Struttura Ricerca e Innovazione Tecnologica SCHEDA FINALE PROGETTO DI RICERCA N. 1347

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1 VALUTAZIONE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DEL GRASSO DI LATTE DESTINATO A TRASFORMAZIONE MEDIANTE ANALISI DELLO SCATTERING NEL VICINO INFRAROSSO IN FUNZIONE DI FATTORI GENETICI E DI ALIMENTAZIONE - SCATTERLAT L ottimizzazione della gestione tecnologica della componente lipidica del latte dipende da una serie di fattori di tipo fisico-chimico, fisiologico-genetico e gestionale che devono essere supportate da adeguate tecniche analitiche di verifica e di controllo. Il progetto si proponeva la messa a punto di una metodica rapida ed economica per la valutazione della distribuzione dei globuli di grasso in latte individuale, di massa, nel latte dopo affioramento della crema e nella crema. Tale metodica potrà essere utile sia al fine di verificare l ereditabilità di questo carattere, il suo legame con il regime alimentare e la tecnologia di mungitura sia nella ottimizzazione delle tecnologie di caseificazione e burrificazione. Il conseguimento degli obiettivi è stato possibile grazie alla realizzazione di un software basato su modelli fisico-matematici per l elaborazione del segnale ottico nella regione del vicino infrarosso (NIR Near Infra Red) e la definizione di un protocollo sperimentale da applicare in sede di analisi di routine da parte sia delle strutture che effettuano i Controlli Funzionali sulla lattazione delle bovine (ARAL/APA), sia da laboratori privati e pubblici, operanti a livello regionale, che effettuano sul latte di massa analisi di qualità o di tipo igienico-sanitario (Istituti Zooprofilattici) e che già dispongono della necessaria strumentazione NIR. Progetto biennale terminato nell anno Gli attori La partnership di progetto è stata costituita in modo tale da garantire l insieme di competenze idonee ad affrontare le tematiche individuate in modo completo ed efficace. Partner di ricerca: 1. Associazione Regionale Allevatori della Lombardia (ARAL), con sede in Crema (CR) alla quale sono state demandate le attività riguardanti l individuazione degli animali ed i campionamenti delle materie prime da destinare alla sperimentazione, nonché le analisi dei parametri funzionali e la raccolta delle schede individuali. 2. BUCHI Italia S.r.l., leader nel settore della strumentazione da laboratorio che ha sviluppato una specifica linea dedicata allo sviluppo di apparecchiature NIR, con competenze relative a soluzioni strumentali. 3. Capofila di progetto è il CRA-FLC, IRLAB (sede operativa di Lodi) che svolge attività di consulenza, ricerca, formazione ed analisi strettamente inerenti lo sviluppo e l utilizzo delle tecniche di spettroscopia nel medio e vicino infrarosso, applicate al settore agro-alimentare. Responsabile scientifico: Dr. Luigi Degano, primo ricercatore presso CRA-FLC (Lodi) e Direttore della Fondazione Bolognini di Sant Angelo Lodigiano. Gli obiettivi Il progetto prevedeva: 1. La messa a punto di una metodica rapida ed economica per la stima della distribuzione dei globuli di grasso nel latte e nella crema attraverso un modello fisico matematico per l elaborazione della componente di scattering dello spettro nella regione NIR. 2. L ottimizzazione dell ottica di acquisizione degli spettri nella regione NIR mediante la messa a punto di un sistema di auto-campionamento. 3. La valutazione della possibilità di utilizzare strumenti a basso costo, basati su detector CCD, operanti nella regione nm. 4. La validazione dei risultati del modello mediante una serie di analisi effettuate su latte con metodi classici di diffrazione laser. 5. La valutazione della variabilità nella distribuzione di globuli di grasso entro le popolazioni di Frisona, Jersey e Bruna in Lombardia in relazione alla componente genetica, all alimentazione, allo stadio di lattazione e alla tecnologia di mungitura. Pagina 1 di 6

