Bornimer Agrartechnische Berichte
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19. Arbeitswissenschafltiches Kolloquium des VDI-MEG Arbeitskreises Arbeitswissenschaften im Landbau
(2014)
Der Bornimer Agrartechnischer Bericht 83 ist das Sammelwerk zum 19. Arbeitswissenschaftlichen Kolloquium des Fachausschusses Arbeitswirtschaft im Landbau beim VDI-MEG. Die Veranstaltung stand unter dem Motto „Arbeit im Wandel“ und findet im zweijährigen Turnus statt. 17 Einzelvorträge der unterschiedlichen Themen sind in ihrer Langfassung im Tagungsband veröffentlicht. Als Themenkomplexe wurden Arbeitsorganisation, Arbeitswissenschaftliche Methodik, Arbeitssicherheit, Ergonomie, Arbeitswirtschaft, Prozesstechnik und Betriebsmanagement mit Einzelbeiträgen im landwirtschaftlichen Kontext vorgestellt.
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Der methodologische und anwendungsorientierte Austausch zur Computergestützten Bildverarbeitung in der Agrarwirtschaft (CBA) war 1995 das Ziel, als die CBA-WORKSHOP-REIHE von der Ressortforschung des Bundes ins Leben gerufen wurde. Gastgeber waren wechselnde Forschungsinstitutionen in Deutschland. Die Themen umfassten landwirtschaftliche Fragestellungen von der molekularen und mikroskopischen Ebene bis zur räumlichen Analyse großer Landschaftsgebiete. Durch diese große thematische Bandbreite gab und gibt es Überschneidungen zu anderen Arbeitsbereichen. Daher zählt es zur Tradition des CBA-WORKSHOP, Veranstaltungen zusammen mit andern Arbeitskreisen durchzuführen. Beispielsweise wurde 2007 der 13. CBA-WORKSHOP zusammen mit dem 4. Workshop Precision Farming gemeinsam in Hohenheim abgehalten. Ein gemeinsamer Workshop mit internationalen Arbeitsgruppen fand 2009 statt, als der 15. CBA-WORKSHOP mit dem 1. Workshop der CIGR-Working Group Image Analysis for Agricultural Processes and Products (www2.atb-potsdam.de/CIGR-ImageAnalysis/) am ATB in Potsdam durchgeführt wurde. Und auch in diesem Jahr freuen wir uns auf eine gemeinsame Veranstaltung – mit den Arbeitsgruppen zum Einsatz von unbemannten Flugsystemen in der Landwirtschaft. Der Workshop zum Einsatz von Unmanned Aerial Systems (UAS) in der Landwirtschaft ist vergleichsweise jung. Er wurde erstmals 2012 von der Humboldt-Universität zu Berlin und dem ATB ausgerichtet. Die Veranstaltung fand großen Zuspruch aus dem deutschsprachigen Raum. Da bei der Datengewinnung durch UAS überwiegend optische Sensoren zum Einsatz kommen, lag es nahe, den CBA- und den UAS-WORKSHOP zu verbinden. In 2013 wurde der 19. CBA-WORKSHOP und 2. UAS-WORKSHOP gemeinsam von dem Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. (ATB) und der Beuth Hochschule für Technik Berlin (Beuth HS) ausgerichtet. Zum Organisations-Komitee gehörten Professor Michael Breuer, Harald Herda, Professor Dr. Karl-Heinz Strauch, Dr. Robin Gebbers, Andrea Gabbert, Professor Dr. Manuela Zude). Die Nutzung der Bildverarbeitung für die Steuerung und Datenerhebung sowie die radiometrische Auswertung nahm wie schon in der Vergangenheit einen Schwerpunkt ein. Phänotyping war ein weiterer Schwerpunkt. Besonderes Interesse riefen auch die Firmenpräsentationen hervor, die einen Innenhof der Beuth HS für Flugvorführungen nutzten.
