Die Verunreinigung von Lebensmittelprodukten stellt für den Verbraucher ein erhebliches Gesundheitsrisiko dar. Um die Sicherheit von Nahrungsmitteln zu gewährleisten, ist während ihrer Herstellung eine kontinuierliche Qualitätsüberwachung aller Produktions- und Verarbeitungsschritte unerlässlich. Das Forschungsprojekt „Nanodetect" entwickelt einen Biosensor, basierend auf einem mikrofluidischen Chip, der durch eine schnelle und anwenderfreundliche Lebensmittelanalyse vor Ort zur Qualitätssicherung von Nahrungsmitteln beitragen soll.

Der Weg eines Lebensmittels vom Erzeuger über den Hersteller bis zum Konsumenten ist lang. Infolgedessen ist die Gewährleistung der Produktqualität und Produktsicherheit eine Herausforderung für die Industrie. Eines der beliebtesten Lebensmittel der Deutschen, die Milch, ist besonders anfällig für Verunreinigungen. Die Milch kann mit Mikroorganismen, Arzneimittelrückständen oder anderen Schadstoffen belastet sein und wird für den Verbraucher ungenießbar oder sogar gesundheitsgefährdend. „Nanodetect" (www.nanodetect.eu), ein Forschungsprojekt unter der Leitung des ttz Bremerhaven, möchte die Qualitätskontrolle von Lebensmitteln wie Milch vereinfachen.

Schnelle Analyse für die Milchindustrie
Rohmilch muss vor ihrer Verarbeitung umfassend auf Verunreinigungen getestet werden. Derzeit ist dies ein aufwendiger und teurer Prozess: Proben müssen entnommen und an externe, zertifizierte Labore versandt werden, wo sie aufgearbeitet und anschließend untersucht werden. Dieses Vorgehen ist nicht nur mit einer langen Bearbeitungszeit von mehreren Tagen, sondern auch mit hohen Kosten verbunden. Für Rohmilch ist der große Zeitaufwand, der durch die externen Analysen besteht, besonders problematisch, da sie zur Erhaltung ihrer Qualität schnell verarbeitet werden muss.

Zurzeit existiert kein Verfahren, das die Qualitäts- und Sicherheitskontrollen vor der Milchverarbeitung schnell, kostengünstig und anwenderfreundlich umsetzen kann. Neue Regularien, ein erhöhtes Sicherheitsbedürfnis der Endverbraucher sowie der Anspruch der Erzeuger und Produzenten, Transparenz in der Lebensmittelherstellung zu schaffen, erfordern jedoch innovative Maßnahmen.

In Zukunft kann diesen Herausforderungen mit der Nanodetect-Technologie begegnet werden: Das im Rahmen des EU-Projektes entwickelte Kontrollsystem vereinfacht die Qualitätskontrollen signifikant.

Das Forschungsprojekt entwickelt einen Biosensor, der die Qualität und Sicherheit von Rohmilch prüfen soll. Detektiert werden drei Qualitätsparameter: die produktspezifischen Milch-Verunreinigungen Mykotoxine, Arzneimittelrückstände sowie der Verschnitt hochwertiger Milchsorten (z. B. Beimischung von Kuhmilchprotein in Ziegenmilch).

Immunologischer Nachweis
Das entwickelte Kontrollsystem basiert auf einem Biosensor, der mikrofluidische Chips für jede nachzuweisende Verunreinigung enthält. Die Chips (Abb.1) werden aus einem Thermoplast gefertigt, der mit dem Fotolack SU-8 beschichtet wird. Die Bestimmung der Verunreinigungen erfolgt durch einen immunologischen Nachweis innerhalb der mikrofluidischen Kanäle. Im Rahmen von Nanodetect wurde für jede Verunreinigung ein quantitativer Immunoassay mit spezifischen Antikörpern entwickelt. Die Immunoassays wurden vorab im Labormaßstab getestet. Im Fall des Mykotoxins Aflatoxin M1 wurden die Vorversuche in Mikrotiterplatten und einem Mikrotiterplatten-Reader durchgeführt. Mit den Ergebnissen konnten die Selektivität und Sensitivität des entwickelten Immunoassays beurteilt werden (Abb.2). Alle Assays sind aufgrund der verwendeten Fluoreszenz-Markierung den Fluoreszenz-Immunoassays (FIA) zuzuordnen. Am Beispiel der Mykotoxinbestimmung (Aflatoxin M1) wird ein Konjugat aus einem Protein und dem Antigen auf der inneren Oberfläche des mikrofluidischen Kanals immobilisiert. Der mit einem Fluoreszenzfarbstoff markierte Antikörper wird der mit Aflatoxin M1 (AFM1) kontaminierten Milch zugesetzt, welche dann unter kontinuierlichem Durchfluss im mikrofluidischen Kanal inkubiert wird (Abb. 3).

Ein optisches Detektionssytem ermittelt die Fluoreszenzintensität und leitet die gemessenen Signale über eine Steuerungssoftware weiter. Ein integriertes Decision Support System (DSS) evaluiert die Messwerte. Wird der gesetzlichen Grenzwerte von der Konzentration eines oder mehrerer Verunreinigungen überschritten, alarmiert das Decision Support System (DSS) den Anwender unverzüglich. Sämtliche Messwerte und daraus resultierenden Ergebnisse werden mit Datum und Uhrzeit in einer Datenbank gespeichert und können jederzeit abgerufen werden.

Offline-Prototyp
Die anwenderfreundliche Bedienung des Gerätes ist hervorzuheben: Der Anwender platziert einen Probenbehälter an der entsprechenden Position des offline arbeitenden Prototyps und startet die Analyse per Knopfdruck. Diese Arbeitsschritte sind auch von technisch ungeschulten Molkereiangestellten durchführbar. Die Messung und die anschließende Auswertung erfolgt automatisch. Die Milchprobe kann parallel auf bis zu vier Kontaminanten untersucht werden. Die integrierte Software und das DSS erleichtern die Auswertung der Messdaten. Das optische Warn-signal weist automatisch auf das Überschreiten eines oder mehrerer Grenzwerte hin. Nach ungefähr einer Stunde können die Ergebnisse abgelesen werden. Durch das Speichern der Messwerte und der daraus resultierenden Ergebnisse in der Datenbank wird die Dokumentation für die Qualitätssicherung der jeweiligen milchverarbeitenden Betriebe erleichtert und das HACCP-Konzept unterstützt.