Utilizzo della chemiometria nella valutazione della qualità dal laboratorio allo stabilimento, in un contesto di Industria 4.0

Product quality is a "must" for every producer. For a food company like Barilla, where I work, this is very relevant because food is strongly linked to our emotions, our health and our well-being. Regarding this, in fact, the Company's 'Mission' is: “The joy of food for a better life. Bringing people closer to the joy of good food and making quality the choice for a better life, from each individual to the planet”. This explains why there is a strong commitment to every quality-related issue in the Company. The Analytical Food Science Research and Development Laboratory, where I work, is dedicated to developing new methods and tools to assess the quality of our products, both in a research and industrial context. The use of chemometrics in my work has grown over time because of its great ability to extract information from large amounts of data and the ability to present this information concisely and effectively. In some cases, the use of chemometric techniques is essential and it is not possible to analyze the data in any other way. Whitin an industrial context that is rapidly moving toward an Industry 4.0 context, more and more data are being produced from all the sensors installed in production lines, data that need to be analyzed real-time and evaluated in the appropriate way. "Pesto Genovese" is an Italian green sauce made mainly of basil and olive oil, cheese, pine nuts and garlic, has a unique flavor known and appreciated all over the world. In this Thesis project, Barilla's production of "Pesto Genovese" was used as a benchmark. The objective of the Thesis project was to develop analytical-chemometric methods suitable for evaluating (i) the characteristics of the main raw material, basil, and of the finished product, pesto, in the most rapid and effective way, in a quality laboratory analysis context; and, (ii) the characteristics of the raw material, the production intermediate and the finished product in order to develop models for real-time quality monitoring, in a process monitoring context. From the analytical point of view, approaches based on rapid, non-destructive techniques have been developed, such as electron nose (based on gas chromatography), near-infrared (NIR) spectroscopy in its various implementations including multi- and hyper-spectral imaging. Chemometric approaches, which are essential for efficiently extracting the information obtained through these techniques, have ranged from exploratory multivariate analysis, multivariate variance analysis methods, image analysis methods, to the development of multivariate control charts and predictive models, always evaluating appropriate pre- and post-processing methods. The work done has demonstrated, through several real cases, how chemometrics is an indispensable support for obtaining information that would otherwise not be accessible and can provide powerful tools for real-time control of critical raw materials, process and product. Despite the specific topic related to pesto, the approaches developed are general and extensible to other products/processes in the food industry. The main challenge was to transfer the methodological know-how to this application context. In conclusion, the original idea of this industrial PhD project to build a "statistical tool" for my daily work was successfully realized. In addition, the cases studied in the production environment open up potential new applications with a strong impact on improving the possibility of process control and designed quality.

La qualità del prodotto è un “must” per ogni produttore. Per un'azienda alimentare come la Barilla, dove lavoro, ciò è molto rilevante perché il cibo è fortemente legato alle nostre emozioni, alla nostra salute e al nostro benessere. Riguardo a ciò, infatti, la ‘Mission’ dell'Azienda è: “La gioia del cibo per una vita migliore. Avvicinare le persone al piacere del buon cibo e fare della qualità la scelta per una vita migliore, di ogni individuo e del pianeta”. Questo spiega perché in Azienda è presente un forte impegno verso ogni tema legato alla qualità. Il laboratorio di Ricerca e Sviluppo di Scienze Alimentari Analitiche, dove lavoro, è dedicato allo sviluppo di nuovi metodi e strumenti per valutare la qualità dei nostri prodotti, sia in un contesto di ricerca che in quello industriale. L'uso della chemiometria nel mio lavoro è cresciuto nel tempo grazie alla sua grande capacità di estrarre informazioni da grandi quantità di dati e alla possibilità di presentare queste informazioni in modo sintetico ed efficace. In alcuni casi, l'uso di tecniche chemiometriche è essenziale e non è possibile analizzare i dati in altro modo. In particolare, in un contesto industriale che si muove rapidamente verso un contesto Industria 4.0, vengono prodotti sempre più dati da tutti i sensori installati nelle linee di produzione, dati che necessitano di essere analizzati real-time e valutati nel modo appropriato. Il “Pesto Genovese” è una salsa verde italiana a base principalmente di basilico e olio d'oliva, formaggio, pinoli e aglio, ha un sapore unico conosciuto ed apprezzato in tutto il mondo, in questo progetto di Tesi, la produzione di “Pesto Genovese” Barilla è stata utilizzata come benchmark. Obiettivo del progetto di tesi è stato quello di sviluppare dei metodi analitici-chemiometrici adeguati a valutare: (i) le caratteristiche della principale materia prima, il basilico, e del prodotto finito, il pesto, nel modo più rapido ed efficace, in un contesto di analisi laboratorio qualità; (ii) le caratteristiche della materia prima, dell’intermedio di produzione e del prodotto finito allo scopo di sviluppare modelli per il monitoraggio real-time della qualità, in un contesto di monitoraggio di processo. Dal punto di vista analitico sono stati sviluppati approcci basati su tecniche rapide e non-distruttive, quali il naso elettronico (basato sulla gas-cromatografia), la spettroscopia nel vicino infrarosso (NIR) nelle sue diverse implementazioni incluso l’imaging multi e hyper-spettrale. Gli approcci chemiometrici, fondamentali per estrarre in modo efficiente le informazioni ottenute attraverso queste tecniche, hanno spaziato dall’analisi multivariata esplorativa, metodi di analisi di varianza multivariata, metodi di analisi di immagini, allo sviluppo di carte di controllo multivariate e modelli predittivi, sempre valutando gli opportuni metodi di pre- e post- processing. Il lavoro svolto ha dimostrato, attraverso diversi casi reali, come la chemiometria sia un supporto indispensabile per ottenere informazioni che altrimenti non sarebbero accessibili e possa fornire potenti strumenti per il controllo in tempo reale delle materie prime critiche, del processo e del prodotto. Nonostante il tema specifico relativo al pesto, gli approcci sviluppati sono generali ed estensibili ad altri prodotti/processi dell’industria alimentare. La sfida principale è stata trasferire in questo contesto applicativo il know-how metodologico. In conclusione, l’idea originale di questo progetto di Dottorato industriale di costruire uno “strumento statistico” per il mio lavoro quotidiano è stata realizzata con successo. Inoltre, i casi studiati in ambito produttivo, aprono a nuove potenziali applicazioni con un forte impatto sul miglioramento della possibilità di controllo del processo e della qualità progettata.