ANALISI/QUALITÀ ALIMENTARE

Spettroscopia NIR: tecnica di analisi non distruttiva per il settore delle carni

Una qualunque azienda alimentare non può fare a meno oggi di uscire sul mercato con un prodotto che riporti una tabella nutrizionale, che esprime cioè uno standard della composizione della sua ricetta. Il prodotto alimentare infatti è frutto dell’impiego di materie prime e del loro bilanciamento con altri ingredienti, additivi e aromi, e dell’applicazione di processi tecnologici (di miscelazione, cottura, maturazione, ecc.) per ottimizzare i parametri chimico-fisici e reologici della struttura. L’obiettivo è quello di ottenere alimenti di qualità costante, di composizione adeguata, igienici e salubri, per fidelizzare il consumatore che trova nell’acquisto di quel prodotto un alimento adatto alle proprie esigenze sia nutrizionali che edonistiche.

Ogni ricetta elaborata utilizza tuttavia materie prime, sia di origine vegetale che animale, che presentano notevoli gradi di variabilità: sappiamo infatti che gli organismi viventi hanno caratteristiche intrinseche differenti pur appartenendo alla stessa specie. Mentre in veste di consumatori ci aspettiamo che ogni prodotto dello stesso tipo che acquistiamo abbia un elevato grado di uniformità, sotto il profilo sensoriale e strutturale legato alla consistenza di come lo consumiamo (duro, molle, friabile, plastico, ecc.). Non di meno in questi ultimi anni siamo sempre più attenti ai profili nutrizionali degli alimenti, mostrando elevate aspettative nei confronti dell’industria agroalimentare che deve garantire la qualità dei prodotti in termini di alto tenore proteico, basso contenuto di grassi e di sale, apporti vitaminici adeguati.

Una carne di qualità garantita sotto il profilo nutrizionale

Analogamente a tutti i comparti alimentari, anche nel settore delle carni trasformate, si osservano le stesse dinamiche appena descritte. Una prova di ciò è che, rispetto a trent’anni fa, sia le carni che i salumi si presentano oggi più magri, con meno grassi e

di Giuseppe L. Pastori Tecnologo alimentare OTALL Specialista carni e piatti pronti

meno sale, di migliore qualità e maggiore valore nutrizionale [1]; ma si sta attenti anche al contenuto di acqua, di collagene e altri elementi una volta ritenuti secondari. L’indicazione della quantità di grasso, proteine, sale e zuccheri è riportata nell’etichetta nutrizionale e ne specifica il valore energetico, le cui indicazioni sono state rese obbligatorie dal Regolamento (UE) N. 1169/2011 sull’etichettatura dei prodotti alimentari [2]: la standardizzazione degli elementi chimici costituenti un preparato di carne (escluso semmai un prodotto come il prosciutto crudo DOP), permette quindi di mantenere nel tempo valori medi costanti.

Anche il contenuto di acqua risulta un parametro molto importante, soprattutto per i prodotti di salumeria cotta (prosciutto cotto, arrosti di pollo e tacchino, ecc.) dove l’aggiunta di acqua fa parte del processo produttivo e serve per legare alla carne ingredienti diversi come fecole, amidi e altre farine aggiunte nelle fasce merceologiche più basse. È evidente che nei prodotti di qualità questi ingredienti e l’acqua non saranno presenti, ma la legge impone che sia dichiarata laddove supera il 5% nel prodotto finito [3]. Infine, anche il contenuto di collagene può rivestire un importante ruolo nella qualità dei prodotti carnei (nella legislazione tedesca ad esempio è un elemento discriminatorio della qualità secondo il parametro BEFFE a ): si tratta di una proteina meno nobile rispetto a quelle che compongono il muscolo, poiché deriva dai tessuti connettivi (tendini, cartilagini, legamenti, pelle), aggiunti in alcune preparazioni alimentari come mortadella e wurstel per il loro basso costo. Una selezione accurata delle carni e il rispetto dei capitolati per indice chimico determina la qualità del prodotto finito, sia esso fresco o elaborato.

Metodiche analitiche a confronto

Definire i componenti nutrizionali che caratterizzano un alimento comporta il fare delle analisi centesimali. I metodi chimico-analitici classici in grado di determinare tali parametri sono pressoché sempre lunghi, laboriosi e costosi. Necessitano di laboratori attrezzati e di personale addestrato sia per la preparazione del campione che per la stesura e il commento dei risultati. Sono richieste apparecchiature specifiche a seconda del tipo di analisi, da effettuare una alla volta, con impiego di reagenti chimici spesso tossici ed economicamente gravosi. Oltretutto c’è da considerare che le piccole strutture aziendali non hanno la possibilità di gestire un proprio laboratorio analitico e si devono appoggiare a laboratori esterni accreditati; che per

a Il valore BEFFE (proteina di carne del tessuto connettivo libero) è un criterio per valutare i prodotti a base di carne nella loro composizione.

