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Nachhaltige Lebensmittelverarbeitungsketten

Schwerpunktthema der Forschungsgruppe Lebensmitteltechnologie

Ein Drittel aller Lebensmittel gehen über Verluste oder als Abfall verloren. Diese Verluste gilt es zu minimieren und gleichzeitig neue Rohmaterialien durch geeignete Verarbeitungsschritte zu erschliessen.

Lebensmittelherstellung und insbesondere -verschwendung wird viel diskutiert, denn ein Drittel des globalen Energieverbrauches wird heutzutage verwendet, um Lebensmittel zu produzieren, wovon wiederum ein Drittel weggeworfen wird. Diese jährlich anfallenden 1.3 Milliarden Tonnen an Lebensmittelabfall entsprechen in etwa einem 1800 km hohen Turm auf der Fläche eines Fussballfeldes. Diese grossen Herausforderung rund um ökologische Nachhaltigkeit, gekoppelt mit den neuen technologischen Möglichkeiten der heutigen Zeit führen zu spannenden Fragestellungen: Mit welchen Massnahmen lassen sich Herstellungsprozesse optimieren und Verluste von Lebensmitteln vermeiden? Welche neuen Rohmaterialien stehen zur Verfügung und wie können diese verarbeitet werden? Was sind dabei die Herausforderungen bezüglich der Lebensmittelsicherheit, beispielsweise, wenn wir Lebensmittelnebenproduktströme verwerten wollen? Wie können die neuen Ansätze rentabel umgesetzt werden? Und welchen Beitrag zur Lösung der komplexen Fragestellungen kann die fortschreitende Digitalisierung bieten? Zur Beantwortung dieser vielschichtigen Fragen ist die Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Akteuren der Lebensmittel-Wertschöpfungskette und verschiedenen Forschungsrichtungen unumgänglich.

Die Forschungsgruppe Lebensmitteltechnologie des Institutes für Lebensmittel- und Getränkeinnovation der ZHAW erarbeitet Verarbeitungsprozesse, die die Nutzung von Rohmaterialien maximieren, die Verwertung und Rückführung von Nebenproduktströmen in die Lebensmittelkette erlauben, die Verarbeitung neuer Proteinquellen ermöglichen und nicht nachhaltige Rohmaterialien ersetzen lassen. Ergänzend erarbeitet die Gruppe Bewertungsmethoden zur Quantifizierung der erreichten Effekte und forscht an intelligenteren Verarbeitungsprozessen durch Digitalisierung.

Projektbeispiele 2020 Nachhaltige Verarbeitungsketten

Palmölersatz in Backwaren

Aufgrund seiner Effekte auf Textur und Haltbarkeit sowie dem eher tiefen Preis findet Palmöl regelmässig Einsatz in Backwaren. In den letzten Jahren stieg der Wunsch nach Alternativen, da die ökologische und soziale Nachhaltigkeit der Palmölproduktion in Frage gestellt werden. Dies ist wegen der einzigartigen texturierenden Eigenschaften eine Herausforderung für die Backwarenindustrie.

Ungehärtetes Rapsöl wurde im durch Swiss Food Research geförderten Projekt mittels neuartiger physikalischer Technologien wie der Kristallisation von Wachsen sowie der Herstellung von Pickering Emulsionen und Schäumen modifiziert, um die Eigenschaften von Palmöl zu simulieren.

Die Analyse der resultierenden Zwischenprodukte zeigte, dass die Ausgangsviskosität der Palmöl-Ersatzprodukte tief war im Vergleich zu Palmöl. Hingegen waren die Ersatzprodukte in der Anwendung in Backwaren mit Palmfett annähernd vergleichbar: die hergestellten Teige sowie die gebackenen Kekse wurden sowohl bezüglich der Verarbeitbarkeit als auch bezüglich der analytisch und sensorisch ermittelten Endprodukteigenschaften als mit Palmöl vergleichbar eingestuft.

⇒ Publikation «Evaluation of innovative technological approaches to replace palm fat with physically modified Swiss rapseed oil in bakery products» (Schmid et al., 2020)

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Food Chain Model

Lebensmittel durchlaufen eine lange Kette von Prozessen von der landwirtschaftlichen Produktion bis zum Konsumenten: Alle diese Prozesse haben einen Einfluss auf die Umwelt, indem Land, Wasser, Energie sowie weitere natürliche Ressourcen gebraucht werden und Emissionen in die Umwelt entstehen. Zusätzlich fallen auf jeder der 6 Stufen der Lebensmittelkette (landwirtschaftliche Produktion, Handel, Verarbeitung, Detailhandel, Gastronomie und Haushalte) Lebensmittelverluste und Abfälle an, die in der Kehrichtverbrennungsanlage verbrannt, in der Biogasanlage vergärt, kompostiert oder an Nutztiere verfüttert werden. Flüssige Abfälle enden meist im Abwasser.

Für ein nachhaltiges Ernährungssystem müssen (i) fossile Energieträger durch erneuerbare Energiequellen substituiert werden, (ii) der Verbrauch nachwachsender Rohstoffe auf ein Mass reduziert werden, welches die natürliche Regenerationsrate des Planeten nicht übersteigt, (iii) der Landverbrauch soweit reduziert werden, dass genügend Flächen für natürliche Ökosysteme übrigbleiben und (iv) der Wasserverbrauch nicht zur Absenkung des regionalen Grundwasserspiegels führt.

