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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Frischegrades
von Lebensmitteln. Ferner ist eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens angegeben.
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Stand der Technik
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Der
Frischegrad von Lebensmitteln, die überwiegend aus tierischen oder
pflanzlichen Substanzen, wie frisches Fleisch, Gemüse oder
Obst, bestehen, ergibt sich in erster Linie durch den chemischen
bzw. mikrobiologischen Zustand des jeweiligen Lebensmittelproduktes.
Um eine qualitative Aussage über
den Frischegrad eines Lebensmittelproduktes anstellen zu können, werden
chemische oder mikrobiologische Analyseverfahren eingesetzt, die einerseits
zur unwiederbringlichen Zerstörung
einer Stoffprobe des zu untersuchenden Lebensmittels führen und
andererseits einen zumeist hohen apparativen, zeitlichen sowie personellen
Aufwand erfordern.
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Insbesondere
im Hinblick auf eine Lebensmittelanalyse im industriellen Umfeld,
in dem Lebensmittelmengen in großem Umfang, beispielsweise
längs Förderbänder zur
weiteren Ver- und Bearbeitung transportiert werden, sowie auch in
der Gastronomie, im Handel sowie im Haushalt, wäre es wünschenswert, eine einfache,
schnelle und kostengünstige
Bestimmung des Frischegrades jeweiliger Lebensmittel vornehmen zu
können.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie
eine Vorrichtung zur Bestimmung des Frischegrades von Lebensmitteln
anzugeben, das mit möglichst
einfachen Mitteln, auf kostengünstige
Weise und vor allem zerstörungsfrei in
der Lage ist, eine zuverlässige
Aussage über
den Frischegrad eines Lebensmittels anstellen zu können. Der
Wunsch nach einer zerstörungsfreien
Analysetechnik bedeutet insbesondere die Vermeidung der Notwendigkeit
einer Stoffprobenentnahme aus dem jeweils zu untersuchenden Lebensmittel,
die für gewöhnlich zu
Zwecken der weiteren Analyse, beispielsweise im Wege einer chemischen
Defragmentierung unwiederbringlich verlorengeht.
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Die
Lösung
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung
ist Gegenstand des Anspruches 10. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende
Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung
unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele
zu entnehmen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Bestimmung des Frischegrades von Lebensmitteln zeichnet sich
dadurch aus, dass das zu untersuchende Lebensmittel einem Energiestrom
ausgesetzt wird, der von wenigstens einer Energiequelle ausgeht.
Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine Lichtquelle, wie beispielsweise
eine Quecksilber-Dampflampe oder ein geeignet gewählter Laser, dessen
Emissionswellenlänge
vorzugsweise Licht mit kurzwelligen Spektralanteilen im ultravioletten Spektralbereich
emittiert.
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Das
zu untersuchende Lebensmittel, das diesem Energiestrom ausgesetzt
wird, wird üblicherweise
zur Autofluoreszenz angeregt und emittiert eine für das Lebensmittel
charakteristische Fluoreszenzstrahlung, die eine bzw. mehrere Wellenlängen umfasst
und von einem geeignet positionierten Detektor erfasst wird, wobei
die Fluoreszenzstrahlung in Abhängigkeit
ihrer Wellenlänge
und/oder Strahlungsintensität
im Detektor entsprechende Detektorsignale hervorruft. Die Detektorsignale
werden im weiteren mit Referenzwerten verglichen und unter Zugrundelegung
eines Gütekriteriums
für eine
Aussage über den
Frischegrad des Lebensmittels herangezogen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
basiert auf der Erkenntnis des zeitabhängigen Autofluoreszenzverhaltens
von Lebensmitteln, die überwiegend aus
tierischen oder pflanzlichen Geweben bestehen, beispielsweise frisches
Fleisch, Gemüse
und Obst, bzw. aus diesen gewonnene Produkte, wie beispielsweise
Schinken, Marmelade etc. Selbstverständlich kann das im weiteren
beschriebene Verfahren auch an Lebensmittel angewendet werden, die
aus synthetisierten Stoffen zusammengesetzt sind und dennoch über Autofluoreszenzeigenschaften
verfügen.
