DE60309037T2 - Nichtinvasive analyse und nachweis von mikroorganismen in behältern aus laminiertem papier oder karton befindlichen milchprodukten unter verwendung elastischer wellen mittels trockenkopplung - Google Patents

Nichtinvasive analyse und nachweis von mikroorganismen in behältern aus laminiertem papier oder karton befindlichen milchprodukten unter verwendung elastischer wellen mittels trockenkopplung Download PDF

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Description

  • Gebiet der Technik
  • Das Problem der Lebensmittelsicherheit und Qualitätskontrolle von Lebensmitteln ist ein Thema von wachsender Bedeutung in unserer Gesellschaft, aufgrund der direkten Auswirkung, die es auf die Gesundheit der Verbraucher hat. Insbesondere stellen Milch und seine Derivate einen wesentlichen Teil der menschlichen Ernährung von frühester Kindheit an dar. Daher ist es für die Milchindustrie von großer Wichtigkeit, schnelle und zuverlässige Qualitätskontrollsysteme für diese Produkte bereitzustellen.
  • Milch ist ein ideales Substrat für bakterielles Wachstum aufgrund der großen Menge in ihr enthaltener Nährstoffe. Weiterhin kann sie, da es sich um ein tierisches Produkt handelt, das einer großen Anzahl von Produktionsverfahren unterzogen wird, mit einem breiten Spektrum an Mikroorganismen kontaminiert werden. Tatsächlich ist es normal, dass bakterielle Infektionen im Produktionsverfahren von Milchprodukten auftreten, so dass diese für den menschlichen Verzehr unbrauchbar wird. Aus diesem Grund spielt der mikrobiologische Nachweis die wichtigste Rolle innerhalb der Qualitätskontrolle bei der Milchproduktherstellung. Weiterhin ermöglicht ein früher und leistungsfähiger Nachweis von Mikroorganismen in diesen Produkten wichtige wirtschaftliche Vorteile, die aus einem frühen Stopp einer kontaminierten Herstellung resultieren. Das verhindert die Herstellung von Lebensmitteln, welche verworfen werden müssten, sobald diese Mikroorganismen nachgewiesen würden. Weiterhin werden Betriebskapitalkosten durch Verminderung der Lagerungsdauer für hergestellte Produkte vermindert, die als Reserve für jeglichen Zwischenfall eingehalten wird.
  • Stand der Technik
  • Es gibt eine große Vielfalt an Systemen für mikrobiellen Nachweis in Milchprodukten (R.K. Robinson. Microbiologia Lactológica (Dairy Microbiology), Vol (I and II). Ed. Acribia S.A., Zaragoza, Spanien (1987)). Die bakterielle Belastung ist eine Funktion der Anzahl und der anwesenden Bakterienspezies. Ein geeignetes Bakterienkontrollprogramm muss direkte Messungen umfassen, welche mikrobielles Zählen beinhalten. Jedoch ist ein solches Verfahren mit einer erheblichen Verschwendung von Zeit und Geld verbunden. Daher wählt die Milchindustrie gewöhnlich indirekte Qualitätstests, die auf der metabolischen Aktivität der verschiedenen anwesenden Mikroorganismen beruhen. Einige der am häufigsten verwendeten Tests werden im Folgenden beschrieben.
  • Unter den direkten Verfahren gibt es: Gesamtmikroflora durch Kultur: Die Milchproben werden verdünnt und auf Platten geimpft, die ein Kulturmedium wie Agar oder Trypton enthalten, dann werden sie inkubiert und schließlich werden die Kolonien gezählt. Direkte Mikroskopzählung (Brutverfahren): 0,01 bis 0,05 ml Milch werden auf einem Objektträger in einem Gebiet von 1 bis 4 cm2 ausgebreitet; sie wird getrocknet, mit Xylol entfettet, mit Alkohol fixiert und mit 0,3 %igem Methylenblau gefärbt.
  • Untersuchung zur Bestimmung von mikrobiellen Gruppen, spezifische Tests werden je nach der nachzuweisenden mikrobiellen Gruppe ausgeführt (Coliform-Bakterien, hitzeresistente Mikroorganismen, sporulierte anaerobe Bakterien, Gasproduzenten,...).
  • Unter den indirekten Verfahren gibt es:
    Druck: Nachweis des Druckanstiegs in Behältern aufgrund der Gasproduktion, die aus dem Metabolismus bestimmter Mikroorganismen resultiert.
  • Säuregrad und pH: direkte Messung dieser Parameter, modifiziert während des Metabolismus der Mikroorganismen.
  • Koagulation: die Anwesenheit von Koagulation wird in Milch nachgewiesen, wenn diese mit Alkohol vermischt, bei einer Temperatur zwischen 30–37 °C für 12–24 Stunden gekocht oder inkubiert wird.
  • Elektrische Impedanzmessungen: Messung der Abweichungen im Real – und Imaginärteil der Leitfähigkeit eines flüssigen Substrats, das mit Milch geimpft wurde. Diese Abweichungen zeigen deutlich die Veränderungen der elektrischen Parameter des Substrats, die durch das Wachstum der Mikroorganismen verursacht werden.
