DE102021104983A1

DE102021104983A1 - Verfahren zur Bestimmung oder Klassifikation der Konzentration von mindestens einem Inhaltsstoff von biologischem Material

Info

Publication number: DE102021104983A1
Application number: DE102021104983.0A
Authority: DE
Inventors: Arnd Viehweg; Winfried Viehweg; Bernhard Viehweg
Original assignee: Exerzierplatz Ug Haftungsbeschraenkt
Current assignee: Exerzierplatz Ug Haftungsbeschraenkt
Priority date: 2021-03-02
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2022-09-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung oder Klassifikation der Konzentration mindestens eines Inhaltsstoffes von biologischem Material, aufweisend die Schritte• Aufnahme mindestens eines Spektrums von dem biologischen Material mit einem Spektralsensor;• Analyse mindestens eines spektralen Abschnitts des mindestens einen Spektrums;• Berechnung oder Klassifikation der Konzentration mindestens eines Inhaltsstoffs in dem biologischen Material mittels statistischer Verfahren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung oder Klassifikation der Konzentration mindestens eines Inhaltsstoffes von biologischem Material, aufweisend die Schritte

• Aufnahme mindestens eines Spektrums von dem biologischen Material mit einem Spektralsensor;
• Analyse mindestens eines spektralen Abschnitts des mindestens einen Spektrums;
• Berechnung oder Klassifikation der Konzentration mindestens eines Inhaltsstoffs in dem biologischen Material mittels statistischer Verfahren.

Die Konzentration und/oder Klassifikation bestimmter Inhaltsstoffe in biologischem Material ist für vielfältige Anwendungen von Interesse. Insbesondere die Konzentration von Inhaltsstoffen wie beispielsweise Omega-3-Fettsäuren, Omega-6-Fettsäuren, Proteinen und Cholesterin in tierischen Produkten, die zum Verzehr gedacht sind, sind aus ernährungsphysiologischer Sicht bedeutend.
Omega-3- und Omega-6-Fettsäuren zählen zu den mehrfach ungesättigten Fettsäuren. Aus der Omega-3-Fettsäurenfamilie braucht der menschliche Körper sowohl die Alpha-Linolinsäure (ALA) als auch die Eicosapentaensäure (EPA) und die Docosahexaensäure (DHA). Dabei muss nur die Alpha-Linolinsäure zwingend über die Nahrung aufgenommen werden. Aus ihr können dann die beiden anderen Fettsäuren im Körper hergestellt werden. Dies erfolgt über ein Enzymsystem, welches auch von der Omega-6-Fettsäurenfamilie genutzt wird. Es herrscht also ein Konkurrenzkampf um diese Enzyme, bei dem gilt: Je kleiner das Verhältnis von Omega-6-zu Omega-3-Fettsäuren ist, desto größer wird die Chance, dass die wichtigen Eicosapentaensäure (EPA) und die Docosahexaensäure (DHA) synthetisiert werden können. Neben der Alpha-Linolinsäure ist auch die Linolsäure (eine Omega-6-Fettsäure) essenziell (lebensnotwendig) und muss über die Nahrung zugeführt werden. Dabei ist wiederum das richtige Verhältnis der beiden Fettsäuren entscheidend. Durch die vorherrschende Ernährungsweise liegt in der heutigen westlichen Welt das reale Verhältnis von Omega-6- zu Omega-3-Fettsäuren im Durchschnitt bei 20:1. Ein deutlich kleineres Verhältnis wäre dabei aus ernährungsphysiologischer Sicht wünschenswert. Um EPA und DHA direkt aufzunehmen, wird nach wie vor empfohlen, 1- bis 2-mal je Woche Fisch zu essen.
Die Inhaltsstoffe von Nahrungsmitteln sind daher von besonderem Interesse. Im Stand der Technik sind Verfahren bekannt, bei denen Proben von totem biologischem Material, wie beispielsweise Fleisch, Fett, Blutserum oder Milch labortechnisch bezüglich der Konzentration ihrer Inhaltsstoffe untersucht werden.
