Per valutare la qualità di un olio di oliva sono importanti gli attributi sensoriali positivi (fruttato) e quelli negativi (difetti), legati all’identificazione ed alla quantificazione di molecole volatili, con una metodologia nota come panel test.
Mentre l’esecuzione delle analisi chimico-fisiche di un olio, è relativamente semplice, la valutazione organolettica presenta ancora alcuni inconvenienti nonostante gli assaggiatori dei Panel certificati siano adeguatamente formati e seguano le linee guida dettagliate nell’attuale metodo ufficiale.
L’elevato numero di campioni che il Panel deve analizzare ed il fatto che si tratti di una metodologia dispendiosa in termini di tempo, ciò può limitare l’esecuzione delle ripetizioni proprio in caso di classificazioni contraddittorie. Per questi motivi, la creazione di modelli predittivi, basati sull’utilizzo di metodi strumentali, ad altissima sensibilità, per la valutazione della qualità sensoriale dell’olio di oliva, potrebbe essere un “utile sussidio”, ai fini di ridurre il numero dei campioni da valutare, da parte dei Panel sensoriali ed essere di supporto nei casi di valutazioni contraddittorie. Inoltre, in alcuni paesi, esistono pochi Panel accreditati.
Nel tempo è stata accumulata una grande esperienza sulle molecole volatili, a partire dagli anni ’60, con le ricerche del fisico Earl W. McDaniel, di cui sono celebri alcuni libri sull’argomento, seguito dalle ricerche di Cohen M.J. tanto che nel 1969 ha depositato un brevetto su un sistema di gas cromatografia (GC) e spettrometria di massa, la cosiddetta “cromatografia al plasma”.
Questo metodo, oltre essere economico e veloce, utilizzava uno strumento portatile e che non richiedeva un costoso sistema sotto vuoto, come la classica spettrometria di massa (MS). All’epoca, il suo utilizzo era limitato nel campo della misurazione dei gas.
Negli anni ‘80 questa cromatografia al plasma è stata definita “Spettrometria di mobilità ionica” (IMS) ed utilizzata come rivelatore per cromatografi.
Grazie alla sua portabilità, robustezza e idoneità all’accertamento sul campo, la IMS viene utilizzata nel rilevamento delle droghe illegali, nell’industria militare delle armi chimiche-batteriologiche (come i gas nervini, gli agenti vescicanti o asfissianti), degli esplosivi, particolarmente negli aeroporti, soprattutto dopo gli attentati del 9 settembre, ma anche a sostanze volatili provenienti dall’industria petrolchimica oppure, per scopi industriali, nel rilevamento di sostanze nocive nell’aria o di pesticidi organofosforici.
Con una dotazione del genere sarebbe stato possibile capire le circostanze dell’avvelenamento di Sergei e Yulia Skripal direttamente sulla scena del crimine, senza aspettare le analisi di laboratorio, consentendo la distinzione di un uso di armi chimiche di quarta generazione (come gli agenti nervini della classe Novichok) oppure di batteri, di funghi e di virus in base alle loro impronte digitali, uniche all’interno di un determinato ambiente.
L’IMS ha una tale sensibilità molecolare che è in grado di rilevare esplosivi all’interno delle lettere, dei pacchi, di blocchi di diverse forme e dimensioni, in pochi secondi e può essere utilizzato, anche per il rilevamento all’interno dei bagagli umani.
Oggi trova impiego nello studio di prodotti alimentari come l’aceto balsamico, la passata di pomodoro, i formaggi, il miele, il caffè, il vino, la freschezza del pesce e delle uova, nel controllo della qualità delle materie prime, delle condizioni di conservazione, della stabilità del sapore e nel rilevamento degli off-flavour, nel controllo dei processi produttivi, per l’autenticazione di prodotti, nelle adulterazioni e nel deterioramento degli alimenti, infine anche in campo medico nella profilazione metabolica del respiro umano.
Nell’industria farmaceutica l’IMS viene utilizzata nelle convalide di pulizia, dimostrando che i recipienti di reazione sono sufficientemente puliti per procedere con il lotto successivo di un prodotto farmaceutico oppure nell’analisi di materiali biologici, in particolare nella proteomica, nella metabolomica cioè nel campo della foodomics.
Nelle applicazioni commerciali reali, Snyder A.P. (in Third International Workshop on Ion Mobility Spectrometry; NASA. Johnson Space Center, Houston: US) ha utilizzato uno strumento GC-IMS portatile per identificare rapidamente la freschezza del pesce, il che dimostra che questa tecnologia può sostituire il tradizionale metodo FDA per determinare la freschezza attraverso l’olfatto (1).
Allo stato attuale delle conoscenze il software GCxIMS Library Search ha un indice di oltre 80.000 composti che possono essere ulteriormente estesi, mediante i tempi di deriva-IMS, per ottenere la massima certezza per molecole sconosciute presenti nei campioni.
