LA SPETTROMETRIA PER L'ANALISI SIMULTANEA DEL COLORE E LA DETERMINAZIONE DEI PARAMETRI CHIMICI NEI CAMPIONI DEI PRODOTTI ALIMENTARI

Di: Barbara Tobijaszewska, Richard Mills, Jakob JønsJune 2018foss.it

WHITE PAPER DI FOSS:

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IntroduzioneIl colore è una qualità sempre più importante per i produttori alimentari, ma generalmente la sua analisi richiede un metodo visivo soggettivo dai tempi molto lunghi o il ricorso ad uno strumento dedicato. Ma cosa succederebbe se la capacità intrinseca degli analizzatori per alimenti basati sulla spettroscopia potesse essere utilizzata per misurare simultaneamente il colore con parametri di composizione come proteine e umidità?

Un progetto di questo tipo assicura l'analisi rapida e consistente di parametri chimici di composizione simultaneamente all'analisi del colore, utilizzando una piattaforma solida e testata per le rigorose esigenze delle analisi alimentari di routine.

In questo white paper si prende in esame il nuovo strumento FOSS FoodscanTM 2 con riferimento alla definizione dei parametri di analisi del colore, al relativo funzionamento e ad un confronto dei risultati ottenuti da questo strumento rispetto a uno strumento specifico per il test del colore. Per implentare la soluzione nel contesto della produzione alimentare odierna, occorre partire dal background sull'analisi del colore nel processo di produzione alimentare, da una breve definizione dei parametri dell'analisi del colore e dalla relativa metodologia.

Indice1. Il colore nella produzione alimentare odierna 3

2. Colore: Definizione e principio di analisi 5

3. Analisi del colore con FoodScan 2 8

4. Confronto dell'analisi del colore con FoodScan 2 rispetto al colorimetro dedicato 10

5. Conclusione: Vantaggi dell'analisi del colore integrata 13

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1. Il colore nella produzione alimentare odiernaDall'antico proverbio cinese secondo cui: 'si mangia prima con gli occhi' fino agli ultimi studi che indicano la crescente importanza del colore nelle preferenze del consumatore, non è difficile capire quanto sia importante l'analisi del colore nella produzione alimentare.

Da una breve ricerca online sulla 'importanza del colore nelle preferenze del consumatore' emergono molti risultati quali: Il colore del formaggio magro influenza la percezione e le preferenze del consumatore (Color of low-fat cheese influences flavor perception and consumer liking, 2012*): l'importanza del colore sulla preferenza generale delle versioni magre del formaggio Cheddar. I partecipanti allo studio erano influenzati negativamente quando il formaggio era troppo trasparente o troppo bianco.

Altre conclusioni si basano semplicemente sul buon senso che deriva da aspettative uni-versali elaborate nel corso delle nostre vite. Pensiamo automaticamente: 'questo dessert giallo avrà un dolce sapore di vaniglia o questa carne ha un bel tono fresco di rosso'. Di conseguenza, gli standard industriali e le linee guida mirano a sostenere le procedure per rispondere alle aspettative. Gli esempi includono l'American Meat Science Association ‘Meat Color Measurement Guidelines’ - un accurato documento di oltre 100 pagine che copre molti aspetti dell'analisi del colore che i produttori devono tenere in considerazio-ne. Allo stesso modo, il documento norvegese ‘Bransjestandard for Fisk’ con una sezione dedicata al colore del salmone offre ai produttori una chiara gamma di obiettivi.

Se l'importanza del colore negli alimenti continua a crescere, le sfide che i produttori devono affrontare per raggiungere l'uniformità cromatica desiderata non sono certo da meno. Tradizionalmente i produttori hanno fatto uso di conservanti come nitrati e sale per garantire la permanenza del colore auspicata sugli scaffali del supermercato, ma le restrizioni di legge stanno rimescolando le carte. Allo stesso modo, l'utilizzo dei conser-vanti di tipo E è sotto i riflettori non solo da un punto di vista normativo, ma anche nella sensibilità del consumatore. Gli studi indicano che i consumatori vogliono colori naturali negli alimenti e nelle bevande. Secondo un report di Nielsen** sulle tendenze per gli in-gredienti, 2016, il 61% dei consumatori dichiara di cercare di evitare i coloranti artificiali. In Europa il numero di nuovi prodotti con coloranti naturali è aumentato del 5.6% nel 2015, con una diminuzione del 5.2% dei colori artificiali.

