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Technisches Gebiet
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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der optischen Messtechnik und betrifft eine Anordnung bestehend aus einer faseroptischen Messsonde und einem Farbsensor zur Detektion und Bestimmung des Ausmaßes von Gefrierbrand an tiefgefrorenem Fleisch mit Hilfe von sichtbarem weißen Licht, wobei das von der Probe zurückgestreute Licht mit dem Farbsensor analysiert wird und die faseroptische Sonde sowohl das Beleuchtungslicht als auch das von der Probe zurückgestreute Licht leitet. Die Erfindung soll insbesondere bei Verarbeitern von tiefgefrorenem Fleisch (Gastronomie, Fleischereien) aber auch bei Lieferanten, Transportdienstleistern und Lebensmittelhändlern Verwendung finden.
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Hintergrund der Erfindung
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Der Pro-Kopf-Verbrauch von Tiefkühlkost bei deutschen Konsumenten lag im Jahr 2021 bei insgesamt 46,1 Kilogramm [Statista GmbH, https://de.statista.com /statistik/daten/studie/37571 /umfrage/pro-kopf-verbrauch-von-tiefkuehlkost]. Alle Tiefkühlprodukte, die dem Verbraucher angeboten werden, haben eine Temperaturgeschichte entsprechend der durchlaufenen Tiefkühlkette. Die maßgeblichen Rechtsvorschriften schreiben verschiedene Maßnahmen zur Einhaltung der Produktqualität von Tiefkühlprodukten vor. Zum Nachweis der Einhaltung der Kühlkette sind die Lebensmittelunternehmen verschiedenen Nachweis- und Dokumentationspflichten unterworfen. Dennoch kommt es besonders bei Fleisch häufig zum Problem des so genannten Gefrierbrandes. Hierbei handelt es sich um eine Denaturierung von Muskelzellen bzw. Proteinen, die aus einer irreversiblen Dehydratisierung des Gewebes resultiert. Der Prozess tritt an tiefgefrorenen Produkten auf, bei denen das im Gewebe vorhandene Wasser aufgrund von kurzfristigen Temperaturerhöhungen und defekten, nicht luftdichten Verpackungen sublimiert. Damit wird ein Kältetrocknungsprozess ausgelöst. Besonders häufig sind randnahe, oberflächliche Gewebeschichten davon betroffen, die im aufgetauten Zustand eine harte, trockene Struktur annehmen und Farbveränderungen zeigen. Auch das typische Fleischaroma verliert sich. Solche Veränderungen können nicht rückgängig gemacht werden und wandern bei fortschreiten der Schädigung mehrere Millimeter in die Tiefe.
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Grundsätzlich ist frisches tiefgefrorenes Fleisch eher satt rot-rosa gefärbt. Je mehr das Fleisch von Gefrierbrand betroffen ist, desto großflächiger und gräulicher wird seine Verfärbung. Kaess & Weidemann zeigten durch histologische Untersuchungen, dass sich in gefrierbrandgeschädigtem Fleisch durch Sublimation von Eiskristallen Hohlräume gebildet hatten [G. Kaess, F.J. Weidemann, Freezer Burn of Animal Tissue. 7. Temperature Influence on Development of Freezer Burn in Liver and Muscle Tissue. J Food Science (1969), 34, 394-397]. Das ist für die optische Gefrierbranddetektion von Interesse, da die Hohlräume einfallendes Licht diffus streuen und das Fleisch heller erscheinen lassen als intaktes, ungeschädigtes Fleisch. Allerdings ist nicht jede Farbveränderung gleichbedeutend mit dem Vorliegen von Gefrierbrand, weil auch andere Effekte, etwa die Fleischalterung oder Fetteinlagerungen, Farbänderungen hervorrufen können.
