WO2003048761A1 - Procede et dispositif de mesure de la tendrete de la viande animale ou de la fraicheur du poisson - Google Patents

Procede et dispositif de mesure de la tendrete de la viande animale ou de la fraicheur du poisson

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WO2003048761A1
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meat
spectrum
spectrometer
fluorophores
tenderness
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Jean-Pierre Frencia
Eric Dufour
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Interbev - Association Nationale Interprofessionnelle Du Betail Et Des Viandes
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Definitions

  • the invention relates to the technical sector of the animal meat or fish industry.
  • a particularly important criterion for the consumer is the organo-leptic aspect and more particularly the tenderness of the meat or the freshness of the fish which remains an essential purchasing factor and loyalty of the customer base.
  • the tenderness of the meat depends on two components:
  • the first represents the basic hardness of the meat and does not vary with maturation because it has no effect on the quantity or degree of crosslinking of the collagen.
  • the second is the myofibrillary component, that is to say that the tenderness depends on the state of contraction of the muscle fibers when the meat “quails” after slaughter, as well as the duration of maturation.
  • a first line of research concerns mechanical techniques with texturometric measurements. This consists of taking a sample of meat, after slaughter, of a few centimeters, and of subjecting this sample to mechanical stresses of compression and / or shearing. The measurement of the compressive or shear force suggests an index of tenderness of the meat.
  • the WARNER-BRATZEL method consists of cutting the sample using a guillotine and measuring the force necessary to cut the piece of meat.
  • an apparatus called an “ARMOR tendrometer” consisting of a series of needles which are inserted into the meat muscles and the force of penetration is measured. This technique is also limited to laboratory use.
  • the applicant's approach was therefore to seek the development of a process capable of allowing, under conditions of industrial use, the measurement of the tenderness of animal meat or the freshness of fish, by examining their flesh, in a non-invasive manner (without requiring the taking of a sample) and rapid interpretation of the measurement results.
  • the method is remarkable in that it implements a measurement of the tenderness of the animal meat or of the freshness of the fish by fluorescence spectroscopy, said measurement being established from a non-invasively from an ultra violet light source projected onto a specific area of meat, to measure the fluorescence spectrum emitted by fluorophores from said area examined, said spectrum being sent into a spectrometer connected to a computer including a system of acquisition and processing of data, capable of processing said spectrum in order to deduce therefrom, by suitable mathematical processing, parameters representative of tenderness or freshness.
  • the data acquisition and processing systems allow the use of adapted mathematical methods in order to extract the relevant information from the fluorescence spectra, and in what these mathematical methods consist in particular in the use of multidimensional statistical analysis methods such as Principal Component Analysis (PCA), Discriminating Factor Analysis (AFD) and Canonical Correlation Analysis, which allow to discriminate samples based on the tenderness of the meat or the freshness of the fish.
  • PCA Principal Component Analysis
  • AFD Discriminating Factor Analysis
  • Canonical Correlation Analysis which allow to discriminate samples based on the tenderness of the meat or the freshness of the fish.
  • the light energy for excitation of fluorophores is established over a wavelength between 250 and 290 nm corresponding to the excitation wavelength of different flurophores and in particular tryptophans of proteins, acids Aromatic Amines and Nucleic Acids.
  • the excitation light energy is transmitted by a co-axial optical fiber allowing, on the one hand, the excitation of the fluorophores and, on the other hand, the reflection of the fluorescence spectrum.
  • the device is remarkable in that it comprises, in the form of a modular and portable device, a light source including an interference filter connected to, at least, a co-axial optical fiber ensuring the transmission of light energy on a specific area of meat, causing the formation of a retransmitted fluorescence spectrum intended for a spectrometer, the latter being in direct connection with a data acquisition and processing system capable of processing the spectrum for deduce the parameters representative of the tenderness of the meat or the freshness of the fish.
  • the optical fiber is co-axial, part of which ensures the transmission of the excitation wavelength to the sample and the other of which collects the fluorescence spectrum towards the spectrometer.
