Controllo qualità nell’industria alimentare

Dall’analisi della shelf-life del prodotto alimentare alla caratterizzazione degli aromi incapsulati passando per l’individuazione di prodotti adulterati: cosa si può già ottenere dalla Spettroscopia Raman e le linee di ricerca

Il confezionamento alimentare è una fase molto delicata del processo che porta sulle nostre tavole cibi e bevande. Richiede infatti una serie di analisi, controlli e verifiche necessari per la qualità, la sicurezza e la salvaguardia della salute di ognuno di noi.

Proprio per questo ogni fase è sottoposta a normative stringenti volte ad evitare ogni tipo di inconveniente e di contaminazione, al fine di garantire sì la qualità, ma anche di evitare costosi – a livello economico e di immagine – ritiri dal mercato.

Una tecnologia che si è rivelata estremamente efficace è la Spettroscopia Raman, tecnica di analisi strutturale non invasiva e non distruttiva che consente la verifica in tempo reale in un ampio ventaglio di situazioni. Come ha evidenziato anche l’Enea, la composizione chimico-fisica dei materiali biologici e le sue variazioni, dovute a differenti stati fisiologici e metabolici, possono infatti essere convenientemente investigate con metodi ottici e spettroscopici.

Dalla macro alla micro analisi: la Spettroscopia per esaminare i microrganismi negli alimenti

La Spettroscopia Raman può infatti essere utilizzata per esaminare polveri, solidi, liquidi in diverse geometrie. Sono possibili analisi quantitative basate su dati spettroscopici Raman di materiale sfuso, rappresentativi dell’intero campione. D’altra parte, l’analisi micro Raman fornisce informazioni a livello micrometrico, necessario per valutare ad esempio la distribuzione dei componenti nei cereali, delle particelle all’interno delle polveri o dei microrganismi presenti negli alimenti.

Insieme ad Horiba, gruppo specializzato nella produzione di dispositivi per l’analisi dei materiali del packaging nato in Giappone e presente oggi in tutto il mondo con più di 8mila dipendenti, passiamo in rassegna alcuni casi nei quali la spettroscopia Raman si rivela preziosa, sulla base di specifici studi condotti.

Micro-incapsulazione degli aromi: la Spettroscopia Raman per la caratterizzazione degli aromi incapsulati

La micro-incapsulazione degli aromi è diventata di grande importanza nell’industria alimentare e degli aromi. Implica la miscelazione di aromi liquidi con un supporto per ottenere una polvere di sapore secco, più facile da maneggiare rispetto alla forma liquida. Questa tecnica fornisce protezione contro la degradazione, previene la perdita di sapore e consente anche il controllo del rilascio di aromi durante la lavorazione e la conservazione degli alimenti. Fino ad ora, metodi gascromatografici (GC) sono stati ampiamente applicati per la determinazione dei singoli componenti degli oli essenziali. La Spettroscopia Raman è diventata uno strumento sempre più importante per la caratterizzazione di aromi incapsulati. Lo studio di Horiba ha indagato l’idoneità della Spettroscopia Raman per la distribuzione del Limonene – il componente principale negli oli di agrumi – nelle particelle essiccate spray dried, così come la sua quantificazione.

La Spettroscopia Raman per esaminare la distribuzione del sapore all’interno delle microparticelle 

Il processo di incapsulamento predominante degli aromi è l’essiccazione a spruzzo, ovvero un metodo per produrre una polvere secca da un liquido mediante essiccazione rapida con gas caldo. Un’efficiente essiccazione a spruzzo rende omogenea la distribuzione del sapore all’interno del vettore, caratteristica  fondamentale per garantire un rilascio controllato e ottimale del sapore. Grazie alla Spettroscopia Raman è possibile esaminare la distribuzione del sapore su scala microscopica, in questo caso su una particella essiccata a spruzzo di 30 µm (micrometri) costituita da maltodestrina (vettore) e Limonene (aroma). 

