Lebensmittelsensorik 4.0 - Bedeutung und Perspektiven der Digitalisierung in der sensorischen Qualitätskontrolle und Produktentwicklung

In der Lebensmittelwirtschaft werden, wie auch in anderen Industriebereichen, Impulse für die digitale Zukunft gesetzt. Der Mensch steht dabei im Zentrum der im Kontext von Industrie 4.0 zu bewältigenden Aufgaben und ist gefordert, die sich bietenden Chancen der Informationstechnologie und Digitalisierung zu nutzen und die möglichen Risiken im Blick zu behalten. Diese Entwicklung macht auch vor dem Bereich der Lebensmittelsensorik nicht Halt. In vielen Unternehmen ist die Datenerhebung, -auswertung und -verwaltung humansensorischer Tests bereits EDV-unterstützt. Am Markt werden diesbezüglich verschiedene Software-Programme angeboten, die die Prozesse rund um die sensorische Qualitätssicherung und Produktentwicklung unterstützen. Allerdings ist eine weitere Vernetzung und Automatisierung des Datenmanagements dieser Bereiche innerhalb des Unternehmens und auch mit den Lieferanten und Kunden erstrebenswert. Für ein effizientes Sensorik-Management im digitalen Umfeld sind folglich stets individuelle Lösungsstrategien mit einem hohen praktischen Nutzen zu entwickeln. 

Der Begriff Industrie 4.0 steht für die vierte industrielle Revolution und wurde erstmals im Jahr 2012 in Deutschland benutzt. Damit will man zum Ausdruck bringen, dass nach der Mechanisierung, Elektrifizierung und Automatisierung nun die Digitalisierung und Vernetzung folgt. Durch die Verbindung von Menschen, Objekten und Systemen entstehen dynamische, echtzeitoptimierte und unternehmensübergreifende Netzwerke entlang der Wertschöpfungsketten mit dem Ziel einer zunehmenden Optimierung der Organisation und Steuerung von Prozessen. Anders als bei vorherigen technologiegetriebenen Umbrüchen geht es dieses Mal nicht um eine einzelne Technologie, sondern vielmehr um die Verknüpfung von verschiedenen Methoden und Technologien aus der Informations- und Kommunikationstechnik.

Um Industrie 4.0 umzusetzen, kombiniert ein Unternehmen individuell Methoden, Technologien, Daten, Modelle, Dienste und Prozesse. Die Optimierung kann somit sowohl innerhalb verschiedener Unternehmensbereiche als auch an den Schnittstellen zu Kunden, Lieferanten oder Partnern ansetzen. Eine wichtige Voraussetzung für eine erfolgreiche Umsetzung von Industrie 4.0-Elementen sind transparente, effiziente Prozesse und ein strukturiertes Datenmanagement. Es gilt aber stets das Verhältnis zwischen zu erwartenden Marktvorteilen und Risiken im Zusammenhang mit der steigenden Systemkomplexität zu klären (vgl. Abbildung 1). 

Im Bereich des Aussehens und bei der Textur/Haptik können Echtzeit-Kontrollen den Prozess für eine konstante Produktqualität weitgehend regulieren. Diese physikalischen Reize der Sinneswahrnehmung, beziehungsweise Eigenschaften wie Farbintensität, Fleckenbildung, Knusprigkeit, Feuchtigkeit oder Cremigkeit, werden mit Sensoren gemessen und digital gesteuert. Im Gegensatz dazu sind die für die Geruchs- und Geschmackswahrnehmung relevanten chemischen Reize mittels Echtzeit-Kontrollen aktuell noch schwierig bzw. zum Teil auch aufgrund ihrer Komplexität unmöglich zu ermitteln. Ein prozessintegriertes, kontinuierliches Messen der Prüfmerkmale Aroma sowie Geschmack ist aktuell hauptsächlich nur mittels Endprodukt-Kontrolle möglich. Doch auch diese primär humansensorische Qualitätssicherung kann digitalisiert werden. 

