CO2-Laserbearbeitung: eine Technologie zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit

Gepostet: 29. Dezember 2022 | Eduardo Puértolas, Izaskun Pérez, Xabier Murgui | Noch keine Kommentare

Wie könnte die CO2-Laserbearbeitung die Lebensmittelproduktion der Zukunft verändern? Erfahren Sie hier, wie diese kontaktlose Technologie helfen könnte …

Technologische Innovationen in der Verarbeitung sind einer der Grundpfeiler, von denen die Verbesserung der Effizienz und Rentabilität der Lebensmittelindustrie abhängt. Unter den in den letzten Jahren untersuchten Technologien verfügt der CO2-Laser über eine bemerkenswerte Fähigkeit, die Lebensmittelproduktion der Zukunft zu verändern.

Die zeitliche und räumliche Präzision von Lasern ermöglicht es, die Laserenergie auf einen winzigen Punkt zu konzentrieren und komplexen Mustern zu folgen, ohne das umliegende Lebensmittelmaterial übermäßig zu beeinträchtigen.

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Dies ist insbesondere bei mehreren mechanischen und thermischen Prozessen von Interesse. Beispielsweise wurde vorgeschlagen, Mikroorganismen auf Oberflächen, die mit Lebensmitteln in Berührung kommen, zu inaktivieren. Es kann auch zum berührungslosen Schneiden verwendet werden, wodurch die physikalischen, chemischen und mikrobiologischen Kreuzkontaminationsprobleme anderer Systeme wie Klingen oder Wasserstrahl vermieden werden. oder zur Lebensmittelkennzeichnung, die Papier-/Kunststoffetiketten und Tinten ersetzt.

Ein Laser (ein Akronym für Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission) besteht aus einem Energieversorgungssystem, das die Moleküle eines Verstärkungsmediums in einen angeregten Zustand versetzt und so Licht erzeugt.

Dieses Licht wird in einem optischen Hohlraum verstärkt, der durch zwei Spiegel begrenzt ist, von denen jeweils einer teilweise transparent ist und einen kohärenten und gerichteten Laserstrahl durchlässt, der durch ein von einer Software gesteuertes Linsensystem mit zeitlicher und räumlicher Präzision auf das Zielmaterial fokussiert werden kann.

Kohlendioxidlaser (CO2) haben ihren Namen erhalten, weil sie CO2 als Hauptbestandteil des Verstärkungsmediums verwenden und einen Laserstrahl im mittleren Infrarotwellenlängenbereich (typischerweise 10.600 nm) aussenden.

Infrarotwellenlängen werden in der Atmosphäre nahezu verlustfrei übertragen. Darüber hinaus können sie gut vom Wasser aufgenommen werden, das den Hauptbestandteil von Lebensmitteln darstellt. Daher dürften beides die Hauptgründe für das Interesse sein, das CO2-Lasern in der Lebensmittelverarbeitung entgegengebracht wird.

Durch die Modulation der Strahlungsenergie des CO2-Laserstrahls werden nach und nach fotochemische, thermische und mechanische Effekte im Lebensmittel erzeugt.1 Wenn die CO2-Laserenergie niedrig ist, stört der Laser nur die Bindungen zwischen Atomen und zwischen Molekülen. Bei höherer Strahlungsenergie wird die Energie des Laserstrahls in thermische Energie umgewandelt, wodurch die Oberfläche des Lebensmittels (in einer Tiefe von einigen Millimetern) präzise und kontrolliert erhitzt wird.

Durch eine weitere Erhöhung der Strahlungsenergie können direkte mechanische Effekte auf der Lebensmitteloberfläche erzeugt werden, die schließlich auf der Grundlage von Verdampfungs- und Ablationsphänomenen einen Krater bilden.1

Der Abtragungsprozess kann in den unteren Schichten des Lebensmittels wiederholt werden, sodass er tiefer in das Lebensmittel vordringt, oder/und nach einem bestimmten Muster in den angrenzenden Zonen fortgesetzt wird. Aufgrund dieser Effekte kann der CO2-Laser für eine Vielzahl von Lebensmittelanwendungen eingesetzt werden, darunter mikrobielle Dekontamination, Kochen, Markieren und Schneiden.

Der CO2-Laser ist eine berührungslose und relativ schnelle Technologie zur Inaktivierung von Mikroorganismen auf der Oberfläche verschiedener Substrate und stellt eine Alternative zu herkömmlichen Systemen zur Oberflächenreinigung und -desinfektion, beispielsweise durch den Einsatz von Chemikalien, dar, eine Lösung, die aufgrund ihrer Möglichkeit zunehmend in Frage gestellt wird giftige Rückstände.

