Statistical evaluation of texture analysis from the biocrystallization method

The consumers are becoming more concerned about food quality, especially regarding how, when and where the foods are produced (Haglund et al., 1999; Kahl et al., 2004; Alföldi, et al., 2006). Therefore, during recent years there has been a growing interest in the methods for food quality assessment, especially in the picture-development methods as a complement to traditional chemical analysis of single compounds (Kahl et al., 2006). The biocrystallization as one of the picture-developing method is based on the crystallographic phenomenon that when crystallizing aqueous solutions of dihydrate CuCl2 with adding of organic solutions, originating, e.g., from crop samples, biocrystallograms are generated with reproducible crystal patterns (Kleber & Steinike-Hartung, 1959). Its output is a crystal pattern on glass plates from which different variables (numbers) can be calculated by using image analysis. However, there is a lack of a standardized evaluation method to quantify the morphological features of the biocrystallogram image. Therefore, the main sakes of this research are (1) to optimize an existing statistical model in order to describe all the effects that contribute to the experiment, (2) to investigate the effect of image parameters on the texture analysis of the biocrystallogram images, i.e., region of interest (ROI), color transformation and histogram matching on samples from the project 020E170/F financed by the Federal Ministry of Food, Agriculture and Consumer Protection(BMELV).The samples are wheat and carrots from controlled field and farm trials, (3) to consider the strongest effect of texture parameter with the visual evaluation criteria that have been developed by a group of researcher (University of Kassel, Germany; Louis Bolk Institute (LBI), Netherlands and Biodynamic Research Association Denmark (BRAD), Denmark) in order to clarify how the relation of the texture parameter and visual characteristics on an image is. The refined statistical model was accomplished by using a lme model with repeated measurements via crossed effects, programmed in R (version 2.1.0). The validity of the F and P values is checked against the SAS program. While getting from the ANOVA the same F values, the P values are bigger in R because of the more conservative approach. The refined model is calculating more significant P values. The optimization of the image analysis is dealing with the following parameters: ROI(Region of Interest which is the area around the geometrical center), color transformation (calculation of the 1 dimensional gray level value out of the three dimensional color information of the scanned picture, which is necessary for the texture analysis), histogram matching (normalization of the histogram of the picture to enhance the contrast and to minimize the errors from lighting conditions). The samples were wheat from DOC trial with 4 field replicates for the years 2003 and 2005, “market samples”(organic and conventional neighbors with the same variety) for 2004 and 2005, carrot where the samples were obtained from the University of Kassel (2 varieties, 2 nitrogen treatments) for the years 2004, 2005, 2006 and “market samples” of carrot for the years 2004 and 2005. The criterion for the optimization was repeatability of the differentiation of the samples over the different harvest(years). For different samples different ROIs were found, which reflect the different pictures. The best color transformation that shows efficiently differentiation is relied on gray scale, i.e., equal color transformation. The second dimension of the color transformation only appeared in some years for the effect of color wavelength(hue) for carrot treated with different nitrate fertilizer levels. The best histogram matching is the Gaussian distribution. The approach was to find a connection between the variables from textural image analysis with the different visual criteria. The relation between the texture parameters and visual evaluation criteria was limited to the carrot samples, especially, as it could be well differentiated by the texture analysis. It was possible to connect groups of variables of the texture analysis with groups of criteria from the visual evaluation. These selected variables were able to differentiate the samples but not able to classify the samples according to the treatment. Contrarily, in case of visual criteria which describe the picture as a whole there is a classification in 80% of the sample cases possible. Herewith, it clearly can find the limits of the single variable approach of the image analysis (texture analysis).

