MEMORIA DELL’ACCADEMICO ORDINARIO
GIORGIO MASOERO presentata all’Adunanza del 16 marzo 2012
RIASSUNTO:
Dopo aver descritto le strumentazioni di tipo ottico-elettromagnetico (IR, NIRS, Fluorescenza) e di un Naso Elettronico, adatte all’impiego di metodi euristici nella filiera casearia, sono sinteticamente riportate le applicazioni realizzate dal CRA-PCM (ex Istituto Sperimentale per la Zootecnia di Torino e Stazione Alpina di Sauze d’Oulx). Attraverso l’analisi NIRS dell’erba pascolata si è prevista l’ingestione di erba al pascolo (errore ± 0.8 kg SS·d-1, R2 = 0,91) calcolando la produzione massima di latte consentita da sola erba (errore ± 1,4 kg·d-1, R2 = 0,94) e valutando l’escrezione azotata per via urinaria collegata all’urea del latte (R2 = 0,73); nello spettro NIRS dell’erba oltre ai composti nutritivi primari, sono rappresentati numerosi dei 98 composti secondari studiati, che caratterizzano le facies e composti osservati nei formaggi. Originale risultato della fluorescenza è stata la possibilità di stima retrospettiva del livello proteico, del valore energetico (UFL) e dell’ADF dell’erba pascolata. Proseguendo lo studio della Fluorescenza con altri campioni (N=352) è stato possibile discriminare la variabilità di pabulum (bassa, media, elevata) con errori 0 ÷ 9% e l’origine geografica (montagna vs. pianura) con errori limitati (2 ÷ 6%). Le analisi rapide con IR (Milkoscan) e Naso Elettronico hanno dimostrato di poter ripartire il latte in classi di qualità (commerciale, antiossidante, acidi grassi, aromatica, globale) e di essere validi per la caratterizzazione del c.d. “Latte Nobile”.
SUMMARY: Applications of rapid methods for analysis and control in the milk chain
After describing the optical-electromagnetic instruments(FTMIR, NIRS, Fluorescence) and an electronic Nose suitable to be used as heuristic methods in the milk-cheesemaking production chain, are reported the experiments conducted in some projects by the CRA-PCM (ex “Istituto Sperimentale per la Zootecnia” of Torino and “Stazione Alpina” of Sauze d’Oulx). The NIRS of the herbs was related to the dry matter ingestion on pasture (error ± 0.8 kg DM·d-1, R2 = 0,91) and to the maximum milk yield allowed by the only herb regimen (error ± 1,4 kg·d-1, R2 = 0,94). The daily urinary excretion was also related to milk urea nitrogen (R2 = 0,73). In the NIRS examine of the herbs, in addition to the primary nutrient compounds, a wide number from 98 secondary chemical constituents studied in the herbs, milk and cheese, as well as the facies of the pasture have been predicted. Original result of the milk fluorescens have been the retrospective estimation of the proteic, energetic (UFL) and fibrous (ADF) levels of the herbs; implementing the study with further milk samples (n. 352) it was possible to discriminate the pabulum variability (medium, low, high) with error 0 ÷ 9% and the geographic origin of the milk (mountain vs. plain) with error limited to 2 ÷ 6%. The rapid analyses that utilize the IR radiation (Milkoscan) and by an electronic nose have been able to classify the milk in quality classes according four criteria (commercial, antioxidant, fatty acids, aromatic) and global and to be valid for the characterization of the so-called “Latte Nobile”.
RÉSUMÉ: Applications des méthodes rapides pour analyse et contrôle chez la filière du lait
Après avoir décrit l'instrumentation électro-optique (IR, SPIR, fluorescence) et d'un nez électronique, adapté à l'utilisation des méthodes heuristiques dans l'industrie laitière, sont
résumées ci-dessous les activités du CRA-PCM (ancien Institut Expérimental Elevage à Turin et «Station Alpine» de Sauze d'Oulx). En analysant par SPIR l’herbe pâturée on a prévu l’ingestion d'herbe de pâturage (erreur de ± 0,8 kg SS · j-1, R2 = 0,91) en calculant le maximum de production de lait permis par l'herbe seule (erreur de ± 1, 4 kg · j-1, R2). L'excrétion d'azote urinaire a été reliée à l'urée du lait (R2 = 0,73). Chez les spectre SPIR d'herbe, en plus des composés primaires en éléments nutritifs, sont représentés plusieurs des 98 composés secondaires complexement étudiés chez les herbes, qui caractérisent les facies, si bien que de composés observés chez le fromage. Résultat original de la fluorescence est la possibilité d'estimer rétrospectivement la teneur en protéines, la valeur énergétique (UFL) et la fibre de l’herbe pâturée. Poursuivant l'étude de la fluorescence avec d'autres échantillons (N = 352) il était possible de distinguer la variabilité du pabulum (faible, moyen, élevé) avec erreur de 0 à 9% et discriminer l'origine géographique (montagne vs. plain) avec des erreurs limitée (2 à 6%). Les analyses rapides avec IR (Milkoscan) et nez électronique ont montré qu'ils pouvaient partager les classes de qualité du lait (commercial, antioxydants, acides gras, aromatique, global) et il sont valable pour la caractérisation de la soi-disant «Le lait Noble»
1 –PREMESSA
I metodi tradizionali di analisi chimica sono impegnativi per il laboratorio, lunghi, inquinanti e costosi. Crescente attenzione è stata rivolta allo sviluppo di metodi rapidi, non distruttivi, adatti a campioni grezzi e non richiedenti particolari preparazioni e trattamenti.
