Analisi del caffè mediante spettroscopia NIR

Analisi del caffè
mediante
spettroscopia NIR
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Introduzione
I metodi analitici conventionali sono stati usati per monitorare i
principali parametri del caffé. Normalmente, i costi ed il lavoro
necessario per un periodico e accurato
controllo del caffé verde nonché di
quello torrefatto sono spesso gravosi,
in particolare per I piccolo e medi
produttori di caffé. Per questa ragione,
abbiamo pensato di utilizzare la
tecnica
NIR
(Near-InfraredReflectance-Spectroscopy), che in
relazione alla composizione del caffé
offre una buona affidabilità dei dati
unitamente ad un’elevata velocità di esecuzione della prova e costi
particolarmente contenuti.
In letteratura si possono trovare molte informazioni circa
l’applicazione nel caffé, sia verde che torrefatto, di questa
innovative tecnica analitica.
I punti cardine di questo lavoro sono:
Sviluppo di modelli di calibrazione per la determinazione della
composizione del caffé verde monorigine e di quello torrefatto
(proteine, caffeina, lipidi, ceneri, umidità) utilizzando metodiche
convenzionali
Validazione statistica ed accreditamento del metodo in accordo
con le norme UNI ISO IEC 17025/2008
Valutazione di cicli produttivi mediante l’ upgrade dei dati
ottenuti con il metodo NIR e gestione dei dati in un sistema
qualità di una industria di caffé.
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Materiali e Metodi
Le curve di calibrazione sono state create in riferimento alle analisi
effettuate con metodi
convenzionali, le quali
sono
state
svolte
utilizzando campioni
di
caffé
verde
monorigine e caffé
torrefatti.
Numerosi
campioni di varietà di
caffé
(Arabica
e
Robusta provenienti
dall’Africa, America e
Asia) sono stati esaminati nel nostro laboratorio.
Le analisi sono state condotte “testando” più di 100 campioni sui
quali sono stati determinati I seguenti parametri :
Ceneri esaminate mediante analisi gravimetrica dopo combustione a
550°C (circa 16 ore) in accordo con il metodo AOAC 920.93,
Proteine gregge utilizzando il metodo Kjeldahl,
Umidità con metodo gravimetrico dopo riscaldamento del campione
a 103°C e 105°C a pressione atmosferica in accordo con la ISO
11294:1994 e la ISO 6673:2003,
Lipidi con estrazione soxhlet ed infine
Caffeina mediante estrazione con acqua a 90°C in presenza di ossido
di magnesio e successive derminazione in HPLC con rilevazione
all’UV in accordo con la norma ISO 20481:2008.
Lo spettro NIR in riflettanza di ognuno dei campioni è stato ottenuto
come si può osservare (Fig.1) utilizzando un’apposita piastra Petri
rotante con uno spettrometro NIR-BRUKER equipaggiato con Sfera
di integrazione (MPA-R). Gli spettri sono stati acquisiti nella regione
compresa tra 3600 cm-1 e 12000 cm-1, con 2 nm di risoluzione e 100
scansioni.
3
Lo spettro del caffé torrefatto è stato acquisito dopo
omogeneizzazione e polverizzazione dei campioni, mentre per i
campioni di caffé verde si è proceduto con l’analisi sul tal quale
(caffé in chicco).
Fig. 1 NIRS spectra of different Roasted Coffee
Resultati e
Discussione
Il range di misura,
il valor medio e la
deviazione
standard dei valori
di
Ceneri,
Proteine, Umidità,
Lipidi e Caffeina
nei campioni usati
per la calibrazione,
sono osservabili
nella
seguenti
tabelle (Tab I, Tab II). Le Statistiche per la calibrazione e la
validazione visibili nelle Tab III e Tab IV includono l’errore
quadratico medio della Cross Validation (RMSECV), l’indice di
analisi predittiva espresso come rapporto tra la Deviazione Standard
e l’errore di predizione. Infine sono anche riportati il coefficiente di
determinazione (r2) e i metodi di rielaborazione degli spettri
utilizzati.
