Sauber bleiben – Kann Desinfektion nachhaltiger sein?

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Eine Vielzahl von Maßnahmen, die vom einfachen Austausch einer Düse bis zur Implementierung einer auf künstlicher Intelligenz (KI) basierenden Technologie reichen, können dazu beitragen, Desinfektionsverfahren nachhaltiger zu gestalten. In diesem Artikel gehen die Autoren auf einige dieser Maßnahmen und Technologien ein und betrachten die Wirksamkeit, Herausforderungen bei der Implementierung und Konsequenzen für das Endprodukt. Die besprochene Forschung ist in der Fleischindustrie verankert, im Wesentlichen sind die Ergebnisse und Prinzipien jedoch universell für die gesamte Lebensmittelindustrie anwendbar.

Wenn Lebensmittelhersteller ihren Marktanteil halten und Produkte mit einem hohen Maß an Lebensmittelsicherheit und langer Haltbarkeit herstellen wollen, ist eine ordnungsgemäße Hygiene erforderlich. Schlechte Hygiene kann zu Kundenbeschwerden, Rufschädigung, Verlust neuer Bestellungen oder – im schlimmsten Fall – Lebensmittelvergiftung führen, was zu Krankheiten und teuren Rückrufen führt.

Viele Lebensmittelhersteller prüfen auch, wie sie ihre Produktion im Hinblick auf Nachhaltigkeit optimieren können. Dazu gehört die Reduzierung sowohl der Lebensmittelverschwendung als auch des Energie- und Wasserverbrauchs, aber auch entweder die Minimierung des Einsatzes von Chemikalien zur Reinigung und Desinfektion (C&S) oder alternativ die Umstellung auf umweltfreundlichere Chemikalien. Da C&S einer der wasserverbrauchendsten Prozesse in der Lebensmittelindustrie ist, ist es sinnvoll zu untersuchen, ob die bei C&S verwendete Wassermenge reduziert werden kann. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass die Lebensmittelsicherheit und die Haltbarkeit, die für alle Lebensmittelhersteller wichtige Wettbewerbsparameter sind, nicht beeinträchtigt werden.

Sowohl die Lebensmittelsicherheit als auch die Haltbarkeit hängen von hohen Hygienestandards ab. Tatsächlich kann sich die Haltbarkeit eines Produkts um Wochen verlängern, wenn man mit einer Bakterienzahl von < 1 KBE/g statt 1.000 KBE/g beginnt. Dies kann anhand des Wachstums der verderbniserregenden Organismen Leuconostoc carnosum und Leuconostoc mesenteroides in in Schutzatmosphäre (MA) verpacktem Feinkostfleisch veranschaulicht werden. Diese beiden Organismen sind die Hauptverursacher von aufgeplatzten Verpackungen (Abbildung 1), da sie sichtbare Mengen an Gas produzieren, wenn man sie auf große Mengen (d. h. etwa 8 log KBE/g) anwachsen lässt.

Ein neu entwickeltes Vorhersagemodell in DMRIPredict1 zeigt, dass die Zeit bis zum Erreichen von 8 log KBE/g in einem leicht konservierten Feinkostfleischprodukt, das bei 3 °C (37 °F) gelagert wird, 20 Tage beträgt, wenn der Ausgangspunkt bei 1 KBE/g liegt. Wenn man mit 100 KBE/g beginnt, verkürzt sich die Zeit bis zum Erreichen von 8 log auf 15 Tage. Wenn die anfängliche Zählung auf 10.000 KBE/g ansteigt, beträgt die Zeit bis zum Erreichen von 8 log nur 11 Tage (Abbildung 2).

Dieser direkte Zusammenhang zwischen der anfänglichen Keimzahl und der Haltbarkeit wird auch bei der Betrachtung der Total Viable Counts (TVC) beobachtet. Eine Haltbarkeitsstudie von wärmebehandelten Würsten, die aus derselben Produktionslinie entnommen wurden, zeigte, dass die Haltbarkeit etwa einen Monat betrug, wenn der anfängliche TVC bei < 10–100 KBE/g lag (vier von zehn Packungen mit < 10 KBE/g). G). Durch eine intensivere Reinigung im Produktionsbereich konnte der Ausgangswert in neun von zehn Verpackungen auf < 10 KBE/g gesenkt werden, was die Haltbarkeit auf mehr als zwei Monate verlängerte – also mehr als eine Verdoppelung der Haltbarkeit (Ergebnisse nicht dargestellt).