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High pressure combined with elevated temperatures can produce low acid, commercially sterile and shelf-stable food. However, this promising sterilization technology has not yet been applied in industrial settings, which is largely due to the unknown inactivation mechanism of highly resistant bacterial spores. This study aimed to clarify the germination and inactivation behavior of Bacillus subtilis spores and isogenic mutant strains lacking part of the germination apparatus, within a wide pressure–temperature–time domain. To ensure reliable process conditions, all kinetic data were derived under isothermal and isobaric treatment conditions during pressure dwell time. To avoid any biasing errors in the experimental results caused by varying matrix conditions, a pH-measurement system for liquid and semi-solid foods up to 130 °C and 1 MPa was constructed. The use of this system showed that PBS buffer had nearly no shift of dissociation equilibrium up to 130 °C, and was therefore used for all thermal inactivation experiments. However, under high pressure ACES buffer was used, due to its relatively stable pKa value. After the treatment, the physiological state of each spore sample was analyzed using the plate count method and flow cytometry, and the amount of dipicolinic acid (DPA) released was quantified by HPLC. In order to optimize scanning electron microscopic evaluations, a focused ion beam section method was developed to investigate the internal structural changes in spores. Based on this set of methods, a mechanism was proposed in which 150 MPa at 37 °C induces a physiological-like DPA release, followed by cortex and small acid soluble protein (SASP) degradation, resulting in a subsequent inactivation. A pressure increase to 550 MPa retarded the completion of germination and disabled SASP degradation. High pressures in combination with high temperatures (≥ 60 °C) caused a rapid DPA release and spore inactivation. This suggests that the most sensitive structure under these conditions is the inner spore membrane. By using a multiresponse kinetic model, isorate pressure–temperature diagrams for the release of DPA, the formation of heat-sensitive and inactivated spores were calculated. It was confirmed that the first step of inactivation under high pressure is the release of DPA. Above a threshold pressure of 600 MPa the treatment temperature dominates germination and inactivation rate. The model used enabled the comparison of kinetic data derived in two different high pressure units with different compression rates. The kinetic data from this study and the suggested mechanisms can aid in optimizing this promising sterilization technology and will increase food safety.
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Der Einsatz bildgebender Sensorsysteme stellt für die Landwirtschaft eine Schlüsseltechnologie dar. Die Verfügbarkeit und Interpretation differenzierter zeit- und ortsbezogener Daten unterstützt maßgeblich die Verbindung ökologischer, ökonomischer und sozialer Aspekte für eine Landtechnik, die den globalen Anforderungen hinsichtlich Ernährung, Energie, Umwelt und Ressourcen in Zukunft gerecht wird. Dabei ist der interdisziplinäre Erfahrungsaustausch von Forschenden und Anwendern ein wesentlicher Aspekt. Der seit 1995 vom Leibniz.-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. koordinierte jährliche Workshop „Computer-Bildanalyse in der Landwirtschaft“ fördert gerade diesen Erfahrungsaustausch und zeichnet sich durch die Kombination innovativer Forschungsthemen in Verbindung mit anwendungsorientierten Fragestellungen aus. In 2012 fand der gut besuchte Workshop bereits zum dritten Mal am WABE-Zentrum/Klaus-Bahlsen-Haus des landwirtschaftlichen Versuchsbetriebs der Hochschule Osnabrück statt und wurde vom Competence Center of Applied Agricultural Engineering COALA organisiert (insbesondere durch das Team um Susanne Fittje). Die Entwicklung von Methoden und Algorithmen war dabei ein zentraler Fokus, der sowohl aus Industriesicht (z.B. zur Gemüsebewertung oder zum Fleischformschneiden) als auch unter Forschungsaspekten diskutiert wurde (Überlappungsproblem von Pflanzen, Smartphone-Messung der Düngerquerverteilung, Wurzelmessung im Boden oder Detektion von Blattkrankheiten). Spektrale bildgebende Methoden - „Spectral Imaging“ – gewinnen zunehmend an Bedeutung, im Workshop wurden erste Anwendungen dieser Methoden in Feldversuchen präsentiert. Mehrere technologische Neuerungen wurden vorgestellt, hierzu zählen eine 1-Chip-NDVI-Kamera, Multicopter zur Pflanzenanalyse oder Multireflex-Ultraschallsysteme. Die Sensor-Aktor-Kopplung mit bildgebenden Systemen eröffnet weitreichende Möglichkeiten, die Präsentation zur Laser-Unkrautregulierung in Verbindung mit der Bildanalyse fand dabei besonderes Interesse. Der vorliegende Band enthält neben den Beiträgen zum 18. Workshop (Osnabrück) auch die Veröffentlichungen zum 17. Workshop (Stuttgart).