2 6. Lo sviluppo di un modello matematico in grado di prevedere la dinamica di affioramento del grasso con lo scopo di standardizzare la resa casearia e il processo di burrificazione. 7. La valutazione della variabilità della distribuzione dei globuli di grasso utilizzando opportuni set di campioni di latte di massa, dopo affioramento e di creme. Collegamenti: MIPAF - Progetto Straordinario - RiproSel: Riproduzione e Selezione, Sottoprogetto Cheese - Misure fenotipiche e genotipiche associate al prodotto-formaggio ( ). Regione Lombardia - Programma regionale di ricerca in campo agricolo "Robot di mungitura (RdM)" - (biennale). I risultati ottenuti e le nuove conoscenze acquisite Il comparto zootecnico più importante della Lombardia è quello del latte che da solo sfiora il 40% del valore della produzione nazionale. I limiti produttivi imposti dal regime delle quote latte condizionano l ulteriore sviluppo produttivo del comparto. L indagine infracensuaria condotta dall Istat nel 2003 identificava in regione allevamenti da latte con capi, rappresentanti rispettivamente il 15,5% ed il 31,4% di incidenza su base nazionale. La distribuzione dimensionale degli allevamenti da latte indica che circa il 60% delle strutture produttive commercializza oltre 200 tonnellate annue di latte con punte attorno al 90% nel lodigiano e nel cremonese. Gli allevamenti con oltre tonnellate prodotte annualmente sono circa 1.230, di cui il 31% localizzati nella provincia di Cremona, il 21% in quella di Brescia e il 15% ciascuna nelle province di Lodi e Mantova. L insieme dei dati raccolti dalle analisi effettuate su 1020 campioni di latte provenienti da popolazioni di razza Frisona, Jersey e Bruna si è dimostrato un utile strumento per la messa a punto di una metodica rapida ed economica per la stima della distribuzione dei globuli di grasso nel latte e nella crema, attraverso un modello fisico-matematico; per la realizzazione di un software per l elaborazione della componente di scattering dello spettro nella regione NIR. Per lo sviluppo del modello ci si è avvalsi della consulenza del Dr. Mauro Profaizer, esperto nella messa a punto di modelli predittivi e nello sviluppo di modelli di scattering. Si ritiene che la disponibilità di queste tecniche analitiche possa fornire un valido strumento sia ai produttori di latte, con rilevazioni utili ai fini del miglioramento genetico e della ottimizzazione della gestione dell allevamento, in funzione della destinazione del latte, sia ai trasformatori per meglio valutare le caratteristiche tecnologiche del latte conferito e ridurre le perdite, aumentando la remuneratività dei processi lungo tutta la filiera produttiva. Come tecnica di riferimento per la calibrazione e la validazione del modello NIR è stata utilizzata la difrattometria laser. Il diametro medio volume/superficie (d 3,2 ) è stato scelto per rappresentare numericamente la distribuzione dei globuli di grasso. Il modello sviluppato, basato sulla distribuzione di Weibull, ha consentito una stima sufficientemente accurata dei parametri diametro medio, curva delle frequenze, percentili in volume, ampiezza della distribuzione, superficie specifica, diametro pesato sul volume (d 4,2 ) della distribuzione dei globuli di grasso nel latte senza la necessità di disporre di una strumentazione dedicata. La stima del diametro medio d 3,2 ha evidenziato un coefficiente di determinazione pari a 0.92 rispetto alle misure di riferimento, con un errore di 0.12 µm; la correlazione fra l ampiezza della distribuzione dei globuli, intesa come differenza tra il 20 e l 80 percentile, ha evidenziato un R 2 pari a 0.88 µm. Le analisi dei parametri centesimali di qualità latte (grasso, proteine, caseina, lattosio) sono state realizzate con tecniche spettroscopiche nel medio infrarosso (IR) ed il contenuto in cellule somatiche mediante Coulter Counter. Tali analisi sono state eseguite sia sui campioni pervenuti a CRA-FLC sia sui campioni gemelli prelevati per i Controlli Funzionali. Ciò ha consentito di escludere dall analisi statistica quei campioni per i quali non ci fosse congruenza tra i risultati ottenuti dal CRA-FLC e da ARAL, a causa di un possibile scambio di campioni o errata miscelazione (circa il 3% dei campioni). L ottimizzazione delle condizioni operative per l acquisizione degli spettri nella regione NIR e del sistema di autocampionamento sono state ottenute grazie ad una attiva collaborazione tra i partner ed alla esperienza del partner industriale (BUCHI Italia S.r.l.) che ha fornito un supporto tecnico adeguato sia con interventi in loco che con controlli in remoto. La metodica sviluppata sullo strumento BUCHI consente l esecuzione dell analisi anche da parte di personale non specializzato e richiede, per i laboratori che già dispongano di Pagina 2 di 6