Unter Berücksichtigung der Auswirkungen auf die Produkthaltbarkeit muss daher bei der Umsetzung von wassersparenden Initiativen oder der Umstellung auf die Verwendung umweltfreundlicherer Chemikalien darauf geachtet werden, dass die Hygiene in der Produktionsumgebung nicht beeinträchtigt wird. Eine kürzere Produkthaltbarkeit führt zu mehr Lebensmittelverschwendung, was tiefgreifende Auswirkungen auf die allgemeine Nachhaltigkeit der Lebensmittelproduktion hat.

Bei der Reinigung in der Lebensmittelindustrie werden in der Regel erhebliche Mengen an Wasser, Energie und Chemikalien verbraucht, was sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus Nachhaltigkeitssicht problematisch ist. Die Industrie sucht nach Möglichkeiten, dieses Problem anzugehen, ohne den Geschäftsbetrieb oder die Produktqualität und -sicherheit zu beeinträchtigen.

Im Laufe von zwei Jahren haben das Dänische Technologische Institut (DTI) und die skandinavische Fleischindustrie verschiedene Methoden erforscht, um den erheblichen Wasserverbrauch bei der Reinigung in Schlachthöfen zu reduzieren. Es wurden zwei wichtige Kriterien für die Methoden festgelegt:

Generell gliedert sich ein Reinigungsprozess in fünf Unterprogramme:

Der größte Wasserverbrauch ist in der Regel mit der ersten Vorspülung verbunden, und zwar aus zwei Gründen: Es handelt sich um den zeitaufwändigsten Schritt im Reinigungsprogramm, und häufig werden Wasserdüsen mit einer hohen Durchflussrate (40–50 l/min) verwendet. Schätzungen zufolge werden in Schweineschlachthöfen etwa 30 bis 50 Prozent des für die Reinigung verwendeten Wassers beim Vorspülen zum Abspritzen von Böden und Geräten verwendet.

Die möglichen Wassereinsparungen durch den Wechsel von einer Düse mit hoher Durchflussrate zu einer wassersparenden Düse (30 l/min) wurden in einem großen Schweineschlachthof in Dänemark getestet. Die Wasserspardüse wurde zwei Wochen lang von der Reinigungsmannschaft im Zerlegungs- und Zerlegebereich getestet. Die Düse wurde für alle drei Spülschritte verwendet.

Die Testergebnisse zeigten, dass der Wasserverbrauch im Vergleich zum Normalverbrauch im Durchschnitt um 10 Prozent reduziert wurde. Abhängig von der Aufgabe/Ausrüstung und dem die Reinigung durchführenden Besatzungsmitglied waren tägliche Schwankungen bei der Wassereinsparung und zwischen den verschiedenen Reinigungsstationen zu beobachten. Durch den Einsatz der Wasserspardüse verlängerte sich die Reinigungszeit im Bereich nicht und die Endreinigungsqualität wurde, wie aus den täglichen Standardkontrollen hervorgeht, nicht beeinträchtigt.

Eine der Herausforderungen beim Einsatz der Wasserspardüse bestand darin, dass es für das Reinigungspersonal schwierig war, größere Fleischreste vom Boden abzuspritzen. Diese Herausforderung kann jedoch zu einem Vorteil werden, da sie das Reinigungsteam dazu motivieren und anregen könnte, größere Fleischstücke mit Rakeln vom Boden zu entfernen, anstatt den Wasserschlauch als „Besen“ zu verwenden (Abbildung 3).

Eine Reduzierung des Wasserverbrauchs um 10 Prozent kann nicht nur erhebliche Auswirkungen auf den Wasserverbrauch, sondern auch auf den Energieverbrauch haben, da die Vorspülung mit warmem Wasser (45–55 °C/110–130 °F) durchgeführt wird. In Kombination mit geringfügigen Anpassungen der Standardarbeitsabläufe für das Reinigungsteam kann eine einfache Aktion wie das Auswechseln der Düse an einem Schlauch erhebliche finanzielle und ökologische Auswirkungen haben und der Lebensmittelindustrie dabei helfen, eine nachhaltigere Produktion zu erreichen.

Betrachtet man die fünf Reinigungsschritte noch einmal, könnte eine weitere Optimierungsmöglichkeit darin bestehen, die C&S-Schritte in einem Arbeitsgang zu kombinieren, was möglicherweise zu Zeit-, Wasser- und Chemikalieneinsparungen führen würde. Reinigungsmittel, die C&S kombinieren, sind bereits auf dem Markt, aber wie effektiv sind sie tatsächlich? Die kombinierten C&S-Produkte basieren häufig auf einem alkalischen Schaumwaschmittel mit Chlor. Chlor entfernt effizient schwierige Verschmutzungen wie Proteine ​​und kann ein hochwirksames Desinfektionsmittel mit einem breiten Wirkungsspektrum gegen eine Vielzahl von Mikroorganismen sein. Allerdings wird die Wirksamkeit von Chlor als Desinfektionsmittel stark durch das Vorhandensein von Schmutz beeinträchtigt. Je weniger Schmutz sich auf der Oberfläche befindet, desto effektiver ist Chlor bei der Inaktivierung von Mikroorganismen.

