UM ARTIGO TÉCNICO DA FOSS: UTILIZAÇÃO DA ESPECTROMETRIA PARA A MEDIÇÃO SIMULTÂNEA DA COR E COMPOSIÇÃO EM AMOSTRAS DE ALIMENTOS

Transcrição

1 UM ARTIGO TÉCNICO DA FOSS: UTILIZAÇÃO DA ESPECTROMETRIA PARA A MEDIÇÃO SIMULTÂNEA DA COR E COMPOSIÇÃO EM AMOSTRAS DE ALIMENTOS Por: Barbara Tobijaszewska, Richard Mills, Jakob Jøns June 2018 fossanalytics.com

2 Introdução A cor é uma qualidade cada vez mais importante aos produtores de alimentos, mas a sua medição normalmente requer um método visual demorado e subjetivo ou um item exclusivo de equipamento. Mas, e se a capacidade intrínseca dos analisadores de alimentos que empregam espectroscopia puder ser explorada para medir a cor juntamente com os parâmetros de composição, tais como proteína e umidade? Esse conceito promete a capacidade de realizar, ao mesmo tempo, uma medição rápida e consistente da cor, bem como de uma série de parâmetros de composição, usando uma plataforma robusta e comprovada para os rigores da análise alimentar rotineira. O conceito é explorado neste artigo técnico em relação ao recém lançado instrumento FOSS FoodScan. TM 2, incluindo uma definição do parâmetro de medição da cor, como ele funciona e uma comparação dos resultados obtidos no instrumento com os resultados de um colorímetro padrão. Para colocar essa capacidade no contexto do processamento de alimentos dos dias de hoje, começamos por um contexto para a medição da cor no processamento de alimentos, uma breve definição dos parâmetros de medição da cor e como eles são medidos. Conteúdo 1. A cor na produção de alimentos atual 3 2. Cor: Definição e princípio de medição 5 3. Medição da cor com o FoodScan Comparação da medição da cor feita pelo FoodScan 2 com um colorímetro exclusivo Conclusão: Vantagens da medição integrada da cor 13 2

3 1. A cor na produção de alimentos atual Desde o antigo provérbio chinês, que diz que Comemos primeiro com os olhos até os mais recentes estudos que indicam a crescente importância da cor na preferência do consumidor, não é difícil criar um caso para o controle aprimorado da cor na fabricação de alimentos. Uma pesquisa on-line superficial sobre a "importância da cor para a preferência do consumidor" revela muitos acessos, tais como: a cor do queijo com baixo teor de gordura influencia a percepção do sabor e a preferência do consumidor, 2012*, que estabeleceram um efeito significativo da cor na preferência geral pelas versões com baixo teor de gordura do queijo Cheddar. Os participantes do estudo foram influenciados negativamente quando a aparência do queijo era muito translúcida ou muito branca. Outras conclusões são simplesmente óbvias, de acordo com as expectativas universais construídas ao longo de nossas vidas. Pensamos automaticamente: esta sobremesa amarela vai ter um agradável sabor doce de baunilha ou esta carne tem um tom vermelho bonito e fresco. Dessa forma, os padrões e diretrizes da indústria visam ajudar os produtores a atender às expectativas. Alguns exemplos são as Diretrizes para a Medição da Cor da Carne da American Meat Science Association um documento completo com mais de 100 páginas que abrange os vários aspectos da medição da cor que os produtores precisam considerar. Da mesma forma, a norma norueguesa Bransjestandard for Fisk, com uma seção especial sobre a cor do salmão, oferece uma meta clara aos produtores. Enquanto a importância da cor nos alimentos cresce cada vez mais, também crescem os desafios enfrentados pelos produtores para alcançar a consistência necessária da cor. Tradicionalmente, os produtores podem ter empregado conservantes, tais como nitratos e sal, para garantir que a cor apropriada fosse preservada nas prateleiras dos supermercados, mas as restrições legais estão forçando-os a repensar. De maneira similar, o uso de preservativos com números E está sob pressão, não apenas da legislação, como também por parte do consumidor. Estudos indicam que os consumidores desejam que as cores dos alimentos e bebidas sejam naturais. De acordo com um relatório da Nielsen** sobre as tendências dos ingredientes, de 2016, 61 % dos consumidores dizem que tentam evitar os corantes artificiais. Na Europa, o número de novos produtos com corantes naturais cresceu 5,6 % em 2015, em comparação a um declínio de 5,2 % para os corantes artificiais. No entanto, a busca por alternativas resulta em complicações aos produtores, tais como a questão de como uma redução ou a não utilização de conservantes à base de nitrato afetará a cor do alimento quando a embalagem for aberta. Para realizar a pesquisa de produtos e realizar inspeções rotineiras de qualidade, existem atualmente duas opções principais. A cor pode ser avaliada subjetivamente pelo olho humano através de cartelas de cores (seção 2) ou através de um analisador de medição da cor. Ambos são comprovados, mas envolvem custos altos. Em primeiro lugar, devido *lr.wadhwanid.j.mcmahon: **Nielsen ingredient trends, 2016: Ingredient%20and%20Out-of-Home%20Dining%20Trends%20Report.pdf 3

4 à necessidade de pessoal treinado e um local especial com iluminação consistente e, em segundo, devido à necessidade de um analisador exclusivo. A pressão sobre as operações de controle de qualidade é significativa quando são consideradas outras tarefas analíticas, tais como a análise de composição. Para isso, há espaço para uma maior exploração de soluções cada vez mais poderosas de espectroscopia para oferecer, simultaneamente, uma análise da cor e de composição. Isso é possível combinando-se o método ideal de medição da cor (refletância na faixa visual) ao método requerido para a análise de composição (transmitância na faixa infravermelha), em uma única unidade. Em primeiro lugar, é necessária uma referência comum para a discussão sobre medição da cor. O analisador FoodScan TM da FOSS mede a cor nos produtos alimentícios simultaneamente com os parâmetros de composição 4

5 2. Cor: definição e princípio de medição As definições similares àquelas encontradas on-line e em manuais se concentram na cor como uma qualidade determinada visualmente pela luz refletida em relação à tonalidade, saturação e luminosidade. O sistema de correspondência de cores Pantone é uma maneira conhecida de fornecer uma referência comum para a avaliação visual. Na produção de alimentos, as Normas de Cores do National Cheese Institute dos EUA são um exemplo semelhante, que consiste em uma série de referências de cores para a classificação visual da cor dos queijos firmes. Outra é a norma norueguesa para o salmão, mencionada na seção 1, que possui uma faixa especificada da cartela de cores que precisa ser observada. Superficialmente, a ideia de olhar para uma cartela de cores colocada ao lado de uma amostra soa como uma abordagem simples, mas a avaliação visual possui importantes desvantagens. Ela é subjetiva e, assim, resulta em irregularidades nos testes, que variam de uma pessoa para outra, ou com a mesma pessoa ao longo do tempo. Requer um local com iluminação consistente e pode ser demorada. Alternativamente, as tecnologias de medição da cor vão além do olhar humano subjetivo, nos permitindo quantificar objetivamente um arco-íris de cores para fornecer uma linguagem comum da cor. Por exemplo, uma medição feita em um local pode ser comparada a outra feita em outro local ou em um horário diferente, em uma terminologia internacionalmente aceita. Isso elimina as percepções de cores e as diferenças de julgamento entre os técnicos. Esses instrumentos podem ser encontrados com diferentes nomes: colorímetros e espectrofotômetros. Os colorímetros imitam a percepção do olho-cérebro humanos, usando filtros para refinar as informações das cores. Um espectrofotômetro utiliza uma medição do espectro completo das cores para fornecer uma medição mais sofisticada, leia mais logo abaixo, na seção Princípio básico dos métodos objetivos. Além disso, conforme discutido neste artigo técnico, um espectrômetro comumente usado para aplicações de infravermelho próximo pode fornecer uma plataforma de tecnologias, que pode ser aproveitada para medir a cor juntamente com os testes de composição. Princípio básico dos métodos objetivos Todos os analisadores mencionados acima medem a cor como a intensidade de um feixe de luz em função de seu comprimento de onda. O colorímetro usa sensores para imitar a visão humana, usando três fotocélulas como receptores, exatamente como o olho humano. Os espectrofotômetros ou espectrômetros coletam espectros inteiros (para cada comprimento de onda) e os transformam matematicamente (algoritmicamente) em valores que correspondem à percepção do olho humano. Em qualquer situação, é necessário descrever a sensação visual através de funções matemáticas. 5

6 Os chamados valores tristimulus são usados para medir a intensidade da luz de acordo com os três valores primários da cor: Vermelho, verde e azul. Eles são representados pelas coordenadas X, Y e Z, o que facilita o uso de gráficos para definir as cores. O sistema tem sido amplamente utilizado há décadas como um padrão comum para medição objetiva das cores, tendo sido definido pela Norma sobre o Espaço de Cores XYZ da Comissão Internacional de Iluminação (CIE) de (1931). As respostas espectrais XYZ são facilmente encontradas na Internet. O sistema XYZ foi desenvolvido nos anos setenta para criar um modelo mais sofisticado, que também inclui a dimensão extra da luminosidade, conhecida como as coordenadas das cores L*a*b * (também conhecidas como CIELAB), espaço de cores. O modelo foi estabelecido como norma em 1976, de acordo com a CIE. Isso nos dá a norma CIELAB para a medição da cor (figura 1). Fig. 1 Diagrama LAB e esfera ilustrando a descrição completa fornecida pela definição de espaço de cores CIELAB. L* descreve a luminosidade, entre 0 para preto e 100 para claro. Um a* positivo indica vermelho e, o negativo, verde. b* muda entre amarelo (positivo) e azul (negativo). A abordagem da espectroscopia Para fazer uma medição, uma amostra é exposta à luz e a quantidade de luz coletada para cada comprimento de onda é medida. Dependendo da absorção e da reflexão, as características espectrais da amostra revelam uma assinatura clara, que se correlaciona com a impressão da cor, Figuras 2 e 3. 6

7 Fig 2 Medições de diferentes cartelas de cores (amostras de papel) No painel esquerdo estão os espectros de absorção e, no direito, a refletância correspondente. Fig. 3 Medições de diferentes produtos No painel esquerdo estão os espectros de absorção e, no direito, a refletância correspondente. A cor da linha corresponde à cor do produto. 7

8 3. Análise visual e da composição combinada com o FoodScan 2 Um analisador que emprega a espectroscopia com a faixa adequada, que abrange tanto os comprimentos de onda infravermelhos quanto os visuais, é capaz de proporcionar uma maneira rápida de testar a cor juntamente com o teste da composição dos alimentos. Os controladores de qualidade podem, assim, adquirir conhecimentos sobre o parâmetro de cor, que é cada vez mais importante, sem precisar haver uma sala de avaliação visual e depender de uma equipe experiente. E o mais importante em termos de orçamento do laboratório, apenas um instrumento é necessário, em vez de dois. Cor medida em faixa visual com refletância A cor pode ser medida por espectroscopia tanto por métodos de refletância como de transmitância, mas a refletância no comprimento de onda visual ( nm) imediatamente adjacente ao infravermelho é particularmente eficaz, porque a cor dos alimentos é amplamente definida pelas características da superfície e, assim, na luz refletida, com exceção, é claro, das amostras transparentes e líquidas. A composição, por outro lado, é melhor determinada se for possível analisar o máximo possível da amostra. Isso é particularmente importante no caso de amostras não homogêneas, como carne moída, onde a transmitância oferece uma análise representativa da amostra sob a superfície. Medição da cor com o FoodScan 2 O FoodScan 2 usa o espectro da luz visível refletido a 45 a partir da superfície da amostra, para elevar a cor. A amostra é iluminada a partir de cima pela fonte de banda larga. A fonte de iluminação é digitalizada através de um monocromador. Para adquirir os espectros de reflexão, a detecção da luz refletida é sincronizada com a análise da fonte. Para avaliar a cor da amostra, o espectro de reflexão é normalizado para o espectro de uma amostra de referência difusa (Diffuse Reference Sample DRS). Os espectros de reflexão da amostra são convertidos em parâmetros das cores XYZ, filtrando matematicamente os espectros normalizados com perfis espectrais pré-definidos para os parâmetros X, Y e Z (Fig. 4), os quais são depois convertidos em CIELAB (Fig. 5) 8

