Evaluation of portable vibrational spectroscopy equipment combined with multivariate analysis for food applications
- Autores: Jorge Mellado Carretero
- Directores de la Tesis: Sílvia de Lamo Castellví (dir. tes.), Diego García Gonzalo (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Rovira i Virgili ( España ) en 2022
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 162
- Tribunal Calificador de la Tesis: Dolores Pérez Marín (presid.), Anna Grazia Mignani (secret.), Daniel Cozzolino (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Nanociencia, Materiales e Ingeniería Química por la Universidad Rovira i Virgili
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
- español
Durante estas últimas décadas, la espectroscopia vibracional ha captado la atención dentro del campo de la ciencia de los alimentos, ya que proporciona maneras sencillas y rápidas de analizar y caracterizar una amplia gama de productos alimentarios. Además, su rentabilidad, reproducibilidad y sensibilidad han sido probadas. Recientemente, la espectroscopia vibracional ha experimentado un gran desarrollo respecto a su miniaturización, alcanzando en algunos equipos tamaños tan pequeños como el de la palma de una mano. Los dispositivos espectroscópicos miniaturizados abren nuevas posibilidades respecto a las aplicaciones in situ de la técnica para el control de la calidad de los alimentos sin alteración de la muestra.
El propósito de esta tesis doctoral ha sido evaluar la viabilidad de espectrómetros portables Raman, de infrarrojo medio e infrarrojo cercano combinados con potentes algoritmos quimiométricos para aplicaciones alimentarias que engloban el estudio de parámetros químicos, físicos y microbiológicos.
En primer lugar, se probó la capacidad de un espectrómetro ATR-FTIR portable para realizar el seguimiento de la reacción de Maillard en sistemas modelo de proteína-polisacárido (caseinato de sodio y goma arábiga o carboximetilcelulosa sódica) como alternativa a métodos convencionales basados en el uso de reactivos tóxicos y dañinos. Las mezclas de proteína-polisacárido obtenidas a través de secado por aspersión se sometieron a diferentes tiempos de reacción para estudiar el proceso de formación de conjugados. Los resultados conseguidos a partir de los modelos construidos basados en soft independent modelling of class analogy (SIMCA) concordaron con los datos obtenidos a partir de métodos de referencia, como los efectos en la estabilidad de las mezclas analizados a través de medidas de turbidez y potencial zeta. Además, la espectroscopia ATR-FTIR proporcionó información sobre los compuestos formados durante la reacción. Por lo tanto, los resultados de este estudio mostraron el potencial que tiene un espectrómetro ATR-FTIR portable combinado con análisis multivariante para el seguimiento de la reacción de Maillard.
Los insectos comestibles han sido propuestos como una fuente alternativa de proteína animal y humana que ofrecen beneficios nutricionales, económicos y ambientales. Sin embargo, el rechazo que presentan los consumidores hacia los insectos y que ocurre principalmente en los países occidentales ha dado lugar a su procesamiento en formas más apetecibles (por ejemplo, polvos). Por este motivo, se requieren métodos de autentificación para evaluar el origen y la especie utilizadas en los polvos para evitar fraudes y adulteraciones. En este segundo estudio se utilizó el mismo espectrómetro ATR-FTIR portable para discriminar por especie (Tenebrio molitor, Alphitobius diaperino, Gryllodes sigillatus, Acheta domesticus y Locusta migratoria) y origen diferentes polvos de insectos. Un modelo de clasificación construido con los datos de IR proporcionó una clasificación sobresaliente e información química sobre los componentes que facilitaron la identificación de las diferentes especies, vinculados a lípidos y quitina.