  • Daher gibt es eine breite Vielzahl an Techniken für mikrobiologische Qualitätskontrolle, wobei ihre Eignung für die Anwendung auf das Herstellungsverfahren gemäß ihrer Schnelligkeit, Zuverlässigkeit und den Kosten beurteilt werden. Sie haben jedoch alle das gemeinsame Merkmal, dass es sich um zerstörende Verfahren handelt: es ist notwendig, zu einem gegebenen Zeitpunkt eine Probe des Produkts zu entnehmen, wobei der Behälter geöffnet wird. Dies bringt den problematischen Nachteil mit sich, dass die Möglichkeit von irrtümlich positiven Nachweisen aufgrund einer nachfolgenden Kontamination der entnommenen Probe sowie die Notwendigkeit größer wird, auf die Inkubation der Probe zu warten. Manchmal dauert es übermäßig lange, um die Sterilität der Milch sicherzustellen. Nur ein großer Druckanstieg in flexiblen anschwellenden Behältern oder das Auftreten von Zersetzung und Koagulaten in transparenten Behältern (die immer weniger verwendet werden) geben Hinweise auf die mögliche Anwesenheit von Mikroorganismen ohne eine Öffnung des Behälters. Jedoch fallen die wichtigsten Fälle von Verderben von Milchprodukten aufgrund der Anwesenheit- von Mikroorganismen, die aufgrund ihrer Häufigkeit und deren Folgen sehr wichtig sind, nicht unter diese Beispiele.
  • Die Messung der Ausbreitungsparameter von elastischen Wellen durch ein bestimmtes Medium wird immer häufiger bei der Qualitätskontrolle in der Lebensmittelindustrie verwendet (D. J. McClements. Ultrasonic characterization of foods and drinks: Principles, Methods and Applications. Critical reviews in Food Science and Nutrition 37 (1), 1–46, (1997)). Die unschädliche Art dieser Untersuchung macht sie für die Analyse von solchen Substanzen geeignet, deren Konservierung vor jeglicher Art von Denaturierung sehr wichtig ist. Ultraschall wurde in bestimmten Anwendungen verwendet, um die Zusammensetzung von die Herstellungslinie verlassenden Lebensmitteln zu bestimmen, indem eine Probe aus den Behältern extrahiert und diese in eine Messzelle überführt wurde (J.W. Fitzgerald/Chesapeake Inst. Corp., US Patent 3 040 562, 1962).
  • Es gibt Arbeiten, welche die Verwendung von Ultraschall für den Nachweis der Zersetzung von verpackten Lebensmittelns erwähnen (Gestrelius, H., Mattila, T., Ahvenainen, R., Trends in Food Science and Technology 5 (12), 1991), wobei eine akustische Strömung-Dopplereffekt-Ultraschallmesstechnik verwendet wurde. Diese Technik hat jedoch wenige Möglichkeiten, industriell genutzt werden zu können, da es schwierig ist, eine Strömung in verpackten Lebensmitteln auf eine kontrollierte und wiederholte Weise zu etablieren. Dies ist umso komplizierter in auf Papier basierenden, beschichteten Behältern, die aufgrund ihrer Impedanzentkopplung mit Umwandlungssystemen nur einen kleinen Teil der akustischen Energie weitergeben, die sowohl für die Messung des Dopplereffekts wie auch für die Einrichtung der Strömung notwendig sind. Außerdem scheint es sich nicht um eine sehr empfindliche Technik zu handeln, da vier oder mehr Tage Inkubation benötigt werden, so dass das Wachstum von Mikroorganismen in der Probe eine nachweisbare Veränderung produziert. Ein vollkommen anderes Konzept für den Nachweis von Mikroorganismen verwendeten Ahvenainen et al.: Echographie (Ahvenainen, R, Mattila, T, Wirtanen, G; Lebensm. – Wiss. Technol. 22, 268–272 1989). Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass es nicht für den nicht-invasiven Nachweis in Pappbehältern geeignet ist, da es notwendig war, wie sie selber feststellen, das Produkt in einen anderen Behälter zu geben, um die Messung auszuführen. Weiterhin ist es ein Verfahren, das nicht einfach auf industriellem Niveau anwendbar ist, aufgrund der Komplexität und des hohen Preises für Echographiesysteme. In einem Patent aus dem Jahr 1987 offenbaren M. Nagata et al. ein Ultraschallverfahren für den Nachweis von Mikroorganismen in verpackten Produkten (Fujimori Kogyo Co. Ltd., EP 269 815 ). Die offenbarte Vorrichtung umfasst kein Temperaturregelungssystem, was eine wichtige Unsicherheit in das System einführt, vor welcher die Autoren nicht zu warnen scheinen, da die Ultraschallausbreitungskonstanten bezogen auf die Temperatur äußerst empfindlich sind. Ebenso wird die Ausbreitungsmessung in einem Flüssigkeitsbad ausgeführt, das für Behälter mit Papier – oder Pappbestandteilen nicht geeignet ist, welche unter diesen Bedingungen zersetzt werden.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Gegenstand dieses Patents ist ein neues, nichtinvasives Verfahren zum mikrobiologischen Nachweis und zur Analyse eines breiten Spektrums, basierend auf der Ausbreitung von elastischen Wellen durch die Milch oder einem Milchproduktderivat.
  • Die Marktentwicklung verlangt die Entwicklung von zerstörungsfreien Verfahren, welche Lebensmittel in jeglicher Art von Behältern, einschließlich mit Papier und Pappe beschichteten Behältern, die immer weiter verbreitet vorkommen, mikrobiologisch bewerten können. Dies bringt die Entwicklung von trockenen Kopplungsnachweissystemen mit sich, welche die geringfügigsten Veränderungen nachweisen können, die in frühen Phasen der Entwicklung von Mikroorganismen in Lebensmitteln auftreten.