Nelle linee guida del Deutschen Lebensmittelbuchkommission , il valore BEFFE è così definito: “La proteina di carne del tessuto connettivo libero, è la differenza tra proteine totali e il totale di proteine non conosciute (estranee/esterne), di composti azotati non proteici non conosciuti e le proteine del tessuto connettivo”. Dove per proteine estranee si intendono le proteine del latte e della soia; le sostanze azotate tutto ciò che contiene azoto e non sono proteine.

Figura 1. Rappresentazione grafica dello spettro elettromagnetico. La zona del NIR si estende da 12500-4000 cm -1 (800-2500 nm)

disporre di numeri significativi di dati per calcolare le medie occorre fare un elevato numero di analisi. Per un’operazione di questo genere, specie se si vuole gestire correttamente un’etichetta nutrizionale, i costi diventano importanti. Soprattutto tali metodi non sono certo applicabili nella routine quotidiana degli stabilimenti di lavorazione carni per i controlli in linea. 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, attendibili e integrabili all’interno del processo produttivo. Tra queste metodiche per i controlli di routine assume sempre più interesse anche nelle carni la tecnica della spettroscopia nel vicino infrarosso NIR (Near Infra Red Spectroscopy) [4]. Questa tecnica presenta una serie di vantaggi: è veloce (per l’acquisizione spettrale del campione occorrono pochi minuti), non è distruttiva (il campione, dopo lettura, può essere riutilizzato), non è invasiva (le radiazioni usate hanno basso contenuto energetico che non provocano trasferimento di energia al campione sotto forma di calore) e inoltre non necessita di preparazione del campione in più operazioni. La spettroscopia NIR è una metodica analitica di tipo fisico basata sull’assorbimento di radiazioni elettromagnetiche caratterizzate nella zona del vicino infrarosso (fig. 1) da numeri d’onda tra 12500 cm -1 (800 nm) e 4000 cm -1 (2500 nm). 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 in parte assorbite, in parte trasmesse e in parte riflesse (fig. 2). La radiazione infrarossa (IR) induce vibrazioni nelle molecole (fig. 3) nel campo tridimensionale x,y,z che viene captata dallo strumento che è in grado di leggere le bande di assorbimento dovute a overtone (fig. 4) e la combinazione di molti legami (cioè la somma risultante dalla combinazione di due o più bande fondamentali): nel vicino infrarosso NIR, tra lunghezze d’onda di 12500 e 4000 cm -1 , legge vibrazioni tra i legami di tipo C-H, N-H, O-H, P-H, S-H; mentre nel medio infrarosso MIR (perciò con altri strumenti), tra lunghezze d’onda di 4000 e 400 cm -1 , si possono leggere vibrazioni tra i legami C-C, C-H, O-H, C=C, N-H. L’impiego della spettroscopia NIR per la determinazione della composizione chimica degli alimenti richiede sempre una fase di calibrazione rappresentativa dei campioni per validare gli spettri: è questo un piccolo svantaggio della tecnica NIR dato che c’è la necessità di creare un ampio database di spettri a cui siano associate le analisi di riferimento. Sono richieste dalle 20 alle 150 campionature a seconda della complessità delle matrici ma dopo alcune operazioni di modellazione matematica e di validazione, realizzate con metodi chemiometrici, lo strumento è in grado di predire la composizione chimica di campioni ignoti

Figura 2. Modalità di interazione della radiazione elettromagnetica con il campione

Luce incidente Materia

Assorbim. Fotoluminescenza

Trasmissione

con un margine di errore definito dalla precisione statistica della regressione lineare. Tuttavia negli ultimi anni i principali produttori di strumentazione NIR forniscono apparecchiature già calibrate pronte all’uso per i principali elementi da analizzare. I moderni strumenti FT-NIR producono oggi degli spettri continui ricchi di punti, mentre le tecniche disponibili per ottenere uno spettro NIR sono varie e più performanti rispetto ai modelli degli anni ‘60-’70 del secolo scorso. Tutti questi sistemi permettono di ricavare spettri che non sono direttamente utilizzabili per analisi di tipo quantitativo

Riflessione

e qualitativo, ma devono essere “inter pretati”. A tale scopo, accanto allo spettrometro sono associati software chemiometrici sempre più semplici e potenti che permettono di sfruttare al meglio le potenzialità della tecnica NIR; anche con semplice addestramento (fig. 5 e 6), i singoli parametri possono essere deter minati contemporaneamente in un’unica NIR, sarà poi il software mediante gli al