3 uno strumento NIR da banco per la misura degli spettri in trasmissione, l acquisizione di alcune parti strumentali di basso costo (piccola pompa peristaltica e cuvetta a flusso in quarzo con cammino ottico di 200 microns). Il software per il calcolo delle distribuzioni sviluppato in Visual Basic come funzione di Excel è di utilizzo semplice e richiede solo un breve addestramento del personale. Al fine di favorire le possibilità di utilizzo del modello, sono state valutate le performances di uno spettrometro portatile, calibrato contro lo spettrometro NIR da laboratorio, per la stima della distribuzione dei globuli di grasso del latte. Il calcolo del diametro di globuli di grasso del latte ottenuto con strumentazione portatile a basso costo e quindi più facilmente utilizzabile in allevamento, adeguatamente calibrata attraverso il modello matematico, ha fornito risultati confrontabili con quelli ottenuti con strumento da ricerca. Sono state quindi condotte le sperimentazioni relative alle implicazioni tecnologiche e nutraceutiche legate alla distribuzione dimensionale dei globuli di grasso. In particolare sono state condotte prove di laboratorio di affioramento del latte: è stato così costruito un modello di previsione (e relativo software) della quantità di grasso affiorato in funzione della distribuzione dei globuli di grasso del latte di partenza. Il modello consente di valutare quantitativamente l entità e il significato tecnologico della variabilità nella distribuzione dei globuli osservata tra gli animali e le aziende monitorate. Utilizzato a livello delle aziende di trasformazione per un monitoraggio continuo del latte dei conferenti potrebbe per esempio essere un valido strumento per ottimizzare i tempi di raccolta e riempimento degli affioratori presso le diverse aziende produttrici in funzione di una migliore standardizzazione del processo di affioramento. Poiché il valore nutraceutico dei globuli di grasso del latte dipende principalmente dal contenuto in fosfolipidi, sono state condotte analisi per valutare la dipendenza del contenuto di questa classe di composti dalla distribuzione dimensionale dei globuli e per stimare la loro ripartizione con l affioramento. Sono quindi state effettuate analisi su latte, crema e latte scremato di massa campionati presso un grosso stabilimento di trasformazione a Grana Padano. E stata messa in evidenza una stretta relazione lineare tra diametro medio d 3,2 dei globuli di latte intero, latte magro e crema di affioramento, parametro fisico di semplice misurazione, e il contenuto totale in fosfolipidi e singole frazioni (fosfatidil-inositolo, fosfatidil-etanolammina, fosfatidil-serina, fosfatidil-colina e sfingomielina). L analisi ha evidenziato come il grasso del latte magro contenga una percentuale di fosfolipidi superiore del 20-30% (a seconda dei tempi di affioramento) rispetto al grasso del latte intero. Il grasso della panna invece presenta un contenuto fosfolipidico inferiore del 40-50% rispetto a quello del latte intero. L analisi della variabilità dimensionale dei globuli di grasso ha permesso di evidenziare innanzitutto una significativa differenza nella dimensione dei globuli tra latte prodotto da vacche Jersey e latte di razza Bruna e Frisona che invece non differiscono significativamente tra loro (d 3,2 medio rispettivamente di 4.07, 3.34 e 3.24). Sul gruppo delle Frisone, che, con 50 capi analizzati, pur essendo un campione ridotto, è comunque più grande di quelli finora analizzati nella letteratura scientifica, è stato possibile condurre un indagine più approfondita. Le caratteristiche genetiche, intese come effetto del padre, hanno mostrato un influenza significativa sulla dimensione media dei globuli di grasso all interno della stessa razza, evidenziando 2 gruppi distinti di vacche: al primo gruppo è stato possibile associare la progenie di 2 riproduttori, mentre il secondo gruppo era formato da figlie di 4 riproduttori. Anche la gestione aziendale, e soprattutto le caratteristiche della razione, hanno inciso con risultati statisticamente significativi sulle dimensioni dei globuli, permettendo di distinguere 3 gruppi, formati da vaccine afferenti rispettivamente a 4, 2 e 2 aziende. Significativa è risultata inoltre l influenza del mese di lattazione e soprattutto quella del numero di parto per il quale è stata evidenziata una crescita del diametro medio dei globuli fino al terzo parto. Non sono risultati significativamente correlati col diametro dei globuli né la quantità né la concentrazione del grasso prodotto. Data l alimentazione con unifeed durante tutto il corso dell anno, anche l effetto stagione (in questo modo limitato a temperatura e fotoperiodo) non ha evidenziato una correlazione significativa. Dato il ridotto numero di aziende analizzate (8) e la mancata registrazione di dati quantitativi accurati sulla composizione Pagina 3 di 6