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Microbial contamination of fruits and vegetables can lead to high economic losses as well as to foodborne diseases. Washing procedures, which are commonly applied, only reduce the microbial load by 0.5 to 2 log units. Conventional thermal inactivation processes cannot be applied to fresh fruit and vegetables because these products are physiologically active food systems and temperatures above 45 °C can result in unwanted deterioration. Since heat sensitivity of fruits and vegetables limits the application of thermal inactivation processes, new emerging inactivation technologies have to be established to fulfil the requirements of food safety without affecting the produce quality. On one hand an early detection of produce contamination is essential to enable a contamination-related process design and on the other hand the efficiency of inactivation treatments has to be ensured and monitored. Monitoring of inactivation effects is commonly performed using traditional cultivation methods which have the disadvantage of the length of time needed to obtain results. In this study, the potential of flow cytometry in short-time monitoring of inactivation effects (thermal treatment, treatment with peracetic acid, ozone, and atmospheric pressure plasma) was investigated. For this purpose morphological and physiological properties of bacteria (size, granularity, membrane integrity (thiazole orange & propidium iodide), esterase activity (carboxyfluorescein diacetate), pump activity (carboxyfluorescein efflux), and membrane potential (3,3'-diethyloxacarbocyanine iodide)) were determined by flow cytometry. In the initial step appropriate staining procedures had to be developed. Especially, Gram-negative bacteria restrict the dye uptake due to their cell membrane constitution. This limits the determination of esterase activity of Gram-negative bacteria. In this study, an adequate dye concentration (0.83 mmol l-1 carboxyfluorescein diacetate) and incubation time (45 min) at 37 °C were defined which enables a reliable determination of esterase activity of Gram-negative bacteria. This developed staining procedure was successfully applied to monitor inactivation treatments. It was shown that the test bacteria (E. coli, L. innocua, P. carotovorum) lose their culturability due to the applied inactivation treatments but physiological activities were still detectable using flow cytometry. The remaining physiological activities may still result in product spoilage and also may cause human diseases. For example, E. coli cells still showed esterase activity after 10 min of thermal treatment at 70 °C and also after 2 min treatment with 0.25 % PAA at 10 °C. Esterase activity of E. coli cells was also detected after 2 min plasma treatment with an operating power of 40 W. The degree of bacterial damage due to the inactivation processes is highly dependent on treatment parameters as well as on treated bacteria. This study clearly indicates the potential of flow cytometry to monitor the efficacy of inactivation processes within a short time. Additionally, important information regarding the inactivation mechanisms can be obtained by flow cytometric measurements and this enables the definition of critical process.
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The objective of the workshop titled “The future of the quarter individual milking” is to discuss the results of such collaboration with the pioneering scientists and to light the future path in milking technology area. This objective is planned to be achieved by gathering international state of knowledge in quarter individual milking and discussing the fundamental papers. Individual quarter milking is now a feature of automatic and conventional milking systems. Hence, a special attention to use systems with quarter-individual milking should be given to reduce SCC and udder diseases in all dairy farms.
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Im Rahmen des BMBF/PTJ-Verbundprojektes „Erschließung von Nachhaltigkeitspotenzialen durch Nutzung innovativer Sensortechnologien und ganzheitlicher Bewertungsmodelle in der Produktionskette von pflanzlichen Lebensmitteln - ProSenso.net 2“ wurden seit Juli 2006 für die zwei wirtschaftlich bedeutenden Wertschöpfungsketten Getreide und Obst/Gemüse/Kartoffeln innovative praxisnahe Lösungskonzepte entwickelt, die erheblich zur Gewährleistung von Produktqualität und -sicherheit beitragen können. Mit den neu- oder weiterentwickelten sensorgestützten Lösungen lassen sich Prozess- und Produktqualitäten an den relevanten kritischen Stellen der Prozesskette online bestimmen. In der Wertschöpfungskette Getreide war die Reduktion von Mykotoxinen ein Schwerpunktthema und konnte durch frühzeitiges Erkennen befallener Pflanzen auf dem Feld, durch berührungslose Detektion von Schimmelpilz- und Mykotoxinbelastungen im Lager und durch sensorgestützte Optimierung der Trocknerregelung realisiert werden. In der Wertschöpfungskette Obst/Gemüse/Kartoffeln bildeten die Erfassung von spezifischen Produkteigenschaften durch Sensoren im Prozess, die Entwicklung eines Nachweisverfahrens für bakterielle Kontaminationen in der Gemüsewäsche und der Aufbau eines modularen intelligenten Systems zur durchgängigen Qualitätskontrolle die Arbeitsschwerpunkte.