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Gefrierbrand gehört zu den am häufigsten zu beobachtenden Mängeln bei tiefgefrorenem Geflügel und ist als potenzielle Gefahr für die Lebensmittelsicherheit anzusehen. Luftsauerstoff und der kurzzeitige Auftaueffekt können bewirken, dass sich im Fleisch vorhandene Keime exponentiell vermehren. Für Verarbeiter von Tiefkühlfleisch aber auch für Lieferanten, Transportdienstleiter und Lebensmittelhändler ist es zur Sicherstellung der vorgeschriebenen Produktqualität sowie aus Gewährleistungs- und Haftungsgründen von großer Bedeutung, dass gelieferte, tiefgefrorene Ware in einwandfreiem Zustand, mithin frei von Gefrierbrand ist. Die Qualitätssicherung erfolgt in der Praxis derzeit fast ausschließlich durch ungenaue, stichprobenartige Sichtprüfungen. Wegen der zunehmenden wirtschaftlichen Bedeutung der Qualität und der Lebensmittelsicherheit besteht daher bei Fleischereien, Lebensmittelhändlern, Transportdienstleistern sowie in der Gastronomie Bedarf an einem objektiven, sicheren und schnellen Detektionsverfahren für Gefrierbrand an tiefgefrorenem Fleisch.
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Stand der Technik
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Derzeit ist Gefrierbrand ausschließlich im aufgetauten Zustand mit der erforderlichen Sicherheit nachweisbar. Die Fleischqualität im tiefgefrorenen Zustand kann nicht mit hinreichender Genauigkeit beurteilt werden. Es sind bisher keine Messtechniken oder sonstige Anordnungen bekannt, die Gefrierbrand an gefrorenem Fleisch detektieren. Aus dem Stand der Technik sind Nachweismethoden zur Bestimmung der Fleischfrische bekannt, die sich jedoch ausschließlich auf den aufgetauten Zustand beziehen. Die Frische und Qualität von Schlachtfleisch wird durch eine Vielzahl von Parametern determiniert. Dabei spielt nicht nur die Herkunft und Lebendverfassung der Tiere eine Rolle, sondern auch die Heterogenität der Muskelfaserstruktur (Quer- und Längsstreifung) und die Nähe von Muskelfleisch zu Knorpel und Knochen. Die postmortem einsetzenden autolytischen und proteolytischen Prozesse stehen unmittelbar in Zusammenhang mit den Lagerungsbedingungen. Weiterhin können mikrobiologische Degradationsprozesse eine Bestimmung des Schlachtzeitpunktes und damit der Frische erschweren. Der komplexe Aufbau von Muskelgewebe setzt eine sichere Kenntnis der Anatomie voraus, um eine korrekte Probenbewertung durchführen zu können. Eine Recherche zu zum Teil seit Jahrzehnten etablierten Methoden offenbart eine breite Basis von grundlegenden veterinärmedizinischen und lebensmittelhygienischen Untersuchungsverfahren zur Einschätzung der Qualität von Schlachtfleisch- und Fleischerzeugnissen. Die Qualitätsprüfung betrifft zunächst subjektive Parameter wie Zartheit, Saftigkeit, Aroma bzw. Geschmack. Der Fachmann bezeichnet diese als sensorische Parameter. Die Durchführung erfordert eine entsprechende langjährige Schulung. Alternativ wird seit Langem versucht, mit Hilfe von physikalischen, chemischen und mikrobiologischen Parametern die sensorische Qualitätsprüfung zu objektivieren.
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Die physikalisch-chemischen Parameter umfassen u.a. die elektrische Leitfähigkeit, die dielektrische Impedanz und den pH-Wert. Für einzelnen Parameter wurden Geräte entwickelt, die sich speziell für lokale Einstichmessungen in Fleischstücken eignen. So beschreibt
DE 3814634A1 eine Vorrichtung zur Messung des pH-Wertes im Fleisch und
DE 3925331A1 eine Leitfähigkeitsmesssonde für die Qualitätsprüfung. Diese Verfahren sind aber für tiefgekühltes Fleisch (TK-Fleisch) nicht anwendbar. Zudem können die genannten Parameter nur Ausschnitte des komplexen Verderbnisprozesses abbilden. Die Korrelation zwischen der subjektiv eingeschätzten Qualität und den verschiedenen biochemisch-physikalischen Parametern ist mäßig.
