Analisi del caffè mediante spettroscopia NIR

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Agata Sofia Baldi
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1 Analisi del caffè mediante spettroscopia NIR 1

2 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 -Infrared- Reflectance-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. 2

3 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 , 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 cm -1, con 2 nm di risoluzione e 100 scansioni. 3

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

4 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). Resultati e Discussione Fig. 1 NIRS spectra of different Roasted Coffee Il range di misura, il valor medio e la d e v i a z i o n e standard dei valori d i C e n e r i, 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 (r 2 ) 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, ,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

1 NIRS spectra of different Roasted Coffee Il range di misura, il valor medio e la d e v i a z i o n e standard dei valori d i C e n e r i, Proteine, Umidità, Lipidi e Caffeina nei campioni usati per

5 Tab II Media, Campo di Applicazione, Deviazione Standard del corredo di calibrazione utilizzato per il caffé verde Parametri N Campioni Media% Range% SD Ceneri 92,00 4,34 2,67-6,01 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, R 2 coefficient of determination) Parametri RMSECV RPD R 2 Spectral Processing Ceneri 0,09 5,12 0,96 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, R 2 coefficient of determination) Parametri RMSECV RPD R 2 Spectral Processing Ceneri Lipidi Umidità 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

RPD Residual Prediction Deviation, R 2 coefficient of determination) Parametri RMSECV RPD R 2 Spectral Processing Ceneri 0,09 5,12 0,96 No Spectral Processing Caffeina 0,05 12,40 0,99 Vector

6 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

; 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

7 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 , Flament, I.; Coffee Flavor Chemistry. Wiley, Downey, G.; J. Agric. Food Chem. 1997, 45,

calibrazione sono caratterizzate da buoni valori di correlazione (Coefficente di correlazione >0.95, bassi valori di RMSECV, RPD >5).

8 LABORATORIO CHIMICO E MICROBIOLOGICO certificato ISO 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/ Moncalieri (To) Tel Fax Regione Marche: Tel Regione Lazio: Tel laboratorio@lavsrl.it; consulenza@lavsrl.it 8

513 UNI CEI EN ISO IEC Laboratori: Strada Carignano, 58/14 10024 Moncalieri (To) Tel. 011.64.66.73-011.64.67.

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