Um für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie zugelassen zu werden, muss das Desinfektionsmittel einen Wirksamkeitstest bestehen. Dieser Test wird als Suspensionstest im Labor durchgeführt, wobei die bakterizide Wirkung gegen eine Vielzahl von Mikroorganismen dokumentiert wird. Damit ein Produkt beispielsweise die europäische Norm für Desinfektionsmittel in der Lebensmittelindustrie (EN 1276) erfüllt, muss es eine Reduzierung ausgewählter Mikroorganismen um 5 Logarithmen erreichen. Es kann jedoch schwierig sein, im Labor ermittelte Ergebnisse in die tatsächliche Lebensmittelproduktion umzusetzen. Viele Faktoren beeinträchtigen das Endergebnis, darunter das Vorhandensein von Schmutzrückständen auf den Oberflächen, die Art der Oberfläche, menschliche Faktoren usw. Es wird dringend empfohlen, die Wirksamkeit eines bestimmten Produkts unter Bedingungen zu validieren, die einer industriellen Umgebung nachahmen.

DTI hat die Wirkung eines kombinierten C&S-Produkts in einem Pilotversuch getestet und dabei die Bedingungen simuliert, die in einem bodenarmen Bereich (z. B. dem Verpackungsbereich) einer Fleischverarbeitungsanlage herrschen. Der Versuch wurde mit den gleichen Reinigungsgeräten und -einstellungen wie in der Industrie durchgeführt, einschließlich Wasserdruck (25 bar/360 psi), Wassertemperaturen sowie Düsen- und Bodenarten. Das kombinierte C&S-Produkt wurde auf einem modularen Förderband und einer Stahloberfläche getestet, da diese Oberflächentypen im Verpackungsbereich eines Fleischverarbeitungsbetriebs am häufigsten anzutreffen sind (Abbildung 4).

Um die Langzeitwirkung eines C&S-Produkts zu messen, wurde 3,5 Wochen lang jeden Arbeitstag die folgende Routine durchgeführt:

Die Wirkung wurde durch visuelle Inspektion und durch Entnahme von Abstrichproben der Oberfläche zur mikrobiellen Analyse bewertet. An ausgewählten Testtagen wurde die Oberfläche vor und nach dem C&S-Verfahren abgewischt (Abbildung 5).

Auf der Stahloberfläche war das kombinierte C&S-Produkt sowohl bei der Reinigung als auch bei der Desinfektion wirksam; Die Oberfläche war optisch sauber und die Bakterienzahl verringerte sich nach dem Eingriff um 4,5–6,5 log KBE/cm2. Beim modularen Förderband war das Ergebnis allerdings weniger erfreulich. Obwohl die Oberfläche nach dem Eingriff optisch sauber war, wurde in den ersten 10 Testtagen nahezu keine desinfizierende Wirkung auf das Band beobachtet. Um zu untersuchen, ob die Zugabe von mehr Waschmittel die Wirkung verstärken könnte, wurde nach Tag 10 eine weitere Schicht Schaumwaschmittel hinzugefügt. Die Zugabe des zusätzlichen Waschmittels führte zu einer leichten Verbesserung der Wirkung, da die Bakterienzahl um 1,5–3 log KBE/cm2 reduziert wurde. aber es war immer noch weit von dem Effekt entfernt, der in der Lebensmittelindustrie erwartet und benötigt würde.

Obwohl die Umstellung auf ein kombiniertes C&S-Produkt potenziell Zeit, Wasser und Chemikalien einsparen kann, raten die Autoren abschließend, sich niemals nur darauf zu verlassen, ob ein Produkt „zugelassen“ ist. Um ein hohes Maß an Hygiene und Lebensmittelsicherheit nicht zu beeinträchtigen, ist es wichtig, die Wirkung des Produkts unter den spezifischen Umständen der beabsichtigten Verwendung zu validieren.

Der Umgang mit natürlichen Verunreinigungen eingehender Rohstoffe stellt in vielen Bereichen der Lebensmittelindustrie eine Herausforderung dar, wobei die fäkale Kontamination von Schlachtkörpern vielleicht die größte Herausforderung von allen darstellt. Im Laufe der Jahre hat DTI umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt, um dieses Problem anzugehen. Zwei der Projekte werden im Folgenden detailliert beschrieben.

