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Maîtriser le pouvoir de la spectroscopie pour la sécurité alimentaire

Avril 2022 | Agence canadienne d’inspection des aliments | par Dr Thomas Teklemariam

L’Agence canadienne d’inspection des aliments (ACIA) cherche toujours des moyens d’améliorer la salubrité des aliments. Les rayonnements électromagnétiques (REM) peuvent fournir une perspective unique sur ce qui se passe dans les aliments et sont extrêmement utiles dans les enquêtes sur la salubrité, la qualité et la fraude potentielle des aliments.

Toutes les ondes lumineuses, même celles qui sont invisibles à l’œil nu, sont collectivement appelées rayonnements électromagnétiques. Le REM est un flux de photons énergétiques qui se déplacent à la vitesse constante de la lumière au rythme d’une onde et son énergie est équivalente à la fréquence de l’onde. Toute l’existence de la vie et de nombreuses technologies que nous utilisons chaque jour reposent sur diverses formes de REM : ondes radio, micro-ondes, rayonnement infrarouge, lumière visible, rayons ultraviolets, rayons X et gamma, afin d’augmenter l’énergie.

Compréhension de la spectroscopie

Lorsque les REM entrent en collision avec la matière, l’énergie est transférée. Les atomes et les molécules du matériau que les REM entrent en collision avec la forme de la nature de l’interaction. La spectroscopie est l’étude des interactions entre les REM et la matière. La façon dont la matière absorbe, émet ou diffuse le rayonnement fournit des renseignements importants sur les propriétés et la composition du matériau. Il existe de nombreuses formes de spectroscopies différentes selon la gamme de fréquences de REM utilisés. Les méthodes basées sur la spectroscopie permettent une analyse rapide, sensible, peu coûteuse et sans gaspillage, avec une préparation qui ne nécessite que peu ou pas d’échantillons. Leur application en tant que méthodes d’analyse « vertes » ou respectueuses de l’environnement a augmenté de façon spectaculaire au cours des dernières années dans les domaines des sciences de la santé, de la physique, de la chimie et d’autres disciplines.

Spectroscopie à l’ACIA

L’Unité de Matières Étrangères de l’Agence canadienne d’inspection des aliments (ACIA) du laboratoire de la région du Grand Toronto (RGT) utilise 2 techniques spectroscopiques pour l’identification des matières inconnues, les enquêtes sur la salubrité des aliments et la recherche sur le développement de méthodes liées à l’authenticité des aliments. Ces techniques sont les suivantes :

  • la spectroscopie infrarouge à transformer de Fourier (FTIR) et de spectroscopie Raman;
  • la spectroscopie par claquage induit par éclair laser (LIBS).

Spectroscopie infrarouge à transformer de Fourier et de spectroscopie Raman

Les molécules peuvent être identifiées par leur interaction avec le rayonnement infrarouge. La spectroscopie infrarouge à transformer de Fourier (FTIR) et de spectroscopie Raman sont des technologies complémentaires fondées respectivement sur l’absorption et la diffusion de la section médiane du rayonnement infrarouge. Parce que l’absorption de la lumière infrarouge à faible énergie génère un mouvement vibrationnel dans les liaisons chimiques des molécules, les deux méthodes sont aussi connues sous le nom de spectroscopie vibrationnelle. Les méthodes permettent aux scientifiques de saisir des empreintes moléculaires à partir de divers matériaux. L’empreinte digitale décrit la structure unique d’une molécule et facilite la comparaison des similitudes et des différences entre elles.

Spectroscopie par claquage induit par éclair laser

Le matériau peut également être identifié par la façon dont il refroidit après avoir été vaporisé. La spectroscopie par claquage induit par éclair laser (LIBS) est un type de spectroscopie d’émission qui analyse le rayonnement plasmatique. La LIBS produit du plasma en vaporisant une portion de la surface de l’échantillon de la taille d’un micromètre à une température extrêmement élevée. Cela mène au développement d’un plasma local de courte durée et à haute température semblable au plasma bouillant à la surface du soleil. Les spectrophotomètres recueillent la lumière libérée par le plasma de refroidissement et créent une empreinte spectrale des atomes et ions dans le plasma. La LIBS est considérée comme l’un des moyens les plus pratiques et efficaces d’obtenir une empreinte atomique rapide de gaz, de liquides et de solides. La LIBS est devenue tellement populaire qu’elle est actuellement l’un des instruments clés à bord du Mars rover, où il étudie activement la composition chimique des roches et des minéraux sur une autre planète.