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Aus
der wissenschaftlichen Literatur können umfangreiche Kenntnisse über das
Autofluoreszenzverhalten tierischer und pflanzlicher Gewebe sowie von
Mikroorganismen entnommen werden, das, nach derzeitiger Auffassung, überwiegend
von Produkten des Zellstoffwechsels wie NADH und FAD bestimmt wird.
Die bis anhin bekannten industriellen Anwendungen von Erkenntnissen über Autofluoreszenz
beschränken
sich jedoch auf Messungen von mikrobiologischen Kontaminationen
auf technischen Oberflächen,
wie dies beispielsweise aus der
DE 199 06 047 C2 hervorgeht, sowie auf die Überwachung
von Gärprozessen.
Auch ist es bekannt, das Autofluoreszenzverhalten von biologischem
Gewebe zur Bestimmung im Bereich der Medizin zur Unterscheidung von
tumorösen
und nichttumorösen
Gewebearten zu verwenden. Untersuchungen der Anmelderin an Lebensmitteln,
die ausgehend von einem Ausgangs-Frischestadium der normalen Umgebungsatmosphäre ausgesetzt
worden sind, haben ergeben, dass sich das Autofluoreszenzverhalten
bereits innerhalb weniger Stunden durch bloßen Kontakt mit Luftsauerstoff
verändert.
Die sich ändernden
Autofluoreszenzeigenschaften von Lebensmitteln mögen grundsätzlich darauf zurückzuführen sein,
dass die im Produkt enthaltenen fluoreszierenden Stoffen im Wege
eines natürlich
stattfindenden Alterungsprozess degradiert werden, wodurch die Autofluoreszenzaktivität mit fortschreitender
Zeit zurückgehen sollte.
Andererseits vermag eine zunehmende Besiedelung von Mikroorganismen
auf dem jeweils alternden Lebensmittel die Autofluoreszenzintensität durch den
mikrobiellen Stoffwechsel zu steigern. Je nach dem, um welches Lebensmittel
es sich handelt sowie auch unter welchen Umgebungsbedingungen der
Alterungsprozess stattfindet, d.h. in welcher Umgebungsatmosphäre und bei
welcher Temperatur das jeweilige Lebensmittel gelagert wird, stellen
sich Lebensmittels- und Umgebungsspezifische Autofluoreszenzverhalten
ein.
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Grundsätzlich konnte
festgestellt werden, dass das Autofluoreszenzverhalten von Lebensmitteln
sowohl von der Art des jeweiligen Lebensmittels, als auch von der
das Lebensmittel umgebenden Atmosphäre, in der das Lebensmittel
dem Alterungsprozess ausgesetzt ist, abhängt.
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Im
Rahmen spektroskopischer und/oder energetischer Strahlungsmessungen
an Lebensmitteln ist es daher möglich,
die produktspezifische zeitliche Entwicklung der Autofluoreszenz
genau zu charakterisieren und produktspezifisch als Referenzdaten
zu sammeln. Auf der Basis empirisch gewonnener Informationen ist
es im weiteren möglich,
unter Zugrundelegung gesetzlich definierter Vorschriften, für die für einen
unbedenklichen Verzehr von Lebensmitteln vorauszusetzende Anforderungen
an den Frischegrad der jeweiligen Lebensmittel ein Gütekriterium
festzulegen, das der Beurteilung des zu bestimmenden bzw. zu beurteilenden
Frischegrades eines zu untersuchenden Lebensmittels zugrunde gelegt
werden kann. Zeigt sich beispielsweise im Rahmen einer Autofluoreszenzmessung
ein im Hinblick auf die detektierte Wellenlänge und/oder Strahlungsintensität der Fluoreszenzstrahlung
unter Maßgabe
des lebensmittelspezifischen Gütekriteriums
unzureichendes Messergebnis, so darf das untersuchte Lebensmittel
für den
weiteren Verzehr nicht mehr zur Verfügung gestellt werden und ist
daher auszusondern. Überdies lässt sich
darüber
hinaus eine Aussage treffen, sollte das Messergebnis des jeweils
zu untersuchenden Lebensmittels das lebensmittelspezifische Gütekriterium
entsprechen, in welchem zeitlichen Abstand der Frischegrad des untersuchten
Lebensmittels vom sogenannten „Verfallsdatum" beabstandet ist.