Automatische Erkennung von Fäkalienkontaminationen auf Rinderschlachtkörpern mithilfe von KI

Die Erkennung von Fäkalienkontaminationen auf Rinderschlachtkörpern ist eine wichtige Verarbeitungs- und Inspektionsaufgabe während des gesamten Rinderschlachtprozesses. Während des Schlachtprozesses kann es zu einer fäkalen Kontamination kommen, die, wenn sie nicht erkannt und angemessen behandelt wird, zu einer schlechten mikrobiellen Fleischqualität, lebensmittelbedingten Krankheiten und anderen Gesundheitsrisiken für Verbraucher führen kann.

Um fäkale Verunreinigungen auf Schlachtkörpern festzustellen, werden verschiedene Methoden eingesetzt. Eine gängige Methode ist die Sichtprüfung, bei der geschultes Personal die Schlachtkörper visuell auf das Vorhandensein von Fäkalien untersucht. Diese Methode ist jedoch subjektiv, kann zeitaufwändig sein und es kann schwierig sein, eine Kontamination in geringen Konzentrationen zu erkennen. Ein automatisiertes System kann diese Hindernisse überwinden.

Einige kommerzielle Technologien zur Verbesserung der Erkennung von Fäkalienkontaminationen auf Rinderschlachtkörpern sind bereits auf dem Markt. Eines davon ist ein Fluoreszenz-Bildgebungssystem, das Fluoreszenzfarbstoffe verwendet, um das Vorhandensein von Fäkalien zu erkennen, und sich dabei auf die inhärente Fluoreszenz von Chlorophyll verlässt. Daher erfordert die Technologie, dass das Vieh chlorophyllhaltiges Futter (z. B. frisches Gras) gefressen hat, was in Dänemark selten der Fall ist.

Ingenieure und Datenwissenschaftler bei DTI haben ein visionsbasiertes Erkennungssystem entwickelt. Das System nutzt eine Kombination aus hochauflösenden RBG-Kameras und KI, um fäkale Verunreinigungen an den Hinterbeinen der Schlachtkörper zu erkennen. Sobald das System die Kontamination erkannt hat, ortet es den Mitarbeiter an der Produktionslinie, der die Kontamination schnell und mit großer Präzision von der vom System angezeigten Stelle entfernen kann.

Bei der Entwicklung des Erkennungssystems AI wurde ein maschinelles Lernmodell anhand eines Datensatzes beschrifteter, qualitativ hochwertiger Bilder kontaminierter und nicht kontaminierter Schlachtkörper trainiert. Das Modell wurde darauf trainiert, eine große Vielfalt visueller Muster im Zusammenhang mit einer Stuhlverunreinigung zu erkennen, indem mehrere kritische Parameter wie Farbe, Textur und Form der Fäkalien untersucht wurden. Nach gründlichem Training kann das System neue Bilder anhand der erlernten visuellen Muster interpretieren und feststellen, ob eine fäkale Kontamination vorliegt.

Das Erkennungssystem wird derzeit in Schlachtlinien mehrerer dänischer Rinderschlachthöfe eingesetzt, wo es automatisch Bilder von Rinderschlachtkörpern analysiert und das Vorhandensein von Fäkalienverunreinigungen an den Hinterbeinen erkennt. Die Entwicklung des Systems ist im Gange, mit dem Ziel, dass das System letztendlich die gesamte Schlachtkörperoberfläche abdecken kann.1

Verwendung von Dampfvakuum zur effizienten Entfernung von Verunreinigungen

Wie oben beschrieben, kann es während des Schlachtprozesses zu fäkalen Verunreinigungen kommen. Sobald diese erkannt werden, ist es ebenso wichtig, die Verunreinigungen effizient entfernen zu können. Das Standardverfahren in vielen Schlachthöfen besteht darin, das kontaminierte Gewebe abzuschneiden, wodurch theoretisch alle Kontaminationen physisch entfernt werden. Zu den Nachteilen des Trimmens gehören erhebliche Produktverluste und eine Verschlechterung der Qualität der getrimmten Schlachtkörper, was die Rentabilität des Schlachthofs beeinträchtigt und aufgrund von Lebensmittelverlusten die Umwelt belastet.

