Tradicionalmente, el aroma de los alimentos se ha analizado empleando técnicas de análisis sensorial y/o técnicas cromatográficas con sistemas de detección universal como la espectrometría de masas(MS) o la ionización de llama (FID). Estas últimas han sido, además, las que han permitido cuantificar los componentes individualizados que constituyen la fracción volátil del alimento. En los últimos años, otras técnicas como la cromatografía de gases con detección olfatimétrica (GCO) han complementado los resultados de las técnicas más clásicas, puesto que han permitido cuantificar los componentes volátiles pero, además, identificar aquellos que aportan alguna nota aromática al alimento en cuestión. Es decir, la GCO podría considerarse un punto intermedio entre el análisis sensorial y las técnicas cromatográficas. No obstante, esta técnica, como técnica cromatográfica que es, adolece de una falta de rapidez analítica que la hace poco útil en control de calidad. La nariz electrónica, sin embargo, sí posee esta característica, puesto que procesa la fracción volátil del alimento (y, por lo tanto, el aroma) de forma global, igual que hace la nariz humana, permitiendo clasificar los diferentes alimentos en función de su similitud aromática, aunque no determina la composición de dicho aroma.
La nariz electrónica se define como un instrumento dotado de sensores químicos y de un programa quimiométrico de reconocimiento de modelos, que es capaz de reconocer y comparar olores individuales o complejos. Al igual que el sistema olfativo humano, su objetivo es relacionar el aroma que se percibe con una respuesta que, tras ser almacenada en la memoria, servirá como modelo en ulteriores análisis (figura 1).
Todos los sistemas de nariz electrónica que existen actualmente en el mercado constan de tres partes bien diferenciadas. La primera de ellas implica la toma de muestra que, en este caso, y dadas las características de volatilidad de la misma, se fundamentará en la técnica del espacio de cabeza (headspace) estático. Los volátiles, concentrados por calentamiento en la fase vapor que está sobre la muestra (líquida o sólida) son introducidos en el sistema de sensores que medirá las diferentes propiedades físico-químicas de los componentes del aroma, convirtiendo el olor en la señal mensurable que un ordenador se encargará de procesar –mediante técnicas quimiométricas–, proporcionando un gráfico que representará la huella digital de dicho olor. Así pues, toma de muestra, conjunto de sensores y sistema de tratamiento de datos serán las partes esenciales de cualquier tipo de nariz electrónica comercial.
La diferencia fundamental entre los sistemas de olfato electrónico reside en la tipología de los sensores empleados. Los llamados sensores de gases son los más consolidados. Estos sensores, que funcionan en batería (sistemas multisensor) y están constituidos por diferentes materiales (óxidos metálicos, polímeros conductores, cristales piezoeléctricos, etc.), modifican sus propiedades eléctricas cuando interaccionan con los compuestos volátiles, proporcionando una huella olfativa de la fracción volátil que han percibido. Estos sistemas han demostrado ampliamente su utilidad para el análisis de alimentos, pero no son adecuados para analizar bebidas alcohólicas por la saturación que conlleva la presencia mayoritaria del etanol en la fracción volátil.
En los últimos años, ha aparecido en el mercado un nuevo tipo de nariz electrónica, basado en la espectrometría de masas (HS-MS). Mediante esta técnica, cuya capacidad analítica ha sido suficientemente probada, se consigue obtener un espectro que equivaldría a un multisensor con tantos sensores como iones formados. Para este tipo de sistema, la presencia de componentes como el etanol no supone un problema, puesto que las interferencias pueden soslayarse prescindiendo de analizar sus iones característicos. Otra ventaja sustancial es el hecho de que no sea necesario ningún acondicionamiento del sensor ni de la muestra, con lo que es una técnica muy competitiva para el control de calidad. Además, permite obtener información adicional de la composición de la fracción volátil, ya que los iones contienen información directa de las moléculas, con lo que puede mejorarse la sensibilidad y la selectividad de la medida.
Así pues, sea cual sea el tipo de sensor empleado, se tratará de sistemas multisensor, con lo que la respuesta será una matriz de datos multidimensional (figura 2) que las herramientas quimiométricas (análisis de agrupaciones, técnicas de clasificación, redes neuronales, análisis de componentes principales, etc.) se encargarán de transformar en información analítica de utilidad (figura 3).
Aplicaciones
Son muchas y muy variadas las aplicaciones que han aparecido de la nariz electrónica en el control de calidad alimentario. Algunas de ellas, desarrolladas por nuestro grupo de investigación con un sistema de nariz electrónica basado en la técnica HS-MS, han abierto las puertas al análisis del aroma de vinos y aguardientes, bebidas que, por su elevado contenido en etanol, tenían vetado el acceso a estas tecnologías.