Validierung von HPLC-Methoden zur Bestimmung von Polyphenolen und Carotinoiden in Möhren, Weizen und Mais unterschiedlicher Herkunft

In den vorliegenden Untersuchungen wurde der Gehalt von Carotinoiden in Weizen, Mais und Möhren sowie der Polyphenolgehalt in Möhren mit analytischen Methoden zum Nachweis dieser Substanzen gemessen. Der Gehalt der Carotinoide in Mais und der Gehalt der phenolischen Bestandteile in Möhren wurde mit Messungen mittels HPLC-Analytik gemessen. Die Methoden wurden aus literaturbekannten Verfahren abgeleitet und an die Anforderungen der untersuchten Probenmatrices angepasst und validiert. Dem Verfahren lag die Frage zugrunde, ob es möglich ist, Kulturpflanzen aus verschiedenen Anbausystemen auf der Basis des Gehaltes bestimmter sekundärer Pflanzeninhaltsstoffe zu differenzieren und aufgrund von Unterschieden im Gehalt der sekundären Pflanzeninhaltsstoffe zu klassifizieren. Die Gesamtverfahren wurden dabei gemäß der ISO 17025 validiert. Für die Messungen standen Proben aus definierten Langzeitversuchen und Erzeugerproben ausgesuchter ökologisch bzw. konventionell arbeitender Anbaubetriebe zur Verfügung. Als Grundlage für eine valide Methodeneinschätzung wurden die Messungen an codierten Proben vorgenommen. Eine Decodierung der Proben erfolgte erst nach der Vorlage der Messergebnisse in den genannten Projekten. Die Messung und Auswertung des Carotinoidgehaltes in Weizen, Mais und Möhren vor dem Hintergrund der Differenzierung und Klassifizierung erfolgte in Proben eines Erntejahres. Die Messung des Gehaltes phenolischer Substanzen in Möhren erfolgte in Möhren aus 3 Erntejahren. Die verwendeten HPLC-Verfahren konnten in Bezug auf den analytischen Teil der Messungen in den einzelnen Verfahrensschritten Linearität, Spezifität, Präzision und Robustheit erfolgreich überprüft werden. Darüber hinaus wurden wichtige Einflussgrößen auf die Messungen bestimmt. Für die Verfahren zur photometrischen Bestimmung der Gesamtcarotinoide konnte eine Grundkalibrierung der Parameter Präzision und Linearität des Verfahrens erfolgreich durchgeführt werden. Während der Anwendung der HPLC-Methoden an codierten Proben konnten in allen untersuchten Probenmatrices quantitativ bedeutende Inhaltsstoffe nachgewiesen und identifiziert werden. Eine vollständige Identifizierung aller dargestellten Peaks konnte in den Untersuchungen der Polyphenole in Möhren und der Carotinoide in Mais nicht erfolgen. Im Hinblick auf die Frage nach der Differenzierung und Klassifizierung ergab sich in den verschiedenen Proben ein unterschiedliches Bild. Sowohl durch den Carotinoid- als auch den Polyphenolgehalt konnten einzelne Proben statistisch signifikant differenziert werden. Die Trennleistung hing dabei sowohl von den jeweiligen Komponenten als auch von der untersuchten Probenmatrix ab. Ein durchgängig höherer Gehalt sekundärer Pflanzeninhaltsstoffe in Proben aus ökologischem Anbau konnte nicht bestätigt werden. Für die Klassifizierung der Proben verschiedener Anbauvarianten und konnten multivariate statistische Methoden, wie lineare Diskriminantenanalyse (LDA) und Classification and Regression Tree (CART), erfolgreich angewandt werden. Eine Klassifizierung mit unterschiedlichen statistischen Verfahren erbrachte dabei unterschiedliche Ergebnisse. In der Klassifizierung der decodierten Proben mittels LDA wirkten sich die Faktoren Sorte und Standort stärker auf das Klassifizierungsergebnis aus als der Faktor Anbausystem. Eine Klassifizierung der decodierten Proben nach dem Anbausystem wurde mit dem CART-Verfahren durchgeführt. Auf dieser Basis wurden für die Polyphenole in Möhren 97 % der Proben richtig klassifiziert. Durch die Messwerte des Carotinoidgehaltes und des Luteingehaltes in Weizen konnte der größere Teil der Proben (90 %) korrekt klassifiziert werden. Auf der Basis des Carotinoidgehaltes in Mais wurde der Großteil der Proben (95 %) korrekt nach dem Anbausystem klassifiziert. Auf der Basis des mittels HPLC gemessenen Carotinoidgehaltes in Möhren konnten die Proben 97 % korrekt klassifiziert werden (97 %). Insgesamt erscheint der Grundgedanke der Klassifizierung durch den Gehalt sekundärer Pflanzeninhaltsstoffe vielversprechend. Durch die vielfältigen Einflussgrößen auf den Sekundärstoffwechsel von Pflanzen müssten Veränderungen, die durch Sorte und Standort auftreten, über mehrere Jahre erhoben und systematisiert werden.

