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Die
Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der Fleisch- und
Fischindustrie.
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Angesichts
der verschiedenen Krisen, die es weltweit in den vergangenen Jahren
insbesondere im Zusammenhang mit BSE (bovine spongiforme Enzephalopathie)
gegeben hat, werden die Nahrungsmittelqualität und die Nahrungsmittelsicherheit
zu immer wichtigeren Kriterien für
die Verbraucher. Der Begriff der Qualität bezieht sich auf zahlreiche
Aspekte, die ernährungstechnischer
Natur, sanitärer
Natur, technologischer Natur oder organoleptischer Natur sein können. Je
nach dem also, ob es sich um den Schlachter, den Zerleger, den Verkäufer oder
den Verbraucher handelt, wird die Qualität von Fleisch oder Fisch unterschiedlich
wahrgenommen.
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Im
Rahmen der Nahrungsmittelsicherheit ist somit für den Verbraucher der organoleptische
Aspekt und insbesondere die Zartheit des Fleisches oder die Frischheit
des Fisches ein besonders wichtiges Kriterium, das ein wesentlicher
Faktor für
den Kauf und die Kundentreue bleibt.
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Diese
Eigenschaft ist bei Rindfleisch besonders kritisch, wo der Preisunterschied
zwischen den einzelnen Fleischstücken
nahezu ausschließlich
davon abhängt,
ob das Fleisch nach dem Braten immer noch zart ist.
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Das
Hauptproblem der Fleischindustrie besteht derzeit darin, dass man über kein
zuverlässiges und
rasches Verfahren verfügt,
um die Zartheit des Fleisches im Augenblick seines Verkaufs zu garantieren.
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Der
Faktor "Zartheit" ist jedoch Gegenstand zahlreicher Studien
und Untersuchungen im Labor, die nach Kenntnis des Antragstellers
noch nicht in eine Phase der industriellen Nutzung direkt durch
die betroffenen Unternehmen übergegangen
sind.
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Die
Zartheit von Fleisch hängt
von zwei Komponenten ab:
- – der Kollagen-Komponente
- – der
myofibrillaren Komponente.
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Die
erste repräsentiert
die Grundfestigkeit des Fleisches, die sich mit seiner Reifung bzw.
dem "Abhängen" nicht verändert, da
sie auf die Höhe
oder den Grad der Vernetzung des Kollagens keinerlei Auswirkungen
hat.
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Die
zweite Komponente, die myofibrillare Komponente, d.h. die Zartheit,
hängt von
dem Zustand der Kontraktion der Muskelfasern in dem Augenblick ab,
in dem das Fleisch nach dem Schlachten "gerinnt", sowie von der Dauer der Reifung (des "Abhängens").
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Es
sind somit verschiedene Untersuchungen durchgeführt und Techniken entwickelt
worden.
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Eine
erste Untersuchungsachse ergibt sich aus mechanischen Techniken
mit texturometrischen Messungen. Sie besteht darin, dass man nach
dem Schlachten eine einige Zentimeter starke Fleischprobe entnimmt,
und diese Probe mechanischer Druckspannung und/oder Scherspannung
unterwirft. Die Stärke
des Drucks oder der Scherkraft sind ein Index für die Zartheit des Fleisches.
Bei dem WARNER-BRATZEL-Verfahren wird die Probe mit Hilfe eines
Querschneiders durchgeschnitten und die Kraft gemessen, die für das Durchschneiden
des Fleischstücks
erforderlich ist.
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Nach
einem anderen Verfahren verwendet man ein Gerät, das "Zartheitsmesser ARMOR" genannt wird. Es
besteht aus einer Reihe von Nadeln, die in die Muskeln des Fleisches
eindringen, und man misst die Eindringstärke. Auch diese Methode ist
auf den Einsatz im Labor beschränkt.
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Diese
verschiedenen Verfahren werden im Labor eingesetzt und sind im industriellen
Maßstab nicht
einsetzbar, da ihre Durchführung
komplex und umfangreich ist, und Laborapparate dafür erforderlich
sind.
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Über biochemische
Verfahren sind weitere Untersuchungsachsen entwickelt worden. Dabei
wird insbesondere die Menge an Kollagen gemessen. Diese Methode
ist im wesentlichen für
einen Einsatz im Labor bestimmt und ihre Durchführung ist sehr langwierig.
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Im
Stand der Technik sind auch Impedanzmessungen entwickelt und durchgeführt worden.