Se investigó también la viabilidad de otros dispositivos de espectroscopia vibracional miniaturizados para determinar la presencia de tratamientos superficiales aplicados a diferentes variedades de tapones de corcho utilizados en vinos tranquilos y espumosos. La espectroscopia NIR se considera prometedora para el sector alimentario debido al alto grado de miniaturización que ha alcanzado durante estos últimos años, lo que facilita su implementación para análisis de control de calidad en procesos en línea. Por lo tanto, se investigó el uso de un espectrómetro portable de infrarrojo cercano para autentificar los tratamientos superficiales aplicados. También se utilizó un algoritmo de regresión de mínimos cuadrados parciales para predecir los valores de fuerza de extracción en los tapones de corcho elaborados par avions tranquilos, que mostró una alta capacidad de predicción. También se utilizó un espectrómetro Raman portable para una de las variedades de tapón analizadas.
La espectroscopia vibracional portable también se evaluó en el campo de la microbiología de los alimentos. Nuestro espectrómetro ATR-FTIR portable se utilizó en dos aplicaciones microbiológicas distintas. En la primera, se desarrolló un modelo quimiométrico supervisado basado en el análisis de componentes principales (PCA) para diferenciar mutantes de Escherichia coli a compuestos de aceites esenciales (carvacrol, citral y óxido de limoneno); y evaluar sus diferencias bioquímicas en comparación con la cepa parental para obtener nuevos conocimientos acerca de su mecanismo de resistencia.
También se desarrollaron modelos de PCA para cepas de levaduras de interés enológico con el objetivo de discriminarlas; y se crearon modelos de clasificación basados en SIMCA para identificar especies Saccharomyces cerevisiae y no-Saccharomyces.
Los resultados presentados en esta tesis doctorales muestran el potencial de la espectroscopia vibracional portable combinada con potentes técnicas quimiométricas como herramienta rápida, reproducible y sensible para su aplicación en el sector agroalimentario.
- català
Durant aquestes darreres dècades, l'espectroscòpia vibracional ha captat l'atenció dins el camp de la ciència dels aliments, ja que proporciona maneres senzilles i ràpides d'analitzar i de caracteritzar una àmplia gamma de productes agroalimentaris. A més, la seva rendibilitat, reproductibilitat i sensibilitat han estat extensament provades. Recentment, amb l'aparició dels sistemes nanoelectromecànics, l'espectroscòpia vibracional ha experimentat un gran desenvolupament respecte a la seva miniaturització, aconseguint en alguns equips mides tan petites com la del palmell d'una mà. Els dispositius espectroscòpics miniaturitzats obren noves possibilitats respecte a les aplicacions in situ de la tècnica per al control no destructiu de la qualitat dels aliments. El propòsit de la present tesi doctoral ha estat avaluar la viabilitat dels espectròmetres portables Raman, d'infraroig mitjà i infraroig proper combinats amb potents algorismes quimiomètrics per a aplicacions alimentàries que engloben l'estudi de paràmetres químics (seguiment de la reacció de Maillard o discriminació de pols d'insecte comestibles per espècie), físics (predicció de les força d'extracció en taps de suro) i microbiològics (discriminació de soques de bacteris i llevats d'interès alimentari).
- English
During these last decades, vibrational spectroscopy has gathered attention in the food science field because it provides ways of analyzing and characterizing a wide range of food commodities in a fast and simple manner. Moreover, their cost-effectiveness, reproducibility, and sensitivity have also been proved. Recently, with the advent of nanoelectromechanical systems, vibrational spectroscopy has experienced a breakthrough regarding its miniaturization, achieving in certain equipment sizes as small as a palm. Miniaturized spectroscopic devices open new possibilities towards the applications of vibrational spectroscopy for the in-situ analysis of several quality control parameters without altering the sample. The objective of this doctoral thesis was to evaluate the feasibility of portable Raman, mid-infrared and near-infrared spectrometers combined with powerful chemometric algorithms for food applications comprising studies of chemical (Maillard reaction monitoring or edible insect powder discrimination), physical (extraction force prediction in cork stoppers), and microbiological (discrimination of bacterial and yeast strains.
- español