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Seit mehr als zehn Jahren wird versucht optisch spektroskopische Methoden (insbesondere Raman-, UV-VIS-, IR- und Fluoreszenzspektroskopie) zu miniaturisieren und zur Qualitätskontrolle von Fleisch einzusetzen [J.-L. Damez, S. Clerjon, Meat quality assessment using biophysical methods related to meat structure. Meat Science (2008), 80 (1), 132-149]. Die Ergebnisse sind vielversprechend, aber bis heute konnte sich kein entsprechendes System am Markt etablieren.
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Weiter ist bekannt, dass im Rahmen der Qualitätsbeurteilung von nicht gefrorenem Fleisch die Farbe seit langem als ein Kriterium herangezogen wird [J. C. Wagner, Messung der Farbe als Qualitätsparameter bei Rindfleisch im Hinblick auf die Festlegung von Richtwerten in der Allgemeinen Verwaltungsvorschrift Lebensmittelhygiene, Dissertation zur Erlangung der tiermedizinischen Doktorwürde der Tierärztlichen Fakultät der Ludwig-Maximilians-Universität München, 2006]. Die Fleischfarbe wird dabei im Wesentlichen von der Konzentration und vom Zustand des Myoglobins in der Muskulatur bestimmt. Außerdem spielt die Struktur der Muskeloberfläche eine wichtige Rolle bei der Remission von Licht und damit bei der Farbentstehung. Mängel in der Fleischreifung, die zu Fehlfarben führen, sind beispielsweise PSE-Eigenschaften (pale, soft, exsudative), welche sich in extrem heller und blasser Farbe der Muskulatur äußern und vor allem beim Schwein auftreten sowie DFD-Eigenschaften (dry, firm, dark), die zu einer sehr dunklen Farbe der Muskulatur führen und vielfach beim Rind vorkommen.
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Mit Farbmaßzahlen für Farbton und Helligkeit lassen sich Farben in Zahlenwerten ausdrücken und objektiv beschreiben. Bei der Farbmessung ist heute der L*a*b* Farbraum weltweiter Standard. Das L*a*b* Modell, das auch als CIE Lab Modell bezeichnet wird, beschreibt alle wahrnehmbaren Farben, indem es einen dreidimensionalen Farbenraum, bei dem der Helligkeitswert L* senkrecht auf der Farbebene (a*, b*) steht, verwendet. Die Farbachse a* (Rot-Grün-Achse) wird unterteilt in einen grünen (-a*) und einen roten (+a*) Bereich. Die b*-Farbachse (Blau-Gelb-Achse) teilt sich entsprechend in einen blauen (-b*) und einen gelben (+b*) Bereich auf. Durch die Angabe eines Wertetripels (L*, a*, b*) ist es möglich eine Farbe exakt zu beschreiben.
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Technisch werden bei der Farbmessung zwei Verfahren unterschieden: Dreibereichs- und Spektralverfahren. Beim Dreibereichsverfahren werden die Farbmaßzahlen ermittelt, indem Strahlungsempfängern (z.B. Photodioden) Farbfilter (rot, grün, blau) vorgeschaltet werden, durch die ihre spektrale Empfindlichkeit einem standardisierten Beobachter angepasst wird. Beim Spektralverfahren werden die Farbwerte aus der spektralen Remission bestimmt, die im gesamten sichtbaren Spektralbereich mit einem Spektrometer ermittelt wird.