La ricerca di alternative, comunque, comporta complicazioni per i produttori, ad esempio ci si pone la seguente domanda: un uso ridotto o l'eliminazione dei conservanti a base di nitrati come andrà a influire sul colore una volta aperta la confezione?

Per condurre una ricerca sul prodotto ed eseguire test qualitativi di routine, al momento vi sono due opzioni. Il colore può essere valutato soggettivamente dall'occhio umano utilizzando una scheda colori (sezione 2) oppure si può utilizzare un analizzatore del co-lore. Entrambi sono validi, ma implicano un costo notevole. In primo luogo a causa della necessità di personale qualificato e di una postazione speciale con una illuminazione adatta e, in secondo luogo, a causa della necessità di un analizzatore dedicato. L'impatto sulle

*lR.WadhwaniD.J.McMahon: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022030212002019**Nielsen ingredient trends, 2016: www.nielsen.com/content/dam/nielsenglobal/eu/docs/pdf/Global%20Ingre-dient%20and%20Out-of-Home%20Dining%20Trends%20Report.pdf

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operazioni di controllo qualità è significativo, se si considerano anche altre attività come l'analisi della composizione.

Per contrastare questa situazione è possibile utilizzare soluzioni per spettroscopia sempre più all'avanguardia per fornire contemporaneamente analisi del colore e della composizio-ne. Questo risultato è raggiungibile combinando il metodo ottimale per l'analisi del colore (riflettanza nello spettro visivo) con il metodo richiesto per l'analisi della composizione (trasmittanza nello spettro dell'infrarosso) in una sola unità.

Per prima cosa, è necessario un riferimento comune per la discussione sull'analisi del colore.

L'analizzatore FoodScanTM di FOSS analizza contemporaneamente colore e parametri chimici nei prodotti alimentari

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2. Colore: definizione e principio di analisiLe definizioni disponibili online e nei manuali si concentrano sul colore come qualità determinata visivamente dalla luce riflessa rispetto a tonalità, saturazione e luminosità.

Il sistema di abbinamento di colori pantone è un modo noto per fornire un punto di riferimento comune per la valutazione visiva. Nella produzione alimentare, gli standard dei colori dell'U.S. National Cheese Institute sono un esempio che prende una serie di riferimenti di colore per la gradazione cromatica del formaggio a pasta dura. Un altro esempio è lo standard norvegese per il salmone indicato nella sezione 1 con una gamma della cartella colore a cui aderire.

All'apparenza, l'idea di esaminare visivamente una scheda colore accanto a un campione sembra un approccio semplice, ma la valutazione visiva ha degli svantaggi evidenti. È soggettiva, quindi comporta irregolarità nei test tra una persona e l'altra o anche eseguiti dalla stessa persona nel corso del tempo. Necessita di una sede con illuminazione adeguata e può impiegare molto tempo.

In alternativa, le tecnologie di analisi del colore vanno oltre lo sguardo umano soggettivo e ci consentono di quantificare obiettivamente un arcobaleno di colori per fornire una linguaggio comune. Ad esempio, un'analisi rilevata in una sede può essere confrontata con un'analisi rilevata in un'altra sede o in un diverso momento all'interno di una termi-nologia internazionalmente riconosciuta. Ciò esclude la diversa percezione del colore e le differenze di giudizio tra tecnici. Strumenti di questo tipo sono disponibili con diverse denominazioni: colorimetri e spettrofotometri.

Il colorimetro imita la percezione dell'occhio umano utilizzando filtri per rilevare le infor-mazioni sul colore. Uno spettrofotometro utilizza uno spettro completo dell'analisi del colore per fornire analisi più sofisticate, si veda sotto il principio base dei metodi obiettivi.

Inoltre, come trattato in questo white paper, uno spettrometro utilizzato comunemente per applicazioni al vicino infrarosso può fornire una piattaforma tecnologica per analizzare simultaneamente il colore e analisi di composizione.