  • FIG. 1 is a view of the device according to the invention, shown in diagrammatic form, the device being included in a transportable modular device,
  • FIG. 2 is a view of the spectrometer involved in the above-mentioned device
  • FIG. 3 is an example of a measurement curve established from the measurements carried out with, on the abscissa, the wavelength nm and, on the ordinate, the fluorescence intensity,
  • FIG. 4 is a view representing the different phases of analysis of canonical correlations, according to a regression graph between a group of variables X on the abscissa, and a group of variable Y on the ordinate.
  • the fluorescence spectroscopy measuring device includes, in a portable modular device, a first means (1) allowing the emission of a light source and including an interference filter (2).
  • This first means sends an excitation wavelength in an optical fiber (3) coaxial towards a zone (4) specific uncut and non-invasive meat.
  • the action of the optical fiber on the fluorophores located in the aforementioned zone allows the emission of a fluorescence spectrum which is itself returned via the co-axial optical fiber in a spectrometer (5).
  • the latter internally comprises a plurality of mirrors (5a - 5b - 5c) allowing a signal output to a computer (6) including data acquisition and processing software, and including in particular a canonical correlation analysis method.
  • the wavelength of the optical fiber is established in a value of 250 to 290 nm, that is to say corresponding to the excitation of different fluorophores to obtain a spectrum effect by fluorescence.
  • this excitation wavelength adopted corresponds to the excitation wavelengths of tryptophanes, nucleic acids and aromatic amino acids. These wavelengths have several advantages:
  • the fluorescence spectrum obtained discriminates the muscles according to their basic hardness and the duration of maturation.
  • the protein emission spectrum presents a maximum for a wavelength of 315 to 320 nm which also corresponds to the excitation wavelengths of collagen.
  • the fluorescence of the myofibrillary proteins causes an indirect excitation of the fluorescence of the collagen making it possible to have the two pieces of information simultaneously.
  • Optical fiber is applied to the specific area of meat.
  • the fluorescence spectroscopy measurements are preferably carried out in three tests, in three different places on the muscle.
  • Each measurement carried out causes the emission of a graph by the frontal fluorescence spectrum (FIG. 4) and thus allowing a general comparison by superimposition of the graphs during successive measurements.
  • the different data processing acquisition software then makes it possible to evaluate the results.
  • multidimensional statistical analysis methods such as Principal Component Analysis, Discriminant Factor Analysis and Canonical Correlation Analysis are used.
  • the device according to the invention is implemented in the context of a portable unit and it therefore allows an operator to carry out measurements in situ in a non-invasive situation. Measurements are excessively fast, one to two seconds each, with immediate processing by the computer.
  • the device according to the invention therefore meets the industrial requirements for use.
  • the method and the device, thus described according to the invention were subject to validation tests compared to the previous methods used with a texturometer and using optical fiber in the laboratory. The results of the invention have made it possible to validate the reliability of the new process and of the device relating thereto.
  • the light energy is transmitted by two optical fibers allowing the acquisition of the fluorescence spectrum, its routing to the spectometer and its measurement.

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Abstract

Le procédé est remarquable en ce qu'il met en oeuvre une mesure par spectroscopie de fluorescence frontale, ladite mesure étant établie d'une manière non invasive à partir d'une source lumineuse projetée sur une zone spécifique de viande, à mesurer le spectre de fluorescence émis par des fluorophores de ladite zone examinée, ledit spectre étant adressé dans un spectromètre (5) relié à un ordinateur (6) incluant un système d'acquisition et de traitement mathématique des données, apte à traiter ledit spectre pour en déduire des paramètres représentatifs de la tendreté de la viande ou de la fraîcheur du poisson, et en ce que l'énergie lumineuse d'excitation des établie sur une longueur d'onde de 250 à 290 nm la longueur d'onde d'excitation des fluorophores et protéines, des Acides Aminés fluorophores est correspondant à notamment des tryptophanes des Aromatiques et des Acides Nucléiques.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DE LA TENDRETE DE LA VIANDE ANIMALE OU DE LA FRAICHEUR DU POISSON
L'invention se rattache au secteur technique de l'industrie de la viande animale ou du poisson.
