Valutazione rapida del grado di maturità tecnologica e fenolica del nebbiolo di Valtellina mediante spettroscopia FT-NIR *

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1 Valutazione rapida del grado di maturità tecnologica e fenolica del nebbiolo di Valtellina mediante spettroscopia FT-NIR * E. Casiraghi ( ), N. Sinelli ( ), G. Cabassi ( 2 ), R. Beghi ( 3 ) DiSTAM, Università degli Studi di Milano, Via Celoria 2, 2033 Milano 2 Fondazione Fojanini di Studi Superiori, Via Valeriana 32, 2300, Sondrio 3 Istituto di Ingegneria Agraria, Università degli Studi di Milano, Via Celoria 2, 2033 Milano Lavoro finanziato dalla Regione Lombardia, Progetto Innovì Riassunto Nel corso dell annata 2005 gli omogeneizzati delle uve, provenienti dai 5 campionamenti finali dei vigneti guida della zonazione viticola della Valtellina, sulle quali erano stati determinati i classici indici di maturità tecnologica (gradi Brix, acidità e ph) e quelli di maturità fenolica secondo Glories (antociani potenziali, antociani estraibili e polifenoli totali), sono stati analizzati mediante spettroscopia NIR a Trasformata di Fourier per la determinazione della data di vendemmia. L annata ha presentato un andamento climatico temperato e umido garantendo un decorso regolare della maturazione senza fenomeni di sovramaturazione. Gli spettri sono stati raccolti nell intervallo di numeri d onda da 2000 cm - a 4000 cm -, su un campione di uva omogeneizzata utilizzando uno spettrometro FT-NIR dotato di sfera integratrice in riflettanza diffusa (MPA, Bruker Optics). I dati sono stati elaborati mediante il software The Unscrambler per la realizzazione di modelli di regressione PLS utilizzabili per una rapida stima quantitativa degli indici di maturità. E stata inoltre effettuata un analisi di classificazione tramite tecnica PLS discriminant per alcuni indici di maturazione (gradi Brix, acidità e antociani potenziali), determinando delle classi in funzione dei valori soglia stabiliti dalle cantine per il conferimento delle uve. I modelli di regressione hanno evidenziato i più elevati coefficienti di correlazione per il contenuto in solidi solubili (r CV = 0.94 e SECV = 0.64 Brix) e per l acidità (r CV = 0.89 e SECV =.8 mg/l ac. tartarico). Anche l analisi di classificazione ha fornito in predizione i risultati migliori suddividendo i campioni in base ai gradi Brix e all acidità (rispettivamente 9,4% e 77,% di campioni correttamente classificati). I risultati ottenuti suggeriscono pertanto l utilizzo della tecnica FT-NIR come valida alternativa ai metodi tradizionali, in quanto in grado di fornire risultati sufficientemente accurati in tempi ridotti, con una semplice preparazione del campione. Introduzione La corretta individuazione della data di vendemmia e della definizione di criteri di valutazione e di pagamento delle uve che considerino, oltre al tenore in zuccheri, anche la ricchezza polifenolica delle uve è una problematica sentita dalla moderna industria enologica (P.Ribereau-Gayon et al, 2004). In particolare, la produzione vinicola valtellinese, fondata sull utilizzo di uve di nebbiolo (vitigno localmente definito chiavennasca ), tipicamente poco dotate di sostanze coloranti, a fronte di un mercato che richiede vini rossi di colorazione intensa, richiede metodiche veloci per caratterizzare il potenziale antocianico delle uve (Fregoni, 998). Il massimo accumulo di sostanze Lavoro finanziato dalla Regione Lombardia, Progetto Innovì