Einfluss exogener und endogener Faktoren auf den Gehalt sekundärer Pflanzenstoffe (Carotinoide und Polyphenole) von Möhre (Daucus carota L.) und Weizen (Triticum aestivum L.)

Die vielfältigen Funktionen der sekundären Pflanzenstoffe sowohl im Organismus der Pflanze, als auch im Körper des Menschen bieten der Wissenschaft ein weites Betätigungsfeld. Die Carotinoide findet man in fast allen Plastiden der Pflanze und sie erfüllen dort Aufgaben in Form von Pigmenten, Antioxidantien, Hormonen und zählen außerdem zu den wichtigsten Bestandteilen des Photosyntheseapparates. Im menschlichen Organismus hingegen wirken sie als Provitamin A und in den Endverästelungen der Blutgefäße bei niedrigem Sauerstoffpartialdruck. Des Weiteren besitzen sie die Fähigkeiten freie Radikale unschädlich zu machen und wirken in vitro als Fänger von energiereichem Singulettsauerstoff. Die Polyphenole, die man zu der Stoffgruppe der Phenole zählt, befinden sich in den Randschichten von Obst, Gemüse, Getreide und anderen Samen. Ihnen obliegt die Aufgabe die darunter befindlichen Gewebe vor antioxidativem Verderb zu schützen. Im Körper des Menschen dagegen besitzen sie eine gerinnungshemmende Wirkung, schützen die Zellen vor Oxidation und üben Fähigkeiten aus, die Krebs vorbeugen können. Im Zuge dieser Literaturarbeit werden endogene und exogene Faktoren beschrieben, die auf Pflanzen allgemein und auf die Fokusprodukte Möhre (Daucus carota L.) und Weizen (Triticum aestivum L.) speziell einwirken. Die pflanzenphysiologische Herkunft und Bedeutung der sekundären Pflanzenstoffgruppen Carotinoide und Polyphenole wird dargestellt. Schließlich wird die vorhandene Literatur ausgewertet, die sich mit der Beeinflussung des Gehaltes der genannten sekundären Pflanzenstoffe in den gewählten Fokusprodukten durch exogene und endogene Faktoren beschäftigt. Die Beeinflussung des Polyphenolgehaltes in Möhre und des Carotinoid- und Polyphenolgehaltes in Weizen ist nur wenig untersucht. Dagegen ist die Beeinflussung des Carotinoidgehaltes in Möhren durch exogene und endogene Faktoren gut beschrieben. Der Faktor „Sorte“ spielt aufgrund der vorhandenen genetischen Anlagen (carotinoidreich / carotinoidarm) eine wesentliche Rolle bei der späteren Ausbildung des Carotinoidgehaltes in der Möhre. Die Reife der Möhre, die u.a. das Ergebnis des Einwirkens exogener Faktoren, wie Temperatur, Wuchsraum, verfügbare Wassermenge im Boden sowie der Niederschläge ist, beeinflusst maßgeblich den späteren Gehalt an Carotinoiden. Des Weiteren üben noch anbautechnische Maßnahmen (z.B. Düngung, Herbizidbehandlungen, Produktionstechnik) einen Einfluss auf den Carotinoidgehalt der Möhre aus. Der Phenolgehalt in Möhren wurde bisher ausschließlich auf Sortenebene verglichen. In einer Studie von Zhang & Hamauzu (2004) fand man heraus, dass der Phenol-Gehalt in den verschiedenen Geweben der Möhre von der Schale in Richtung Phloem und Xylem anstieg, während sich die antioxidantischen und radical scavening Aktivitäten auf gleiche Weise, wie der Phenol-Gehalt erhöhten und wiederum mit dem totalen Phenol-Gehalt korrelierten. Die phenolischen Extrakte verfügten über stärkere radical scavening Fähigkeiten, als die zum Vergleich herangezogenen Reinsubstanzen Chlorogensäure, Vitamin C und β-Carotin. Insgesamt wurde aufgrund dieser Studie vermutet, dass sich der höchste Gehalt an Phenolen in der Schale der Möhre befindet. Das geringe Vorliegen von Studien bezüglich des Carotinoid- und Phenolgehaltes in Weizen kann man darauf zurückführen, dass die sekundären Pflanzenstoffe im Vergleich zum Proteingehalt keine wesentliche Rolle als Qualitätsmerkmal beim Fokusprodukt Weizen spielen. Der Gehalt an Phenolen und Carotinoiden wurde bisher ausschließlich auf Sortenebene untersucht. Die Untersuchungen ergaben, dass der Gehalt an sekundären Pflanzenstoffen (Phenole, Tocopherole, Carotinoide) stark durch die Sorte beeinflusst wird.