4 dell unifeed in 5 delle aziende monitorate non è stato possibile approfondire ulteriormente il peso dell alimentazione sull influenza del fattore azienda. In conclusione si può affermare che anche se la dimensione dei globuli di grasso è un parametro ancora poco utilizzato nel controllo dei processi produttivi dei prodotti lattiero-caseari, è al contempo di facile misurazione e controllabile sia in allevamento (a livello gestionale) ad opera dei laboratori delle associazioni allevatori, sia presso gli impianti di trasformazione mediante opportune tecnologie. Tale strumento potrà rivelarsi utile anche a livello di caseificio medio-grande dotato di adeguata strumentazione, per valutare la qualità del latte in termini di caratteristiche di destinazione, nonché per l ottimizzazione della fase di affioramento nel processo di produzione di formaggi che prevedano tale passaggio tecnologico. Si ritiene che la disponibilità di questa tecnica di indagine possa fornire un utile strumento sia ai produttori di latte per l ottimizzazione della gestione dell allevamento in funzione della destinazione del latte ed eventualmente ai fini del miglioramento genetico, sia ai trasformatori per meglio valutare le caratteristiche tecnologiche del latte conferito. Potranno beneficiare dei risultati quindi tutti coloro che operano nel settore, i produttori di latte e le relative associazioni (ANAFI, ANARB), le aziende di trasformazione che devono affrontare problemi legati al corretto ed ottimale incorporamento della frazione grassa in prodotti derivanti dalla trasformazione del latte. Prodotti realizzati nell ambito del progetto: Scheda Tecnica Valutazione delle caratteristiche fisiche del grasso di latte destinato a trasformazione mediante analisi dello scattering nel vicino infrarosso in funzione di fattori genetici e di alimentazione ; Software dedicato alla stima della distribuzione dei globuli di grasso nel latte individuale, di massa, nel latte scremato e nelle creme di affioramento; Software per la stima dell attitudine e della dinamica di affioramento basato sull elaborazione della curva di distribuzione dei globuli di grasso, tempo di affioramento, geometria del contenitore di affioramento e temperatura; Protocollo operativo per il campionamento di latte individuale; Protocollo operativo per le analisi granulometriche di riferimento; Protocollo operativo per l analisi NIR della dimensione dei globuli di grasso. Momenti di comunicazione Sono stati realizzati due workshop di progetto. Il primo workshop dimostrativo, volto al trasferimento dei risultati del primo anno del programma agli interessati del settore. Il workshop si è tenuto presso CRA-FLC dove opera il gruppo di lavoro afferente al capofila di progetto, nella sede di Lodi, il 01 dicembre In particolare sono state illustrate le metodiche di analisi messe a punto da CRA-FLC/IRLAB con tecnica di spettroscopia infrarosso e sono state effettuate dimostrazioni pratiche del funzionamento degli strumenti e del loro utilizzo pratico. Il secondo workshop è stato realizzato il 16 gennaio 2012, presso la sede della Fondazione Morando Bolognini a Sant Angelo Lodigiano. La giornata ha previsto un introduzione teorica alle metodiche utilizzate nel progetto e la presentazione dei principali risultati finali. Altre iniziative: SITO WEB: Tutti i documenti prodotti relativi al progetto sono disponibili al sito web attivato appositamente per la divulgazione dei risultati e periodicamente soggetto ad aggiornamento ( ). 14^ CONFERENZA INTERNAZIONALE ICNIRS 2009, 7-14 novembre 2009, Bangkok, Tailandia: La partecipazione alla 14^ ICNIRS ha permesso di mantenere aggiornate le conoscenze specifiche circa l applicabilità delle tecniche spettroscopiche d analisi al settore di ricerca agro-alimentare, nonché di verificare l impatto delle tecniche sul settore agro-industriale internazionale. Di particolare interesse sono risultate le sessioni Chemometrics, Agriculture, Food, Instrumental, Biology, Environment. In particolare è Pagina 4 di 6