2 antocianiche nelle bacche di uva, è infatti spesso anticipato rispetto a quello di zuccheri, e gli antociani vengono degradati con il proseguire della maturazione (J. Blouin e G. Guimberteau, 2000). La possibilità di valutare rapidamente tale potenziale permetterebbe la vendemmia a maturità fenolica da parte delle grandi aziende e dei piccoli produttori. L applicabilità pratica dei metodi attualmente utilizzati (Y. Glories e M. Augustin, 990) tuttavia, richiedendo una lunga fase di estrazione e purificazione del campione e la presenza di personale di laboratorio qualificato, risulta limitata per ragioni di costo e numerosità dei campioni, nella realtà produttiva Valtellinese, caratterizzata da appezzamenti terrazzati di dimensioni ridotte e da elevatissima variabilità altitudinale e di esposizione (Mariani et al. 2006). La spettroscopica NIR potrebbe costituire un metodo valido ed economicamente sostenibile per la valutazione simultanea delle caratteristiche di maturità tecnologica (grado zuccherino, acidità e ph) e fenolica (antociani potenziali, estraibili e polifenoli totali) delle uve applicabili anche in realtà produttive ad elevata variabilità e ridotta estensione come quelle valtellinesi. Materiali e metodi La sperimentazione è stata condotta sugli omogeneizzati delle uve provenienti dai 5 campionamenti finali (da Settembre ad Ottobre 2005) dei vigneti guida della zonazione viticola della Valtellina. E stato acquisito lo spettro NIR e sono stati determinati i classici indici di maturazione tecnologica (gradi Brix, acidità e ph) e quelli di maturazione fenolica secondo Glories (antociani potenziali, antociani estraibili e polifenoli totali) di circa 70 campioni. Le misure spettroscopiche sono state ottenute con uno spettrometro FT-NIR (MPA, Bruker Optics Srl, Milano, Italia) dotato di una sfera integratrice a riflettanza diffusa. I dati spettrali sono stati raccolti nell intervallo di numeri d onda da 2000 cm - a 3600 cm -, con una risoluzione di 32 cm - e numero di scansioni pari a 64 sia per i campioni che per il background. Gli spettri a disposizione sono stati elaborati (SNV + trasformazione in derivata prima e seconda; metodo Savitzky-Golay con 9 punti di smoothing) onde ridurre il rumore di fondo ed esaltare le differenze fra gli spettri ai diversi numeri d onda. La matrice dei dati spettrale è stata sottoposta ad indagine statistica multivariata (Unscrambler v. 9.2, Camo, Trondheim, Norway) per la realizzazione di modelli di regressione PLS (Cross validazione) utilizzabili per una rapida stima quantitativa degli indici di maturità. Per ogni modello sono stati valutati i valori dei seguenti parametri statistici associati alle curve di calibrazione e di cross-validazione: coefficiente di correlazione (R cal, R val ), errore standard in calibrazione e in cross-validazione (SEC, SEP). E stata inoltre effettuata un analisi di classificazione tramite tecnica PLS discriminant per alcuni indici di maturazione (gradi Brix, acidità e antociani potenziali), dopo aver determinato le classi in 2

3 funzione dei valori soglia stabiliti dalle cantine per il conferimento delle uve (Unscrambler v. 9.2, Camo, Trondheim, Norway). Risultati e Discussione Abs [log(/r)] Serie di spettri di omogeneizzato d'uva numeri d'onda (cm - ) 6000 Figura - Serie di spettri di omogeneizzato d uva raccolti prima della vendemmia 5000 La figura mostra alcuni spettri di omogeneizzato d uva raccolti nelle settimane che precedono la vendemmia. Gli spettri mostrano una sostanziale sovrapposizione nel corso della maturazione e sono caratterizzati da un massimo di assorbimento ai seguenti numeri d onda: 0344 cm - (secondo overtone O-H associato all acqua), 8458 cm - (primo overtone C-H stretching), 7054 cm - (primo overtone associato all acqua), 5237 cm - (banda di combinazione del legame O-H della molecola d acqua). Al fine di valutare la possibilità di determinare i più significativi costituenti dei campioni di uva omogeneizzata attraverso un unica analisi spettroscopica, sono state costruite curve di calibrazione per alcuni indici di maturità tecnologica (gradi Brix, acidità e ph) e di maturità fenolica (antociani potenziali, antociani estraibili e polifenoli totali). In figura 2 sono riportate, come esempio, le rette di calibrazione e crossvalidazione ottenute per la stima del contenuto in solidi solubili ( Brix) Stime ( Brix) Fase di calibrazione del "modello Brix uva-omogeneizzato" Stime Retta di calibrazione Retta ideale y = 0.94x +.3 r = 0.97 SEC = 0.44 Brix Dati di riferimento ( Brix) Stime ( Brix) Fase di stima (cross validation) del "modello Brix uva-omogeneizzato" Stime Retta ideale Retta di stima y = 0.86x r = 0.94 SECV = 0.64 Brix Dati di riferimento ( Brix) Figura 2 - Rette di regressione delle fasi di calibrazione e cross-validazione del modello elaborato per la stima del contenuto in solidi solubili ( Brix) 3

