La spettroscopia NIR:

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La spettroscopia NIR:
cos’è e quando applicarla
In questi ultimi anni i consumatori sono sempre più attenti all’alimentazione e mostrano
elevate aspettative nei confronti degli alimenti e dell’industria agro-alimentare che deve
garantire la qualità dei prodotti. A fronte di ciò, diventa necessario per le aziende del settore alimentare
disporre di metodiche analitiche per la valutazione della qualità e della genuinità degli alimenti che siano,
contrariamente alle metodiche convenzionali, rapide, poco costose, attendibili e integrabili all’interno del processo
produttivo. In tal senso, vi è, oggi, un grande interesse per lo sviluppo di metodiche analitiche innovative, dovuto sia
alle esigenze di tutela del consumatore sia alla necessità di essere conformi ai limiti imposti dalle normative vigenti.
La spettroscopia nel vicino infrarosso (NIR) si afferma come metodo
valido per l’analisi qualitativa e quantitativa di molti prodotti nell’industria alimentare. Questa tecnica presenta una serie di vantaggi rispetto alle metodiche analitiche convenzionali: è, infatti, veloce (per l’acquisizione spettrale del campione sono necessari solo pochi minuti),
non è distruttiva (il campione, dopo lettura spettroscopica, può essere riutilizzato), non è invasiva (nel senso che le radiazioni usate hanno
contenuto energetico molto basso che non provoca un trasferimento
di energia al campione sottoforma di calore) e inoltre non necessita di
preparazione del campione.
La spettroscopia NIR è una metodica analitica di tipo fisico basata sull’assorbimento di radiazioni elettromagnetiche caratterizzate nella
zona del vicino infrarosso da numeri d’onda tra 12800 e 4000 cm-1
(780-2500 nm) (fig. 1). Il segnale analitico che si ottiene dipende dalle
proprietà chimico-fisiche del campione che durante l’analisi viene colpito da radiazioni incidenti, le quali possono essere assorbite, in parte trasmesse ed in parte riflesse (fig 2). Lo spettro ottenuto, ponendo l’intensità dell’assorbimento in funzione dei numeri d’onda, è caratterizzato
da picchi riferibili a gruppi funzionali specifici presenti nel campione (fig
3). Ne risulta che la spettroscopia NIR è una tecnica analitica molto efficace per determinare in tempi ridotti e in modo simultaneo numerose
proprietà dei prodotti agro-alimentari. Nell’intervallo spettrale del vicino
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infrarosso si collocano le bande di assorbimento dovute ad overtones o
a combinazioni di transazione vibrazionale di molti legami (C-H, N-H, OH, P-H, S-H) (fig. 4). Tale tecnica, quindi, permette di effettuare un’analisi di tipo quantitativo per la determinazione di componenti che contengono tali legami (acqua, proteine, lipidi, carboidrati).
Spettrometro MPA (Multi Pur pose Analysis) FT-NIR, Bruker Optics.
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Nicoletta Sinelli - Dipartimento Scienze e Tecnologie Alimentari e Microbiologiche, Università degli Studi di Milano, Via Celoria 2, Milano
L’impiego della spettroscopia NIR per la determinazione della composizione chimica degli alimenti richiede una fase di calibrazione che prevede l’individuazione di campioni rappresentativi e uno studio statistico fra i dati di composizione chimica e le proprietà degli spettri. Dopo
alcune operazioni di modellazione matematica e di validazione, realizzati con metodi chemiometrici, lo strumento è in grado di predire la
composizione chimica di campioni ignoti con un margine di errore
definito dalla precisione statistica della regressione. L’attendibilità
della previsione si misura in base al valore del coefficiente di determinazione (R2), dell’errore standard della calibrazione (SEC) e dell’errore
standard della validazione incrociata (SEP) o predizione.
Le applicazioni possibili per la tecnica NIR sono molto vaste e in continuo aumento. Possiamo distinguerle in quantitative, il cui fine è
quello di determinare la concentrazione di un analita in una matrice,
qualitative, che hanno come obiettivo la classificazione dei campioni,
e tecniche combinate, che utilizzano la tecnica NIR come parte di un
processo sperimentale più ampio.
Le tecniche quantitative rappresentano gli albori della spettroscopia
NIR: le prime applicazioni sono in campo agricolo negli anni ’60 e
riguardano la determinazione del contenuto di umidità di diversi prodotti, tra cui cariossidi di grano, semi di soia e sfarinati. A partire dagli
anni ’70 la spettroscopia NIR viene utilizzata a scopo analitico per
quantificare in modo rapido proteine, umidità e grasso in diversi
cereali e derivati. Dagli anni ‘80 le applicazioni di tipo quantitativo
sono notevolmente aumentate, e sono state impiegate sia per rilevare
composti presenti in bassa concentrazione (caffeina nel tè, determinazione del numero di perossidi in campioni di oli), sia per la determinazione contemporanea in un prodotto di un insieme di parametri, siano
essi chimici o fisici. Recentemente l’interesse e le possibili applicazioni
della spettroscopia nel vicino infrarosso sono aumentati grazie allo sviluppo delle tecniche chemiometriche e dell’informatica. Oltre alle tradizionali e ormai consolidate analisi di tipo quantitativo, si sono sviluppate applicazioni di tipo qualitativo, che hanno come obiettivo la classificazione dei campioni, e applicazioni ai processi industriali, con lo
scopo di monitorare ciascuna fase e di effettuare azioni correttive
immediate qualora il processo vada fuori controllo.
