Kontrola jakości wybranych produktów to zagadnienie, któremu trudno jest przypisać sztywne ramy. Ze względu na różnorodność produktów i parametrów charakteryzujących ich jakość, jej ocena wymaga użycia rozmaitych rozwiązań analitycznych. Z uwagi na liczne zalety jakie oferują metody opierające się na rejestracji nieselektywnych sygnałów analitycznych oraz odpowiednio zastosowane metody chemometryczne są one często wykorzystywane do kontroli jakości.
5.1. Kontrola jakości produktów spożywczych
Jest to jeden z obszarów badawczych, w którym omawiane podejście do analizy jakości jest niezwykle szeroko wykorzystywane. W ramach weryfikacji jakości produktów spożywczych rozpatruje się szereg cech fizyko-chemicznych, które o niej decydują. Najważniejszym zagadnieniem jest spełnianie wymogów sanitarno-epidemiologicznych i tych, które odnoszą się do składu chemicznego żywności (zwłaszcza zawartości konserwantów, dodatków
„polepszających” smak i zapach, a także różnorodnych wypełniaczy) stosowanych na terenie danego państwa lub wspólnot np. Unii Europejskiej. W literaturze naukowej przedstawiono wiele metod dedykowanych kontroli nielegalnych dodatków wprowadzanych do żywności.
Przykładowo, zawartość nielegalnego barwnika - sudan-I, wprowadzanego do różnych produktów spożywczych, oceniana jest na podstawie widm spektroskopii Ramana [39].
Wykorzystując widmo UV-Vis i metody chemometryczne można równocześnie ocenić ilościową zawartość pięciu innych barwników wprowadzanych do żywności [40]. Nie mniej ważny jest skład chemiczny żywności informujący konsumenta o jej jakości np. informacja o zawartości wybranych składników odżywczych. Szeroko stosowane są połączenia chromatografii lub spektroskopii w zakresie bliskiej lub średniej podczerwieni i metod konstrukcji wieloparametrowych modeli kalibracyjnych do oceny całkowitej zawartości antyoksydantów, np. [41 -4 3 ]. Te same techniki spektroskopowe używane są do oceny zawartości wody i kwasów organicznych w pomidorach [44], zawartości kwasów tłuszczowych trans w olejach jadalnych [45] czy całkowitej zawartości tłuszczu w majonezach i sosach sałatkowych (bez konieczności przygotowania próbki i wyjmowania jej z opakowania) [46]. Fluorescencyjne obrazy służą z kolei do oceny takich parametrów jak zawartość tokoferoli w olejach [3] czy ryboflawiny i aminokwasów zawierających pierścienie aromatyczne w piwie [47], jak również do oceny jakości różnych produktów zaliczanych do nabiału [48]. Inne substancje, których zawartość jest wyznacznikiem jakości ocenianej subiektywnie przez konsumenta (ze względu na obniżenie kaloryczności jedzenia czy walory smakowe), to tzw. substancje słodzące. Jedną z nich jest acesulfam-K którego ilość w produktach uznawanych za dietetyczne można ocenić w sposób szybki i niedestruktywny używając widm w zakresie podczerwieni modelowanych metodą PLS [49]. Zawartość witamin w suplementach diety i napojach energetycznych jest również subiektywnym (z punktu widzenia konsumenta) wyznacznikiem jakości, który można oceniać używając widm absorpcyjnych UV-Vis [50].
5. Nieselektywne sygnały i podejścia chemometryczne, a kontrola jakości
Kolejnym ważnym zagadnieniem w kontekście oceny jakości produktów spożywczych jest weryfikacja ich pochodzenia geograficznego [51] i często za nią idące różnice w jakości produktów oferowanych przez producentów z różnych krajów lub regionów świata.
Możliwość identyfikacji miejsca produkcji czy pochodzenia danego towaru jest ceniona zwłaszcza ze względu na regulacje Unii Europejskiej i innych instytucji, które przyznają między innymi unikatowym regionalnym produktom spożywczym ochronę prawną.
