La nariz electrnica: una nueva herramienta para analizar el aroma

Olga Busto

Qumica Analtica Enolgica y de los Alimentos. Unidad de Enologa del CeRTADepartamento de Qumica Analtica y Qumica Orgnica. Facultad de EnologaUniversidad Rovira i Virgili, Tarragona (Espaa)

Tradicionalmente, el aroma de los alimentos se ha analizado empleando tcnicas de anlisis sensorial y/o tcnicas cromatogrficas con sistemas de deteccin universal como la espectrometra de masas(MS) o la ionizacin de llama (FID). Estas ltimas han sido, adems, las que han permitido cuantificar los componentes individualizados que constituyen la fraccin voltil del alimento. En los ltimos aos, otras tcnicas como la cromatografa de gases con deteccin olfatimtrica (GCO) han complementado los resultados de las tcnicas ms clsicas, puesto que han permitido cuantificar los componentes voltiles pero, adems, identificar aquellos que aportan alguna nota aromtica al alimento en cuestin. Es decir, la GCO podra considerarse un punto intermedio entre el anlisis sensorial y las tcnicas cromatogrficas. No obstante, esta tcnica, como tcnica cromatogrfica que es, adolece de una falta de rapidez analtica que la hace poco til en control de calidad. La nariz electrnica, sin embargo, s posee esta caracterstica, puesto que procesa la fraccin voltil del alimento (y, por lo tanto, el aroma) de forma global, igual que hace la nariz humana, permitiendo clasificar los diferentes alimentos en funcin de su similitud aromtica, aunque no determina la composicin de dicho aroma.La nariz electrnica se define como un instrumento dotado de sensores qumicos y de un programa quimiomtrico de reconocimiento de modelos, que es capaz de reconocer y comparar olores individuales o complejos. Al igual que el sistema olfativo humano, su objetivo es relacionar el aroma que se percibe con una respuesta que, tras ser almacenada en la memoria, servir como modelo en ulteriores anlisis(figura 1).Todos los sistemas de nariz electrnica que existen actualmente en el mercado constan de tres partes bien diferenciadas. La primera de ellas implica la toma de muestra que, en este caso, y dadas las caractersticas de volatilidad de la misma, se fundamentar en la tcnica del espacio de cabeza (headspace) esttico. Los voltiles, concentrados por calentamiento en la fase vapor que est sobre la muestra (lquida o slida) son introducidos en el sistema de sensores que medir las diferentes propiedades fsico-qumicas de los componentes del aroma, convirtiendo el olor en la seal mensurable que un ordenador se encargar de procesar mediante tcnicas quimiomtricas, proporcionando un grfico que representar la huella digital de dicho olor. As pues, toma de muestra, conjunto de sensores y sistema de tratamiento de datos sern las partes esenciales de cualquier tipo de nariz electrnica comercial.La diferencia fundamental entre los sistemas de olfato electrnico reside en la tipologa de los sensores empleados. Los llamados sensores de gases son los ms consolidados. Estos sensores, que funcionan en batera (sistemas multisensor) y estn constituidos por diferentes materiales (xidos metlicos, polmeros conductores, cristales piezoelctricos, etc.), modifican sus propiedades elctricas cuando interaccionan con los compuestos voltiles, proporcionando unahuella olfativade la fraccin voltil que han percibido. Estos sistemas han demostrado ampliamente su utilidad para el anlisis de alimentos, pero no son adecuados para analizar bebidas alcohlicas por la saturacin que conlleva la presencia mayoritaria del etanol en la fraccin voltil.En los ltimos aos, ha aparecido en el mercado un nuevo tipo de nariz electrnica, basado en la espectrometra de masas (HS-MS). Mediante esta tcnica, cuya capacidad analtica ha sido suficientemente probada, se consigue obtener un espectro que equivaldra a un multisensor con tantos sensores como iones formados. Para este tipo de sistema, la presencia de componentes como el etanol no supone un problema, puesto que las interferencias pueden soslayarse prescindiendo de analizar sus iones caractersticos. Otra ventaja sustancial es el hecho de que no sea necesario ningn acondicionamiento del sensor ni de la muestra, con lo que es una tcnica muy competitiva para el control de calidad. Adems, permite obtener informacin adicional de la composicin de la fraccin voltil, ya que los iones contienen informacin directa de las molculas, con lo que puede mejorarse la sensibilidad y la selectividad de la medida.As pues, sea cual sea el tipo de sensor empleado, se tratar de sistemas multisensor, con lo que la respuesta ser una matriz de datos multidimensional(figura 2)que las herramientas quimiomtricas (anlisis de agrupaciones, tcnicas de clasificacin, redes neuronales, anlisis de componentes principales, etc.) se encargarn de transformar en informacin analtica de utilidad(figura 3).AplicacionesSon muchas y muy variadas las aplicaciones que han aparecido de la nariz electrnica en el control de calidad alimentario. Algunas de ellas, desarrolladas por nuestro grupo de investigacin con un sistema de nariz electrnica basado en la tcnica HS-MS, han abierto las puertas al anlisis del aroma de vinos y aguardientes, bebidas que, por su elevado contenido en etanol, tenan vetado el acceso a estas tecnologas.Una de las aplicaciones ha consistido en ver la efectividad del sistema HS-MS como emulador de un panel de catadores expertos que llevan a cabo un test triangular. El objetivo de este ensayo es distinguir, entre tres muestras (dos de ellas iguales), cul es la que es diferente. Para este estudio se han empleado dos vinos, uno procedente de la DO Tarragona y otro de la DOC Priorat. Ambos vinos se han analizado, aleatoriamente, por sextuplicado, con lo que se han procesado un total de 18 muestras, 12 de ellas iguales entre s. El tiempo total de anlisis para cada muestra ha sido de solamente 10 minutos. Como puede apreciarse en el anlisis de agrupaciones, las muestras de Tarragona son muy similares entre s y, lo que es ms importante, son diametralmente diferentes a las del Priorat.En esta misma lnea de investigacin, otros estudios han consistido en diferenciar vinos segn su DO o su variedad. En lafigura 4Apuede apreciarse, empleando en esta ocasin la tcnica de anlisis de componentes principales (PCA), vinos de dos zonas geogrficas colindantes y obtenidos con las mismas variedades (garnacha y cariena). En lafigura 4B, por su parte, puede apreciarse el PCA que diferencia las variedades Merlot y Cabernet sauvignon, independientemente de la zona geogrfica que procedan.Otras aplicaciones cualitativas, realizadas con narices electrnicas basadas en el sistema clsico de sensores, han permitido diferenciar alimentos como el caf (incluso tratndose de mezclas de las mismas variedades) o los aceites de diferentes DO espaolas y con distintas caractersticas nutritivas y organolpticas.Tambin existe la posibilidad de emplear tcnicas de regresin (por ejemplo, PLS) con el fin de correlacionar la respuesta de la nariz electrnica (por ejemplo, espectro de masas), con el valor de una propiedad (por ejemplo, concentracin de una determinada sustancia). As se consigue disponer de un modelo matemtico (una recta en el caso ms simple) que permite determinar, por interpolacin, el valor que tendra esa propiedad para una muestra desconocida. As, por ejemplo, nuestro grupo de investigacin ha podido establecer, con un elevado grado de precisin, una buena correlacin entre los meses de aejamiento de rones cubanos y los correspondientes espectros de masas de la fraccin voltil(figura 5). Esto quiere decir que, si se analizara una muestra de ron problema, podra precisarse, con un error en este caso inferior a 3 meses (para un intervalo total de 40 meses de aejamiento), cul es el tiempo que ese ron ha permanecido en barrica.Todos los estudios descritos hasta aqu podramos calificarlos como estudios cualitativos (o, como mximo semicuantitativos) basados en el procesado de los datos obtenidos a partir del sistema multisensor. sta es la aplicacin ms importante que han tenido hasta este momento los sistemas de olfaccin electrnica. Las aplicaciones cuantitativas, siempre reservadas a los sistemas de anlisis cromatogrfico, no haban sido abordadas hasta que los sistemas HS-MS han irrumpido en el mercado, posiblemente debido a que el inters principal que han tenido los sistemas de nariz electrnica ha sido el emular el sistema olfativo humano el cual, ciertamente, cualifica los aromas, sin cuantificarlos estrictamente.La cuantificacin de componentes aromticos no era, pues, una cuestin primordial, sobre todo porque implicaba un alargamiento excesivo del anlisis. No obstante, el hecho de que los sistemas HS-MS permitan obtener datos de la estructura misma de las molculas, as como su abundancia, permite abordar estudios cuantitativos rpidos, si se trabaja con tcnicas de regresin (PLS) de forma equivalente a la descrita para el estudio de aejamiento de los rones. Abordar el problema de la cuantificacin mediante sistemas de nariz electrnica es necesario si se desea controlar, por ejemplo,defectos aromticos (off flavours) que no deberan estar presentes en las muestras a analizar y que, si lo estn, es a bajos niveles de concentracin. Tal es el caso del llamado sabor a corcho (cork taint), defecto que preocupa al sector enolgico (tanto al productor de vinos como al de tapones de corcho para las botellas), principalmente debido a su bajo umbral de deteccin sensorial.Uno de los responsables del este defecto es el 2,4,6-tricloroanisol (TCA). Cuando se trabaja con el espectrmetro de masas, puede correlacionarse la respuesta obtenida (abundancia de iones formados) con la concentracin del componente o los componentes que ha generado el ion.En lafigura 6se representa la concentracin de TCA predicha por el modelo de regresin PLSvsla concentracin real de TCA adicionada. Como puede apreciarse, hay una buena correlacin. El mtodo obtenido, que se valid interna y externamente mediante un conjunto de vinos adicionados con TCA diferentes a los utilizados en el estudio, puede ser til como mtodo de cribado de las muestras que contengan TCA y, debido a su rapidez y sencillez instrumental, puede ser de gran utilidad en control de calidad. nicamente adolece de falta de sensibilidad (el LOD es de 100 ng/L), aspecto en el que se est trabajando actualmente en nuestro laboratorio.ConclusinLa nariz electrnica es un instrumento que permite, en pocos minutos, comparar y clasificar los aromas de los productos alimentarios, por lo que resulta un excelente complemento para el anlisis sensorial. Los estudios realizados hasta el momento muestran su aplicabilidad en el campo del control de calidad, incluso si se analizan bebidas alcohlicas, si se trabaja con un sistema HS-MS. Particularmente, se ha demostrado su utilidad en el control de variedades y mezclas, de su origen geogrfico, de los vinos amparados en una DO y de los posibles defectos, como el producido por los tapones de corcho.Bibliografa generalAznar M.; Lpez R.; Cacho J.F.; Ferreira V.: Identification and quantification of impact odorants of aged red wines from Rioja. GC-olfactometry, quantitative GC-MS and odor evaluation of HPLC fractions,J Agric Food Chem2001; 49: 2924-2929.Dittmann B.; Nitz S.: Strategies for the development of reliable QA/QC methods when working with mass spectrometry-based chemosensory systems,Sensors and Actuators B2000; 69: 253-257.Dittmann B.; Nitz S.; Horner G.: A new chemical sensor on a mass spectrometric basis,Adv Food Sci1998; 20 (3-4): 115-121.Gardner J.W.; Bartlett P.N.: A brief history of electronic noses,Sensors and Actuators B1996; 18-19: 211-220.M. 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Figura 1Nariz humanaversusnariz electrnica