Der Gehalt an Fettsäuren wie Omega-3-Fettsäuren und Omega-6-Fettsäuren kann beispielsweise nach den DGF-Einheitsmethoden [1] in Muskel- und Fettgewebe bestimmt werden. Seit mehr als 50 Jahren existiert dieses Standardwerk, indem validierte Analysemethoden der Fettanalytik beschrieben werden, die als Routinemethoden in Labors Anwendung finden. Die Methode C-VI 1 lb beschreibt beispielsweise eine Methode, bei der das Fett aus dem biologischen Material extrahiert und in verdünnter Form einer sauren Veresterung mit methanolischer Salzsäure unterzogen wird, sodass Fettsäuremethylester (FAME) entstehen. Die Fettsäuremethylester werden mittels Gaschromatographie beispielsweise nach dem Verfahren nach Seidel et al. [2] aufgetrennt. Eine Auswertung erfolgt über die Erfassung der Fläche unterhalb aller identifizierten und nicht identifizierten Peaks („Area under the curve“ (AUC)). Die Summe aller AUC entspricht dabei 100%, so dass sich über die Peakflächen, die einzelnen Fettsäuren zugeordnet werden können, deren jeweiliger prozentualer Anteil in der Probe errechnen lässt.
Die Bestimmung der Konzentration an Fettsäuren wie Omega-3-Fettsäuren und Omega-6-Fettsäuren im Blutserum kann beispielsweise nach der Methode von Stoeckel et al. [3] erfolgen. Dabei werden Serumproben gefriergetrocknet und analog zum Muskel- oder Fettgewebe mit methanolischer Salzsäure verestert. Im Unterschied zu den Geweben wird bei der Auftrennung im Gaschromatographen ein interner Standard mitgeführt. Dieser ermöglicht die Berechnung des absoluten Gehaltes der einzelnen Fettsäuremethylester in den Proben, woraus sich die molare Masse der dazugehörigen Fettsäuren bestimmen lässt.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Labormethoden haben den Nachteil, dass sie sehr zeitaufwendig und kostenintensiv sind, da das biologische Material zunächst an ein Labor versandt werden muss. Hierbei ist auf eine ausreichende Hygiene und die richtigen Transportbedingungen (Temperatur) zu achten. Dies alles ist für einen Anwender sehr umständlich. Eine Echtzeitbewertung wesentlicher qualitätsgebender Inhaltsstoffe ist nicht möglich. Weiterhin können die Methoden aus dem Stand der Technik nur an totem biologischem Material durchgeführt werden. Die Bestimmung der Konzentration eines bestimmten Inhaltsstoffes beispielsweise im Muskel- oder Fettgewebe eines lebenden Tieres ist hingegen nicht möglich.
Es wäre jedoch von großem Vorteil, wenn der Gehalt bestimmter Inhaltsstoffe, wie etwa der Omega-3-Fettsäuren und Omega-6-Fettsäuren bereits im lebenden Tier während der Mast bekannt wäre und damit auch während des Mastprozesses kontrolliert werden könnte. Hierdurch könnte Einfluss auf den Zeitpunkt der Schlachtung, im Hinblick auf einen möglichst hohen Gehalt an bestimmten Inhaltsstoffen im Muskel- und Fettgewebe, genommen werden.
Darüber hinaus könnte die Konzentration von bestimmten Inhaltsstoffen im Hinblick auf unterschiedliche Fütterungsmethoden und deren Einfluss auf die Inhaltsstoffe des biologischen Materials überwacht werden. Dies bietet sich nicht nur für Muskel- und Fettgewebe, also die Fleischproduktion an, sondern beispielsweise auch für die Produktion von Milch. Aus diesen Erkenntnissen könnten neue Fütterungsmethoden entwickelt oder bestehende Fütterungsmethoden optimiert werden, um die Eigenschaften von Fleisch oder Milch zu verbessern.
Nicht zuletzt wäre es wünschenswert, eine einfache und schnelle Methode zur Bestimmung von Inhaltsstoffen in biologischem Material nutzen zu können, um nicht nur stichprobenhaft biologisches Material, beispielsweise in der Viehwirtschaft, zu untersuchen, sondern durch eine einfache und schnelle Methode jedes Fleischprodukt mit seinen jeweiligen Inhaltsstoffen zu kennzeichnen. Diese Information wäre für einen Verbraucher von hohem Wert und würde diesen bei der Einhaltung einer gesunden Lebensweise unterstützen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und ein Verfahren zur Bestimmung oder Klassifizierung der Konzentration von mindestens einem Inhaltsstoff von biologischem Material zur Verfügung zu stellen, welches schnell und einfach durchgeführt werden kann und zudem geeignet ist, an lebendem biologischen Material durchgeführt zu werden.
Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung durch ein Verfahren zur Bestimmung oder Klassifikation der Konzentration von mindestens einem Inhaltsstoff von biologischem Material gelöst, wobei das Verfahren die Schritte

