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Trovare i pesticidi nel pomodoro

L’azienda trasformatrice può usare Hydra per verificare la presenza di pesticidi nel pomodoro in tempo reale

Il pomodoro, in tutte le sue varietà e colori, è senz’altro uno dei frutti più consumati al mondo, proprio grazie alla sua versatilità e al suo equilibrio agro-zuccherino.

Secondo la FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations), negli ultimi dieci anni la produzione di pomodoro è aumentata del 35,76%; nel 2017, sono state prodotte per un totale di 182,301 milioni di tonnellate di pomodoro in tutto il mondo. Cresce in modo molto avanzato, inoltre, la produzione e la domanda di pomodoro biologico che, stando alle stime dello studio condotto dall’università di Newcastle e pubblicato sulla rivista scientifica British Journal of Nutrition nel 2014, risulta più sano e privo di pesticidi e diserbanti rispetto ai pomodori convenzionali.

Le aziende che trasformano il pomodoro possono controllare in tempo reale la presenza di pesticidi in un campione di pomodoro fresco? Da oggi, grazie ad Hydra, è possibile esaminare in tempo reale un campione di pomodoro fresco, capire se è un pomodoro effettivamente biologico e decidere se processarlo o scartarlo.

Hydra + Pomodoro = ❤

Il vantaggio di verificare, in pochi secondi, la presenza di pesticidi nel campione di pomodoro prelevato dal camion del fornitore non ha prezzo! Il processo di trasformazione del pomodoro è molto veloce: non si può attendere qualche giorno per avere i risultati dal laboratorio. D’altro canto, sul mercato non esistono strumenti alternativi validi in grado di individuare in tempo reale la presenza di pesticidi nel pomodoro fresco o trasformato… fino ad oggi!

Caronte Consulting ha progettato e realizzato Hydra, uno spettrometro UV-VIS innovativo, in grado di esaminare in tempo reale lo spettro nel prodotto finito, nei semilavorati e negli scarti di trasformazione della filiera agroalimentare.

Figura 1. Hydra for laboratory.

In particolare, nel pomodoro si può:

monitorare la presenza di pesticidi;
determinare le caratteristiche merceologiche (es. zucchero, acido lattico, licopene, betacarotene, ecc.) nella materia prima, nel semilavorato e nel prodotto finito;
esaminare la stabilità del prodotto in uscita.

Il principio su cui si basa Hydra è molto semplice: si analizza un campione determinando differenze nello spettro rispetto a quello di un campione “ideale”, riconoscendo a quali parametri corrispondono le differenze individuate.Hydra può comunicare con il sistema SCADA che governa la produzione onde poter tenere sotto controllo le derive in produzione e raggiungere una lavorazione ottimale (Industria 4.0).Il software di Hydra possiede un layer intelligente che viene customizzato per correggere direttamente, in totale autonomia, alcuni parametri delle macchine industriali, onde contenere piccole derive in fase di lavorazione. Per determinare la presenza di pesticidi indagheremo lo spettro UV-VIS in alcune frequenze specifiche^[1][2][3] e per avere la massima sensibilità alle variazioni spettrali utilizzeremo la nuova versione Hydra for Laboratory.

Pesticidi

Oggigiorno i pesticidi sono ampiamente utilizzati in agricoltura per proteggere le colture e le sementi. Purtroppo il loro uso ha introdotto anche gravi danni all’ambiente e alla salute umana^[4].

I pesticidi sono invisibili e non possono essere analizzati tramite l’osservazione o attraverso semplici test chimici; la stima dei pesticidi nel suolo e negli alimenti richiede l’intervento di un laboratorio analisi, tecniche complesse e molto impegno^[5].

Hydra non sostituisce il laboratorio analisi, bensì aiuta l’operatore ad identificare le partite di materia prima che meritano un’analisi approfondita (presso il laboratorio) prima di essere processate.