Figura 2Tipo de respuestas obtenidas con olfatos artificiales: a) sensores de gases, b) espectrometra de masas

Figura 3Anlisis de agrupaciones de vinos de las DOC Priorat [1] y DO Tarragona [2]

Figura 4a) PCA que diferencia los vinos procedentes de la DOC Priorat de los de la DO Terra Alta. b) PCA que diferencia las variedades merlot y cabernet sauvignon de diferentes zonas geogrficas

Figura 5PLS del estudio de la crianza de rones cubanos

Figura 6PLS que correlaciona el valor predicho con el valor real de la concentracin de TCA condiciones, en el ao 2001

CIENCIA Y TECNOLOGAOTROS ARTCULOS CIENTFICOS

Nariz electrnica. Aplicaciones enolgicas

Josep Guasch, Olga Busto y Montserrat Mestresqaea@urv.catGrupo de Qumica Analtica Enolgica y de los AlimentosDepartamento de Qumica Analtica y Qumica OrgnicaUniversitat Rovira i Virgili, Campus Sescelades, Tarragonahttp://www.quimica.urv.cat

El aroma del vino se analiza tradicionalmente mediante mtodos sensoriales o por cromatografa de gases. Ambas metodologas analticas son lentas y caras, por lo que el inters por mtodos rpidos se ha incrementado en los ltimos tiempos. Entre otros, la nariz electrnica(e-nose)destaca por su alta sensibilidad, rapidez, bajo coste y una mnima, o ninguna, preparacin de la muestra.1Las primeras narices electrnicas aparecieron en el mercado en la dcada de los noventa y hasta el momento presente han tenido una amplia aplicacin en el anlisis y caracterizacin de alimentos.2-7En este artculo se revisan las aplicaciones de la nariz electrnica en el sector vitivincola, pero para ello es necesario conocer como funciona una nariz electrnica. Adems se debe tener presente que en anlisis de alimentos la tendencia actual es el desarrollo de mtodos simples y rpidos, ya que ello facilita el anlisis del gran nmero de muestras que son necesarias para la correcta caracterizacin un tipo de vino, una variedad o un proceso tecnolgico.

El instrumentoLa nariz electrnica es un instrumento, dotado de sensores qumicos y de un programa quimiomtrico de reconocimiento de modelos, capaz de reconocer y comparar olores individuales o complejos de las sustancias.8Est diseada para detectar compuestos voltiles y consta de un sistema de muestreo, un sistema de deteccin (sensores) y un sistema de procesamiento de datos (fig. 1).

Figura 1. Esquema de una nariz electrnica.

Sistema de muestreo: El muestreo es una etapa crtica y cuya importancia es a veces ignorada. Se utiliza para llevar una muestra representativa de los compuestos voltiles al sistema de deteccin. Se han utilizado diferentes tcnicas,2pero normalmente se utiliza la tcnica del espacio de cabeza (HS), ya que es rpido y automatizable. La muestra (vino), se coloca en un vial hermticamente cerrado, se deja que se alcance el equilibrio entre la fase lquida (vino) y la gaseosa (compuestos voltiles del vino) y una fraccin de esta fase voltil se inyecta automticamente en el sistema de deteccin. Sistema de deteccin: Hay dos tipos de instrumentos. La nariz electrnica clsica utiliza un conjunto de sensores de gases.2Estos sensores, normalmente entre 8 y 32, interaccionan de forma no especfica con los compuestos voltiles. Se utilizan diferentes tipos de sensores5que responden de forma no especfica a diferentes propiedades de las molculas (polaridad, estructura, propiedades redox, tamao, conductividad, etc.). El conjunto de las respuestas de todos sensores es el perfil (fingerprint) caracterstico de la de la muestra (vino) analizada.Modernamente se han desarrollado una nariz electrnica basada en la espectrometra de masas (MS) como sistema de deteccin.4,6En sta la fraccin voltil del HS se inyecta en la cmara de ionizacin del MS donde todas las molculas de los compuestos voltiles del aroma son ionizadas y fragmentadas y sus fragmentos son caracterizados por su relacin masa/carga. En este caso el perfil caracterstico de cada muestra obtenido es el espectro de masas global de la misma. Sistema de procesamiento de datos: En la nariz electrnica para cada muestra se obtiene un perfil caracterstico que est constituido por una serie ms o menos larga de datos, que corresponden a las respuestas de los diferentes sensores de gases utilizados o a las abundancias de los diferentes fragmentos obtenidos en el MS. As, cada muestra est definida en un espacio dencoordenadas (variables) y para poder extraer la informacin se utilizan tcnicas quimiomtricas. Se utilizan tcnicas de reconocimiento de modelos, que permiten buscar similitudes/diferencias entre las muestras y con las muestras similares se que pueden establecer patrones de clasificacin, todo ello sin necesidad de identificar ni cuantificar ninguno de sus compuestos individuales.

