DE60208823T2 - Vorrichtung und verfahren um die zartheit von fleisch und die frischheit von fisch zu messen - Google Patents
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der Fleisch- und Fischindustrie.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Die Zartheit von Fleisch hängt von zwei Komponenten ab:
- – der Kollagen-Komponente
- – der myofibrillaren Komponente.
- 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.
- 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").
- Es sind somit verschiedene Untersuchungen durchgeführt und Techniken entwickelt worden.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- In US-Patent 59 18190 wird ein ähnliches Verfahren zur Messung der Zartheit von Fleisch beschrieben. Der Nachteil dabei ist, dass es invasiv ist.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Diese Merkmale und weitere Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
-
1 ist eine Ansicht der Vorrichtung gemäß der Erfindung in schematischer Form, wobei die Vorrichtung in einem bausteinartigen, transportablen Gerät eingebunden ist, -
2 ist eine Ansicht des Spektrometers, das in die oben genannte Vorrichtung eingreift, -
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, -
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. - Um den Gegenstand der Erfindung noch konkreter zu machen, wird sie nun anhand der Figuren beschrieben, wobei diese Beschreibung nicht einschränkend zu verstehen ist.
- 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. - 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.
- 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. - 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.
- 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. - 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.
- 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.
- 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.
- 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.
Claims (4)
- Verfahren, um die Zartheit von Fleisch und die Frischheit von Fisch zu messen, bei dem eine Messung durch Spektroskopie mit Frontalfluoreszenz verwendet wird, wobei die Messung nicht invasiv, ausgehend von einer 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 einem Spektrometer (
5 ) angesprochen wird, der mit einem Computer (6 ) verbunden ist und ein System der Erfassung und mathematischen Verarbeitung von Daten besitzt, und das Spektrum verarbeiten kann, um daraus repräsentative Parameter für die Zartheit von Fleisch und Frischheit von Fisch abzuleiten, und Lichtenergie für die Erregung von Fluorophoren über eine Wellenlänge von 250 bis 290 nm, entsprechend der Wellenlänge der Erregung der Fluorophore, und insbesondere der Tryptophane der Proteine, der aromatischen Aminosäuren und der Nukleinsäuren erzeugt wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenerfassungs- und verarbeitungssysteme die Verwendung von Methoden der multidimensionalen, statistischen Analyse erlauben, wie die Hauptkomponenten-Analyse, die Faktor-Diskriminanz-Analyse und die kanonische Korrelations-Analyse.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtenergie durch eine koaxiale, optische Faser (
3 ) übertragen wird, die einerseits die Erregung der Fluorophore und andererseits die Weiterleitung des Fluoreszenzspektrums zu dem Spektrometer erlaubt. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtenergie durch zwei optische Fasern übertragen wird, welche die Erfassung des Fluoreszenzspektrums, seine Weiterleitung zu dem Spektrometer und seine Messung erlauben.
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