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Die Ergebnisse der Farbmessung hängen von der Messgeometrie ab. Unter Messgeometrie versteht man die Winkel, unter denen eine Probe beleuchtet und beobachtet wird. Im Bereich der Farbmessung von intransparenten Lebensmitteln wie Fleisch sind drei entsprechend DIN 5033 genormte Messgeometrien gebräuchlich. Bei der 45°/0° Geometrie erfolgt die Beleuchtung der Probe unter einem Winkel von 45° und der Beobachtungswinkel beträgt 0°, d.h. es wird senkrecht zur Probe gemessen. d/8° bzw. d/0° bezeichnet Anordnungen bei denen die Beleuchtung diffus über eine Ulbricht-Kugel stattfindet und die Detektion des von der Probe zurückgeworfenen Lichtes unter 8° bzw. unter 0° erfolgt. Um Glanzspiegelungen von der Proben-Oberfläche auszuschalten, ist bei Instrumenten mit einer d/8° Geometrie zumeist eine Glanzfalle in die Ulbricht-Kugel eingebaut. Bei geöffneter Glanzfalle, die unter -8° zur Messöffnung angeordnet ist, wird das gerichtet reflektierte Licht eliminiert. In der Praxis können Beleuchtungsrichtung und Betrachtungsrichtung ausgetauscht werden, ohne dass dies einen Einfluss auf das Messergebnis nimmt. So sind d/8° und 8°/d oder 45°/0° und 0°/45° Geometrien gleichwertig.
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Außerdem besitzt die Beleuchtung einen wichtigen Einfluss auf die Fleischfarbe. Damit Farbmessungen vergleichbar und wiederholbar sind, muss die Farbmessung mit einer eindeutig definierten Lichtart erfolgen. Durch die CIE sind Lichtarten mit definierter spektraler Verteilung, so genannte Normlichtarten, standardisiert worden. Für die meisten Farbmessungen wird heute die Verwendung der Normlichtart D65 empfohlen. Als Normlichtart D65 (Daylight) ist eine dem mittleren natürlichen Tageslicht entsprechende Lichtart mit einer Farbtemperatur von ca. 6500 K definiert.
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In neueren wissenschaftlichen Publikationen, in denen die Fleischfarbe von Bedeutung ist, wird sehr häufig das Minolta Chroma-Meter, Typ CR-100 bis CR-400, verwendet [B. Hulsegge, B. Engel, W. Buist, G. S. M. Merkus, R. E. Klont, Instrumental colour classification of veal carcasses. Meat Science (2002), 57(2), 191-195]. Das Minolta Chroma-Meter ist ein Dreibereichsmessgerät mit einer d/0° Messgeometrie und einer Xenon-Blitzlampe zur Erzeugung der Lichtart D65.
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Eine weitere Möglichkeit zur objektiven Farbmessung ist die Verwendung einer Kamera mit angeschlossenem Computer. Die Kamera nimmt ein Bild der Probe auf und der Computer errechnet die Farbmaßzahlen. Hierbei kann eine größere Fläche erfasst werden und Inhomogenitäten können im Vergleich zu dem Minolta Chroma-Meter besser erkannt werden.
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Die beschriebenen Messgeräte und Messgeometrien nach dem Stand der Technik sind jedoch ungeeignet um Gefrierbrand an tiefgefrorenem Fleisch mit Hilfe einer Farbmessung zu erkennen und hinsichtlich seines Ausmaßes zu bewerten. Das liegt zum einen daran, dass sich auf der Oberfläche der tiefgefrorenen Fleischproben häufig einzelne Eiskristalle, eine Eisschicht, transparente Verpackungsfolie und eventuell eine dünne Wasserschicht befinden. Die Oberfläche von gefrierbrandgeschädigtem Fleisch kann zudem durch Kontakt mit Umgebungsluft und infolge dessen einsetzenden Oxidationsreaktionen atypisch aufgehellt oder verfärbt sein. Dies erschwert und verfälscht die Vermessung von Gefrierbrandschäden mit Hilfe von Farbmessgeräten nach dem Stand der Technik erheblich, da die direkt von der Oberfläche zurückgeworfenen diffusen und gerichteten Reflexe viel leistungsstärker sein können als die eigentlich interessierende Remission aus tieferen Gewebeschichten. Zum anderen geht ein Gefrierbrandschaden bei Fleisch besonders beim Fortschreiten der Schädigung, d.h. der Austrocknung, bis zu mehrere Millimeter unter die Oberfläche. Gefrierbrand ist also kein rein oberflächlicher Effekt. Farbmessgeräte für Lebensmittel nach dem Stand der Technik detektieren jedoch immer diffuse Reflexionen von der Oberfläche mit oder ohne Glanzeinschluss. Zwar werden die Remissionen aus tieferen Gewebeschichten, die den Gefrierbrand und sein Ausmaß charakterisieren, auch gemessen, sie werden aber von den stärkeren gerichteten und diffusen Reflexionen von der Oberfläche überdeckt und sind von diesen nicht mehr trennbar.