Proceso analticoLa gran utilidad de la nariz electrnica es que es la nica tcnica capaz de valorar, de forma muy rpida, propiedades de las muestras que dependan de la fraccin voltil, como, por ejemplo, la variedad de una vinfera o un defecto aromtico.De acuerdo con la figura 1, el proceso analtico se inicia con muestras representativas de la propiedad que queramos estudiar. Se colocan las muestras en viales, se puede adicionar NaCl para favorecer la volatilidad de los compuestos del aroma y se cierran hermticamente. Se dejan equilibrar y se inyectan automticamente en el sistema de deteccin donde se obtiene el perfil caracterstico de cada una de las muestras. Con todas las muestras (Mm) se obtiene una matriz de datos (fig. 2) formada por las respuestas (Xij) de todos sensores (Sn), ya sean las respuestas elctricas de los sensores de gases o la abundancia de los fragmentos del espectro de masas. En esta matriz cada muestra (vino) est definida por una fila de datos.La matriz de datos obtenida (Xij) contiene informacin de todas las molculas de los compuestos voltiles de las muestras, que pueden tener propiedades diferentes (Pm). En el caso de los vinos pueden ser la variedad, el origen geogrfico, la denominacin de origen, la vinificacin, la crianza, un defecto aromtico, etc.) y estas informaciones son las que una nariz electrnica nos permite valorar con una gran rapidez.

Figura 2. Matriz de datos (Xij).

Para poder extraer la informacin contenida en la matriz de datos se aplican tcnicas de reconocimiento de modelos (pattern recognition), cuyos programas informticos ya estn instalados en las narices electrnicas. Estas tcnicas permiten la bsqueda de agrupaciones (PCA, HCA, etc.) en las muestras y la deteccin de muestras discrepantes (outliers). Si existen agrupaciones de muestras con una propiedad comn se utilizan tcnicas para la definicin de modelos de reconocimiento (SIMCA, KNN, etc.) y con ellos se pueden permitir clasificar muestras desconocidas. Cuando la propiedad es numrica se pueden predecir el valor de la misma empleando mtodos de regresin (PLS, PCR, etc.). Actualmente tambin se utilizan las redes neuronales (ANN).Para la construccin de modelos de reconocimiento es necesario disponer de una gran cantidad de muestras representativas. Con una parte de las muestras se construye el modelo y con las restantes se verifica su validez. La gran utilidad de la nariz electrnica es su rapidez, ya que el perfil de una muestra se puede obtener en unos 2-5 minutos. Por ello es factible procesar grandes cantidades de muestras y construir modelos de reconocimiento que sean representativos, robustos y fiables.

Aplicaciones enolgicas de la nariz electrnicaLa nariz electrnica ha dado lugar a numerosas aplicaciones con un gran inters enolgico.9-11Las que se presentan en la tabla 1 son una muestra de las aparecidas en los ltimos aos.Tabla 1: Aplicacin de las narices electrnicas en enologa en los ltimos aosAoEstudios realizadosMuestrasSistemadedeteccinRefbiblio.

2001Diferenciacin de 3 DO3S12

Diferenciacin de 2 vinos tintos con diferente crianza2S12

2003Deteccin del TCA18MS13

2004Diferenciacin de 3 variedades209MS14

Diferenciacin de 2 DO25MS14

Diferenciacin de 4 tiemposde crianza131MS14

Diferenciacin 3 tipos de vinos9S15

Detectar adulteracin de vinos8S16

Valoracin de descriptores sensoriales36S17

2005Clasificacin de 2 variedades150MS18

Reconocimiento de descriptores sensoriales (5)-S19

2006Diferenciacin de variedades, aadasy vinificaciones5S20

Clasificacin de vinos con diferente vinificacin4S21

Reconocimiento de descriptores sensoriales (4)60MS22

Diferenciacin de vinos tintos de crianza4S23

Reconocimiento de descriptores sensoriales (16)2S24

2007Deteccin de defectos (Brettanomyces)213MS25

Prediccin de descriptores sensoriales (3)15S26

Reconocimiento de descriptores sensoriales (15)28S27

2008Clasificacin de vinos de 3 variedades41MS28

Diferenciacin de tiempos de crianza17S29

Reconocimiento de descriptores sensoriales (6)60MS30

Deteccin de defectos (Brettanomyces)46S, MS31

2009Evaluacin de descriptores sensoriales (9)-S32

Clasificacin de sauvignon blancpor regiones34S, MS33

2010Clasificacin de 2 DO59HS34

Evaluacin de umbrales de percepcin sensorial-S35

Clasificacin de tempranillosde 2 regiones diferentes60MS36

S: sensor de gases; MS: espectrometra de masas.Como sistema de muestreo el que ms se utiliza es el espacio de cabeza (HS). En algunos casos para obtener una mayor sensibilidad se han utilizado la microextraccin en fase slida (SPME) para la preconcentracin de los compuestos del aroma, aunque aumenta significativamente el tiempo de anlisis.Como sistema de deteccin se utilizan tanto los sensores de gases como la espectrometra de masas. En la aplicacin de los sensores de gases pueden aparecer problemas por la presencia mayoritaria del etanol en el aroma del vino, lo que da lugar a la saturacin de los sensores y la correspondiente perdida de la calidad de la respuesta. Por ello se han propuesto sistemas para eliminar el etanol pero implican un tratamiento de muestra que ralentiza los anlisis. La espectrometra de masas no tiene estos problemas ya que se puede programar la deteccin de forma que nicamente seleccione los fragmentos mayores de 46 unidades de masa, con lo que se, elimina la interferencia del etanol (PM 46). La nariz electrnica basada en la MS es mucho ms rpida y por ello su mayor utilizacin en los ltimos tiempos.Uno de las principales aplicaciones de la nariz electrnica consiste en la diferenciacin y clasificacin de vinos, ya sea por zonas vitcolas,12,14,33,34,36por variedades14,18,20,28y por aadas.20A ttulo de ejemplo cabe destacar el estudio efectuado para la diferenciacin geogrfica de la variedad tempranillo,36no tanto por el resultado obtenido, como por el trabajo descrito, que permite entender la operatividad y utilidad de una nariz electrnica.Todas estas aplicaciones tienen un gran inters para poder controlar y garantizar la autenticidad de los vinos. En estos casos la fiabilidad de los resultados obtenidos depende fundamentalmente de la representatividad de los vinos seleccionados para el estudio, por lo que es necesario disponer de un gran nmero de muestras. Los estudios efectuados con un nmero reducido de vinos tienen nicamente un inters cientfico-acadmico, pero ninguna utilidad prctica. Otra aplicacin interesante es la comparacin y clasificacin de vinos obtenidos con diferentes sistemas de vinificacin15,20,21y de crianza.12,14,23,29El control de la crianza es un gran reto ya que permitira el control de los tipos de vinos de crianza y garantizar la duracin de la crianza. Como antes la cantidad y representatividad de las muestras es fundamental y los consejos reguladores de las DO pueden ser los principales interesados en estos estudios para garantizar la autenticidad de los vinos.La deteccin de defectos aromticos es un tema de gran inters para las bodegas elaboradoras. La nariz electrnica ha mostrado su potencial en la deteccin del TCA12y en la deteccin del defectoromtico causado por lasBrettanomyces.25,31Se ha creado modelos que permiten la clasificacin de los vinos segn su contenido en 4EP (alto, medio bajo) y se han construido modelos de prediccin (r2> 0,97) que permiten estimar con gran rapidez el contenido en 4EP y 4EG con un error medio de 73 y 8 g/L, respectivamente.31Una evidente aplicacin de la nariz electrnica ha sido en el anlisis sensorial del vino. Hay diferentes estudios sobre su capacidad para el reconocimiento y prediccin de descriptores aromticos.17,19,22,23,26,27,30,32En unos casos se utilizan vinos a los que se le adicionan cantidades diferentes de compuestos qumicos responsables de los descriptores aromticos caractersticos. La nariz electrnica permite diferenciar con xito estos vinos.32Es mucho ms interesante la utilizacin de la nariz electrnica para la prediccin de las caractersticas aromticas de los vinos.30As una nariz electrnica se ha calibrado con las valoraciones de un panel de cata obtenindose buenos coeficientes de correlacin (R=0,8-0,90) para de 4 descriptores aromticos. Adems, se ha constatado que las narices electrnicas pueden llegar a lmites de deteccin sensorial 10 veces menores que un panel humano.35Las narices electrnicas pueden utilizarse conjuntamente con lenguas electrnicas,37con lo que se pueden caracterizar al mismo tiempo propiedades olfativas y gustativas del vino.25,33,36Junto con la caracterizacin espectrofotomtrica del color, se puede tener una herramienta que se podra denominar un catador electrnico.

