Mahdollisuudet hyödyntää fotoniikkaa rajattomat

Fotoniikka on aikamme merkittävimpiä teknologioita, joka hyödyttää muita toimialoja ja tuottaa uutta tietoa. Ala kasvaa nyt voimakkaasti. Fotoniikka on mukana kaikessa lasereista, ledeistä ja aurinkopaneeleista syöpähoitoihin ja elintarviketurvallisuuteen.

Teknologiana fotoniikkaa on hyödynnetty elintarviketeollisuudessa jo kauan, mutta viime vuosien aikana sen merkitys on kasvanut huikeasti koko tuotantoketjussa. Elintarviketeollisuuden globaaleja haasteita ovat muun muassa kaupungistumisen ja ilmaston lämpenemisen tuomat kasvatusolosuhteiden muutokset ja jatkuvasti kasvava väestömäärä, johon ruuantuotannon täytyy pystyä vastaamaan kestävästi. Elintason nousu on tuonut mukanaan myös uusia sairauksia ja ongelmia kuten ylipainoisuuden lisääntyminen.

Fotoniikan avulla pystytään löytämään ratkaisuja kaupungistumisen ja uusien kasvatusolosuhteiden tarpeisiin. Ratkaisut näkyvät kaupungeissa esimerkiksi yleistyvinä vertikaaliviljelminä tai led-valaistuksella kontrolloituina, suljettuina kasvatusympäristöinä.

Erilaiset sensoriteknologiat tuottavat uutta tietoa koko elintarvikeketjuun sekä kuluttajille. Yksittäisestä elintarvikkeesta voidaan mitata tarkasti tuotteen rasvapitoisuus, proteiinit, sokerit ja kokonaisenergiamäärä. Mittaavat sensorit ovat kehittyneet pieniksi ja hinnaltaan edullisiksi laitteiksi, joten niiden houkuttelevuus kasvaa myös kuluttajien silmissä.

Tähtäimessä globaali elintarvikedatan tietokanta

Elintarvikkeiden analysoinnin ja mittaamisen tarve ovat kasvamassa merkittävästi. Aiemmin ongelmana mittalaitteiden yleistymiselle ovat olleet niiden kallis hinta ja suuri koko. Fotoniikka-alan nopean kehityksen myötä tarjolla on yhä monipuolisempia, kooltaan pienempiä ja edullisempia laitteita. Teknologioiden kehittyessä myös digitalisaation merkitys elintarviketeollisuudessa kasvaa. Tämä tarkoittaa älykkäiden algoritmien ohjaamien, keskenään verkottuneiden koneiden ja suurten datamäärien yleistymistä.

Digitaalisaation kärkinä ovat IoT, eli keskenään verkottuneet koneet teollisuudessa ja kuluttajilla sekä tästä syntyvä tarve suurten tietomäärien, eli Big Datan käsittelylle ja hallinnalle. Laitteiden ohjaus, mittaaminen ja sensorointi luovat merkittäviä tarpeita uusille ja erilaisille sensoriteknologioille.

Tulevaisuuden sensorit ovat pilvipalveluihin kytkettyjä, massatuotettuja, erittäin pienikokoisia ja älykkäitä. Spectral Engines Oy:n kansainvälisen Horizon 2020 -palkinnon saavuttanut ruokaskanneri on vain puolikkaan tulitikkuaskin kokoinen, mutta se pystyy mittaamaan pistekohtaisesti aineen koostumuksen siirtäen kerätyn datan koneelle ja pilveen¹.

Skannerin sensori käyttää infrapunavaloa kohteen valaisemiseen, josta pienikokoinen infrapunaspektrometri havaitsee takaisin tulevan valon. Laite analysoi ns. sormenjälkitunnistusta spektrissä. Mitata voi esimerkiksi jauhojen kosteutta myllyssä samalla, kun ryynit jauhetaan jauhoiksi. Kerätyn datan seuranta tapahtuu reaaliaikaisesti verkossa.

Pulmana on elintarvikkeesta mittaamalla saadun tiedon laitekohtaisuus, joka vaatii erillisten laitteiden kalibroinnin yhtenäisten mittaustulosten saavuttamiseksi. Kehityksessä ollaan kuitenkin menossa kohti globaalia elintarvikedatan tietokantaa, joka määrittäisi oikeat viitearvot elintarvikkeiden mittaamiselle.

Jokaisella aineella on oma sormenjälkensä

Älykäs maatalous kasvaa kovaa vauhtia vaikuttaen koko ruuan arvoketjuun. Kaukokartoituksella on tärkeä merkitys viljelyssä, ja kartoittamisessa ollaan siirtymässä dronien eli nelikoptereiden käyttämiseen. Peltojen maaperä sekä lannoitteiden ja torjunta-aineiden määrät mitataan lintuperspektiivistä kameroiden ja sensoreiden avustuksella.