Diese Information ist für
den Handel sowie auch im Gastronomiebereich von besonderer Bedeutung,
zumal Lebensmittel, die kurz oder nahe dem Verfallsdatum sind, einem
kurzfristigen Verbrauch bzw. Verkauf zugeführt werden sollen. Der Begriff "Verfallsdatum" setzt jedoch zur
korrekten Aufbewahrung des jeweiligen Lebensmittels bestimmte Lagerbedingungen
voraus, die, sollten sie nicht eingehalten werden, unweigerlich
zum beschleunigten Verlust des Frischegrades führen. Auch in einem derartigen
Fall erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren
eine exakte Bestimmung des Frischegrades.
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In
der einfachsten Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient zur Messung
der Autofluoreszenz des jeweils zu untersuchenden Lebensmittels
eine Lichtquelle, deren Emissionsspektrum gerade so gewählt ist,
dass bei entsprechender Beleuchtung das zu untersuchende Lebensmittel
Autofluoreszenzerscheinung zeigt. Mit Hilfe eines geeigneten Detektors,
beispielsweise eines Spektrometers und/oder eines Photomultipliers,
lässt sich
die Fluoreszenzstrahlung, die das optisch angeregte Lebensmittel
emittiert, im Hinblick auf Wellenlänge bzw. Strahlungsintensität analytisch
exakt erfassen. Die vom Detektor abgegebenen Detektorsignale werden einer
Auswerteeinheit zugeführt,
die die Detektorsignale in geeigneter Weise mit den lebensmittelspezifischen
Referenzdaten vergleicht und unter Zugrundelegung des lebensmitteltypischen Gütekriteriums eine
Aussage über
den aktuellen Frischezustand des Lebensmittels ermöglicht.
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Je
nach Einsatzzweck ist die Vorrichtung an die aktuellen Bedürfnisse
entsprechend anzupassen. Handelt es sich beispielsweise um eine
Lebensmitteluntersuchung im industriellen Maßstab, beispielsweise sei angenommen,
dass eine Lebensmittelart längs
eines Förderbandes
zur weiteren Ver- bzw. Bearbeitung transportiert wird, so eignet
sich eine stationär
gegenüber
dem Förderband
angeordnete Lichtquelle/Detektor-Einheit im erfindungsgemäßen Sinne,
durch die es möglich
ist, eine kontinuierliche Überwachung
der längs
des Förderbandes
transportieren Lebensmittel in Bezug auf ihren Frischegrad durchzuführen. Wird
bei einer Messung, die an einer schadhaften Lebensmitteleinheit
durchgeführt
wird, ein unzureichender Frischegrad detektiert, so sorgt eine längs der
Förderstrecke
der optischen Messposition nachgeordnet, vorgesehene Aussonderungseinheit
dafür,
dass die schadhafte Lebensmitteleinheit aus der Förderstrecke
entnommen und entsprechend verworfen wird.
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Im
Bereich der Gastronomie, des Haushaltes sowie des freien Warenhandels
eignet sich demgegenüber
vielmehr die Ausbildung der Messvorrichtung als Handgerät, die einer
jeweils zu untersuchenden Lebensmitteleinheit manuell zugeführt werden kann.
Eine derartige, portable Messeinrichtung umfasst wenigstens eine
Lichtquelle sowie eine geeignet gegenüber der Lichtquelle angeordneten
Detektoreinheit sowie eine zur Auswertung der Detektorsignale vorgesehene
Auswerteeinheit mit wenigstens einer, das Auswerteergebnis optisch
oder akustisch darstellbaren Anzeigeeinheit. In besonders vorteilhafter
Weise lässt
sich die für
die Gastronomie, den Haushalts- und Handelsbereich geeignete Vorrichtung
als Handgerät
ausführen,
so dass die Vorrichtung zu Zwecken der Lebensmitteluntersuchung
in geeigneter Weise manuell gegenüber der zu untersuchenden Lebensmitteleinheit
positionierbar ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
sowie eine, das Verfahren technisch durchführbare Vorrichtung, erlaubt
den Frischegrad von Lebensmitteln in nichtdestruktiver Weise, d.h.
berührungsfrei
innerhalb kürzester
Zeit zu bestimmen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind eine Reihe
von Vorteilen verbunden:
- 1. Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht eine
exakte Bestimmung des Frischegrades von Lebensmitteln in einer nichtdestruktiven
Weise.
