DE69810180T2

DE69810180T2 - Verfahren zur Feststellung von Zusammensetzung und Qualität von Fleischsubstanzen

Info

Publication number: DE69810180T2
Application number: DE69810180T
Authority: DE
Inventors: Jordi Elvira Canas; Ramon Pallas; Pere Riu Costa; Javier Rosell Ferrer
Original assignee: NTE SA
Current assignee: NTE Sener SA
Priority date: 1997-03-06
Filing date: 1998-03-04
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2018-03-05
Also published as: DE69810180D1; EP0869360A3; ATE230111T1; EP0869360B1; ES2142219A1; EP0869360A2; ES2142219B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, das auf die Bestimmung der Zusammensetzung und der Qualität von fleischartigen Substanzen abzielt.
In der Fleischindustrie ist es erforderlich, objektive Instrumente zu nutzen, um die Qualität des Rohstoffs und des resultierenden Endprodukts zu bestimmen. Ferner muss dieses Instrument zuverlässig und seine Anwendung muss im Fließband durchführbar sein. Ebenso muss dieses Instrument dafür sorgen, dass sich wegen der Messung nicht die Qualität der fleischartigen Substanz verändert.
In der Fleischindustrie wurden verschiedene Systeme genutzt, um diese objektive Klassifizierung zu erhalten. In zahlreichen Fällen ist die Industrie von einer Reihe von Experten abhängig, die in letzter Instanz die Qualität des Fleisches bestimmen, ihr Urteil ist jedoch vollkommen subjektiv. Messungen des pH-Werts 45 Minuten nach der Schlachtung des Tiers werden derzeit angewandt, um bestimmte Parameter der Qualität von fleischartigen Substanzen zu bestimmen, die ihre Klassifikation gestatten. Nichtsdestotrotz muss diese Messung in den Betrieben des Lieferanten der Fleischindustrie (Schlachthöfe) vorgenommen werden, was folglich die Verfolgung des Rohstoffs, der in dem Industriebetrieb eintrifft, erschwert. Sonstige Messungen der Qualität von Fleischstücken wurden in gleicher Weise durchgeführt, keine Methode war jedoch in der Lage, eine Reihe von Parametern zu liefern, die eine Vorstellung von der generellen Qualität eines Fleischstücks geben.
Aus dem Dokument Es 9300378 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Qualität von fleischartigen Substanzen bekannt, das den Quotienten der Impedanzmodule jeweils bei hoher Frequenz und bei niedriger Frequenz nutzt, wodurch die Bestimmung der Qualität des Fleisches von den äußeren Faktoren wie beispielsweise der Impedanz des Kontakts der Elektroden mit dem Fleisch unabhängig wird.
Durch dieses Verfahren erhält man jedoch ein Resultat, dessen Exaktheit ziemlich begrenzt ist, da es für die endgültige Beurteilung des Fleisches nur einen Parameter nutzt, der ausgehend von zwei gemessenen Werten bestimmt wird.
Das Dokument DD-A-252 443 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung und der Qualität von Fleischsubstanzen, das auf der Messung eines Charakteristikums basiert, das von der Kapazität der biologischen Membranen bei zwei verschiedenen Frequenzen abhängt.
Das Dokument GB-A-2 288 022 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung des Zustands eine Fleischstücks, welches Verfahren auf der Messung während eines Zeitabschnitts (oder einer Skala von Frequenzen) der transienten Werte der elektrischen Spannung (oder des Stroms) basiert, die durch das Anlegen einer elektrischen Schwingung erzeugt werden.
Das Dokument US-A-3,966,973 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Wassermenge von Fleischsubstanzen, welches Verfahren die Messung des Werts der elektrischen Impedanz nach Anlegen eines elektrischen Stroms einer vorbestimmten Frequenz umfasst.
Das Dokument GB-A-2 272 526 beschreibt ein Thermographieverfahren, das auf der Messung der elektrischen Impedanz bei mehreren verschiedenen Frequenzen basiert.
Demzufolge hat die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Verfahren bereitzustellen, das auf zuverlässigere Weise die Zusammensetzung und insbesondere die Verhältnisse zwischen dem Volumen des intrazellulären Wassers und dem Volumen des extrazellulären Wassers sowie das Verhältnis zwischen der fetthaltigen Masse und der fettfreien Masse eines Fleischstücks bestimmt, an dem die Untersuchung durchgeführt wird.