L’industria alimentare si affida spessissimo alla spettroscopia per monitorare la qualità e la sicurezza degli alimenti. Ad esempio la spettroscopia di scattering Raman è stata applicata con estremo successo nell’individuazione delle colture transgeniche (es. nel tabacco)^[5].

Noi abbiamo studiato le caratteristiche spettrali della contaminazione da pesticidi mediante spettroscopia di riflettanza UV-VIS.

Figura 2. Struttura e molecola del Clorpirifos (fonte: Wikipedia).

Clorpirifos

Esistono diverse migliaia di molecole di pesticidi da analizzare^{[6] [7]}, ma non possiamo testarle tutte quante! Abbiamo, quindi, deciso di eleggere il Clorpirifos (Chlorpyrifos) a titolo di rappresentante dei pesticidi organofosfati, confrontando le informazioni spettrali ottenute dal pomodoro privo di pesticidi e quelle ottenute dal pomodoro contaminato, cercando tracce particolari che potrebbero essere caratteristiche della contaminazione da pesticidi organofosfati.

Il Clorpirifos viene usato per uccidere parassiti, insetti e vermi. Viene utilizzato su colture, animali e edifici. Fu introdotto nel 1965 dalla Dow Chemical Company. Agisce sul sistema nervoso degli insetti inibendo l’acetilcolinesterasi.

Il Clorpirifos è considerato moderatamente pericoloso per l’uomo dall’Organizzazione Mondiale della Sanità. L’esposizione che supera i livelli raccomandati è stata collegata ad effetti negativi sui sistemi neurologici, disordini persistenti dello sviluppo e disordini autoimmuni. L’esposizione durante la gravidanza può danneggiare lo sviluppo mentale dei bambini e nel 2001 l’uso domestico della sostanza è stata vietata negli Stati Uniti^[8].

Le analisi

Abbiamo eseguito 2 tipi di analisi:

sul pomodoro di San Marzano fresco e frullato;
sulla passata di pomodoro.

In entrambe le analisi abbiamo aggiunto 0,05 ml di Clorpirifos ad un campione di 76,35 ml, ottenendo 76,4 ml di prodotto drogato al 0,065%. Abbiamo scelto un drogaggio elevato per poter individuare con assoluta certezza quali siano i punti dello spettro da monitorare per individuare la presenza di Clorpirifos.

I pomodori freschi sono stati lavati accuratamente prima di essere frullati.

Pomodoro fresco + Clorpirifos

Come si vede in Figura 4, una sola goccia di Clorpirifos aggiunta al frullato di pomodoro determina istantaneamente un cambio radicale del colore e della struttura del campione, dimostrando un’elevata reattività del pesticida.

Figura 3. Pomodoro fresco San Marzano.

Figura 4. Una goccia di Clorpirifos nel pomodoro San Marzano fresco.

Figura 5. Curva CSC del pomodoro fresco drogato con pesticida. I picchi corrispondono alle frequenze caratteristiche del Clorpirifos nello spettro UV-VIS del pomodoro.

Figura 6. Confronto di una porzione dello spettro del pomodoro fresco e quello dello stesso drogato con pesticida.

L’analisi eseguita con Hydra dura pochi secondi e mostra 2 aree spettrali ben precise, in Figura 5 e Figura 6, che spiegano all’operatore la presenza inequivocabile di pesticida.

Anche gli indici parlano chiaro: CI ed E* mostrano chiaramente, in Figura 7, un forte cambiamento in presenza di drogaggio da Clorpirifos.

A partire da questi indici è possibile creare una customizzazione del software e generare un sistema semaforico (verde, giallo, rosso) che aiuta l’operatore a valutare a colpo d’occhio la bontà del prodotto o la necessità di approfondire le analisi presso un laboratorio chimico.

Figura 7. Confronto fra gli indici CI ed E*.