- 2. Aufgrund vorstehender nichtdestruktiver Analysetechnik eröffnet sich
die Möglichkeit
für eine vollautomatisierte
In-Prozess-Kontrolle, zur zerstörungsfreien
Analyse jeder einzelnen Produkteinheit. Hierdurch können Analysekosten
erheblich reduziert und die Gefahr einer möglichen Produktkontamination
während
der Lebensmitteluntersuchung vollständig ausgeschlossen werden.
- 3. Durch die Unmittelbarkeit der Bestimmung des Frischegrades
eines zu untersuchenden Lebensmittels kann eine sofortige Aussortierung
nicht konformer Lebensmittelprodukte vorgenommen werden. Hierdurch
wird die Verbrauchersicherheit erhöht und zugleich die Kosten
reduziert.
- 4. Aufgrund der berührungsfreien
Messmethode ist es möglich,
Lebensmittelprodukte unterschiedlichster Konsistenzen, d.h. Lebensmittel
in fester, viskoser oder flüssiger
Form zu untersuchen.
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es
zeigen:
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1 Schematisierter Messaufbau
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2a, b zeitliches Intensitätsverhalten der Fluoreszenzstrahlung
von im Falle a Schinken und im Falle b Banane.
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Wege
zur Ausführung
der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
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1 zeigt einen stark schematisierten
Aufbau aller zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
notwendigen Vorrichtungskomponenten. So ist zur Autofluoreszenzanregung
eines Lebensmittelproduktes 1 eine Energiequelle 2,
vorzugsweise in Form einer Lichtquelle, vorgesehen, die vorzugsweise
Licht im UVC-Spektralbereich
emittiert. Besonders eignen sich hierzu Quecksilber-Dampflampen
oder Laser, die Licht im kurzwelligen Spektralbereich, d.h. Laseremissions-Wellenlängen < 400 nm emittieren.
Ebenso denkbar sind jedoch auch alternative Energiequellen in Form
von Elektronen- oder Ionenquellen. Letzere bedürfen jedoch eines weitaus größeren gerätetechnischen
Aufwandes, den es jedoch erfindungsgemäß gilt, zu reduzieren.
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Das
von der in 1 emittierte
Anregungslicht trifft auf das Lebensmittelprodukt 1 und
regt dieses zur Autofluoreszenz an. Die von dem Lebensmittelprodukt 1 austretende
Fluoreszenzstrahlung wird von einem geeigneten Detektor 3 empfangen,
der die Strahlung wellenlängenselektiv
beispielsweise in Form eines Spektrometers und/oder intensitätsabhängig, beispielsweise
in Form eines Photomultipliers detektiert. Die vom Detektor 3 generierten
Detektorsignale werden anschließend
in einer nicht in 1 dargestellten
Auswerteeinheit ausgewertet, um letztlich auf Grundlage eines geeigneten
Lebensmittelprodukt-spezifischen Gütekriteriums eine Aussage über den
aktuellen Frischegrad des Lebensmittelproduktes anstellen zu können.
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Um
die Leistungsfähigkeit
des Detektors 3 zu verbessern, ist es vorteilhaft, optische
Linsen sowie Lichtleiter (nicht dargestellt) einzusetzen, um die
von der Lichtquelle 2 ausgesandten Lichtstrahlen sowie das
von dem Lebensmittelprodukt 1 emittierte Fluoreszenzlicht
weitgehend zu bündeln
und schließlich zum
Nachweis auf den Detektor 3 zu lenken, um die Nachweisempfindlichkeit
des Detektors 3 in Bezug auf das vom Lebensmittelprodukt 1 emittierte
Fluoreszenzlicht zu maximieren.
