Rifrattometro e rifrattometria

Quando si parla di rifrattometria, spesso si fa riferimento allo strumento usato per misurare un parametro ottico specifico: il rifrattometro. Questo strumento è fondamentale per determinare l'indice di rifrazione, una misura che descrive come la luce cambia direzione quando attraversa diversi materiali.

L'indice di rifrazione è un parametro che appartiene alla categoria delle misure ottiche, utilizzato per descrivere il comportamento della luce o delle onde elettromagnetiche. In termini semplici, questo indice ci dice quanto la luce viene deviata quando passa da un mezzo all'altro. Questo fenomeno è sfruttato in vari settori, per numerosi scopi, come vedremo più avanti.

Ma torniamo al nostro rifrattometro. L'indice di rifrazione si calcola come il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto (indicato con la lettera c, che è circa 300.000 km al secondo) e la velocità della luce nel mezzo analizzato (v). La formula è la seguente:

Con n che sta per Indice di Rifrazione.

Poiché la luce viaggia sempre più velocemente nel vuoto rispetto a qualsiasi altro mezzo, l'indice di rifrazione n sarà sempre maggiore di uno. La velocità della luce varia in funzione della densità del mezzo attraversato, ma anche la temperatura e la lunghezza d'onda della radiazione influiscono su questo parametro. 

La luce, infatti, è costituita da onde elettromagnetiche, caratterizzate da specifiche lunghezze d'onda e frequenze. Ogni sorgente luminosa, come il sole, emette luce a diverse lunghezze d'onda, e il suo spettro di emissione descrive esattamente quali lunghezze d'onda vengono emesse.

Indice di rifrazione assoluto ed indice di rifrazione relativo

Mentre l’equazione precedente calcola l'indice di rifrazione assoluto, in pratica si utilizza più spesso l'indice di rifrazione relativo, che è il rapporto tra la velocità della luce in due mezzi diversi, come l’aria e un liquido zuccherino. Per dirla in parole semplici, la luce cambia direzione quando passa da un mezzo all’altro. Per esempio, se la luce passa dall'aria a un mosto d'uva, la sua deviazione dipenderà dalla concentrazione di zucchero nel mosto. Questo parametro è ampiamente utilizzato nel settore della frutta per determinare il Grado Brix (°Bx), ma facciamo un passo alla volta.

Il rifrattometro, quindi, è lo strumento che ci permette di calcolare in modo indiretto molti parametri. Esistono diversi tipi di rifrattometri, progettati per utilizzi specifici. Di solito, ogni rifrattometro è dotato di una scala tarata in base al parametro che si desidera misurare tramite l’indice di rifrazione.

Oggi, i rifrattometri sono anche e spesso portatili e molto intuitivi da usare. Solitamente hanno la forma di un cilindro, con un vetrino inclinato su un'estremità su cui si posano alcune gocce del campione. Dopo aver chiuso il coperchio trasparente per distribuire uniformemente il campione sul prisma, si punta il rifrattometro verso la luce e si guarda attraverso un oculare per leggere il risultato.

Figura 1 - Visuale isometrica di un Rifrattometro (Ugwu et al., 2018)

In sintesi, per rifrazione si intende proprio la "deviazione della luce causata da una lente o un prisma", un principio che il rifrattometro sfrutta per fornire misurazioni precise e utili in diversi settori.

Esistono diversi tipi di modelli con scale specifiche per il tipo di utilizzo, tipo grado brix ma anche magari scale specializzate che possono indicare la miscela esatta del campione (potrebbe servire per valutare alcune frodi alimentari, poiché la quantità di solidi solubili è un parametro molto utile per valutare l’aggiunta di ingredienti non concessi, ad esempio nel latte diluito con acqua la quantità di solidi solubili diminuisce, e questo è visualizzabile velocemente con un rifrattometro). Adesso i rifrattometri portatili sono molto usati e popolari, usati sia dai professionisti dei settori come quello vitivinicolo o brassicolo, ma anche da dilettanti che si divertono a fermentare, o controllare la qualità del liquido di raffreddamento della macchina. Sono rapidi e danno indicazioni facilmente intuibili ed utilizzabili.

Settori di utilizzo

Come già citato precedentemente il Rifrattometro può essere utilizzato in diversi settori, esso permette di correlare l’indice analizzato, cioè l’indice di rifrazione di cui parlavamo nel paragrafo precedente, ad altri parametri più utili. Cioè, in pratica tramite la rifrazione della luce che stiamo misurando noi possiamo capire tante cose riguardo ciò che stiamo analizzando.

