Early postmortem determination of porcine meat quality using Raman spectroscopy

Titelangaben

Scheier, Rico:
Early postmortem determination of porcine meat quality using Raman spectroscopy.
Bayreuth , 2014 . - 96 S.
( Dissertation, 2014 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

The chemical and structural composition of biological tissues can be non-invasively measured using Raman spectroscopy. The resulting Raman spectrum can be used for identification and quantification. In case of multi-component mixtures, this is complicated due to superimposing signals of individual compounds hence multivariate methods are mostly applied for the analysis of Raman spectra. However, these methods provide only little help to understand the physical and chemical processes causing the spectral alterations. Therefore, the aim of this thesis was to determine the changes in the Raman spectra using the example of pork meat in the first hours after slaughter, to identify the underlying mechanisms and to evaluate the potential of early postmortem Raman spectra to predict important meat quality traits. At first, pH and lactate concentration were chosen as indicators as they are known
to correlate with the metabolic state of the muscle, which is again closely related to the resulting meat quality. Here, the pH value was shown to be calculable from only
two vibrations of the Raman spectra assigned to the terminal phosphate moiety. More accurate predictions are possible with a multiple linear regression model based on signals of lactate, glycogen, creatine (Cr), phosphocreatine (PCr), ATP, IMP, the phosphate
and carbonyl group or with a partial least squares regression model based on the whole spectrum. However, the determination of the lactate concentration is complicated due to superimposing signals of other metabolites. To quantify the contribution of individual components, the spectral alterations were simulated in the pre-rigor phase between 1 and 2 h and in the rigor phase between 2 and 8 h after slaughter. The simulation includes difference spectra of the energy metabolites PCr and Cr, glycogen and lactate,
ATP and IMP as well as hydrogen and dihydrogen phosphate. Additionally, the Raman signals of alpha-helical proteins, phosphorylated sugars and the difference spectrum of oxy- and
deoxymyoglobin add intensity to the observed alterations. The agreement between
measured and simulated spectra proves that the Raman spectra indeed provide a detailed
fingerprint of the metabolic state of the early postmortem muscle. In parallel, a portable
Raman system with control software was developed and successfully tested in two field
studies in commercial abattoirs. For the first time, the quality traits pH45, pH24, drip
loss, color and shear force were predicted from Raman spectra measured only 1–2 h
post mortem. Besides pH45, these quality traits cannot currently be measured early
postmortem and are only available 1–3 days after slaughter via partly invasive and
time-consuming reference analysis. The promising predictions were confirmed for pH45,
pH24 and drip loss in a second study. In both studies, the PLSR models are mostly
weighting Raman signals of the energy metabolites.
In this thesis, the potential of Raman spectroscopy was proven to rapidly and noninvasively
determine important quality traits of pork meat based on early postmortem
spectra. Thereby, signals of ubiquitous compounds of the postmortem metabolism are
weighted by the prediction models. In future, Raman spectroscopy could therefore allow
for an early assessment of quality traits of pork, but also other sorts of meat, at the
slaughterline in abattoirs.

Abstract in weiterer Sprache

Mit der Raman-Spektroskopie ist die chemische und strukturelle Zusammensetzung von
biologischen Geweben nicht-invasiv messbar. Das Raman-Spektrum kann dabei zur Identifizierung
und Quantifizierung dienen. Bei Gemischen ist dies allerdings durch die mehrdeutige
Überlagerung von Signalen einzelner Stoffe erschwert. Vielfach werden deshalb
statistische Auswerteverfahren zur Spektrenanalyse angewendet, welche jedoch kaum
zum Verständnis der physikalischen und chemischen Zusammenhänge beitragen.
Ziel dieser Arbeit war es deshalb, Veränderungen in den Raman-Spektren am Beispiel
von Schweinefleisch kurz nach der Schlachtung zu bestimmen und deren zugrundeliegende
Mechanismen zu identifizieren. Zudem sollte geprüft werden, ob und wie technologisch
wichtige Qualitätsparameter aus den früh-postmortalen Raman-Spektren von
Fleisch vorhersagbar sind.
Als Indikatoren für den Stoffwechselzustand des Muskels, der eng mit der Fleischqualität
korreliert ist, wurden zunächst pH und Lactat-Konzentration gewählt. Der pH-Wert
ist in diesem Fall mit den Raman-Peaks von nur zwei Schwingungen der Phosphatgruppe
aus den Spektren berechenbar. Noch genauere Vorhersagen sind mit einem linearen
Modell basierend auf ausgewählten Signalen von Lactat, Glycogen, Kreatin (Cr), Kreatinphosphat
(PCr), ATP, IMP, der Phosphat- und Carbonyl-Gruppe sowie einem PLSR-Modell
möglich. Die Vorhersage der Lactat-Konzentration aus den Raman-Spektren ist
jedoch durch die Überlagerung von Signalen anderer Metabolite erschwert. Um die Beiträge
der Einzelkomponenten zu ermitteln, wurden deshalb die spektralen Veränderungen
im Schweinefleisch im Zeitraum zwischen 1 und 2 h sowie zwischen 2 und 8 h nach der
Schlachtung simuliert. Die Simulation umfasst Differenzspektren der Energiemetabolite
PCr und Cr, Glycogen und Lactat, ATP und IMP sowie Hydrogen- und Dihydrogenphosphat.
Darüber hinaus tragen die Raman-Signale alpha-helikaler Proteine, phosphorylierter
Zucker und das Differenzspektrum von Oxy- und Deoxymyoglobin zu den beobachteten
Veränderungen bei. Die gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und simulierten
Spektren beweist, dass die Raman-Spektren eine detaillierte Momentaufnahme des
frühpostmortalen Energiestoffwechsels im Muskel darstellen. Parallel zu diesen Studien
wurde ein mobiles Raman-System konstruiert und erfolgreich während zwei Feldstudien
in kommerziellen Schlachthöfen getestet. Die Raman-Spektren, die 1–2 h nach Schlachtung
detektiert wurden, können dabei zur Vorhersage wichtiger Qualitätsparameter wie
pH45, pH24, Tropfsaftverlust, Farbe und Scherkraft genutzt werden. Diese Parameter
sind in der Regel früh-postmortal nicht verfügbar, sondern erst durch zum Teil invasive
sowie arbeits- und zeitintensive Analysen 1–3 Tage nach der Schlachtung messbar. In
einer zweiten Studie ist die Vorhersagbarkeit von pH45, pH24 und Tropfsaftverlust aus
den früh-postmortalen Raman-Spektren bestätigt und sogar noch verbessert worden.
Die Korrelationen beruhen dabei hauptsächlich auf den zuvor identifizierten Signalen
der Metabolite des Energiestoffwechsels.
Damit wird in dieser Arbeit erstmals das große Potential der Raman-Spektroskopie
zur schnellen, nicht-invasiven und früh-postmortalen Bestimmung wichtiger Qualitätsparameter
von Schweinefleisch offenbart. Da hierzu Signale universell vorkommender Metabolite
des postmortalen Stoffwechsels genutzt werden, ist in Zukunft mit der Raman-
Spektroskopie möglicherweise eine frühzeitige Qualitätssortierung von Schweinefleisch
aber auch anderer Fleischsorten schon am Schlachtband realisierbar