Wyróżnia się takie znaki jak PDO odnoszący się do unikatowych produktów ściśle związanych z danym regionem (ang. protected designation o f origin), PG I odnoszący się do produktów produkowanych w danym regionie geograficznym (ang. protected geographical indication), czy TSG odnoszący się do produktów charakteryzujących się tradycyjnym sposobem produkcji, składem lub wykonaniem z tradycyjnych surowców (ang. traditional specialities guaranteed) [52,53]. Ze względu na wprowadzaną ochronę prawną, weryfikacja pochodzenia żywności może również przyczynić się do wykrycia procederu fałszowania wybranych, unikalnych i chronionych produktów spożywczych. Na przykład, pochodzenie miodów polskich oceniano na podstawie widm jądrowego rezonansu magnetycznego poddanych kalibracji z użyciem metody PLS [54]. W ramach międzynarodowego projektu TRACE badano między innymi pochodzenie miodów wyprodukowanych w różnych krajach na podstawie ich chromatograficznych odcisków palca [55]. Z kolei geograficzne pochodzenie mleka może być ocenione przy użyciu modelu dyskryminacyjnego i fluorescencyjnego obrazu próbki [4], Nie mniej ważnym zagadnieniem jest celowe fałszowanie produktów spożywczych nieobjętych specjalną ochroną prawną np. poprzez dodatek tańszych wypełniaczy [56]. Nieselektywne sygnały analityczne są wykorzystywane podczas oceny autentyczności wołowiny ze względu na dodatek wieprzowiny [57] lub koniny [58]. Widma spektroskopii Ramana znalazły zastosowanie do oceny zafałszowania masła innym niż zawartym w mleku tłuszczem zwierzęcym [59], a spektroskopia w zakresie podczerwieni pozwala wykryć dodatek margaryny w maśle [60]
lub mleka sojowego w mleku krowim [61]. Analizując widma fluorescencyjne można kontrolować skład chemiczny olejów roślinnych [62] i oliwy z oliwek [63]. Sygnały instrumentalne rejestrowane w zakresie podczerwieni używane są do wykrycia procederu fałszowania szafranu [64] czy wprowadzania dodatku pszenicy lub kukurydzy do zmielonej kawy [65].
Jakość produktów ocenia się również ze względu na przemiany chemiczne zachodzące w żywności na przestrzeni czasu kontrolując termin przydatności do spożycia (ang. shelf life). Widma w zakresie podczerwieni wspomagają ocenę jakości owoców [66] i warzyw [67]
w zależności od warunków ich przechowywania. Nieselektywne sygnały są podstawą konstrukcji modeli dyskryminacyjnych stosowanych do oceny świeżości mięsa wołowego [68], drobiowego [69] i ryb [70]. Widma fluorescencyjne były również pomocne w ocenie stopnia świeżości jogurtów [71]. Pomiary jakości wykonywane na przestrzeni czasu znalazły swoje zastosowanie także podczas kontroli procesu produkcyjnego. Ze względu na szybkość rejestracji widm w zakresie podczerwieni, które są źródłem informacji o jakości produktu i zarazem procesu, stosuje się je np. do oceny procesu dojrzewania piwa [72], wyrobu ciasta chlebowego [73] czy oceny tekstury sera topionego [74].
Podejmowane są również próby zastąpienia analizy sensorycznej (dokonywanej przez wykwalifikowanych materiałoznawców tworzących tzw. panele sensoryczne) przez metody oparte na sygnałach nieselektywnych wspieranych modelami chemometrycznymi np. do oceny parametrów jakości związanych z reakcjami Maillarda [75].