Oggi esistono rifrattometri portatili che ci permettono di misurare alcune proprietà direttamente sul campo, questo è molto utile, ad esempio, nel periodo di raccolta della frutta, poiché possiamo tramite l’Indice di Rifrazione capire il grado zuccherino della frutta e quindi lo stato di maturazione e decidere l’eventuale inizio ideale della raccolta.

Si utilizza veramente molto nel settore dell’INDUSTRIA ALIMENTARE, soprattutto per quanto riguarda la produzione vegetale, ne è un esempio il settore vitivinicolo, dove ci sono Rifrattometri specifici chiamati mostimetri o saccarimetri, questi non sono tanto diversi dai comuni Rifrattometri, analizzano sempre l’Indice di Rifrazione della luce, in questo caso relativamente al mosto d’uva, però hanno incorporate anche altre scale per la misurazione del contenuto zuccherino dell’uva, oltre la Scala °Brix. Per un articolo anche su mostimetro e saccarimentro lascia un commento in fondo all'articolo! Provvedremo a scriverlo!

La Scala Brix

La Scala Brix è veramente molto importante per chi lavora nel settore della produzione alimentare, soprattutto per coloro che lavorano la frutta, quindi le conserve, i succhi e tutti i prodotti correlati, incluse le bevande alcoliche e non-alcoliche. I gradi Brix si calcolano con il Rifrattometro e quando si dice che un fluido zuccherino è di 10 °Bx allora stiamo dicendo che quel fluido ha 10 g di zucchero su 100 g di soluzione. 

La scala Brix riflette la concentrazione della sostanza disciolta, che in questi tipi di prodotti alimentari spesso significa principalmente la concentrazione degli zuccheri, quindi, riflette anche la densità della soluzione zuccherina, che è direttamente correlata appunto all’Indice di Rifrazione ed è questo il motivo per cui è facile, utilizzando il Rifrattometro, ottenere una scala che colleghi l’Indice di Rifrazione al Grado Brix della soluzione.

Quindi è abbastanza intuitivo capire quanto possa essere utile usare un Rifrattometro anche nella produzione di alimenti fermentati, poiché è spesso importante conoscere il grado °Bx della nostra materia prima di partenza, soprattutto se stiamo usando della frutta e vogliamo fare dei prodotti che abbiano una quantità di zucchero ben codificata come imbottigliare una bevanda o produrre una soda!

Siccome abbiamo detto che il Rifrattometro misura la densità della nostra soluzione, che dipende dalla concentrazione delle particelle che sono disciolte all’interno, è possibile correlare l’indice di rifrazione anche alla quantità di sale nella salamoia, ed anche questo è molto utile nel nostro processo di produzione dei fermentati, soprattutto delle verdure.

Misurare la quantità di zucchero durante la preparazione di un alimento fermentato è cruciale per garantire il controllo del processo, soprattutto a livello industriale, dove si cerca di standardizzare le caratteristiche del prodotto finito. Tuttavia, le materie prime utilizzate sono soggette a un'elevata variabilità dovuta a fattori incontrollabili, come le condizioni climatiche e biologiche. Ad esempio, anche se una mela appartiene a una specifica cultivar, il suo contenuto di zuccheri e acidi può variare in base a numerosi fattori: quantità di pioggia, esposizione al sole (e persino la posizione del frutto sull'albero), il periodo di raccolta e il tipo di nutrizione ricevuta durante la crescita.

Per questi motivi, è spesso indispensabile effettuare un'analisi accurata del contenuto zuccherino delle materie prime utilizzate. Nel caso delle bevande fermentate alcoliche, conoscere la quantità di zucchero presente è fondamentale per prevedere, tramite una semplice equazione legata al metabolismo dei lieviti, quale sarà la gradazione alcolica finale del prodotto. Nel settore vitivinicolo, ad esempio, il lievito Saccharomyces cerevisiae trasforma circa il 60% degli zuccheri in alcol. Se si ha una soluzione con un contenuto del 20% di zucchero, ovvero 200 g di zucchero per litro di mosto, si otterrà un vino con una gradazione alcolica di circa 11,15%. Un utile strumento online per questi calcoli è disponibile su questo sito.