Figura 3. Modello di distribuzione della radiazione IR nelle molecole

Scattering

goritmi impostati a fornire il dato in % sul totale. Addirittura gli strumenti di nuova generazione hanno prestazioni eccezio nali, fornendo spettri sempre più definiti e privi di rumore di fondo, permettendo di ottenere correlazioni con parametri chimico-fisici un tempo neanche imma ginabili. Accanto alle tradizionali analisi di tipo quantitativo (acqua, proteine, lipi di e carboidrati), da tempo è già possibile determinare la percentuale di sale e di collagene (anche se solo sopra la soglia dell’1% per l’interferenza nello spettro NIR delle proteine miofibrillari). Nel cam po della carne si stanno studiando applicazioni di tipo qualitativo predittivo a fine linea di macellazione per ottenere rela zioni con il pH e discriminare carni DFD e PSE, con la proprietà di WHC (Water Holding Capacity) legata alla tenerezza della carne e per valutare il grado di ma rezzatura mediante il tenore di grasso. Si effettuano studi dell’autenticità dei pro dotti alimentari, associando alla tecnica NIR la spettroscopia del medio infraros so (MIR), per rilevare possibili adulterazioni e frodi alimentari, per determinare alcune proprietà reologiche e sensoriali dei prodotti e per discriminare prodotti ottenuti in particolari zone di produzione.

Figura 4. Esempio di rappresentazione delle bande di assorbimento di un elemento lette dallo strumento

Figura 5. Esempio di uno spettro NIR salumi

Conclusioni

Le industrie alimentari necessitano di accurati controlli sulle materie prime, sugli intermedi durante il processo di produzione e sui prodotti finiti, per tutelare i consumatori e garantire una qualità costante senza trascurare una precisa supervisione dei costi. L’impiego delle tecniche NIR, grazie alla loro rapidità e semplicità d’uso, si presta bene a soddisfare le esigenze di un controllo qualità in tempo reale a basso costo (a parte i costi di investimento, ma anche attrezzare un laboratorio tradizio

Figura 6. Modello di regressione e grado di accuratezza del parametro “sale” in un prosciutto crudo nale o far fare analisi presso laboratori terzi costa). Inoltre l’assenza di reagenti ne fa un amico dell’ambiente e degli operatori che non devono utilizzare prodotti tossici o pericolosi. Rispetto alle analisi tradizionali il costo di un’apparecchiatura NIR si ripaga in breve tempo considerando che si incrementano in modo considerevole il numero dei controlli, aumentando la disponibilità dei dati sui prodotti finiti e garantendo in modo continuo la qualità in linea dei processi produttivi. Non ultimo c’è la possibilità di incrementare i controlli sulle materie prime in ingresso, valutando che i capitolati siano rispettati [5]. Le potenzialità di questa tecnologia sono davvero ampie, molte delle quali ancora inesplorate. Oggi, il principale obiettivo della ricerca è quello di poter utilizzare la spettroscopia NIR come tecnica d’analisi ufficialmente riconosciuta e accettata. Al momento infatti, ed è forse l’unico piccolo svantaggio, c’è la questione che essendo questa una metodica indiretta e non ufficiale, non è generalmente accettata per risolvere controversie sui capitolati, dove normalmente si richiedono analisi eseguite da laboratori accreditati. L’utilizzo delle tecniche NIR come metodica di screening risulta sicuramente valida, tanto più se legata alla necessità di disporre di numerosi dati per compilare le tabelle nutrizionali di ogni singolo prodotto.

Bibliografia

1. INRAN – SSICA (a cura di) (2011). Salumi italiani: nuovi valori, nuovo valore – aggiornamento dei dati nutrizionali e ruolo dei salumi italiani nell’alimentazione moderna. 2. Regolamento (UE) N. 1169/2011 relativo alla fornitura di informazioni sugli alimenti ai consumatori. 3. DM 21 settembre 2005 modificato da DM 26 maggio 2016 concernente la disciplina della produzione e della vendita di taluni prodotti di salumeria. 4. Berzaghi P., Riovanto R. (2009). Near infrared spectroscopy in animal science production: principles and applications.

Ital.J.Anim.Sci. 8 (3), 39-62. 5. Prieto N., Pawluczyk O., Dugan M.E.R,

Aalhus J.L. (2017). A review of the principles and applications of Near-Infrared

Spectroscopy to characterize meat, fat, and meat products. Applied Spectroscopy, 71(7), 1403-1426.