La qualité et la sécurité alimentaire sont des critères de plus en plus importants pour le consommateur, face aux différentes crises qui se sont propagées à travers le monde ces dernières années avec notamment Fencéphalopathie spongiforme bovine. La notion de qualité fait référence à plusieurs aspects qui peuvent être nutritionnels, sanitaires, technologiques, ou organo-leptiques. Ainsi, selon qu'il s'agit de rabatteur, du découpeur ou du distributeur, ou du consommateur, la qualité perçue de la viande ou du poisson ne sera pas la même pour tous.
Ainsi, dans le cadre de la sécurité alimentaire, un critère particulièrement important pour le consommateur est l'aspect organo-leptique et plus particulièrement la tendreté de la viande ou la fraîcheur du poisson qui reste un facteur d'achat essentiel et de fidélisation de la clientèle.
Cette propriété présente un caractère critique dans le cas des viandes de bovins pour lesquels la différence de prix entre les muscles dépend, à peu près, exclusivement de leur aptitude à donner une viande tendre après cuisson rapide.
Le problème majeur actuel des industries de la viande est qu'elles ne disposent d'aucune méthode fiable et rapide pour garantir la tendreté de la viande au moment de sa commercialisation. Le facteur « tendreté » fait l'objet pourtant de nombreuses études et recherches en laboratoire qui ne sont pas passées, à la connaissance du demandeur, à une phase d'utilisation industrielle directement par les entreprises concernées.
La tendreté de la viande dépend de deux composantes :
- la composante collagénique, - la composante myofibrillaire.
La première représente la dureté de base de la viande et ne varie pas avec la maturation car celle-ci n'a aucun effet sur la quantité ou le degré de réticulation du collagène.
La seconde est la composante myofibrillaire, c'est-à-dire que la tendreté dépend de l'état de contraction des fibres musculaires au moment où la viande « caille » après abattage, ainsi que de la durée de maturation.
Différentes études et techniques ont ainsi été développées.
Un premier axe de recherche relève de techniques mécaniques avec les mesures texturométriques. Cela consiste à prélever un échantillon de viande, après abattage, de quelques centimètres, et de soumettre cet échantillon à des contraintes mécaniques de compression et/ou de cisaillement. La mesure de la force de compression ou cisaillement suggère un indice de tendreté de la viande. La méthode WARNER-BRATZEL consiste à couper l'échantillon à l'aide d'une guillotine et à mesurer la force nécessaire à la découpe du morceau de viande.
On utilise, selon une autre méthode, un appareil dénommé « tendromètre ARMOR » consistant en une série d'aiguilles que l'on enfonce dans les muscles de viande et on mesure la force de pénétration. Cette technique est également limitée à un usage en laboratoire.
Ces différentes méthodes sont utilisées en laboratoire et non applicables industriellement car elles sont lourdes à mettre en oeuvre et nécessitent des appareillages de laboratoire.
D'autres axes de recherche ont été développés à travers des méthodes biochimiques. On mesure notamment la quantité de collagène. Cette technique est à usage essentiellement en laboratoire et est très longue à mettre en œuvre.
On a développé également, selon l'art antérieur, des mesures par impédance métrie. Dans ce procédé, on mesure l'impédance d'un morceau de viande et, à partir des mesures, on en déduit les caractéristiques de tendreté.
Cependant, cette mesure reste très aléatoire car la viande est anisotropie. Cette technique n'est donc pas utilisable à grande échelle.
On a développé d'autres techniques de mesure de la tendreté, et en particulier par ultra-sons. On mesure ainsi la vitesse des ultra-sons en pénétration dans le morceau de viande, ou de l'écho en résultant. Mais cette méthode est sensible à la teneur en Matières Grasses des viandes qui peut varier du simple au triple. Un autre axe de recherche a été d'utiliser la spectroscopie par infrarouge. Le problème dans ce cas réside aussi en ce que les rayons infrarouge sont sensibles à la matière grasse et les mesures varient d'une manière importante car, comme indiqué précédemment, la matière grasse peut varier dans des proportions de deux à six pour cent, par exemple dans le faux filet de viande.
Très récemment, des recherches ont été menées par la technique de spectroscopie de fluorescence. Cela consiste à envoyer un rayon ultra- violet dans une longueur d'onde déterminée qui provoque l'excitation de différents fluorophores qui deviennent fluorescents. On mesure alors la lumière émise en fonction de la longueur d'onde de fluorescence. Les informations obtenues associées à un traitement mathématique adapté permettent de mesurer la tendreté de la viande. Cette technique est essentiellement développée en laboratoire à partir de morceaux d'échantillon prélevés.
Un problème similaire se pose également dans l'industrie de la pêche avec la mesure de la fraîcheur du poisson. Dans ce domaine, le phénomène est accentué encore par la plus grande rapidité des pertes de qualité de fraîcheur de ces derniers.
L'ensemble des méthodes ainsi décrites à titre de rappel ne sont pas directement utilisables en sites industriels où les mesures sont excessivement nombreuses dans un laps de temps court puisqu'il est nécessaire de procéder à des tests sur chaque viande animale abattue ou pêchée en un ou plusieurs endroits. La méthode la plus fiable actuellement reste la méthode sensorielle qui consiste à choisir des individus formés à tester les produits et les évaluer. Cette méthode reste néanmoins ponctuelle, très coûteuse, de part les charges résultant des individus testeurs. Elle est également lente car il n'est pas envisageable de tester des grandes quantités de produits en temps limité.
La démarche du demandeur a donc été de rechercher la mise au point d'un procédé apte à permettre, dans des conditions d'utilisation industrielle, la mesure de la tendreté de la viande animale ou de la fraîcheur du poisson, par un examen de leur chair, d'une manière non invasive (sans nécessiter le prélèvement d'échantillon) et d'une interprétation rapide des résultats de mesure.
Ainsi, selon une première caractéristique de l'invention, le procédé est remarquable en ce qu'il met en œuvre une mesure de la tendreté de la viande animale ou de la fraîcheur du poisson par spectroscopie de fluorescence, ladite mesure étant établie d'une manière non invasive à partir d'une source lumineuse ultra violet projetée sur une zone spécifique de viande, à mesurer le spectre de fluorescence émis par des fluorophores de ladite zone examinée, ledit spectre étant envoyé dans un spectromètre relié à un ordinateur incluant un système d'acquisition et de traitement de données, apte à traiter ledit spectre pour en déduire, par un traitement mathématique adapté, des paramètres représentatifs de la tendreté ou de la fraîcheur.
Selon une autre caractéristique, les systèmes d'acquisition et de traitement des données permettent l'utilisation de méthodes mathématiques adaptées afin d'extraire l'information pertinente des spectres de fluorescence, et en ce que ces méthodes mathématiques consistent notamment en l'utilisation de méthodes d'analyse statistique multidimensionnelle telles que l'Analyse en Composantes Principales (ACP), l'Analyse Factorielle Discriminante (AFD) et l'Analyse des Corrélations Canoniques, qui permettent de discriminer les échantillons en fonction de la tendreté de la viande ou de la fraîcheur du poisson. Ces méthodes, grâce à une base de données initiale, permettent de classer les échantillons en fonction de leur tendreté ou de leur fraîcheur.
Selon une autre caractéristique, l'énergie lumineuse d'excitation des fluorophores est établie sur une longueur d'onde comprise entre 250 et 290 nm correspondant à la longueur d'onde d'excitation de différents flurophores et notamment des tryptophanes des protéines, des Acides Aminés Aromatiques et des Acides Nucléiques.