Principio di base dei metodi obiettiviTutti gli analizzatori menzionati sopra possono misurare il colore come intensità di un raggio di luce in quanto funzione della propria lunghezza d'onda. Il colorimetro utilizza sensori per imitare la visione umana utilizzando tre fotocellule come recettori, proprio come un occhio umano. Gli spettrofotometri o spettrometri raccolgono interi spettri (per ogni lunghezza d'onda) e li trasformano matematicamente (con algoritmi) in valori corrispondenti alla percezione dell'occhio umano.

Per ogni situazione è necessario descrivere la sensazione visiva con funzioni matematiche.

I cosiddetti valori "tristimulus" sono utilizzati per misurare l'intensità della luce in base a tre valori dei colori primari: rosso, verde e blu. Essi sono rappresentati dalle coordinate X, Y e Z che facilitano l'utilizzo delle cartelle per definire i colori.

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Il sistema è stato ampiamente utilizzato per decenni come standard comune per l'analisi obiettiva del colore ed è stato definito dalla Commissione Internazionale sull'Illumina-zione (CIE).Area cromatica standard XYZ (1931). Le risposte dello spettro XYZ si trovano facilmente su internet.

Il sistema XYZ è stato creato negli anni settanta per ottenere un modello più sofisticato che include anche la dimensione accessoria della luminosità, nota come spazio colore delle coordinate cromatiche L*a*b* (o CIELAB). Il modello è stato scelto come standard nel 1976 nel rispetto del CIE, Così è nato lo standard CIELAB per l'analisi dl colore (figura 1).

Fig. 1 LAB e diagramma sferico che illustrano la descrizione generale fornita dalla definizione dello spazio del colore CIELAB. L* descrive la luminosità - tra 0 per il nero e 100 per il luminoso. Punti a* positivi al rosso e negativi nel verde. b* cambia tra giallo (positivo) e blu (negativo).

Approccio della spettroscopiaPer eseguire l'analisi si espone un campione alla luce e si misura la quantità di luce raccolta per ogni lunghezza d'onda. A seconda dell'assorbimento e della riflessione, le caratte-ristiche dello spettro del campione forniscono una chiara firma che mette in relazione l'impressione del colore, figure 2 e 3.

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Fig 2 Analisi di diverse schede colore (campioni cartacei) – Lo spettro di assorbimento è il pannello a sinistra, la corrispondente riflettanza è a destra

Fig. Fig 3 Analisi di prodotti diversi – Lo spettro di assorbimento è il pannello a sinistra, la corrispondente riflettanza è a destra Il colore della linea corrisponde al colore del prodotto.

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3. Analisi della composizione e analisi visiva con FoodScan 2 Un analizzatore basato sulla spettroscopia con una gamma adatta a coprire le lunghezze d'onda da infrarosso a visivo può essere un modo rapido per analizzare il colore mentre si esegue l'analisi della composizione degli alimenti.

I responsabili del controllo qualità possono quindi ottenere informazioni sul sempre più significativo parametro colore senza dover dedicare una sala all'analisi visiva ed affidarsi a uno staff esperto. Ancor più importante per il budget del laboratorio: serve un solo strumento al posto di due.

Il colore analizzato nello spettro visibile con la riflettanzaIl colore può essere analizzato con la spettroscopia sia con i metodi per riflettanza sia con quelli per trasmittanza, ma la riflettanza nella lunghezza d'onda del visibile (400 - 750 nm) immediatamente adiacente all'infrarosso è particolarmente efficace, dato che il colore degli alimenti, fatta eccezione per campioni trasparenti e liquidi, è definito in larga misura dalle caratteristiche della superficie, ovvero la luce riflessa.

La composizione, d'altro canto, si stabilisce meglio se la maggior parte del campione può essere sottoposto a scansione. Questo è importante in particolare per i campioni disomo-genei come la carne macinata, in cui la trasmittanza fornisce una scansione rappresentativa del campione 'sotto la superficie'.

Analisi del colore con FoodScan 2FoodScan 2 utilizza lo spettro della luce visibile riflessa a 45° dal piano del campione per elevare il colore.

Il campione è illuminato dall'alto da una fonte a banda larga. La fonte di illuminazione viene sottoposta a scansione con un monocromatore. Il rilevamento della luce riflessa è sincronizzato con la scansione della sorgente per poter acquisire lo spettro di riflessione.