5.2. Ocena jakości środowiska naturalnego
To kolejny obszar, w którym nieselektywne sygnały analityczne i towarzyszące im rozwiązania chemometryczne znalazły swoje zastosowania. Są to zwłaszcza badania jakości wód i gleb. Wśród technik najczęściej używanych do badań próbek wód ważne miejsce znajduje spektroskopia fluorescencyjna w szczególności fluorescencyjne obrazy stosowane do oceny śladowych i ultraśladowych zawartości substancji organicznych [7 6 -7 8 ], a zwłaszcza wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych [16,76,79]. Badania gleb pod kątem informacji o zanieczyszczeniach takich jak substancje organiczne [80], czy nieorganiczne (azotany) [81] najczęściej prowadzi się przy użyciu spektroskopii w zakresie bliskiej podczerwieni. Technikę tę wykorzystuje się także do jakościowej charakterystyki podłoża [82]. Zanieczyszczenia spowodowane pozostałościami paliw kontroluje się na podstawie modeli kalibracyjnych konstruowanych dla fluorescencyjnych obrazów [83] lub widm w zakresie bliskiej podczerwieni [84]. Opracowano również czułą technikę umożliwiająca ilościową ocenę zawartości pochodnych naftalenu w glebie na podstawie pomiarów fluorescencyjnych [85]. Dane analityczne uzyskane przy użyciu technik chromatograficznych, modelowane z użyciem wieloparametrowych metod kalibracyjnych są stosowane do kontroli jakości osadów rzecznych i ścieków np. ze względu na zawartość herbicydów [86].
Innym aspektem jakości środowiska naturalnego ocenianym poprzez rejestrację nieselektywnych sygnałów analitycznych są badania bioindykatorów. Gatunki zaliczane do tej grupy często występują w bardzo mało licznych populacjach. Metody oparte na pomiarze widm NIR i modelach kalibracyjnych [87] charakteryzują się większą czułością niż standardowe testy biologiczne używane do oceny liczebności bioindykatorów [88].
5.3. Analiza jakości produktów energetycznych
To problem analityczny, w którym nieselektywne sygnały rejestrowane głównie w zakresie bliskiej podczerwieni, są również intensywnie wykorzystywane do oceny parametrów różnych produktów zaliczanych do grupy paliw. Sygnały NIR stosuje się do oceny właściwości fizycznych paliwa lotniczego (np. temperatur zapłonu czy zamarzania) [89], w połączeniu z metodami kalibracyjnymi są także pomocne przy kontroli jakości mieszanin olejów napędowych [90] oraz węgla pod względem jego wykorzystania w elektrowniach [91].
Dzięki drugotzędowej strukturze danych, fluorescencyjne obrazy z powodzeniem są używane do badań mieszanin oleju napędowego i nafty [5] oraz paliwa lotniczego i oleju napędowego [92],
5. Nieselektywne sygnały i podejścia chemometryczne, a kontrola jakości
5.4. D zied zin y n a u k ty p u „om ik a ”
Stosunkowo młode dziedziny nauk z grupy „omika” takie jak np. genomika, proteomika czy metoabolomika stają się coraz bardziej popularne, stanowiąc nowoczesne platformy dla realizacji m.in. badań medycznych i biotechnologicznych [93]. Analizę próbek w tych dziedzinach przeprowadza się wykorzystując metody instrumentalne generujące takie nieselektywne sygnały jak dwuwymiarowe żele elektroforetyczne [94] czy widma masowe pochodzące z pomiarów typu MS/MS [95]. Ekstrakcja użytecznej informacji zawartej w takich sygnałach nie byłaby możliwa, gdyby nie metody chemometryczne. Uzyskanie istotnej informacji z takich sygnałów jest trudne, zwłaszcza ze względu na ich dużą złożoność pod względem liczby analizowanych substancji, nakładanie się sygnałów analitów 0 podobnych właściwościach czy rozmiar danych. Dlatego, zaawansowana analiza danych 1 krytyczne podejście do uzyskanych wyników są w tego typu badaniach niezbędne [96].
Wydawać by się mogło, że wykorzystanie podejść „omika” do oceny jakości jest mało popularne. Jednak, w dobie rozwoju inżynierii genetycznej i wprowadzania na rynek konsumencki coraz większej ilości żywności modyfikowanej genetycznie wiedza na temat genomu lub proteomu produktów pochodzenia roślinnego i zwierzęcego jest potrzebna.