• Aufnahme mindestens eines Spektrums von dem biologischen Material mit einem Spektralsensor;
• Analyse mindestens eines spektralen Abschnitts des mindestens einen Spektrums;
• Berechnung oder Klassifikation der Konzentration mindestens eines Inhaltsstoffs in dem biologischen Material mittels statistischer Verfahren

Weiterhin stellt die Erfindung ein Handgerät zur Bestimmung oder Klassifikation der Konzentration von mindestens einem Inhaltsstoff von biologischem Material gemäß einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, aufweisend

• einen Spektralsensor;
• eine interne und/oder externe Recheneinheit;
• optional einen Bildschirm;
• optional eine Bedieneinheit zur Einstellung von Messparametern und zur Auslösung der Messung;
• eine Schnittstelle für eine externe Recheneinheit;
• optional eine Schnittstelle für eine externe Speichereinheit;
• optional eine Schnittstelle für eine externe Anzeigeeinheit;
• optional eine Schnittstelle für eine externe Bedieneinheit;
• eine interne Spannungsversorgung und/oder eine Schnittstelle für eine externe Spannungsversorgung.

Beschreibung
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung oder Klassifikation der Konzentration von mindestens einem Inhaltsstoff eines biologischen Materials wird in einem ersten Schritt mindestens ein Spektrum von dem biologischen Material mit einem Spektralsensor aufgenommen.
Bevorzugt wird ein Spektrum von dem biologischen Material aufgenommen, es ist aber auch möglich, mehrere Spektren, beispielsweise 2, 3, 4 oder 5 Spektren aufzunehmen.
Spektralsensoren detektieren reflektiertes, transmittiertes oder emittiertes Licht mit Wellenlängen nicht nur im sichtbaren spektralen Bereich sondern auch in angrenzenden spektralen Bereichen, wie im Ultraviolettbereich (UV) oder im Infrarotbereich (IR). Als Spektralsensoren können dabei Hyperspektralsensoren oder auch Multispektralsensoren zum Einsatz kommen. Hyperspektralsensoren messen ein kontinuierliches Spektrum über den gesamten Wellenlängenbereich während Multispektralsensoren einzelne Wellenlängenbanden mit stark variierenden Bandbreiten detektieren. Eine räumliche Auflösung kann dabei durch das örtliche Positionieren eines Spektralsensors erreicht werden. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Multispektralkamera oder eine Hyperspektralkamera als Spektralsensor verwendet. Hierbei wird eine räumliche Auflösung nativ durch das ortsaufgelöste spektrale Signal der Kamera erreicht. Eine Hyperspektralkamera beispielsweise erfasst für jeden Pixel eines Bildes die Lichtintensität (Strahldichte) für eine große Anzahl (typischerweise einige zehn bis mehrere hundert) zusammenhängende Spektralbänder. Das Spektralband gibt die Lage im elektromagnetischen Spektrum und die Bandbreite der Aufnahmekanäle der Sensoren an. Je schmaler die Bandbreite und je höher die Anzahl der Bänder ist, desto besser ist die spektrale Auflösung eines Sensors. Die größte Anzahl an Spektralbändern haben Hyperspektralkameras, bei denen die Breite der Spektralbänder typischerweise nur wenige nm betragen. Jeder Pixel im Bild enthält somit ein kontinuierliches Spektrum (in Strahldichte oder Reflexionsgrad) und kann verwendet werden, um die untersuchten Objekte mit großer Präzision und Detailgenauigkeit zu charakterisieren.
Die von dem Spektralsensor, beispielsweise in Form einer Multispektralkamera oder einer Hyperspektralkamera, aufgenommenen Messdaten können in Form eines Bildes oder eines Spektrums dargestellt werden, wobei das Spektrum die Intensität der gemessenen elektromagnetischen Strahlung für jedes Frequenzband abbildet.
Die Funktionsweise von Spektralsensoren ist dem Fachmann hinlänglich bekannt und soll hier nicht weiter beschrieben werden.
Bevorzugt weist das mindestens eine Spektrum Frequenzbänder im SWIR-Bereich und/oder im VNIR-Bereich auf. Der VNIR-Bereich schließt erfindungsgemäß Wellenlängen im Bereich von 400 nm bis 1000 nm ein, während der SWIR-Bereich Wellenlängen im Bereich von 1000 nm bis 3000 nm umfasst. Erfindungsgemäß wird das mindestens eine Spektrum über den gesamten detektierten Frequenzbereich ausgewertet oder es werden nur ein oder mehrere spektrale Abschnitte des mindestens einen Spektrums ausgewertet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das mindestens eine Spektrum im VNIR-Bereich ausgewertet. Dies hat den Vorteil, dass es ausreicht, das Spektrum in diesem Bereich zu detektieren, was technisch einfacher umsetzbar und damit wirtschaftlicher ist.
Erfindungsgemäß wird mindestens ein spektraler Abschnitt des mindestens einen Spektrums analysiert. In einer Ausführungsform der Erfindung wird das gesamte Spektrum analysiert.
Die Berechnung oder Klassifikation der Konzentration mindestens eines Inhaltsstoffs in dem biologischen Material erfolgt erfindungsgemäß mittels statistischer Verfahren. Das aufgenommene Spektralsignal enthält kollektiv die biochemischen Eigenschaften aller Inhaltsstoffe des untersuchten biologischen Materials, sofern diese über der Auflösungsgrenze (LOD) liegen. Im Hinblick auf die erfindungsgemäße Bestimmung oder Klassifikation der Konzentration von mindestens einem Inhaltsstoff des untersuchten biologischen Materials ist das aufgenommene Spektralsignal jedoch unspezifisch. Das statistische Verfahren umfasst daher erfindungsgemäß eine Kalibrierung mit Hilfe eines Spektralsignals für jeden Inhaltsstoff dessen Konzentration bestimmt werden soll oder der klassifiziert werden soll.
Erfindungsgemäß wird daher zunächst eine Kalibrierung mit Hilfe mindestens eines Spektralsignals für jeden Inhaltsstoff dessen Konzentration bestimmt werden soll oder der klassifiziert werden soll vorgenommen. Dabei wird über ein mathematisches Modell die Zuordnung des aufgenommenen Spektralsignals zu spezifischen Inhaltsstoffen vorgenommen. Ein solches mathematisches Modell wird Kalibrationsmodell genannt. Hierzu werden in einem Kalibrationsschritt ein Satz von Datenpaaren, jeweils bestehend aus Spektralsignal einerseits und Referenzanalyse einer etablierten Routinelabormethode andererseits, miteinander verrechnet. Geeignete Routinelabormethoden sind dem Fachmann bekannt und beispielsweise für die Bestimmung der Konzentration von Fettsäuren eingangs beschrieben.
