Forscher untersuchen Orangenschalen
Der Schimmelpilz Penicillium digitatum gilt als einer der größten Feinde von Zitrusfrüchten. In vielen Anbaugebieten ist er mit rund 90 Prozent die Hauptursache für Verluste, die bei Lagerung und Transport auftreten. Er setzt sich an kleinen Schadstellen der Schale fest, durch die Wasser und Nährstoffe austreten. Zunächst entsteht auf der Oberfläche eine weichere Zone, die an eine Druckstelle erinnert. Von dort aus breitet sich weißes Schimmelgewebe über die gesamte Frucht aus, das sich schließlich grün färbt, wenn der Pilz beginnt, Sporen auszubilden. Am Ende bleibt von der Frucht nur noch eine leere, trockene Schale übrig. Eine einzige befallene Orange kann dafür sorgen, dass schnell eine ganze Kiste verdirbt. Doch wenn der Schimmel erst sein weißes Mycel ausgebildet hat und mit bloßem Auge zu erkennen ist, ist es bereits zu spät. Daher wird schon lange nach einer Methode gesucht, eine Pilzinfektion möglichst früh zu erkennen. Dazu untersuchen Forscher des Leibniz-Instituts für Agrartechnik und Bioökonomie e.V. (ATB) in Potsdam und des Instituto Valenciano de Investigaciones Agrarias jetzt Orangen mit Laserlicht.
In abgedunkelten Räumen
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Selbstverständlich gibt es bereits Methoden, Früchte nach der Ernte auf Fehler, Schädlinge und viele weitere Faktoren zu prüfen. Da ist vor allem einmal die manuelle Begutachtung, bei der sich geschultes Personal jede einzelne Frucht vornimmt und sie auf bestimmte Merkmale untersucht. Bei Orangen wird das zum Beispiel in abgedunkelten Räumen unter UV-Licht gemacht, das austretende ätherische Öle zum Leuchten bringt. So lassen sich beschädigte Früchte erkennen und aussortieren.
Dieser Prozess ist genauso zeit- und arbeitsaufwendig, wie er sich anhört. Dazu kommt die Gefahr, dass die Mitarbeiter schädlichem UV-Licht ausgesetzt sind. Auch im Chemielabor kann man viel über Obst und Gemüse herausfinden. Doch diese Methoden sind meist destruktiv – die Frucht muss dabei zerstört werden. Deshalb sind nur stichprobenartige Untersuchungen möglich. Das ist kein Problem, wenn es zum Beispiel darum geht, den durchschnittlichen Reifegrad eines Bananenclusters zu bestimmen. Die faule Frucht in einer Kiste Orangen kann man auf diese Weise aber nur durch Zufall entdecken. Es gilt also, eine zuverlässige und schnelle, nicht-invasive Methode zu finden, mit der zum Beispiel in einer Sortieranlage schadhaftes Obst automatisch aussortiert werden kann.
Messen, was zurückkommt
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Die Forscher des ATB prüfen dazu die Methodik der sogenannten bildgebenden optischen Rückstreumessung: Der Versuchsaufbau besteht aus fünf Punktlasermodulen mit den Wellenlängen 532 nm (grün), 660 nm (rot), 785, 830 und 1060 nm (nahes Infrarot). Die Früchte werden abwechselnd mit einem oder mehreren dieser Laser bestrahlt. Dabei wird das Licht auf zwei verschiedene Arten reflektiert. Da ist zunächst die klassische Fresnel-Reflexion, bei der die Photonen an der Oberfläche der Probe reflektiert werden. Viel interessanter ist für die Wissenschaftler jedoch die zweite, die sogenannte diffuse Reflexion. Dabei geht es um den Anteil des Lichts, der in die Probe eindringt.
Dort interagiert es mit den inneren Bestandteilen der Frucht, bevor es zurück an die äußere Gewebeoberfläche gestreut wird. So lassen sich zusätzlich zu den Absorptionseigenschaften auch wichtige Informationen über Morphologie und Gewebestruktur des Obstes ermitteln. Um genaue Ergebnisse zu erzielen, muss das Licht dabei möglichst tief in die Frucht eindringen. Daher benötigen die Wissenschaftler besonders leistungsstarke Lasermodule. Zur Auswertung wird eine monochrome CCD-Kamera verwendet, die den Forschern detaillierte Informationen zur Ausbreitung des Lichts im Inneren der Frucht liefert. Aus diesem Verlauf können sie Rückschlüsse auf eine mögliche Pilzinfektion ziehen.
Beste Ergebnisse mit sichtbarem Licht
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Bei einem Befall mit Penicillium digitatum reichert sich Zellflüssigkeit außerhalb der Zellen im sogenannten Apoplasten an. Dadurch verändert sich das Reflexionsverhalten gegenüber gesunden Früchten. Mit optischer Messtechnik lässt sich der Pilzbefall auch bei solchen Orangen nachweisen, die für das bloße Auge völlig unbeschädigt erscheinen. Das konnten die Wissenschaftler von ATB und Instituto Valenciano de Investigaciones Agrarias in ihrem Experiment bei allen getesteten Wellenlängen nachweisen. Dabei erzielten Sie schon bei 532 nm eine durchschnittliche Erfolgsquote von rund 80 Prozent. Diese „Trefferwahrscheinlichkeit“ stieg mit der Anzahl der unterschiedlichen Wellenlängen, die zeitgleich hinzugeschaltet wurden. Mit allen fünf Wellenlängen zur selben Zeit lag sie bei durchschnittlich 96 Prozent; dabei tragen die IR-Laser nur noch in geringem Maße zur Effizienzsteigerung bei. Die Wissenschaftler führen das darauf zurück, dass sichtbares Licht wegen seines leicht höheren Streukoeffizienten ein besseres Signal-Rausch Verhältnis aufweist. Außerdem wird NIR-Strahlung durch Wasser und Kohlenhydrate besonders stark absorbiert. Diese Stoffe können aber auch unabhängig von der Infektion stark in ihrer Konzentration schwanken.
Dringend gebraucht: Neue Lösungen
Umweltschonende Verfahren sind erforderlich
Die Erkenntnisse der Studie könnten entscheidenden Einfluss auf den Orangenanbau der Zukunft haben. Bisher wurden die Schalen der Zitrusfrüchte nach der Ernte mit einem Wachs behandelt, in dem unter anderem auch Fungizide enthalten sind. Doch neue Erkenntnisse und ein Wandel in der öffentlichen Wahrnehmung führen heute dazu, dass die Zitrusbauern dringend nach umweltfreundlicheren Methoden suchen, aber trotzdem die Ernteausbeute so hoch wie möglich halten wollen. Die optische Methode wäre sicherlich eine kostengünstige Alternative, befallene Früchte frühzeitig auszusortieren. Allerdings werden wohl noch einige Jahre ins Land gehen, bevor aus der Forschung eine massentaugliche Technik wird.
Dr. Manuela Zude-Sasse ist nach dem Studium der Chemie und Postdoc-Stellen in den USA und Frankreich seit 2007 Arbeitsgruppenleiterin für den Bereich Precision Horticulture am Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e.V., Potsdam (ATB).
Christian Regen ist nach einem physikalisch-chemisch ausgerichteten Studium an der Fachhochschule seit über 10 Jahren am ATB als Versuchsingenieur tätig und dort mit dem Aufbau und Programmierung von Prüfständen betraut.
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