Figura 1: Immagine al microscopio del campione essiccato a spruzzo (a), distribuzione del Limonene (b) e della maltodestrina (c) secondo il modello DCLS, spettri del Limonene (d) e della maltodestrina (e)

Il monitoraggio delle caratteristiche spettrali del Limonene e della maltodestrina all’interno del set di dati di mappatura consente la costruzione di immagini chimiche che mostrano la distribuzione di ogni composto. L’immagine chimica della maltodestrina mostra una copertura omogenea sulla particella: questo risulta logico poiché la maltodestrina è il vettore. Più istruttiva è la distribuzione piuttosto uniforme del Limonene, che suggerisce un efficiente processo di essiccazione a spruzzo.

Determinazione quantitativa dell’incapsulato Limonene 

È importante determinare la quantità di sapore nella polvere essiccata e monitorare la stabilità degli aromi in microparticelle nel tempo. Tradizionalmente i metodi GC-FID (gascromatografia – rivelatore a ionizzazione di fiamma) sono le procedure standard per determinare questi contenuti, ma richiedono molto più tempo rispetto alla Spettroscopia Raman. Dopo una semplice estrazione del Limonene in Cicloesano, viene costruita una curva di calibrazione basata sugli spettri Raman di queste soluzioni per l’intervallo di concentrazione 2.0 – 16.7%, correlando l’area di un picco di Limonene con la concentrazione dei campioni standard.

Figura. 2: Curva di calibrazione per Limonene in Cicloesano (la media è l’area sotto il picco a 1678 cm-1)

La Spettroscopia Raman dimostra di essere una tecnica potente, rapida ed affidabile che può essere utilizzata per quantificare il Limonene e mostrarne la distribuzione nei campioni spray dried. Sulla base di questi risultati, la Spettroscopia Raman si rivela utile  per il monitoraggio della stabilità dei sapori nelle microparticelle.

La Spettroscopia Raman per analizzare la shelf life del prodotto alimentare, scoprire l’adulterazione, ottimizzare il controllo qualità

La composizione in acidi grassi degli alimenti è un importante indicatore di una varietà di aspetti connessi alla qualità, che vanno dalla shelf life del prodotto e proprietà sensoriale come il gusto e la consistenza fino alla nutrizione e all’impatto sugli aspetti sanitari. Riflette anche fattori come i regimi di alimentazione, il metabolismo animale e persino di origine genetica. La consapevolezza dei consumatori sulla salute dell’essere umano a livello di prodotti alimentari è aumentata negli ultimi anni, non da ultimo correlata al consumo di grassi. Metodi efficienti e affidabili per la caratterizzazione e la documentazione dei profili degli acidi grassi dei prodotti alimentari risultano di grande importanza nelle applicazioni industriali, oltre che per scopi di ricerca. La Spettroscopia Raman è nota per essere una tecnica sensibile di caratterizzazione qualitativa e quantitativa della composizione degli acidi grassi, che vanno dalle caratteristiche degli acidi grassi macroscopici ai singoli acidi grassi. La Spettroscopia Raman fornisce anche molteplici possibilità di campionamento per l’analisi di lipidi alla macro e micro scala. Essendo rapida, non distruttiva ed altamente sensibile alle sostanze chimiche, offre un’alternativa ai metodi tradizionali, per affrontare problemi come l’adulterazione, il controllo qualità o la ricerca avanzata su grassi e oli.

