La Spettroscopia nel vicino infrarosso: applicazioni

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CAPITOLO 1  
Introduzione 
 
 
    In questi ultimi anni i consumatori sono sempre più attenti all’alimentazione e mostrano 
elevate aspettative nei confronti degli alimenti e dell’industria agro-alimentare che deve garantire la 
qualità dei prodotti. Quindi per le aziende  diventa indispensabile disporre di metodiche analitiche 
per la valutazione della qualità e della genuinità degli alimenti. Queste metodiche devono avere 
requisiti di rapidità, basso costo, attendibilità e facilità di utilizzo rispetto alle metodiche tradizionali 
già presenti. Per questo motivo oggi è presente  un grande interesse per lo sviluppo di metodiche 
analitiche innovative che tuteli il consumatore e rispetti le normative vigenti.  
 
Fig. 1 - Rappresentazione grafica delle zone dello spettro elettromagnetico. La zona del NIR si 
estende da 1280-4000 cm-1 (780-2500 nm). 
La spettroscopia nel vicino infrarosso (NIR) è un valido metodo per l’analisi qualitativa e 
quantitativa di molti prodotti nell’industria alimentare. Questa tecnica ha diversi vantaggi rispetto 
ad altri metodi analitici convenzionali: è, infatti, più veloce (sono necessari pochi minuti), non è
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distruttiva (il campione può essere riutilizzato poiché non sono necessari solventi chimici), non è 
invasiva (le radiazioni usate hanno contenuto energetico molto basso che non provoca un 
trasferimento di energia sottoforma di calore) e non necessita di preparazione del campione. La 
spettroscopia NIR è una metodo analitico secondario di tipo fisico basato sull’assorbimento di 
radiazioni elettromagnetiche tipiche della zona del vicino infrarosso da numeri d’onda tra 12800 e 
4000 cm-1 (780-2500 nm) (fig. 1). Il segnale analitico che si ottiene dipende dalle proprietà 
chimico-fisiche del campione che viene colpito dalle radiazioni incidenti, che possono essere 
assorbite, trasmesse o riflesse. Lo spettro ottenuto è caratterizzato da picchi riferibili ai gruppi 
funzionali presenti nel campione e viene misurato tenendo conto dell’assorbimento su determinate 
lunghezze d’onda. Nell’intervallo spettrale del vicino infrarosso si collocano le bande di 
assorbimento dovute ad overtoni o a combinazioni di transazione vibrazionale di molti legami (C-H, 
N-H, OH, P-H, S-H) (fig. 2). 
  