Jokaisella kerätyllä aineella on oma sormenjälkensä eli spektri, josta voidaan määrittää aineen koostumus. Suomessa ollaan kaukokartoittamisen osalta pitkällä, mutta esimerkiksi Hollannissa teknologioita hyödynnetään jo merkittävästi enemmän maan suurten peltoalojen ja vähäisten pohjavesivarantojen riittävyyden vuoksi.

Ruokaväärennökset ovat globaalisti kasvava ongelma, johon kuvantaminen tuo ratkaisun mahdollistaen ruuan aitouden ja mahdollisten vierasesineiden tunnistamisen. Hyperspektrikuvantamiseen erikoistunut Specim Oy pystyy mittaamaan teknologiansa avulla esimerkiksi juuston pinnan rasvapitoisuudet sekä proteiinipitoisimmat alueet. Samalla tavoin voidaan varmistaa, että pakastevihannespussiin ei ole eksynyt kiviä tai koppakuoriaisia. Ruokaväärennöksiä voidaan tunnistaa tehokkaasti. Riisi on yksi maailman eniten kuvantavalla teknologialla mitattuja tuotteita. Aitouden lisäksi esimerkiksi mausteseoksesta pystytään varmistamaan, etteivät jauheet ole päässeet paakkuuntumaan.

Kaikkea ei kuvantamalla kuitenkaan voida ratkaista, koska mittaustulos saadaan tuotteen pinnalta ja vain muutamia millejä pinnan alta. Tämän vuoksi esimerkiksi erilaiset myrkkyjäämät ja allergeenit ovat mahdottomia mitata. Aikaisemmin mittaamiselle aiheutti ongelmia myös ruuan vesi, mutta teknologisen kehitystyön myötä esimerkiksi kasviksien mittaamisesta on tullut mahdollista.

Fotoniikalla tuhotaan haitallisia mikrobeja

Tällä hetkellä ruuantuotannon maailmanlaajuisena haasteena ovat erilaiset mikrobit. Pääsääntöisesti mikrobeihin pyritään vaikuttamaan suurilla määrillä kemikaaleja, joiden käsittelystä selviävät bakteerit saavat paljon elintilaa kasvaa ja mahdollistavat vaikeasti tuhottavien bakteerikantojen synnyn. Samoin lääkkeiden runsaan käytön myötä antibioottiresistenssi aiheuttaa yhä merkittävämpiä ongelmia ja kuolemia maailmalla. Fotoniikka pystyy korvaamaan suuren osan teollisuuden kemikaaleista ja jopa tehostamaan lääkeaineita tuhoten mikrobeja valolla.

Valon tietyllä aallonpituudella pystytään tuhoamaan mikrobeja jopa biofilmin lävitse. LED Tailor Innova7ion hyödyntää kahdenlaista valotekniikkaa: valkoista ja sinistä valoa. Esimerkiksi sinisellä valolla voidaan desinfioida pinnat ja ilma tehden tiloista steriilejä. Kumpikaan valotekniikoista ei ole ihmiselle haitallinen. Niiden avulla voidaan myös sterilisoida puhdastiloja tai puhdistaa kosteita pintoja ja biofilmejä. Kehitteillä on myös ratkaisuja esimerkiksi sisäilmaongelmien hallintaan sekä alustavasti sairaalaympäristön käyttöön suunniteltu steriili potilashissi. Molemmat kehitteillä olevat ratkaisut ovat parhaillaan testausvaiheessa.

Vielä kohdennetumpaan bakteerien tuhoamiseen voidaan hyödyntää HyacinthLuxin kehittämää UV-laseria, joka toimii huomattavasti pienemmällä valon spektrillä UV-lamppuihin verrattuna. UV-laser vaikuttaa neliösenttimetrin alueella tuhoten bakteerit sekunnissa, kun UV-lampulla vaikutusaika samalle alueelle kohdennettuna on noin viisi minuuttia.

Teknologiaa voidaan hyödyntää kohdennetusti laitteiden, välineiden, pakkausmateriaalien ja lähellä olevien pintojen sterilisoinnissa, mutta myös hankalammissa paikoissa kuten huoneiden nurkkien, rakojen tai halkeamien puhdistamisessa.

¹ Antila J. 2017. Tuoteväärennöksiä esiin infrapunaspektroskopialla. Kehittyvä Elintarvike 4/2017, 38−39