Laboratorio diagnostiche e metrologia (FSN-TECFIS-DIM) Frascati

La sicurezza alimentare è un problema emergente di ampiezza globale. Alla fine del 2017 si stimava che il commercio globale di generi alimentari ammontasse a quasi 300 miliardi di $, di cui il 15% on line (INTERPOL & EUROPOL 2018), tipo di vendita in cui è più facile ingannare un cliente. Le frodi alimentari sono manomissioni dolose degli alimenti o delle loro confezioni che quando non determinano un danno concreto o immediato per la salute, favoriscono comunque guadagni illeciti a scapito dei consumatori. Di altro spessore sono le frodi sanitarie quando l’aggiunta di un additivo rende l’alimento nocivo con diretto coinvolgimento della salute. Le frodi possono essere distinte in sofisticazione, adulterazione, contraffazione o alterazione.

Spink e Moyer (2011) definiscono la frode alimentare come “un termine collettivo usato per includere la deliberata e intenzionale sostituzione, aggiunta, manomissione o falsificazione di cibo, ingredienti alimentari o confezioni alimentari oppure dichiarazioni false o fuorvianti rese su un prodotto, per guadagno economico” e identificano sette differenti tipi di frode alimentare. La dimensione del fenomeno “frode agroalimentare” in Italia, può essere apprezzata consultando la banca dati IPERICO (Intellectual Property – Elaborated Report of the Investigation on COunterfeiting), sviluppata sotto la guida del Ministero dello Sviluppo Economico, Direzione Generale per la Lotta alla Contraffazione – Ufficio Italiano Brevetti e Marchi (Riccio et al. 2014).

Vari prodotti sono soggetti a frodi commerciali si va dallo zucchero al miele dallo zafferano alle diverse varietà di riso. Il Laboratorio Diagnostiche e Metrologia (Palucci ed. 2018) dell’ENEA applica la spettroscopia laser, in generale, e la spettroscopia fotoacustica, in particolare, al vasto campo del controllo di qualità della catena agroalimentare (Lai et al. 2019), focalizzandosi principalmente nella rivelazione rapida di frodi alimentari con la tecnica LPAS, basata su sorgenti CO₂ (Fiorani et al. 2017) e QCL (Fiorani et al. 2019) e questo trova le radici nelle progettualità del laboratorio precedenti come ad esempio il progetto Sal@CQO

Il WP1 del progetto TecHea, denominato SafeFood, ha come obiettivo la realizzazione di due prototipi ingegnerizzati da campo per la rilevazione di contaminanti negli alimenti basati sulla spettroscopia laser fotoacustica (LPAS).

Il primo prototipo, è progettato per essere installato lungo la linea di produzione per un controllo in-line.

Il secondo prototipo è dedicato ad analisi speditive, effettuabili anche nei punti vendita da personale non specializzato.

Per entrambi i prototipi da campo, i requisiti operativi sono stati individuati con lo scopo di soddisfare le esigenze di aziende alimentari e autorità ispettive e, contemporaneamente, corrispondere alle caratteristiche di trasportabilità e semplicità di uso, per cui saranno necessariamente miniaturizzati e semplificati.

Le attività svolte nel corso del primo anno sono state le seguenti:

• Analisi della stato dell’arte attraverso indagine della tecnologia esistente
• Confronto con esperti del settore ed imprese specializzate nel controllo della qualità dei cibi.
• Identificazione dei campioni d’interesse e di applicazione

Nel corso del secondo anno le attività si sono focalizzate su:

• Applicazione dei prototipi alle problematiche specifiche;
• Contatti con aziende di ingegnerizzazione;
• Realizzazione dei prototipi (completata solo per il primo prototipo);
• Dimostrazione dei prototipi in casi di studio (completata per il primo prototipo).

Nel corso del terzo anno sono state svolte le seguenti attività:

• ottimizzazione del prototipo per linea di produzione;
• finalizzazione del prototipo per analisi speditive;
• applicazione dei prototipi a casi di studio;
• validazione dei prototipi in condizioni field-like.

Le attività svolte durante il quarto ed ultimo anno sono state le seguenti:

• applicazione dei prototipi a casi di studio;
• validazione dei prototipi in condizioni field-like;
• acquisizione di campioni certificati, autentici e adulterati;
• finalizzazione dei data base spettrali;
• ricerca documentale sulla normativa vigente.

