Analisi Chimica degli Alimenti - primo e secondo parziale

Analisi chimica seconda parte

Spettrofotometro

Il colore misura la quantità di tramite l’assorbimento di radiazioni comprese nel campo del visibile (380-750 nm) da parte di una sostanza o di una soluzione. Questo dipende dal tipo di struttura elettronica delle molecole costituenti la sostanza o in soluzione.

Analisi: Basso costo, analisi interna, può essere utilizzato per la tracciabilità e l’operatore è addestrato. È un’analisi veloce, che è possibile ripetere più volte.

Unità che costituiscono uno spettrofotometro

• Sorgente di radiazioni
• Sistema di selezione di una banda stretta di lunghezza d’onda (monocromatore)
• Sistema contenitore di lettura (cuvette): celle di campionamento, consentono l’introduzione di diverse soluzioni da esaminare in sequenza. Possono essere riempite e svuotate attraverso dei condotti. Celle a flusso servono per letture in continuo e possono essere celle comuni a diverso cammino ottico
• Cella per il campione in esame
• Cella di riferimento
• Sistema di misura d’intensità delle radiazioni trasmesse attraverso le celle (detector)
• Sistema di registrazione del dato

Come può essere caratterizzato un composto

• Dalla lunghezza d’onda alla quale presenta l’assorbimento massimo (i picchi massimi della nostra lunghezza d’onda)
• Intervallo di lunghezza entro il quale si evidenzia il massimo di assorbimento
• Numero d’onda (è il numero di oscillazioni di un'onda nell'unità di lunghezza, e corrisponde quindi al reciproco della lunghezza d'onda) (V) 10⁷ x lunghezza d’onda cm^-1
• Frequenza (Hz) 3 x 10¹⁷ x lunghezza d’onda s^-1

Colore

Il colore è determinato dalla distribuzione spettrale della radiazione trasmessa, combinazione dei colori prodotta dalla lunghezza d’onda non assorbite.

Trasmittanza

Rapporto tra radiazione trasmessa del composto chimico in solvente e radiazione trasmessa senza composto. Si definisce trasmittanza se una radiazione incidente su una soluzione di un composto chimico, contenuto in una cuvetta di passo luce noto, viene trasmessa con una intensità I ovvero T= I/I_o —> Legge di Lambert. Valore percentuale della trasmittanza in funzione della lunghezza d’onda, originando una curva esponenziale.

Assorbanza o densità ottica —> Legge di Beer

A = Log I_o/I oppure Log 1/T. Dipende dal cammino ottico e dalla concentrazione.

Legge di Lambert-Beer

Sono le leggi (Lambert e Beer) applicate solo a radiazioni monocromatiche, corrispondenti cioè a una sola lunghezza d’onda. A = ε x I x c; ε = coefficiente di estinzione molare; I = cammino ottico della cella; c = concentrazione della sostanza.

Procedimento di Lambert-Beer

Si costruisce una curva di calibrazione dell’assorbanza in funzione della concentrazione, usando diverse soluzioni standard a diversa concentrazione, del composto la cui concentrazione si intende determinare. Dalla misura dell’assorbanza della soluzione a concentrazione incognita, si risale per interpolazione con la curva di calibrazione al valore di concentrazione del componente in soluzione.

Determinazione del contenuto in alcool di una bevanda

Densità relativa a 20° C = massa volumetrica del liquido e la massa volumica dell’acqua alla stessa temperatura. Caratteristiche: aspecifico, gravimetrico, distruttivo, quantitativo.

Metodo per distillazione

Procedimento:

1. Si misurano in matraccio tarato 100 mL di vino precedentemente portato a T = 20 °C;
2. Si versano i 100 mL di vino in un pallone a fondo tondo di ca. 300 mL di capacità; il matraccio si sciacqua 4 volte con 5 mL di acqua, che si trasportano nel pallone che contiene il vino;
3. Si addizionano 10 mL di latte di calce preparato con CaO (120 g/L); si deve evidenziare viraggio nel colore del vino per viraggio verso l’alcalinità;
4. Si posiziona il pallone all’interno del distillatore, raccogliendo il distillato nello stesso matraccio usato per misurare i 100 mL iniziali di vino;
5. Si deve raccogliere almeno una quantità di distillato pari a 2/3 del volume iniziale; il matraccio si pone poi in bagno d’acqua termostatato a 20°C, ed il liquido viene diluito a volume con acqua a 20°C. Si agita accuratamente e si misura il p.s. del liquido a 20 °C con bilancia idrostatica.