Tab I Media, Campo di Applicazione, Deviazione Standard del corredo di
calibrazione utilizzato per il caffé torrefatto
Parametri
N. Campioni
Media%
Range%
SD
Ceneri
80,00
4,73
3,95-5,52
0,46
Caffeina
70,00
1,56
0,1-3,05
0,63
Lipidi
94,00
10,27
6-14,55
1,55
Proteine
39,00
16,04
13,32-18,76
1,47
Umidità
137,00
2,15
0,88-3,43
0,87
4
Tab II Media, Campo di Applicazione, Deviazione Standard del corredo di
calibrazione utilizzato per il caffé verde
Parametri
Ceneri
N° Campioni
92,00
Media%
4,34
Range%
2,67-6,01
SD
0,76
Lipidi
79,00
8,67
4,1-13,25
2,64
Umidità
84,00
9,07
6,6-11,54
1,25
Tab III Analisi statistica della calibrazione e della Cross-validation del caffé
torrefatto (RMSECV Root-Mean-Square Error of Cross-Validation, RPD
Residual Prediction Deviation, R2 coefficient of determination)
Parametri
Ceneri
RMSECV
0,09
RPD
5,12
R2
0,96
Spectral Processing
No Spectral Processing
Caffeina
0,05
12,40
0,99
Vector Normalization
Lipidi
0,17
9,31
0,99
Multiplicative Scattering Correction
Proteine
0,17
8,77
0,99
No Spectral Processing
Umidità
0,07
12,70
0,99
Straight line substraction
Tab IV Analisi statistica della calibrazione e della Cross-validation del caffé
verde (RMSECV Root-Mean-Square Error of Cross-Validation, RPD Residual
Prediction Deviation, R2 coefficient of determination)
Parametri
Ceneri
Lipidi
Umidità
RMSECV
RPD
R2
Spectral Processing
0,13
5,86
0,97
Straight line substraction
0,53
5,03
0,96
Vector Normalization
0,23
5,44
0,97
Straight line substraction
5
I metodi sviluppati sono stati soggetti ad una validazione statistica
mediante la determianazione della ripetibilità, accuratezza, robustezza,
LOD, LOQ, Selettività e precisione ed accreditati da Accredia in
accordo con la UNI ISO IEC 17025/2008. L’accuratezza e la
precisione sono state valutate mediante un training-test
interlaboratorio o mediante comparazione con uno standard
certificato.; la robustezza utilizzando una matrice fattoriale in accordo
con la notazione di Yates; il LOQ come punto inferiore della curva di
calibrazione ed il LOD come un terzo del LOQ (previa valutazione del
rapporto segnale/rumore); la ripetibilità secondo la relazione
r  t  SD  2
(dove SD è la Deviazione Standard) e la selettività
mediante l’uso di campioni a titolo noto a varie concentrazioni.
Tab V Limite di Determinazione LOD, Limite di Quantificazione LOQ, Incertezza
Estesa Ue, media Xm, dei metodi applicati al Caffé Torrefatto
Parametri
LOQ
LOD
Ue (m=2)
Xm
Ceneri
3,95
1,32
0,31
4,13
Caffeina
0,1
0,03
0,13
1,17
Lipidi
6,00
2,00
0,33
9,09
Proteine
13,32
4,40
0,3
13,36
Umidità
0,88
0,33
0,25
2,18
6
Tab VI Limite di Determinazione LOD, Limite di Quantificazione LOQ, Incertezza
Estesa Ue, media Xm, dei metodi applicati al Caffé Verde
Parametri%
LOQ
LOD
Ue (m=2)
Xm
Ceneri
2,67
0,90
0,31
3,74
Lipidi
4,16
1,40
0,2
12,57
Umidità
6,60
2,20
0,14
6,63
Conclusioni e ringraziamenti
La spettrofotometria NIR ed i metodi sviluppati si sono rivelati
ripetitivi e robusti; tutte le curve di calibrazione sono caratterizzate
da buoni valori di correlazione (Coefficente di correlazione >0.95 ,
bassi valori di RMSECV, RPD >5). I maggiori valori riscontrati
nella validazione statistica per il caffè verde sono probabilmente
dovuti all’eterogeinetà dei campioni analizzati (analisi effettuate sui
grani tal quali).
Questi risultati dimostrato come sia possible applicare la
spettrofotometria NIR online nel processo produttivo delle
torrefazioni al fine di monitorare la qualità del caffè con un metodo
rapido, accurato ed economico.
La creazione di carte di controllo consentirebbe di migliorare il
sistema di qualità delle aziende nonchè di implementare le
performances di produzione del caffè.
Si ringraziano per la cortesia e la disponibilità le aziende
____________________________________ senza le quali non
sarebbe stato possibile la realizzazione del presente lavoro.
LAV srl
References
1.Pizarro, C. et al.; Analytica Chimica Acta 509 2004, 217–227.
2.Flament, I.; Coffee Flavor Chemistry. Wiley, 2001.
3. Downey, G .; J. Agric. Food Chem. 1997, 45, 4357-4361.
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LABORATORIO CHIMICO E MICROBIOLOGICO
certificato ISO 9001-2008 da: bureau veritas
Autoriz. Reg. Piemonte,
Inserito negli elenchi dei laboratori autorizzati
alle analisi previste dai piani h.a.c.c.p.
Accreditamento ACCREDIA n. 513 UNI CEI EN ISO IEC
Laboratori:
Strada Carignano, 58/14
10024 Moncalieri (To)
Tel. 011.64.66.73 - 011.64.67.488
Fax 011.64.67.492
Regione Marche: Tel. 348.499.26.84
Regione Lazio: Tel. 06.44.24.39.47
e-mail: [email protected]; [email protected]
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