Near infrared spectroscopy in food analysis: qualitative and quantitative approaches

La qualità degli alimenti è un concetto molto ampio e talvolta difficile da definire. Il cibo è un miscuglio di composti chimici e proprietà fisiche che insieme definiscono le caratteristiche dell’alimento stesso. Determinare la qualità di un sistema così complesso è spesso molto difficile, soprattutto considerate le tecniche analitiche disponibili, che generalmente riescono a valutare un costituente o una proprietà alla volta senza essere in grado di esprimere un giudizio generale sulla qualità del prodotto. Queste tecniche analitiche, inoltre, sono solitamente costose in quanto richiedono strumentazioni elaborate e personale addetto qualificato. La spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) sembra essere in grado di risolvere buona parte di queste problematiche. Gli spettri ottenuti attraverso lo scansionamento dei campioni possono essere considerati una sorta di “impronta digitale” della sostanza organica e possono contenere molte informazioni riguardanti la composizione e le proprietà chimico-fisiche degli alimenti. Il vero vantaggio della tecnologia NIR resta comunque la sua velocità nel fornire i risultati. Questa caratteristica è estremamente importante nel settore alimentare, dove i prodotti sono altamente deperibili e devono essere commercializzati nel più breve tempo possibile. La spettroscopia NIR si adatta perfettamente alle moderne esigenze delle industrie alimentari dove le catene di produzione sono principalmente automatizzate e la qualità degli alimenti deve essere monitorata costantemente in modo tale da standardizzare la qualità del prodotto finito. Nonostante la spettroscopia NIR venga utilizzata da laboratori ed industrie alimentari da parecchi anni, c’è ancora spazio per ulteriore ricerca in questo campo. Attraverso la mia tesi di dottorato ho cercato di ampliare le possibili applicazioni della tecnologia NIR per risolvere delle problematiche concrete del settore “produzione e commercializzazione” degli alimenti. Il lavoro è stato suddiviso in 7 capitoli. Il primo riguarda alcuni aspetti generali della spettroscopia NIR e fornisce una breve descrizione dei fondamenti, delle attrezzature e degli strumenti necessari per l‘interpretazione degli spettri. La parte riguardante la chemiometria vuole essere una sorta di introduzione per coloro che si avvicinano per la prima volta a questa disciplina molto ampia. Il numero di formule inserito in questa tesi è stato mantenuto il più basso possibile, riportando solo quelle necessarie per ottenere delle buone calibrazioni e per poter poi testare le loro performance. Gli altri sei capitoli della tesi trattano i diversi contributi sperimentali che ho condotto durante i miei tre anni di dottorato di ricerca: - nel primo studio la spettroscopia NIR è stata utilizzata per valutare la qualità della carne di coniglio basando l’analisi sul prodotto fresco. È stata inoltre testata la capacità discriminante di questa tecnologia per classificare i campioni sulla base della loro linea genetica di appartenenza. È stato dimostrato che la tecnologia NIR potrebbe diventare una tecnica analitica di supporto nei piani di selezione genetica dei conigli per monitorare la qualità della loro carne soprattutto per quel che riguarda la predizione dei principali costituenti chimici e del profilo acidico di questo prodotto; - gli obiettivi del secondo contributo sperimentale sono stati la predizione della composizione centesimale del formaggio Pecorino Siciliano DOP e la classificazione di questo prodotto sulla base del suo grado di stagionatura. Per essere commercializzato con la denominazione DOP, questo formaggio deve rispettare alcuni prerequisiti minimi quali un contenuto di grasso pari al 40% sulla sostanza secca e un livello di stagionatura minima di 4 mesi. NIRS sembra una tecnica analitica molto utile per poter standardizzare la qualità e le tecniche di produzione dei prodotti tradizionali italiani che per essere commercializzati su mercati nazionali ed internazionali devono presentare caratteristiche ben definite; - l’obiettivo del terzo e quarto contributo sperimentale è stato il confronto di diverse regioni spettrali quali il NIR (vicino infrarosso) e il visibile-vicino infrarosso (Vis-NIR) per la discriminazione di pesce fresco da quello decongelato. I due contributi avevano come oggetto di studi due prodotti ittici di qualità quali i filetti di orata e i tranci di pesce spada. La vendita di prodotto decongelato spacciato per fresco è una comune frode commerciale da cui i consumatori e i commercianti devono essere protetti. La spettroscopia si è dimostrata una tecnica analitica utile per discriminare campioni che hanno subito trattamenti di conservazione diversi, in particolare per quei prodotti ittici che hanno perso la loro integrità anatomica (quali filetti e tranci); - il quinto studio ha trattato un argomento particolarmente importante nell’ambito della spettroscopia NIR: il trasferimento di calibrazioni tra diversi strumenti. Il nostro laboratorio aveva a disposizione una calibrazione ampia e robusta costruita sul grasso suino per la predizione del numero di iodio e del profilo acidico. Le equazioni erano state ottenute usando uno spettrofotometro FOSS NIRSystem 5000. Il nostro obiettivo era quello di trasferire questa calibrazione su altri due strumenti (Unity Scientific 2500x e un sensore Zeiss MMS1 portatile) per poter quindi mantenere e sfruttare l’informazione acquisita durante molti anni di analisi chimiche di laboratorio su questa matrice. Per evitare la ricalibrazione degli strumenti secondari, la chemiometria mette a disposizione diverse tecniche definite “modelli di standardizzazione” che nel nostro studio sono state poste a confronto; - l’obiettivo dell’ultimo contributo introdotto in questa tesi è stata la discriminazione di vino Shiraz prodotto in 5 diverse regioni australiane particolarmente vocate per il settore vitivinicolo (Barossa Valley, McLaren Vale, Clare Valley, Coonawarra, Western Australia). Diverse regioni spettrali sono state confrontate a tale scopo (Visibile, vicino infrarosso e medio infrarosso), sfruttando inoltre diverse tecniche di classificazione che la chemiometria mette a disposizione. Conoscere l’origine degli alimenti è di particolare importanza soprattutto per salvaguardare i prodotti tradizionali. Questi, infatti, rischiano di essere sostituiti con prodotti simili ma di qualità inferiore. La spettroscopia NIR, impiegando le informazioni contenute nello spettro di un alimento, si è rivelata in grado di discriminare i prodotti sulla base della loro origine. Sicuramente la spettroscopia NIR non è una “scatola magica” dove tutte le domande trovano risposta e i problemi vengono risolti, ma possiede una versatilità tale da consentirne l’impiego in molteplici realtà industriali e commerciali. Attraverso la mia tesi ho cercato di mettere in luce le potenzialità di questa tecnologia senza però nascondere i limiti che ho riscontrato nel corso del suo utilizzo.