Una nuova metrologia per la valutazione della qualità dell'olio vergine di oliva mediante l'impiego di reti neurali artificiali

Abstract

L'Olio di Oliva vergine è il primo prodotto alimentare per cui la valutazione della qualità organolettica per mezzo del panel test (PT) è stata introdotta a livello di normativa comunitaria europea, come criterio per la classificazione merceologica di appartenenza. L'oggetto di questo lavoro prende spunto dalla metrologia “elettrica ed elettronica” nei suoi principi che si desumono dalla "Teoria Rappresentazionale". La ricerca individua un sistema metrologico delle molteplici caratteristiche espresse nel panel test, che sono intrinseche negli assaggiatori come esseri umani ed unici depositari della definizione della qualità come prevede la norma e che costituiscono un sensore complesso del cd. "flavour". Quest'ultimo è definito come la "combinazione complessa delle sensazioni olfattive, gustative e trigeminali percepite durante l’assaggio. Può essere influenzato da effetti tattili, termici, di dolore o cinestetici". Pertanto il PT può essere visto come il risultato della sollecitazione di un sensore multiplo passivo, rappresentato dal pannellista, il cui stimolo è l'olio. Il PT rappresenta un sistema di unità di misura "allargato", in quanto comprende più di 80 qualità distinte (ciascuna graduata tra i valori 0 e 5), che necessita di essere ridotto, tenendo conto che tutte le unità non comprese nel sistema devono essere correlate con quelle “minimali”, quindi occorre individuare le leggi fisiche coinvolte (esattamente come la legge di Ohm lega la tensione "V" misurata ai capi di un bipolo alla corrente "I" e alla resistenza "R" del bipolo stesso). La riduzione del Sistema di Unità di Misura è affidata ad una rete neurale non supervisionata che, interpretando il senso comune del panel, esegue una mappatura (in questo caso) bidimensionale, andando ad individuare due assi di riferimento "sintetici", la cui interpretazione può essere eseguita solo empiricamente a posteriori. Tale mappatura realizza la riduzione del numero di qualità nel Sistema di Unità di Misura ed agevola la comprensione delle leggi fisiche coinvolte. Lo schema seguente sintetizza la metodologia proposta in questa ricerca. Il sistema metrologico viene tarato mediante i panel test eseguiti su un certo numero di oli campione, i cui gascromatogrammi rappresentano i valori di addestramento di una rete supervisionata. In cascata, una rete non supervisionata, tarata con i panel test dei suddetti campioni, proietta su una mappa di Kohonen le percezioni unitarie degli oli di riferimento. Il processo di disseminazione metrologica degli standard prevede la possibilità, a partire da misure gascromatografiche sugli oli misurandi, di ottenere la mappatura di Kohonen della percezione unitaria stimata in base all’elaborazione neurale artificiale precedentemente addestrata. Una volta addestrata la rete neurale supervisionata, è possibile estrarre le leggi che legano i valori di picco presenti nei gascromatogrammi con le qualità presenti nella scheda del panel test, così come mostrato nell'analisi di sensibilità sotto riportata a titolo di esempio. Dalle relazioni che ne derivano è quindi possibile individuare delle leggi che legano una qualità percepita rispetto ad un'altra. Dopo una fase sperimentale preliminare, in cui è stata: - affinata la tecnica di misurazione dei campioni al gascromatografo (con la tecnica dello spazio di testa che simula la cavità oronasale dell'assaggiatore); - individuata la metodologia migliore per presentare i dati alla rete neurale supervisionata ottenendo il giusto bilanciamento tra l'overfitting della rete e la capacità di generalizzazione della stessa; - ottimizzata la struttura interna ed individuati i parametri di addestramento più performanti per la rete neurale non supervisionata; si è passati alla fase sperimentale finale, in cui sono stati presi in considerazione 18 campioni di olio, di cui 10 monocultivar di qualità alta ed 8 di qualità commerciale. Il risultato finale della metrologia proposta è sintetizzata nella mappatura di Kohonen rappresentata nella seguente figura. Individuando con le lettere minuscole le mappature dei 18 oli a partire dai rispettivi gascromatogrammi e con le lettere maiuscole i neuroni di riferimento partendo dai panel test realemnete seguiti, si evince che la coerenza di classificazione dell'intera metodologia è rispettata. Altro risultato raggiunto è rappresentato dalla classificazione degli 8 oli commerciali, posizionati tutti nella parte in alto a sinistra della mappa. A posteriori, analizzando le caratteristiche organolettiche degli oli espresse nei panel test, è stata data anche una interpretazione alla mappatura realizzata andando a descrivere porzioni di mappa che rappresentano particolari flavour e che fanno individuare degli assi di orientamento (es. "fruttato maturo"/"fruttato verde", oppure "dolce"/"amaro") che sono alla base della riduzione del Sistema di Unità di Misura. Andando poi ad esaminare gli oli che sono stati valutati e misurati a distanza di tempo di un anno, si è riusciti ad evidenziare il degrado percepito dal sensore umano, che comporta un avvicinamento (frecce di colore blu) degli oli monocultivar all'area degli oli commerciali. Tale spostamento rappresenta l'invecchiamento del campione conservato per il periodo di un anno in bottiglia. Inoltre il campione "i" che non ha mai preso parte all'addestramento delle reti neurali, è stato presentato per la prima volta al sistema, il quale lo ha classificato in maniera corretta rispetto alla posizione di controllo contraddistinta dalla lettera "I", andando a realizzare la disseminazione metrologica che rappresenta uno degli obiettivi di questa ricerca. Facendo riferimento alla catena di disseminazione metrologica, la metodologia proposta trova riscontro nei seguenti ambiti: - le qualità contemplate nel panel test rappresentano i campioni primari; - le reti neurali artificiali rappresentano il cuore della disseminazione, ossia i campioni di trasferimento (campioni di riferimento ed industriali); - la gascromatografia è applicata come uno dei possibili strumenti di misura a disposizione degli utilizzatori finali. Il sistema di valutazione dell'olio d'oliva proposto, basato su reti neurali addestrate su panel test di riferimento, la cui numerosità potrà crescere nel tempo con oli di diverse provenienze e diverse annate di produzione, ha il grande vantaggio di concretizzarsi su misure chimiche di composti organici ottenute con la tecnica gascromatografica (ma nulla vieta di utilizzare anche altri strumenti di misura). Tale tecnica ha il grande vantaggio di essere rapida ed accessibile a tutti. L'elaborazione successiva sarà automatica e fornirà una semplificazione della classificazione organolettica, tenendo come riferimento metrologico il Panel Test. In questo si concretizza il grande vantaggio della disseminazione metrologica descritta in questa ricerca. In particolar modo, potrà essere utile e vantaggiosa ai piccoli produttori di olio extra vergine di oliva che non sempre possono far valutare il proprio prodotto "di nicchia" con un panel test di assaggiatori esperti, a differenza dei grandi produttori e delle multinazionali del settore alimentare.