Entwicklung, in-house Validierung und Anwendung des ganzheitlichen Verfahrens Biokristallisation für die Unterscheidung von Weizen-, Möhren- und Apfelproben aus unterschiedlichem Anbau und Verarbeitungsschritten

Die Qualität ökologischer Produkte wird über den Prozess und nicht am Produkt selbst bestimmt. Die zunehmende Nachfrage nach ökologischen Produkten fordert Methoden, die den Prozess am Produkt zeigen (Authentizitätsprüfung). Eine Literaturstudie für die vorliegende Habilitationsschrift ergab, dass ganzheitliche Verfahren sich dazu besonders eignen. Zu solchen ganzheitlichen Verfahren gehört die Biokristallisation. Bei diesem Verfahren kristallisiert eine Mischung aus Probe und CuCl2 auf einer Glasplatte zu einem Bild, das sowohl visuell, als auch computergestützt ausgewertet werden kann. Es wurden zunächst alle Schritte im Labor dokumentiert und entsprechende Standardarbeitsanweisungen erstellt. Mit einem eigens entwickelten Computerprogramm werden die Bedingungen während der Probenaufbereitung und Kristallisation für jede Probe und jedes Bild erfasst. Mit einer Texturanalyse können auch die für diese Arbeiten erstellte große Menge an Bildern ausgewertet und die Ergebnisse statistisch bearbeitet werden. Damit ist es möglich das Verfahren und Methoden für Weizen- und Möhrenproben zu charakterisieren. Es wurden verschiedene Einflussgrößen untersucht. Das Verfahren ist besonders gegenüber Änderungen in der Probenvorbereitung (z.B. Vermahlung, Mischungsverhältnis) empfindlich. Es wurde sowohl die Methodenstreuung, als auch der Anteil einzelner Schritte an der Gesamtstreuung für Weizen-, Möhren- und Apfelproben ermittelt. Die Verdampfung und Kristallisation hat den größten Anteil an der Gesamtstreuung. Die Durchführung eines Laboreignungstests zeigte, dass die so dokumentierten und charakterisierten Methoden in anderen Laboratorien erfolgreich eingesetzt werden können. Das Verfahren wurde für die nominale Unterscheidung von Weizen-, Möhren- und Apfelproben aus unterschiedlichem Anbau und Verarbeitungsschritten eingesetzt. Weizen-, Möhren- und Apfelproben aus definiertem Anbau können signifikant unterschieden werden. Weizen-, Möhren- und Apfelproben vom Erzeuger (Markt) konnten im Paarvergleich (ökologisch, konventionell) teilweise signifikant getrennt werden. Das Verfahren ist auch für die Charakterisierung von verarbeiteten Proben einsetzbar. Es konnte der Einfluss von Saftherstellung, Erwärmung und Alterung signifikant gezeigt werden. Darüber hinaus lässt sich das Verfahren auf weitere Probenarten anwenden. Das Verfahren arbeitet ganzheitlich, d.h. es werden keine Einzelstoffe analytisch bestimmt, sondern als Ergebnis wird ein Bild erhalten. Die Textur- und Struktureigenschaften dieses Bildes können mit standardisierten Methoden ausgewertet werden.