Bei diesem Verfahren wird die Impedanz eines Fleischstücks gemessen
und ausgehend von diesen Messungen werden die Zartheitseigenschaften
hergeleitet. Doch diese Messung bleibt sehr unsicher, da das Fleisch
anisotropisch ist. Diese Methode kann also nicht in großem Maßstab eingesetzt
werden.
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Es
sind noch andere Verfahren zur Messung der Zartheit von Fleisch,
und insbesondere durch Ultraschall, entwickelt worden. So misst
man beispielsweise beim Durchdringen des Fleischstücks die
Ultraschallgeschwindigkeit oder die Geschwindigkeit des resultierenden
Echos. Doch dieses Verfahren hängt
vom Fettgehalt des Fleisches ab, der vom Einfachen bis zum Dreifachen
variieren kann.
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Eine
weitere Untersuchungsachse war die Nutzung der Spektroskopie durch
Infrarot. Die Schwierigkeit liegt auch in diesem Fall darin, dass
die Infrarotstrahlen empfindlich auf den Fettgehalt reagieren und
die Messungen erheblich variieren, da der Fettgehalt, wie oben schon
gesagt, beispielsweise bei einem Lendenstück in einer Größenordnung zwischen
zwei und sechs Prozent variieren kann.
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Vor
kurzem sind Untersuchungen mit der Methode der Fluoreszenz-Spektroskopie
durchgeführt
worden. Dabei wird ein UV-Strahl in eine bestimmte Wellenlänge geschickt,
welcher die Erregung verschiedener Fluorophore hervorruft, die fluoreszierend
werden. Anschließend
wird das Licht gemessen, das in Abhängigkeit von der Fluoreszenz-Wellenlänge ausgesendet
wurde. Mit den erhaltenen Informationen und einer entsprechend angepassten
mathematischen Verarbeitung lässt
sich die Zartheit des Fleisches messen. Dieses Verfahren wird ausgehend
von entnommenen Probestücken
im wesentlichen im Labor entwickelt.
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In
US-Patent 59 18190 wird ein ähnliches Verfahren
zur Messung der Zartheit von Fleisch beschrieben. Der Nachteil dabei
ist, dass es invasiv ist.
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Ein ähnliches
Problem gibt es auch in der Fischindustrie mit der Messung der Frischheit
von Fisch. Auf diesem Gebiet wird das Phänomen durch den rascheren Frischequalitätsverlust
des Fisches noch verstärkt.
In dem US-Patent 3067328 wird ein Verfahren zur Messung der Frischheit
von Krustentieren beschrieben. Sie werden mit einem Licht einer Stärke von
250 bis 375 nm angestrahlt. Der Nachteil liegt in der visuellen
Erkennung. L. MUNCK ET AL., CHEMOMETRICS AND INTELLIGENT LABORATORY
SYSTEMS 44 (1998), Seiten 31–60,
beschreibt ein Verfahren zur Messung der Qualität von Zucker, bei der eine
Messung durch Spektroskopie eingesetzt wird. Der Zucker muss sich
dabei in Lösung
befinden.
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Alle
diese Verfahren, die zur Erinnerung beschrieben worden sind, sind
nicht direkt industriell nutzbar, wo die Messungen innerhalb einer
kurzen Zeitspanne zu zahlreich sind, da Tests an jedem geschlachteten
Fleischstück
oder Fisch an einer Stelle oder an mehreren Stellen durchgeführt werden
müssen.
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Das
derzeit zuverlässigste
Verfahren bleibt das sensorische Verfahren, das darin besteht, dass man
Personen auswählt,
die darin geschult sind, die Produkte zu testen und sie zu beurteilen.
Dieses Verfahren bleibt jedoch punktuell und nicht zuletzt aufgrund
der Kosten, die mit den Testpersonen verbunden sind, sehr kostspielig.
Darüberhinaus
ist es auch langsam, da innerhalb eines begrenzten Zeitraums keine
großen
Produktmengen getestet werden können.
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Die
Absicht des Antragstellers bestand also darin, ein Verfahren bereitzustellen,
das unter industriellen Nutzungsbedingungen die nicht invasive Messung
der Zartheit von Fleisch oder der Frischheit von Fisch durch Untersuchung
ihrer Haut (ohne dass eine Probenentnahme erforderlich ist) und
eine rasche Interpretation der Ergebnisse der Messung ermöglicht.
