El uso de instrumentos NIT (transmisión de infrarrojo cercano) para determinar los parámetros de calidad del trigo

El papel de la tecnología moderna en el análisis de alimentos

Introducción

Uno de los retos fundamentales de la producción agrícola y la industria alimentaria es la medición precisa de la calidad y la composición de los cultivos. En el caso del trigo, los parámetros de contenido revisten especial importancia, ya que influyen en la calidad de la harina y, por tanto, en las propiedades de los productos finales, como el pan y la pasta. Los métodos tradicionales de análisis químico requieren mucho tiempo y son caros, por lo que cada vez son más comunes las tecnologías rápidas y no destructivas, como los instrumentos de transmisión por infrarrojo cercano (NIT).

Conceptos básicos de la espectroscopia de infrarrojo cercano

La espectroscopia del infrarrojo cercano (NIR) es una técnica basada en la interacción de la luz con la materia y se utiliza ampliamente en la agricultura y la industria alimentaria. Se basa en la forma específica en que las distintas moléculas de una sustancia absorben y dispersan la luz del infrarrojo cercano (en la gama de longitudes de onda de 800-2500 nm). Los patrones característicos de los espectros de absorción permiten deducir la composición química de la sustancia: la absorción de luz a distintas longitudes de onda por los enlaces C-H, O-H, N-H y S-H de las moléculas orgánicas puede utilizarse para calcular los parámetros de contenido.

El método NIT (transmisión del infrarrojo cercano)

Los instrumentos NIT realizan una aplicación especial de la espectroscopia de infrarrojo cercano. El método utiliza la radiación infrarroja para penetrar en toda la sección transversal de la muestra, de modo que la medición tiene en cuenta las características de toda la muestra, no sólo de la capa superficial. Esto es especialmente importante en el caso de materiales heterogéneos como los granos de trigo.

El proceso de medición

El funcionamiento de los instrumentos NIT consta de los siguientes pasos principales:

• Preparación de la muestra: una ventaja importante de la medición de la transmisión NIR es que no requiere preparación de la muestra, una muestra «limpia» puede medirse inmediatamente.
• Registro y análisis espectral: la intensidad de la luz transmitida se mide mediante un fotodiodo (detector) y los espectros obtenidos se utilizan para el procesamiento de datos.
• Determinación de los parámetros del contenido de grano: a partir de la información obtenida de los espectros, los instrumentos utilizan modelos de calibración para calcular los datos cuantitativos que caracterizan el contenido de grano del trigo.

La ventaja del método NIT es que es rápido y no destructivo, por lo que se pueden analizar grandes cantidades de muestras en poco tiempo.

Parámetros y características de medición que pueden medirse con NIR

Humedad

El contenido de humedad es uno de los parámetros de calidad más importantes para el trigo, ya que un contenido de humedad demasiado alto puede reducir el tiempo de almacenamiento y aumentar el riesgo de aparición de moho. Con la espectroscopia NIR, el contenido de humedad puede determinarse de forma rápida y precisa mediante la medición directa de los grupos O-H, y existe una alta correlación entre los resultados de laboratorio y los resultados NIR.

Rango de medición NIR: ~9-20

Precisión esperada de la medición NIR: varianza máxima ~0,2% (la varianza del resultado estimado por el instrumento comparado con el resultado de referencia medido en el laboratorio)

Método de laboratorio de referencia: estufa de secado

Proteína

El contenido en proteínas del trigo se calcula directamente a partir de la absorción de los enlaces N-H por los instrumentos, por lo que se trata básicamente de una medición del contenido en nitrógeno. El contenido de proteínas del trigo es el contenido total de nitrógeno medido, expresado como porcentaje de la materia seca, multiplicado por 5,7. Al tratarse de una medición «directa», existe una elevada correlación entre los resultados de laboratorio y los resultados NIR.