ConclusinLas narices electrnicas son una herramienta de un gran inters ya que permite caracterizar propiedades de los vinos de gran inters enolgico y de muy difcil evaluacin con otras tcnicas analticas. Estas propiedades, como el origen geogrfico, la variedad de vinfera, la aada, el tiempo de crianza, etc., son de un gran inters para garantizar la autenticidad de los vinos.Adems la nariz electrnica puede ser calibrada para que imite a un panel de cata, con lo que se puede utilizar como complemento del mismo para un rpido barrido previo de las muestras. La utilidad de la nariz electrnica depender siempre de la cantidad y representatividad de los vinos utilizados en su calibracin. En su utilidad en el anlisis sensorial de los vinos la calidad de los datos aportados por los catadores es fundamental, por lo que stos deben estar adecuadamente entrenados y estadsticamente validados.2.2. Estudio del sentido del olfato. La nariz.Un sistema artificial que imite la nariz tendra por tanto esta estructura. Existen dos elementos importantes, el medio fsico o hardware y el tratamiento posterior de la informacin o parte cognitiva, el estudio de este ltimo aspecto corresponde a los sistemas de informacin, por lo que no se estudiar aqu. Por otro lado la parte principal de entrada al sistema debe proceder del mundo exterior y debeconvertirse en sealescapaces de contener la informacin ha procesar. La utilizacinactualmente de sistemas digitales electrnicos para el tratamiento de la informacin, hace necesario convertir la seal de entrada en una seal elctrica objeto de un procesamiento posterior para poder ser tratada como datos.El elemento ms importante para la recepcinde seales lo constituye el captador o sensorde entrada queconvierte las seales olfativas en seales elctricas. Las principalescaractersticas del olor pueden determinarse principalmente por la composicin qumica de las sustancias y su difusinen el aire. Si bien lo ms importante es el estudio del aroma, tambin son importantes consideraciones tales como temperatura, presin, ph, humedad, etc.Antes de estudiarlas caractersticas de este tipo de sensores, queconstituyen unamatriz de entrada a un sistema cognitivo que permite discriminar y detectar compuestos y parmetros desustancias olorosas, se expone un estudio del sentido del olfato y de laNariz Electrnica (NE).2.3. La nariz electrnicaLa tecnologa de narices electrnicas todava es incipiente, las matrices de sensores unidas a las tcnicas de reconocimiento de patrones junto con la inteligencia artificial permiten avanzar en la mejora de esas narices. Las as llamadas narices artificiales que detectan e identifican olores y vapores suponen costes en EE.UU. de 20.000 hasta 100.000 dlares en Europa y bsicamente se usan en laboratorio.Los primeros trabajos en el desarrollo de esta instrumentacin data de los trabajos de Montcrief de 1964, que fue una nariz mecnica, las primeras narices electrnicas, son de Wilkens y Hatman en 1964 (reacciones redox de olorantes-electrodo). Realmente los avances arrancan cuando los investigadores ingleses de la Universidad de Warwick desarrollan matrices para detectarolores, primero con narices de xidos metlicos y despus de polmeros. La manifestacin ms importante se produce en 1989 en el meeting de la OTAN relativo a olfato artificial. En 1990 tiene lugar una Conferencia en Islandia propiciada por OTAN que motiva una aceleracin en el desarrollo delas llamadas narices electrnicas (NE).Es importante definir qu es lo que conocemos como una NE:Un instrumento que contiene una matriz de sensores qumicos de parcial especificidad y un apropiado sistema de identificacin de patrones capaz de identificar olores simples o compuestos.2.4. Imitando la nariz humanaEn los seres humanos el hardware del olfato reside en, aproximadamente, diez millones de clulas sensoriales, cada una de las cuales est equipada con alrededor de mil tipos diferentes de receptores qumicos. Para conseguir imitar el sentido humano, se han identificado una serie de etapas que caracterizan el olfato humano, que comienza con la aspiracin que toma muestras de aire que contienen molculas portadorasde olor las cuales atraviesan las estructuras seas curvadas llamadasturbinasque crean flujos gaseosos turbulentos que transportan las mezclas de voltiles hacia las membranas de mucosas olfatorias que recubren el rea olfativa (epitelio), situado debajo del bulbo olfativo.

Primero hay una capa delgada en la cual estn colocados unos pelos ciliosde las clulas olfativas. Los receptores G que enlazan las protenas, estn situados en la superficie de los cilios y actan como receptores quimiosensores. Se supone que hay un nmero reducido de protenas detectoras (unas 100), de forma que los receptores tienen sensibilidadessuperpuestas.Existen aproximadamente 100 millones de clulas olfativas (50 millones en la nariz) que se supone que amplifican la seal y generan mensajes secundarios, que a su vez controlan los canales de iones generando seales que circulan por los axones desde los nervios olfativos hasta los aproximadamente 5000 glomrulos del bulbo olfativo.Estas seales se procesan despus por las 100.000 clulas mitrales y ms tarde se envan por la capa de clulas granulares al cerebro. A lo largo de estos ltimos aos se ha ido conociendo mejor estos mecanismos, aunque todava quedan detalles por comprender , as la calidad del sistema humano es considerable, se supone que los umbrales estn por los ppm (parte por milln ) con una vida media de unos 22 das, a partir del cual se saturan.El subsiguiente procesado neural intensifica lasensibilidaden al menos tres rdenes de magnitud, corrige derivas y permite la discriminacin de hasta al menos varios cientos de olores.Las molculas olorosas, son hidrofbicas y polares con masas de 300Da. As, un olor simple es una molcula.De hecho los olores naturales son mezclas de especies qumicas que tienen miles de constituyentes, a veces mnimas diferencias de contenidos suponen olores tpicos de un producto.Los seres humanos pueden percibir un amplio espectro de olores, por ejemplo un beb de pocos das puede reconocer a su madre por el olor, as como el perro puede reconocer el olor de su amo.La nariz humana es el instrumento por excelencia del olfato o aroma de los productos (perfumes, cosmticos, jabones, etc.) alimentos carnes pescados, quesos, bebidas (vinos, licores, cervezas). Su cuantificacin supone un proceso costoso, puesto que los paneles de expertos (catadores) requiere que trabajen en tiempos cortos.Hay sustancias, o compuestos como el monxido de carbono, que la nariz humana no detecta, y s lo puede hacer una electrnica. Por otro lado, hay matices que un catador de vinos entrenado puede distinguir, y los dispositivos electrnicos todava no han logrado diferenciar.Actualmente existen sensores que detectan, por ejemplo, una prdida de gas. Se trata de un material que reacciona frente a determinado compuesto. Sin embargo, para conocer el estado de descomposicin de un pescado, o la diferencia sutil entre un vino y otro, son necesarios varios sensores que respondan de manera diferente a la concentracin en el aire de diversos compuestos qumicos voltiles.La clave de una nariz electrnica es la presencia de varios sensores, de diferentes materiales, que reaccionan de manera distinta frente a las molculas emitidas por el producto que queremos detectar. Cada sensor, de un material orgnico o inorgnico (un xido, un polmero conductor o un material semiconductor) cambia alguna de sus propiedades fsicas cuando las molculas de un gas se depositan sobre l. Hay un intercambio de electrones entre el sensor y el gas, lo que produce, por ejemplo, una modificacin en la conductividad elctrica, la cual es registrada por un equipo electrnico como una seal de determinadas caractersticas. El ejemplo mostrado en la figura corresponde a unesquema decribador de molculas por un sistema de pelcula delgada con cristal de cuarzo. Las seales producidas por los distintos sensores son analizadas por un procesador de datos. Asimismo, la computadora posee una memoria donde se encuentra registrada la respuesta de los distintos sensores a una gama determinada de compuestos qumicos.La nariz electrnica tal vez se halle todava lejos de imitar el olfato de un perro o de alcanzar la sensibilidad de un experimentado catador de vinos. No obstante, los nuevos dispositivos se convertirn en herramientas indispensables para controlar, con precisin y ms all de las subjetividades humanas, la calidad de bebidas, alimentos y otros productos, como los perfumes.2.5. Constitucin o estructura de la Nariz Electrnica.La nariz electrnica consta bsicamente de tres mdulos: el sistema de recogida de muestras, el sistema de deteccin y el tratamiento estadstico de los datos. Recogida de muestras:Es similar a otras tcnicas cromatogrficas, pero los compuestos no se separan antes de llegar al detector mediante una columna cromatogrfica, sino que son detectados conjuntamente.