Va anche ricordato che la misurazione con il rifrattometro fornisce una stima indiretta e quantitativa del contenuto zuccherino, ma non può fornire informazioni sulla qualità dello zucchero presente. In altre parole, non è in grado di distinguere tra saccarosio, fruttosio o glucosio, come accade nel caso del miele, che contiene una miscela di zuccheri. Per valutare in dettaglio la composizione qualitativa degli zuccheri, sarebbero necessarie analisi più specifiche.

Esempi alimentari dove si usa il rifrattometro:

• Quantità di alcol nei prodotti alcolici e distillati
• Contenuto di zucchero nel mosto di birra
• Contenuto dell’acqua nel latte (parametro di qualità per il latte)
• Controllo purezza e zuccheri nel miele
• Contenuto dell’olio in soluzioni acquose (questo si utilizza nel settore dei refrigeranti industriali, nel settore automobili)

Non solo frutta e verdura, anche i cocktail!

Un altro ambiente dove il Rifrattometro è importante è quello della miscelazione, cioè dell’arte della preparazione dei cocktail. I bar e i ristoranti che dedicano molta importanza a questo lato dell’offerta spesso hanno a disposizione un Rifrattometro per calcolare quanto zucchero aggiungere agli sciroppi che stanno preparando con la frutta fresca, o se stanno preparando qualche fermentato o ingrediente particolare. Anche perché la quantità di zucchero all’interno di uno sciroppo ne influenza anche la conservabilità. 

  Il rifrattometro è ampiamente utilizzato anche in altri settori, tra cui l'industria farmaceutica, chimica, cosmetica, ottica, petrolifera e nel settore dell'acquacoltura. In tutti questi ambiti, viene impiegato per il controllo qualità, la misurazione della concentrazione delle sostanze specifiche, degli ingredienti attivi e la valutazione della purezza dei materiali, più che altro. Nel settore dell’Ottica serve a controllare la qualità delle lenti in base all’indice di Rifrazione.

Tipica visuale dell'interno di un rifrattometro. La misurazione in questo caso è 0 - 30, in altro casi potrebbe essere 0 - 40 oppure anche 0 - 90 in base alla sensibilità del rifrattometro. In certi casi oltre la misurazione del grado brix si può trovare anche quella del grado alcolico

Conclusione

Esistono diversi tipi di rifrattometri in giro, ma quelli che maggiormente sono utilizzati nell’ambito delle fermentazioni sono quelli portatili, e funzionano tutti nella stessa maniera, andando a calcolare come il mezzo, il nostro alimento fermentato fluido, va a deviare la luce.

L’unica cosa che cambia è la scala che viene utilizzata nello strumento, che è capace di convertire i valori ottenuti con l’indice di rifrazione nei valori utili per i nostri scopi, come il grado Brix, la concentrazione zuccherina ma anche la concentrazione salina se stiamo usando una Salamoia per le verdure fermentate.

Questi strumenti sono facilmente acquistabili anche on-line, ed hanno un costo mediamente accessibile per tutti, e sono altamente consigliati per chi vuole dotarsi di una strumentazione di maggior precisione durante le proprie fermentazioni. Se posso personalmente consigliare un sito dove acquistare, dove ci sono anche tante informazioni a riguardo e sono molto competenti, è Rifrattometro.eu, dove i prezzi sono anche più accessibili. Poi ci sono ovviamente le case produttrici come Hanna Instruments, ma qui parliamo di strumenti più sofisticati e precisi, da laboratorio o comunque professionali, che hanno prezzi molto più alti. Altrimenti anche su Amazon è possibile trovare alcuni strumenti, ma valutate bene di che tipo di precisione e sensibilità avete bisogno, e soprattutto che scala di conversione utilizza lo strumento che state guardando.

Sperando che questo articolo sia stato utile, vi aspetto al prossimo articolo di approfondimento sulle tecniche e sulle strumentazioni utilizzate in questo mondo delle fermentazioni. Per vedere come si utilizza un rifrattometro nella pratica guarda il mio video qui

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Fonti

• “Chimica Analitica Quantitativa” – Daniel C. Harris, Terza Edizione Zanichelli, 2017 
• “Invito alla fisica” - Paul A. Tipler, Volume 2, Editore Zanichelli, 1995
• Rifrattometro.eu
• Ugwu, K. C., Mbajiorgu, C. C., Okonkwo, W. I., & Ani, A. O. (2018). Design, fabrication and performance evaluation of a portable hand-held refractometer. Nigerian Journal of Technology, 37(2), 537. https://doi.org/10.4314/njt.v37i2.33

Redatto da Renato Illiano per I'm in fermentation