  • Diese in der Ausbreitung der elastischen Welle nachgewiesenen Veränderungen können auf verschiedenen Faktoren beruhen, die wieder ihrerseits je nach dem anwesenden Mikroorganismus oder den anwesenden Mikroorganismen variieren werden. Dies ermöglicht eine Unterscheidung zwischen den verschiedenen Arten von Mikroorganismen, welche Milchprodukte kontaminieren können. Zu den relevantesten Ursachen zur Erklärung der in den Wellenausbreitungsparametern gefundenen Abweichungen gehören: das Auftreten von Gas im Medium, Veränderungen der Struktur der Suspension aufgrund von Veränderungen der Größe der Fettkügelchen oder der Proteinmizellen, Koagulations- oder Gelatinierungsprozesse, Ausfallen von Substanzen, die anfänglich in Suspension vorlagen, oder sogar das Auftreten einer beträchtlichen Anzahl an Mikroorganismen, welches selbst eine Veränderung in der Struktur des Mediums darstellt.
  • Das Verfahren, das Gegenstand dieses Patents ist, zeigt die Anwesenheit von Mikroorganismen ohne die Extraktion von Produktproben aus dem Inneren seines kommerziellen Behälters. Dieses Merkmal verhindert die Kontamination des Produkts während des mikrobiologischen Qualitätskontrollverfahrens. Die Erfindung ermöglicht den Nachweis in jeglicher Art von Behältern, die derzeit in der Milchindustrie verwendet werden, einschließlich Multilayer-Behältern wie beispielsweise Combiblock und Tetrabrik – eingetragene Warenzeichen. Weiterhin kann mittels dieses Verfahrens mikrobielles Wachstum zum Zeitpunkt seines Auftretens überwacht werden, da die Messung auf einer kontinuierlichen Überwachung des Produkts basiert. Dieses Merkmal ermöglicht den frühen Nachweis von Kontaminationen, welche vor den herkömmlichen Inkubationszeiten auftreten können, die für herkömmliche mikrobiologische Kontrollverfahren festgelegt wurden. Mit diesen wird das Produkt nach genannter Inkubationsdauer untersucht, die sogar mehr als 48 Stunden betragen kann.
  • Das Verfahren (siehe 1 und 2) besteht aus der automatischen Messung der Parameter, welche die Ausbreitung einer mechanischen Welle (Amplitude, Geschwindigkeit und harmonische Verzerrung) durch ein Milchprodukt – DP – charakterisieren, das in einem Behälter – RL – enthalten ist. Dieses Verfahren basiert seinerseits auf einem älteren Patent für ein klinisches Verfahren zum Nachweis von Mikroorganismen in biologischen Flüssigkeiten und klinischen Proben mittels der Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit (spanisches Patent ES 2 147 149 ). Das Messgehäuse, ME, in dem sich das zu analysierende Produkt befindet, muss auf geeignete Weise mit einem Thermostaten (bei den Kulturtemperaturen, die in der Milchindustrie als Standard betrachtet werden), mit einem Fehler von weniger als 0,1 °C reguliert werden, damit Wechselwirkungen zwischen Abweichungen bei der Ausbreitung der mechanischen Welle aufgrund eines vermuteten mikrobiellen Wachstums und solchen aufgrund von Temperaturveränderungen im Medium verhindert werden.
  • Anders als in der Referenz (spanisches Patent ES 2 147 149 ), muss die Thermostatregelung unter trockenen Bedingungen ausgeführt werden, um eine Zersetzung des Behälters zu vermeiden. Dieses Detail ist äußerst wichtig, da die Merkmale des Thermostatsystems für ein gasförmiges Medium geeignet sein müssen; weiterhin stellt Feuchtigkeit in diesem Fall einen weiteren Parameter dar, der die Übertragung der elastischen Wellen durch den Behälter beeinflussen kann. Die Temperatur – und Feuchtigkeitskontrollsysteme sind in 1 und 2 als THC dargestellt. Anders als das spanische Patent ES 2 147 149 , umfasst das Verfahren die Wahl und die Erzeugung der Arbeitsfrequenz – innerhalb des Ultraschallbereichs – je nach der Art von Behälter und zu analysierendem Produkt. Die mit dieser Feuchtigkeits- und Temperaturkontrolle erreichte Präzision ermöglicht den Nachweis von Kontaminationen, welche das Produkt nicht drastisch verderben, was die Präzision der Messung der Ausbreitungsparameter verglichen mit anderen Ultraschallverfahren wie beispielsweise dem erwähnten Patent (Fujimori Kogyo Co. Ltd. EP 269 815 ), um mehr als eine Größenordnung erhöhen.
  • Anders als Ultraschallmesssysteme in Wasser ist ein anderes Schlüsselelement in diesem Verfahren der Einbau eines Elements, das eine geeignete elastische Kopplung – C – zwischen den Sende- und Empfangssystemen der elastischen Welle und dem das Milchprodukt enthaltenden Behälter gewährleistet. Diese Kopplung, deren Geometrie von der Art des Behälters abhängt, besteht aus einem Polymer mit guten elastischen Übertragungseigenschaften (RTV – Silikon).
