Near infrared spectroscopy in food analysis: qualitative and quantitative approaches

“Food quality” is a very wide issue and sometimes it is also difficult to define. Food is generally a complex mixture of chemical compounds and physical properties which make up its characteristics. The determination of quality of such complicated systems is usually very difficult considering that the available analytical techniques can evaluate one constituent at a time and they cannot provide a response useful to define the general concept of “quality”. Furthermore, these techniques are often very expensive. They need sophisticated instrumentations and trained analysts. Near infrared spectroscopy (NIRS) seems to be able to solve the major part of these problems. The spectra obtained by scanning samples are like a fingerprint of the organic matter and they reveal much information about the composition and the chemical-physical properties of the scanned compounds. The real benefit of NIRS is its speed in providing responses, which is an essential feature especially for highly perishable food. NIRS has also the important advantage to be perfectly adaptable to modern food production systems where all the different steps of the supply chain are often automated and where the quality of the products has to be checked directly on the production line in order to obtain standardised products with specific characteristics. Even if NIRS is nowadays largely used by industries and laboratories, there is still space for further research in this field; through my PhD thesis I have tried to increase the applications of NIRS to solve specific problems of the food sector. The present thesis has been divided into 7 different chapters: The first one regards the fundamental aspects of NIRS. It provides a brief description of its foundation, the equipment it uses and the mathematical tools needed to extract the whole information contained in NIR spectra. Furthermore a selected number of NIRS applications have been described after conducting a bibliographic research. The chemometrics section is intended as a sort of introduction for beginners who approach this discipline for the first time. In fact it offers an overview about chemometrics without giving to many details of this large subject. The number of formulas in this thesis were kept to a minimum reporting just some calculations necessary to understand how to obtain a good calibration and how to evaluate its performances. The 6 other chapters of this thesis report the 6 different trials I carried out during my 3 years of PhD: - in the first study NIRS was used to evaluate meat quality of different rabbits’ genetic lines (using fresh instead of freeze-dried meat samples) and to discriminate rabbits according to their genetic belonging. It was demonstrated that NIRS may be a useful tool to monitor meat quality during the development of rabbit selection programs especially for the prediction of the main chemical constituents and the fatty acid profile; - the main aims of the second study were to test the potential of NIR spectroscopy to predict important composition parameters of Pecorino Siciliano cheese and to classify samples according to their aging period. Pecorino Siciliano cheese has to respect some prerequisites to be commercialized with the P.D.O. (Protected Designation of Origin) denomination: it must have a minimum amount of fat of 40% on dry matter bases and it has to be aged for at least 4 months. NIRS seems to be a strategic tool to monitor the production supply chain of traditional products so that improve and standardize their overall quality; - the objective of the 3rd and 4th studies was to compare different spectral regions, NIR (Near Infrared Reflectance) and visible-NIR (Vis-NIR), to assess their ability to discriminate between fresh and frozen-thawed fish products: sea bream fillets and swordfish cutlets. The substitution of thawed products labelled as fresh is a common commercial fraud. Consumers and honest traders must be protected from this fraudulent behaviour. Spectroscopy seems to be a really useful analytical technique able to discriminate samples which have undergone different storage treatments and it is especially useful for fish which has lost its original wholeness; - the 5th study highlights a very important topic about NIR spectroscopy: the calibration transfer amongst different instruments. A large and robust calibration for pork fat composition was available in our lab using a Foss NIRSystem 5000 as spectrophotometer. We tried to transfer this calibration to use it on two other instruments (Unity Scientific 2500x and Zeiss MMS1 sensor) so that all the information acquired during many years of lab analysis are kept. To avoid full recalibration of the new NIR instruments, a certain number of chemometrics tools are available; they permit the calibration transfer and spectra correction from instrumental and environmental differences. Several standardisation approaches have been proposed in literature and the aim of our study was to evaluate which of them provide the best performances for this purpose; - the aim of the last study was to discriminate Shiraz wines (vintage 2006) produced in 5 Australian regions (Barossa Valley, Coonawarra, McLaren Vale, Clare Valley, Western Australia) using UV-Visible (UV-Vis), Near Infrared (NIR) and Mid Infrared (MIR) spectroscopy, combined with chemometrics. Knowing the origin of food is extremely important to safeguard traditional products from illegal imitations and to guarantee “food traceability” which is nowadays an important concept worldwide. NIRS has found a strategic role in this field for its classification ability starting from the information embedded into the spectra. As many spectroscopy users would say, “NIRS and chemometrics are not a magic box where all the questions are answered and all problems find resolution” but we tried to underline the concept of versatility of this technique which can be applied to solve different problems in the whole food supply chain. On the other hand we have not hidden the limits that sometimes this secondary analytical technique can present.

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.