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Beschreibung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zur Verfügung zu stellen, die bei der Farbmessung an tiefgefrorenem Fleisch sowohl die diffusen als auch die gerichteten Reflexe (Glanz) der Oberfläche unterdrückt, so dass nur die Remissionen aus tieferen Schichten der Probe gemessen werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine faseroptische Messsonde mit einer speziellen Anordnung von Beleuchtungs- und Detektionsfasern im Messkopfe der Sonde benutzt. Die Lichtein- und Lichtaustrittsflächen der Beleuchtungs- und Detektionsfasern liegen in der Endfläche des Messkopfes der Messsonde. Für die Beleuchtung der Probe wird eine Weißlichtquelle (z.B. Halogenlampe, Blitzlampe oder LED) eingesetzt. Die Beleuchtungsfasern der faseroptischen Messsonde sind mit der Weißlichtquelle, die auch im Farbsensor integriert sein kann, verbunden. Über eine Schnittstelle sind die Detektionsfasern der Messsonde mit einem kommerziell erhältlichen Farbsensor verbunden, der L*a*b* Farbwerte an einen Computer ausgibt.
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Während einer Messung wird die Endfläche des Messkopfes der faseroptischen Messsonde der Probenoberfläche zugewandt, so dass die Beleuchtungsfasern die Probe beleuchten. Der Abstand zwischen den Lichtein- und Lichtaustrittsflächen der Beleuchtungs- und Detektionsfasern in der Endfläche des Messkopfes wird so gewählt, dass unterhalb eines definierten Maximalabstandes MA zwischen Messkopf und Fleischprobe diffuse und gerichtete Reflexe von der Oberfläche der Probe nicht mehr innerhalb des Aperturwinkels der Detektionsfasern liegen und damit nicht mehr in die Detektionsfasern gelangen können. Auf diese Weise detektiert man nur Licht, das in die Probe eindringt und in ihrem Volumen mehrfach gestreut wird. Das detektierte Licht durchläuft dabei infolge der Mehrfachstreuungen eine gekrümmte Bahn in der Probe.
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Der Maximalabstand zwischen Probe und Messkopf kann aus dem Aperturwinkel der Beleuchtungs- und Detektionsfasern sowie dem Abstand zwischen den Lichtein- und Lichtaustrittsflächen der Beleuchtungs- und Detektionsfasen in der Endfläche des Messkopfes gemäß der folgenden Gleichung berechnet werden:
- MA
- Maximalabstand zwischen Probe und Messkopf
- a
- Abstand zwischen Lichtein- und Lichtaustrittsflächen der Beleuchtungs- und Detektionsfasen in der Endfläche des Messkopfes (Rand zu Rand)
- α
- Voller Aperturwinkel der Beleuchtungs- und Detektionsfasen
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Bei Messabständen zwischen Probe und Messkopf die kleiner sind als MA überlappen die durch die Aperturwinkel der Beleuchtungs- und Detektionsfasern gebildeten Kegel an der Oberfläche der Fleischprobe nicht mehr.