Sistema de deteccin:El ms adecuado ser capaz de detectar la gama ms amplia de familias qumicas. Se utilizan dos:los sensores de gases y la espectrometra de masas.Los primeros se basan en la facultad de modificar sus propiedades elctricas cuando los compuestos del aroma interaccionan en su superficie. Presentan buena selectividad ysensibilidad: tienen respuesta distinta frente a diferentes compuestos y pueden detectar diferencias del orden de mcg/L; pueden ser xidos metlicos, polmeros conductores o sistemas de radiofrecuencia. Los principales problemas son la inestabilidad frente a pequeas variaciones de temperatura y humedad del gas portador, y el envenenamiento cuando hay presencia de algn componente mayoritario, como el etanol en el caso del vino. Los espectrmetros de masas obtienen el espectro correspondiente a los fragmentos de todo el conjunto de compuestos voltiles de la muestra.La deteccin es ms selectiva que en los sensores de gases y evita las interferencias debidas al agua y al etanol. Los inconvenientes respecto a los sensores qumicos son una menorsensibilidady una menor robustez, hecho que convierte en frecuentes las recalibraciones. Tratamiento de datos:El mtodo de anlisis de datos ms utilizado se basa en la variancia estadstica de los datos y determina los factores de discriminacin de las muestras, pero no clasifica las muestras en grupos. Dentro de los mtodos de clasificacin, los ms utilizados son el modelado suave independiente de las analogas de clase o SIMCA (desoft independent modelling of class analogy), que nos indica si la muestra analizada corresponde o no a un grupo de muestras de referencia, y el anlisis factorial discriminativo o DFA (dediscriminant factorial analysis), que indica a qu grupo corresponde la muestra.Tambin se utilizan las tcnicas basadas en Redes Neuronales Artificiales ( con mtodos PARC o entrenamientos supervisados, estos ltimos soportan datos no lineales, as como derivas o ruido hasta del 10%, y reducen el error de las previsiones quimiomtricas, adems de esta atraccin, estos sistemas se asemejan a los naturales). Otrosmtodos son los de Lgica Difusa.

Principio de accin de la nariz electrnica frente a la nariz orgnicaTrabajos de InvestigacinEvaluacin de la calidad de productos lcteos por medio de la nariz electrnicaLuis-Felipe GutirrezInstituto de Ciencia y Tecnologa de Alimentos (ICTA),Universidad Nacional de Colombia sede Bogot. Bogot D.C., Colombia

RESUMENLa nariz electrnica, instrumento que utiliza un conjunto de sensores y un sistema de reconocimiento de patrones para el anlisis cualitativo de aromas, ha encontrado numerosas aplicaciones en la industria alimentaria, gracias a su versatilidad. En este trabajo una breve descripcin de la nariz electrnica, de su modo de operacin y de sus ventajas y desventajas, ha sido realizada. Adems, las principales aplicaciones de este instrumento en la industria de alimentos, con un nfasis especial en la industria lctea, han sido revisadas. Estas aplicaciones incluyen la deteccin de microorganismos en la leche, la identificacin de aromas indeseados en la leche, la estimacin del tiempo de vida til de la leche y de varios tipos de quesos, la identificacin de leche masttica, la clasificacin de quesos en funcin del tiempo de maduracin, la diferenciacin de quesos por origen geogrfico y el control de la fermentacin de la leche, entre otros. Los resultados de esta revisin indican que la nariz electrnica podra ser utilizada como un instrumento para un rpido control de calidad de los productos lcteos.

Palabras clave:Nariz electrnica, productos lcteos, aroma, leche, queso, control de calidad.

Assessment of dairy products quality by means of electronic noseSUMMARYThe electronic nose, instrument that uses a group of sensors and a system of pattern recognition for the qualitative analysis of aroma, has found many applications in the food industry, because of its versatility. In this work a brief description of the electronic nose, its operation mode and its advantages and disadvantages were carried out. Moreover, the main applications of this instrument in the food industry, with special emphasis on the dairy industry, have been reviewed. These applications include the detection of microorganisms in milk, the identification of off-flavours in milk, the shelf life of milk and various types of cheeses, the identification of mastitic milk, the classification of cheeses according to their time of ripening, the discrimination of cheeses by geographic origin and the control of the milk fermentation, among other. The results of this review indicate that electronic nose could be used as an instrument for the rapid quality control of dairy products.

Key words:Electronic nose, dairy products, aroma, milk, cheese, quality control.Recibido: 15/03/2011Aceptado: 06/05/2011INTRODUCCINEl control de calidad de los alimentos es un campo que ha presentado muchos avances en los ltimos aos gracias al desarrollo de nuevas tcnicas instrumentales, que permiten identificar y cuantificar prcticamente todos los componentes de los alimentos, as como evaluar sus interacciones y/o modificaciones durante los procesos de manufactura, transformacin, transporte y almacenamiento.

Tradicionalmente, el control de calidad de los alimentos es realizado por medio de la evaluacin de propiedades fisicoqumicas, microbiolgicas y sensoriales, y segn los objetivos planteados, los mtodos y los equipos a utilizar pueden ser relativamente simples (p. ej. en el caso de un anlisis proximal) o ms o menos complejos (p. ej. en el caso de los anlisis de molculas individuales).

El aroma es un excelente indicador para evaluar la calidad de los alimentos, porque: (i) cada alimento posee un aroma caracterstico indicador de su frescura; (ii) es un atributo muy importante para la aceptacin del producto por parte de los consumidores y (iii) el aroma puede sufrir modificaciones debido a las reacciones qumicas y/o bioqumicas que tienen lugar a lo largo del proceso de produccin, y tambin durante el transporte y tiempo de almacenamiento.

Las tcnicas instrumentales empleadas comnmente para evaluar el aroma de los alimentos incluyen la cromatografa en fase gaseosa (GC), la cromatografa en fase gaseosa acoplada a la espectrometra de masas (GC-MS) y la cromatografa en fase gaseosa acoplada a la olfactometra. Aunque estas tcnicas se caracterizan por su gran precisin y fiabilidad, sus principales desventajas incluyen el uso largas y complejas rutinas de anlisis, la exigencia de reactivos y solventes de alta pureza, la generacin de residuos qumicos contaminantes y la necesidad de personal especializado. En consecuencia, los costos de operacin y mantenimiento de estas tecnologas resultan excesivamente elevados para un control de calidad de rutina. De otra parte, los sistemas continuos para la evaluaci sensorial del aroma de los alimentos son muy difciles de aplicar, debido a que adems de sus altos costos y de la exigencia de personal bien entrenado, los panelistas deben trabajar solamente durante cortos perodos de tiempo, con el fin de evitar errores individuales debido a las variaciones de sensibilidad que pueden presentarse.

La nariz electrnica ha sido objeto de varios estudios de investigacin relacionados con el control de la calidad de los alimentos, puesto que es un instrumento que imita el sistema olfativo humano, utilizando una matriz de sensores qumicos y un sistema avanzado de reconocimiento de patrones, que le permiten evaluar aromas simples o complejos (1).

Este trabajo trata sobre una breve descripcin de la nariz electrnica, su modo de operacin, sus ventajas e inconvenientes, as como sobre sus aplicaciones en la industria alimentaria, con un nfasis especial en la industria lctea.

NARIZ ELECTRNICA: CONCEPTO, MODO DE OPERACIN Y ESTRUCTURALa nariz electrnica puede definirse simplemente como un instrumento que imita el sentido del olfato utilizando una matriz de sensores electroqumicos de especificidad parcial, y un sistema de reconocimiento de datos (2). Este instrumento est diseado para detectar y discriminar olores de muestras simples y complejas, despus de un perodo adecuado de entrenamiento (1). De manera general, puede decirse que la principal diferencia entre los anlisis realizados con la nariz electrnica y los efectuados con los instrumentos tradicionales utilizados para la evaluacin del aroma, es que estos ltimos permiten identificar y cuantificar los componentes voltiles por separado, mientras que la nariz electrnica analiza las muestras de manera global, sin identificar sus componentes individuales, a menos que se encuentre acoplada a un instrumento tradicional como un espectrmetro de masas.

Aunque los primeros trabajos de desarrollo de los sistemas de olfato electrnico datan de los aos 60, el concepto de la nariz electrnica como un sistema inteligente para la clasificacin de olores no apareci sino 20 aos despus (1), y fue slo hasta comienzos de la dcada de los 90, que los primeros sistemas comerciales de olfato electrnico aparecieron en el mercado (3). En la actualidad, varias compaas fabrican narices electrnicas comerciales para una amplia gama de aplicaciones en las reas del medio ambiente, la salud y la alimentacin, entre otros (4).