  • Die Messtechnik kann entweder die Übertragungs-Empfangsanordnung mit zwei einander gegenüberliegenden Umwandlern – E und R in 1 –, oder die Puls-Echo-Anordnung mit einem einzelnen Umwandler – E-R in 2 – verwenden, welche die elastische Welle sendet und sie nach Durchquerung des Produkts und Reflexion am gegenüberliegenden Ende des Behälters empfängt. Der Senderumwandler – E in 1 und E – R in 2 – wird mit einem elektronischen System – EE – angeregt, welches ein elektrisches Signal erzeugt, und der Empfangsumwandler – R in 1 und E – R in 2 – wird eine elektronische Stufe für die Verarbeitung des empfangenen Signals – ER – haben. In beiden Fällen wird die elastische Welle nach Durchqueren des Behälters und des Produkts verarbeitet. Am Ende werden die Zeitdifferenz zwischen dem Triggersignal und der Ankunft von genanntem Puls, die Amplitude der Welle nach Durchqueren des Mediums und die Veränderung der Wellenform gemessen; anders als im spanischen Patent ES 2 147 149 , in welchem nur die Veränderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit nachgewiesen wird. Die mögliche Abweichung von einem oder mehreren dieser Parameter liefert Informationen bezüglich der Veränderungen, die in dem Milchmedium auftreten, wenn es von Mikroorganismen kolonisiert wird.
  • Diese Messtechnik kann für die mikrobiologische Qualitätskontrolle von anderen Arten von nicht milchhaltigen, flüssigen Lebensmitteln verwendet werden, die für das Wachstum von Mikroorganismen ähnlich wie denen, die in Milchprodukten auftreten, zum Substrat werden können, unter Ausführung von geeigneten methodologischen Modifizierungen, um sie dem speziellen Problem anzupassen.
  • Eine kommerzielle Vorrichtung, die diese Aufgabe ausführt, besteht aus einer Kammer, die mit strukturellen Elementen ausgestattet ist, in denen jeder dieser Behälter, Sensoren, Auslösern zur Kontrolle der Temperatur und Feuchtigkeit und Ultraschallumwandlern für das Senden und Empfangen von elastischen Mitteln unabhängig voneinander untergebracht werden. Die Nachweisvorrichtung wird auch mit dem elektronischen System ausgestattet, das für die Kontrolle der Temperatur – und Feuchtigkeitssensoren und Auslöser, sowie für Einspeisung der Sendeumwandler und Empfang des Signals der Empfängerumwandler notwendig ist. Schließlich ist es zweckmäßig, dass die Kontrolle des elektronischen Systems durch ein Computersystem ausgeführt wird, was die Automatisierung von genannter Kontrolle sowie die Interpretation und Speicherung der Daten, die zu den mikrobiologischen Kontrolluntersuchungen gehören, ermöglicht. Diese Systeme werden im Folgenden beschrieben.
  • a) Messkammer
  • Der Hauptkörper der Messkammer ist aus einer Struktur aufgebaut, welche die geeigneten und stabilen thermischen und hygroskopischen Bedingungen gewährleistet, die für die Messung notwendig sind. Die Größe wird entsprechend der Anzahl an Behältern entworfen, die in seinem Inneren für Messungen untergebracht werden. Zusätzlich zu der Funktion der Isolierung von der Umgebung beherbergt diese Kammer interne Temperatur- und Feuchtigkeitskontrollsysteme.
  • Unabhängige Gehäuse für jeden Behälter werden innerhalb des Hauptkörpers der Kammer angeordnet. Diese Gehäuse führen die Unterstützungsfunktionen für den Behälter, die thermische Messung und Auslösersysteme und die Ultraschallumwandler aus; dies ermöglicht die unabhängige mikrobiologische Kontrolle von jedem Behälter.
  • b) Feuchtigkeits – und Temperaturkontrolle
  • Die Messkammer weist ein Feuchtigkeitskontrollsystem auf, das aus einem Feuchtigkeitssensor und -auslöser besteht. Dieses System hält die relative Feuchtigkeit in der Kammer mit Abweichungen von weniger als 1 aufrecht.
  • Die Temperaturkontrolle wird vorzugsweise mittels eines doppelten Systems ausgeführt. Einerseits wird die Temperatur des allgemeinen Hohlraums durch Temperatursensoren und thermische Auslöser reguliert. Die Temperatur in der Kammer wird leicht unterhalb der Inkubationstemperatur aufrechterhalten, wobei eine Präzision von ±0,1 °C ausreichend ist. Andererseits wird eine unabhängige Temperaturkontrolle für jeden Behälter bei der Inkubationstemperatur mit einer Präzision von ±0,01 °C ausgeführt, unter Verwendung von Sensoren und Auslösern, die mit dem Behälter selbst in Kontakt sind. Diese Systeme werden in den einzelnen Behältergehäusestrukturen installiert. Das thermische Kontrollsystem wird von elektronischen Reglern bereitgestellt, die außerhalb der Kammer platziert sind. Das ermöglicht die Programmierung einer Erhitzungskurve, um die Zeit zu minimieren, die der Inhalt des Behälters benötigt, um von Raumtemperatur zur Inkubationstemperatur zu gelangen, ohne dass das Behälter zerstört wird oder genannte Inkubationstemperatur überschritten wird.
