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Le principali cause di contaminazione fisica di alimenti e bevande
Nonostante i notevoli sforzi dei produttori, finalizzati alla prevenzione del rischio e consistenti nell’adozione di sistemi di controllo sempre più avanzati, la contaminazione fisica nei prodotti confezionati continua ad avere un impatto significativo per le aziende produttrici.
I report del Rapid Alert System for Food and Feed (RASFF) [1] confermano l’esistenza di questa problematica su numerose tipologie di prodotti, contaminati da corpi estranei di varia composizione come vetro, metallo, plastiche e insetti, e in misura minore ossa, sassi, legno e gomma. La tipologia di contaminanti ad oggi segnalata è proprio quella che le attuali tecnologie non riescono ad individuare, ad eccezione del metallo che probabilmente ha un numero elevato di segnalazioni a causa dei corpi estranei legati alle operazioni di produzione in linea.
Le cause di contaminazione possono essere ricondotte principalmente a tre casi [2]:
- contaminanti provenienti direttamente dal campo durante la raccolta delle materie prime, nel caso per esempio di prodotti freschi, come frutta e vegetali, che possono essere macinati o trattati per ripieni o salse. I materiali più comuni in questo caso sono sassi, insetti o piccoli animali, semi o legni di vario tipo;
- contaminanti legati al trasporto;
- contaminanti del processo produttivo, come il metallo derivante dalla linea di produzione stessa per malfunzionamenti dei sistemi di confezionamento o imbottigliamento, che possono far sì che frammenti del contenitore finiscano accidentalmente per contaminare il prodotto. Altre contaminazioni possono essere relative alla presenza degli operatori sulla linea (per es. guanto, stoffe, ecc.) oppure alla presenza di materiale indesiderato sul prodotto stesso, per esempio ossa.
I rischi legati alla contaminazione fisica
I rischi potenziali della presenza dei corpi estranei negli alimenti e nelle bevande riguardano principalmente la salute del consumatore [3]: può essere il caso di ingestione, per esempio, di un frammento di vetro o di altri contaminanti, tutti incidenti che comportano danni economici con effetti negativi sulla reputazione del brand e sulla fiducia del consumatore, senza contare l’impatto delle relative spese legali.
Si tratta quindi di una problematica che investe in modo importante il mercato del food and beverage, costantemente alla ricerca di soluzioni tecnologiche e sistemi di ispezioni complementari a quelli esistenti in grado di individuare contaminanti fisici che le soluzioni odierne non sono in grado di identificare.
Le tecnologie attualmente utilizzate per individuare i contaminanti fisici
Esistono diverse soluzioni per individuare i contaminanti fisici, alcune applicabili alla fase di pre-produzione, antecedente all’arrivo della materia prima nell’azienda di trasformazione, e altre integrate sulla linea di produzione, come quelle di ispezione. Il controllo più efficace per essere certi che il prodotto sia privo di corpi estranei si effettua dopo il confezionamento, quando il prodotto è chiuso e sigillato.
Ed è proprio in questa fase che si inseriscono le tecnologie ad oggi più utilizzate, metal detector e X-Ray, le quali tuttavia presentano dei limiti intrinseci alla tecnologia stessa nell’individuazione dei corpi estranei:
- metal detector: è in grado di rilevare il metallo, sebbene incontri difficoltà con metalli molto sottili a forma di ago o di dimensioni molto ridotte;
- X-ray: è più efficace del precedente perché intercetta un più ampio range di contaminanti. Riconosce, oltre ai metalli, alcuni tipi di plastiche (non quelle a bassa densità), ma non sempre individua ossa e gomme, noccioli o piccioli, e non identifica insetti e legno [4]. La macchina di ispezione deve essere inoltre certificata per garantire la sicurezza per l’operatore e l’ambiente di lavoro poiché vengono utilizzate radiazioni ionizzanti attraverso il generatore di raggi X.