I prodotti di ricerca sono:

Il Laboratorio Diagnostiche e Metrologia (DIM) della Divisione TECFIS svolge attività di ricerca che si indirizzano allo sviluppo di sensori laser in differenti campi – quali il monitoraggio ambientale, la caratterizzazione spettroscopica degli alimenti, le diagnostiche dei beni culturali e le applicazioni energetiche – e possiede le competenze tecnico-scientifiche, i laboratori di sviluppo (biologici, chimici e optoelettronici) e le officine di produzione (elettronica e meccanica) necessari per assicurare un’efficace copertura di tutte le fasi di progettazione, realizzazione e sperimentazione di sensori optoelettronici per un’ampia gamma di applicazioni diagnostiche. Afferiscono al Laboratorio DIM 23 ricercatori (biologi, chimici, fisici e ingegneri) e 4 tecnici (disegnatore meccanico, meccanico, perito elettronico, tecnico di laboratorio), supportati dalla Segreteria della Divisione TECFIS e dall’Ufficio acquisti del Dipartimento FSN. L’immissione dei prodotti di ricerca nella rete commerciale è facilitata dal Servizio industria ed associazioni imprenditoriali e dalla Divisione DST.

Il Laboratorio DIM ha una consolidata tradizione nella realizzazione di sensori basati sulla spettroscopia laser fotoacustica (LPAS). In particolare, negli ultimi dieci anni, alcuni suoi membri si sono specializzati nello sviluppo e nella validazione di sistemi basati su laser CO₂ capaci di rivelare frodi alimentari. Ad esempio, è stata eseguita la discriminazione di zuccheri, il monitoraggio del metanolo, la differenziazione tra latte in polvere e melammina, la rivelazione di istamina in prodotti ittici e la valutazione della qualità del riso.

Anche se la ricerca nel campo degli spettrometri laser fotoacustici per la rivelazione di frodi alimentari è spesso condotta in collaborazione con aziende private, con i relativi accordi di riservatezza, è stato possibile diffonderne i risultati in alcune pubblicazioni, come ad esempio:

Giubileo G., Lai A., Piccinelli D., Puiu A., Laser diagnostic technology for early detection of pathogen infestation in orange fruits, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 623 (2010) 778

Giubileo G., Calderari I., Puiu A., High resolution spectroscopy of sweeteners, Proceedings of the 3rd International Conference on Photonics, Optics and Laser Technology, Scitepress (2015) 91

Fiorani L., Giubileo G., Mangione L., Puiu A., Saleh W., Food fraud detection by laser photoacoustic spectroscopy, RT/2017/41/ENEA (2017)

Grazie ai fondi TecHea, le attività hanno ricevuto un importante impulso. È stato possibile sostituire i laser CO₂ con i laser a cascata quantica (QCL) – preferibili per la maggior portabilità e per l’accordabilità continua in un più ampio intervallo spettrale – ed è nato un vero e proprio gruppo di lavoro LPAS che:

• ha avuto un finanziamento PoC per la realizzazione di uno spettrometro laser fotoacustico semplificato per applicazioni industriali in collaborazione con:
  • Mérieux NutriSciences (24 paesi, ≈100 laboratori e ≈7000 impiegati), multinazionale che offre servizi analitici per prodotti alimentari,
  • Orsell, azienda leader nella distribuzione di kit analitici,
  • Tecnoalimenti, società di ricerca costituita da 30 imprese afferenti al settore agroalimentare e dal MIUR,
  • SSPT-BIOAG,
• ha avuto accesso al finanziamento della Regione Lazio per il suo Progetto TESLA - Tecniche lasEr per la Sicurezza di aLimenti e Acque, volto alla realizzazione del sistema di controllo e acquisizione dati di uno spettrometro laser fotoacustico per la sicurezza alimentare e di un sensore a fluorescenza per il controllo delle acque potabili, in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università "Tor Vergata",
• ha partecipato al Progetto 5x1000 – Miglioramento della sicurezza dei succhi di frutta (a guida SSPT-BIOAG),
• è membro di MetroFood ESFRI (a guida SSPT-BIOAG),
• ha firmato un NDA con BeeEthic (produzione di miele),
• ha svolto misure di:
  • adulterazione dell’olio di oliva,
  • adulterazione dei succhi di frutta,
  • autenticità dello zafferano,
  • autenticità dell’origano,
  • qualità del riso,
  • rivelazione di pesticidi.

Il responsabile del WP1 è stato invitato a far parte della Commissione Agroalimentare dell’Associazione Italiana Prove Non Distruttive Monitoraggio Diagnostica – AIPnD e del Comitato Scientifico del 1° Convegno “Diagnostica nel settore agroalimentare: indagini non distruttive, normative ed esigenze” dell’AIPnD al quale presenterà una relazione.

Inoltre, sono nate collaborazioni con:

• Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del CNR,
• Linea di ricerca “Metodi chemiometrici avanzati per la caratterizzazione e l’autenticazione di matrici reali complesse” dell’Università La Sapienza,

che si è concretizzata nella presentazione della tesi di laurea magistrale in chimica analitica “Rivelazione rapida di frodi alimentari tramite spettroscopia laser fotoacustica” (candidato: Pietro di Matteo, relatore: Federico Marini, correlatore: Luca Fiorani).

Sito web della Divisione TECFIS:

https://www.ricercanucleare.enea.it/il-dipartimento/tecnologie-fisiche-per-la-sicurezza-e-la-salute.html