Eine der größten Herausforderungen in der Landwirtschaft ist die richtige Zeitplanung bei der Obst- und Gemüseernte, damit die Früchte nach dem Transport über Ozeane und Kontinente reif im Supermarkt ankommen. Derzeit testen die Landwirte den Reifegrad mit unhandlichen, schweren Spezialinstrumenten, die oft mehrere tausend Dollar kosten. Der Markt verlangt daher dringend eine kompaktere, kostengünstigere Lösung, die sowohl für kleine als auch für große Landwirte erschwinglich ist und einfach auf dem Feld oder in der Obst- oder Gemüseplantage eingesetzt werden kann.

Deshalb hat ams OSRAM ein Demonstrationssystem entwickelt, das mit Hilfe der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIR) den Zucker- und Trockensubstanzgehalt von Obst und Gemüse sowie anderen Nutzpflanzen misst. Diese Lösung basiert auf der Sensor- und LED-Technologie des Unternehmens und könnte die Grundlage für Testgeräte sein, die weniger als 100 Dollar kosten und mobil genug sind, um überall eingesetzt werden zu können.

Reifetests für Früchte sind heute teuer und zerstörerisch

Für Obst- und Gemüsebauern besteht beispielsweise bei Kiwis und Avocados das Problem darin, dass die Früchte über weite Strecken transportiert werden, bevor sie den Verbraucher erreichen. Sie müssen die Früchte zu einem Zeitpunkt ernten, an dem sie gerade reif genug sind, damit sie auf dem Transportweg ausreichend Zeit haben, um nachzureifen, bevor sie im Supermarktregal landen.

Zur Bestimmung des Reifegrads überwachen die Anbaubetriebe den Zuckergehalt (in BRIX) und den Trockensubstanzgehalt (DMC) der Früchte. Dabei ist die Technologie, die heute am häufigsten zur Messung von BRIX und DMC in Obst- und Gemüseplantagen und Großmärkten eingesetzt wird, entweder teuer oder produziert unnötigen Abfall. Viele Anbaubetriebe verwenden ein kostengünstiges Refraktometer. Hierzu werden die Früchte aufgeschnitten und der Saft vermessen. Die Ware wird dann weggeworfen und kann nicht mehr verkauft werden.

Die NIR-Spektroskopie ist ein alternatives Verfahren, bei dem diese Verschwendung vermieden wird. In einem NIR-Spektrometer beleuchtet ein breitbandiger NIR-Strahler die Oberfläche der Frucht. Jedes Objekt – in unserem Fall eine Kiwi, Avocado oder Tomate – reflektiert oder absorbiert das Wellenlängenspektrum auf unterschiedliche Weise. Dadurch entsteht eine einzigartige optische Signatur, die von einem Spektrometer erfasst und in einer anwendungsspezifischen Software analysiert wird.

Im Gegensatz zum Einsatz eines Refraktometers bleibt die Frucht bei der NIR-Spektroskopie unbeschädigt. Die heute für die Spektroskopie verwendeten Geräte sind jedoch mobile oder labortaugliche Spektrometer, die in der Regel ab 1000 Dollar aufwärts kosten. Das bedeutet, dass BRIX- und DMC-Messgeräte heute selbst in großen Obst- und Gemüseplantagen und -betrieben nur in geringer Zahl eingesetzt werden. In vielen kleinen oder mittelgroßen Familienbetrieben werden sie überhaupt nicht verwendet. Die meisten Früchte werden also nicht getestet, und die getesteten Früchte erreichen nie den Verbraucher.

Da nur eine so geringe Anzahl von Früchten getestet wird, basiert die Lieferkette auf unvollständigen Informationen über den Reifegrad der Früchte. Dies mindert den Gesamtwert der Früchte und wirft Fragen hinsichtlich der Nachhaltigkeit auf, da einige Früchte reifen, bevor sie den Einzelhändler erreichen, und in der Regel vernichtet werden.

Spektralanalyse auf Chipbasis

Die Firma ams OSRAM hat nun ein Musterdesign für eine andere Art von NIR-Spektrometer für die Obstprüfung entwickelt. Diese Entwicklung ist das Ergebnis einer langjährigen Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Spektroskopie zwischen der ehemaligen OSRAM Opto Semiconductors und dem ams Geschäftsbereich Optische Sensoren. Das neue Design ersetzt die alte Technologie in herkömmlichen Spektrometern durch fortschrittliche optische Halbleiter: der Oslon P1616 SFH4737, ein Breitband-NIR-Emitter (Abbildung 1), und ein 64-Kanal-NIR-Spektrometer-IC, das noch nicht im Handel erhältlich ist und Abmessungen von nur 6,6 mm x 6,0 mm x 2,2 mm hat. Dadurch ist das System von ams OSRAM klein, leicht und tragbar, und die Kosten für ein kommerzielles Obst- und Gemüsetester-Produkt können so niedrig sein, dass es sich auch normale Anwender leisten können.

Dieses Design erlaubt eine drastische Kostenreduzierung bei einer Leistung, die mit bewährten NIR-Spektrometern auf dem Markt vergleichbar ist. Für eine präzise NIR-Spektroskopie sind ein breitbandiger NIR-Emitter und ein Sensor erforderlich, der die verschiedenen Wellenlängen des NIR-Lichts präzise unterscheiden kann. Der Emitter Oslon P1616 SFH 4737 verfügt über ein breites Wellenlängenspektrum von 650-1050 nm, mit einer ausgewogenen Leistungsverteilung ohne verzerrende Spitzen oder Senken. Mit nur 1,6 mm x 1,6 mm x 0,9 mm ist er ein extrem kleiner NIRED für Spektroskopieanwendungen. Er arbeitet auch mit dem Spektralsensor zusammen und bietet eine hohe Empfindlichkeit und Selektivität über den Wellenlängenbereich von 750-1050 nm.

Die Spektralmessungen des Sensors werden mit speziellen chemischen Analysemodellen weiterverarbeitet, um Werte für BRIX und DMC zu erhalten. Die Diagramme in Abbildung 2 zeigen, dass das Demo-System Messergebnisse liefert, die mit denen eines Referenzgeräts vergleichbar sind, das mehrere tausend Dollar kostet.

Verfolgung des Reifegrads in Echtzeit

Das kostengünstige und leistungsstarke System von ams OSRAM eröffnet neue Möglichkeiten, mit denen Anbaubetriebe, Groß- und Einzelhändler den Reifegrad in jeder Phase der Lieferkette prüfen können. Eines Tages werden Verbraucher mit einem in Smartphones eingebauten NIR-Spektrometer sogar in der Lage sein, den Reifegrad und den Nährstoffgehalt von Produkten im Regal zu beurteilen, bevor sie diese auswählen.

Die langfristige Vision ist, dass die spektrale Prüfung des Reifegrads von Früchten so kostengünstig wird, dass mehrere Prüfgeräte in Obst- und Gemüseplantagen in einer Dichte von einem Gerät pro 1000 m² installiert werden können. Sie liefern dann in Echtzeit Reifedaten für Pflanzen in einer einzigen Plantage, die unterschiedlicher Sonneneinstrahlung, Feuchtigkeit und Lufttemperatur ausgesetzt sind.

Durch den breiten Einsatz präziser Reifetests können Anbaubetriebe und Transporteure die Ernte und den Versand von Obst und Gemüse besser aufeinander abstimmen, so dass mehr Obst und Gemüse in optimalem Zustand in den Supermarktregalen ankommt. Dadurch wird die Lebensmittelverschwendung drastisch reduziert und der Wert von Obst und Gemüse für Anbaubeitriebe und Händler gleichzeitig gesteigert.