Predicting the intramuscular fat content in porcine M. longissimus via ultrasound spectral analysis with consideration of structural and compositional traits | Schätzung des intramuskulären Fettgehaltes im M. longissimus des Schweines mittels Ultraschallspektralanalyse unter besonderer Berücksichtigung struktureller und kompositioneller Merkmale

Die vorliegende Studie wurde mit dem Ziel durchgeführt, die früh postmortale Bestimmung des intramuskulären Fettgehaltes (IMF) im musculus longissimus warmer Schweineschlachtkörper mittels Spektralanalyse der rückgestreuten Ultraschallsignale zu verbessern. Der IMF gilt weithin als einer der wichtigsten Faktoren für die Qualität des Fleisches und ist deshalb bereits lange Gegenstand umfangreicher Studien. Erste Untersuchungen, den IMF im Rückenmuskel des Schweins mit Hilfe der Spektralanalyse von unbearbeiteten Rückstreudaten zu schätzen, zeigten vielversprechende Ergebnisse (mittlerer Schätzfehler (RMSEP): 0,36 %). Ein für industrielle Nutzung benötigter Standard konnte allerdings noch nicht erreicht werden (Mörlein et al., 2005). Einer der Nachteile von Ultraschallsystemen ist der Einfluss von biologischem Gewebe auf Form und Struktur des Schallfeldes. Diese Einflüsse müssen korrigiert werden, bevor eine korrekte Aussage über das Gewebe getroffen werden kann. In einem ersten Schritt wurden dementsprechend an 27, für deutsche Schlachthöfe repräsentativen, Schweineschlachtkörpern Referenzdaten sowohl für den Muskel, als auch den Rückenspeck gesammelt. Die Proben wurden auf Höhe der 2. / 3. letzten Rippe entnommen und ihre Struktur (z.B. Faserdurchmesser) und Zusammensetzung (z.B. IMF, Trockenmasse) untersucht. Ultraschallmessungen wurden mittels eines akustischen Mikroskops (SAM) mit einer Mittenfrequenz von 10-MHz durchgeführt. Die Muskelproben wurden sowohl im nativen (24 Std. p.m.), als auch im bearbeiteten Zustand analysiert. Hierzu wurden die Proben entweder mittels Formaldehyd fixiert, tiefgekühlt oder für weitere 24 Stunden gelagert. Die erhaltenen Ergebnisse sollten eine Abschätzung des Einflusses der Bearbeitung und darüber hinaus einen Vergleich mit der Literatur ermöglichen. Bei der Analyse der Fettschichten wurden sowohl der komplette Rückenspeck (inklusive Haut), als auch die einzelnen Fettschichten und die Haut untersucht. Konstante Umgebungsbedingungen (z.B. Temperat ur) und eine genaue Dickenmessung ermöglichten eine exakte Bestimmung von Schallgeschwindigkeit und Dämpfung des untersuchten Gewebes. Um den Einfluss auf die Ultraschallparameter abschätzen zu können, wurden diese mit Struktur und Zusammensetzung des Gewebes verglichen. Die Ergebnisse lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: Die erhaltenen Referenzdaten für native Muskelproben, gemessen in Phosphat-gepufferter Salzlösung bei 38 °C liegen bei 1620 ± 5 ms-1 für die Schallgeschwindigkeit und 1,0 ± 0,3 dB MHz-1 cm-1 für die Dämpfung. Die Bearbeitung der Muskelproben ergab, dass weder Lagerung noch Gefrieren einen signifikanten Einfluss auf Schallgeschwindigkeit oder Dämpfung ausüben. Fixieren mit Formaldehyd erhöhte die Dämpfung signifikant (2,2 ± 0,6 dB MHz-1 cm-1). Die Nützlichkeit von Dämpfung zur Bestimmung des IMF im Muskel konnte bestätigt werden (r = ,66), während zwischen den weiteren Parametern (z.B. Trockenmasse, Protein) und der Schallgeschwindigkeit nur geringe Zusammenhänge auftraten. Die erhaltenen Ultraschalldaten unterschieden sich signifikant zwischen den einzelnen Schichten des Rückenspecks. Die Haut zeigte höhere Schallgeschwindigkeiten (1682 ± 23 ms-1) im Vergleich zu den Fettschichten (1436 ± 9 bis 1470 ± 37 ms-1). Die Dämpfung aller Schichten reichte von 1,6 ± 0,7 bis 2,7 ± 1,5 dB MHz-1 cm-1. Die signifikant höchsten Werte erreichten hier die Haut und die innere Fettschicht. Während die Schallgeschwindigkeit des Rückenspecks in erster