Diese Aufgabe ist gelöst dank des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, das gestattet, die Qualität und Zusammensetzung der fleischartigen Substanz dank einer Reihe von Messungen der elektrischen Impedanz bei mehreren Frequenzen, wenigstens bei vier Frequenzen, in einem Bereich zwischen 1 kHz und 1 MHz zu messen. Mit den erhaltenen Werten berechnet man zunächst einen Parameter K, der durch den Quotienten zwischen dem Impedanzmodul Z(BF) bei einer niedrigen Frequenz, die zwischen 1 kHz und 50 kHz beträgt, und dem Impedanzmodul Z(AF) bei einer Frequenz, die zwischen 100 kHz und 10 MHz beträgt, gegeben ist, der der Abschätzung des Verhältnisses zwischen dem Volumen des gesamten Wassers und des extrazellulären Wassers dient. Dieser Wert ist von den Umgebungsbedingungen der Messung unabhängig. Danach werden die gemessenen Werte mit der Methode der kleinsten Quadrate mit der Funktion angepasst, die die Abhängigkeit der elektrischen Impedanz (Z) bezogen auf die Frequenz (f) ausdrückt
wobei die Anpassungsparameter R∞, R&sub0;, fc und α bestimmt werden, die den Widerstand bei unendlicher Frequenz, den Widerstand bei Frequenz Null, die Frequenz, bei der das Maximum von Im(Z) gegeben ist bzw. die Verteilung der Größe der Zellen des biologischen Systems darstellen. Ausgehend von diesen Anpassungsparametern berechnet man die die folgenden Werte:
a) das Verhältnis zwischen den Volumina des intrazellulären Wassers und des extrazellulären Wassers, das gegeben ist durch:
b) den Gehalt an fettfreier Masse mm durch die Gleichung
wobei N und M die linearen Koeffizienten einer vorläufigen Eichung für Fleisch sind, das vergleichbare Charakteristika aufweist und wobei L ein für die geometrischen Bedingungen der Messung gegebener effektiver Geometriefaktor ist. Die fetthaltige Masse des untersuchten Stücks wird erhalten, indem von der fettfreien Masse das Gewicht des untersuchten Stücks oder der untersuchten Probe subtrahiert wird.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung mithilfe von Zeichnungen eingehend beschrieben, in denen:
- Fig. 1 ein Spektrum des elektrischen Impedanzmoduls als Funktion der Frequenz f zeigt;
- Fig. 2 ein Schaltbild zeigt, das der elektrischen Konstellation an einem Körper entspricht;
- Fig. 3 zwei Spektren der komplexen Impedanz zweier verschiedener fleischartiger Stücke als Funktion der Frequenz zeigt:
Das Verfahren, das Gegenstand der Erfindung ist, basiert auf einem physikalischen Phänomen, das die Relaxation im Signal einer elektrischen Impedanz genannt wird. Diese Relaxation besteht in einem Abfallen des Werts der elektrischen Impedanz mit der Frequenz des elektrischen Signals, die man nutzt, um die Impedanz in einer beliebigen Umgebung zu messen. Die elektrische Impedanz einer Umgebung gliedert sich auf in einen Realteil und in einen Imaginärteil. Der Realteil ist gemeinhin als elektrischer Widerstand bekannt und der Imaginärteil entspricht im Fall biologischer Gewebe der elektrischen Kapazität der besagten Umgebung. Das Phänomen der Relaxation hat seine Erklärung in der Absorption elektromagnetischer Energie. Allgemein wird ein einfaches elektrisches Modell akzeptiert, wo der kapazitive Charakter der Zellmembran diese Energieabsorption erzeugt (Fig. 2). Der Widerstand der extrazellulären Umgebung ist im Modell dargestellt durch einen Widerstand Re und der Widerstand der intrazellulären Umgebung ist im Modell dargestellt durch einen Widerstand Ri. Die Kapazität der Zellmembran ist im Modell dargestellt durch einen Kondensator C. Indem die elektrische Impedanz an einem Stromkreis wie derjenige, der in Fig. 2 dargestellt ist, gemessen wird, erhält man ein Diagramm wie dasjenige, das in Fig. 1 abgebildet ist. Wenn das Signal, das man einleitet, eine hohe Frequenz hat, erhält man eine elektrische Impedanz, die gleich derjenigen der beiden parallelen Widerständen des Stromkreises ist und wenn sie eine niedrige Frequenz hat, ist sie gleich dem extrazellulären Widerstand.
Die Frequenz, bei der sich das Absinken in der Impedanz zeigt, hängt vom Typ einer mittleren Zelle des gemessenen biologischen Systems ab. Die tierischen Zellen haben eine geringere Relaxationsfrequenz als diejenigen der Bakterien. Demzufolge gestattet die Messung der elektrischen Impedanz bei mehreren Frequenzen durch das Gerät der vorliegenden Erfindung die Bestimmung des Typs einer im biologischen System existierenden mittleren Zelle.