El modo de operacin de la nariz electrnica puede ser comparado de manera general con el del sistema olfativo humano, tal como se muestra en lafigura 1. Grosso modo, cuando el aire conteniendo molculas odorantes llega a la nariz humana, stas se introducen en la cavidad nasal y son transportadas por protenas o directamente por difusin hacia el mucus, en donde pueden unirse a las clulas receptoras olfativas, las cuales envan seales elctricas que son preclasificadas por el glomrulo en el bulbo olfativo. Posteriormente, las terminales nerviosas de los receptores excitan las clulas mitrales, que envan seales hacia el cerebro, las cuales sern identificadas y reconocidas como un olor caracterstico (5). En el caso de la nariz electrnica, los compuestos orgnicos voltiles presentes en la muestra primero se estabilizan en un espacio de cabeza, antes de ser aspirados por una bomba y conducidos a una cmara que contiene una matriz de sensores electroqumicos, los cuales producen un seal elctrica proporcional a la concentracin de los componentes aromticos presentes en el espacio de cabeza, generando un perfil de aroma caracterstico de la muestra, o en otras palabras, su huella aromtica (smellprint). Este perfil es analizado con tcnicas avanzadas de reconocimiento de patrones, capaces de clasificar el aroma como lo hace el sistema olfativo humano, sin identificar todos los componentes de la muestra (6). Despus del anlisis, los sensores son sometidos a una operacin de limpieza, utilizando una corriente de un gas de referencia inerte, como el helio, el nitrgeno, o aire limpio filtrado a travs de un filtro de carbn activado.FIGURA 1Esquema comparativo entre el sistema olfativo humano y el sistema de olfato electrnico.Sistema olfativo humano

Estructura de la nariz electrnicaA pesar de que las narices electrnicas tienen diversos elementos tales como un sofisticado hardware, sensores, circuitos electrnicos, bombas, controladores de flujo y ventiladores (7); para describir globalmente la estructura de estos instrumentos, puede decirse que las narices electrnicas estn compuestas principalmente por tres elementos (2): el sistema de muestreo, el sistema de deteccin y el sistema de procesamiento de datos.

El sistema de muestreoLa preparacin y la manipulacin de las muestras constituyen etapas crticas en los anlisis de nariz electrnica. Por esta razn deben ser ejecutados con suficiente rigor, con el fin de obtener resultados confiables y reproducibles. Factores como la cantidad, la temperatura, el pH, y el acondicionamiento de la muestra, as como el tiempo necesario para estabilizar el espacio de cabeza, el flujo y la duracin de la succin, son normalmente considerados y evaluados antes de la realizacin de medidas definitivas (4, 8). Sin embargo, debido a que las muestras pueden ser de naturaleza muy diferente (slidas, lquidas o gaseosas), resulta muy difcil proponer una metodologa completa que indique con precisin todos los parmetros a estudiar y el tipo de muestreo ms apropiado.

Adems del pretratamiento y de las caractersticas de la muestra, las tcnicas de muestreo tambin pueden jugar un papel muy importante en la calidad de los resultados. Los principales mtodos de muestreo descritos en la literatura para conducir los componentes voltiles de las muestras hacia la matriz de sensores son el espacio de cabeza esttico (static head space), el espacio de cabeza dinmico (dynamic head space) y el mtodo de purga y trampa (purge and trap) (2, 8).

Espacio de cabeza esttico (SHS):Cuando se utiliza esta tcnica, la muestra se coloca en un recipiente hermticamente cerrado, y el muestreo del espacio de cabeza se realiza despus haber alcanzado el equilibrio entre la matriz del alimento y la fase gaseosa. Esta tcnica es quizs la ms utilizada debido a su simplicidad, ya que el muestreo se puede hacer manual o automticamente. Por el contrario, su principal desventaja es la baja sensibilidad, debido a que los componentes voltiles no son sometidos a una etapa de concentracin.

Espacio de cabeza dinmico (DHS)y mtodo de purga y trampa (P&T): En estas tcnicas, los componentes voltiles de la muestra son purgados con una corriente de gas inerte y concentrados en un material adsorbente. Las molculas adsorbidas son desorbidas por calentamiento, y posteriormente conducidas hacia la matriz de sensores. Estas tcnicas se utilizan para aumentar la sensibilidad, ya que contemplan una etapa preliminar de concentracin de los compuestos voltiles. La principal diferencia entre las tcnicas de muestreo DHS y P&T, es que en el mtodo P&T el gas inerte pasa a travs de la muestra, mientras que en el DHS slo el espacio libre es purgado con el gas inerte. La seleccin del material adsorbente depende principalmente de las caractersticas de los analitos, de la capacidad de adsorcin y de las condiciones de adsorcin-desorcin. Cartuchos de micro-extraccin en fase slida (SPME), el "Twister" (stir bar sorptive extraction, SBSE) y el INDEX (Inside-needle dynamic extraction) son algunos dispositivos comerciales disponibles para la concentracin de los componentes voltiles de las muestras.

El sistema de deteccinLos sensores utilizados en las narices electrnicas son de especificidad parcial, es decir, no son selectivos a una sustancia qumica en particular, sino ms bien a grupos de sustancias qumicas, como alcoholes, aldehdos, cidos grasos, molculas nitrogenadas, solventes orgnicos, etc. Los sensores estn diseados para convertir cambios en propiedades fsicas o qumicas en seales elctricas proporcionales a la concentracin de partculas especficas, tales como los tomos, molculas o iones contenidos en el espacio de cabeza de la muestra (3). Los sensores utilizados en la fabricacin de dispositivos de olfato electrnico deben reaccionar de forma reversible frente a los compuestos orgnicos voltiles, y los principales factores a considerar en su seleccin son el precio, la durabilidad, la sensibilidad, la rapidez de la respuesta, la robustez, la selectividad y la fiabilidad (9-10).

Existen varios tipos de sensores para aplicaciones de nariz electrnica disponibles en el mercado. Los sensores de xidos metlicos (MOS) son los ms utilizados, aunque polmeros conductores (CP), sensores de microbalanza de cuarzo (QMB), xidos metlicos semiconductores transistores de efecto de campo (MOSFET), as como sensores pticos, trmicos, piezoelctricos y biosensores son tambin empleados en la fabricacin de dispositivos de olfato electrnico (2, 4,10-11).

Los sensores de xidos metlicosconsisten en un substrato en cermica (p. ej. almina) recubierto por una pelcula de un xido metlico semi-conductor (8). El xido de estao (SnO2) es uno de los materiales ms utilizado en la fabricacin de sensores para narices electrnicas, aunque xidos de zinc (ZnO), de titanio (TiO2), de zirconio (ZrO2) y de tungsteno (WO3) pueden ser tambin empleados (12). Para aumentar la sensibilidad de los sensores, stos pueden impregnarse con catalizadores metlicos como paladio, bismuto, oro o platino (2).

Cuando los componentes voltiles pasan a travs de una matriz de sensores de xidos metlicos, stos sufren un cambio en su resistencia elctrica o conductividad, debido a las reacciones de xido-reduccin que se producen en su superficie. La magnitud de este cambio es proporcional a la concentracin de las molculas presentes en el espacio de cabeza de la muestra, y cada sensor i de la matriz de sensores produce una seal elctrica independiente en respuesta al olor j, en funcin del tiempo (Xij(t)). La seal puede representarse por medio de diagramas polares, de diagramas de barras, o como el cambio de conductividad durante el tiempo, tal como se ilustra en lafigura 2. La intensidad y la direccin de la seal dependen principalmente de la velocidad del flujo y del tipo de gas portador, de la naturaleza, del tipo y de la concentracin de los componentes voltiles, de la cintica de la reaccin entre las molculas odorantes y el material activo del sensor, de la naturaleza del sensor (p. ej. estructura fsica, porosidad, superficie especfica) y de las condiciones ambientales (p.ej. temperatura, presin, humedad relativa) (1). Para obtener resultados repetitivos, debe prestarse especial atencin a la temperatura y a la humedad de la cmara de los sensores, porque la respuesta de los sensores es muy sensible a estos parmetros (13).

FIGURA 2Perfil del aroma del queso doblecrema fresco (47).

Las narices electrnicas comerciales pueden contener distintos tipos de sensores. Sin embargo, es necesario tener en cuenta que el hecho de aumentar el nmero de sensores no conduce siempre a la obtencin de informacin adicional, ya que podra incrementarse el ruido debido a la deteccin de informacin sin importancia (4). Por lo tanto, un buen mtodo para la construccin de una matriz de sensores para una nariz electrnica, consiste en elegir los sensores en funcin de la aplicacin deseada y del conocimiento previo de los datos analticos (4).