Fig. 2 - Esempio di vibrazioni molecolari in una molecola d’acqua. 
 Questa metodica permette di effettuare un’analisi sia di tipo quantitativo per la determinazione 
di componenti che contengono  tali legami (acqua, proteine, lipidi, carboidrati) sia di tipo 
qualitativo poiché ad ogni picco corrisponde un determinato gruppo funzionale. L’impiego della 
spettroscopia NIR per la determinazione della composizione chimica degli alimenti richiede diverse 
fasi:  una fase di calibrazione dei campioni  e una fase di elaborazione dei dati mediante l’utilizzo 
della chemiometria, una disciplina che unisce la statistica alla matematica  fra i dati di 
composizione chimica e le proprietà degli spettri. Dopo alcune operazioni di statistica e di 
validazione, realizzati con questi metodi chemiometrici , lo strumento può predire la composizione 
chimica dei campioni ignoti rendendo quindi possibile l’analisi qualitativa . Le applicazioni
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possibili sono tantissime: possono essere di tipo quantitativo,  determinando  la concentrazione di 
un analita , qualitativo, che invece  classifica i campioni, e tecniche combinate, che utilizzano la 
tecnica NIR come parte di processi più grandi associando tale tecnica ad altre tecniche . L’analisi 
quantitativa rappresenta il primo scopo della spettroscopia NIR che ha dato l’input per il suo 
sviluppo: le prime applicazioni sono in campo agricolo negli anni ’60 e riguardano la 
determinazione del contenuto di umidità di diversi prodotti del campo agro alimentare tra cui 
cariossidi di grano, semi di soia e sfarinati. A partire dagli anni ’70 la spettroscopia NIR è stata 
utilizzata per quantificare proteine, umidità e grasso in diversi cereali e derivati. Dagli anni ‘80 le 
applicazioni di tipo quantitativo sono aumentate, e sono state impiegate sia per rilevare basse 
concentrazioni di alcuni composti, sia per determinazione i parametri fisico-chimici in un prodotto. 
La nascita della chemiometria e lo sviluppo di software informatici ha dato un ulteriore input allo 
sviluppo di questa tecnica. Oltre alle tradizionali analisi di tipo quantitativo, si sono sviluppate le 
analisi di tipo qualitativo utilizzate per la classificazione dei campioni, e applicazioni nei processi 
industriali, per il monitoraggio  di tutte le fasi nella produzione ed  intervenire in tempo se c’è 
qualcosa che non va. Un interesse particolare è rivolto agli studi dell’autenticità di prodotti DOP e 
produzioni tipiche scartando metodi più costosi e con procedimenti più lunghi e laboriosi. Nel 
settore oleario il NIR ha trovato impiego per identificazione di diverse tipologie di oli extravergini 
di oliva, differenziando sia gli oli mono varietali dagli aziendali in funzione della loro origine 
geografica. Inoltre, la spettroscopia NIR è stata anche impiegata anche per la valutazione della 
qualità e dell’autenticità di oli extravergini di oliva ed una loro eventuale adulterazione . Negli olii 
vengono misurati la composizione in acidi grassi e il contenuto in tocoferoli, per produrre dei 
modelli di regressione che forniscano la qualità di un olio incognito dopo opportuna calibrazione. 
Vengono inoltre effettuati degli studi di autenticazione e classificazione dei prodotti alimentari per 
riconoscere e scartare i prodotti adulterati. La tecnica NIR è stata impiegata anche per il controllo di 
qualità del miele per quantificare la presenza di altre sostanze all’ interno di esso. A tal fine, sono 
stati creati modelli di regressione PLS per predire il livello di adulterazione e alterazione del
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rapporto glucosio fruttosio tipico del miele. E’ possibile inoltre classificare il miele in base 
all’origine botanica utilizzando come riferimento le tecniche tradizionali. Un’ altra applicazione 
riguarda la ricerca di sostanze nutraceutiche in base alle proprietà spettrali di alcuni prodotti 
ortofrutticoli quali le mele, l’uva e i mirtilli giganti per l'individuazione della relazione fra il 
processo di maturazione e lo sviluppo delle sostanze nutraceutiche nel prodotto, seguendone la 
maturazione e la raccolta e il successivo utilizzo ad esempio per la produzione di vino o di succhi di 
frutta. Alcuni esempi interessanti di utilizzo della spettroscopia NIR riguardano i cereali e la loro 
trasformazione. E’ possibile l’ impiego della tecnica per predire la qualità pastificatoria del grano 
duro ed il comportamento in cottura della pasta a partire da un’unica analisi, effettuabile sul cereale 
in granella. Sempre nelle filiera dei cereali la spettroscopia NIR è stata utilizzata per poter  
prevedere la resa di macinazione della farina in base alle caratteristiche fisiche e chimiche della 
granella lavorata. Particolarmente innovativi sono anche le applicazioni della spettroscopia nel 
vicino infrarosso in fase di processo, che permettono di eliminare le analisi off-line e passare a 
modelli on-line (automatizzando le operazioni di campionamento e analisi) o addirittura in line, 
valutando direttamente la qualità del prodotto durante il processo. L’evoluzione di questa tecnica in 
parte è dovuta all’utilizzo delle fibre ottiche che trasportano la radiazione dallo strumento verso la 
linea di produzione e la riporta a questo dopo l’interazione con il campione. Ultimamente la 
spettroscopia NIR è stata impiegata per monitorare la cinetica di decadimento della qualità dei 
prodotti alimentari in studi di shelf-life. A tal fine, sono stati condotti degli studi per valutare la 
freschezza dei prodotti alimentari, come la carne macinata e i prodotti di IV gamma. Attualmente la 
spettroscopia NIR viene impiegata per seguire le modificazioni che avvengono in alcuni processi di 
biotrasformazione come fermentazione malolattica o  alcolica.
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1.1PRINCIPI DELLA SPETTROSCOPIA NIR 
 
1.1.1 principi di spettroscopia 
 
La spettroscopia studia l’interazione tra radiazione elettromagnetica e la materia. Le variazioni 
energetiche sono dovute all’interazione tra la radiazione e la materia con l’emissione,l’ 
assorbimento o la diffusione di radiazioni o particelle elettromagnetiche. La materia può 
comportarsi sia come onda sia come particella e lo stesso vale per la radiazione. Il carattere 
ondulatorio della radiazione elettromagnetica è comunemente descritto dalla sua lunghezza d’onda 
λ, misurata in nanometri (nm 10
-9
 m), dal numero d’onda v , che rappresenta il numero d’onde 
presenti in un’unità di lunghezza, misurato in reciproco di centimetro (cm
-1
), dalla velocità V con il 
quale avanza l’onda, e dalla frequenza ν misurata in Hertz, corrispondente al numero d’oscillazioni 
che avvengono in un dato punto in un’unità di tempo. La relazione tra queste grandezze è data da: 
 