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Zur Sicherstellung eines korrekten Messabstandes zwischen Messkopf und Probe wird ein mechanischer Abstandshalter verwendet oder der Abstand wird durch andere Methoden wie z.B. eine Abstandsmessung kontrolliert. Dabei wird der Messabstand vorzugsweise so eingestellt, dass auch Unebenheiten der Probe toleriert werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Anordnung aus faseroptischer Messsonde, Farbsensor und Auswertecomputer können Farbwerte gemessen werden, die geeignet sind einen Gefrierbrandschaden zu erkennen und sein Ausmaß zu bewerten. Kennzeichnend für Gefrierbrand ist ein Wasserentzug des Fleisches in oberflächennahen Schichten. Wasser besitzt im blauen Wellenlängenbereich ein absolutes Absorptionsminimum. Im Roten ist seine Absorption jedoch um bis zu zwei Größenordnungen höher als im Blauen. Das bedeutet, dass Wasser blaues Licht praktisch gar nicht absorbiert aber sehr gut remittiert. Rotes Licht wird hingegen vom Wasser gut absorbiert und kaum remittiert. Fleischproben mit Gefrierbrand zeigen daher bei Vermessung mit der erfindungsgemäßen Anordnung im Vergleich zu intakten Proben ohne Schaden höhere Werte der Farbmaßzahlen a* und b*. D.h. das remittierte Licht enthält infolge des fehlenden Wassers mehr Rot- und weniger Blauanteile. Mit zunehmender Schädigung verschiebt sich die mit der erfindungsgemäßen Anordnung gemessene Farbe mehr und mehr in Richtung +a* und +b*.
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Zudem nimmt bei einem Gefrierbrandschaden die mit der erfindungsgemäßen Anordnung gemessene Helligkeit L* im Vergleich zu ungeschädigten Probe zu, da durch die Sublimation von Eiskristallen Hohlräume entstanden sind, die vermehrt Licht diffus zurückstreuen.
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Um reproduzierbare Messergebnisse bei der Farbmessung zu erzielen und um eine gute Vergleichbarkeit von Messsystem zu Messsystem gewährleisten zu können, ist vor den Messungen eine Kalibrierung des Farbmessgerätes inklusive faseroptischer Messsonde bzw. eine Überprüfung der vorhandenen Kalibrierung zwingend erforderlich. Hierzu werden Referenzfarbtafeln mit bekannten Farbwerten vermessen. Eine Differenz zwischen Soll- und Istwerten führt zu Korrekturtermen, die in der Datenauswertung berücksichtigt werden.
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Bevor Fleischproben auf Gefrierbrand untersucht werden können, ist zunächst eine repräsentative Menge an tiefgefrorenen Referenzproben mit und ohne Gefrierbrand mit der erfindungsgemäßen Anordnung zu vermessen. Die Referenzproben sind nach der Messung aufzutauen und hinsichtlich Gefrierbrand zu untersuchen, weil eine sichere Erkennung des Gefrierbrandes bisher nur im aufgetauten Zustand möglich ist. Anschließend werden die gemessenen Farbreferenzwerte in Gruppen wie z. B. „Gefrierbrand, stark ausgeprägt“, „Gefrierbrand, schwach ausgeprägt“ und „in Ordnung“ eingeteilt. Dies kann durch eine grafische Auswertung oder durch rechnergestützte Verfahren wie die Clusteranalyse erfolgen. Die aufgenommenen Farbreferenzwerte verschiedener Fleischsorten bilden eine Farbdatenbibliothek.