Eine Alternative zum Trimmen ist das Dampfsaugen, das sich beim Entfernen von Verunreinigungen wie Fäkalien als effizienter als das Trimmen erwiesen hat. Beim Dampfsaugen wird die Kontamination physikalisch durch Absaugen entfernt, ohne dass Gewebe entfernt werden muss. Die Zeit, die für einen Dampfvakuumschritt benötigt wird, entspricht der Zeit, die zum Trimmen benötigt wird. Somit verbessert das Dampfsaugen die Schlachthygiene, erhöht die Lebensmittelsicherheit und verhindert eine Verschlechterung des Schlachtkörpers aufgrund der Beschneidung kontaminierter Bereiche, ohne die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu beeinträchtigen (Abbildung 6).

DTI hat Dampfvakuumsysteme an Schlachtlinien für Schweine, Rinder und Lämmer getestet und eine allgemeine Verringerung der Gesamtlebenszahl (Total Viable Count, TVC) von Escherichia coli auf den Schlachtkörpern festgestellt. Experimente haben gezeigt, dass eine zehn Sekunden dauernde Dampfvakuum-Dekontaminationsbehandlung möglich ist von Rinderschlachtkörpern reduzierte den TVC im Durchschnitt um 1,3 log KBE/cm2, während das Trimmen den TVC nur um 0,5 log KBE/cm2 reduzierte (Abbildung 7).

Die Dampf-Vakuum-Dekontaminationsbehandlung reduzierte auch die Anzahl der E. coli-positiven Proben effizienter als das Trimmen, mit 26 Prozent positiven Proben nach dem Trimmen im Vergleich zu nur 7 Prozent positiven Proben nach einer zehn Sekunden langen Dampf-Vakuum-Behandlung (Abbildung 8).

Als Lebensmittelproduzent ist es keine schlechte Idee, gezielt auf Desinfektionsprozesse zu setzen, um nachhaltiger zu werden. Für die meisten Produzenten gibt es Möglichkeiten, den Verbrauch von Wasser, Energie und Chemikalien zu reduzieren. Bei der Reinigung der Verarbeitungsumgebung kann ein einfacher Düsenwechsel in Kombination mit einer geringfügigen Anpassung des Desinfektionsverfahrens zu erheblichen Wassereinsparungen führen. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass diese Bemühungen die Hygienestandards nicht gefährden. Unzureichende Hygiene und schlechte mikrobielle Produktqualität erhöhen nicht nur das Risiko des Vorhandenseins von Krankheitserregern, sondern wirken sich auch erheblich auf die Haltbarkeit der Produkte aus.

Die Erkennung und Beseitigung von Verunreinigungen ist in der gesamten Lebensmittelindustrie ein wichtiges Thema. Bei Schlachtkörpern hat sich KI als leistungsstarke Technologie zur Erkennung von Kontaminationen erwiesen, und das Dampfsaugen ist eine effiziente und bequeme Möglichkeit, einmal erkannte Kontaminationen zu entfernen. Durch sorgfältiges Vorgehen und intelligente Hygieneprozesse ist es tatsächlich möglich, die Desinfektion in der Lebensmittelindustrie nachhaltiger zu gestalten.

Die in diesem Artikel berichteten Ergebnisse stammen aus Projekten, die vom dänischen Schweineabgabenfonds, dem dänischen Rinderabgabenfonds und dem dänischen Ministerium für Hochschulbildung und Wissenschaft unterstützt werden.

Emma Bildsted Petersenist Abteilungsleiter am Danish Meat Research Institute (DMRI) des Danish Technological Institute (DTI).

Rikke Hjort Hansenist Senior Project Manager am DMRI des DTI.

Anette Granly Kochist Senior Scientific Officer am DMRI des DTI.

Freja Lea Lüthjeist Spezialist am DMRI des DTI.

Gry Carl Terrellist Business Manager am DMRI des DTI.

Anette Granly Koch hat einen M.Sc. Abschluss in Lebensmittelwissenschaften und Ph.D. in der Mikrobiologie. Sie arbeitet in der Forschung und Entwicklung sowie in der Beratung für die Lebensmittelindustrie mit den Schwerpunkten Lebensmittelsicherheit, Hygiene und Haltbarkeit (Lebensmittelverderb).

Gry Carl Terrell hat einen M.Sc. Abschluss in Lebensmittelwissenschaft und -technologie mit Schwerpunkt auf Mikrobiologie, Lebensmittelsicherheit und Verderb. Gry verfügt über vielfältige Berufserfahrung in der Lebensmittelherstellungs- und Analyseindustrie in den USA und Dänemark.

Freja Lea Lüthjeist Spezialist am DMRI des DTI.

Rikke Hjort Hansenist Senior Project Manager am DMRI des DTI.

Emma Bildsted Petersenist Abteilungsleiter am Danish Meat Research Institute (DMRI) des Danish Technological Institute (DTI).