Passata di pomodoro + Clorpirifos

Come si vede in Figura 8, una sola goccia di Clorpirifos aggiunta alla passata di pomodoro determina in pochi secondi un cambio radicale del colore e della struttura del campione, dimostrando un’elevata reattività del pesticida. La passata di pomodoro è stata comperata in un negozio di alimentari.

Figura 8. Una goccia di Clorpirifos nella passata di pomodoro.

Lo spettro

L’analisi eseguita con Hydra dura pochi secondi e mostra 2 aree spettrali ben precise, in Figura 9 e Figura 10, che spiegano all’operatore la presenza inequivocabile di pesticida.

Anche gli indici parlano chiaro: CI ed E* mostrano chiaramente, in Figura 11, un’inversione di segno in presenza di drogaggio da Clorpirifos.

Figura 9. Curva CSC della passata di pomodoro drogata con pesticida. I picchi corrispondono alle frequenze caratteristiche del Clorpirifos nello spettro UV-VIS della passata di pomodoro.

Figura 10. Confronto di una porzione dello spettro della passata di pomodoro e quello della stessa drogata con pesticida.

Anche gli indici parlano chiaro: CI ed E* mostrano chiaramente, in Figura 11, un’inversione di segno in presenza di drogaggio da Clorpirifos.

Adesso sappiamo quali frequenze monitorare e come variano gli indici: possiamo individuare piccolissime variazioni che rilevano la presenza di pesticidi (Clorpirifos).

A partire dagli indici è possibile creare una customizzazione del software e generare un sistema semaforico (Figura 12) che aiuta l’operatore a valutare a colpo d’occhio la bontà del prodotto o la necessità di approfondire le analisi presso un laboratorio chimico.

Figura 11. Confronto fra gli indici CI ed E*.

Figura 12. Gli indici possono essere sintetizzati in un codice semaforico, utile all’operatore.

Bibliografia

I nostri esperimenti e le nostre deduzioni hanno tratto particolare ispirazione dall’ottimo lavoro di tesi di dottorato: Stagno C. “Caratterizzazione dei sottoprodotti della filiera del pomodoro per un potenziale sviluppo industriale“, Università degli Studi di Ferrara, 2010.

[1] Oumy Diop, Umberto Cerasani, “Light Reflection Spectrum Comparison of Pesticides Free Foods, Organic Foods and Conventional Farming Foods for VIS NIR Filter Creation”, CENTRIC 2016, pp 42-49

[2] Wen Li, Ming Sun, Minzan Li, “A survey of determination for organophosphorus pesticide residue in agricultural products”, Advance Journal of Food Science and Technology 5(4): 381-386, 2013

[3] Yankun Peng, Yongyu Li and Jingjing Chen (2012). Optical Technologies for Determination of Pesticide Residue, Infrared Spectroscopy – Materials Science, Engineering and Technology, Prof. Theophanides Theophile (Ed.), ISBN: 978-953-51-0537-4, InTech

[4] D. Pimentel, “Environmental and economic costs of the application of pesticides primarily in the United States”, Environment, development and sustainability, vol. 7, pp. 229-252, 2005.

[5] D. Yang and Y. Ying, “Applications of Raman spectroscopy in agricultural products and food analysis: a review”, Applied Spectroscopy Reviews, vol. 46, pp. 539-560, 2011.

[6] L. R. Goldman, “Managing pesticide chronic health risks: US policies”, Journal of agromedicine, vol. 12, pp. 67-75, 2007.

[7] C. f. D. C. a. Prevention. (2013). CDC – Pesticide Illness & Injury Surveillance – NIOSH Workplace Safety and Health Topic.

[8] Mughal BB, Fini JB, Demeneix BA, “Thyroid-disrupting chemicals and brain development: an update”, Endocr Connect 2018 Apr; 7(4):R160-R186. doi: 10.1530/EC-18-0029.

https://en.wikipedia.org/wiki/Tomato

https://en.wikipedia.org/wiki/Chlorpyrifos

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