Espectroscopia no infravermelho para análise de lácteos

A obtenção de informações sobre as propriedades quantitativas e qualitativas das matérias-primas, produtos intermediários e finais está ganhando cada vez mais importância na indústria de alimentos, principalmente devido aos seus efeitos econômicos (FAGAN et al., 2009).

Com os recentes avanços tecnológicos no design de máquinas e programas/aplicativos, houve o desenvolvimento de equipamentos mais compactos, portáteis e robustos, com sistemas sofisticados para suportar muito mais rápido o processamento e análise de dados espectrais, analisando em segundos, e sem geração de resíduos químicos, vários componentes simultaneamente. Tornaram-se ainda tão populares que suas aplicações práticas já são encontradas em praticamente todos os ramos das indústrias agrícolas e alimentares (LIN et al., 2009).

Neste sentido, a espectroscopia de infravermelho médio (MIR) e próximo (NIR) tem potencial em uma variedade de aplicações na indústria, incluindo monitoramento de processos, determinação da qualidade e adulteração de produtos lácteos, como leite, leite em pó, manteiga e queijo (FAGAN et al., 2009).

Segundo Dufour (2009), os principais componentes alimentares são geralmente moléculas complexas, que exibem grupos químicos específicos tais como funções carboxílicas e aminas em aminoácidos. Como cada grupo químico pode absorver na região infravermelha, após identificar as bandas de absorção características destes grupos, é possível caracterizar e até mesmo quantificar componentes, o que justifica seu uso na área de alimentos.

Por ser uma técnica rápida, precisa, não invasiva, não-destrutiva e ambientalmente segura, o uso da espectroscopia vem se estabelecendo para o controle da qualidade dos alimentos (LIN et al., 2009). A espectroscopia MIR, por exemplo, é um método certificado para análise de leite para fins de pagamento no setor de lácteos pela ISO 9622: 1999, AOAC (Association of Official Analytical Chemists) e FIL (Federação Internacional de Laticínios) (CASADIO et al., 2010).

Nota-se, portanto, uma crescente aplicação das metodologias espectroscópicas juntamente às ferramentas estatísticas no controle de qualidade de alimentos, sobretudo produtos lácteos, principalmente como uma alternativa às técnicas convencionais.

Os alimentos são apontados como matrizes de difícil análise, devido à complexidade da sua constituição orgânica. Em consequência, não existe um único método analítico oficial capaz de determinar sua composição centesimal, sendo necessário dosear isoladamente cada componente.

Comumente realiza-se, principalmente, o doseamento de proteínas, carboidratos, lipídios, cinzas, sólidos totais e umidade, podendo-se ter ainda a determinação do teor de fibras e de outros componentes mais específicos (LUTZ, 2008).

Na maioria dos casos, as técnicas oficiais caracterizam-se por metodologias longas, de natureza destrutiva em relação à amostra e que demandam tempo e gastos de reagentes químicos. Para tanto, faz-se necessário além de um laboratório bem equipado e com descarte adequado de resíduos, analistas devidamente treinados, de forma a fornecer segurança analítica e ambiental.

Os métodos oficiais de análise físico-químicas são regulamentados, entre outros órgãos, pela AOAC, e no Brasil, na área da bromatologia, tem-se como referência as metodologias analíticas descritas segundo o Instituto Adolf Lutz, reconhecido internacionalmente por sua competência em pesquisas laboratoriais e na vigilância epidemiológica, sanitária e ambiental requerida (LUTZ, 2008). O Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento tem publicado o Manual de Métodos Oficiais para Análise de Alimentos de Origem Animal, no qual constam a descrição de vários métodos e a indicação de uso de métodos de outras organizações, como a FIL (BRASIL, 2018).

Com tantos avanços tecnológicos na ciência dos alimentos, é constante a necessidade de modernização e atualização dos métodos analíticos, principalmente aqueles capazes de determinar de forma mais simples e rápida, a presença ou teor de analitos presentes em concentrações muito baixas, de modo a atender às novas exigências legais quanto à qualidade e segurança de alimentos.