Protéger notre nourriture avec des empreintes spectroscopiques

L’ACIA cherche toujours des moyens d’assurer la salubrité des aliments. Aussi appelée analyse non ciblée, l’empreinte spectroscopique s’est révélée utile ces dernières années pour de nombreuses applications de salubrité des aliments. Cela comprend l’identification de matériaux inconnus, la confirmation de l’authenticité des aliments (par exemple, que l’huile bon marché n’a pas été mélangée à de l’huile d’olive ou que l’espèce de poisson est ce qui figure sur l’étiquette) et l’analyse de la salubrité et de la qualité des aliments. L’empreinte spectroscopique fournit une méthode rapide de détection des écarts ou anomalies par rapport aux échantillons authentiques. Contrairement aux approches ciblées, qui tentent d’identifier un seul agent à la fois, l’empreinte digitale recherche des modèles inhabituels dans de grandes quantités de données sur le spectre. Pour détecter les différences subtiles dans ce grand volume de données, la méthodologie utilise des outils d’analyse de données multivariées raffinés qui peuvent rapidement identifier des échantillons suspects aux fins d’analyse ciblée. Les récents progrès en science des données et en apprentissage automatique ont grandement amélioré l’utilisation des techniques d’analyse de données multivariées, ainsi que le développement d’outils interactifs et intuitifs pour communiquer des données complexes.

Utilisation du FTIR pour lutter contre la fraude alimentaire dans le secteur des jus de fruits

Les jus de fruits, y compris l’eau de coco, sont souvent la cible de fraudes alimentaires, où des remplissages bon marché sont ajoutés pour maximiser le volume de profit. Dans une étude récente (en anglais seulement), l’ACIA a utilisé l’empreinte chimique FTIR basée sur la spectroscopie pour distinguer l’eau de coco remplacée par des solutions de sucre, conformément aux incidents enregistrés. Les spectres d’empreintes moléculaires ont été obtenus à partir d’échantillons qui avaient été substitués progressivement à six solutions de sucre différentes, dont une qui imitait la teneur en sucre naturel de l’eau de coco. Les données ont été examinées à l’aide d’une méthode appelée analyse en composantes principales (ACP). L’ACP est utilisée pour simplifier la reconnaissance de tendances dans les données complexes en extrayant seulement les propriétés les plus importantes, qui sont ensuite projetées et visualisées comme un simple tracé x-y. L’ACP sépare clairement les données en fonction du type et du niveau de sucres substitués. Cette méthode d’identification des additifs et des substituts pourrait poser un défi aux fraudeurs les plus qualifiés.

Suivre la source de verre dans les aliments avec des empreintes digitales basées sur la LIBS

Dans l’industrie alimentaire, les fragments de verre dans les aliments emballés représentent un risque important pour la salubrité des aliments. Lorsque du verre est trouvé dans les aliments, l’ACIA entreprend une enquête pour identifier le verre et déterminer d’où provient le verre : l’emballage, l’environnement ou d’autres sources possibles. Ces renseignements importants sont nécessaires pour élaborer et appliquer des mesures préventives visant à protéger les consommateurs.

Bien que le dioxyde de silicium fondu soit le matériau de base utilisé pour fabriquer le verre, différents types de verre ont des caractéristiques physiques uniques en fonction de leurs applications spécifiques. L’ACIA a récemment démontré (en anglais seulement) comment l’empreinte élémentaire basée sur la LIBS peut aider les enquêtes sur la salubrité des aliments en distinguant les types de verre selon la composition. Des spectres atomiques à base de la LIBS ont été acquis à partir d’une gamme d’échantillons de verre utilisés à diverses fins, y compris les pots de nourriture, les fenêtres, le verre d’affichage et le verre utilisés dans l’éclairage. Les données ont ensuite été soumises à des techniques d’analyse et de regroupement de données multivariées pour visualiser les différences entre les types de verre.

L’analyse de ces échantillons a montré que le verre utilisé dans l’emballage des aliments et le verre plat comme les fenêtres (aussi connu sous le nom de verres sodocalciques) ont une composition similaire. D’autre part, la LIBS identifie facilement d’autres échantillons de verre qui ont des propriétés uniques : les béchers de laboratoire, les UV, les affichages électroniques et les lampes halogènes. Le verre est fabriqué avec différentes compositions pour répondre aux exigences physiques spécifiques de la façon et de l’endroit où il sera utilisé. Au cours d’une enquête sur la salubrité des aliments liée au verre trouvé dans les aliments, cette spéciation de verre dans l’environnement, assistée par LIBS, peut appuyer les efforts visant à retrouver la source des fragments de verre. Il ne s’agit là que d’un exemple de plusieurs applications potentielles pour la LIBS en matière de salubrité et d’assurance de la qualité des aliments.

Maîtriser le pouvoir de la spectroscopie n’est qu’une des façons dont l’ACIA s’est engagée à protéger les aliments et ses propriétés. Consultez les liens ci-dessous pour obtenir de plus amples renseignements sur la salubrité des aliments et la fraude alimentaire.

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