Fälschungen und minderwertige Produkte wie etwa Olivenöl aus gefärbtem Rapsöl lassen sich auf die Schnelle kaum oder gar nicht identifizieren. Ein mobiles Gaschromatographie-Sensorsystem soll künftig helfen, falsch deklarierte Produkte direkt vor Ort zu erkennen. Drei Fraunhofer-Institute entwickeln das preiswerte, leicht bedienbare Gerät, das auch Analytik-Laien eine schnelle, umgehende Bewertung ermöglicht.
Der Lebensmittelbetrug nimmt seit Jahren zu. Hohe Nachfrage, starker Preisdruck und komplexe Lieferketten schaffen ideale Bedingungen für falsche Etikettierungen. Der Schwindel kann zu erheblichen Gesundheitsrisiken führen, wenn schädliche Inhaltsstoffe verwendet werden. Erkennen lassen sich gefälschte Lebensmittel bislang nur durch aufwändige, teure Untersuchungen im Labor. Zudem erfordern die laborgestützten Analysesysteme Fachpersonal zur Bedienung und Datenauswertung. Fraunhofer-Forschende wollen hier Abhilfe schaffen: Im Fraunhofer PREPARE-Projekt PUMMEL (siehe unten) vereinen Forschungsteams der Fraunhofer-Institute für Photonische Mikrosysteme IPMS, für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME sowie für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV ihre Kernkompetenzen aus den Bereichen Gaschromatographie-Messmethoden, Sensorentwicklung und chemische Sensorik. So wollen sie ein mobiles Gaschromatographie-Sensorsystem für den schnellen Vor-Ort-Nachweis von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) entwickeln. VOCs sind chemische Verbindungen, die charakteristisch für eine bestimmte Zusammensetzung oder gesundheitliche Gefährdung sind und mit Veränderungen von Produkteigenschaften in Verbindung gebracht werden. Die Detektion von VOCs ist in vielen Bereichen von großer Bedeutung. Dazu zählen etwa die Lebensmittelqualität und -sicherheit, medizinische Marker, zivile Sicherheit, Landwirtschaft und die chemische Industrie.
»Der Bedarf für eine kostengünstige, schnelle und robuste Vor-Ort-Messtechnik, die sofort Ergebnisse liefert, ist hoch. Unser System ist nicht beliebig, aber aufgrund seiner Modifizierbarkeit vielseitig einsetzbar«, sagt Dr. Olaf Hild, Abteilungsleiter am Fraunhofer IPMS. »Im Projekt PUMMEL konzentrieren wir uns beispielhaft auf zwei industrierelevante Leitanwendungen – zum einen auf die Identifikation von gefälschtem Olivenöl, das zu den Top 10 der am häufigsten gefälschten Lebensmittel zählt, und zum anderen auf die Identifikation von verunreinigten Kunststoffrezyklaten, die sich etwa in Verpackungen anlagern. Dies ist insofern bedeutend, als die Recyclingquote mit fast 70 Prozent 2025 einen neuen Höchststand erreicht hat. Hierfür entwickeln wir zwei applikationsspezifische Demonstratoren zur VOC-Detektion.« Prof. Mark Bücking, Abteilungsleiter am Fraunhofer IME, ergänzt: »Wir paaren die Interessen der Industrie mit der wissenschaftlichen Herausforderung. Der Fokus liegt auf der technologischen Innovation zum Wohl der deutschen und europäischen Wirtschaft.«
Das später Umhängetaschen große mobile System besteht aus einer Siliziumchip-basierten Gaschromatographie-Säule (GC-Säule), einem Detektor bzw. Sensor, einer inte-grierten Probenvorbereitung, einer Ansteuerungs- und Auswertelektronik sowie einer Energieversorgung. »Die Gaschromatographie (GC) ist eine analytische Methode zur Trennung, Identifizierung und Quantifizierung von Stoffgemischen, die sich für gasförmige oder unzersetzt verdampfbare Substanzen eignet. Dabei wird eine Probe mithilfe eines Trägergases zunächst durch die GC-Säule transportiert, die wir in einen schnell heiz- und abkühlbaren Siliziumchip geätzt haben«, erläutert Dr. Hild. In der Säule kommt es zu Wechselwirkungen der Gasmoleküle mit den mit Polymeren beschichteten Innenwänden. Die VOCs reagieren je nach Affinität mit der Innenschicht der Säule, das Stoffgemisch wird getrennt. Am Ende der chipbasierten GC-Säule misst ein Detektor die nach ihrer Molekülart sortierten Substanzen, was zu einem Gaschromatogramm mit Peaks führt, aus denen auf die Zusammensetzung des Gemischs geschlossen werden kann. Die Bewertung der Messdaten übernimmt das Fraunhofer IME. Im Fall des Olivenöls ist das Ziel, Parameter wie etwa das Herkunftsland, das Alter und den Reinheitsgrad zu ermitteln.
Aktuelle Tests mit einer konventionellen GC-Säule mit einer Länge von drei Metern zeigen eine zuverlässige Trennleistung der VOCs und ermöglichen die Bewertung der Proben. GC-Säulen in konventionellen, teuren Labor-Gaschromatographen sind häufig über 30 Meter lang und verfügen über eine bessere Trennleistung, die für die Qualitätsbewertung von zahlreichen Lebensmitteln allerdings nicht erforderlich ist. Die Fraunhofer-Forschenden stehen unter anderem vor der Herausforderung, miniaturisierte GC-Säulen zu designen, die in der Lage sind, lebensmittelspezifisch die flüchtigen organischen Verbindungen ausreichend zu trennen.
»Mit unserem System adressieren wir Laien wie etwa den Abfüller und den Wareneingangsprüfer, die das Gerät ohne fachliches Know-how problemlos nach einer kurzen Einweisung bedienen können«, sagt PD Dr. Tilman Sauerwald, Wissenschaftler am Fraunhofer IVV, wo die Demonstratoren derzeit entwickelt werden. »Die Komponenten unseres Systems lassen sich anwendungsspezifisch anpassen, sodass es sich für die Qualitätskontrolle in vielen Anwendungen, zum Beispiel bei der Bewertung von recycelten Kunstoffen, eignet. Gemeinsam mit der Industrie realisieren wir gerne maßgeschneiderte Applikationsentwicklungen.«
Die Forschenden werden einige Ergebnisse des Projekts vom 24. bis 27. März 2026 auf der Messe Analytica in München am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle 3, Stand 312 präsentieren.
Fraunhofer PREPARE-Projekt PUMMEL
Point of Use Micro-Multichannel-Gas-Chromatograph
Laufzeit:
März 2023 bis August 2026
Fördergeldgeber:
Fraunhofer-Programm PREPARE
Projektpartner:
• Fraunhofer IME (Validierung und Benchmarking)
• Fraunhofer IPMS (Bauelementkonzept für die Chip-basierte Umsetzung, Entwicklung der GC-Trennsäule)
• Fraunhofer IVV (Probenvorbehandlung, Systemelektronik und Integration)
Fraunhofer-Gesellschaft