Appare evidente come molti contaminanti che ad oggi costituiscono una casistica per l’industria non vengano individuati dalle attuali soluzioni. Pertanto, è necessaria l’integrazione con nuove tecnologie più efficaci nell’individuazione di molteplici contaminanti problematici per l’industria alimentare e delle bevande, tramite nuove macchine di ispezione nella fase finale di controllo del prodotto confezionato
La tecnologia a microonde per individuare corpi estranei non identificabili con raggi X e metal detector
La tecnologia a microonde è completamente nuova e rivoluzionerà il mercato dei controlli qualità in linea e della sicurezza dei prodotti del mondo alimentare e bevande. Il range di frequenza operativo è una banda totalmente sicura, che opera a livelli di potenza molto limitati e già utilizzata da numerosi dispositivi elettronici di uso quotidiano.
Questa tecnologia propone un nuovo principio di riconoscimento [5]: si basa sul contrasto dielettrico fra il prodotto da ispezionare e il potenziale contaminante e non sulla differenza di densità come nel caso dei raggi X. Il contrasto dielettrico dipende dalla differenza in permettività relativa, una proprietà fisica di ciascun tipo di materiale. Può essere definito come la misura della polarizzabilità elettrica, cioè come il materiale reagisce all’applicazione di un campo elettrico.
Nella tabella 1 è possibile visualizzare come la differenza della permettività relativa sia molto elevata fra alcuni contaminanti e il prodotto alimentare o bevanda da ispezionare. Da evidenziare l’estrema efficacia della tecnologia sul metallo che, in quanto conduttore, verrà rilevato in ogni forma e dimensione poiché ci sarà sempre una differenza di permettività molto elevata. Per avere un’idea del range dei valori di permittività di un prodotto, è necessario considerare la composizione dello stesso.
In tabella 1 si evidenzia il range di valori di permettività di prodotti costituiti prevalentemente da acqua (marmellata, vino, bevande, salse di pomodoro) o prodotti a base olio (crema di cioccolata, maionese, pesto, olio). I test effettuati in misura maggiore hanno considerato un worst case scenario dal punto di vista del contrasto dielettrico, crema di cioccolato (2.8) vs PET (3-3.2), con risultati molto soddisfacenti.
Parametri di ottimizzazione delle prestazioni
Il dispositivo di ispezione, per ottimizzare le prestazioni, prende in considerazione i seguenti aspetti:
- Il contrasto dielettrico che dipende dal rapporto di permettività fra prodotto e contaminante;
- Dimensioni fisiche del prodotto da analizzare;
- Frequenza centrale operativa del microonde utilizzata per garantire la corretta penetrazione nel prodotto;
- Ottimizzazione della posizione dei sensori intorno al prodotto, per massimizzarne l’”illuminazione”.
Vantaggi e limitazioni della tecnologia a microonde
La tecnologia è applicabile in linea perché è in grado di effettuare misure nel tempo di decimi di millisecondo, non ha problematiche legate all’inquinamento dell’ambiente di lavoro o protezione dei lavoratori perché non emette radiazioni ionizzanti.
Inoltre, per le basse potenze utilizzate nell’ordine del milliwatt non scalda né il prodotto né il contenitore garantendone l’integrità.
Le limitazioni intrinseche alla tecnologia stessa consistono nell’incapacità delle microonde di poter penetrare all’interno di confezioni completamente metalliche.
Come funziona la tecnologia a microonde
Il sistema è composto da antenne progettate per operare alla frequenza desiderata, che circondano il prodotto [6]. Durante il tempo di analisi, dell’ordine di centesimi di secondo, è possibile acquisire i segnali interscambiati tra questi dispositivi, dopo aver attraversato il prodotto da analizzare [7]. In questo modo, è possibile monitorare l’eventuale alterazione dei campi elettrici emessi, dovuta alla potenziale presenza di un contaminante (Fig. 2).
Il segnale acquisito viene processato attraverso tecniche di intelligenza artificiale (AI), che richiedono quindi una fase di “addestramento”: chiaramente, la robustezza del classificatore [8] viene verificata andando a testare le capacità di individuazione di corpi estranei anche diversi da quelli utilizzati per questa prima fase di calibrazione.
Una versione avanzata del sistema permette di introdurre ulteriori funzioni tramite un’elaborazione aggiuntiva dello stesso segnale acquisito ed utilizzato per la classificazione binaria del prodotto. È possibile, tramite algoritmi sviluppati ad-hoc, ricostruire un’immagine tridimensionale del prodotto: in sostanza, viene generata una mappa in 3D del contrasto dielettrico nel volume in analisi, che in altre parole corrisponde alla posizione del contaminante nel prodotto.