Selon une autre caractéristique, l'énergie lumineuse d'excitation est transmise par une fibre optique co-axiale permettant, d'une part, l'excitation des fluorophores et, d'autre part, la réflexion du spectre de fluorescence.
Selon une autre caractéristique, le dispositif est remarquable en ce qu'il comprend, sous forme d'un appareil modulaire et portable, une source lumineuse incluant un filtre interférentiel relié à, au moins, une fibre optique co-axiale assurant la transmission d'une énergie lumineuse sur une zone spécifique de viande, engendrant la formation d'un spectre de fluorescence retransmis à destination d'un spectromètre, ce dernier étant en liaison directe avec un système d'acquisition et de traitement de données apte à traiter le spectre pour en déduire les paramètres représentatifs de la tendreté de la viande ou de la fraîcheur du poisson. Selon une autre caractéristique, la fibre optique est co-axiale dont une partie assure la transmission de la longueur d'onde d'excitation vers l'échantillon et l'autre la collecte du spectre de fluorescence vers le spectromètre.
Ces caractéristiques et d'autres encore ressortiront bien de la suite de la description.
- La figure 1 est une vue du dispositif, selon l'invention, représenté sous forme schématique, le dispositif étant inclus dans un appareil modulaire transportable,
- La figure 2 est une vue du spectromètre intervenant dans le dispositif précité,
- La figure 3 est un exemple de courbe de mesure établie à partir des mesures effectuées avec, en abscisses, la longueur d'onde nm et, en ordonnées, l'intensité de fluorescence,
- La figure 4 est une vue représentant les différentes phases d'analyse des corrélations canoniques, selon un graphe de régression entre un groupe de variables X en abscisses, et un groupe de variable Y en ordonnées.
Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit maintenant d'une manière non limitative illustrée aux figures des dessins.
Le dispositif de mesure de spectroscopie de fluorescence, selon l'invention, inclut, dans un appareil modulaire portable, un premier moyen (1) permettant l'émission d'une source lumineuse et incluant un filtre interférentiel (2). Ce premier moyen envoie une longueur d'onde d'excitation dans une fibre optique (3) co-axiale vers une zone (4) spécifique de viande non découpée et non invasive. L'action de la fibre optique sur les fluorophores situées dans la zone précitée permet l'émission d'un spectre de fluorescence qui est renvoyé lui-même par le biais de la fibre optique co-axiale dans un spectromètre (5). Ce dernier comprend intérieurement une pluralité de miroirs (5a - 5b - 5c) permettant une sortie de signal vers un ordinateur (6) incluant des logiciels d'acquisition et de traitement des données, et incluant notamment une méthode d'analyse canonique de corrélation.
Selon une caractéristique particulière, la longueur d'onde de la fibre optique est établie dans une valeur de 250 à 290 nm, c'est-à-dire correspondant à l'excitation de différents fluorophores pour l'obtention d'un effet de spectre par fluorescence.
Plus spécifiquement, cette longueur d'onde d'excitation retenue correspond aux longueurs d'onde d'excitation des tryptophanes, des Acides Nucléiques et des Acides Aminés Aromatiques. Ces longueurs d'onde présentent plusieurs avantages :
- elles se situent dans le domaine des ultra-violets,
- le spectre de fluorescence obtenu discrimine les muscles en fonction de leur dureté de base et de la durée de maturation. Les résultats obtenus avec le spectre de fluorescence du collagène seul a une intensité beaucoup plus faible et un rapport signal/bruit plus défavorable qu'il ne permet pas de discriminer les muscles. - Le spectre d'émission des protéines présente un maximum pour une longueur d'ondes de 315 à 320 nm qui correspond également aux longueurs d'ondes d'excitation du collagène. Ainsi la fluorescence des protéines myofibrillaires provoque une excitation indirecte de la fluorescence du collagène permettant d'avoir les deux informations simultanément.