Die kritischen Erfolgsfaktoren für Simon Blaser sind: „Eine definierte Auswertung, die transparente und „saubere“ Datenlage, eine höhere Effizienz und die erzielte Schnelligkeit.“ Im Vergleich zur vorgängigen analogen Abwicklung ist der Nutzen der digitalen Durchführung bezüglich Struktur und Übersicht groß. Durch die automatische Berichterstellung sowie die transparente Information (von den Einzelergebnissen hin zum finalen Befund) zeigt sich zudem eine geringere Subjektivität.

In der Einführungsphase mussten gewisse Hürden überwunden werden, was auf interne Skepsis gegenüber „dem Wechsel von analog nach digital“ stieß. Der Initialaufwand zur Standardisierung der Abläufe und Dokumente, d.?h. unter anderem der Definition der Prozessparameter (Referenzen, Sollwerte und Produktprofile) und der Prüfaufgaben bzw. -protokolle war beträchtlich, da im Zusammenhang mit der Software-Implementation auch der ganze Sensorikprozess optimiert wurde. Neue Prüfbögen und Checklisten wurden erstellt und den internen Bedürfnissen angepasst. Eine wichtige Voraussetzung war, dass die Daten von anderen Systemen (z.?B. chemische Laborparameter) nicht erneut eingegeben werden mussten. Die Vernetzung mit den bestehenden Datensystemen klappte jedoch bestens. Das papierlose, auf die Abläufe im Unternehmen abgestimmte Sensorik-Management-System erlangte schon bald nach der Einführung eine hohe Akzeptanz bei QS-Prüfleitern, Entwicklern und der Geschäftsleitung. 

Durch Trendanalysen sowie Lagertests können nun Auswertungskriterien über größere Zeiträume miteinander verglichen und saisonale Tendenzen erkannt und interpretiert werden. Das große, übersichtlich strukturierte Datenmaterial ermöglicht nun ein stärker fundiertes Feedback gegenüber Lieferanten oder Kunden und führt zu konstanterer Qualität. 

a) Software-Programme mit Fokus auf Einzelprojekte und Sensorikforschung

Es gibt einige auf sensorische Prüfungen generell und die sensorische Forschung im Detail spezialisierte Software-Tools, wie u.?a. FIZZ, Compusense oder Red Jade®. Diese Lösungen verfügen über umfangreiche Anwendungen sowohl im Bereich analytischer als auch im Bereich hedonischer Methoden (Akzeptanz- und Präferenztests) und deren statistische Auswertung. Hiermit lassen sich sowohl einfache als auch komplexe Projekte in der Sensorik mit unterschiedlichen Fragestellungen und unter Einsatz unterschiedlicher Methoden (auch Schnellmethoden wie Sorting, Napping®) abbilden und digitalisiert steuern. Darüber hinaus ermöglichen sie eine Verknüpfung von subjektiven Konsumenteneindrücken mit objektiven sensorischen Profilen. Für Projekte der sensorischen Produktforschung, zum Aufbau eines deskriptiven Panels oder für multidimensionale Preference Mappings sind diese Methoden sehr gut geeignet. 

Für standardisierte fortlaufende Aufgabenstellungen, den Schwerpunkt die sensorische Analytik in der Qualitätssicherung betreffend, d.?h. Datenverwaltung von Proben und Produkten, Lagertests/Trendanalysen über längere Zeiträume bzw. fortlaufend, Maßnahmen-Management und Vernetzung mit anderen Unternehmensprozessen, sind diese Software-Tools aktuell weniger dienlich. 

b) Software-Programme mit Fokus auf sensorische Konsumentenforschung 

Allgemeine Konsumenten-Befragungstools, wie Questback, Rogator oder Survalyzer, haben Vorteile im Bereich Zielgruppen-Screening und bei der Programmierung komplexerer Fragebögen. Diese Tools sind spezialisiert auf viele verschiedene Fragebogenelemente und ermöglichen damit eine hohe Flexibilität bei der Fragebogengestaltung. Bei der Verwendung von standardisierten Fragebögen sind sie wenig automatisiert. Oft verfügen diese Systeme über eine Panelverwaltung, um Prüfer-Stichproben zu ziehen oder um Prüfer-Einladungen bzw. Reminder zu versenden. Sie haben jedoch weder eine Probenverwaltung, noch Sensorik-spezifische Auswertungen wie z.?B. bei Unterschiedstests oder Lagertests. 