Principio: Il metodo di determinazione del grado alcolico per distillazione si basa sul rapporto tra densità di liquidi alcolici e il loro contenuto in alcool. Le miscele acqua/alcool hanno infatti densità tanto più bassa, quanto è più alto il contenuto di etanolo. La determinazione della densità non può essere fatta direttamente sul vino, perché interferirebbero le altre sostanze che si trovano disciolte, per cui bisogna ottenere per distillazione del vino un liquido che contenga solo acqua e alcool negli stessi rapporti presenti nel vino stesso.

Richiami teorici per via diretta

L’alcool etilico o etanolo è il prodotto finale della fermentazione alcolica degli zuccheri del mosto (glucosio e fruttosio) operata dai lieviti principalmente del genere Saccharomyces.

Richiami teorici

L’estratto secco è un parametro che dà un’idea della “corposità” di un vino. In base a questo parametro un vino può essere definito:

• Magro: struttura anomala e insufficiente (vini ottenuti da lavorazioni errate);
• Debole: modesta struttura (vini da bere giovani);
• Di corpo: buona struttura (vini ottenuti in sintonia con la tipologia di uve e con il loro grado di maturazione);
• Robusto: ben strutturato ed equilibrato;
• Pesante: eccessiva struttura (vini con errata lavorazione oppure che ancora necessitano di invecchiamento);

L’Estratto secco totale è costituito dall’insieme delle sostanze non volatili del vino (acidi fissi, sali, polifenoli, glicerina, pectine, zuccheri ecc.), cioè da quelle sostanze che restano dopo aver allontanato dal vino tutte le sostanze volatili (acqua, alcol e acido acetico) mediante riscaldamento a 100°C. Estratto secco netto, costituito dal complesso delle sostanze non volatili del vino al netto degli zuccheri riducenti. L’estratto secco è legato al tipo di vino e alla tecnica di vinificazione ed è uno dei parametri previsti dai Disciplinari di Produzione dei vini D.O.C e D.O.C.G. Il valore dell’estratto secco viene espresso in g/L. La legge nello stabilire valori limite per l’estratto secco fa riferimento soltanto all’estratto secco netto, fissando dei valori minimi: 14 g/L per i vini bianchi; 18 g/L per i vini rossi.

Determinazione degli zuccheri riducenti

Metodo Fehling

Uno zucchero riducente è un carboidrato che viene ossidato da deboli agenti ossidanti in soluzione basica. Tutto gli zuccheri che in soluzione presentano un gruppo aldidico o chetonico libero sono riducenti. Monosaccaridi e i disaccaridi che presentano un gruppo semiacetalico libero riducenti.

Titolazioni

Il reattivo di Fehling è una soluzione alcalina dello ione rameico complessato con ioni tartrato, per impedirne le precipitazioni come idrossido. Il reattivo di Fehling viene preparato unendo due soluzioni rispettivamente Fehling A (costituita da solfato di rame di colore blu) e Fehling B (costituita da una soluzione alcalina di NaOH contenente tartrato di sodio e potassio che è incolore). Le due soluzioni vanno tenute separate e mescolate, in volumi uguali, al momento dell’uso.

Principio: il reattivo di Fehling viene portato ad ebollizione e titola con soluzione zuccherina con concentrazione tra lo 0.5 e l’1%. A caldo con ambiente basico il gruppo carbonile C=O presente negli zuccheri riducenti riduce lo ione Cu²⁺ a Cu⁺ con formazione di un precipitato dal caratteristico colore rosso mattone. Analisi: è un metodo non specifico, costa poco, impiega poco tempo e l’operatore non deve essere fortemente addestrato.

La formula: %=[C(fattore di conversione)•D(fattore di diluizione)]/N(numero di ml utilizzati per titolare)

Analisi isotopica

Isotopo: Ovvero di uno stesso elemento, hanno uguale numero di protoni e elettroni, ma diverso numero di neutroni. Hanno quindi lo stesso numero atomico (Z) ma diverso numero di massa (A). Gli isotopi hanno proprietà chimiche simili, in ragione dello stesso numero di protoni, ma proprietà fisiche diverse, in ragione della massa differente. È una misurazione specifica, strumentale, quantitativa. La quantificazione del rapporto di due isotopi dello stesso elemento ha potenzialità notevoli nello stabilire se due sostanze chimicamente simili hanno provenienza diversa. Sono importanti gli isotopi stabili, tipo C12 e poi esistono anche isotopi naturali, tipo il C13 e la tecnica che li determina si chiama SIRA. Calcola quante molecole di C13 e C12 vengono formate. Es.: C13 % = ((r_Campione - r_Riferimento)/(r_Riferimento)) x 1000.