Neste sentido, novas técnicas instrumentais, baseadas em princípios físicos e químicos, são frequentemente desenvolvidas. Dentre os métodos físicos, destacam-se os baseados na espectroscopia na região do infravermelho (IV) (CAMPESTRINI, 2005).

Espectroscopia na região do infravermelho

A espectroscopia pode ser definida como o estudo da interação de uma onda eletromagnética com matéria, cujo principal objetivo é a determinação dos níveis de energia e transições de espécies atômicas e moleculares. Algumas regiões de interesse para fins analíticos podem ser definidas em função do comprimento de onda (DUFOUR, 2009).

Na prática, o espectro molecular é dividido em três regiões energéticas distintas (Figura 1): a de microondas e radiofrequências (espectroscopia rotacional); infravermelho (espectroscopia vibracional) e região do visível à ultravioleta (espectroscopia eletrônica) (RODRIGUES, 2012). Somando-se a energia eletrônica, a energia vibracional e a energia rotacional de uma molécula, obtém-se sua energia total. É possível separar suas contribuições espectrais, uma vez que estes três tipos de energia são distintos (RODRIGUES, 2012).
 

Figura 1. Regiões espectrais de importância analítica.

Fonte: adaptado de DUFOUR (2009); RODRIGUES (2012).

Segundo Pavia et al. (2010), na região espectral há comprimentos de onda em diferentes unidades, sendo a unidade mais comumemente usada para se referir à radiação infravermelha o número de onda [cm^-1].

O espectro IV é usualmente subdividido em três regiões: denominadas IV próximo, IV médio e IV distante, de acordo com os tipos de aplicações e instrumentação (HOLLER; SKOOG; CROUCH, 2009). A Tabela 1 fornece os limites aproximados de cada uma das três regiões, bem como as características dos materiais onde cada uma se aplica.

Tabela 1. Regiões espectrais do infravermelho.

Fonte: adaptado de HOOLER et al. (2009).

A região do infravermelho próximo (near-infrared - NIR) é a primeira exibindo bandas de absorção relacionadas às vibrações das moléculas e é amplamente utilizada para análises de composição de produtos alimentares.

Já a região do infravermelho médio (mid-infrared - MIR) é a principal região de espectroscopia vibracional, e apresenta informações sobre estrutura e conformação de moléculas orgânicas (como proteínas, polissacarídeos e lipídeos) (DUFOUR, 2009).

A incidência da radiação eletromagnética nas partículas da amostra pode causar diversos tipos de fenômenos, como absorção, transmissão, refração, reflexão e difração da luz incidente (SANTOS et al., 2012). A partir disso, há possibilidade de obter informações sobre estrutura molecular, níveis de energia, ligações químicas, identificação e quantificação de elementos químicos e moléculas em uma matriz alimentar (CAMPOS et al., 2020).

De acordo com os grupos químicos presentes, as moléculas podem apresentar diferentes tipos de vibração. Os movimentos vibracionais das moléculas induzem a absorção na região infravermelha, formando bandas de absorção. Após serem atribuídas à grupos químicos e interpretadas juntamente à análise estatística multivariada, podem ser usadas para análises quantitativas e qualitativas, gerando informações específicas sobre o produto investigado (DUFOUR, 2009).

Quase todos os compostos, sejam orgânicos ou inorgânicos, que tenham ligações covalentes, absorvem várias frequências de radiação eletromagnética na região do infravermelho. O espectro se comporta para moléculas da mesma forma que impressões digitais servem para seres humanos, pois moléculas diferentes jamais terão espectros idênticos (PAVIA et al., 2010).

Aplicações na indústria de alimentos

Segundo Dufour (2009), as moléculas presentes nos alimentos exibem grupos químicos específicos tais como funções carboxílicas e aminas em aminoácidos. Como cada grupo químico pode absorver na região infravermelha, o primeiro passo é identificar claramente as bandas de absorção características destes grupos nas regiões do infravermelho.