Linie von dessen Dicke (und dem Anteil der Haut) bestimmt wird (r = -,80), zeigte sich für die Schallgeschwindigkeit der einzelnen Fettschichten eine Abhängigkeit vom Anteil der Trockenmasse (r = -,39) und den Fettsäuren (r = -,37). Nur geringe Zusammenhänge traten zwischen der Dämpfung und der Zusammensetzung der einzelnen Fettschichten auf. Die Ergebnisse bestätigten die Verwendbarkeit von Dämpfung zur Schätzung des IMF im Muskel. Weiterhin kann die dickenabhängige Schallgeschwindigkeit des Rückenspecks direkt für die Optimierung der Korrekturalgorithmen der Ultraschallmessungen Verwendung finden. Die erhaltenen Ergebnisse wurden in die Korrekturfunktionen eines modifizierten, tragbaren Ultraschallgerätes (UltraFOM 300; Carometec, Dänemark) mit einer Mittenfrequenz von 2,7 MHz und einem -6 dB Frequenzbereich von 2,1 bis 3,5 MHz übertragen. Hiermit wurden an insgesamt 82 hängenden Schlachtköpern (45 min p.m.) auf Höhe der 2. / 3. letzten Rippe Mehrfachmessungen (bis zu 3) durchgeführt. Von den insgesamt 218 Messungen mussten etwa 38 % auf Grund von niedriger Ankopplung, fehlerhafter Platzierung der ROI oder unzureichendem Signal-Rausch Abstand gelöscht werden. So lange mindestens ein Datensatz keine Fehler aufwies, wurde dieser für die statistische Analyse verwendet. Sobald für einen Schlachtkörper mehrere Datensätze vorlagen, wurden Mittelwerte für die Analyse herangezogen. Insgesamt konnten so 62 Schlachtkörper analysiert werden. Der IMF wurde chemisch mittels Äther-Extraktion bestimmt und mit Ultraschallparametern korreliert, bei denen ein Zusammenhang zwischen strukturellen Eigenschaften des Muskels und des IMF bekannt ist oder vermutet wird. Die erhaltenen Ergebnisse lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: Zwischen dem IMF und den untersuchten Ultraschallparametern zeigten sich niedrige bis mittlere lineare Korrelationen, wobei für die Dämpfung (r = ,61) und die integrierte Rückstreuung (r = ,56) die deutlichsten Zusammenhänge auftraten. Auf Grund der vergleichsweise niedrigen Wiederholbarkeit einiger Ultraschallparameter und der hohen IMF Variation innerhalb des Muskelquerschnitts war die Verwendung von Mittelwerten für eine verlässliche Bestimmung des IMF unerlässlich. Im Vergleich zu Einzelmessungen konnte so eine Reduktion des mittleren Schätzfehlers um etwa 0,1 % IMF realisiert werden. Insgesamt konnte mittels mehrfacher linearer Regression (MLR) ein mittlerer Schätzfehler von 0,34 % erreicht werden, wobei nur Variablen zur Verwendung kamen, die direkt mittels Ultraschallmessung zur Verfügung stehen. Ungefähr 76 % der IMF Variation konnte erklärt werden. Eine Einteilung der Schlachtkörper nach IMF in LOW (< 1%), MID, und HIGH (> 2 %) resultierte in etwa 73 % mittels MLR richtig geschätzter Proben. Dies bestätigt die Verwendbarkeit von Ultraschall zur Klassifizierung von Fleisch. Aus den genannten Ergebnissen lässt sich folgendes ableiten: Angepasste Korrekturfunktionen verbesserten die Genauigkeit der IMF-Schätzung im Vergleich zu früheren Untersuchungen. Gleichzeitig erweist sich die Methode auf Grund der Amplitudenunabhängigkeit der verwendeten Variablen als robuster gegenüber Messartefakten. Zusammenhänge zwischen Ultraschallparametern und mit dem IMF assoziierte Änderungen der Muskelstruktur konnten identifiziert werden. Zusätzliche Gewebemerkmale, die im Rahmen der vorliegenden Studie untersucht wurden, zeigten nur minimale Einflüsse auf die ermittelten akustischen Parameter. Mehrfachmessungen sind für eine adäquate IMF Schätzung unverzichtbar. Darüber hinaus erweist sich eine online Analyse der Daten als nötig, um Messartefakte zu identifizieren. Unter Berücksichtigung der IMF Variation sowohl im Querschnitt als auch im Längsverlauf des Muskels liegt der erhaltene Schätzfehler nahe am möglichen Optimum für Messungen an vergleichbar kleinen Muskelausschnitten.

