По пути от места производства до тарелки потребителя портится около трети всех продуктов питания в мире. Одной из причин являются неблагоприятные условия хранения в производственно-сбытовых цепочках, в том числе неоптимальное хранение в домашних условиях. Исследователи из лаборатории биомиметических мембран и текстиля Empa в Санкт-Галлене уже некоторое время работают над цифровыми решениями, которые могли бы уменьшить эти пищевые отходы. Теперь, совместно с исследователями из Университета Берна и Стелленбошского университета в Южной Африке, команда разработала цифровых двойников цитрусовых и опубликовала результаты в журнале Nature Food.

Тарелка вместо мусорного ведра

17 целей в области устойчивого развития, сформулированных в Повестке дня ООН на период до 2030 года, включают продовольственную безопасность и устойчивое сельское хозяйство. Продовольственная и сельскохозяйственная организация (ФАО) также рассматривает устойчивые цифровые решения и инновации как средство достижения этих целей. Команда под руководством Чандримы Шриваставы и Тийса Дефрайе теперь полагается на цифровую информацию для виртуальных двойников цитрусовых, которую они смогли определить путем «апсайклинга», т. е. обновления данных, которые почти не использовались. «Каждый контейнер в мире сейчас оснащен одним или несколькими датчиками температуры », — объясняет Дефрайе из Empa. Однако до сих пор разнообразная информация, скрытая в этих данных измерений, еще не использовалась.

Путем математической оценки физических процессов команда смогла использовать наборы данных для отслеживания важнейших свойств фруктов с течением времени, тем самым выявляя и даже прогнозируя потери качества и проблемы сбыта. Для этого исследователи отследили изменение температуры в 47 контейнерах с цитрусовыми на всем пути транспортировки и использовали компьютерное моделирование, чтобы определить вероятность соответствующих повреждений, таких как гниение, потеря влаги, повреждение холодом, плесень или желаемые изменения, такие как смертность. личинок плодовой мухи у цифровых близнецов.

Результатом стал широкий диапазон условий транспортировки и соответствующие потери качества. «В нашем исследовании половина всех поставок не соответствовала оптимальным условиям для транспортировки», — говорит Дефрейе. Последствия: гниение, порча холодом, испорченный товар. В конце 30-дневного путешествия некоторые из оставшихся цитрусовых имели срок годности всего несколько дней.

Оптимальные условия

Однако решение проблемы заключается не только в охлаждении продуктов. Скорее, необходима точная корректировка условий перевозки в виде компромисса. Если, например, лимон перевозится слишком прохладно, вредители, такие как плодовые мушки , или другие ухудшения качества остаются в страхе. С другой стороны, плод повреждается холодом, что может сделать его непригодным для продажи.

Используя цифровые двойники, команда теперь смогла определить оптимальные условия, в которых соответствующие риски, такие как заражение мухами, визуальные дефекты и повреждение от холода, сопоставляются друг с другом. Прежде чем технология может быть применена, все еще необходимы дальнейшие разработки, но цель ясна: в своих цепочках производства и поставок компании должны иметь возможность интегрировать виртуальные фрукты в свои процессы, чтобы оптимизировать условия хранения в реальных условиях и сократить потери продуктов питания.

Фруктовые шпионы в пути

Исследователи Empa также работают над биофизическими близнецами фруктов и овощей, чтобы уменьшить количество пищевых отходов . Здесь свойства культур идеально моделируются полимерными моделями. Кроме того, биофизические близнецы оснащены датчиками, которые измеряют температуру и содержание влаги в том виде, в каком они существуют на коже и в мясе настоящей пищи. Таким образом, «шпион» среди продуктов сообщает точные данные для оптимизации условий хранения и транспортировки — в отличие от традиционных методов измерения.

Совсем недавно исследователи расширили ассортимент существующих сенсорных фруктов, яблок и манго, включив в них картофель и авокадо разных размеров, а также улучшили материалы и производственный процесс.