Com o objetivo de facilitar o entendimento sobre o uso da espectroscopia para avaliação de alimentos, a Figura 2 ilustra um espectro de quatro diferentes amostras de fórmulas infantis. Nesta imagem, os principais picos de absorção foram interpretados e atribuídos à grupos químicos e consequentemente aos compostos orgânicos presentes na formulação.
 

Figura 2. Exemplo de um espectro infravermelho e sua interpretação de acordo com a amostra avaliada.

Fonte: elaborado pelo autor.

Uma das características mais interessantes desta técnica é o número das variáveis que podem ser medidas em uma única amostra. A intensidade de absorção em mil ou mais comprimentos de onda pode ser registrada em um único espectro.

De posse dessa grande quantidade de dados, a interpretação do espectro torna-se uma tarefa complexa. A partir disso, surgiu a necessidade de ferramentas novas e mais sofisticadas para tratá-los e extrair informações, o que originou a Quimiometria, que é uma área especificamente destinada à análise de dados químicos de natureza multivariada (FERREIRA, ANTUNES, MELGO, & VOLPE, 1999).

Além disso, a quimiometria possibilita extrair informações relevantes de dados espectrais relacionadas à estrutura molecular de carboidratos, proteínas e gorduras em produtos alimentares e abordar a relação entre sua estrutura e textura (DUFOUR, 2009).

Métodos preditivos como análises por componentes principais e os mínimos quadrados parciais são vem sendo cada vez mais aplicados no desenvolvimento de métodos analíticos para a previsão de composição e qualidade de alimentos em geral (DUFOUR, 2009). Estes métodos têm recentemente tornado possível interpretar propriedades químicas e físicas de sistemas simples e complexos a partir de seus dados espectroscópicos (SABIN & FERRAO, 2004).

Várias pesquisas tem sido desenvolvidas utilizando a Espectroscopia no Infravermelho Próximo e Médio em alimentos, e demonstram a potencial aplicação desta técnica em diversos setores da indústria. Sauer-Leal et al. (2008) demonstraram a capacidade da espectroscopia MIR e NIR, aliadas à calibração multivariada, para a determinação dos teores de gordura, proteína, umidade, extrato seco, cinzas e pH em amostras de queijo prato, com exatidão e precisão.

Oliveira (2011) propôs a utilização de MIR para a avaliação do teor de ureia em leite cru, o qual concluiu ser um método confiável para tal finalidade além de rápido, eficiente, versátil e de baixo custo. Azarias (2017) utilizou a Espectroscopia MIR como uma ferramenta para avaliação rápida de alguns tipos de queijos produzidos com leite de ovelha, e constatou que a técnica foi capaz de verificar indicativos de proteólise e lipólise durante o processo de maturação dos queijos.

Alguns tipos de fraude também podem ser detectadas com o uso da espectroscopia no infravermelho, como adição de melamina, ureia, glicose, cloridrato de tetraciclina, água, soro de leite, ureia, açúcar, e amido. A combinação de espectroscopia Ino infravermelho avançada e quimiometria fornece uma ferramenta poderosa para análise de qualidade e autenticidade do leite (POONIA et al., 2017).

Atualmente, a espectroscopia MIR é um método certificado para análise de leite para fins de pagamento no setor de lácteos pela ISO 9622: 1999, AOAC  e FIL. As vibrações fundamentais no espectro MIR estão associadas a diferentes grupos químicos, que se correlacionam diretamente com a gordura, proteína e lactose, e por isso, podem ser utilizadas em análises qualitativas e quantitativas, desde que a metodologia seja estudada e validada para amostra a ser utilizada (CASADIO et al.., 2010).

Considerações finais

A espectroscopia na região do infravermelho vem se destacando tanto na pesquisa quanto no controle de qualidade de alimentos, incluindo produtos lácteos. Oferece como vantagem a rapidez na medição de matrizes complexas, sem gerar resíduos, e na maioria das vezes dispensando tratamento prévio da amostra.