Nazwana z języka angielskiego fudomika jest stosunkowo nową składową „omik”, która zajmuje się między innymi tego typu problemami analitycznymi [97]. W literaturze są opisane metody umożliwiające ocenę czy próbka żywności jest transgeniczna [98], jak również pozwalające kontrolować zawartość takich związków jak pestycydy, alergeny czy antybiotyki [99].
Innym obszarem aplikacyjnym podejść typu „omika” jest kontrola procesów biofarmaceutycznych, w których jakość stosowanych leków pochodzenia biologicznego lub uprawianych roślin ma kluczowe znaczenie w zrozumieniu kontrolowanych mechanizmów biologiczno-chemicznych [100].
5.5. O cena ja k o śc i w b a d a n ia c h fa r m a k o lo g icz n y c h
Nieselektywne sygnały stosuje się przede wszystkim, do oceny jakości leków zawierających pojedyncze substancje aktywne [101,102] jak i tych wieloskładnikowych, charakteryzujących się matrycą o skomplikowanym składzie [103]. Spektroskopia w zakresie bliskiej podczerwieni cieszy się największym zastosowaniem w analizie jakości leków [104].
Wykorzystując tę technikę opracowano rozwiązania takich problemów badawczych jak kontrola procesu produkcji leków i ocena ilościowa substancji aktywnej w matrycy w formie tabletek [105] czy mieszanie i ujednorodnianie leków w postaci proszków [106].
Kolejne ważne problemy występujące podczas produkcji leków, do których spektroskopia NIR ma swoje zastosowanie, to ocena zawartości wilgoci w tabletkach [107], a także określenie postaci polimorficznych substancji aktywnych [108,109].
Wysokosprawna chromatografia cieczowa z odpowiednio dobranym sposobem detekcji jest z kolei szeroko stosowana do oceny jakości ziół o zastosowaniu leczniczym [109], do charakterystyki leków stosowanych w medycynie chińskiej [110], a także do oceny czystości leków [111].
Fluorescencyjne obrazy dzięki własności drugorzędowości, która uwidacznia się podczas konstrukcji modeli kalibracyjnych, są z powodzeniem stosowane do kontroli dynamiki procesu uwalniana i dystrybucji leków w ludzkim organizmie. Oceny takiej dokonuje się w oparciu o próbki płynów ustrojowych, które mają bardzo bogatą matrycę. W serum krwi bada się uwalnianie i metabolity leków przeciwnowotworowych [112], lub przeciwkaszlowych [113], a także zawartość innych substancji biologicznie aktywnych jak popularny antyoksydant resweratrol [114]. W moczu z kolei oznaczano np. zawartość leków stosowanych w leczeniu chorób psychicznych [115], chorób serca [116] czy popularnego leku przeciwzapalnego - paracetamolu [117]. Fluorescencyjne obrazy znalazły również zastosowanie w ocenie ilościowej zawartości testosteronu w kosmetykach [118].
Prowadzone są także badania nad wykorzystaniem nieselektywnych sygnałów w diagnostyce chorób i poszukiwaniach potencjalnych biomarkerów wybranych schorzeń [119 - 121],
Duża liczba publikacji poświęconych użyciu nieselektywnych sygnałów i technik chemometrycznych w kontekście kontroli jakości, świadczy o potrzebie tego typu rozwiązań.
Najczęściej, do opracowywania nowych metodyk analityki procesowej (dział nauki opisujący zagadnienia związane z kontrolą procesów produkcyjnych) wykorzystywane są sygnały instrumentalne uzyskiwane dzięki technikom niedestrukcyjnym, które można zastosować bezpośrednio w analizach typu „on-line” (np. spektroskopie fluorescencyjna, NIR).
Ze względu na stały wzrost wymagań stawianych różnorodnym produktom, jak również na konieczność dokonywania analiz jakości w odniesieniu do badań z różnorodnych dziedzin np. środowiskowych, biologicznych czy kryminalistycznych, chemometryczne opracowanie sygnałów nieselektywnych jest zagadnieniem niezwykle istotnym.