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Multispektrale, Diodenlaser-basierte Raman-Untersuchungen zur In-situ-Analytik ausgewählter Fleischsorten

Sowoidnich, Kay - Technische Universität Berlin (2012)


Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Demonstration der Eignung Raman-spektroskopischer In-situ-Verfahren zur Detektion des mikrobiellen Verderbs von Fleisch sowie der nicht-invasiven Unterscheidung ausgewählter Tierarten.

Hierzu wurde ein innovatives, portables Prototyp-Messsystem für die In-situ-Ramanspektroskopie an Fleischproben realisiert. Alle aufeinander abgestimmten Komponenten des Systems, inklusive Mikrosystem-Diodenlaser, optischer Elemente und Miniaturspektrometer sind dabei speziell im Hinblick auf die Fleischanalytik entwickelt und für diesen Einsatzzweck optimiert worden. Umfangreiche Untersuchungen an Schweinefleisch konnten die Ramanspektroskopie als effizientes Verfahren für die nicht-invasive Verderbnisdetektion verifizieren, wobei mit Hilfe statistischer Verfahren eine Quantifizierung der mikrobiellen Kontamination hinsichtlich des Keimzahl-Grenzwertes von 106 KbE/cm2 erreicht werden konnte. Der Nachweis des Verderbs basiert dabei auf dem Signal-zu-Untergrund-Verhältnis der Spektren.

Während anhand der Raman-spektroskopischen Signatur Veränderungen in den Proteinbanden deutlich werden, zeigt sich ca. 10 Tage nach der Schlachtung eine einsetzende Fluoreszenz von Porphyrinen. Mit Hilfe des portablen Ramansystems kann damit erstmalig, im Gegensatz zu teuren, arbeits- und zeitaufwändigen Laboruntersuchungen, das Überschreiten der kritischen Keimzahlbelastung bereits in wenigen Sekunden und in situ erfasst werden. Ein multispektrales Anregungskonzept konnte die Eignung der Anregungswellenlängen 785 nm und 671 nm zeigen, während bei 488 nm ein hochempfindlicher Nachweis von Carotinoiden demonstriert wurde. Als Zielwellenlänge für das portable System erwies sich 671nm als besonders vorteilhaft, da hier bereits Messzeiten von lediglich 1 s eine Klassifizierung des Fleisches ermöglichten, so dass On-line-Messungen realisierbar sind. Anhand ausgewählter Verpackungstypen wurde das Messverfahren als geeignete Technik für Untersuchungen durch die Verpackungsfolie hindurch verifiziert. Dies stellt im Vergleich zu anderen Detektionsverfahren des mikrobiellen Verderbs einen entscheidenden Vorteil dar und qualifiziert das System für den zukünftigen Einsatz durch Lebensmittelkontrolleure.

Ebenso konnte die Übertragbarkeit auf Rind, Huhn und Pute experimentell bestätigt werden, was die universelle Eignung des Detektionskonzeptes unterstreicht. Darauf aufbauend erfolgte die Entwicklung von zwei neuartigen, miniaturisierten Prototyp-Messköpfen mit jeweils zwei spektral leicht gegeneinander verschobenen Anregungswellenlängen (671,0 nm und 671,6 nm bzw. 782,65 nm und 783,15 nm) für die Shifted Excitation Raman Difference Spectroscopy (SERDS). Hiermit konnte bei Messzeiten von nur 10 s mit Hilfe der Hauptkomponentenanalyse erstmals eine nicht-invasive Differenzierung des Fleisches sowie Fleischsaftes von Schwein, Rind, Huhn und Pute realisiert werden. Als Unterscheidungskriterien wurden dabei der Gehalt des Muskelfarbstoffes Myoglobin sowie Unterschiede in der Proteinzusammensetzung identifiziert. Damit weist SERDS ein großes Potential als Schnelltest-Methode zur In-situ-Identifikation ausgewählter Tierarten auf.


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