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Das Vorgehen bei der Untersuchung von Fleischproben auf Gefrierbrand mit der Erfindung ist nun wie folgt: Auf jeder Probe werden mindestens drei Messpunkte ausgewählt und mit der erfindungsgemäßen Anordnung punktuell vermessen. Dabei werden vorzugsweise randnahe Messpunkte, die besonders häufig von einer Austrocknung durch Gefrierbrand betroffen sind, sowie Punkte die eine mit dem Auge sichtbare Farbabweichung vom Rest der Probe zeigen, ausgewählt. Nach der Vermessung einer hinsichtlich Gefrierbrand zu beurteilenden Probe durch den Endanwender erfolgt dann PC-gestützt, auf Basis der bestimmten Farbwerte und der Farbreferenzwerte der Farbdatenbibliothek, eine automatische Klassifizierung des Gefrierguts. Hierbei wird durch Vergleich der gemessenen Farbwerte mit denen der Farbdatenbibliothek eine sichere Unterscheidung zwischen Proben mit Gefrierbrand und einwandfreien Proben möglich und der Grad der Schädigung kann bewertet werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zur Detektion von Gefrierbrand an tiefgefrorenem Fleisch ist durch die nachfolgend genannten Vorteile gekennzeichnet.
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Die Erfindung ermöglicht es erstmals, tiefgefrorenes Fleisch objektiv auf Gefrierbrand zu untersuchen, ohne es aufzutauen. Dies ist besonders Vorteilhaft, da eine Inspektion nach dem Auftauen bei größeren Lieferchargen sehr lange dauert, der Auftauprozess die Frage nach der rechtlichen Haftung bei eingeschränkter Produktqualität erschwert (Lieferant oder Kunde) und die Ware oft tiefgefroren weiterverkauft werden soll, so dass ein zusätzlicher Auftauprozess die Fleischqualität mindern würde. Das erfindungsgemäße Sensorsystem arbeitet zerstörungsfrei, d.h. die Probe wird durch die Messung nicht verändert. Außerdem ermöglicht es Gefrierbrand bis zu einer Tiefe von einigen mm unter der Oberfläche zu erkennen und Aussagen über den Grad der Gefrierbrandschädigung („stark“, „schwach“, keine Schädigung, in Ordnung”) zu liefern. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist ihre einfache und sichere Bedienbarkeit, so dass sie ohne aufwändige Schulung oder Expertenwissen sofort eingesetzt werden kann, ohne dass der Bediener oder andere Personen dabei gefährdet werden. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Sensorsystem so zuverlässig, dass mindestens 90 % der von Gefrierbrand betroffenen Proben mit ihm richtig als solche erkannt werden. Schließlich arbeitet die Erfindung schnell und benötigt pro Probe weniger als eine Minute Zeitaufwand.
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Ausführungsbeispiel der Erfindung
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Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand der folgenden schematischen Abbildungen näher erläutert:
- 1 Faseroptische Anordnung zur Detektion und Bestimmung des Ausmaßes von Gefrierbrand an tiefgefrorenem Fleisch mit einem Farbsensor
- 2 Faseroptische Messsonde der Anordnung zur Detektion und Bestimmung des Ausmaßes von Gefrierbrand an tiefgefrorenem Fleisch
- 3 Abstandshalter der faseroptischen Messsonde