Bei Oberflächen, die mit Lebensmitteln in Berührung kommen (z. B. Schneidgeräte, Förderbänder), stellt die Erwärmung kein großes Problem dar und die Lasergenauigkeit und Verarbeitungsgeschwindigkeit können eine große Rolle spielen. Beispielsweise wurde über eine vollständige Inaktivierung von Escherichia coli und Staphylococcus aureus auf Edelstahloberflächen nach CO2-Laserbehandlungen (660 W; 0,8–1,3 cm/s) berichtet.2 Neben der mikrobiellen Inaktivierung können auch die mechanischen Effekte des CO2-Lasers auftreten Helfen Sie dabei, schwer zu reinigende organische Stoffe und Biofilme von solchen Oberflächen zu entfernen.

CO2-Laser sind auch in der Lage, auf Lebensmitteloberflächen vorhandene Mikroorganismen zu inaktivieren.3 In diesem Fall müssen die Behandlungen jedoch sehr gut optimiert werden, um die Auswirkungen auf ihre Oberflächeneigenschaften zu minimieren, mechanische Effekte zu vermeiden und die thermischen Effekte zu minimieren.

Trotz Optimierung werden in der Regel Oberflächenveränderungen, wie beispielsweise Farbveränderungen, erkannt. Der Einsatz von Flavonoiden, Riboflavin oder anderen Antioxidantien könnte diese Nebenwirkungen reduzieren oder sogar vermeiden.4

Der CO2-Laser kann als Alternative zu herkömmlichen thermischen Technologien zum Kochen, Grillen und Bräunen eingesetzt werden und nutzt dabei die hohe Energie des Lichtstrahls.4-5

In diesem Fall sollten jedoch die Karbonisierungs- und Ablationsprozesse (thermische bzw. mechanische Effekte) vermieden werden, die mit Behandlungen mit hoher Energieintensität einhergehen.

In mit CO2-Laser gekochten Lebensmitteln wird eine mikrobielle Reduktion von Salmonella Typhimurium, Salmonella Senftenberg und Escherichia coli O157:H7 beobachtet, ähnlich wie bei herkömmlichen Kochmethoden wie Infrarotofen, Elektrogrill oder elektrischem Flachgrill.3 Bei CO2-Behandlung ist so eingestellt, dass die Karbonisierung reduziert wird, enthalten lasergegarte Lebensmittel außerdem eine ähnliche Menge an polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen wie konventionell gegarte Lebensmittel.3

Die Präzision des CO2-Lasers bedeutet, dass nur einer der Lebensmittelteile gegart werden kann (z. B. nur der Fettanteil eines Stücks Speck), oder sogar jeder Teil des Lebensmittels unter seinen optimalen Bedingungen (Temperatur, Zeit), die sich ständig ändern Fliegen Sie die Behandlungsenergie und die Belichtungszeit.5 In diesem Zusammenhang hat der CO2-Laser besondere Aufmerksamkeit beim 3D-Druck von Lebensmitteln erhalten, wo eine präzise Wärmeabgabe zum Kochen vorgedruckter Lebensmittel erforderlich ist.5

Die Autoren weisen darauf hin, dass die Präzision des CO2-Lasers dazu führt, dass nur einer der Lebensmittelbestandteile gegart werden kann, beispielsweise der Fettanteil eines Stücks Speck.

Die Laserenergie dringt nur wenige Millimeter in das Lebensmittel ein und wird daher zum Garen dünner Lebensmittel oder zur Oberflächenbehandlung wie Grillen oder Bräunen vorgeschlagen. Für viele Produkte wurde der kombinierte Einsatz mit anderen Technologien wie Mikrowellen vorgeschlagen, wobei Laser zur Oberflächenveredelung (z. B. Grillspuren) zum Einsatz kommen.3

Der Einsatz von Lasern zur Kennzeichnung von Obst und Gemüse ist in mehreren europäischen Ländern in der Branche zugelassen und umgesetzt. Sie wurden in einer Vielzahl von Lebensmitteln getestet, darunter Obst, Gemüse, Eier, Fleisch, Käse, Schokolade und Getreideprodukte (Abbildung 1).

Abbildung 1: Markierung eines QR-Codes mittels CO2-Laser in Käse (Beispiel Laserbearbeitung).

Das Besondere daran ist, dass keine Kunststoff-/Papieretiketten oder Klebstoffe erforderlich sind und jeglicher Kontakt vermieden wird. Generell können CO2-Laser aufgrund ihrer mechanischen (Gravur) oder thermischen Wirkung (Maillard-Reaktion) zur Markierung eingesetzt werden.

In beiden Fällen ist es möglich, den Laser nach nahezu beliebigen Mustern zu betreiben, so ist es möglich, Zahlen (z. B. Verfallsdatum, Chargennummer), Buchstaben (z. B. Herkunftsort, Firmenname), Codes (z. B. Barcode, QR) zu markieren. oder komplizierte Zeichnungen oder Designs (z. B. Gütesiegel, Firmenlogo).6

Basierend auf dem Ablationsphänomen kann der CO2-Laser als berührungslose Technologie zum Schneiden und Schälen oder für andere mechanische Verfahren wie Perforation verwendet werden, die bei einigen Vorgängen wie Marinieren oder Extrahieren von Verbindungen eingesetzt werden können.1,4

Der CO2-Laser bietet mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Techniken mit Klingen, Messern, Nadeln oder ähnlichen Geräten.