GC/IRMS o spettrometria di massa isotopica

È una tecnica di spettrometria di massa mirata alla ricerca delle quantità relative di isotopi stabili di determinanti elementi, tipicamente carbonio. Questa applicazione è piuttosto usata nel campo nel campo alimentare, soprattutto nell’autenticità degli alimenti sulla base dei differenti rapporti isotopici. Tale tecnica permette di riconoscere composti, presenti in alimenti, aventi la stessa struttura chimica ma provenienti da materie prime diverse o prodotti con processi diversi, per esempio per sintesi biologica o industriale. Si possono distinguere:

• Gli aromi naturali (es. vanillina) da quelli di sintesi
• L’acido acetico proveniente dalla fermentazione acetica da quello ottenuto industrialmente
• I salmoni selvatici da quelli di allevamento (in base ad un lipide caratteristico)
• L’aggiunta di zuccheri diversi da quelli presenti naturalmente
• L’annacquamento del latte
• La provenienza geografica di alimenti

Metodi ufficiali

Il Regolamento CEE 2676/90 (determinazione dei metodi comunitari di analisi da utilizzare nel settore del vino) prevede la rivelazione dell’aumento del titolo alcolimetrico di mosti e vini, ottenuto con addizione fraudolenta di saccarosio, mediante analisi NMR del rapporto D/H. Il Regolamento CEE 822/97 (modifica del Regolamento precedente) prevede la determinazione del rapporto isotopico 18O/16O dell’acqua contenuta nei vini per identificare il possibile fraudolento annacquamento di un vino.

Ceneri in prodotti alimentari

Sostanza inorganica che residua dopo l’allontanamento di acqua e sostanza organica. Determinano il contenuto in ceneri poiché:

• Qualità del prodotto
• Aspetti nutrizionali
• Frodi

Fasi

1. Riscaldamento: Allontanamento dell’acqua e delle sostanze volatili
2. Preincenerimento: Materia organica viene bruciata in presenza a CO₂ e H₂O
3. Incenerimento:
   • Zolfo passa a solfato
   • Fosforo organico passa a fosfato
   • Silicio passa a silicato
   • Metalli alcalini si ossidano

Procedimento

1. Riscaldamento
2. Preincenerimento:
   • Porre il campione in capsula di platino
   • Eliminare l’acqua contenuta (trattamento in stufa o su bagnomaria)
   • Porre la capsula su fiamma e scaldare
3. Incenerimento:
   • Porre il campione muffola a 550°C -/+ 10°C fino a combustione totale delle particelle carboniose (4-6 ore)
   • Raffreddare in essiccatore
   • Pesare (sensibilità bilancia analitica 4 cifre decimale)
   • Ripetere le operazioni precedenti fino a peso costante

La determinazione prevede dai 2 ai 10 gr di prodotti solidi e dai 20 ai 50 ml nei prodotti liquidi. Il tutto in funzione del tenore in ceneri atteso. Principio: Le sostanze minerali contenute negli alimenti costituiscono le ceneri, quando la sostanza organica viene distrutta con il calore. Le ceneri rappresentano quindi il residuo che rimane dopo calcinazione di un alimento fino alla completa scomparsa di particelle carboniose.

Espressione del risultato

M/M_o x 100, dove M= massa del residuo (g) e M_o= Massa della quantità di campione sottoposto ad analisi. %ceneri= g/100g (PESO) oppure g/100ml (VOLUME).

Determinazione metalli

Secondo il regolamento CE (n. 466/2001) sono stati introdotti i limiti per alcuni metalli pesanti (es.: piombo, mercurio, cadmio). Poiché questi metalli possono ostacolare lo sviluppo cognitivo, accumulare le disfunzioni renali danni a carico dello scheletro e apparato riproduttore, comportare alterazioni nello sviluppo cerebrale. Rientra nell’analisi quantitativa e utilizzo Liofilizzazione e mineralizzazione (avviene mediante acido nitrico ed acqua ossigenata (H₂O₂) in un sistema chiuso in grado di raggiungere pressioni e temperature elevate). Principio: Assorbimento atomico. —> Macchina GF AAS (sorgente: spettro molto ristretto). L’atomo allo stato fondamentale assorbe energia luminosa ad una specifica lunghezza d’onda entrando nello stato eccitato. Se il numero di atomi nel cammino ottico incrementa, anche la quantità di luce assorbita incrementa. Misurando la quantità di luce assorbita è possibile fare una determinazione quantitativa dell’analita. L’uso di particolari sorgenti luminose e la selezione di particolari lunghezze d’onda permette la determinazione di elementi specifici.