c) Software-Programme mit Fokus auf Produktdaten

Herkömmliche Produktdatenbanken, wie PIM (Produkt-Informations-Management) oder LIMS (Labor-Informations-Management-Systeme), verfügen über umfangreiche Produkt-, Proben- sowie Projektdatenbanken. Sie gewährleisten zudem die Transformation der Daten zu weiteren internen Systemen. Diese Software-Programme haben jedoch nur sehr begrenzte Sensorik-spezifische Funktionen und geringe Möglichkeiten für die digitale Einbindung sensorischer Prozesse z.?B. Fragebogengestaltung bzgl. sensorischer Tests sowie für statistische Auswertungen. 

d) Software-Programme zum Sensorik-Management mit Fokus auf fortlaufende, routinierte Sensorik-Projekte in der Praxis

Die Digitalisierung der Sensorik durch z.?B. die Software-Anwendung SensoTASTE deckt die Bedürfnisse regelmäßig und standardisiert durchgeführter Verkostungen sehr gut ab; sei dies in der Qualitätssicherung, der Produktentwicklung oder im Marketing. Nach einer eingangs durchgeführten Implementierung der aktuellen betriebsspezifischen Prozesse rund um die Lebensmittelsensorik, sind die Sensorikprojekte mit minimalem Aufwand geplant und ausgewertet. Die hohe Automatisierung ermöglicht den Verkostungen „per Knopfdruck“ Fragebogen, Panelisten bzw. Prüfer, Bewertungsskalen und Proben automatisch zuzuordnen. Nach der sensorischen Bewertung ist die statistische Auswertung sowie der Bericht sofort erstellt und die Daten sind vernetzt mit anderen Betriebssystemen. Weniger ausgeprägt sind statistische Funktionen und multidimensionale Auswertungen (multivariate Applications, multidimensional Scaling). 

Die Anforderungen und Bedürfnisse eines digitalisierten Sensorik-Prozesses bzw. Sensorik-Managements sind vielfältig. Ein Datenmanagement, das unterschiedliche, häufig routinierte und standardisierte Sensorik-Projekte des Unternehmens bzw. der Abteilung abbildet, sollte die Vorbereitung, Erhebung, Aufbereitung, Auswertung und Interpretation der Daten sowie auch die Datenvernetzung und Datenverwaltung beinhalten. 

Das Softwaresystem SensoTASTE deckt viele dieser Bedürfnisse ab. Es beinhaltet zusätzlich übersichtliche Produkt-, Proben- sowie Projektdatenbanken, deren Eingabefelder kundenspezifisch angepasst werden können und verfügt über eine flexible Fragebogengestaltung. Die Abbildung 4 zeigt exemplarisch den über SensoTASTE abgebildeten digitalisierten Sensorik-Prozess auf und verdeutlicht zudem, wie dieser Basisprozess durch weitere sinnvolle Module ergänzt werden kann. Die Module des Basisprozesses sind dort als blaue Kästchen und ergänzende Module als grüne, bzw. gelbe Kästchen abgebildet. Damit stehen bei diesem sensorischen Datenmanagement die Effizienz, Flexibilität und Transparenz im Vordergrund.

Je nach Anforderungen kann die Inhouse-Variante mit einem Hosting beim Kunden oder die webbasierte Cloud-Variante mit Hosting bei SensoPLUS gewählt werden. Die Inhouse-Variante erlaubt einfachere Anbindungen an betriebsinterne Software-Komponenten, wie Active Directory oder ERP-Systeme. Die webbasierte Variante macht den Nutzer unabhängiger vom betriebsinternen Server und über die Cloud kann das System auch außerhalb des Intranets genutzt werden. Bei beiden Varianten ist keine Installation auf den Endgeräten der Testleiter und der Verkoster notwendig, da die Applikation über einen Webbrowser, wie z.B. Internet Explorer, Safari oder Chrome, aufgerufen werden kann. 