Il nostro gruppo di ricerca opera al Dipartimento Scienze e
Tecnologie Alimentari e Microbiologiche (sezione Tecnologie
Alimentari), sotto la guida della Professoressa Ernestina Casiraghi, e
si occupa da diversi anni di studiare le potenzialità applicative della
spettroscopia NIR nel settore alimentare. Particolare attenzione è
rivolta allo studio della autenticità e della qualità dei prodotti alimentari e delle trasformazioni indotte da alcuni trattamenti tecnologici in matrici alimentari. Tutte le nostre ricerche sono effettuate utilizzando lo Spettrometro MPA FT-NIR, Bruker Optics.
Negli studi dell’autenticità e della qualità dei prodotti alimentari, la
tecnica NIR, affiancata alla spettroscopia del medio infrarosso (MIR), è
stata applicata, in sostituzione di approcci consolidati ma più dispendiosi, all’autenticazione di alimenti o ingredienti, in virtù dell’attenzione crescente verso le produzioni tipiche, e alla valutazione della qualità di prodotti tradizionali e/o innovativi. Nel settore oleario, è stato
verificato un possibile impiego della tecnica NIR (fig. 6) affiancata alla
spettroscopia MIR, per identificare diverse tipologie di oli extravergini
di oliva, differenziando sia gli oli monovarietali che aziendali in funzione della loro origine geografica (fig.7). Inoltre, la spettroscopia NIR è
stata anche impiegata come tecnica rapida per la valutazione contemporanea della qualità e dell’autenticità di oli extravergini di oliva. Gli
spettri acquisiti sono stati correlati con alcuni indici qualitativi degli oli,
quali i parametri di legge, la composizione in acidi grassi (fig. 8) e il
contenuto in tocoferoli, al fine di creare modelli di regressione in
grado di fornire, come risultato finale, il profilo qualitativo di oli incogniti sottoposti a determinazione spettroscopica.
Molto interessanti risultano gli studi di autenticazione e classificazione
dei prodotti alimentari, in cui la spettroscopia NIR viene utilizzata per
discriminare prodotti adulterati da quelli non adulterati.
Fig. 1 - Rappresentazione grafica delle zone dello spettro elettromagnetico. La zona del
NIR si estende da 12800-4000 cm-1 (780-2500 nm).
Fig. 2 - Modi di interazione della radiazione elettromagnetica con il campione.
Fig. 3 - Esempio di uno spettro NIR caratterizzato da picchi riferibili a gruppi funzionali
specifici presenti nel campione.
Fig. 4 - Esempio di vibrazioni molecolari in una molecola d’acqua.
La tecnica NIR è stata impiegata dal gruppo di ricerca per quantificare
la presenza di sciroppi di glucosio a diversa composizione zuccherina
addizionati a campioni di miele di determinate varietà (Millefiori,
Acacia, Castagno). A tal fine, sono stati creati modelli di regressione
PLS per predire il livello di adulterazione sia come percentuale di sciroppo di glucosio aggiunto sia come alterazione del rapporto fruttosio/glucosio caratteristico del tipo di miele (fig. 9). E’ stata inoltre studiata la possibilità di classificare mieli in base all’origine botanica (fig.
10) utilizzando come riferimento le tecniche tradizionali, quali l’analisi melissopalinologica o l’analisi della componente zuccherina.
Nel comparto frutticolo nazionale, che punta sulla valorizzazione
delle produzioni di elevata qualità, appare di interesse la caratterizzazione dei prodotti in termini del loro contenuto in sostanze ad elevata azione protettiva per la salute del consumatore. A tal proposito,
sono state svolte ricerche finalizzate alla definizione di modelli per la
stima del contenuto di sostanze nutraceutiche in base alle proprietà
spettrali di alcuni prodotti ortofrutticoli quali le mele, l’uva e i mirtilli giganti per l'individuazione della relazione fra il processo di maturazione e lo sviluppo delle sostanze nutraceutiche nel prodotto,
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Fig. 6 - Comparto campione per lettura in trasmissione, usato per acquisire gli spettri NIR
di olio monovarietale di differente origine geografica.
seguendone l'evoluzione in pianta e in post-raccolta (fig. 11).