  • c) Ultraschallumwandler
  • Jedes Gehäuse wird mit einem Umwandler (Puls-Echo-Anordnung) oder einem Paar von piezoelektrischen Umwandlern (Sende-Empfangs-Anordnung) für das Senden und Empfangen von Ultraschallwellen in einem Bereich zwischen 100 kHz und 2 MHz ausgestattet. Es kann auch ein mehrfaches Umwandlersystem verwendet werden. Die Sender – oder Empfängeroberflächen der Umwandler werden mit einer Schicht aus elastischem Polymer versehen, um eine gute mechanische Kopplung mit dem Behälter zu erhalten.
  • Jedes Mal wenn ein Behälter in sein Gehäuse eingeführt wird und der mikrobiologische Kontrollprozess beginnt, kommen die Ultraschallumwandler mit dem Behälter in Kontakt, indem durch die elastische Kopplungsschicht ein leichter Druck auf diesen ausgeübt wird. Die Umwandler sind parallel zueinander angeordnet, zugewandt und fixiert während des gesamten Messprozesses mit Toleranzen von weniger als 1 μm.
  • d) Erzeugungs-, Empfangs- Multiplexing- und thermische und hygroskopische Kontrollelektronik
  • Die Kontrollelektronik kann in die Messkammer eingebaut werden oder in Modulen getrennt davon installiert werden.
  • Die thermischen und hygroskopischen Sensoren werden unabhängig voneinander mit ihren entsprechenden elektronischen Reglerschaltungen verbunden. Diese Schaltungen werden ihrerseits mit dem Computer verbunden, der das gesamte Kontrollverfahren kontrolliert.
  • Das Signalerzeugungssystem, das den Sender-Ultraschallumwandler speist, erzeugt Wellenimpulse, deren zentrale Frequenz dem zentralen Frequenzbereich der Umwandler entspricht. Die Amplitude des genannten Signals wird gemäß der Arbeitsfrequenz und der Merkmale des Behälters, der Inhalte und der Art des verwendeten Umwandlers eingestellt, so dass die von den Empfangsumwandlern aufgenommene Welle einen Signal/Rausch-Abstand aufweist, der hoch genug ist, um mit der für die Messung erforderlichen Präzision analysiert zu werden. Daher ist es zweckmäßig, Filter- und Verstärkungsstufen für die Konditionierung des Empfangssignals bereitzustellen, das im allgemeinen eine niedrige Amplitude und ein verrauschtes Signal ist. Um die Analyse und Interpretation des Signals auszuführen, wird letzteres vorher digitalisiert.
  • Jedes Paar an Sender-Empfänger-Umwandlern kann alternativ durch eine Multiplexerstufe ausgelöst werden, die mit dem Kontrollcomputer verbunden ist. So ist es möglich, einen bestimmten Behälter mit der Information in Bezug zu setzen, welche das Signalanalyse- und Dateninterpretationssystem zu allen Zeiten erreicht.
  • Schließlich und wie wiederholt festgestellt, führt ein Computer die Kontrolle des gesamten Kontrollverfahrens aus: Temperatur, Feuchtigkeit, Ultraschallumwandler- Multiplexing, Senden und Erfassung der Signale. Der Computer führt bei Bedarf auch die Verarbeitung, Interpretation und Speicherung aller erhaltenen Daten durch. All dies wird durch eine spezielle Software durchgeführt, die im folgenden Abschnitt beschrieben wird.
  • e) Datenkontrolle und -interpretation
  • Ein Softwarepaket steuert die Kommunikation des Computers mit der beschriebenen elektronischen Anlage, so dass das Kontrollverfahren unabhängig für jeden Behälter durchgeführt wird.
  • Die Software umfasst die mathematische Verarbeitung der aufgenommenen Signale, um Informationen bezüglich des Zustands der Inhalte von jedem Behälter zu erhalten. Dafür enthält sie einen Algorithmus, der die Interpretation der empfangenen Daten ermöglicht, was zum Auftreten einer Warnung führt, wenn Anzeichen von Verderben in einem bestimmten Behälter durch die Ultraschallausbreitungsmessung nachgewiesen werden.
  • Die Software ermöglicht Speicherung der Daten und ein erneutes Starten von jedem Messkanal, wenn ein neuer Behälter in ein Gehäuse der Kammer gesetzt wird.
  • Ausführungsformbeispiel der Erfindung
  • Beispiel 1: Unterscheidung zwischen Mikroorganismen
  • 3 zeigt die Ultraschallsignallaufzeitverzögerung nach dem Durchqueren von Milch, die mit einer anfänglichen Konzentration von etwa 100 cfu/ml zweier unterschiedlicher Mikroorganismen Bacillus Cereus (Quadrate) und Pseudomona Aeruginosa (Kreise) geimpft wurde. In beiden Fällen kann man sehen, wie sich die Verzögerung vermindert (was einer Steigerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit entspricht). Die Anwesenheit der Mikroorganismen wird jedoch zu unterschiedlichen Zeiten nachgewiesen (nach Stunde 3 im Fall von Bacillus Cereus und nach Stunde 23 im Falle von Pseudomona Aeruginosa) und auch mit einer unterschiedlichen Steigung, was die Art von jeder dieser Kontaminationen charakterisiert.