Das Ziel ist es dabei, den spezifischen Zusammenhang zwischen mindestens einem Teil des Spektralsignals und dem korrespondierenden Referenzwert systematisch aufeinander abzubilden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als statistisches Verfahren eine Künstliche Intelligenz (KI), insbesondere eine Methode des maschinellen Lernens, verwendet. Künstliche Intelligenz (KI) umfasst maschinelle Lernalgorithmen, deren Hauptklassen lineare und logistische Regression, künstliche neuronale Netze, Support-Vektor-Maschinen, Entscheidungsbäume sowie Bayes'sche Netze sind.
Nach erfolgter Kalibrierung ist es möglich, die Berechnung oder Klassifizierung der Inhaltsstoffe von biologischem Material anhand mindestens eines Spektrums vorzunehmen, ohne dass zusätzlich eine Labormethode verwendet werden muss. Das erfindungsgemäße Verfahren ersetzt damit die aus dem Stand der Technik bekannten Laborroutinemethoden.
Erfindungsgemäß kann mit Hilfe der statistischen Verfahren die Konzentration von mindestens einem Inhaltsstoff des biologischen Materials bestimmt werden oder aber auch die Konzentration mehrerer Inhaltsstoffe des biologischen Materials. Alternativ ist es jedoch auch möglich, eine Klassifikation mindestens eines Inhaltsstoffes des biologischen Materials vorzunehmen. Geeignete Klassifikationen können zum Beispiel Klassen sein, die beliebig gewählte Konzentrationsbereiche eines Inhaltsstoffs abdecken oder Klassen, die vordefinierte Handelsprädikate, wie beispielsweise Basic, Premium, etc, abbilden. Eine geeignete Klassifikation wird in einer Ausführungsform der Erfindung bereits bei der Kalibrierung verwendet. Hierbei werden in einem Kalibrationsschritt ein Satz von Datenpaaren, jeweils bestehend aus Spektralsignal einerseits und Klassifikation andererseits, miteinander verrechnet. In einer Ausführungsform der Erfindung werden mehrere Inhaltsstoffe des biologischen Materials klassifiziert.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden über ein Relevanzprofil des mindestens einen Spektrums die für die jeweilige Fragestellung relevanten Wellenlängen selektiert. Fragestellung bezeichnet in diesem Fall die Bestimmung oder Klassifikation der Konzentration eines bestimmten Inhaltsstoffes. Nicht jedes Signal jeder Wellenlänge beinhaltet nun für eine bestimmte Fragestellung besonders relevante Informationen, vielmehr können Signale einiger Wellenlängen selektiert werden, die von besonderer Bedeutung für die Anwendung der statistischen Verfahren sind, um eine bestimmte Fragestellung zu beantworten. Das Relevanzprofil ergibt sich aus der bereits beschriebenen Kalibrierung und zeigt für jede Wellenlänge, die vom Spektralsensor detektiert wurde, deren Relevanz bei der Kalibrierung. Aufgrund dieser Daten können die besonders relevanten Wellenlängen ermittelt werden, dies hat den Vorteil, dass ein Spektralsensor für die Anwendung nach der Kalibrierung auf diese Wellenlängen beschränkt werden kann. Dadurch ist es möglich Kosten zu sparen und deutlich wirtschaftlicher zu arbeiten, als wenn Spektralsensoren genutzt werden müssen, die den gesamten Wellenlängenbereich des VNIR oder SWIR abdecken. Typischerweise kann die Anzahl der Wellenlängen, die vom Spektralsensor detektiert wird eingeschränkt werden auf 2 bis 60 Wellenlängen, bevorzugt auf 8 bis 55 Wellenlängen, besonders bevorzugt auf 10 bis 50 Wellenlängen, abhängig von der jeweiligen Fragestellung.
Erfindungsgemäß ist es möglich, für einen oder mehrere Inhaltsstoffe des biologischen Materials die Konzentration zu bestimmen und für einen oder mehrere Inhaltsstoffe des biologischen Materials eine Klassifikation mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzunehmen.
Wie bereits beschrieben, ist es in der nachfolgenden Anwendung dann möglich, die Konzentration mindestens eines Inhaltsstoffs eines biologischen Materials mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zu bestimmen oder zu klassifizieren, ohne dass eine Laboranalytik durchgeführt werden muss.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Konzentration zahlreicher Inhaltsstoffe eines biologischen Materials ermittelt werden. Besonders bevorzugt wird die Konzentration mindestens eines Inhaltsstoffs ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Omega-3-Fettsäuren, Omega-6-Fettsäuren, Proteine und Cholesterin ermittelt.
Da das aufgenommene Spektralsignal kollektiv die biochemischen Eigenschaften aller Inhaltsstoffe des untersuchten biologischen Materials enthält, sofern diese über der Auflösungsgrenze (LOD) liegen, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren es vorteilhafterweise, die Konzentration einer Vielzahl von Inhaltsstoffen gleichzeitig auf Grundlage nur einer spektralen Messung zu ermitteln. Da die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren auf laboranalytischen Verfahren beruhen, muss in diesen die Konzentration jedes Inhaltsstoffes von Interesse des biologischen Materials in einer gesonderten Messung ermittelt werden. Insbesondere müssen verschiedene Verfahren für die Bestimmung der Konzentration von Fetten, Proteinen und Cholesterin angewendet werden. Dies ist zeit- und kostenintensiv. Das erfindungsgemäße Verfahren vereinfacht und beschleunigt daher die Bestimmung der Inhaltsstoffe von biologischen Materialien erheblich.
Weiterhin vorteilhaft ist, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur an totem biologischem Material angewendet werden kann, sondern auch an lebendem biologischem Material wie etwa Tieren oder auch Menschen. Durch die Bestimmung der Inhaltsstoffe des lebenden biologischen Materials kann beispielsweise auf die Fütterung von Tieren Einfluss genommen werden, um die Konzentration zumindest einiger der Inhaltstoffe des biologischen Materials, in diesem Fall des Muskel- oder Fettgewebes, zu nehmen.
Erfindungsgemäß ist das biologische Material ausgewählt aus lebendem oder nicht lebendem biologischem Material. Lebendes biologisches Material stellen insbesondere lebende Tiere und Menschen dar, während nicht lebendes biologisches Material, Material von toten Lebewesen wie Menschen oder Tieren ebenso einschließt wie Sekrete oder Ausscheidungen von Lebewesen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stammt das biologische Material bevorzugt vom Menschen, Rind, Schwein, Geflügel oder Fisch.
Das biologische Material gemäß der vorliegenden Erfindung ist in einer bevorzugten Ausführungsform ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Vollblut, Fettgewebe, Muskelgewebe, Sekrete und Ausscheidungen. Sekrete sind durch Zellen oder Drüsen unwillkürlich abgegebene Flüssigkeiten, wie beispielsweise Milch. Ausscheidungen sind beispielsweise Kot oder Urin.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik:

• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Konzentration von einem oder mehreren Inhaltsstoffen in Mastvieh während der Aufzucht überwacht werden. Es ist daher möglich, aufgrund der Messungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren den optimalen Schlachtzeitpunkt zu bestimmen, an dem die überwachten Inhaltsstoffe einen gewünschten Wert erreicht haben. Nach der Schlachtung kann die Konzentration von einem oder mehreren Inhaltsstoffen im Muskel und/oder Fettgewebe mit dem erfindungsgemäßen Verfahren noch einmal kontrolliert werden.
• Die Konzentration von mindestens einem Inhaltsstoff von biologischem Material kann im Wesentlichen in Echtzeit bestimmt oder klassifiziert werden. Hierdurch ist es möglich, bereits während der Schlachtung von Tieren die Konzentration von bestimmten Inhaltsstoffen des Fleisches zu bestimmen. Dies kann für die Kennzeichnung der Produkte verwendet werden und bietet damit dem Kunden eine zusätzliche Information hinsichtlich der Nährwerte eines Produktes. Die Nährwerte können genutzt werden, um Produkte mit einem gesundheitlichen und/oder therapeutischen Nutzen zu kennzeichnen.
• Aufgrund der Schnelligkeit des Verfahrens und dessen Kosteneffizienz besteht die Möglichkeit, verschiedene Fleischteile eines geschlachteten Tieres hinsichtlich dessen Inhaltsstoffen zu untersuchen, anstatt stichprobenartig nur ein repräsentatives Stück des Tieres. Die Inhaltsstoffe können daher exakt für verschiedene Fleischteile bestimmt oder klassifiziert werden und die Produkte können entsprechend gekennzeichnet werden.
• Da das Verfahren im Wesentlichen in Echtzeit durchgeführt werden kann, ist eine Anwendung in einer höheren Frequenz im Vergleich zu Laboruntersuchungen möglich.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist wesentlich kosteneffizienter als die aus dem Stand der Technik bekannten Laboruntersuchungen. Es sind keine Labormittel (Chemikalien, teure Laborgeräte) nötig und es entfällt der Transport von Proben des Fleisches oder Blutes eines Tieres zu einem geeigneten Labor.
• Durch die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Verfahren am lebenden Tier anzuwenden, können bekannte Fütterungsmethoden hinsichtlich ihres Einflusses auf die Inhaltsstoffe des Fleischs überwacht und optimiert werden oder neue Fütterungsmethoden entwickelt werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch in der Überwachung von Lieferketten genutzt werden. Schlachtvieh wir oft nicht in den gleichen Ländern aufgezogen, in denen die Vermarktung bzw. der Verkauf der Endprodukte stattfindet. Rinder beispielsweise können in Argentinien aufgezogen und geschlachtet werden und das fertige Fleischprodukt kann in Europa verkauft werden. Hier bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit die Qualität des Fleisches bereits am lebenden Tier zu beurteilen und in den verschiedenen Stufen der Fleischverarbeitung nach der Schlachtung, die Qualität immer wieder zu überprüfen. Als Qualität wird in diesem Zusammenhang verstanden, die Konzentration einer oder mehrere Inhaltsstoffe zu bestimmen oder zu klassifizieren.
• Durch das erfindungsgemäße Handgerät ist es weiterhin möglich Daten überall auf der Welt zu sammeln und zentral zu verarbeiten. Über eine App können als Dienstleistung dann Fütterungshinweise und/oder Hinweise für den optimalen Schlachtzeitpunkt in Abhängigkeit der Konzentration von einem oder mehreren Inhaltsstoffen gegeben werden.
• Das Verfahren ersetzt vollständig die aus dem Stand der Technik bekannten Labormethoden.
• Das Verfahren ist einfacher handzuhaben als die Methode aus dem Stand der Technik, da der Transport zu einem geeigneten Labor entfällt und auch kein Labor mit geeigneten Geräten und entsprechend ausgebildetem Personal für die Durchführung der Labormethoden notwendig ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren für die Bestimmung oder Klassifikation der Konzentration von mindestens einem Inhaltsstoff von biologischem Material bei der Schlachtung von Tieren verwendet. Biologisches Material ist in diesem Fall insbesondere Muskelgewebe und/oder Fettgewebe. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass das Verfahren im Wesentlichen in Echtzeit abläuft und damit sofort eine Kennzeichnung der Produkte mit den jeweiligen Inhaltsstoffen möglich ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren für die Bestimmung oder Klassifikation der Konzentration von mindestens einem Inhaltsstoff von biologischem Material am lebenden Tier verwendet, um den Einfluss der Fütterung der Tiere auf die Konzentration der Inhaltsstoffe des biologischen Materials zu überwachen. Biologisches Material ist in diesem Fall insbesondere Muskelgewebe und/oder Fettgewebe. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass eine Vielzahl an Messungen durchgeführt und die Entwicklung der Konzentration der Inhaltsstoffe des biologischen Materials damit engmaschig überwacht werden kann.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt, wie bereits beschrieben, in der sofortigen effektiven Anwendung und den Erhalt der Ergebnisse vor Ort der Prüfung. Damit lassen sich prozessbegleitende Analysen, beispielsweise an einem sich entwickelndem Organismus (Tieraufzucht) durchführen.
Bei Menschen ist die Blutuntersuchung ein Hilfsmittel zur Ermittlung des Istzustandes, bei Auftreten von Krankheiten, wie beispielsweise Neurodermitis. Das erfindungsgemäße Verfahren kann hier, ohne dass Blutuntersuchungen im Labor notwendig sind, zur begleitenden Kontrolle einer Therapie eingesetzt werden. Dabei kann beispielsweise der Gehalt von Omega-3 und Omega-6 Fettsäuren mit der erfindungsgemäßen Methode festgestellt und Einfluss auf die Wirksamkeit und Gestaltung der Therapie genommen werden.
Dabei kann davon ausgegangen werden, dass eine Untersuchung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nur einen Bruchteil der bisher für eine Laboruntersuchung anfallenden Kosten verursacht. Eine konventionelle Laboruntersuchung hinsichtlich des Gehalts an Fettsäuren im Blut verursacht momentan Kosten von ca. 300,00 EUR, da diese von entsprechend geschultem Personal durchgeführt werden müssen und eine entsprechende Laborausrüstung zur Verfügung stehen muss. Diese Kostenfaktoren entfallen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Handgerät zur Bestimmung oder Klassifikation der Konzentration von mindestens einem Inhaltsstoff von biologischem Material gemäß einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, aufweisend

Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Merkmale treffen ebenso auf das erfindungsgemäße Handgerät zu und umgekehrt.
Das erfindungsgemäße Handgerät weist einen Spektralsensor auf. In einer Ausführungsform ist der Spektralsensor eine Multispektralkamera oder eine Hyperspektralkamera. Derartige Geräte sind aus dem Stand der Technik dem Fachmann bekannt. Besonders bevorzugt detektieren die Multispektralkamera oder die Hyperspektralkamera Frequenzbänder im SWIR-Bereich und/oder im VNIR-Bereich.
Weiterhin weist das Handgerät eine interne und/oder externe Recheneinheit auf. Weist das Handgerät eine interne Recheneinheit auf, so kann eine Auswertung des mindestens einen Spektrums in der internen Recheneinheit des Handgerätes erfolgen.
Optional weist das Handgerät einen Bildschirm auf. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Handgerät einen Bildschirm auf, insbesondere wenn keine externe Recheneinheit vorgesehen ist und damit die Analyse des Spektrums in der internen Recheneinheit des Handgerätes stattfindet.
In einer Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Handgerät eine externe Recheneinheit auf, welche bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend einen PC, ein Tablet und ein Smartphone.
Erfindungsgemäß weist die interne und/oder die externe Recheneinheit eine Software für ein statistisches Verfahren auf und/oder eine künstliche Intelligenz. Diese werden benötigt, um das mindestens eine Spektrum auszuwerten.
Weiterhin weist das Handgerät optional eine Bedieneinheit zur Einstellung von Messparametern und zur Auslösung der Messung auf. Die Bedieneinheit kann sich alternativ auch an einer externen Recheneinheit befinden. In diesem Fall weist das Handgerät eine Schnittstelle für eine externe Bedieneinheit auf.
Weiterhin weist die interne und/oder externe Recheneinheit eine App auf, die dazu eingerichtet ist, den mindestens einen spektralen Abschnitt des mindestens einen Spektrums zu analysieren und mit Hilfe der Referenzbibliothek oder der künstlichen Intelligenz die Konzentration mindestens eines Inhaltsstoffs in dem biologischen Material zu berechnen.
Weiterhin weist das Handgerät mindestens eine Schnittstelle für eine externe Recheneinheit auf. Dies kann beispielsweise eine USB-Schnittstelle, Bluetooth, eine drahtgebundene Netzwerk-Schnittstelle oder auch eine WLAN-Schnittstelle sein.
Weiterhin weist das Handgerät optional eine Schnittstelle für eine externe Speichereinheit auf. Die Speichereinheit kann beispielsweise dazu dienen, Daten zu speichern und zu archivieren. Geeignete Speichereinheiten, wie beispielsweise Festplatten, CDs, DVDs, USB-Sticks sind dem Fachmann bekannt.
Darüber hinaus kann das Handgerät optional eine externe Anzeigeeinheit aufweisen. Die Anzeigeeinheit kann zum Beispiel ein Bildschirm sein, um die Messdaten und/oder die Messergebnisse darzustellen.
Das erfindungsgemäße Handgerät weist eine interne Spannungsversorgung und/oder eine Schnittstelle für eine externe Spannungsversorgung auf. Eine interne Spannungsversorgung kann beispielsweise über Batterien oder einen Akku umgesetzt werden. Eine Schnittstelle für eine externe Spannungsversorgung ermöglicht eine Spannungsversorgung über eine externe Spannungsquelle.
Mit Hilfe des Handgerätes ist eine mobile Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gewährleistet. Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist damit völlig ortsunabhängig möglich, insbesondere ist eine Anwendung direkt in einem Stall möglich.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von 6 Figuren näher erläutert.

