktivierungsenergie T = Temperatur R = universelle Gaskonstante ln (N/N 0 ) = k  exp. [ -E A /R * T] *t S t – S 0 = k  exp. [ -E A /R * T] *t d[Y] = k [Y] m oder Q(Y) = k*t dt 1 Ord.: 2 Ord.: Modelle zur Beschreibung des Fischeverlustes

19 coldchainmanagement Einsatz von RFIDs kombiniert mit Temperatursensoren zur Berechnung des Frischeverlustes und der Resthaltbarkeit Reader / Controller Palettenkennzeichnung mit RFID und Temperatursensor Wareneingang Datentransfer Berechnung der Resthaltbarkeit Unterstützung bei Lagerhaltungs- Systemen S t = S 0 + [k  0 ∫ t exp. (-E A /R * T) *t] N t = N 0 exp [k  0 ∫ t exp. [-E A /R * T] *t] Einsatz von RFIDs und TTIs zur Frischeüberwachung

20 coldchainmanagement Einsatz von TTIs zur Berechnung des Frischeverlustes und der Resthaltbarkeit Produktkennzeichnung mit TTIs Datentransfer Berechnung der Resthaltbarkeit Farbmessgerät Wareneingang Unterstützung bei Lagerhaltungs- Systemen Einsatz von RFIDs und TTIs zur Frischeüberwachung

21 coldchainmanagement Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit