Applicazione di tecniche spettroscopiche IR al monitoraggio della produzione di latti fermentati

Fermented milks are very popular products, appreciated for their sensory and healthy properties. One of the main requirements of the food industry is the availability of a rapid and non-destructive method for the on-line control of the fermentation process. Therefore, the aim of this work was to evaluate the suitability of IR spectroscopy as a tool for the simultaneous determination of the most common fermentation indexes. Lactic fermentation trials were carried out in duplicate, for 7.5 h, at 37°C, 41°C, and 45°C, by using single or mixed (1:1) cultures of S. thermophilus and L. delbrueckii subsp. bulgaricus. Fermentations were monitored in continuous acquiring FT-NIR spectra in diffuse transflectance (12000-4500 cm-1; resolution 16 cm-1), by using an MPA spectrometer (Bruker Optics) equipped with a fiber optic. FT-IR spectra were collected (4000-700 cm-1; resolution 4 cm-1) every 45 min, by means of a Vertex 70 spectrometer (Bruker Optics) fitting a multiple reflection ATR with a germanium crystal. At the same sampling times, pH, titratable acidity, microbial counts, and metabolite concentration (galactose, lactic acid, and lactose) were also evaluated. FT-NIR and FT-IR spectra, after transformation in first derivative, were used for the development of PLS (Partial Least Square) regression models, validated using a cross-validation procedure. High correlation coefficients (R2≥0.83) and little standard errors were obtained in calibration for all the PLS models. Satisfactory results were also achieved in validation, with the exception of some variables that showed overfitting, especially when FT-IR spectra were used. The study demonstrated that IR spectroscopy could be a useful tool for the on-line monitoring of lactic fermentations. However, the development of more robust models, based on industrial productions, is required.

I latti fermentati sono prodotti diffusi ed apprezzati in tutto il mondo, grazie alle loro caratteristiche sensoriali e salutistiche. Una delle maggiori esigenze dell’industria alimentare è quella di avere a disposizione un metodo rapido e non distruttivo che permetta il controllo on-line della fermentazione. Lo scopo di questo lavoro è stato quindi quello di indagare la possibilità di utilizzo della spettroscopia IR per determinare con un’unica e rapida misura numerosi indici di fermentazione. Allo scopo sono state allestite in doppio prove di fermentazione lattica protratte per 7.5 h e condotte a 37°C, 41°C e 45°C utilizzando S. thermophilus e L. delbrueckii subsp. bulgaricus sia in associazione (1:1) che singolarmente. Le fermentazioni sono state monitorate in continuo mediante acquisizione degli spettri FT-NIR (12000-4500 cm-1; risoluzione 16 cm-1) in transflettanza diffusa, utilizzando uno spettrometro MPA (Bruker Optics) dotato di fibra ottica. Ogni 45 min sono stati raccolti gli spettri FT-IR (4000-700 cm-1; risoluzione 4 cm-1) mediante uno spettrometro Vertex 70 (Bruker Optics) dotato di cella a multipla riflessione ATR in cristallo di germanio e sono stati inoltre valutati il pH, l’acidità titolabile, le conte microbiche e la concentrazione dei metaboliti (galattosio, acido lattico e lattosio). Gli spettri FT-NIR e FT-IR, trasformati in derivata prima, sono stati utilizzati per la costruzione di modelli di regressione PLS (Partial Least Square), validati mediante cross-validation. Tutti i modelli PLS calcolati hanno mostrato coefficienti di correlazione elevati in calibrazione (R2≥0.83), associati a bassi errori standard. Anche in validazione si sono ottenuti risultati soddisfacenti, con l’esclusione di alcune variabili che hanno mostrato problematiche di overfitting soprattutto nel medio infrarosso. Il lavoro ha quindi permesso di dimostrare che la spettroscopia IR potrebbe essere utile per il monitoraggio on-line della fermentazione lattica, previa costruzione di modelli più robusti e calibrati sulle produzioni industriali.