La Spettroscopia Raman per identificare l’adulterazione degli oli vegetali

L’adulterazione degli oli vegetali è una grande sfida per l’industria del cibo, poiché oli di qualità inferiore o meno costosi possono essere utilizzati per sostituire quelli più pregiati. La figura 1 illustra gli spettri Raman di oli vegetali e miscele di olio. La figura in alto mostra le chiare differenze di firma spettrale tra olio di oliva (un olio altamente monoinsaturo), olio di girasole (un olio altamente polinsaturo) e una miscela dei due. La figura in basso mostra il grafico del punteggio dell’analisi delle componenti principali degli spettri Raman duplicati di olio d’oliva (O), olio di girasole (S), olio di pesce (F) e miscele 60-40 di tutti gli oli (le lettere maiuscole indicano l’olio in quantità più abbondanti). Questo illustra l’abilità della Spettroscopia Raman per caratterizzare gli oli, rendendolo uno strumento utile per la determinazione della composizione e la reale qualità di una data miscela di oli. Uno strumento quanto mai utile per un Paese come l’Italia che è annoverato tra i maggiori produttori di olio di oliva.

Figura 3: Superiore – Spettri Raman di olio d’oliva (blu), olio di girasole (verde), e una miscela dei due oli (rosso). Inferiore – Grafico dell’analisi della componente principale degli spettri Raman di oli puri e miscele di oli. Lungo il primo PC è visibile una netta separazione in base all’insaturazione Carbonio – Carbonio (aumento dall’olio d’oliva all’olio di pesce)

Caratterizzazione della composizione lipidica di tessuto bovino alla microscala: le nuove prospettive offerte dalla Spettroscopia Raman per verificare l’origine e la potenziale adulterazione degli alimenti 

L’utilizzo dell’elevata risoluzione spaziale dei sistemi microscopici Raman dà la possibilità di studiare e documentare specifiche caratteristiche lipidiche all’interno delle popolazioni cellulari, tessuti biologici e prodotti alimentari. Nella figura 2, il tessuto adiposo bovino viene analizzato concentrandosi sulle parti ricche di lipidi del tessuto bovino intatto. Ciò che è particolarmente interessante negli spettri Raman del tessuto adiposo sono i diversi aspetti relativi alla configurazione dei doppi legami Carbonio – Carbonio. A questo proposito, la vibrazione C=C intorno a 1660 cm-1 è particolarmente sensibile. Ad esempio, negli spettri della figura 2 si nota un’evidente spalla sul lato destro di questa banda, che è correlata alla trans-configurazione dei doppi legami. Potrebbero anche essere rivelate varie influenze da parte delle matrici proteiche negli spettri Raman.

Fig.4 Analisi Raman microscopica del tessuto adiposo bovino. Tutti gli spettri sono ottenuti con un microscopio Raman (785 nm)

Queste differenze locali possono essere visualizzate su scala più ampia eseguendo mappature di un’area del campione. La Figura 5 mostra la distribuzione della trans-configurazione del doppio legame di acidi grassi nell’area mappata.

Figura 5: Immagine Raman della distribuzione trans-configurazione di un campione di tessuto adiposo bovino 1200 x 1200 µm, utilizzando un’eccitazione a 785 nm
 

Conclusioni e prospettive sulla Spettroscopia Raman

Questo apre le porte ad una tecnica di caratterizzazione rapida e non distruttiva, un’alternativa ai metodi chimici a umido che possono essere costosi, richiedono molto tempo e la preparazione del campione. Ciò consentirebbe anche il controllo più sistematico dei prodotti alimentari su una vasta gamma di analisi, dando indicazioni rapide sulla qualità, l’origine e la potenziale adulterazione degli alimenti prodotti, aprendo nuove strade per gli operatori del settore alimentare, che sono responsabili della conformità dei prodotti che immettono sul mercato.

Ricordiamo le applicazioni tipiche della Spettroscopia Raman:

  • Determinazione della composizione grasso/olio 
  • Adulterazione dell’olio 
  • Rilevazione e identificazione di batteri e altri microrganismi 
  • Rilevazione di pesticidi negli alimenti 
  • Analisi di carotenoidi 
  • Rilevazione di melamina nel latte
  • Caratterizzazione strutturale di cereali, colture, … 
  • Analisi quantitativa

Monica Dall’Olio

La Spettroscopia Raman al servizio del controllo qualità nel settore alimentare ultima modifica: 2022-04-04T10:48:40+02:00 da Redazione