4 In tabella sono riportati i risultati ottenuti per tutti gli indici di maturazione analizzati. In particolare, sono riportati i pretrattamenti effettuati durante l elaborazione e i parametri statistici che caratterizzano il modello. SEC % e SECV % sono stati calcolati sulla base dei valori medi ottenuti per gli indici di maturazione tramite le analisi di riferimento. Calibrazione Cross-validazione Variabile dipendente Pretrattamenti dati N di fattori r cal SEC SEC % r val SECV SECV % Solidi solubili ( Brix) Abs-SNV-d Acidità (mg/l ac. tart.) Abs-SNV-d ph Abs-SNV-d Antociani potenziali (mg/l) Abs-SNV Antociani estraibili (mg/l) Abs-SNV-d Polifenoli (DO 280 nm) Abs-SNV Abs = Assorbanza; SNV = Standard Normal Variate; d = derivata prima; d 2 = derivata seconda Tabella - Parametri statistici relativi alle rette di calibrazione e di cross-validazione PLS, per gli indici di maturazione tecnologica e fenolica Come si nota dalla tabella, gli indici di maturazione tecnologica (contenuto in solidi solubili, acidità e ph) mostrano coefficienti di correlazione (r) superiori a 0.95 e bassi valori di SEC e SECV. Quest ultimi si sono mantenuti bassi soprattutto per la stima del contenuto in solidi solubili e ph. Risultati meno buoni, ma in ogni caso soddisfacenti, si sono rilevati per gli indici di maturazione fenolica (antociani potenziali ed estraibili e polifenoli), per i quali sono stati ottenuti dei modelli di regressione caratterizzati da un r in cross-validazione di circa 0.7. Si deve comunque sottolineare, che anche per tali indici, i valori associati all errore standard in calibrazione ed in cross-validazione sono risultati piuttosto contenuti, con l eccezione degli antociani potenziali, caratterizzati da un SECV% superiore al 5%. I parametri caratterizzanti i modelli individuano una miglior capacità predittiva della tecnica FT- NIR per i parametri di maturazione tecnologica rispetto a quella fenolica. Quest ultimi sono, infatti, associati ad una variazione di colore, e quindi risultano poco correlati con la regione NIR e 4

5 verosimilmente associati alla zona del visibile. Viceversa gli indici di maturazione tecnologica (contenuto in solidi solubili, acidità e ph) sono maggiormente correlati all assorbimento dei legami C-H e O-H, facilmente riscontrabili nella regione NIR. Allo scopo di valutare la possibilità di elaborare dei modelli in grado di effettuare una classificazione qualitativa utilizzabile in modo rapido al momento dell accettazione delle uve, è stata inoltre applicata la tecnica PLS discriminant per gli indici di maturazione considerati rilevanti (gradi Brix, acidità e antociani potenziali). Per ogni indice, i campioni di omogeneizzato d uva sono stati suddivisi in due gruppi in funzione dei valori soglia (20 Brix, 9 mg/l acidità totale; 800 mg/l antociani potenziali) stabiliti dalle cantine per il conferimento delle uve (Tabella 2). Solidi Solubili ( Brix) Acidità (mg/l ac. tart) Antociani potenziali (mg/l) Classe I (uve poco mature) Classe II (uve mature) < 9 > 9 < 800 mg/l > 800 mg/l Tabella 2- Valori soglia stabiliti dalle cantine per il conferimento delle uve La tabella 3 mostra la classificazione dei campioni di uva ottenuta mediante PLS discriminat, per i tre indici considerati. I risultati si riferiscono al modello migliore ottenuto considerando gli spettri in valore di assorbanza, standardizzati mediante SNV. Variabile Dipendente Classi Solidi solubili (6-20 Brix) ( Brix) 2 (2-24 Brix) Acidità (> 9 mg/l) (mg/l ac. tart) 2 (< 9 mg/l) Antociani (< 800 mg/l) potenziali (mg/l) 2 (> 800 mg/l) Calibrazione N campioni % campioni correttamente correttamente classificati classificati Falsi negativi N campioni correttamente classificati Validazione % campioni correttamente classificati Falsi negativi 2/ / / / / / / 6/ 5 9/9 7/ / /7 6 Tabella 3 Classificazione dei campioni di succo d uva mediante metodo discriminante PLS 5

6 L analisi di classificazione evidenzia una elevata capacità di classificazione per gli indici di maturità tecnologica, gradi brix e acidità, pari rispettivamente al 9.4 e al 77. % in validazione. La classificazione dei campioni in base al contenuto di antociani potenziali ha fornito in validazione una percentuale di corretta classificazione inferiore, confermando così la minor abilità della tecnica NIR nel predire gli indici fenolici rispetto a quelli tecnologici. Conclusione I risultati ottenuti nell elaborazione dei modelli di regressione PLS evidenziano la possibilità di utilizzare la tecnica FT-NIR per la valutazione del grado di maturazione delle uve. I buoni risultati ottenuti soprattutto per gli indici di maturazione tecnologica (gradi brix, acidità e ph) suggeriscono l utilizzo di questa tecnica come valida alternativa ai metodi tradizionali, in quanto in grado di fornire risultati sufficientemente accurati in tempi ridotti, con una semplice preparazione del campione. Mediante PLS discriminant è stato possibile creare dei modelli in funzione del grado di maturazione dell uva, e quindi utilizzabili in fase di accettazione della materia prima per la vinificazione. Bibliografia P.Ribereau-Gayon, Y. Glories, A. Maujean D. Dubourdieu (2004) Trattato di enologia Edagricole, Bologna J. Blouin, G. Guimberteau (2000) Maturation et Maturitè des raisins. Ferét, Bordeau Y. Glories and M. Augustin (990) Actualitès Œnologiques. Dunod, Paris. L. Mariani, O. Failla (2006). Agroclimatic characterisation of european mountin viticoltural areas. Proocedings Premier congres international sur la viticolture de montagne et en forte pente CERVIM, Saint Vincent. 6