Gli autori sono del Crea, Centro di ricerca Zootecnia e Acquacoltura, Lodi.
La spettroscopia nel vicino infrarosso (Nir) è ormai una tecnica consolidata e ampiamente impiegata nel controllo qualità dell’industria alimentare grazie ad una serie di vantaggi rispetto alle metodiche analitiche convenzionali.
È una tecnica rapida, in quanto l’acquisizione spettrale del campione richiede pochi secondi, non distruttiva, dal momento che il campione può essere riutilizzato dopo la lettura spettroscopica, non invasiva in quanto le radiazioni impiegate hanno un contenuto energetico molto basso che non provoca un riscaldamento significativo del campione, ed inoltre richiede solo una minima oppure nessuna preparazione del campione.
Il Consorzio del Parmigiano-Reggiano
Nel settore lattiero caseario, da diversi anni il Consorzio del Parmigiano-Reggiano nell’ambito delle sue attività istituzionali di controllo della conformità compositiva del prodotto da sottoporre a marchiatura ha attivato un sistema di controlli basato su spettroscopia Nir, con la collaborazione di Crea-Za. Tale tipo di analisi, sviluppata prima a livello di laboratorio presso la sede del Consorzio su strumento Ft-Nir, è stata successivamente estesa a livello di magazzino e caseificio mediante spettrometro Nir portatile per la caratterizzazione rapida e non distruttiva di forme intere di formaggio Parmigiano Reggiano.
La scelta del consorzio è caduta su uno strumento, lo spettrometro MicroNir (Viavi Solutions Inc.) che possiede un’ottica miniaturizzata, di dimensione inferiore al centimetro, senza parti in movimento, in grado di raccogliere misurazioni in riflettanza diffusa, nell’intervallo spettrale di 900-1780 nm, con tempi di scansione inferiori al secondo e senza necessità di utilizzare fibre ottiche per interfacciare il banco ottico con il campione.
Il monocromatore dello strumento è costituito da un filtro lineare variabile (Lvf), saldato su un detector InGaAs a diode array a 128 elementi affiancato da due sorgenti di radiazione al tungsteno. Lo strumento è stato ingegnerizzato mediante la creazione di un software di controllo che permette un uso efficiente dello strumento nelle celle di stagionatura. Il sensore, del peso di 60 grammi e a basso consumo energetico è stato montato su un’impugnatura ergonomica sulla quale sono collocati i controlli delle principali funzioni di misurazione.
Un sistema di segnalazione sonora consente all’operatore di conoscere in tempo reale lo stato di avanzamento del campionamento programmato, senza dover accedere al computer che controlla e alimenta con la sua batteria il sistema fino alla fine della sessione.
Il software gestisce lo strumento, filtra le scansioni non conformi a causa di un errato posizionamento dello strumento, raccoglie, elabora e immagazzina i dati secondo il piano di campionamento impostato.
Il Consorzio del Grana Padano
In maniera analoga nel 2015 anche il Consorzio per la Tutela del Grana Padano, nell’ottica di disporre di un sistema rapido ed economico per effettuare operazioni di screening dei lotti produttivi nella fase di marchiatura, a livello di magazzino e sulle forme integre, ha deciso di dotarsi di una serie di spettrometri a diode array portatili X-Nir realizzati dall’azienda Dinamica generale.
Questi strumenti, utilizzano lampade a tungsteno da 20 W come sorgente, possiedono un sistema di controllo della temperatura e un sistema di auto calibrazione, raccolgono spettri in riflettanza nell’intervallo spettrale tra 950 e 1800 nm. Sono dotati di un’interfaccia touchscreen da 4,3”, che consente di accedere a tutte le funzioni e sono alimentati da batterie ricaricabili al Li-ion da 15 V intercambiabili. Anche in questo caso il processo di taratura degli strumenti è stato realizzato grazie alla collaborazione con Crea-Za.
A titolo di esempio la figura 2 riporta esempi di spettri di pasta e crosta ottenuti con lo strumento XNir e con uno spettrometro Ft-Nir a range più esteso. Gli spettri dello strumento portatile sono stati troncati a 1.680 nm, in quanto l’ultima porzione dello spettro non porta informazione utile. Gli spettri ottenuti da entrambi gli strumenti mostrano le bande caratteristiche degli assorbimenti dell’acqua intorno a 1.460 e 1.940 nm (solo per Ft-Nir) e la banda relativa all’overtone del legame CH a 1.200 nm.