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1 zeigt eine Prinzipskizze der faseroptischen Anordnung zur Detektion und Bestimmung des Ausmaßes von Gefrierbrand an tiefgefrorenem Fleisch mit einem Farbsensor. Die Anordnung wird gebildet aus dem Farbsensor 2, der daran angeschlossenen faseroptischen Messsonde 7 mit einem Faserbündel 3 sowie dem Messkopf 1 und einem Computer 4 zur Ermittlung und Auswertung der Farbwerte. Das Faserbündel 3 enthält Detektions- und Beleuchtungsfaserbündel 3.1, 3.2 bestehend aus Beleuchtungs- und Detektionsfasern 3.1.1, 3.2.1 aus Quarzglas. Der Farbsensor beinhaltet eine LED-Weißlichtquelle, die über die Schnittstelle 2.1 mit dem Beleuchtungsfaserbündel 3.1 verbunden ist. Des Detektionsfaserbündel 3.2 ist an die Detektionseinheit des Farbsensors angeschlossen. In der Endfläche 1.2 des Messkopfes 1 sind die Lichtaustrittsflächen der Beleuchtungsfasern 3.1.1 in diesem Ausführungsbeispiel ringförmig angeordnet. Im Zentrum des Ringes mit einem Durchmesser von vier Millimetern befinden sich die Lichteintrittsflächen mehrerer Detektionsfasern 3.2.1. Der Abstand 3.4 zwischen den Lichtein- und Lichtaustrittsflächen der Beleuchtungs- und Detektionsfasern 3.1.1, 3.2.1 in der Endfläche 1.2 des Messkopfes 1 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 1,5 mm. Bei einem festen Abstandes 1.1 von weniger als 3,4 mm zwischen Messkopf 1 und Fleischprobe 6 liegen die diffusen und gerichteten Reflexionen der Oberfläche der Probe nicht mehr innerhalb des Aperturwinkels der Detektionsfasern 3.2.1 und können damit nicht mehr in den Detektionsfasern weitergeleitet werden. Auf diese Weise wird nur solches Licht 5 detektiert, das in der Probe 6 mehrfach gestreut wurde. Zur Sicherstellung eines korrekten Messabstandes 1.1 wird ein mechanischer Abstandshalter 1.3 verwendet. Dabei ist der Messabstand so fixiert, dass auch Unebenheiten der Probe 6 toleriert werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird mit einem Messabstand 1.1 von 1 mm gearbeitet. Um bei der Messung eventuell störendes Umgebungslicht auszublenden, kann der Abstandshalter 1.3 so ausgebildet sein, dass er die Endfläche 1.2 des Messkopfes 1 vom Umgebungslicht abschirmt. Der Farbsensor 2 ist zur Auswertung der Farbmessung und zur Steuerung des Messvorganges mit einem Computer 4 verbunden. Die Steuersoftware, die auf dem Computer 4 läuft, führt den Benutzer durch den Messvorgang. Hierbei wird zunächst die zu prüfende Fleischsorte (z.B. Hähnchenbrust, Rindersteak) abgefragt. Der Benutzer wählt dann die Messpunkte auf der Probe aus, setzt den Messkopf 1 mit Abstandshalter 1.3 auf die Probe auf und startet die Messungen. Danach vergleich der Computer 4 die gemessenen Farbwerte mit den Farbwerten in einer Farbdatenbibliothek, nimmt eine automatische Klassifizierung des Gefrierguts vor und zeigt das Ergebnis an.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messkopf der faseroptischen Messsonde
- 1.1
- Abstand zwischen Messkopf und Probe
- 1.2
- Endfläche des Messkopfes der faseroptischen Messsonde
- 1.3
- Abstandshalter am Messkopf der faseroptischen Messsonde
- 2
- Farbsensor
- 2.1
- Schnittstelle zur Weißlichtquelle des Farbsensors (Faseranschluss für Beleuchtung)
- 2.2
- Schnittstelle zur Detektionseinheit des Farbsensors (Faseranschluss für Detektion)
- 2.3
- Verbindung zwischen Farbsensor und Computer zur Auswertung
- 3
- Faserbündel
- 3.1
- Beleuchtungsfaserbündel
- 3.1.1
- Beleuchtungsfasern in der Endfläche des Messkopfes
- 3.1.2
- Aperturwinkel einer Beleuchtungsfaser
- 3.2
- Detektionsfaserbündel
- 3.2.1
- Detektionsfasern in der Endfläche des Messkopfes
- 3.2.2
- Aperturwinkel einer Detektionsfaser
- 3.3
- Faserhülse mit Faserbündelverzweigung
- 3.4
- Abstand zwischen Beleuchtungs- und Detektionsfasern
- 4
- Computer (PC, Tablet, Smartphone)
- 5
- Mehrfachstreuung von Beleuchtungslicht in der Probe
- 6
- Probe
- 7
- Faseroptische Messsonde
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3814634 A1 [0006]
- DE 3925331 A1 [0006]