Além disso, quando aliados à ferramentas estatísticas, são capazes de promover a identificação, qualificação e quantificação de vários compostos orgânicos nos alimentos, a partir de um único espectro.

Pesquisas atuais sinalizam o potencial desta técnica em conjunto com análises multivariadas, para a caracterização rápida de matrizes alimentares e desenvolvimento de metodologias analíticas com robustez e confiabilidade necessárias para um controle de qualidade de excelência.

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Referências

AZARIAS, C. A. Utilização da espectroscopia de infravermelho para a determinação rápida do índice de maturação em queijos Pecorino, Maturado e Gouda, fabricados com leite de ovelha. 2017. 103 f. Dissertação (Mestrado Profissional em Ciência e Tecnologia dfo Leite e Derivados) - Faculdade de Farmácia e Bioquímica, Universidade Federal de Juiz de Fora, Juiz de Fora, 2017.

BRASIL. Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento. Secretaria de Defesa Agropecuária. Manual de Métodos Oficiais para Análise de Alimentos de Origem Animal. 2. ed. Brasília: MAPA, 2019. 158 p. ISBN 978-85-7991-134-7

CAMPESTRINI, E. Utilização de equipamento NIRS (Near Infrared Reflectance Spectroscopy) nos estudos de valores nutricionais (composição química e digestibilidae) de alimentos para não ruminantes. Revista Eletrônica Nutritime, v. 2, n. 5, p. 240-251, 2005.

CAMPOS, N. S. et al. Técnicas analíticas para o controle de qualidade e desenvolvimento de produtos na indústria de secagem de soro. In: CARVALHO, A. F. et al. (org.). Química e Tecnologia do Soro de Leite: By the Whey. Juiz de Fora: Innóvite. 2020. v. 1, cap. 8.

CASADIO, Y. S. et al. Evaluation of a Mid-Infrared analyzer for the determination of the macronutrient composition of human milk. Journal of Human Lactation, v. 26, n. 4, p. 376-383, 2010.

DUFOUR, É. Principles of infrared spectroscopy. In: SUN, D. (Org.). Infrared Spectroscopy for Food Quality Analysis and Control. 1. ed. National University of Ireland, Dublin: Elsevier Inc., 2009. p. 3-26. 

FAGAN, C. C. et al. Milk and dairy products. In: SUN, D. (Org.). Infrared Spectroscopy for Food Quality Analysis and Control. 1. ed. National University of Ireland, Dublin: Elsevier Inc., 2009. p. 241-267.

HOLLER, F. J.; SKOOG, D. A.; CROUCH, S. R. Princípios de análise instrumental. 6. ed. Tradução: Célio Pasquini. Porto Alegre : Bookman, 2009.

LIN, M. et al. Infrared (IR) Spectroscopy - Near- Infrared Spectroscopy and Mid-Infrared Spectroscopy. In: SUN, D. (Org.). Infrared Spectroscopy for Food Quality Analysis and Control. 1. ed. National University of Ireland, Dublin: Elsevier Inc., 2009. p. 119-143.

OLIVEIRA, M. C. P.P. Espectrofotometria no Infravermelho- por metodologia FTIR (Fourier Transform Infrared): Validação na análise do teor de ureia e de outros parâmetros de qualidade do leite. 2011. 70 f. Dissertação (Mestrado em Medicina Veterinária) - Escola de Veterinária, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2011.

POONIA, A. et al. Detection of adulteration in milk: A review. International Journal of Dairy Technology, v. 70, n. 1, p. 23-42, 2017

SANTOS, P. M. et al. Utilização da microespectroscopia infravermelha (FT-IR) para teste de algoritmos estatísticos na diferenciação dos micro-organismos Candida albicans, Candida dubliniensis e Candida parapsilosis. Revista Brasileira de Engenharia Biomedica, v. 28, n. 4, p. 398-409 , 2012.

*Fonte da foto do artigo: Freepik