Negli spettri Ft-Nir si riconoscono anche ulteriori bande relative a tale legame della frazione lipidica tra 1.720 e 1.760 nm e tra 2.300 e 2.350 nm. Intorno a 1.500, 2.000 e 2.200 nm sono presenti gli assorbimenti dei legami NH delle amidi delle proteine.
Modelli predittivi
Entrambi gli strumenti sono stati impiegati per acquisire spettri sullo scalzo di campioni di Parmigiano Reggiano e Grana Padano stagionati rispettivamente a 12 e 10 mesi. Dal momento che la composizione della crosta dei formaggi è significativamente correlata con quella della pasta, sono stati sviluppati modelli predittivi per la stima dei parametri compositivi misurati in laboratorio sulla pasta dei formaggi (umidità, grasso e proteine) utilizzando i dati spettrali acquisiti con gli strumenti portatili sullo scalzo del formaggio.
La fase di messa a punto dei modelli, per entrambi i formaggi, ha previsto la scansione e l’analisi in laboratorio alcune centinaia di campioni rappresentativi di ciascuna produzione, al fine di ottenere set spettrali di riferimento. I set sono stati poi impiegati per lo sviluppo di modelli predittivi relativi a grasso, proteine, rapporto grasso su secco e rapporto proteine su secco con risultati soddisfacenti. In particolare, la stima dei due rapporti è risultata particolarmente robusta, in quanto questi due parametri sono i più costanti e meno sensibili al gradiente di umidità tra l’interno e l’esterno della forma di formaggio, figura 3.
Da un’analisi stratigrafica sulle caratteristiche spettrali della crosta è emerso come, rispetto alla pasta del formaggio, lo scalzo si differenzi in misura maggiore rispetto ai piatti, che si presterebbero meglio a un’analisi delle forme chiuse. Questa scelta tuttavia richiederebbe la movimentazione delle forme per l’acquisizione degli spettri, mentre questa non è richiesta lavorando sullo scalzo.
Nonostante gli errori in predizione dei modelli siano risultati circa doppi rispetto a quelli ottenibili mediante strumentazione Nir da banco, l’elevata velocità di acquisizione degli strumenti portatili consente di scansionare in maniera veloce ed economica un alto numero di forme su più punti in tempi brevi: in questo modo la riduzione dell’errore di campionamento compensa l’errore analitico.
I modelli così sviluppati consentono ai consorzi di ottenere informazioni utili e affidabili a livello di lotto all’interno dei rispettivi sistemi di monitoraggio della qualità compositiva delle produzioni dei diversi caseifici associati, consentendo caratterizzare il prodotto dei singoli. Su questa base ad esempio il Consorzio del Parmigiano Reggiano ha scelto un piano di campionamento che prevede l’acquisizione di 5 scansioni in punti differenti dello scalzo su circa 70 forme rappresentative di uno stesso lotto.
È stato possibile sviluppare modelli predittivi anche utilizzando gli spettri acquisiti sulla pasta dei formaggi, con performances paragonabili a quelle degli strumenti da banco. Tali modelli possono essere sfruttati nell’ambito del controllo qualità in fase di confezionamento. Le caratteristiche puntiformi delle singole misurazioni effettuate con gli spettrometri portatili ha inoltre consentito di effettuare scansioni sulla pasta dei formaggi stagionati e delle cagliate secondo un reticolo fisso, consentendo di ottenere stime locali della composizione, così da poter mappare la variabilità di composizione all’interno delle forme.
Gli sviluppi
Sono ora in fase di sviluppo le attività relative alla messa a punto dei metodi di trasferimento delle calibrazioni tra spettrometri, per ridurre al massimo i costi di sviluppo e gestione delle calibrazioni, nonché lo sviluppo di modelli su nuovi parametri di interesse.
Allo stesso modo, è in fase di avvio e collaudo la procedura di verifica periodica delle performance delle calibrazioni mediante sessioni di validazione e ampliamento dei modelli predittivi.
Puoi leggere l'articolo completo sull'Informatore Zootecnico n. 18.