Einmal auf das Endgerät geladene Prüfprotokolle können auch offline, d.h. ohne Verbindung zum Server, ausgefüllt werden (vgl. Abbildung 6). Die Synchronisation der Daten erfolgt, sobald das Gerät wieder online ist. Dadurch können Prüfungen auch an Orten ohne Intranet/Internet durchgeführt werden. 

Für die Einführung der Sensorik-Software wird durch SensoPLUS ein Mandant für den Kunden aufgesetzt und eine interne Schulung durchgeführt, bei welcher gleichzeitig die benötigten Vorlagen aufgesetzt werden. Nach der Einrichtung des WLAN-Netzwerkes durch die betriebseigene IT und dem Konfigurieren der Endgeräte werden allenfalls noch die Berichte angepasst. Innerhalb von 1-2 Wochen kann so eine standardisierte Implementierung umgesetzt werden.

Jedes Unternehmen hat die Möglichkeit, den Datenmanagementprozess optimal auf seine eigenen Abläufe auszurichten, deswegen können durch das Customizing individuelle Lösungsstrategien erstellt werden. Berichtformate, Checklisten und Schnittstellen werden somit spezifisch nach Benutzerbedürfnissen installiert (vgl. Abbildung 7: Automatisch erstellter pdf-Bericht, Emmi Fondue AG; Beispiel für Customizing: Mit Farbgebung können Aussagen von Resultaten unterstützt werden werden, sodass sie für den Berichtempfänger sofort verständlich sind). 

Die Vernetzung der verschiedenen Systeme wird in Zukunft immer schneller, die Automatisierung nimmt weiterhin zu und der Austausch der Daten wird besser. Systemtechnisch wird immer mehr in Clouds verlagert, sodass zukünftig die internen Systeme noch stärker als bisher eine Anbindung an eine verschlüsselte Cloud-Umgebung haben. Es wäre sogar möglich, dass Betriebe zukünftig intern keine eigenen Server, wenig Software-Eigenentwicklung und nur noch Hardware-Endgeräte haben. Wie jeder Trend, löst auch diese digitale Entwicklung Gegenbewegungen aus. Die neue Datenschutzverordnung und die bei den Konsumenten immer wichtigere Datenschutzthematik sind nur einige davon. 

Das technische System wird dem Menschen in verschiedenen Bereichen zunehmend mehr Arbeit abnehmen können. Das gilt auch für den wichtigen Bereich der Lebensmittelsensorik. So können Proben über Scan-Codes, als Bild oder via Spracherkennung erfasst und sogleich mit allen relevanten Daten verknüpft werden. Was immer möglich ist, wird durch instrumentelle Messungen in Echtzeit erfasst. Dazu gehören in der Sensorik die Prüfmerkmale Optik, Textur und vermutlich auch bald einmal Aroma. Diese Daten werden digital mit den immer noch notwendigen humansensorischen Beurteilungen verknüpft. Der Mensch muss nach der Testplanung „nur“ noch verkosten und der Projektleiter dann natürlich letztlich die Ergebnisdaten interpretieren.

Durch die Digitalisierung gab es in vielen Bereichen in den letzten Jahren disruptive Veränderungen, welche das Konsumentenverhalten und die Marktmechanismen grundlegend veränderten. Bekannte Beispiele sind insbesondere das enorme Wachstum bzw. die Entwicklung der Plattformen wie Amazon, Uber, Airbnb etc. Auch in der Sensorik wären solche markanten Veränderungen möglich. Bereits jetzt sind Sensorisches Clustering, Consumer-Feedback-Apps und Monitoring der Emotionen ein Thema und bringen die Lebensmittelfirmen in Zukunft immer näher an den Konsumenten und dessen Individualität heran. Auch digitale Lösungsansätze wie die Nutzung von Big Data und künstlicher Intelligenz eröffnen weitere neue Horizonte.