La GC-IMS è utilizzata come scelta analitica in alternativa alla gascromatografia- spettrometria di massa (GC-MS), soprattutto come potente tecnica di separazione per il rilevamento dei componenti volatili, in tracce, negli alimenti e tra questi anche nell’olio di oliva con un risultato più vicino alla situazione reale.
La GC-IMS, come tecnica alternativa alla GC-MS, presenta anche una migliore sensibilità (i limiti di quantificazione LOQ variano tra 0,08 e 0,8 µg/ g rispetto a 0,2 e 2,1 µg/g nella spettrometria di massa HS-GC-MS) (2).
Tra l’altro le tecniche di laboratorio, basate su svariati principi che imitano le percezioni olfattive e gustative, hanno l’inconveniente di richiedere un pretrattamento del campione, oltre il fatto che sono strumenti non portabili, invece nella GC-IMS, il campione è prelevato direttamente dallo spazio di testa (HS – Head Space) ed immesso in un gascromatografo- spettrometro. Qui avviene una doppia separazione dei componenti volatili, la prima nella colonna cromatografica (GC), la seconda nello spettrometro a mobilità ionica (IMS).
Quindi questa metodica applicata alle molecole dello spazio di testa (HS-GC-IMS), si pone, come alternativa alla valutazione delle molecole volatili con la microestrazione in fase solida nello spazio di testa (HS-SPME, HeadSpace Solid-Phase MicroExtraction) accoppiata alla GC-MS.
La HS-GC-IMS si pone a cavallo tra l’analisi sensoriale umana e l’analisi strumentale grazie alle due dimensioni di separazione delle molecole volatili, alla sua estrema sensibilità (limite minimo di rilevamento è a livello bilionesimo e miliardesimo di grammo), alla precisione informativa rendendo la tecnica precisa, sensibile ed un potente mezzo adatto a determinare sofisticazioni ed adulterazioni di un alimento ma anche per valutarne, tra l’altro, la “shelf life”.
Il principio su cui si basa la HS-GC-IMS è la separazione di ioni gassosi dovuta alla loro mobilità che dipende dalle loro dimensioni, dalla forma e dalla carica, in presenza di un debole campo elettrico.
Dopo la separazione cromatografica delle molecole gassose, queste entrano nello spettrometro IMS, costituito da un tubo di deriva segmentato, lungo il quale viene applicato un campo elettrico.
Il tubo porta, ad un’estremità, una sorgente di ionizzazione (che utilizza isotopi come il trizio 3H, tra l’altro è il più frequente generatore di particelle beta, o il nickel 63Ni o l’americio 241Am) e, all’altra estremità un rilevatore.
Secondo la direttiva UE, il limite di esenzione per l’attività totale del trizio è stato fissato a 1 GBq pertanto, l’utilizzo di questa sorgente a basse radiazioni (attività di 300 MBq) non è soggetto, tra l’altro, ad autorizzazione.
Nel tubo viene fatto circolare, in controcorrente, un flusso di un gas inerte (azoto), per facilitare la separazione degli ioni durante il loro “volo”, in quanto molecole caricate elettricamente; di conseguenza, ioni diversi raggiungono il rilevatore, attraverso la “regione di deriva”, in tempi diversi (i cosiddetti, tempi di deriva).
La “mobilità degli ioni” può essere definita come la loro velocità di deriva per unità di intensità del campo elettrico.
A causa dell’equilibrio tra l’accelerazione dovuta al campo elettrico e la decelerazione dovuta alla collisione con le molecole del gas (azoto), trasportato in controcorrente, gli ioni si muovono con una velocità costante verso il rilevatore.
A seconda della massa caratteristica, della carica e della struttura, gli ioni vengono separati nel tubo di deriva e raggiungono il rivelatore con tempi di deriva diversi.
Pertanto, ciascun componente volatile è caratterizzato da due parametri: “tempo di ritenzione” (determinato dalla gascromatografia, CG) e “tempo di deriva” (determinato dalla spettrometria, IMS), quest’ultimo definito come il tempo necessario agli ioni per percorrere la distanza tra l’otturatore ionico e il rilevatore (una piastra di Faraday) che li registra, anche a fini quantitativi.
La tecnica IMS è in qualche modo simile alla tecnica della “spettrometria di massa del tempo di volo”, tuttavia quest’ultima deve funzionare in condizioni di alto vuoto, mentre la IMS opera a pressione atmosferica (3).
(1 – continua)
Bibliografia
Yang X. et al. 2023, Acta Chromatographica; 35: 1, 35-45. DOI: https://doi.org/10.1556/1326.2022.01005
García-Nicolás M. et al, Foods.; 9(9): 1288. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7555980/
Yang X. et al. 2022, Acta Chromatographica. 35: 1; 35–45. https://akjournals.com/view/journals/1326/35/1/article-p35.xml
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