  • Beispiel 2: Anwendung der Messung auf die Amplitude des quadratischen Klirrfaktors für den mikrobiologischen Nachweis
  • Das Verfahren, das Gegenstand dieses Patents ist, ermöglicht den Nachweis der mikrobiologischen Anwesenheit nicht nur durch Messung der Laufzeiten, sondern auch mit der Messung von Amplituden und Klirrfaktor. Insbesondere in 4 ist der Nachweis der Anwesenheit von Bacillus Cereus mit der Messung des quadratischen Klirrfaktors dargestellt. Veränderungen in genannter Amplitude können nach Stunde 4 beobachtet werden, was der Anwesenheit (Kreise) oder Abwesenheit (Quadrate) von Bacillus Cereus in Milch entspricht. Das Niveau des quadratischen Klirrfaktors macht die Verformung deutlich, welche die Welle bei der Ausbreitung durch das Medium erfährt.
  • Beispiel 3: Mikrobiologischer Nachweis in anderen Lebensmitteln (Orangensaft)
  • 5 zeigt die Anwendung des Verfahrens auf andere flüssige Lebensmittel, hier Orangensaft. Das schnelle Verderben, das in natürlichem, gefrorenem Orangensaft nach seinem Auftauen (Kreise) auftritt, kann beobachtet werden. Dieses Verderben beginnt nach der dritten Stunde, im Gegensatz zur Stabilität des sterilen, UHT konzentrierten Safts (Quadrate). Dieser Nachweis wurde durch die Messung der Signallaufzeit ausgeführt.
  • Beispiel 4: 8-Kanal-Ultraschallvorrichtung zum Nachweis von Mikroorganismen in Milch, die in Combibloc verpackt ist
  • Diese Vorrichtung, deren Schema in 6 dargestellt ist, besteht aus den im vorhergehenden Abschnitt beschriebenen Elementen, die im Folgenden detailliert beschrieben werden.
  • Messkammer
  • Der Hauptkörper der Messkammer besteht aus einer steifen Struktur, die aus rostfreiem Stahl hergestellt wird. Acht einzelne Gehäuse (siehe 7), bestehend aus Aluminium, in welche die zu messenden Behälter gesetzt werden, werden an diese Struktur gekoppelt.
  • Feuchtigkeits- und Temperaturkontrolle in der Messkammer
  • Die Messkammer weist ein Feuchtigkeitskontrollsystem mit einer Präzision von ±1 % relativer Feuchtigkeit auf. Die Messkammer verfügt über ein doppeltes Temperaturkontrollsystem. Das Temperaturkontrollsystem des allgemeinen Hohlraums besteht aus einem Temperatursensor und einem thermischen Auslöser mit Peltiereffekt. Die Temperatur wird geringfügig unterhalb von 35 °C gehalten, mit einer Präzision von ±0,1 °C. Die Temperaturkontrolle von jedem Gehäuse hat ein unabhängiges Steuerungssystem, um die Erhitzungszeit der Behälter zu optimieren. Die Präzision dieser Steuerung beträgt ±0,01 °C.
  • Ultraschallumwandler
  • Die piezoelektrischen Empfangs – und Sendeumwandler arbeiten bei einer Resonanzfrequenz von 800 kHz. Diese Umwandler sind mit einer äußeren Schicht ausgestattet, die in einem elastischen Polymer hergestellt ist, um eine gute mechanische Anpassung an den Behälter zu erhalten, wie in 8 gesehen werden kann. Einer der Umwandler befindet sich an der Tür des Gehäuses und der andere an der gegenüberliegenden Wand. So ist es möglich, den Behälter bequem einzuführen, wobei die Umwandler fixiert bleiben und sich parallel zueinander befinden, sobald die Tür des entsprechenden Gehäuses geschlossen wird.
  • Erzeugungs- und Empfangselektronik
  • Jedes Gehäuse hat einen Messkanal, bestehend aus einem Sendeumwandler, einem Empfangsumwandler und den entsprechenden Verbindungen. Um abwechselnd genannte Kanäle auszulösen, wird eine elektronische Multiplexing-Stufe verwendet. Das Signalerzeugungssystem erzeugt Sinuswellenimpulse mit einer Signalamplitude von 5 V und einer zentralen Frequenz, die dem Frequenzbereich der Umwandler entspricht. Es wird ein Oszilloskop verwendet, um das Empfangssignal zu digitalisieren. Schließlich wird ein Computer verwendet, um die Kontrolle des Multiplexing, die Erfassung der Signale, seine Verarbeitung und den Erhalt und die Evaluierung der Daten auszuführen. Die Verschaltung dieser Systeme ist in dem allgemeinen Schema der Vorrichtung (6) dargestellt.
  • Kontroll- und Dateninterpretationssoftware
  • Die Software steuert die Kommunikation des Computers mit den thermischen Reglern und der Feuchtigkeitskontrolle durch eine serielle Schnittstelle mit RS-485-Protokoll, mit dem Multiplexer durch eine andere serielle Schnittstelle mit RS-232-Protokoll, und mit dem Oszilloskop durch eine GPIB-Karte, wobei des Messverfahren unabhängig für jedes Gehäuse kontrolliert wird. Die Software umfasst die mathematische Verarbeitung der aufgenommenen Signale, um Informationen über den Zustand der Milch in jedem Behälter zu erhalten. Sie umfasst auch ein Graphikfenster und einen Algorithmus, der eine Interpretation der Daten ermöglicht, was zum Auftreten einer Warnung führt, wenn eine Probe mit Anzeichen von Verderben nachgewiesen wird.