Das Sustainable Food Chain Model (FCM) (PDF 442,2 KB) soll es ermöglichen, alle relevanten Umwelteffekte von Ernährungssystemen beispielsweise eines Landes, einer Stadt oder einer Firma abzubilden. Dazu wird zuerst eine Massen- und Energieflussanalyse des untersuchten Ernährungssystems erstellt (grüne und blaue Pfeile in der nachfolgenden Abbildung) und anschliessend die relevanten Inputs aus der Umwelt sowie Emissionen in die Umwelt (rote Pfeile) mittels Ökobilanzierung modelliert. Das FCM soll eine Entscheidungsgrundlage für die Optimierung von Prozessen entlang der Wertschöpfungskette liefern, indem jeweils der Status quo sowie mögliche Szenarien ökologisch bewertet und verglichen werden können. Damit wollen wir in Zukunft Massnahmen mit besonders grossem Umweltnutzen identifizieren und priorisieren.

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Strategien zur Reduktion von Mykotoxinen in Weizen

Weizen als ein Grundnahrungsmittel beinhaltet wertvolle Nährstoffe, insbesondere in Vollkornprodukten. Gleichzeitig sind 25% der weltweiten Ernte von Schimmelpilzen befallen, von welchen einige Arten und Stämme toxische Stoffe bilden können. Diese sogenannten Mykotoxine sind chemisch und physikalisch stabil und überleben die Lebensmittelverarbeitung. Ihr physiologischer Effekt reicht von akuten Vergiftungserscheinungen bis hin zu Langzeiteffekten wie Krebs oder Immundefizienz. Die Belastung mit Mykotoxinen nimmt im Allgemeinen von Kornoberfläche zu Korninnerem ab, was einer der Gründe ist, wieso Weizenkleie auch heute noch oft als Tierfutter verwendet oder verbrannt wird.

Unser Team aus Forschern der Forschungsgruppen Biokatalyse, Lebensmittelbiotechnologie, Lebensmittelchemie und Lebensmitteltechnologie der Institute für Chemie und Biotechnologie (ICBT) sowie Lebensmittel- und Getränkeinnovation (ILGI) arbeitet daran, Ansätze zum Abbau von Mykotoxinen zu entwickeln: durch eine Vorbehandlung der Weizenkörner werden die Randschichten durchlässiger gemacht. Anschliessend werden hochspezifische Enzyme sowie funktionelle Mikroorganismen aufgebracht und ihre Effektivität im Mykotoxinabbau analytisch nachgewiesen.

Durch das Zusammenspiel dieser fachübergreifenden Ansätze soll der gefahrlose Konsum von Getreiderandschichten ermöglicht und so zu einer nachhaltigeren Wertschöpfungskette beigetragen werden.

⇒ mehr Informationen und Video

⇒ Artikel LM 09/20 «Strategien zur Reduktion von Mykotoxinen in Getreide» (PDF 1,1 MB)

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Intelligente Prozessführung durch Digitalisierung

Für die Endproduktqualität von prozessierten Lebensmitteln spielen die Rohstoffeigenschaften und Prozessführung eine wichtige Rolle. Naturgemäss schwankt die Rohstoffqualität aber u.a. in Abhängigkeit von Herkunft, Saison und Witterung, während die Prozessführung innerhalb eines gewählten Verfahrens konsistent, aber starr ist. Mit intelligenter Prozessführung können Verfahren flexibler den eingehenden Qualitätsschwankungen entsprechend angepasst und so die gesamte Wertschöpfungskette nachhaltiger gestaltet werden.

Für die Entwicklung von intelligenten Prozessen nutzen wir eine gezielte Auswahl an Sensoren kombiniert mit unserem Know-how im Bereich der Lebensmittelherstellung und Datenverarbeitung. So wird beispielsweise im Projekt Softscope (https://www.zhaw.ch/no_cache/de/forschung/forschungsdatenbank/projektdetail/projektid/3367/) eine Auswertungssoftware von Mikroskopaufnahmen entwickelt. So können rohstoff- und prozessbedingte Einflüsse klarer erkannt und entsprechende Optimierungsmassnahmen umgesetzt werden. Im Projekt Rheoback werden Rohstoffe zur Herstellung von Backwaren mit Analysen wie Rheologie, Differential Scanning Kalorimetrie (DSC) oder Thermo-Mikroskopie charakterisiert und gleichzeitig Nahinfrarotspektren (NIR) aufgenommen. Die qualitativen Auswertungen und quantitativen Korrelationen werden zu einem späteren Zeitpunkt genutzt, um neue Rohstoffe zur Herstellung von Backwaren entwickeln zu können. Ein ähnlicher Ansatz wird im Projekt Digibake verfolgt, bei dem Sensoren und prozessbegleitende Analysen entlang der Herstellung von Backwaren eingesetzt werden, um unbekannte oder noch nicht bewiesene Zusammenhänge zwischen Prozess, Struktur, Eigenschaften und ökologischem Fussabdruck zu entdecken. Das so erarbeitete Know-how soll Digitalisierungschancen eröffnen, die auf industriellem Level umgesetzt werden können.

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