1 stellt eine Spektralmessung im VNIR-Bereich an Proben von Fettgewebe von Rindern dar;
2 stellt eine Spektralmessung im SWIR-Bereich an Proben von Fettgewebe von Rindern dar;
3 stellt eine Spektralmessung im VNIR-Bereich an Proben von Muskelgewebe von Rindern dar;
4 stellt eine Spektralmessung im SWIR-Bereich an Proben von Muskelgewebe von Rindern dar;
5 stellt eine Spektralmessung im VNIR-Bereich an Proben von Vollblut von Rindern dar;
6 stellt eine Spektralmessung im SWIR-Bereich an Proben von Vollblut von Rindern dar.

1 stellt eine Spektralmessung im VNIR-Bereich an Proben von Fettgewebe von Rindern dar. Mit einer Hyperspektralkamera wurde die Intensität des reflektierten Lichtes im Wellenlängenbereich der VNIR gemessen. Diese Messung wurde für folgende Proben durchgeführt:

(1) Rinderfett aus dem Steak eines ersten Rindes;
(2) Rinderfett (Fasern) eines zweiten Rindes;
(3) Rinderfett (marmoriert) des zweiten Rindes;
(4) Rinderfett (rein) des zweiten Rindes.

Die Probe (1) wurde vom Steak eines ersten Rindes entnommen, wobei das erste Rind ein konventionelles Rind aus einer konventionellen Tierhaltung und Schlachtung war. Das Fett von Rindern aus konventioneller Haltung weist laut Bundeslebensmittelschlüssel 2,9g Omega-6-Fettsäuren pro 100g Fleisch und 0,7g Omega-3-Fettsäuren pro 100g Fleisch auf [4]. Dies ergibt ein Verhältnis von Omega-6-Fettsäuren zu Omega-3-Fettsäuren von 4,1:1.
Die Proben (2) bis (4) wurden hingegen von einem Wagyu-Rind entnommen. Diese Rinderrasse ist für eine besonders hohe Fleischqualität bekannt, insbesondere das Muskel- und Fettgewebe des Wagyu-Rindes weist einen hohen Gehalt an Omega-3 und Omega-6 Fettsäuren auf. Diesbezüglich wurden Laboruntersuchungen durchgeführt, die zeigen, dass die Proben (2) bis (4) 1,9g Omega-6-Fettsäuren pro 100g Fleisch und 0,8g Omega-3-Fettsäuren pro 100g Fleisch aufweisen. Dies ergibt ein vorteilhaftes Verhältnis von Omega-6-Fettsäuren zu Omega-3-Fettsäuren von 2,4:1. Die Untersuchungen wurden mittels der DFG-Einheitsmethode C-VI 1 lb [1] durchgeführt, wobei die Gaschromatographie nach Seidel et al. durchgeführt wurde [2]. Die Ergebnisse der einzelnen Omega-3- und Omega-6-Fettsäuren wurden zum Gesamtgehalt an Omega-3- und Omega-6-Fettsäuren aufaddiert und auf die eingesetzte Frischmasse des verwendeten Gewebes bezogen.
Ein wesentlicher Unterschied zwischen Fettgewebe von konventionellen Rindern und Wagyu-Rindern ist demnach deren Gehalt an Omega-3 und Omega-6 Fettsäuren. In den Spektren ist zu erkennen, dass der Intensitätsverlauf der Probe (1) sich deutlich vom Intensitätsverlauf der Proben (2) bis (4) unterscheidet. Die Fasern des Rindfleisches (2) weisen eine geringere Menge an Fett auf, als das marmorierte Rindfleisch (3), was sich im Spektrum durch unterschiedliche Intensitäten widerspiegelt. Einen deutlich zu unterscheidenden Kurvenverlauf zeigt das reine Rinderfett (3). Alle drei Proben unterscheiden sich deutlich vom Kurvenverlauf des Rinderfettes aus konventioneller Fütterung. Die Unterschiede im Kurvenverlauf spiegeln auch die Unterschiede in den Inhaltsstoffen des Fettgewebes wieder, so dass es möglich ist, durch das erfindungsgemäße Verfahren den Gehalt von Inhaltsstoffen wie beispielsweise Omega-6-Fettsäuren und Omega-3-Fettsäuren zu ermitteln oder zu klassifizieren. Dabei werden, unterschiedliche Konzentration von Omega-6-Fettsäuren und Omega-3-Fettsäuren unterschiedlichen spektralen Verläufen zugeordnet.
Analog zu der im Wellenlängenbereich der VNIR durchgeführten Untersuchung wurden die Proben (1) bis (4) auch im Wellenlängenbereich der SWIR untersucht. Die Ergebnisse sind in der Graphik der 2 dargestellt.
Auch hier zeigt sich ein Unterschied im Intensitätsverlauf zwischen den Proben mit unterschiedlichem Gehalt an Omega-3-Fettsäuren und Omega-6- Fettsäuren.
3 stellt eine Spektralmessung im VNIR-Bereich an Proben von Muskelgewebe von Rindern dar. Mit einer Hyperspektralkamera wurde die Intensität des reflektierten Lichtes im Wellenlängenbereich der VNIR gemessen. Diese Messung wurde für folgende Proben durchgeführt:

(5) Muskelgewebe vom Steak eines ersten Rindes;
(6) Muskelgewebe eines zweiten Rindes.

Die Probe (5) wurde vom Steak eines ersten Rindes entnommen, wobei das erste Rind ein konventionelles Rind aus einer konventionellen Tierhaltung und Schlachtung war. Das Muskelgewebe von konventionellem Rinderfleisch weist laut Bundeslebensmittelschlüssel [4] 0,2g Omega-6-Fettsäuren pro 100g Fleisch und 0,1g Omega-3-Fettsäuren pro 100g Fleisch auf, dies ergibt ein Verhältnis von Omega-6-Fettsäuren zu Omega-3-Fettsäuren von 2:1.
Die Probe (6) wurden hingegen von einem Wagyu-Rind entnommen. Für diese Probe wurde eine Laboruntersuchung durchgeführt, die zeigt, dass das das Muskelgewebe 3,0g Omega-6-Fettsäuren pro 100g Muskelgewebe und 2,4g Omega-3-Fettsäuren pro 100g Muskelgewebe aufweist. Dies ergibt ein günstiges Verhältnis von Omega-6-Fettsäuren zu Omega-3-Fettsäuren für das Muskelgewebe der Probe (5) von 1,2:1. Die Laboruntersuchungen wurden mit den bereits zu 1 beschriebenen Methoden durchgeführt.
Ein wesentlicher Unterschied zwischen Muskelgewebe von konventionellen Rindern und Wagyu-Rindern ist demnach deren Gehalt an Omega-3 und Omega-6 Fettsäuren. Auch für das Muskelgewebe ist ein deutlicher Unterschied im Verlauf der Proben (5) und (6) zu erkennen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht damit auch für das Muskelgewebe den Gehalt von Inhaltsstoffen wie beispielsweise Omega-6-Fettsäuren und Omega-3-Fettsäuren aus den spektralen Kurvenverläufen zu ermitteln. Dabei werden unterschiedliche Konzentration von Omega-6-Fettsäuren und Omega-3-Fettsäuren unterschiedlichen spektralen Verläufen zugeordnet.
Analog zu der im Wellenlängenbereich der VNIR durchgeführten Untersuchung wurden die Proben (5) und (6) auch im Wellenlängenbereich der SWIR untersucht. Die Ergebnisse sind in der Graphik der 4 dargestellt. Auch hier zeigt sich ein Unterschied im Intensitätsverlauf zwischen den Proben mit unterschiedlichem Gehalt an Omega-3-Fettsäuren und Omega-6-Fettsäuren.
5 stellt eine Spektralmessung im VNIR-Bereich an Proben von Vollblut von Rindern dar. Mit einer Hyperspektralkamera wurde die Intensität des reflektierten Lichtes im Wellenlängenbereich der VNIR gemessen. Diese Messung wurde für folgende Proben durchgeführt:

(7) Vollblut von einem ersten Rind, wobei dem Vollblut ein Stabilisator zugegeben wurde;
(8) Vollblut vom ersten Rind, wobei dem Vollblut kein Stabilisator zugegeben wurde.
(9) Vollblut von einem zweiten Rind, wobei dem Vollblut ein Stabilisator zugegeben wurde;
(10) Vollblut vom zweiten Rind, wobei dem Vollblut kein Stabilisator zugegeben wurde.