La fibre optique est appliquée sur la zone spécifique de viande. Les mesures de spectroscopie de fluorescence sont réalisées préférentiellement en trois essais, en trois endroits différents sur le muscle.
Chaque mesure effectuée entraîne l'émission d'un graphe par le spectre de fluorescence frontal (figure 4) et permettant ainsi une comparaison générale par superposition des graphes lors de mesures successives.
Les différents logiciels d'acquisition de traitement de données permettent alors d'évaluer les résultats. On utilise, de préférence, des méthodes d'analyse statistique multidimensionnelles telles que l'Analyse en Composantes Principales, l'Analyse Factorielle Discriminante et l'Analyse des Corrélations Canoniques.
Le dispositif, selon l'invention, est mis en œuvre dans le cadre d'une unité portable et il peπnet ainsi par un opérateur de procéder in situ à des mesures en situation non invasive. Les mesures sont excessivement rapides, une à deux secondes chacune, avec un traitement immédiat par l'ordinateur. Le dispositif, selon l'invention, répond donc aux exigences industrielles d'utilisation. Le procédé et le dispositif, ainsi décrits selon l'invention, ont fait l'objet de tests de validation comparativement aux méthodes antérieures utilisées avec un texturomètre et mettant en œuvre la fibre optique en laboratoire. Les résultats de l'invention ont permis de valider la fiabilité du procédé nouveau et du dispositif s'y rapportant.
Sans sortir du cadre de l'invention, l'énergie lumineuse est transmise par deux fibres optiques permettant l'acquisition du spectre de fluorescence, son acheminement vers le spectomètre et sa mesure.

Claims

REVENDICATIONS
-1- Procédé de mesure de la tendreté de la viande ou de la fraîcheur du poisson, caractérisé en ce qu'il met en œuvre une mesure par spectroscopie de fluorescence frontale, ladite mesure étant établie d'une manière non invasive à partir d'une source lumineuse projetée sur une zone spécifique de viande, à mesurer le spectre de fluorescence émis par des fluorophores de ladite zone examinée, ledit spectre étant adressé dans un spectromètre (5) relié à un ordinateur (6) incluant un système d'acquisition et de traitement mathématique des données, apte à traiter ledit spectre pour en déduire des paramètres représentatifs de la tendreté de la viande ou de la fraîcheur du poisson, et en ce que l'énergie lumineuse d'excitation des fluorophores est établie sur une longueur d'onde de 250 à 290 nm correspondant à la longueur d'onde d'excitation des fluorophores et notamment des tryptophanes des protéines, des Acides Aminés Aromatiques et des Acides Nucléiques.
-2- Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les systèmes d'acquisition et de traitement des données permettent l'utilisation de méthodes d'analyse statistique multidimensionnelle telles que l'Analyse en Composantes Principales, l'Analyse Factorielle Discriminante et l'Analyse des Corrélations Canoniques.
-3- Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'énergie lumineuse est transmise par une fibre optique (3) co-axiale permettant, d'une part, l'excitation des fluorophores et, d'autre part, l'acheminement du spectre de fluorescence vers le spectromètre. -4- Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'énergie lumineuse est transmise par deux fibres optiques permettant l'acquisition du spectre de fluorescence, son acheminement vers le spectromètre et sa mesure.
-5- Dispositif de mise en œuvre du procédé, selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend, sous forme d'un appareil modulaire et portable, une source lumineuse incluant un filtre interférentiel (2) relié à, au moins, une fibre optique (3) assurant la transmission d'une énergie lumineuse sur une zone spécifique (4) de viande, engendrant la formation d'un spectre de fluorescence retransmis à destination d'un spectromètre (5), ce dernier étant en liaison directe avec un ordinateur (6) incluant des logiciels d'acquisition et de traitement de données aptes à traiter le spectre pour en déduire les paramètres représentatifs de la tendreté de la viande ou de la fraîcheur du poisson.
-6- Dispositif, selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fibre optique est co-axiale dont une partie assure la transmission du spectre de fluorescence vers le spectromètre.
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