9 Fig 4. Funções tristimulus da CIELAB. Medição dos espectros de refletância Correto para o padrão iluminante Aplicar as funções que correspondem às cores do observador padrão CIE Calcular os valores Fig.5 De acordo com a norma CIELAB, os passos desde a coleta da luz refletida da amostra até os valores L*a*b apresentados na tela do FoodScan 2. A mecânica da medição da cor em um ambiente de produção de alimentos foi cuidadosamente considerada e o instrumento foi desenvolvido de acordo com os princípios de design mencionados aqui: Robustez o instrumento é capaz de suportar o contato rotineiro direto com amostras de alimentos e é fácil de limpar, sem afetar o desempenho. A superfície de uma amostra pode ser medida com exposição direta ao ar, ou seja, sem a necessidade de cobertura. Isso permite, por exemplo, o estudo da interação da atmosfera com a amostra, com resultados rápidos que permitem avaliar como a carne muda de cor quando entra em contato com o ar. Não existe o risco da luz ambiente influenciar o desempenho da medição. Isto possível graças a uma câmara para amostras especialmente projetada. Apresentação de resultados descomplicada para aprovação ou reprovação, que vem acompanhada de resultados no formato L*a*b*. Capacidade de transferência da calibração através dos instrumentos FoodScan 2, para medições consistentes e baixo gerenciamento de instrumentos um aspecto particularmente importante aos usuários que administram mais de uma unidade, talvez em locais diferentes. 9

10 4. Comparação da medição da cor com o FoodScan TM 2 a um colorímetro disponível no mercado O objetivo da ideia de medição da cor do FoodScan 2 é fornecer uma medição que seja comparável às medições realizadas por um colorímetro convencional utilizando, porém, o princípio do espectrofotômetro. Para isso, as medições da cor feitas com um FoodScan 2 foram comparadas com àquelas feitas por um colorímetro convencional para todas as principais aplicações do FoodScan 2, que são as carnes e produtos cárneos, queijos, produtos fermentados, manteigas e pastas. As amostras foram testadas em replicatas no Foodscan 2 e no colorímetro. O teste também incluiu a análise de amostras artificiais. Abaixo temos os resultados da análise de amostras artificiais e reais. Também foram examinadas a repetibilidade dos resultados, que indica desempenho, bem como a reprodutibilidade dos resultados, que indica transferibilidade. Comparação com o colorímetro dedicado Existe uma boa concordância entre o colorímetro e o FoodScan 2 quanto à medição direta da superfície (Figura 6). Figura 6. Exemplo de luminosidade (L *) em medição direta da superfície. 10

11 As medidas podem diferir devido à apresentação diferente da amostra (Fig. 7) ou seja, se medirmos, por exemplo, uma placa de Petri com o colorímetro e compararmos com a medição da superfície direta feita com o Foodscan 2. Vários fatores podem afetar a compatibilidade, sendo eles: pequenas diferenças no algoritmo CIELAB, visto que um colorímetro emprega comprimentos de onda de 380 nm e o FoodScan 2 emprega comprimentos de onda de 400 nm. diferenças na apresentação da amostra. as configurações específicas do colorímetro; por exemplo, é importante usar a mesma norma de convenção ao fazer comparações com um colorímetro. O CIELAB define duas normas: a norma de 1931 para observações a partir de um ângulo de 2 e a norma de 1964, que define um ângulo de observador padrão de 10. O modelo utilizado para o teste de comparação foi de 10. falta de homogeneidade da amostra. Como o FoodScan 2 analisa até 20 vezes mais a superfície da amostra, pode ser necessário analisar a amostra com o colorímetro em várias posições e usar o valor médio para alinhamento com o FoodScan 2. Figura 7. Comparação da medição direta com a medição feita através de uma placa de Petri. Figura 8. A reprodutibilidade da luminosidade em produtos alimentícios (carnes, queijos, iogurtes e manteigas) medida por dois instrumentos FoodScan 2. Reprodutibilidade das medições (transferibilidade) A Figura 8 acima mostra uma comparação dos valores obtidos por dois analisadores FoodScan 2 diferentes. Iogurtes, queijos, produtos cárneos e manteigas foram medidos e os valores previstos por dois instrumentos diferentes os quais, em seguida, foram comparados. O exemplo mostrado é para luminosidade (L*). 11