Macchina ICP-MS (sorgente: plasma)

Le tecniche ICP-AES e ICP-MS utilizzano un plasma come sorgente di atomizzazione ed eccitazione. Il plasma è un gas elettricamente neutro con una certa percentuale di ionizzazione (~ 5 %). Il sole, i fulmini e l’aurora boreale sono esempi di plasma in natura. L’energia di un plasma analitico deriva da un campo elettrico o magnetico; essi non “bruciano” il campione. I plasma sono caratterizzati da alta temperatura (tipicamente nel range 600-8000 °K) e da alta densità ionica ed elettronica.

Fasi

1. Nebulizzazione: liquido trasformato in aerosol.
2. Desolvatazione/volatilizzazione.
3. Atomizzazione.
4. Eccitazione/emissione: gli atomi guadagnano energia dalle collisioni e luce a lunghezze d’onda caratteristiche.
5. Preparazione del campione (eventuale dissoluzione o riscaldamento).
6. Separazione/rivelazione: la luce emessa è dispersa e misurata.

Determinazione acidità olio oliva

Secondo il regolamento CEE 2568/91 sono stati classificati i diversi oli in base al grado di acidità e i metodi di produzione utilizzati. L’espressione dell’acidità come percentuale di acido oleico. Il grado di acidità di un olio di oliva è strettamente legato alla qualità di olive utilizzate per la produzione dello stesso.

Richiami teorici

L’esame di un olio con la spettrofotometria ultravioletta consente di ottenere indicazioni sul suo stato di conservazione e sulle modificazioni indotte da processi tecnologici eventualmente subiti. Inoltre la spettroscopia ultravioletta offre un efficace mezzo diagnostico per svelare sofisticazioni, come ad esempio l’addizione di oli raffinati o di semi, all’olio vergine. Principio: determinazione degli acidi grassi in base agli acidi deboli trovati grazie ad una titolazione acido base (acido debole – base forte) con indicatore fenolftaleina.

Espressione del risultato

V x c x ((M)/(1000)) x ((100)/(m)) dove V= Volume (mL) della soluzione titolata di IDROSSIDO DI POTASSIO; c= concentrazione della soluzione titolata; M= Peso molare (g) dell’acido adottato per esprimere il risultato; m= peso (g) della sostanza da analizzare. (VxcxM)/(10xm).

Determinazione delle costanti spettrofotometriche

Secondo il regolamento CE (n. 1989/2003), la commissione ha stabilito i limiti per l’olio d’oliva.

Procedimento

Il campione in esame deve essere perfettamente omogeneo ed esente da impurità in sospensione. Gli oli liquidi a temperatura ambiente sono filtrati su carta ad una temperatura di ca. 30 °C, i grassi concreti devono essere omogeneizzati e filtrati su carta ad una temperatura al massimo superiore di 10 °C rispetto alla loro temperatura di fusione. Del campione preparato si versano ca. 0.25 g (con l’approssimazione di 1 mg) in un matraccio tarato da 25 mL, si porta a volume con il solvente prescritto e si omogeneizza. La soluzione risultante deve essere perfettamente limpida. Qualora si riscontri opalescenza o torbidità si filtra rapidamente su carta. Con la soluzione ottenuta si riempie una cuvetta di quarzo e si misurano le estinzioni, usando come riferimento il solvente impiegato. Vedi costanti spettrofotometriche.

Determinazione della materia grassa

Si basa sulla separazione del grasso del latte per trattamento con acido solforico concentrato ed alcool isoamilico. L’acido prima coagula e poi carbonizza le proteine dando una soluzione colorata di bruno. I grassi, che invece rimangono inalterati, possono essere separati per centrifugazione. Oltre all’acido solforico si addiziona alcol amilico per estrarre la materia grassa impedendone la carbonizzazione.

Determinazione del contenuto proteico

Metodo Kjeldahl

Il contenuto proteico di un alimento è valutato dal suo tenore in azoto, determinato con il metodo Kjeldah. I presupposti sono:

• Tutto l’azoto presente nell’alimento sia sotto forma proteica.
• Tutte le proteine contengano circa il 16% di N (16g di N/100g di proteine).

Scopo: determinare il contenuto in N degli alimenti ed esprimere il risultato come contenuto proteico (g/100g).

Fasi

1. Mineralizzazione o Digestione: la decomposizione dell’azoto a ione ammonio

Procedura

Il campione (0,5g) viene introdotto in un pallone Kjeldahl e miscelato con 15ml di acido solforico concentrato al 96-98% e con l'aggiunta di un catalizzatore selenico e quindi riscaldato tramite piastra riscaldante ad alta temperatura.