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Nach
einem ersten Merkmal der Erfindung zeichnet sich das Verfahren also
dadurch aus, dass eine Messung der Zartheit von Fleisch oder Frischheit
von Fisch durch Fluoreszenz-Spektroskopie durchgeführt wird,
wobei die Messung nicht invasiv ausgehend von einer UV-Lichtquelle
durchgeführt wird,
welche auf einen bestimmten Bereich des Fleisches projiziert wird,
um das Fluoreszenzspektrum zu messen, das von den Fluorophoren des
untersuchten Bereichs ausgesendet wird, wobei das Spektrum in einen
Spektrometer gesendet wird, der mit einem Computer verbunden ist
und ein System der Erfassung und Verarbeitung von Daten besitzt, und
das Spektrum verarbeiten kann, um durch eine entsprechende mathematische
Verarbeitung daraus repräsentative
Parameter für
die Zartheit von Fleisch oder die Frischheit von Fisch abzuleiten.
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Nach
einem weiteren Merkmal erlauben die Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssysteme die
Verwendung von entsprechenden mathematischen Methoden, um Informationen über die
Fluoreszenzspektren abzufragen, wobei es sich bei diesen mathematischen
Methoden insbesondere um die Verwendung der Methoden der statistischen,
multidimensionalen Analyse wie die Hauptkomponenten-Analyse, die
Faktor-Diskriminanz-Analyse und die kanonische Korrelations-Analyse
handelt, die es ermöglichen,
die Proben in Abhängigkeit
von der Zartheit des Fleisches oder der Frischheit des Fisches zu
unterscheiden. Mit Hilfe einer Grunddatenbank können die Proben dann mit diesen
Methoden in Abhängigkeit
von ihrer Zartheit oder ihrer Frischheit eingeteilt werden.
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Nach
einem weiteren Merkmal wird die Lichtenergie für die Erregung der Fluorophore über eine Wellenlänge zwischen
250 bis 290 nm erzeugt, die der Wellenlänge für die Erregung der verschiedenen Fluorophore
und insbesondere der Tryptophane der Proteine, der aromatischen
Aminosäuren
und der Nukleinsäuren
entspricht.
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Nach
einem weiteren Merkmal wird die Lichtenergie für die Erregung durch eine koaxiale
optische Faser übertragen,
die einerseits die Erregung der Fluorophore und andererseits die
Reflexion des Fluoreszenzspektrums erlaubt.
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Nach
einem weiteren Merkmal besitzt die Vorrichtung in Form eines bausteinartigen
und tragbaren Gerätes
eine Lichtquelle mit einem Interferenzfilter, der mindestens mit
einer koaxialen optischen Faser verbunden ist, welche die Übertragung
einer Lichtenergie auf einen bestimmten Bereich des Fleisches gewährleistet,
wobei die Bildung eines Fluroreszenzspektrums erzeugt wird, das
wieder zu einem Spektrometer zurückübertragen
wird, und wobei das Spektrometer direkt mit einem Datenerfassungs-
und verarbeitungssystem verbunden ist, welches das Spektrum verarbeiten
kann, um daraus die repräsentativen
Parameter für
die Zartheit des Fleisches oder die Frischheit des Fisches abzuleiten.
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Nach
einem weiteren Merkmal ist die optische Faser koaxial, wobei ein
Teil die Übertragung der
Wellenlänge
der Erregung zu der Probe und der andere Teil die Erfassung des Fluoreszenzspektrums in
Richtung Spektrometer ermöglicht.
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Diese
Merkmale und weitere Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung.
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1 ist
eine Ansicht der Vorrichtung gemäß der Erfindung
in schematischer Form, wobei die Vorrichtung in einem bausteinartigen,
transportablen Gerät
eingebunden ist,
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2 ist
eine Ansicht des Spektrometers, das in die oben genannte Vorrichtung
eingreift,
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3 ist
ein Beispiel für
eine Messkurve, die ausgehend von durchgeführten Messungen erstellt wurde,
wobei auf der X-Achse die Wellenlänge in nm und auf der Y-Achse die Intensität der Fluoreszenz aufgetragen
sind,
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4 ist
eine Ansicht, welche die verschiedenen Phasen der kanonischen Korrelations-Analyse
nach einem Regressionsgraph zwischen einer Gruppe von Variablen
X auf der X-Achse und einer Gruppe von Variablen Y auf der Y-Achse
darstellt.
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Um
den Gegenstand der Erfindung noch konkreter zu machen, wird sie
nun anhand der Figuren beschrieben, wobei diese Beschreibung nicht einschränkend zu
verstehen ist.