Accanto all’impiego della spettroscopia NIR quale strumento analitico
per quantificare i costituenti di un alimento, si è verificato l’idoneità di
questa tecnica nel prevedere caratteri qualitativi complessi in quanto
derivanti dal contributo contemporaneo di più indicatori di natura chimica e/o fisica. Alcuni esempi interessanti riguardano la filiera di trasformazione dei cereali dove è stata valutata mediante spettroscopia
NIR l'influenza del genotipo e dell'ambiente sulle caratteristiche compositive e qualitative della granella di frumento. E’ stato innanzitutto
verificato un possibile impiego della tecnica nel predire la qualità
pastificatoria del grano duro ed il comportamento in cottura della
pasta a partire da un’unica analisi, effettuabile sul cereale in granella
(fig. 12). Per ogni gruppo di campione, le informazioni spettrali sono
state correlate con gli indici chimici e reologici misurati mediante test
di riferimento. L’insieme dei risultati è stato di grande interesse per
l’industria di trasformazione in quanto ha evidenziato come sia possibile impiegare la tecnica NIR al fine di prevedere, già sul materiale in
grani, la qualità pastificatoria del frumento.
Sempre nelle filiera dei cereali è stata impiegata la spettroscopia NIR
per prevedere la resa di macinazione in farina e semola in funzione
delle caratteristiche fisiche e chimiche della granella lavorata. Tale
informazione viene oggi ricavata solo dopo lunghe prove di macinazione delle cariossidi su impianti di laboratorio.
Particolarmente innovativi sono anche le applicazioni della spettroscopia nel vicino infrarosso in fase di processo, che permettono di
eliminare le analisi off-line e passare a modelli on-line (automatizzando le operazioni di campionamento e analisi) o addirittura inline, valutando direttamente la qualità del prodotto durante il processo. L’evoluzione della produzione può essere seguita grazie ad
un sistema a fibre ottiche che convoglia la radiazione dallo strumento verso la linea di produzione e la riporta a questo dopo l’interazione con il campione.
La spettroscopia NIR è stata applicata ai processi di lievitazione biolo-
Fig. 7 - Separazione dei campioni di olio monovarietale in funzione dell’origine
Fig. 8 - Modelli di regressione ottenuti correlando gli spettri FT-NIR con il contenuto in acido oleico e linoleico.
Fig. 11 - Acquisizione degli spettri FT-NIR mediante sfera integratrice di un omogenato di mirtillo.
Fig. 9 - Esempio di modello di regressione ottenuto correlando gli spettri FT-NIR di
campioni di miele adulterati con la percentuale di sciroppo di glucosio aggiunto.
Fig. 12 - Acquisizione degli spettri FT-NIR mediante sfera integratrice di granella di frumento duro.
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Fig. 14 - Acquisizione degli spettri FT-NIR di carne macinata analizzata per valutare la freschezza.
Fig. 13 - Allestimento sperimentale utilizzato per le prove di lievitazione. Gli spettri sono stati raccolti
in continuo utilizzando una fibra ottica a riflessione diffusa, posizionata a contatto con l’impasto.
gica in impasti acidi ed in impasti di differente formulazione (fig. 13).
In tale ambito, la tecnica NIR si è rivelata idonea nel fornire informazioni sull’evoluzione del processo confrontabili a quelle ricavate da
approcci tradizionali, con il vantaggio di una maggior rapidità di risposta e le possibilità di impiego on-line.
Negli ultimi lavori del gruppo di ricerca la spettroscopia NIR viene
impiegata per monitorare la cinetica di decadimento della qualità dei
prodotti alimentari in studi di shelf-life. A tal fine, sono stati condotti
degli studi in cui la tecnica NIR è stata impiegata per valutare la freschezza di diversi prodotti alimentari, come la carne macinata (fig.
14), il filetto di branzino e l’ ananas di IV gamma.
Attualmente la spettroscopia NIR viene impiegata per seguire le modificazioni che avvengono in alcuni processi di biotrasformazione (fermentazione malolattica, alcolica e altri bioprocessi). Lo studio è articolato in una prima fase in cui è prevista la conduzione di prove di fermentazione su scala pilota in laboratorio e una successiva fase nella
quale tali tecniche saranno applicate su scala industriale.
Questo articolo è la summa di quanto dibattuto durante il workshop: ‘la
Spettroscopia NIR e i prodotti alimentari’ organizzato dal DISTAM
(Dipartimento di Scienze e Tecnologie Alimentari e Microbiologiche)
Università degli Studi di Milano. In collaborazione con Bruker Optics.
17-18 settembre 2008 Milano
1-2 ottobre 2008 Milano
Politecnico di Milano, sede Bovisa, via Durando 10
Palazzo delle Stelline, Corso Magenta 61
www.nanoforum.it
www.bioforum.it
CONFERENCE - POSTER
PARTNERING - EXHIBITION
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ITER
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