El sistema de procesamiento de datosComo se mencion anteriormente, en respuesta al olor j, cada sensor i produce una seal elctrica independiente funcin de del tiempo, Xij(t). En consecuencia el conjunto de sensores de una nariz electrnica genera la siguiente matriz de datos, en la cual las columnas representan los vectores asociados a un olor o aroma particular, mientras que las filas representan la respuesta de un sensor individual a las diferentes medidas.FIGURA 3Esquema comparativo entre el sistema olfativo humano y el sistema de olfato electrnico.Sistema olfativo humano

El tratamiento de los datos obtenidos con la narizelectrnica puede ser considerado como un mtodo para reducir la dimensionalidad del sistema, buscando que las similitudes y diferencias entre las muestras pueden evaluarse con mayor facilidad (2, 10-12). Normalmente, el tratamiento de los datos incluye la utilizacin de tcnicas de reconocimiento de patrones (TRP), las cuales pueden clasificarse como supervisadas y no supervisadas, lo que significa que la clasificacin de las muestras puede llevarse a cabo con o sin el uso de datos de entrenamiento previo, respectivamente. En general, las TRP emplean mtodos estadsticos multivariados como el anlisis de componentes principales (PCA), el anlisis de funcin discriminante (DFA) y el anlisis de conglomerados (cluster analysis). Otra alternativa para analizar los datos, que ha mostrado grandes avances en los ltimos aos, es el uso de tcnicas de inteligencia artificial como las redes neuronales artificiales (ANN), el mtodo de los k vecinos ms cercanos, las mquinas de soporte vectorial (SVM), entre otros (10,14). Aunque la aplicacin de estos mtodos para e anlisis de los datos en bruto puede producir resultados confiables, siempre es recomendable realizar un tratamiento previo de los datos, con el fin de eliminar aquellos que no proporcionan informacin importante, de reducir an ms la dimensionalidad del sistema, de eliminar las seales de ruido y de aumentar la precisin de las TRP (6, 8). Profundizar en los detalles de los mtodos empleados para el anlisis de los datos obtenidos con la nariz electrnica no es el objetivo de este trabajo.

Una revisin muy completa de los mtodos de anlisis de datos des los sistemas de la nariz electrnica ha sido publicado recientemente por Scott et al. (10), quienes han hecho un nfasis especial en las tcnicas de inteligencia artificial.

APLICACIONES DE LA NARIZ ELECTRNICA EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIADesde la aparicin de los primeros equipos comerciales en los aos 90, las publicaciones cientficas de las aplicaciones de la nariz electrnica en el campo de la ciencia y tecnologa de alimentos han presentado un crecimiento constante, tal como se ilustra en lafigura 3.FIGURA 4Esquema comparativo entre el sistema olfativo humano y el sistema de olfato electrnico.Sistema olfativo humano

(Fuente: ISI Web of KnowledgeSM,http://apps.isiknowledge.com,publicado por Thomson Reuters. Consultado el 07/02/2011).

Los trabajos publicados muestran que las aplicaciones de la nariz electrnica en la industria alimentaria son muy amplias y variadas, pudindose clasificar en diferentes categoras, tales como la deteccin de contaminantes y de sabores desagradables (off-flavours), el control de los procesos de transformacin, la evaluacin del tiempo de vida til, la estimacin de la frescura y de la adulteracin de los alimentos, la determinacin del origen de los alimentos y otros estudios particulares de control de calidad (2, 12).

Muchos alimentos tales como carnes, pescados, productos lcteos, frutas, verduras, aceites, huevos, cereales, bebidas alcohlicas y no alcohlicas, miel, vino, pan, cereales, caf, vinagre, t, etc. han sido analizadas con la nariz electrnica con diversos objetivos. Varios trabajos de revisin de la aplicacin de la nariz electrnica en los alimentos han sido publicados recientemente, siendo los ms representativos los de Berna (12), Ghasemi-Varnamkhasti et al. (15), Peris y Escuder-Gilabert (2), Plutowska y Wardencki (16), Deisingh et al. (17), Ampuero y Bosset (8) y Schaller et al. (7).

Particularmente, en el caso de la industria lctea, donde los mtodos rpidos de anlisis son muy necesarios, los excelentes resultados presentados en un centenar de estudios disponibles en la literatura, sugieren que la nariz electrnica podra tener aplicaciones importantes en el control de calidad de los productos lcteos, algunos de los cuales sern descritos brevemente a continuacin.

Aplicaciones de la nariz electrnica en el anlisis de la lecheLa leche es un alimento esencial para la nutricin humana, pero tambin un substrato ideal para el crecimiento y desarrollo de microorganismos. Despus del ordeo, la leche destinada al consumo humano debe ser sometida a tratamientos trmicos con el fin de destruir los microorganismos patgenos e inactivar ciertas enzimas que pueden causar una disminucin en su calidad nutricional. No obstante, un calentamiento excesivo puede favorecer la aparicin de off-flavours debido a la desnaturalizacin de protenas ricas en azufre, lo cual se constituye en un inconveniente de la leche ultrapasteurizada, por ejemplo. En este sentido, diversos estudios han demostrado que la nariz electrnica puede utilizarse para diferenciar con gran precisin las leches pasteurizadas de las leches UHT, ya que los resultados obtenidos con este instrumento son comparables a los obtenidos mediante tcnicas de anlisis sensorial (18-20).

Por otra parte, es bien sabido que la adulteracin de la leche mediante la adicin de agua es una prctica ilegal muy frecuente en los pases de Amrica latina, que disminuye el valor nutricional de la leche y causa grandes prdidas econmicas a la industria lctea. Yu et al. (21) estudiaron la adulteracin de la leche con diferentes proporciones de agua utilizando una nariz electrnica comercial dotada con 10 sensores xidometlicos. Despus de analizar los datos con PCA y anlisis linear de discriminantes (LDA), los resultados publicados por estos autores indican que la nariz electrnica permite diferenciar claramente las leches normales de las leches adulteradas.

La determinacin del tiempo de vida til de la leche mediante la aplicacin de nariz electrnica ha sido objeto de varios estudios. Los resultados de los estudios publicados sugieren que con la nariz electrnica es posible determinar fcil y rpidamente el tiempo de almacenamiento de la leche (21-24). Adems, los resultados de la nariz electrnica podran ser ms precisos que los obtenidos por medio de los anlisis microbiolgicos utilizados tradicionalmente para la evaluacin del tiempo de vida til de la leche, y comparables con aquellos producidos mediante la aplicacin de mtodos estadsticos propuestos para la estimacin del tiempo de vida til de los alimentos, como el Weibull Hazard (22-24).

Otras aplicaciones de la nariz electrnica en el anlisis de leches incluyen el efecto de la dieta en la composicin de la leche (25-26), la identificacin de leches mastticas (27-28), el monitoreo del crecimiento de microorganismos (29-33), el control de la reaccin de Maillard durante los procesos de calentamiento (34), la identificacin de trimetilamina (35), la identificacin y clasificacin de off-flavours (36-39) y la deteccin de aflatoxina M1 (40-41).

Aplicaciones de la nariz electrnica en el anlisis de quesos

La evolucin del aroma y sabor durante la maduracin del queso es un proceso complejo en el cual intervienen la microflora presente y diversas reacciones qumicas y bioqumicas que generan alcoholes, cidos, cetonas, fenoles y cidos grasos libres, entre otros compuestos, a partir de la lactosa, la grasa y las protenas. Sin embargo, cada tipo de queso posee un aroma caracterstico de su proceso de elaboracin, y en consecuencia la nariz electrnica ha sido empleada en mltiples aplicaciones en el control de calidad de varios tipos de quesos.