I campi di applicazione della tecnologia a microonde
La tecnologia a microonde per i prodotti confezionati può essere applicata a molteplici prodotti dell’industria del food and beverage, dalla salsa di pomodoro in contenitore in vetro o pesto, marmellate, dalle bottiglie di champagne al vino passando per le bevande in genere: questi sono solo alcuni esempi di applicazioni possibili. I prodotti ottimali da analizzare sono liquidi o semifluidi (come le creme) oppure omogenei, ove si intende omogeneità dal punto di vista della permettività.
L’unica reale limitazione riguarda i contenitori completamente in alluminio (scatolette) oppure costituiti da packaging poliaccoppiati in cui è presente alluminio. L’applicazione è possibile però per contenitori con tappo twist-off oppure foil in alluminio attraverso una disposizione diversa delle antenne intorno al contenitore, così da consentire la penetrazione delle microonde nel prodotto.
Conclusioni
La tecnologia a microonde permette di ispezionare prodotti imbottigliati o confezionati per individuare contaminanti fisici ad oggi invisibili ai raggi X o al metal detector come plastica, vetro, metallo, legno, gomme, ossa, pietre, insetti, ecc. Si tratta di una tecnologia rivoluzionaria per il mercato F&B in grado di soddisfare le sempre più esigenti richieste di sicurezza alimentare dell’industria.
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[1] Ilija Djekic, Danijela Jankovic, Andreja Rajkovic, Analysis of foreign bodies present in European food using data from Rapid Alert System for Food and Feed (RASFF), Food Control 79 (2017) 143-149
[2] Stier, F. R. (2003). The dirty dozen: Ways to reduce the 12 biggest foreign materials problems. Food Safety Magazine, 9(2), 44-50
[3] Aladjadjiyan, A. (2006). Physical hazards in the agri-food chain. In P. A. Luning, F. Devlieghere, & R. Verhe (Eds.), Safety in the agri-food chain. Wageningen, The Netherlands: Wageningen Academic Publishers.
[4] R. Haff and N. Toyofuku, “X-ray detection of defects and contaminants in the food industry,” Sensing and Instrumentation for Food Quality and Safety, vol. 2, 12 2008.
[5] J. LoVetri, M. Asefi, C. Gilmore, and I. Jeffrey, “Innovations in electromagnetic imaging technology: The stored-grain-monitoring case,” IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 62, no. 5, pp. 33–42, 2020.
[6] Ricci, Vasquez, Scapaticci, Crocco, Vipiana, “Multi-antenna system for in-line food imaging at microwave frequencies”, IEEE Transacions on Antennas and Propagation, vol. 70, issue 8, pp. 7094-7105, 2022
[7] J. A. Tobon Vasquez, R. Scapaticci, G. Turvani, M. Ricci, L. Farina, A. Litman, M. R. Casu, L. Crocco, and F. Vipiana, “Noninvasive inline food inspection via microwave imaging technology: An application example in the food industry,” IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 62, no. 5, pp. 18–32, 2020.
[8] B. D. Ripley and N. L. Hjort, Pattern Recognition and Neural Networks, 1st ed. USA: Cambridge University Press, 1995.
Marco Ricci
Marco Ricci ha ottenuto un PhD cum laude presso il Politecnico di Torino nel campo dell’elettromagnetismo; è co-fondatore e responsabile tecnico della start-up Wavision Srl, che si occupa dello sviluppo dei dispositivi di ispezione a microonde. La società è entrata a far parte del gruppo Antares Vision nel 2022. Ha inoltre ottenuto un Executive Master in Business Administration and Innovation presso la MIB School di Trieste.
Piero Polastri
Piero Polastri è laureato in Management internazionale presso l’università di Modena e Reggio Emilia. Dal 2010 lavora come interfaccia commerciale per lo sviluppo strategico del business nel campo dei macchinari di ispezione del confezionamento primario, con specializzazione su controllo della tenuta del contenitore, analisi dei gas e controllo di contaminazioni.