Lo spettro di riflessione è normalizzato rispetto allo spettro del Campione di Riferimento Diffuso (DRS) per valutare il campione di colore.

Gli spettri di riflessione del campione sono convertiti in parametri cromatici XYZ filtrando matematicamente gli spettri normalizzati con profili predefiniti degli spettri per i parametri X, Y e Z (fig. 4) e sono poi convertiti in CIELAB (fig. 5).

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La meccanica dell'analisi del colore nel settore della produzione alimentare è stata consi-derata accuratamente e lo strumento è stato realizzato secondo i principi chiave elencati di seguito:

• Robustezza – lo strumento può sopportare il contatto diretto di routine con i campioni alimentari ed è facile da pulire senza compromettere le prestazioni.

• La superficie del campione può essere analizzata con l'esposizione diretta all'aria, ad esempio senza necessità di un coperchio. Questo consente di studiare l'interazione dell'atmosfera con il campione, con risultati rapidi che consentono una valutazione del cambiamento di colore della carne a contatto con l'aria.

• Nessun rischio che l'illuminazione ambientale influenzi l'analisi del risultato. Ciò è pos-sibile grazie a una camera campioni appositamente progettata.

• Presentazione facilmente leggibile del risultato superato o fallito assieme ai risultati in formato L*a*b*.

• Trasferibilità della calibrazione tra gli strumenti FoodScan 2 per un'analisi coerente e per una gestione minima dello strumento - un aspetto particolarmente importante per utenti che gestiscono più di un'unità, magari anche in luoghi diversi.

Fig.5 Come da standard CIELAB, i passaggi da determinazione della luce riflessa dal campione a valori L*a*b presentati sullo schermo di FoodScan 2.

Misura spettri di riflettanza

Correzione per "standard illuminant"

Applica funzioni di abbinamen-to colori per "osservatore standard CIE"

Calcola valori del sistema

CIELAB

Fig 4. Funzioni CIELAB tristimulus.

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4. Confronto dell'analisi del colore di FoodScan 2TM con un colorimetro commerciale L'obiettivo definito per l'analisi del colore con FoodScan 2 è quello di fornire misurazioni compatibili con quelle dei colorimetri standard utilizzando il principio dello spettrometro.

A questo scopo le analisi del colore eseguite con un FoodScan 2 sono state confrontate con quelle di un colorimetro standard per tutte le principali applicazioni di FoodScan 2, ovvero carne e prodotti a base di carne, formaggi, prodotti fermentati, burro e prodotti spalmabili. I campioni sono stati analizzati in repliche su FoodScan 2 e sul colorimetro. Il test comprendeva inoltre l'analisi di campioni artificiali. I risultati dei campioni artificiali e reali sono presentati di seguito. Sono state esaminate anche la ripetibilità dei risultati che indicano prestazioni e la riproducibilità dei risultati che indicano la trasferibilità.

Confronto con colorimetro dedicatoC'è una buona corrispondenza tra il colorimetro e FoodScan 2 per l'analisi diretta della superficie (figura 6).

Figura 6. Esempi di luminosità (L*) con misurazione diretta sulla super-ficie.

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Le analisi possono differire a causa della diversa presentazione del campione (fig. 7) ad esempio se si esegue l'analisi attraverso una piastra di Petri con il colorimetro e la si con-fronta con l'analisi diretta della superficie eseguita con Foodscan 2.La compatibilità può essere influenzata da una serie di fattori, quali:• Differenze minime nell'algoritmo CIELAB, dato che il colorimetro si basa su lunghezze

d'onda da 380 nm e FoodScan 2 su lunghezze d'onda da 400 nm.• Differenze nella presentazione del campione.• Impostazioni specifiche dell'analizzatore del colore, ad esempio è importante utilizzare

gli stessi standard di conversione quando si esegue la comparazione con un colorimetro. CIELAB definisce due standard: lo standard del 1931 per l'osservazione da un angolo di 2 gradi e lo standard del 1964 che definisce un angolo di osservazione standard a 10°. Il modello utilizzato per il test comparativo fa riferimento ai 10°.

