Lebensmittelbetrug nimmt seit Jahren zu und stellt Handel, Kontrolleure und Verarbeiter vor wachsende Herausforderungen. Unter Bedingungen hoher Nachfrage, starken Preisdrucks und komplexer Lieferketten gelangen falsch deklarierte oder minderwertige Produkte in den Umlauf, ohne dass ihre tatsächliche Zusammensetzung schnell überprüfbar ist. Der Lebensmittelbetrug birgt dabei nicht nur wirtschaftliche Risiken, sondern kann auch die Lebensmittelsicherheit gefährden, wenn nicht deklarierte oder schädliche Inhaltsstoffe verwendet werden.
Um diesem Problem zu begegnen, entwickeln Forschende mehrerer Fraunhofer-Institute ein mobiles Gaschromatographie-Sensorsystem für den schnellen Einsatz vor Ort. Ziel ist es, Lebensmittelbetrug anhand charakteristischer flüchtiger organischer Verbindungen unmittelbar zu erkennen, ohne auf zeit- und kostenintensive Laboranalysen angewiesen zu sein. Das im Fraunhofer PREPARE-Projekt PUMMEL entstehende System soll eine schnelle Bewertung ermöglichen und auch von Anwendern ohne analytische Fachkenntnisse bedient werden können.
Miniaturisierte Gaschromatographie als technologische Basis
Die technische Grundlage des Systems bilden mikrostrukturierte Gaschromatographiesäulen, die vollständig in Silizium integriert sind. Diese µ-GC-Säulen werden in einen 200-Millimeter-Siliziumwafer geätzt und anschließend mithilfe eines zweiten Wafers durch einen Wafer-Bond-Prozess verschlossen. Nach dem Vereinzeln der Chips erfolgt die Funktionalisierung der Säulen mit einer stationären Phase, die nach dem gleichen Prinzip arbeitet wie bei konventionellen Gaschromatographiesäulen. Auf diese Weise wird eine vergleichbare Trennmechanik realisiert, jedoch in stark verkleinerter und mobiler Form.
Die Miniaturisierung ist entscheidend, um Lebensmittelbetrug außerhalb des Labors nachweisen zu können. Durch die geringe Masse der Siliziumchips lassen sich die Säulen sehr schnell aufheizen und wieder abkühlen, was kurze Messzeiten ermöglicht. Gleichzeitig ist die Struktur so ausgelegt, dass die für lebensmittelrelevante Fragestellungen erforderliche Trennleistung erreicht wird. Die mikrogeätzten Säulen bilden damit das Herzstück des mobilen Systems und verbinden klassische Analytik mit mikrosystemtechnischer Fertigung.
Eine unverschlossene µ-GC-Säule verdeutlicht den inneren Aufbau der Mikrokanäle, durch die später das Trägergas und die verdampften Probenbestandteile strömen. Diese offene Struktur macht nachvollziehbar, wie die Wechselwirkung zwischen den flüchtigen organischen Verbindungen und der stationären Phase entlang der Säule erfolgt. Sie dient zugleich als anschauliches Element, um den Übergang von makroskopischer Laboranalytik zu chipbasierter Sensorik zu veranschaulichen.
Vom Stoffgemisch zum Gaschromatogramm
Wie bei der klassischen Gaschromatographie wird auch im mobilen System eine Probe zunächst verdampft und mit einem Trägergas durch die Säule transportiert. Innerhalb der µ-GC-Säule wechselwirken die einzelnen Moleküle unterschiedlich stark mit den beschichteten Innenwänden. Abhängig von ihrer chemischen Affinität verweilen sie unterschiedlich lange in der Säule, wodurch das Stoffgemisch zeitlich aufgetrennt wird. Am Ende der Säule registriert ein Detektor die getrennten Substanzen und erzeugt ein charakteristisches Gaschromatogramm.
Ein Rasterelektronenmikroskop-Bild des Zentrums eines zersägten µ-GC-Chips zeigt exemplarisch die komplexe Geometrie der Säule. Gut erkennbar ist der Umkehrpunkt der Säulenstruktur im Zentrum des Chips, an dem der Gasstrom die Richtung wechselt. Diese Mäanderstruktur erlaubt es, eine ausreichende effektive Säulenlänge auf kleinstem Raum unterzubringen. Die präzise gefertigten Mikrokanäle sind entscheidend für eine reproduzierbare Trennung der flüchtigen organischen Verbindungen, die zur Identifikation von Lebensmittelbetrug herangezogen werden.
Die Bewertung der Messdaten erfolgt softwaregestützt und ist so ausgelegt, dass sie auch ohne tiefgehendes analytisches Fachwissen verständlich bleibt. Ziel ist es, anhand der gemessenen VOC-Profile Aussagen über Zusammensetzung, Herkunft oder Verunreinigungen zu treffen. Im Fall von Olivenöl sollen so beispielsweise Rückschlüsse auf Reinheitsgrad, Alter oder Herkunftsland möglich werden. Damit wird Lebensmittelbetrug nicht nur detektierbar, sondern auch konkret bewertbar.
Anwendungen zur Detektion von Lebensmittelbetrug
Im Projekt PUMMEL stehen zwei industrierelevante Anwendungen exemplarisch im Mittelpunkt. Zum einen adressiert das System den Nachweis von gefälschtem Olivenöl, das zu den am häufigsten verfälschten Lebensmitteln zählt. Zum anderen wird die Detektion von Verunreinigungen in Kunststoffrezyklaten untersucht, die sich in Verpackungsmaterialien anreichern können. Beide Anwendungsfälle verdeutlichen, wie die Technologie sowohl im Lebensmittelkontext als auch darüber hinaus eingesetzt werden kann.
Die modulare Auslegung des Systems erlaubt es, Probenvorbereitung, Sensorik und Auswertung an unterschiedliche Fragestellungen anzupassen. Damit eignet sich das Gerät für den Einsatz bei Wareneingangskontrollen, in der Produktion oder bei der Qualitätsüberwachung entlang der Lieferkette. Gerade für Anwender ohne analytische Ausbildung eröffnet sich so die Möglichkeit, Lebensmittelbetrug frühzeitig zu erkennen und entsprechende Maßnahmen einzuleiten.
Die Arbeiten im Projekt verteilen sich auf drei Fraunhofer-Institute mit klar definierten Aufgaben. Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS entwickelt das Bauelementkonzept für die chipbasierte Umsetzung und die mikrostrukturierte Gaschromatographie-Trennsäule. Das Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME übernimmt die Validierung und das Benchmarking sowie die Bewertung der Messdaten. Die Demonstratoren werden am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV entwickelt, das für Probenvorbehandlung, Systemelektronik und Integration verantwortlich ist.
Die Forschenden arbeiten derzeit an applikationsspezifischen Demonstratoren und an der weiteren Optimierung der µ-GC-Säulen. Einige Ergebnisse des Projekts werden vom 24. bis 27. März 2026 auf der Messe Analytica in München präsentiert. Dort soll gezeigt werden, wie sich chipbasierte Gaschromatographie als mobiles Werkzeug zur Bekämpfung von Lebensmittelbetrug etablieren kann.