Moden unter besonderer Berücksichtigung der Rolle von Neuheit - am Beispiel der Bekleidung

Verschiedene Bedeutungen sind mit dem Begriff Mode verbunden. Mode ist nicht ausschließlich ein Synonym für Bekleidung. Vielmehr bezeichnet Mode den ständigen Wandel kollektiver Verhaltensweisen und bildet damit das Gegenstück zu Traditionen. Die Vergänglichkeit einer Mode ist ebenso Merkmal wie ein Verhalten, daß aus der Interaktion der Menschen resultiert. Mode läßt sich als exogener Schock modelliert oder durch endogene Prozesse erzeugt abbilden. Im synergetischen Modell erzeugen Personen auf der Makroebene bestimmte Ordner, die als Moden interpretiert werden können und an denen sich die Individuen wiederum orientieren. Neben einer umfassenden Betrachtung des Terminus Mode wird der Stand der sozial- und wirtschaftswissenschaftlichen Forschung zur Erklärung von Mode referiert. Ausgangspunkt der Dissertation ist das Fehlen eines ökonomischen Erklärungsansatzes der Mode, der unter Berücksichtigung der wesentlichsten Motive menschlichen Handelns die Vielseitigkeit dieses kollektiven Phänomens in einem mathematischen Modell abbildet. Ein solches Modell wird in der Arbeit entwickelt. Neben den sozial abhängigen Verhaltensweisen, die ein fundamentales Wesensmerkmal der Mode darstellen, gilt dem Aspekt der Neuheit im Kontext der Mode besondere Aufmerksamkeit. Auf das Problem, Neugierdeverhalten und Neuheit zu modellieren, wird detailliert eingegangen. Es ist weder Ziel der Arbeit, den Ursprung der inhaltlichen Ausgestaltung einer Mode zu identifizieren, noch die konkreten Entstehungszusammenhänge von Neuheit herauszuarbeiten. Vielmehr wird der Wirkungszusammenhang von Neuem im Kontext der Mode analysiert, um verschiedene Entstehungszusammenhänge von Mode darstellen zu können. Außerdem wird eine eigene empirische Studie zum Verhalten von Personen in bezug auf Kleidung und deren Neuartigkeit vorgestellt. Die Erhebungsdaten werden mit Hilfe der sogenannten Kohonenkarte klassifiziert, wobei insbesondere nichtlineare Zusammenhänge zwischen den Variablen berücksichtigt werden können. Im Rahmen eines synergetischen Erklärungsansatzes ist diese Karte deshalb von großem Interesse, weil sie sich selbst organisiert und deshalb dem synergetischen Erklärungsansatz modelladäquat ist.

Die Wirkungen von Extensivierungs- und Vertragsnaturschutzprogrammen auf die Entwicklung einer "gerade noch aktuellen Agrarlandschaft"