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Die
Messvorrichtung für
die Fluoreszenz-Spektroskopie gemäß der Erfindung besteht aus
einem bausteinartigen tragbaren Gerät, einer ersten Einrichtung
(1), die die Aussendung einer Lichtquelle ermöglicht und
einen Interferenzfilter (2) besitzt. Diese erste Einrichtung
schickt in nicht invasiver Art und Weise eine Wellenlänge zur
Erregung in einer koaxialen optischen Faser (3) in Richtung
eines bestimmten Bereichs (4) des Fleisches, das nicht aufgeschnitten
wurde. Durch die Aktion oder Einwirkung der optischen Faser auf
die Fluorophore, die sich in dem vorgenannten Bereich befinden,
erfolgt die Ausstrahlung eines Fluoreszenzspektrums, das durch die
Linie der koaxialen optischen Faser selbst wieder in ein Spektrometer
(5) zurückübertragen wird.
Das Spektrometer besitzt in seinem Innern eine Vielzahl von Spiegeln
(5a–5b–5c),
die den Ausgang des Signals zu einem Computer (6) ermöglichen,
der mit Software zur Datenerfassung und Datenverarbeitung ausgestattet
ist, und insbesondere ein Verfahren zur kanonischen Korrelations-Analyse
aufweist.
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Nach
einem besonderen Merkmal wird die Wellenlänge der optischen Faser in
einem Wert zwischen 250 und 290 nm erzeugt, d.h. entsprechend der
Erregung der verschiedenen Fluorophore, um eine Spektrumswirkung
durch Fluoreszenz zu erreichen.
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Genauer
gesagt, entspricht diese festgehaltene Wellenlänge der Erregung den Wellenlängen der
Erregung von Tryptophanen, Nukleinsäuren und aromatischen Aminosäuren. Diese
Wellenlängen
besitzen mehrere Vorteile:
sie liegen im UV-Bereich,
mit
dem Fluoreszenzspektrum, das man erhält, lassen sich die Muskeln
je nach ihrer Basishärte
und Reifedauer unterscheiden. Das Fluoreszenzspektrum von Kollagen
allein besitzt eine viel geringere Intensität und ein ungünstigeres
Signal/Geräusch-Verhältnis, so
dass man die Muskeln nicht unterscheiden kann. Das Emissionsspektrum
der Proteine weist einen Höchstwert
auf für
eine Wellenlänge
zwischen 315 und 320 nm, die auch den Wellenlängen der Erregung für das Kollagen
entspricht. Somit erzeugt die Fluoreszenz der myofibrillaren Proteine
eine indirekte Erregung der Fluoreszenz des Kollagens, so dass man
die beiden Informationen gleichzeitig erhält.
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Die
optische Faser wird auf den bestimmten Bereich des Fleisches angewendet.
Die Messungen der Fluoreszenz-Spektroskopie
werden vorzugsweise in drei Versuchen und an drei verschiedenen
Stellen am Muskel durchgeführt.
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Jede
durchgeführte
Messung führt
durch das Spektrum der Frontalfluoreszenz (4) zu einem Schaubild
(Graph) und ermöglicht
auf diese Art und Weise einen allgemeinen Vergleich durch Übereinanderlagern
der Schaubilder bei aufeinanderfolgenden Messungen.
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Mit
Hilfe der verschiedenen Softwareausführungen für die Datenerfassung und Datenverarbeitung
können
die Ergebnisse dann ausgewertet werden. Dabei werden vorzugsweise
die Methoden der statistischen multidimensionalen Analyse wie die Hauptkomponenten-Analyse,
die Faktor-Diskriminanz-Analyse und die kanonische Korrelations-Analyse
verwendet.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
wird im Rahmen einer tragbaren Einheit ausgeführt und auf diese Art und Weise
können
mit Hilfe eines Bedienungsmannes vor Ort nicht invasive Messungen durchgeführt werden.
Die Messungen erfolgen extrem schnell und dauern jeweils nur ein
bis zwei Sekunden, wobei unmittelbar danach die Verarbeitung über den
Computer erfolgt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erfüllt damit
also die Anforderungen für eine
Nutzung im industriellen Maßstab.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung, die gemäß der Erfindung beschrieben
worden sind, waren Gegenstand von Bestätigungstests im Vergleich zu bisherigen
Methoden mit einem Texturometer und Einsatz der optischen Faser
im Labor. Aufgrund der Ergebnisse der Erfindung konnte die Zuverlässigkeit des
neuen Verfahrens und der dazugehörigen
Vorrichtung bestätigt
werden.
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Ohne
dass man sich aus dem Geltungsbereich der Erfindung entfernt, wird
die Lichtenergie durch zwei optische Fasern übertragen, welche die Erfassung
des Fluoreszenzspektrums, seine Weiterleitung zu dem Spektrometer
und seine Messung erlauben.