In Fig. 3 ist eine Darstellungsweise der Impedanz eines biologischen Systems gezeigt, d. h. der Imaginärteil der Impedanz als Funktion des Realteils. In dieser Figur beobachtet man, dass die Impedanz eines biologischen Systems einen abgeflachten Halbkreisumfang andeutet. Man kann die Grenzfrequenz als den Punkt ansehen, wo der Imaginärteil der Impedanz den höchsten Wert aufweist. Die Abflachung des Halbkreisumfangs ist an einen Parameter gebunden, der α genannt wird. Es gibt zwei weitere Parameter R&sub0; und R∞, die den Wert des Realteils der Impedanz im Gleichstrom und bei sehr hoher Frequenz (über 1 MHz) darstellen. Das heißt, wir verfügen über vier Parameter, die uns das gemessene biologische System beschreiben: Widerstand bei Gleichstrom, Widerstand bei sehr hoher Frequenz, Grenzfrequenz und Abflachungsindex des Halbkreisumfangs.
Folglich ist das in dieser Erfindung dargestellte Verfahren folgendes:
1. Messung der elektrischen Impedanz mit einer Wobbelung der Frequenz, die zwischen 1 kHz und 10 MHz beträgt, um das Diagramm in Fig. 1 zu erhalten. Vier Messpunkte in dem genannten Bereich entsprechen der Mindestanzahl von Messungen, die gefordert ist, um die Kurven in Fig. 1 und 3 wiederzugeben. Die Messung erfolgt, indem man einen elektrischen Strom bei einer Frequenz einleitet, die durch zwei Elektroden bestimmt wird, die an dem Fleischstück angeschlossen sind, und indem man das Absinken der Spannung des Stroms misst, die mittels zweier weiterer Elektroden angelegt ist. Dies ist die Basis der Impedanzmessung mit 4. Drähten, die gegenüber den Geometrieänderungen sehr unempfindlich ist. Diese Impedanzmessung erfolgt mit Strömen bei mehreren Frequenzen bis man das Minimum von 4 Frequenzpunkten in dem Bereich zwischen 1 kHz und 10 MHz erhält.
2. Die Messungen der elektrischen Impedanz, die aus der Wobbelung der Frequenz resultieren (mindestens vier Messungen zwischen 1 kHz und 10 MHz), werden mittels einer Kurve angepasst
durch Anpassung der kleinsten Quadrate. Diese Gleichung drückt die Abhängigkeit der elektrischen Impedanz (Z) als Funktion der Frequenz (f) aus. Die Parameter R&sub0; und R∞ sind die Widerstände, die die Umgebung bei Gleichstrom und bzw. bei sehr hoher Frequenz aufweist, fc ist die Frequenz, bei welcher das Maximum des Imaginärteils eintritt und die vom Typ einer mittleren Zelle des biologischen Systems abhängt; und α ist ein Parameter, der an die Größenverteilung der Zellen des gemessenen biologischen Systems gebunden ist. Der Ausdruck dieses Punktes 2 reproduziert die Kurve von Fig. 3, die man erhalten würde, wenn man eine große Anzahl von Punkten messen würde.
3. Ausgehend von den zwei ersten gefundenen Parametern (R&sub0; und R∞) erhalten wir einen Index, E genannt, der das Verhältnis zwischen intrazellulärem Wasser und extrazellulären Wasser wiedergibt:
Die gemessene Impedanz kann im Modell dargestellt werden wie der Stromkreis, der in Fig. 2 abgebildet ist und vorstehend beschrieben ist. Die Verhältnisse zwischen den Parametern des Stromkreises (Re und Ri) zu denjenigen des mathematischen Modells sind wie folgt:
Re = R&sub0;
wo R&sub0; und R∞ ausgehend von der Abstimmung der Gleichung erhalten werden, wo man die Variation der Impedanz mit der dort zuvor dargelegten Frequenz im Modell darstellt.
4. Ein Verhältnis, das man zu Beginn auch nutzen kann, um einen Index zu erzeugen, der E ähnlich ist und der uns eine Vorstellung von dem Verhältnis zwischen den Volumina des gesamten Wassers und des extrazellulären Wassers gibt. Man erhält das Verhältnis durch den Quotienten des Impedanzwerts bei niedriger Frequenz (zwischen 1 kHz und 50 kHz) und bei hoher Frequenz (über 10 kHz bis 10 MHz):
wo Z(AF) und Z(BF) die Werte des Moduls der elektrischen Impedanz bei hoher Frequenz bzw. bei niedriger Frequenz sind.
Die Temperatur der Umgebung beeinflusst den Wert der elektrischen Impedanz auf lineare und kalibrierte Weise. Demzufolge ist es wichtig, die Impedanzmessung mit der Temperatur des untersuchten biologischen Systems zu korrigieren. Da es sich um ein lineares und kalibriertes Verhältnis handelt, kann man die Impedanz leicht korrigieren, indem man die linearen Koeffizienten für das untersuchte biologische System findet.