• Disomogeneità del campione. Dato che FoodScan esegue la scansione di una superficie di campione fino a 20 volte maggiore, può essere necessario eseguire la scansione del campione col colorimetro in posizioni multiple e utilizzare un valore medio per l'alline-amento con FoodScan 2.

Figura 7. Confronto di analisi dirette rispetto alle analisi attraverso una piastra di Petri.

Figura 8. Riproducibilità della luminosità nei prodotti alimentari (carne, formaggio, yogurt, burro) misurata da due strumenti FoodScan 2.

La riproducibilità delle analisi (trasferibilità)La figura 8 mostra un confronto tra i valori ottenuti da due diversi analizzatori FoodScan 2. Sono stati analizzati yogurt, formaggio, prodotti a base di carne e burro, con una previsione dei valori dei due strumenti che sono stati poi comparati. L'esempio mostra il valore di luminosità (L*).

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Ripetibilità dei risultatiUna buona ripetibilità è la base per ogni buon metodo. Dato che la ripetibilità dipende dall'omogeneità del campione e dalla presentazione dei campioni, è stato svolto uno studio in cui i tipi di campioni sopra descritti sono stati testati con scansione in 4 repliche su un FoodScan 2.

I campioni sono stati preparati in una tazza media e grande per creare un effetto di scan-sione della maggior superficie di campione possibile. Come riferimento, il campione in tazza media è stato anche scansionato con un analizzatore del colore con spettrofotometro standard disponibile sul mercato.

Tabella 1, In aggiunta alla ripetibilità delle analisi eseguite sullo stesso prodotto (ad esempio il formaggio) è stata esaminata anche la ripetibilità delle analisi su tazze grandi e piccole. Si è proceduto in questo modo per cogliere diverse proprietà della superficie legate a campioni disomogenei. La tabella 1 mostra la ripetibilità in relazione al tipo di prodotto e alla tazza per campioni con dati che mostrano la media di quattro test: la cifra minore indica la minore variazione. Esiste una chiara correlazione tra l'area di scansione della superficie e la ripetibilità, ad esempio per la luminosità del formaggio (L).

È chiaro dallo studio che in presenza di una maggiore disomogeneità del campione si ot-tengono risultati più affidabili con la scansione di una superficie più ampia del campione.

Tipo di prodotto FS2 tazza media FS2 tazza grande

Carne L* 0.20 0.19

a* 0.10 0.05

b* 0.05 0.02

Formaggio L* 0.38 0.13

a* 0.04 0.03

b* 0.20 0.10

Yogurt L* 0.04 0.08

a* 0.01 0.01

b* 0.01 0.01

Burro L* 0.04 0.01

a* 0.02 0.01

b* 0.21 0.14

5. Conclusione: Vantaggi dell'analisi del colore integrata

FoodScan 2 consente di eseguire un'analisi rapida e consistente di parametri chimici di composizione simultaneamente all'analisi del colore. Offre quindi un'alternativa 'due-in-uno' alla lunga e soggettiva valutazione del colore attraverso l'esame visivo o alla necessità di apparecchiatura dedicata per l'analisi del colore.

Fornisce analisi rapide nel formato standard CIELAB come parte di un analizzatore per prodotti alimentari studiato per ambienti di produzione. FoodScan 2 offre pertanto una piattaforma solida per i test di routine rispetto agli standard colorimetrici e per la ricerca e sviluppo nel campo dei prodotti alimentari, dimostrandosi utile, ad esempio, nei test sugli effetti di una minore presenza di conservanti ai nitrati e di sale nei prodotti alimentari.

Le analisi sono ripetibili e riproducibili. I risultati dello studio mostrano che FoodScan 2 è comparabile al colorimetro utilizzato. Inoltre, il robusto sistema di analisi FoodScan2 può essere equipaggiato per creare una piattaforma stabile per l'analisi del colore in contesti di produzione alimentare. La riproducibilità viene mantenuta agli stessi livelli anche nella piattaforma FoodScan 2.

Vi sono alcune differenze rispetto alle analisi con colorimetria dovute a disomogeneità o diversa presentazione del campione. Le differenze confermano che il sistema Foodscan 2 rappresenta una soluzione stabile in quanto esamina una superficie del campione fino a 20 volte maggiore rispetto ad analizzatori di colore standard.

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