  • Beschreibung der Abbildungen
  • 1 zeigt ein Schema des Messprozesses in einer Sende-Empfangs-Anordnung. Es besteht aus dem Senderumwandler – E – und dem Empfängerumwandler – R – beiden Seiten des Behälters – RL – zugewandt, welches das Milchprodukt – DP – enthält.
  • Die Kopplung der Umwandler mit dem Behälter wird durch das Polymer – A – ausgeführt. Die Messung wird in einem Gehäuse – ME – ausgeführt, das mit einem Temperatur- und Feuchtigkeitskontrollsystem – THC – ausgestattet ist. Der Sendeumwandler empfängt das Signal vom elektronischen Erzeugungssystem – EE – und das vom Empfangsumwandler empfangene Signal wird von der Empfängerelektronik RE gespeichert und verarbeitet.
  • 2 zeigt das Schema des Messprozesses in der Pul -Echo-Anordnung. Es besteht aus dem Sender-Empfänger – E-R –, der mit dem Behälter – RL – gekoppelt ist, welches das Milchprodukt – DP – enthält, durch das Polymer – A –. Die Messung wird in einem Gehäuse – ME – ausgeführt, das mit einem Temperatur- und Feuchtigkeitskontrollsystem – TCM – ausgestattet ist. Der Umwandler empfängt das Signal vom elektronischen Erzeugungssystem – EE – sowie das Ultraschallsignal, welches ihn nach Reflexion an der gegenüberliegenden Seite des Behälters erreicht, welches von der Empfängerelektronik RE gespeichert und verarbeitet wird.
  • 3 zeigt die Verzögerung des Ultraschallsignals nach Durchqueren von Milch, die mit Bacillus Cereus (Quadrate) und Pseudomonas Aeruginosa (Kreise) kontaminiert wurde. Die H-Achse entspricht der Messzeit in Stunden und die R-Achse der Verzögerung in Sekunden des Laufzeitsignals bezogen auf die Laufzeit des anfänglichen Signals.
  • 4 zeigt die Amplitude des quadratischen Klirrfaktorsignals nach Durchqueren von steriler Milch (Quadrate) und mit Bacillus Cereus (Kreise) kontaminierter Milch. Die H-Achse entspricht der Messzeit in Stunden und die A-Achse der normalisierten Amplitude des quadratischen Klirrfaktors des Signals.
  • 5 zeigt die Verzögerung des Ultraschallsignals nach Durchqueren von UHT konzentriertem Orangensaft (Quadrate) und natürlichem, gefrorenem Orangensaft nach Auftauen desselben (Kreise). Die H-Achse entspricht der Messzeit in Stunden und die R-Achse der Verzögerung in Sekunden des Laufzeitsignals bezogen auf die Laufzeit des anfänglichen Signals.
  • 6 zeigt das allgemeine Schema der 8-Kanal-Ultraschallvorrichtung zum Nachweis von Mikroorganismen in Milch, die in Combibloc verpackt ist. Im Hauptkörper kann man die 8 Gehäuse sehen, in welche die Milchbehälter eingeführt werden. Gekoppelt an jedes Gehäuse befindet sich ein Sendeumwandler – UE –, ein Empfangsumwandler – UR –, ein Heizwiderstand – R – und ein Temperatursensor – T. Zusätzlich zu letzterem gibt es auch einen allgemeinen Kammertemperatursensor – TC – eine Peltierpumpe – PP -, einen Feuchtigkeitssensor – H – und einen Feuchtigkeitsdiffusor – HD –, der von dem Elektroventil V kontrolliert wird. Alle diese Feuchtigkeits- und Temperatursysteme sind mit der Steuerkonsole – CP – verbunden, welche ihrerseits mit dem Steuercomputer – C – durch RS-485 kommuniziert. Die Ultraschallumwandler werden mit dem Multiplexer – M – verbunden, der abwechselnd jeden Messkanal speist. Das vom Signalerzeuger – G – kommende elektrische Sendesignal erreicht diesen Multiplexer und der sendet das Empfangssignal an das Oszilloskop – O –, welches seinerseits durch GPIB mit dem Computer – C – kommuniziert, um die Daten aufzufangen. Der Multiplexerbetrieb wird auch durch genannten Computer durch RS-232 kontrolliert.
  • 7 zeigt das Aluminiumgehäuse, in welches die Behälter eingeführt werden, um analysiert zu werden. In dieser Abbildung ist der Widerstand – R – dargestellt, der die Proben erhitzt, sowie der Temperatursensor – T -, der diese Erhitzung überwacht. Die einander zugewandten Löcher – A -, durch welche der Sendeumwandler und der Empfangsumwandler eingeführt werden, sind ebenfalls gezeigt.