Zusammenfassend erhält man eine Reihe von Parametern, die man verwenden kann, um die Qualität des Fleisches zu bestimmen.
1. Verhältnisse E und K, die eine Vorstellung von dem Verhältnis zwischen den Volumina des extrazellulären Wassers und des intrazellulären Wassers geben.
2. Grenzfrequenz und
3. Abflachung α der Kurve, die in Fig. 3 dargestellt ist.
Dies alles muss berechnet werden unter Berücksichtigung der Temperatur der untersuchten Fleischsubstanz.
Ein weiterer wichtiger Parameter, den man mit diesem Verfahren erhalten kann, ist die Menge an fettfreiem Gewebe einer Probe. Die Menge an fettfreiem Gewebe wird ausgehend von der folgenden Gleichung erhalten:
wobei N und M lineare Koeffizienten einer vorläufigen Eichung für Fleisch sind, das vergleichbare Charakteristika aufweist und wobei L ein durch die geometrischen Messbedingungen gegebener effektiver Geometriefaktor ist, indem die Menge an fetthaltiger Masse des untersuchten Stücks durch Subtraktion der Menge an fettfreier Masse von dem Gewicht des untersuchten Stücks oder der untersuchten Probe erhalten wird.
Alle diese Parameter werden genutzt, um die Zusammensetzung von Substanzen mit fleischartigem Ursprung und folglich ihre Qualität zu bestimmen. Jegliches biologische Fleischsystem kann mit dem Verfahren analysiert werden, das Gegenstand der Erfindung ist. Dies bedeutet, dass dank dieses Verfahrens Lebewesen bis hin zu Fleischstücken analysiert werden können.
Die Messung der elektrischen Impedanz bei mehreren Frequenzen kann bereichsweise erfolgen. Das heißt, dass man lokale Untersuchungen an einem Stück Fleisch mit verschiedenen Muskeln durchführen kann. Die Qualitätsparameter können pro analysierte Zone des Fleischstückes angegeben werden. Folglich kann die Verteilung von Flüssigkeiten und von interessierenden Verbindungen, wie Salz und fettfreie Masse, angegeben werden, um eine Karte der Zusammensetzung des Fleischstückes zu erhalten. Vorzugsweise geht man vor wie in Anspruch 2 beschrieben.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung und der Qualität von fleischartigen Substanzen durch Messen der elektrischen Impedanz bei wenigstens vier Frequenzen im Bereich zwischen 1 kHz und 1 MHz, bei dem eine erste Abschätzung des Verhältnisses zwischen dem Volumen des gesamten Wassers und des extrazellulären Wassers durchgeführt wird mit Hilfe des Quotienten K des Impedanzmoduls bei tiefer Frequenz Z(BF), die zwischen 1 kHz und 50 kHz beträgt, und dem Impedanzmodul bei hoher Frequenz Z(AF), die zwischen 100 kHz und 10 MHz beträgt, wobei dieser Wert unabhängig von den Umgebungsbedingungen der Messung ist, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass bei einem ersten Verfahrensschritt mit der Methode der kleinsten Quadrate mittels des folgenden Ausdrucks der elektrischen Impedanz (Z) als Funktion der Frequenz (f) des elektrischen Signals eine Anpassung der Experimentierpunkte vorgenommen wird:

wobei auf diese Weise die Werte R∞, R&sub0;, fc und α bestimmt werden, die den Widerstand bei unendlicher Frequenz, den Widerstand bei Frequenz Null, die Frequenz, bei der das Maximum von Im(Z) gegeben ist, bzw. die Verteilung der Zellen des biologischen Systems darstellen, mit denen ein Wert E berechnet wird, der mit dem Verhältnis zwischen den Volumina des intrazellulären Wassers und des extrazellulären Wassers zusammenhängt und der gegeben ist durch:

und durch einen zweiten Verfahrensschritt, in dem der Gehalt an fettfreier Masse der fleischartigen Substanz, die untersucht werden soll, bestimmt wird durch einen Impedanzwert, der bei einer Frequenz oberhalb von 100 kHz unter Verwendung der Gleichung:

erhalten wird, wobei N und M lineare Koeffizienten einer vorläufigen Eichung für Fleisch, das vergleichbare Charakteristika aufweist, sind und wobei L ein für die geometrischen Bedingungen der Messung gegebener effektiver Geometriefaktor ist, wobei die Summe der fetthaltigen Masse des untersuchten Stücks durch Subtraktion der Summe der fettfreien Masse von dem Gewicht des untersuchten Stücks oder der untersuchten Probe erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass die zu untersuchenden Bereiche so gewählt werden, dass eine Karte mit qualitativen Charakteristika nach Bereichen der untersuchten fleischartigen Substanz erhalten wird.