Erstens wird der bearbeitete Bereich durch die Wirkung des Laserstrahls teilweise dekontaminiert (mikrobielle Inaktivierung), ein entscheidender Vorteil für die Lebensmittelsicherheit im Vergleich zum Klingen- oder Wasserstrahlschneiden.

Es ist auch möglich, Lebensmittel nach komplexen Mustern zu verarbeiten, die mit herkömmlichen Techniken nur schwer oder gar nicht zu erreichen sind.

Schließlich kann ein Musterwechsel im Handumdrehen vorgenommen werden, ohne dass die Anlage angehalten werden muss, um das mechanische Schneidelement zu reinigen. Bei herkömmlichen Technologien erfordert der Reinigungsprozess oder jede Änderung der Schneidkonfiguration das Anhalten der Linie, um die Schneidelemente zu reinigen, auszutauschen, auszutauschen oder zu bewegen.

Die wichtigsten Einschränkungen beim Einsatz von CO2-Lasern für diese Art mechanischer Prozesse sind die erzeugte Wärme und die relativ geringe Schnitttiefe.

Eine effektive Auswahl der Laserbearbeitungsparameter ist der Schlüssel zur Vermeidung von Verbrennungen an den Schnittkanten der Lebensmittel und für eine ordnungsgemäße Leistung. Bei einer Tiefe von mehr als einigen Millimetern sind mehrere Laserbearbeitungszyklen erforderlich, um der Zone ausreichend Zeit zum Abkühlen zu geben. Andere Strategien basieren auf der direkten Kühlung der laserbehandelten Zone durch den Einsatz von Wasser oder Dampf.

CO2-Laser ist eine kontaktlose Verarbeitungstechnologie mit großem Potenzial zur Reduzierung von Kreuzkontaminationsproblemen in der Lebensmittelindustrie.

Es könnte in Lebensmitteln für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise zum Kochen/Grillen, Markieren, Schneiden und Schälen oder zur Inaktivierung von Mikroorganismen, die auf Oberflächen mit Lebensmittelkontakt vorhanden sind.

Nach Kenntnis der Autoren ist die Lasermarkierung von Obst und Gemüse die einzige vollständig industrialisierte und auf dem Lebensmittelmarkt weit verbreitete Laseranwendung zur direkten Einwirkung auf Lebensmittel.

Die in den anderen Anwendungen erzielten Ergebnisse sind jedoch vielversprechend und es sind weitere Anstrengungen erforderlich, um sie auf den Markt zu bringen. Heutzutage gibt es CO2-Lasersysteme mit der notwendigen Leistung und Eigenschaften, um die meisten der in diesem Artikel beschriebenen Anwendungen zu industrialisieren.

Daher sind keine größeren Skalierungsprobleme zu erwarten und es ist absehbar, dass sich ihre industrielle Nutzung in den kommenden Jahren ausbreiten wird. Da CO2-Laser auch in anderen Industriebereichen eingesetzt werden, sind ihre Kosten in den letzten zwei Jahrzehnten deutlich gesunken.

Vor diesem Hintergrund werden die günstigeren Kosten zweifellos ihre Umsetzung in der Lebensmittelindustrie erleichtern, wo die Margen niedriger sind als in anderen Produktionssektoren.

Eduardo Puertolas (ORCID: 0000-0001-7489-4674) ist Doktorand in der Lebensmittelforschungsabteilung von AZTI – Basque Research and Technology Alliance (BRTA). Sein Hauptforschungsbereich ist die Untersuchung und Anwendung neuer Verarbeitungstechnologien (z. B. Laser, Hochdruckhomogenisierung, hoher hydrostatischer Druck) für die Gestaltung neuer Lebensmittel, die Lebensmittelkonservierung, die Verbesserung der Lebensmittelqualität und die Prozessoptimierung. E-Mail: [email protected]

Izaskun Pérez ist Agraringenieurin und Forscherin bei AZTI – Basque Research and Technology Alliance (BRTA), wo sie an Forschungsprojekten zu neuen Technologien für die Entwicklung und Validierung neuer Anwendungen teilnimmt. In den letzten Jahren war sie an der Entwicklung und Implementierung von zwei neuen Produktionslinien in Unternehmen beteiligt (Produkte, die derzeit auf dem Markt sind). E-Mail: [email protected]

Xavier Murgui , Agraringenieur und Master in Technologie und Qualität in der Agrar- und Lebensmittelindustrie, ist derzeit Forscher bei AZTI – Basque Research and Technology Alliance (BRTA). Als Fachmann in der Lebensmittelindustrie mit mehr als 14 Jahren Erfahrung ist er auf die Entwicklung neuer Produkte sowie die Skalierung und Industrialisierung von Prototypen spezialisiert. E-Mail: [email protected]

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