This study aimed at improving the prediction of intramuscular fat (IMF) in porcine musculus longissimus via spectral analysis of the backscattered ultrasound signal on intact hot carcasses. The intramuscular fat content is considered to be one of the most important parameters influencing meat quality and its prediction was therefore the aim of multiple investigations. First attempts performed at porcine muscle via spectral analysis of unprocessed backscatter data showed promising results (prediction error (RMSEP): 0.36 %) but were not satisfying for industrial use at slaughter (Mörlein et al., 2005). One of the drawbacks of ultrasound systems is the influence of biological tissue on form and structure of the sound field which has to be corrected for quantitative analyses. Therefore, in a first step precise reference values have been collected for backfat and muscle on 27 pig carcasses representative for German slaughter facilities. Muscle and backfat samples were obtained at the position of the 2nd / 3rd last rib. Structural (e.g. fibre diameter) and compositional (e.g. fat, dry matter) traits were analysed in these samples under laboratory conditions. Acoustic measurements were performed using a scanning acoustic microscope with a 10-MHz centre frequency. Native muscle samples were analysed 24 hrs p.m.. In addition, formalin-fixed, frozen-thawed and aged (48 hrs p.m.) muscle samples were analysed to enable a comparison with literature data and to evaluate the influence of processing on the ultrasound parameters. The complete backfat (including skin), all 3 fat layers separately and the skin alone have been analysed. Constant environmental conditions (e.g. temperature) and exact thickness determination enabled accurate sound velocity and attenuation measurements. The obtained results were related to compositional and structural traits to evaluate their potential influence on the obtained reference values and therefore ultrasound measurements. The results can be summarised as follows: The obtained reference values measured for native muscle samples in phosphate-buffered saline at 38 °C were 1620 ± 5 ms-1 for sound velocity and 1.0 ± 0.3 dB MHz-1 cm-1 for attenuation. Processing of muscle samples revealed that neither storage nor freeze-thawing significantly altered sound velocity or attenuation. Fixation with formaldehyde significantly increased attenuation (2.2 ± 0.6 dB MHz-1 cm-1). Attenuation has proven its usefulness to predict the IMF in muscle (r = .66) while only small relationships were found for other compositional traits (e.g. dry matter, protein content) or sound velocity. Ultrasound parameters of backfat were significantly different between the investigated layers. Skin showed higher sound velocity (1682 ± 23 ms-1) compared to the fat layers (1436 ± 9 to 1470 ± 37 ms-1). Attenuation ranged between 1.6 ± 0.7 dB MHz-1 cm-1 and 2.7 ± 1.5 dB MHz-1 cm-1 for all layers. The highest values were found in skin and the inner fat layer. While the sound velocity of the compound sample is mainly influenced by the backfat width (r = -.80) and the percentage amount of skin, sound velocity of individual fat layers was slightly related to dry matter (r = -.39) and the fatty acids content (r = -.37). Only minor relationships could be stated between attenuation and compositional traits of the individual fat layers. The obtained results confirmed the usability of attenuation to predict the IMF in porcine muscle. Furthermore, backfat sound velocity values could directly be utilized for the optimization of correction algorithms of ultrasound measurements using a thickness dependent correction. The obtained results were implemented into the correction algorithms of a modified hand-held ultrasound device (UltraFOM 300; Carometec, Denmark) with a centre frequency of 2.7 MHz and a -6 dB frequency bandwidth between 2.1 and 3.5 MHz. Multiple measurements (up to 3) were performed on 82 hanging carcasses 45 min p.m. at the position of the 2nd / 3rd last rib. Out of the 218 obtained measurements, about 38 % had to be deleted due to bad coupling, ROI misplacement or insufficient signal-to-noise ratio. If at least one measurement remained per carcass, the measurement was included in the statistical analysis. If multiple measurements remained, averages were used for statistics. Overall, 62 carcasses were used for further analysis. The IMF content was chemically determined via ether extraction and correlated to ultrasound parameters which are known or expected to be related with structural alterations of the muscle induced by an increasing amount of IMF. The following results have been obtained: Linear correlations between IMF and the investigated ultrasound parameter are low to medium with maximum relationships to muscle attenuation (r = .61) and spectral amplitudes (r = .56). The low repeatability of some of the ultrasound parameters and the high cross-sectional variation of the IMF indicate that multiple measurements are necessary and the use of mean values is required for a reliable IMF prediction. In the current study, a reduction of about 0.1 % IMF of the RMSEP compared to individual measurements was observed. Overall, a RMSEP of 0.34 % could be realised predicting the IMF via multiple linear regression using only variables directly available via ultrasound measurement while about 76 % of the IMF variation could be explained. Assigning the carcass into LOW (< 1%), MID, and HIGH (> 2 %) IMF classes resulted in about 73 % correctly classified samples proving the practicability of ultrasound to identify high quality meat. From the given results the following can be concluded: Adequate correction algorithms improved the accuracy of IMF prediction in comparison with earlier investigations. In addition, due to the amplitude independency of the used variables, the method is more robust against measurement artefacts. Relationships between ultrasound parameters and IMF associated changes of the muscle structure have been identified. Additional compositional traits as analysed during our investigations (e.g. dry matter) do only slightly influence acoustic parameters. Multiple measurements per animal are required for sufficient IMF prediction. In addition, online analysis is required to identify artefacts during acquisition. Considering the cross-sectional and longitudinal variation of the IMF within the animal, the obtained RMSEP can be considered to be near to the optimum for measurements at small muscle regions.