La velocità dell’onda elettromagnetica nel vuoto è uguale a c (comunemente noto come “velocità 
della luce”) ed è pari a circa 3*10
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 m/s. In qualsiasi altro mezzo la velocità è inferiore. . La 
radiazione elettromagnetica è rappresentabile come un campo elettrico e magnetico alternato nello 
spazio. Le sue proprietà ondulatorie possono essere spiegate in termini di vettori elettrici e 
magnetici, perpendicolari tra loro ed entrambi perpendicolari alla direzione di propagazione 
dell’onda. Un movimento ondulatorio che si propaga in modo continuo considerato come un flusso 
continuo d’energia; quando la radiazione interagisce con la materia, le sue proprietà sono quelle 
appartenenti alle particelle e non alle onde. La descrizione quantitativa di molte interazioni tra la 
radiazione e la materia è possibile solo se ci si riferisce ad un modello dove la radiazione
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elettromagnetica è rappresentabile da un flusso di particelle dette fotoni. L’energia di un fotone 
dipende dalla frequenza della radiazione ed è data da : 
 
dove E è l’energia del fotone in Joule, h è la costante di Planck (6.62 *10
-34
 joule*s). Le altre 
grandezze coinvolte sono la lunghezza d’onda  e il numero d’onda. Questa relazione spiega quindi 
che l’energia di un fotone di una radiazione monocromatica (ovvero a frequenza singola) dipende 
solo dalla sua lunghezza d’onda (o dalla sua frequenza). Un fascio di radiazioni potrà avere 
un’intensità più o meno forte secondo la quantità di fotoni per unità di tempo e unità di area, ma 
l’energia quantica (E) è sempre la stessa per una data frequenza della radiazione. Niels  Bohr, nel 
1914, iniziò a spiegare l’interazione tra radiazione elettromagnetica e materia con questi tre 
postulati: 
1. I sistemi atomici esistono in stati stabili, senza emettere energia elettromagnetica. 
2. L’assorbimento o l’emissione d’energia elettromagnetica avviene quando un sistema atomico 
passa da uno stato di energia ad un altro. 
3. Il processo di assorbimento o di emissione corrisponde ad un fotone di energia radiante  hv = 
E’- E’’, dove E’ - E’’ è la differenza di energia tra due stati di un sistema atomico. 
Bohr affermò quindi che, in accordo con i principi della meccanica quantistica, esistono solo 
alcuni stati energetici in cui una molecola può trovarsi. Il suo stato energetico può essere modificato 
solo da quei fotoni che abbiano un’energia quantica corrispondente ad una delle differenze tra i suoi 
vari stati energetici. Gli effetti della radiazione sulla materia variano a seconda della frequenza della 
radiazione (quindi dell’energia da essa veicolata) e sono riassunti qui sotto:
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Le specifiche caratteristiche di assorbimento o emissione di energia radiante da parte di un 
materiale sono uno dei più importanti sistemi di identificazione presenti in natura. Quando un fascio 
di radiazioni è fatto passare attraverso un oggetto, l’intensità della radiazione incidente (I
0
) sarà 
maggiore di quella della radiazione emergente (I). Una parte della radiazione incidente, invece di 
essere trasmessa, è stata quindi assorbita dalle molecole che compongono il campione, diffusa o 
riflessa dalla superficie del campione, oppure può essere  riemessa dal campione a una lunghezza 
d’onda diversa. Un esperimento di spettroscopia si compie quindi proiettando una radiazione 
elettromagnetica di intensità nota su un campione, raccogliendo una parte di radiazione (trasmessa, 
riflessa o riemessa) e inviando quanto raccolto a un rivelatore. Per fare questo si utilizza lo 
spettroscopio. La maggior parte degli spettroscopi sono formati da una sorgente di energia radiante, 
un selettore di lunghezze d’onda  un contenitore per il campione, un rivelatore di radiazioni, un 
processore e registratore del segnale . 
 
1.1.2  la spettroscopia NIR 
 
1.1.2.1 Bande di assorbimento 
La regione NIR dello spettro elettromagnetico è l’intervallo di lunghezza d’onda tra 780 – 2526 
nm corrispondente a un numero d’onda tra 12820–3959 cm-1. Le bande di assorbimento più
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significative sono attribuite agli overtoni e alle combinazioni di vibrazioni fondamentali relative ai 
gruppi funzionali –CH, –NH, –OH (e –SH). Le bande di assorbimento NIR tipicamente sono molto 
ampie e sovrapposte e sono 10-100 volte più deboli delle loro corrispondenti bande di assorbimento 
nel medio-IR e ciò restringe fortemente la sensibilità ed è necessario un metodo chemiometrico per 
poter utilizzare questi spettri. Tuttavia questa tecnica permette una maggiore penetrazione 
all’interno del campione e questo è un vantaggio analitico, poiché permette un’analisi diretta di 
campioni molto assorbenti e con elevato effetto di scattering, come i liquidi torbidi o i solidi sia in 
trasmittanza che in riflettenza senza ulteriori trattamenti.