2 – STRUMENTI CHE USANO LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
Le strumentazioni scientifiche utilizzate in campo agrario che si basano sulle proprietà ottiche delle matrici sono principalmente quattro e si suddividono in funzione delle bande di interazione con le radiazioni elettromagnetiche: Infra- Rosso (IR); vicino infrarosso (NIRS); Visibile; Fluorescenza.
2.1.Infrarosso (FTMIR)
È la zona di energia calorica, in cui avvengono le vibrazioni fondamentali della sostanza organica e in particolare dei gruppi O-H, C-H,N-H. Nella regione del medio IR (2500-25000 nm) la radiazione elettromagnetica induce vibrazioni dei gruppi organici caratteristici. La tecnica è detta FTMIR (da Fourier Transformed Medium Infra Red) in quanto utilizza la procedura matematica per chiarificare il segnale rispetto ad uno spettro bianco di riferimento. Essa è applicabile alle analisi rapide dei liquidi, in primo luogo il latte: milioni di campioni sono analizzati da apparecchiature FTMIR, tra queste la FOSS-Electric con la serie dei Milkoscan (ora FT2) afferma di realizzare il 75% delle determinazioni al mondo, per controlli funzionali delle singole bovine, per controllare le caratteristiche qualitative del latte di massa e per le lavorazioni casearie. La medesima tipologia strumentale, che opera in trasmissione su liquidi, è adatta a soddisfare le esigenze analitiche rapide della filiera enologica, del miele, delle conserve ecc. . Minore diffusione è riservata all’analisi IR dei solidi, che vengono preparati in pastiglie, ma si adatta principalmente alle sostanze e miscele chimiche, dunque non alle matrici alimentari miste che derivano dalle materie prime agricole e zootecniche.
Fig. 2 - Esempio di interferogramma del latte
2.2 – NIRS-Near Infra Red Spectroscopy (vicino infrarosso)
La radiazione emessa dalla matrice a picchi nella zona MIR genera onde di rimbalzo o risonanza (overtone) che vanno a ricadere nello spettro vicino all’infrarosso, il quale parte da 2500 nm ed arriva ad 800 nm, appena oltre il visibile (750 nm rosso - 450 violetto). Il raggio IR genera risonanze primarie secondarie e terziarie, nonché loro combinazioni. Queste risonanze non corrispondono a picchi ma sono vaghe e fluttuanti, poco ripetibili in misure successive: più che l’ampiezza in assoluto contano i punti di inflessione degli assorbimenti o delle riflessioni, evidenziate tramite il pretrattamento matematico di derivazione, rispetto ad uno spettro bianco di riferimento. Le singole zone non hanno rilevanza: occorre considerare tutto lo spettro, esclusa eventualmente la zona dell’acqua (intorno ai 1940 nm) che genera un forte disturbo luminoso (scattering). Le sostanze grasse e quelle secche danno le migliori risoluzioni. Il grande vantaggio della NIRS consiste nella possibilità di osservazione diretta di materiale grezzo, senza preparazioni preliminari, ponendo attenzione alla
condizione di umidità. Si possono esaminare infatti campioni solidi, fluidi o liquidi, anche attraverso il loro contenitore purché sia trasparente ed omogeneo (basta fare un bianco con un contenitore vuoto). Si possono esaminare anche tessuti o animali vivi o la pelle. Quando si opera con tessuti e prodotti animali è importante il sistema di preparazione e conservazione del campione, siccome la osservazione diretta in vivo o sul fresco è ancora poco diffusa perché i sistemi NIRS sono ancora principalmente da banco. Il metodo di riferimento per i chimici è sovente la liofilizzazione (essiccamento da sublimazione dell’acqua con vuoto e freddo); questo sistema è lungo, costoso e per la NIRS genera effetti di disturbo molto grandi nella preparazione dei lotti, tali da annullare l’esame degli effetti sperimentali ricercati (es. alimentazione o genetica) o creare effetti fittizi. Un sistema messo a punto da Masoero e Iacurto (2007) impiega un preparato particolare dei tessuti muscolari, grasso, fegato messi in alcol 95% (Fig. 4) per qualche giorno e poi letti alla NIRS dopo 2 ore di aerazione; l’alcol coagula le proteine e le fibre muscolari si induriscono. Questo spettro NIRS del muscolo Longissimus Dorsi o del muscolo Biceps femoris è collegato alla valutazione sensoriale della giuria (Fig. 3) con elevata accuratezza (R2=0,88) Brugiapaglia et al., 2010).
Fig. 3 - Stima della preferenza globale del Panel dallo spettro NIRS del campione di muscolo in alcol
I materiali sfusi omogeneizzati e accuratamente macinati possono leggersi in recipienti di vetro trasparente il quale, essendo amorfo, non assorbe energia e non cambia lo spettro NIRS. Le foglie intere possono essere lette mediante strumenti a fibra ottica.