Erfolgskontrollen für Agrarumweltprogramme bezogen sich bisher meistens auf einzelne Flächen oder auf programmbezogene, großräumige Evaluationen. Es wurde jedoch kaum untersucht, wie sich die Maßnahmen auf die Entwicklung einzelner Naturräume auswirken. Auch gab es keine Studien, welche die Wechselwirkungen zwischen den Beweggründen der Landnutzer auf der ei-nen- sowie Landnutzung und Vegetation auf der anderen Seite interpretierten. Die Dissertation Wirkungen von Extensivierungs- und Vertragsnaturschutzprogrammen auf die Entwick-lung einer »gerade noch aktuellen Agrarlandschaft« hat diese Lücke geschlossen. Sie erklärt, welche Bedeutung die hessischen Programme HELP und HEKUL für den hohen Anteil naturschutzfachlich wertvollen Grünlands im Rommeroder Hügel-land westlich des Meißner haben. Untersuchungsgegenstand waren die Grünlandvegetation und die landwirtschaftlichen Betriebe mit ihren Menschen und deren Beweggründen. Diese Inhalte er-forderten eine Vorgehensweise, die sowohl sozialwissenschaftliche als auch naturwissenschaftliche Methoden einbindet, um Bezüge zwischen Betrieben und Grünlandvegetation zu er-kennen. Umfangreiche pflanzensoziologische Untersuchungen und Interviews der Betriebsleiter waren Grundlage für eine Schlagdatenbank und weitergehende Auswertungen. Die Interpretation vegetationskundlicher Erhebungen im Kontext betrieblicher Entscheidungen und Beweggründe erforderte es, althergebrachte Ansätze in neuer Form zu verknüpfen. Die Bewertung der Programmwirkungen stützte sich auf die Schlagdatenbank und auf vier Szena-rien zur zukünftigen Gebietsentwicklung bei unterschiedlichen Programmfortschreibungen. Zur Darstellung von Erhebungen und Ergebnissen entstand eine Vielzahl thematischer Karten. Der überdurchschnittlich hohe Anteil naturschutzfachlich bedeutsamer Grünlandtypen auf den Programmflächen und die Interpretation der Szenarien belegten eine hohe Wirksamkeit von HELP und HEKUL im Gebiet. Nicht nur auf den Vertragsnaturschutzflächen des HELP, sondern auch auf dem HEKUL-Grünland sind naturschutzfachlich bedeutende Vegetationstypen überproportional vertreten. Die vier Szenarien ließen erkennen, dass eine Beschränkung des HELP auf Schutzgebiete, eine Abschaffung der HEKUL-Grünlandextensivierung oder gar eine ersatzlose Strei-chung beider Programme zu erheblichen Verschlechterungen der naturschutzfachlichen Situation führen würde. Gleichzeitig war festzustellen, dass es ohne die landwirtschaftlich schwierigen natur-räumlichen Verhältnisse sowie eine eher großteilige Agrarstruktur mit überdurchschnittlich flächen-starken und wirtschaftlich stabilen Vollerwerbsbetrieben keine so deutlichen Programmwirkungen gegeben hätte. Auch die Tatsache, dass viele Landwirte eine intensive Landwirtschaft aus innerer Überzeugung ablehnen und mit einer erheblich geringeren Stickstoffintensität wirtschaften als es HEKUL verlangt, wirkte verstärkend. Die große Bedeutung individueller Beweggründe einzelner Betriebsleiter wurde auch in den engen Beziehungen einzelner Grünland-Pflanzengesellschaften zu bestimmten Betriebstypen und sogar einzelnen Höfen sichtbar, deren Beschreibung und Interpretation wichtige Erkenntnisse zu den so-zioökonomischen Voraussetzungen verschiedener Vegetationstypen lieferte. Für die zukünftige Entwicklung der hessischen Agrarumweltförderung empfiehlt die Dissertation eine Einführung und bevorzugte Anwendung ergebnisorientierter Honorierungsverfahren, eine bessere Berücksichtigung des gering gedüngten Grünlands über eine differenzierte Förderung sehr extensiver Düngeregime, eine stärkere Modularisierung des Gesamtprogramms und eine Durchführung aller Maßnahmen im Vertragsverfahren. Die betriebszweigbezogene Grünlandextensivierung sollte zukünftig in Kulissen angeboten werden, in denen ein verstärktes Wechseln von Betrieben in die Mindestpflege nach DirektZahlVerpflV zu erwarten ist.