Sowohl das erste Rind, dem die Proben (7) und (8) entnommen wurden als auch das zweite Rind, dem die Proben (9) und (10) entnommen wurden waren Wagyu-Rinder.
Ein Stabilisator wird dem Blut zugegeben, um diese länger haltbar zu machen. Gängige Stabilisatoren sind beispielsweise ACD-A („Acid-Citrate-Dextrose“ mit Adenin), CPD („Citrate-Phosphate-Derivative“) oder CPD-A („Citrate-Phosphate-Derivative“ mit Adenin). Das erfindungsgemäße Verfahren kann unmittelbar nach einer Blutentnahme angewendet werden, so dass lange Transportwege oder Lagerzeiten entfallen. Eine Stabilisierung von Blutproben ist daher für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise nicht notwendig.
Eindeutig ist auch in diesen spektralen Kurven zu erkennen, dass sich die spektralen Kurvenverläufe von unterschiedlichen Rindern unterscheiden. Es ist daher möglich aus dem spektralen Verlauf mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens die Konzentration bestimmter Inhaltsstoffe des Blutes zu ermitteln oder zu klassifizieren.
Für das erste Rind wurde das Vollblut zusätzlich im Labor untersucht, wobei der Gesamtgehalt an Omega-6- und Omega-3-Fettsäuren nach der Methode von Stöckel et al. [3] bestimmt wurde. Die Ergebnisse der einzelnen Fettsäuren wurden dabei wiederum zu einem Gesamtgehalt addiert. Die Proben (7) und (8) wiesen 2,31 µmol Omega-6-Fettsäuren pro 1 ml Vollblut und 0,35µmol Omega-3-Fettsäuren pro 1 ml Vollblut auf. Daraus ergibt sich ein Verhältnis von Omega-6-Fettsäuren zu Omega-3-Fettsäuren für das Vollblut von 6,4:1.
Analog zu der im Wellenlängenbereich der VNIR durchgeführten Untersuchung wurden die Proben (7) bis (10) auch im Wellenlängenbereich der SWIR untersucht. Die Ergebnisse sind in der Graphik der 6 dargestellt. Auch in diesem Spektralbereich zeigen sich deutliche Unterschiede im Kurvenverlauf der einzelnen Proben. Analog kann das erfindungsgemäße Verfahren daher auch in diesem Wellenlängenbereich angewendet werden.
Literatur

[1] Deutsche Einheitsmethoden zur Untersuchung von Fetten, Fettprodukten, Tensiden und verwandten Stoffen, Deutsche Gesellschaft für Fettwissenschaft e.V. (Hrsg.), ISBN 978-3-8047-3024-3, Loseblatt-Ausgabe, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH
[2] A. Seidel, T. Gück, H. Fuhrmann, Journal Vet. Med. A. Physiolog. Pathol. Clin. Med., 52, 219-224, 2005
[3] K. Stoeckel, L. Bachmann, G. Dobeleit und H. Fuhrmann, Journal of Animal Physiology and Animal Nutrition, 2012, DOI:10.1111/jpn.12023
[4] Bundeslebensmittelschlüssel, https://blsdb.de

Claims

Verfahren zur Bestimmung oder Klassifikation der Konzentration mindestens eines Inhaltsstoffes von biologischem Material, aufweisend die Schritte • Aufnahme mindestens eines Spektrums von dem biologischen Material mit einem Spektralsensor; • Analyse mindestens eines spektralen Abschnitts des mindestens einen Spektrums; • Berechnung oder Klassifikation der Konzentration mindestens eines Inhaltsstoffs in dem biologischen Material mittels statistischer Verfahren.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das statistische Verfahren eine Kalibrierung mit Hilfe eines Spektralsignals für jeden Inhaltsstoff, dessen Konzentration bestimmt werden soll oder der klassifiziert werden soll, umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass biologisches Material ausgewählt ist aus lebendem oder nicht lebendem biologischen Material.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das biologische Material ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend Vollblut, Fettgewebe, Muskelgewebe, Sekrete und Ausscheidungen.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das biologische Material vom Menschen, Rind, Schwein, Geflügel oder Fisch stammt.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Inhaltsstoff ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend Omega-3-Fettsäuren, Omega-6-Fettsäuren, Proteine und Cholesterin.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine spektrale Abschnitt Frequenzbänder im SWIR-Bereich und/oder dem VNIR-Bereich aufweist.
Handgerät zur Bestimmung der Konzentration von mindestens einem Inhaltsstoff von biologischem Material gemäß einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, aufweisend • einen Spektralsensor; • eine interne und/oder externe Recheneinheit; • optional einen Bildschirm; • optional eine Bedieneinheit zur Einstellung von Messparametern und zur Auslösung der Messung; • eine Schnittstelle für eine externe Recheneinheit; • optional eine Schnittstelle für eine externe Speichereinheit; • optional eine Schnittstelle für eine externe Anzeigeeinheit; • optional eine Schnittstelle für eine externe Bedieneinheit; • eine interne Spannungsversorgung und/oder eine Schnittstelle für eine externe Spannungsversorgung.
Handgerät gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die interne und/oder externe Recheneinheit eine App aufweist, die dazu eingerichtet ist, den mindestens einen spektralen Abschnitt des mindestens einen Spektrums zu analysieren und mit Hilfe eines statistischen Verfahrens die Konzentration mindestens eines Inhaltsstoffs in dem biologischen Material zu berechnen.