Una de las aplicaciones ha consistido en ver la efectividad del sistema HS-MS como emulador de un panel de catadores expertos que llevan a cabo un test triangular. El objetivo de este ensayo es distinguir, entre tres muestras (dos de ellas iguales), cuál es la que es diferente. Para ello se han empleado dos vinos, uno procedente de la DO Tarragona y otro de la DOC Priorat. Ambos vinos se han analizado, aleatoriamente, por sextuplicado, con lo que se han procesado un total de 18 muestras, 12 de ellas iguales entre sí. El tiempo total de análisis para cada muestra ha sido de solamente 10 minutos. Como puede apreciarse en el análisis de agrupaciones, las muestras de Tarragona son muy similares entre sí y, lo que es más importante, son diametralmente diferentes a las del Priorat.
En esta misma línea de investigación, otros estudios han consistido en diferenciar vinos según su DO o su variedad. En la figura 4A puede apreciarse, empleando en esta ocasión la técnica de análisis de componentes principales (PCA), vinos de dos zonas geográficas colindantes y obtenidos con las mismas variedades (garnacha y cariñena). En la figura 4B, por su parte, puede apreciarse el PCA que diferencia las variedades merlot y cabernet sauvignon, independientemente de la zona geográfica que procedan.
Otras aplicaciones cualitativas, realizadas con narices electrónicas basadas en el sistema clásico de sensores, han permitido diferenciar alimentos como el café (incluso tratándose de mezclas de las mismas variedades) o los aceites de diferentes DO españolas y con distintas características nutritivas y organolépticas.
También existe la posibilidad de emplear técnicas de regresión (por ejemplo, PLS) con el fin de correlacionar la respuesta de la nariz electrónica (por ejemplo, espectro de masas), con el valor de una propiedad (por ejemplo, concentración de una determinada sustancia). Así se consigue disponer de un modelo matemático (una recta en el caso más simple) que permite determinar, por interpolación, el valor que tendría esa propiedad para una muestra desconocida. Así, por ejemplo, nuestro grupo de investigación ha podido establecer, con un elevado grado de precisión, una buena correlación entre los meses de añejamiento de rones cubanos y los correspondientes espectros de masas de la fracción volátil (figura 5). Esto quiere decir que, si se analizara una muestra de ron problema, podría precisarse, con un error en este caso inferior a 3 meses (para un intervalo total de 40 meses de añejamiento), cuál es el tiempo que ese ron ha permanecido en barrica.
Todos los estudios descritos hasta aquí podríamos calificarlos como estudios cualitativos (o, como máximo semicuantitativos) basados en el procesado de los datos obtenidos a partir del sistema multisensor. Ésta es la aplicación más importante que han tenido hasta este momento los sistemas de olfacción electrónica. Las aplicaciones cuantitativas, siempre reservadas a los sistemas de análisis cromatográfico, no habían sido abordadas hasta que los sistemas HS-MS han irrumpido en el mercado, posiblemente debido a que el interés principal que han tenido los sistemas de nariz electrónica ha sido el emular el sistema olfativo humano el cual, ciertamente, cualifica los aromas, sin cuantificarlos estrictamente.
La cuantificación de componentes aromáticos no era, pues, una cuestión primordial, sobre todo porque implicaba un alargamiento excesivo del análisis. No obstante, el hecho de que los sistemas HS-MS permitan obtener datos de la estructura misma de las moléculas, así como su abundancia, permite abordar estudios cuantitativos rápidos, si se trabaja con técnicas de regresión (PLS) de forma equivalente a la descrita para el estudio de añejamiento de los rones. Abordar el problema de la cuantificación mediante sistemas de nariz electrónica es necesario si se desea controlar, por ejemplo, defectos aromáticos (off flavours) que no deberían estar presentes en las muestras a analizar y que, si lo están, es a bajos niveles de concentración. Tal es el caso del llamado sabor a corcho (cork taint), defecto que preocupa al sector enológico (tanto al productor de vinos como al de tapones de corcho para las botellas), principalmente debido a su bajo umbral de detección sensorial.
Uno de los responsables del este defecto es el 2,4,6-tricloroanisol (TCA). Cuando se trabaja con el espectrómetro de masas, puede correlacionarse la respuesta obtenida (abundancia de iones formados) con la concentración del componente o los componentes que ha generado el ion.
En la figura 6 se representa la concentración de TCA predicha por el modelo de regresión PLS vs la concentración real de TCA adicionada.
Como puede apreciarse, hay una buena correlación. El método obtenido, que se validó interna y externamente mediante un conjunto de vinos adicionados con TCA diferentes a los utilizados en el estudio, puede ser útil como método de cribado de las muestras que contengan TCA y, debido a su rapidez y sencillez instrumental, puede ser de gran utilidad en control de calidad. Únicamente adolece de falta de sensibilidad (el LOD es de 100 ng/L), aspecto en el que se está trabajando actualmente en nuestro laboratorio.
Conclusión
La nariz electrónica es un instrumento que permite, en pocos minutos, comparar y clasificar los aromas de los productos alimentarios, por lo que resulta un excelente complemento para el análisis sensorial. Los estudios realizados hasta el momento muestran su aplicabilidad en el campo del control de calidad, incluso si se analizan bebidas alcohólicas, si se trabaja con un sistema HS-MS. Particularmente, se ha demostrado su utilidad en el control de variedades y mezclas, de su origen geográfico, de los vinos amparados en una DO y de los posibles defectos, como el producido por los tapones de corcho.
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