Rango de medición NIR: ~8-18

Precisión prevista de la medición NIR: desviación típica máxima ~0,25

Método de laboratorio de referencia: método Kjelhdal (destrucción húmeda) o Dumas (combustión)

El contenido de proteínas del trigo está estrechamente relacionado con el contenido de nitrógeno del suelo. La forma y la disponibilidad de nitrógeno en el suelo influyen enormemente en la absorción de nitrógeno por las plantas y, por tanto, en la síntesis de proteínas. Diversos estudios de investigación han demostrado que un suministro óptimo de nitrógeno aumenta el contenido proteico del trigo, por lo que un suministro adecuado de nitrógeno es esencial para producir trigo rico en proteínas.

Achicoria (gluten)

La achicoria está formada por los componentes insolubles en agua de las proteínas del trigo. Es básicamente una mezcla de dos proteínas, la gliadina y la glutenina.

Rango de medición NIR: ~15-50

Precisión prevista de la medición NIR: desviación típica máxima ~1,5

Método de laboratorio de referencia: lavado húmedo de achicoria

Los instrumentos NIR no miden el contenido de proteína «directamente», es decir, midiendo el contenido de N, como el contenido de proteína, pero como existe una estrecha correlación entre la proteína bruta y el contenido de proteína, se puede desarrollar una calibración NIR relativamente buena para el contenido de proteína. Sin embargo, por un lado, la correlación de los resultados de la achicoria con el método de referencia es más débil que la correlación con los resultados de la proteína y, por otro, el error del lavado húmedo de la achicoria utilizado como referencia es mayor que el error del método Kjelhdal o Dumas utilizado para la determinación de la proteína, por lo que la desviación estándar de los resultados de la achicoria medidos con instrumentos NIR es mucho mayor que para la proteína.

Índice de Zeleny

El índice de sedimentación de Zeleny es el volumen en mililitros del sedimento producido a partir de harina de trigo en una solución de ácido láctico en condiciones especificadas. La medición se basa en el hinchamiento de la achicoria en solución de ácido láctico. Su valor oscila teóricamente entre 0 y 100 ml; cuanto mayor sea el valor, mejor será la calidad del trigo.

Rango de medición NIR: ~10-70 ml

Precisión esperada de la medición NIR: desviación estándar máxima de ~5ml

Método de laboratorio de referencia: determinación del volumen de sedimentación de Zeleny

Peso del hectolitro

El peso hectolítrico se mide en los instrumentos de infrarrojos no mediante espectroscopia NIR, sino mediante un módulo de gravedad específica independiente e incorporado. El módulo mide el peso de una muestra de trigo de un volumen determinado mediante una célula de pesaje incorporada, a partir de la cual el instrumento calcula el resultado.

Rango de medición: 65-86 kg/hl

Precisión prevista: variación máxima ~ 0,7 kg/hl

Método de laboratorio de referencia: condrómetro

Parámetros que no pueden medirse con espectroscopia NIR o con una precisión insuficiente

Los siguientes parámetros no pueden medirse con NIR:

• Absorción de agua: puede medirse con baja correlación (R2 < 0,9) utilizando NIR.
• Valor W (energía): correlación débil (R2 ≤ 0,7), puede medirse de forma indicativa con NIR
• Número de caída de Hagberg: baja correlación (R2 ≤ 0,9) entre los resultados NIR y los resultados de laboratorio, no medible por NIR
• Contenido de cenizas: medible en harina, baja correlación entre NIR y resultados de laboratorio en ojos enteros
• Contenido de almidón: baja correlación entre los resultados NIR y los resultados de laboratorio, no medible por NIR.
• Claridad (cantidad de materias extrañas, porcentaje de granos rotos, contaminados, etc.)
• Peso de los granos por mil
• Toxinas
   

Resumen

Los instrumentos NIT permiten medir de forma rápida y no destructiva parámetros del contenido del trigo, como el contenido de humedad, el contenido de proteínas, el contenido de gluten, el índice de Zeleny y el peso por hectolitro. El método tiene la ventaja de que pueden analizarse grandes cantidades de muestras en poco tiempo y las mediciones muestran una elevada correlación con los resultados de laboratorio. Sin embargo, algunos parámetros como la absorción de agua, el valor W, la precipitación de Hagberg, el contenido de cenizas, el contenido de almidón, la pureza, el peso de la plata y las toxinas no pueden medirse con suficiente precisión mediante espectroscopia NIR.