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Um
insbesondere dafür
Sorge zu tragen, dass der Detektor 3 ausschließlich das
von dem Lebensmittelprodukt 1 emittierte Fluoreszenzlicht
detektiert und nicht das von der Lichtquell 2 emittierte Anregungslicht,
ist im Lichtweg zwischen dem Lebensmittelprodukt 1 und
dem Detektor 3 eine nicht in 1 dargestellte
Filteranordnung vorgesehen, die das von der Lichtquelle 2 emittierte
Anregungslicht, vorzugsweise UVC-Licht zu absorbieren vermag.
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Um
einen Eindruck über
das zeitliche Autofluoreszenzverhalten bestimmter Lebensmittelprodukte
zu vermitteln, sind in den 2a und b Intensitäts-Zeit-Diagramme dargestellt,
in denen das zeitliche Verhalten der Fluoreszenzstrahlung für Schinken (siehe 2a) und für Banane
(siehe 2b) dargestellt
ist.
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So
zeigt sich im Schinken-Fall gemäß 2a eine nahezu kontinuierlich,
lineare Abnahme der Autofluoreszenzaktivität binnen der ersten drei Stunden,
nachdem der zu untersuchende Schinken frisch aus einer Verpackung
ausgepackt worden ist.
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Herkömmlicherweise
werden Lebensmittelprodukte sowie auch im Fall des in 2a untersuchten, gekochten
Schinkens, zur Konservierung unter bestimmten atmosphärischen
Bedingungen verpackt, beispielsweise in Form von Vakuumverpackungen
oder in Schutzgasatmosphären,
wie beispielsweise Stickstoff oder CO2.
Der in 2 vermessene
Schinken ist gemäß Zeitachse
um 12.30 Uhr aus einer derartigen Verpackung entpackt worden und
unmittelbar dem erfindungsgemäßen Messverfahren
unterzogen worden. Anhand der nahezu linear abfallenden Fluoreszenzstrahlungsintensität im Laufe
der fortschreitenden Zeit kann unverbindlich darauf geschlossen
werden, dass der Frischegrad im Wege eines Degradationsprozesses,
beispielsweise durch Absterben von Mikroorganismen, bestimmt wird.
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Um
eine definitive Aussage über
den Frischegrad des Schinkens anstellen zu können, gilt es, die Fluoreszenzstrahlungsintensität eines
Schinkens zu vermessen, der sich im zeitlichen Stadium des Überschreitens
des für
den Lebensmittelverzehr durch das Lebensmittelgesetz bestimmten
Frischegrad befindet und im weiteren als Referenzwert für Messungen
an vergleichbaren Schinken Verwendung findet.
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Im
Falle der 2b ist eine
Banane geschält und
im aufgeschnittenem Zustand mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
vermessen worden. Auch in diesem Fall stellt sich eine Änderung
der Fluoreszenzstrahlungsintensität innerhalb der ersten Stunden
ein, jedoch ist ein Anstieg der Fluoreszenzstrahlungsintensität zu beobachten,
was darauf schließen lässt, dass
die Beeinträchtigung
des Frischegrades durch eine Ansiedlung von Mikroorganismen innerhalb
der Banane bedingt wird.
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Dies
macht deutlich, dass das Autofluoreszenzverhalten je nach Lebensmittelprodukt
unterschiedlich zu bewerten und entsprechend zu vermessen ist.
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Nachträglich sei
zu den Diagrammdarstellungen in den 2a und b darauf hingewiesen, dass
der jeweils obere Funktionsverlauf der aufgenommenen Strahlungsintensität auf die
Detektion von Fluoreszenzstrahlung zurückgeht, die eine Wellenlänge von
490 nm besitzt. Der jeweils untere Grad repräsentiert Fluoreszenzstrahlung
mit einer Wellenlänge
von 450 nm.
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Ebenso
sei darauf hingewiesen, dass sich die zeitliche Änderung der Fluoreszenzstrahlung
von weiteren Lebensmittelprodukten stark von den in den 2a und b dargestellten Autofluoreszenzverhalten unterscheidet.
So ist das Autofluoreszenzverhalten nicht nur von der Art des Lebensmittelproduktes,
sondern u.a. auch von den entsprechenden Lagerbedingungen abhängig. Dies
ist bei der Referenzdatenerfassung entsprechend zu berücksichtigen.
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- 1
- Lebensmittelprodukt
- 2
- Energiequelle,
Lichtquelle
- 3
- Detektor