12 Repetibilidade dos resultados Uma boa repetibilidade é fundamental para qualquer bom método. Como a repetibilidade depende da homogeneidade e da apresentação da amostra, foi realizado um estudo em que os tipos de amostra descritos acima foram testados por meio da análise, em um FoodScan 2, de uma amostra em 4 repetições. As amostras foram preparadas em um copo médio e em outro grande, para estabelecer o efeito da análise da máxima área possível da superfície da amostra. Para fins de referência, a amostra preparada em um copo médio também foi analisada em um colorímetro/ espectrofotômetro disponível no mercado. Tipo de produto Copo médio FS2 Copo grande FS2 Carne L* 0,20 0,19 a* 0,10 0,05 b* 0,05 0,02 Queijo L* 0,38 0,13 a* 0,04 0,03 b* 0,20 0,10 Iogurte L* 0,04 0,08 a* 0,01 0,01 b* 0,01 0,01 Manteiga L* 0,04 0,01 a* 0,02 0,01 b* 0,21 0,14 Tabela 1, Além da repetibilidade das medições feitas no mesmo produto (por exemplo, queijo), foi examinada a repetibilidade das medições em copos de amostra grandes e pequenos. Isso foi feito para levar em consideração as diferentes propriedades de superfície de amostras não homogêneas. A Tabela 1 mostra a repetibilidade em relação ao tipo de produto e ao copo de amostra, com valores que representam a média de quatro testes; quanto menor o valor, menor a variação. Existe uma correlação óbvia entre a área de análise da superfície e a repetibilidade, tal como em relação à luminosidade do queijo (L). O estudo deixa claro que quanto mais heterogênea a amostra, mais confiável é o resultado obtido pela análise de uma maior área de superfície da amostra. 12

13 5. Conclusão: Vantagens da medição integrada da cor A promessa do FoodScan 2 é uma nova e oportuna capacidade de realizar, em conjunto, uma medição rápida e consistente da cor dos alimentos, bem como de uma série de parâmetros de composição. Sendo assim, ele oferece duas alternativas em uma só à avaliação subjetiva e demorada da cor a olho nu ou à necessidade de equipamentos exclusivos para a medição da cor. Ele realiza medições rápidas no formato padrão CIELAB, como parte de um analisador de alimentos potente, concebido para ser usado em ambientes de produção de alimentos. Assim, o FoodScan 2 oferece uma plataforma sólida para testes de rotina de acordo com as normas para cores e para a pesquisa e desenvolvimento de produtos alimentícios; por exemplo, ele pode ser útil ao testar as repercussões da redução dos conservantes à base de nitrato e do sal em produtos alimentícios. As medições são repetíveis e reproduzíveis. Os resultados do estudo mostram que o FoodScan 2 é comparável ao colorímetro usado. Além disso, a potente cadeia de medição do FoodScan 2 pode ser aproveitada para fornecer uma plataforma estável para a medição da cor nos ambientes de produção de alimentos. A reprodutibilidade também é comparável aos altos padrões da plataforma Foodscan 2. Existem algumas diferenças em comparação às medições do colorímetro devido à falta de homogeneidade ou à apresentação da amostra. Pode-se dizer que as diferenças reforçam a noção de uma solução altamente estável, graças ao fato de o FoodScan 2 analisar até 20 vezes mais a superfície de uma amostra do que um colorímetro convencional. FOSS Foss Rua Dr. Costa Jr.356 Agua Branca São Paulo - SP Tel.: marketingf-bra@foss.dk