5 stata fatta azione di divulgazione delle attività previste per la realizzazione del progetto SCATTERLAT, attivo dal 01 settembre 2009 con la presentazione di un poster, a nome del capofila, Dott.ssa Tiziana M.P. Cattaneo, pubblicato negli atti della Conferenza. IV SIMPOSIO NIR, maggio 2010, Sestri Levante (GE): In occasione della realizzazione del IV Simposio Italiano di Spettroscopia NIR sono stati presentati i risultati parziali ottenuti nei primi otto mesi di progetto. I risultati sono stati oggetto di due comunicazioni orali, pubblicate negli atti del Simposio. CONVEGNO ASPA, 7-10 giugno 2011, Cremona: Il congresso è stato organizzato da CRA-FLC ed era aperto alla comunità scientifica mondiale in cui vengono presentati studi originali e ricerche riguardanti tutti i rami della scienza animale e produzione animale. Lo scopo del Congresso è quello di contribuire al progresso scientifico delle scienze animali al fine di affrontare le grandi sfide di allevamento: impatto ambientale, la salute umana, il benessere degli animali. Per il progetto sono stati presentati i risultati riguardanti la diversa dimensione e distribuzione dei globuli di grasso in razze diverse. 15^ CONFERENZA INTERNAZIONALE ICNIRS 2011, maggio 2011, Città del Capo, Sud Africa: Alla conferenza internazionale sulla spettroscopia NIR tenutasi in Sud Africa, hanno partecipato sia il gruppo del capofila che personale di BUCHI Italia. La presenza di membri della partnership, pur non gravando sui fondi di progetto, ha permesso di presentare il modello messo a punto e parte dei risultati in una comunicazione orale che ha ricevuto l encomio scientifico della comunità internazionale. Pubblicazioni Tiziana M.P. Cattaneo, G. Cabassi, M. Profaizer and R. Giangiacomo (2009) Contribution of light scattering to near infrared absorption in milk. J. Near Infrared Spectrosc., 17, , doi: /jnirs.867 T.M.P. Cattaneo. (2010) NIR Scattering to Predict the Milk-Fat Creaming Dynamics for Standardization of Cream Yield, and Butter Production Process: a New Project just Started. Proceedings of 14^ ICNIRS Conference. Bangkok, Thailandia pp , ISBN Giovanni Cabassi, Mauro Profaizer, Nicoletta Rizzi, Tiziana M.P. Cattaneo. (2010). Stima della distribuzione dei globuli di grasso nel latte mediante misure di densità ottica nella regione NIR. Atti IV Simposio Italiano di Spettroscopia NIR. CD-ROM. Sestri Levante, maggio 2010, ISBN Laura Marinoni, Giovanni Cabassi, Cristina Tornielli, Stefania Vero, Stefania Barzaghi. (2010). Valutazione dei macrocostituenti del latte mediante spettroscopia vibrazionale: confronto tra spettroscopia FT-IR e FT-NIR. Atti IV Simposio Italiano di Spettroscopia NIR. CD-ROM. Sestri Levante, maggio 2010, ISBN T.M.P. Cattaneo curatore: Atti I workshop di progetto, CD-ROM, , Lodi Giovanni Cabassi, Laura Marinoni, Cristina Tornielli, Stefania Vero, Tiziana M.P. Cattaneo (2011) Survey on the distribution of fat globule size of Fresian and Jersey cows in Lombard dairy farms. Italian Journal of Animal Science, 10, Suppl. 1, 136 Laura Marinoni. (2011) Study of Chemical and Molecular Information Related to NIR and IR Spectroscopic Data for Processes and Products Control. Presentazione workshop Dottorati di Ricerca. 09 settembre Lodi Giovanni Cabassi. (2012) Origine, significato tecnologico e variabilità dei globuli di grasso del latte vaccino, Il Latte Giovanni Cabassi, Mauro Profaizer, Laura Marinoni, Tiziana M.P. Cattaneo. (2012, in stampa) Estimation of milk fat globules distribution in milk using scattering in near infrared region. Proceedings of 15^ ICNIRS Conference. Cape Town, South Africa Laura Marinoni. Tesi di Dottorato di Ricerca. Dottorato in Biotecnologie degli Alimenti. Facoltà di Scienze Agrarie. Università degli studi di Milano. 27 gennaio 2012 T.M.P. Cattaneo curatore: Atti II workshop di progetto, CD-ROM, , S. Angelo Lodigiano (LO) Pagina 5 di 6

6 Altre informazioni Valore totale progetto ,52 Spesa a carico del bilancio regionale , ,00 CRA-FLC-IRLAB Compartecipazione 3.081,90 ARAL ,61 BUCHI Italia S.r.l. Anno di approvazione Piano per la ricerca e lo sviluppo 2009 Allegati: Relazione finale Protocollo operativo per il campionamento di latte individuale; Protocollo operativo per le analisi granulometriche di riferimento; Protocollo operativo per l analisi NIR della dimensione dei globuli di grasso. Scheda Tecnica Valutazione delle caratteristiche fisiche del grasso di latte destinato a trasformazione mediante analisi dello scattering nel vicino infrarosso in funzione di fattori genetici e di alimentazione ; Pubblicazioni: G. Cabassi: Origine, significato tecnologico e variabilità dei globuli di grasso del latte vaccino. Il Latte Gennaio 2012 pag ; Link al sito Pagina 6 di 6