Gursoy et al. (42) reportaron recientemente que la clasificacin de quesos Emmental en funcin del tiempo de maduracin, puede llevarse a cabo utilizando la nariz electrnica. Similarmente, Contarini et al. (43) emplearon una nariz electrnica para diferenciar dos tipos de quesos de oveja Pecorino Toscano de acuerdo a su tiempo de maduracin, siendo sus resultados comparables con aquellos obtenidos mediante anlisis de cromatografa en fase gaseosa acoplada a la espectrometra de masas (GC-MS). Por su parte, Schaller et al. (44) estudiaron el estado de maduracin de queso Suizo Emmental durante un ao, utilizando sistemas de olfato electrnico compuestos por sensores de diferentes tecnologas (QMB, CP, MOFSET y MOS). Estos autores reportaron que los sensores MOS fueron los ms eficaces para discriminar los quesos de acuerdo a las etapas de maduracin, mientras que las seales de los otros tipos de sensores mostraron una sensibilidad muy baja hacia los componentes voltiles del queso. Sin embargo, la combinacin de sensores de tecnologas diferentes condujo a una buena clasificacin de los quesos en funcin del tiempo de maduracin. El principal inconveniente mencionado por estos autores fue la prdida de la sensibilidad de los sensores de MOS y de CP, probablemente debido a una fuerte adsorcin de los cidos grasos de cadena corta presentes en las muestras de queso, lo cual condujo al reemplazo de varios de estos sensores en menos de un ao. Otro estudio sobre la aplicacin de la nariz electrnica en el anlisis de maduracin de quesos es el efectuado por Trihaas et Nielsen (45), quienes utilizando un sistema de olfato electrnico compuesto por 14 sensores de CP, clasificaron con xito el queso roquefort en funcin del tiempo de maduracin

La nariz electrnica tambin ha sido empleada para estimar el tiempo de vida til de diversos tipos de quesos. Benedetti et al. (46) demostraron la posibilidad de determinar el tiempo de vida til del queso Crescenza almacenado a diferentes temperaturas, utilizando una nariz electrnica equipada con 22 sensores (10 MOFSET et 12 MOS). La capacidad predictiva del modelo de clasificacin propuesto por restos autores fue confirmada mediante el muestreo y anlisis de quesos Crescenza comerciales.

Recientemente, en nuestro grupo de investigacin hemos utilizado una nariz electrnica comercial compuesta por 10 sensores de xidos metlicos para evaluar el tiempo de vida til de varios quesos tpicos de Colombia. Tal como ilustra lafigura 4, la nariz electrnica permiti la clasificacin del queso doble crema en funcin del tiempo y de la temperatura de almacenamiento. Adems, los resultados obtenidos presentaron una buena correlacin con los anlisis fisicoqumicos, microbiolgicos y sensoriales usados tradicionalmente para la determinacin de la vida til de alimentos (47).FIGURA 5Clasificaciones PCA de muestras de queso doblecrema (a) Almacenamiento a diferentes temperaturas (4 y 10C). (b) Durante almacenamiento a 10C.

Estudios sobre la autenticidad del origen de los quesos Emmental han sido desarrollados por Pillonel et al. (48) y Grsoy et al. (42), quienes clasificaron con alta precisin los quesos Emmental en funcin del pas de origen, utilizando narices electrnicas comerciales. El modelo de clasificacin propuesto por estos autores fue validado mediante el anlisis de rplicas de quesos, obteniendo precisiones superiores al 90% para la diferenciacin entre los quesos suizos y los quesos provenientes de otros pases.

Otros trabajos asociados con las aplicaciones de la nariz electrnica en el control de calidad de quesos bien documentados en la literatura, tratan sobre la distincin de diferentes variedades de quesos (39, 42, 49), la identificacin de la microbiota de varios tipos de quesos (50), las caractersticas del aroma generado por diversas bacterias lcticas en diferentes variedades de quesos (51-55), la caracterizacin del aroma del queso Cheddar (56-59), la identificacin de off-flavours del queso Emmental (60-61), y la evaluacin y clasificacin de quesos (62).

Aplicaciones de la nariz electrnica en el anlisis de leches fermentadas

Los estudios sobre las aplicaciones de la nariz electrnica en el control de calidad de leches fermentadas no son muy abundantes, y el principal objetivo de los satisestudios disponibles ha sido el control del proceso de la fermentacin de la leche. Cimander et al. (63) monitorearon el proceso de elaboracin de yogur empleando una nariz electrnica compuesta por 10 sensores MOFSET y 19 sensores de xido de estao. Estos autores indicaron que luego del tratamiento de los datos de la nariz electrnica utilizando redes neuronales artificiales (ANN), fue posible predecir en tiempo real el valor de pH, as como las concentraciones de galactosa, lactosa y lactato, durante el proceso de fermentacin de la leche. Resultados similares fueron obtenidos por Navratil et al. (64), quienes combinando la tecnologa de espectrometra de infrarrojo cercano (NIR) con nariz electrnica, reportaron la prediccin de los valores de pH y de acidez titulable durante el proceso de elaboracin de yogur y de filmjlk en condiciones industriales. De otra parte, Collier et al. (65) diferenciaron con una precisin superior al 75% muestras de yogur en funcin del tipo de cultivo lctico empleado en su fabricacin, utilizando una nariz electrnica comercial.

Aplicaciones de la nariz electrnica en el anlisis de otros productos lcteos

Las aplicaciones de la nariz electrnica en el control de calidad de otros productos lcteos incluyen el estudio de los efectos estacionales en el aroma de leche entera en polvo (37), la clasificacin y determinacin del estado de oxidacin de frmulas infantiles y substitutos de leche materna (66-67), la identificacin de diferentes ingredientes a base de componentes de la leche (68) y el estudio de la variacin del aroma del helado de fresa en funcin del contenido de materia grasa (69).

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA NARIZ ELECTRNICA

La nariz electrnica presenta las siguientes ventajas si se compara con otras tcnicas analticas para la evaluacin del aroma de los alimentos: Los anlisis de nariz electrnica son generalmente muy rpidos y pueden realizarse de manera continua; la operacin del equipo es muy simple, pudiendo ser utilizado por personal no especializado; los resultados de los anlisis pueden obtenerse en tiempo real; es una tecnologa verstil, limpia y de bajo costo; las narices electrnicas pueden detectar concentraciones de aromas del orden de partes por milln, y pueden acoplarse a otros equipos de anlisis, como espectrmetros de masas; las muestras a analizar pueden ser slidos, lquidos o gases, y con un adecuado y suficiente entrenamiento, las narices electrnicas pueden aprender nuevos patrones de olor gracias a funciones de almacenamiento de datos. Estas ventajas hacen de la nariz electrnica un instrumento ideal para la clasificacin y diferenciacin de una gran variedad de productos, siempre y cuando su composicin no sea requerida.

Ahora bien, como la mayora de los instrumentos, la nariz electrnica presenta algunas desventajas, siendo la principal la variacin de la seal de respuesta de los sensores durante su tiempo de vida til, as como su sensibilidad a la humedad y a ciertos compuestos como el etanol. Estas desventajas podran conducir a deficiencias en la reproducibilidad de los resultados, y es quizs la razn por la cual las aplicaciones de la nariz electrnica a nivel industrial no son an muy numerosas, a pesar de la gran cantidad de literatura cientfica y de trabajos de investigacin disponibles. Sin embargo, los recientes avances en la nanotecnologa y en el desarrollo de nuevos materiales contribuirn seguramente al desarrollo de sistemas de olfato electrnico destinados a aplicaciones especficas.

CONCLUSIONES

En este trabajo se describieron las principales caractersticas de la nariz electrnica, as como sus principales aplicaciones en la industria lctea. Este instrumento que imita el sistema olfativo humano y que ha demostrado excelentes resultados para la clasificacin y diferenciacin de una gran variedad de alimentos, ha permitido estimar parmetros que requieren normalmente anlisis fisicoqumicos, microbiolgicos y sensoriales, tales como el tiempo de vida til de diferentes productos lcteos como la leche y el queso, por ejemplo. Adems, la nariz electrnica ha sido utilizada en muchos casos prcticos, como la diferenciacin de las etapas de maduracin de varios tipos de quesos, en el control del proceso de fermentacin de la leche, en la identificacin de quesos por origen geogrfico y en la deteccin de leches adulteradas con agua, entre otros. En la mayora de los casos, las precisiones obtenidas en los problemas de clasificacin, identificacin o diferenciacin son muy satisestudios factorias, dado que generalmente son superiores al 85%. Sin embargo, para que la nariz electrnica encuentre aplicaciones masivas en el control de calidad a nivel industrial, estudios ms largos que permitan evaluar la precisin y reproducibilidad a largo tiempo son necesarios. Adicionalmente, mtodos de calibracin estndar seran necesarios con el fin de poder validar la nariz electrnica como un instrumento aceptado por los organismos oficiales de control y de inspeccin de alimentos. No obstante, pese a algunos inconvenientes, el futuro de la nariz electrnica en el control de calidad de los alimentos parece bastante prometedor, dado que los avances en ciencias como la nanotecnologa y en el desarrollo de sistemas de reconocimiento de datos podran facilitar el diseo de instrumentos para aplicaciones especficas.