  • 8 zeigt ein Schema der Art von Umwandler, der für das Senden und Empfangen von Ultraschallwellen verwendet wird. Die piezoelektrische Keramik – PC -, eine Verzögerungsstrecke – D -, die polymere, mechanische Kopplungsschicht – P – und der Umwandlersockel – B – sind in dieser Abbildung dargestellt.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Nachweis der Anwesenheit von Mikroorganismen in Lebensmitteln bzw. Nahrungsmitteln, besonders in Milch und deren Derivaten, in kommerziellen Behältern, ohne dass diese geöffnet oder das Produkt oder der Behälter verändert werden müssen, dadurch gekennzeichnet, dass es mittels des Nachweises unter trockenen Bedingungen von Veränderungen bei der Ausbreitung von elastischen Wellen durch die Produkte durchgeführt wird und dass es in einem System zum Aussenden elastischer Wellen, einem System zum Empfangen elastischer Wellen besteht, wobei beide über eine Adaptierungsschicht für trockene Kopplung, die aus elastischem Material besteht, und eine Feuchtigkeits- und Temperaturkontrolle bzw. -regelung für trockene thermostatische Regelung in der Umgebung, in der die Messungen durchgeführt werden, verfügen.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es bei Produkten enthalten in Behältern angewendet werden kann, welche bei vorhandener Feuchtigkeit oder Eintauchen in eine Flüssigkeit eine Veränderung ihrer Eigenschaften erfahren, wodurch die Merkmale der Ausbreitung der elastischen Wellen modifiziert werden.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es auf Behälter angewendet werden kann, die mit Papier oder Pappe beschichtet sind, so wie zum Beispiel CombiblocTR, TetrabrickTR oder Pure PackTR.
  4. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Umwandler des Empfängersystems derselbe Umwandler des Sendersystems ist, der das Signal empfängt, nachdem es das Medium durchquert hat und auf der gegenüberliegenden Seite des Behälters reflektiert wurde.
  5. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass es fähig ist, die Art des Mikroorganismus zu unterscheiden, der für die Kontaminierung des Produkts verantwortlich ist, gemäß den relativen Abweichungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit, der Dämpfung oder der Verzerrung der Welle.
  6. Ultraschallvorrichtung zum Nachweis der Anwesenheit von Mikroorganismen in Lebensmitteln, besonders in Milch und deren Derivaten, innerhalb kommerziellen Behältern, ohne dass diese geöffnet oder das Produkt oder der Behälter verändert werden müssen, gemäß dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einer Messkammer, Temperatur- und Feuchtigkeitskontroll- bzw. -regelsystemen, trockener thermostatischer Regelung, einem System zum Senden elastischer Wellen, einem System zum Empfangen elastischer Wellen besteht, wobei beide über eine Adaptierungsschicht für trockene Kopplung, die aus elastischem Material besteht, elektronische Systeme zum Erzeugen und Empfangen für die Vorrichtungen für elastische Wellen und Computersysteme zur Kontrolle bzw. Regelung des mikrobiologischen Nachweisverfahrens verfügen.
  7. Ultraschallvorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer mit passiven hygroskopischen und wärmeisolierenden Elementen versehen ist, sowie mit individuellen Gehäusen für jeden zu bewertenden Behälter.
  8. Ultraschallvorrichtung gemäß den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchtigkeitskontroll- bzw. -regelanlage innerhalb der Kammer über wenigstens einen Feuchtigkeitsmesssensor und wenigstens einen Auslöser, der das Regulieren der Feuchtigkeit mit einer Präzision bis zu einem Punkt relativer Feuchtigkeit ermöglicht, die elektronische Ausrüstung, die diesen Systemen zugehören, und die Kommunikationen mit dem Computer zum Steuern bzw. Regeln verfügt.
  9. Ultraschallvorrichtung gemäß den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturkontroll- bzw. -regelvorrichtung innerhalb der Kammer über Messsensoren für die allgemeine Temperatur der Kammer und die individuelle Temperatur jedes Behälters, Auslöser zum Regulieren der allgemeinen Temperatur der Kammer und der individuellen Temperatur jedes Behälters mit einer Präzision von 0,01 °C ermöglicht, die elektronische Ausrüstung, die diesen Systemen zugehören, und die Kommunikationen mit dem Computer zum Steuern bzw. Regeln verfügt.
  10. Ultraschallvorrichtung gemäß den Ansprüchen 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das System zum Senden und Empfangen von Ultraschall über mindestens einen einfachen oder mehrfachen Sendeumwandler und einen weiteren Empfangsumwandler in Sende-Empfang-Anordnung für jedes Gehäuse verfügt in einem Bereich zwischen 100 kHz und 2 MHz, wobei es über eine Schicht aus elastischem Polymer, um eine gute mechanische Anpassung an den Behälter zu erhalten, elektronische Ausrüstung zum Einspeisen und Empfangen des Signals des besagten Umwandlers und die Kommunikationen mit dem Computer zum Steuern bzw. Regeln verfügt.
  11. Ultraschallvorrichtung gemäß den Ansprüchen 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das System zum Senden und Empfangen von Ultraschall über wenigstens einen einfachen oder mehrfachen Sende- und Empfangsumwandler in Puls-Echo-Anordnung für jeden Behälter verfügt in einem Bereich zwischen 100 kHz und 2 MHz, wobei es über eine Schicht aus elastischem Polymer, um eine gute mechanische Anpassung an den Behälter zu erhalten, elektronische Ausrüstung zum Einspeisen und Empfangen des Signals des Umwandlers und die Kommunikationen mit dem Computer zum Steuern bzw. Regeln verfügt.
  12. Ultraschallvorrichtung gemäß den Ansprüchen 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Computersystem über wenigstens einen Computer verfügt, der in der Lage ist, mit der Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 8, 9, 10 und 11 zu kommunizieren, und eine Steuer- bzw. Regelsoftware, die in der Lage ist, das Messverfahren zu steuern und die erhaltene Information zu analysieren, um die Anwesenheit oder Abwesenheit von Mikroorganismen in den gemessenen Behältern festzustellen.
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