Appunti Primo Parziale Processi della Tecnologia Alimentare

Federico Tagliabue

Processi della tecnologia alimentare con elementi di packaging

Scienze e Tecnologie Alimentari

I Semestre

Processi: primo parziale

Introduzione

La tecnologia alimentare è un complesso di operazioni e processi volti alla conservazione o alla trasformazione di materie prime alimentari prodotte dall’agricoltura, dall’allevamento e dalla pesca.

Gli obiettivi originari e primari della tecnologia alimentare sono due:

• Aumentare la conservabilità delle materie prime commestibili per consentire il trasferimento dai luoghi di produzione a quelli di consumo e per estenderne la disponibilità nel tempo, anche per superare la stagionalità. Esempio: Frutta esotica, senza la tecnologia non potremmo consumarla poiché il processo di trasporto sarebbe talmente lungo da che arriverebbero già deteriorate.
• Produrre ingredienti e, da questi, prodotti finiti partendo da materie prime che come tali non sono commestibili o addirittura contengono fattori tossici.

Di conseguenza anche i principi su cui si fonda la tecnologia alimentare sono due:

• Conservare: evitare alterazioni e deterioramento degli alimenti nel tempo a causa di fattori quali enzimi, microrganismi (batteri, muffe), macrorganismi (insetti, topi), condizioni ambientali.
• Trasformare: con la massima efficienza, il minimo danno tecnologico e ottimizzando la qualità.

È importante condurre tali processi evitando lo spreco, ovvero con la massima efficienza ed operare minimizzando il danno tecnologico. L’ottimizzazione della qualità è una diretta conseguenza della minimizzazione del danno.

Altre funzioni, altri obiettivi della tecnologia alimentare sono:

• Garantire sicurezza igienico-sanitaria (Il consumatore deve avere sempre un prodotto uguale e innocuo);
• Garantire qualità costante (in passato questo secondo punto non sempre era verificato);
• Fornire convenience: fornire un servizio, una convenience, un effetto di convenienza, comodità, facilità e praticità del prodotto nella preparazione o in altre fasi. Es: porzioni convenienti per le diverse condizioni di consumo e per evitare sprechi, prodotti ready to eat (insalata con tovagliolini e forchetta, prodotti per persone single);
• Promuovere lo stato di salute, anche attraverso functional food: prodotti utilizzati per persone sane che vogliono aumentare il proprio benessere, non esclusive per patologie. (es: probiotici, prebiotici, alimenti fortificati, alimenti iperproteici per atleti, alimenti a basso contenuto di zuccheri e grassi, alimenti celiaci…).

Functional food = alimenti che forniscono macroalimenti e svolgono attività funzionali aggiuntive (alimenti fortificati e arricchiti con sostanze benefiche al nostro organismo: antiossidanti, vitamine).

Per aumentare la qualità dei prodotti e di ciò che si produce bisogna cercare di diminuire la quantità di:

• Fattori anti-nutrizionali: nei legumi (lectine, ossalati, fitati), nelle uova (avidina): eliminati con cottura;
• Sostanze tossiche (es: gossipolo).

Esempio: estrazione olio grezzo, ovvero non raffinato, contiene delle sostanze non benefiche per il nostro organismo, come il Gossipolo nell’olio di cotone; o ancora i legumi crudi che contengono fattori anti-nutrizionali che non permettono l’adeguato assorbimento delle proteine, perciò non sono consumabili crudi ma vanno trattati termicamente.

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Evoluzione dei processi di conservazione e trasformazione

Fino a qualche decennio fa le aziende alimentari si occupavano solamente di produrre alimenti in modo da avere cibo per tutti, di produrre alimenti in quantità, in sicurezza ed in qualità costante nel tempo.

Al giorno d’oggi invece tale settore si concentra anche sulla progettazione di alimenti (disegnare il prodotto alimentare), gestendo le materie prime fino al prodotto finito, gestendo la sicurezza e la qualità di filiera (fiducia del consumatore dal campo alla tavola), ed inoltre gestendo la qualità (progettare processi e alimenti con caratteristiche costanti e desiderate).

L’evoluzione dell’industria alimentare è avvenuta tramite focalizzazione dei processi per avere alta resa, bassi costi e conservabilità elevata ed è avvenuta in termini di valore aggiunto ai prodotti tramite passaggio dall’ingegneria di processo (operazioni unitarie, packaging, fenomeni di trasporto) all’ingegneria di prodotto (organizzo il mio processo in base al prodotto: chimica colloidale, fisica degli alimenti, immagine tecnologica). Tale trascrizione ha richiesto una modifica dei concetti e delle tecniche impiegate nella tecnologia alimentare.

Gli interventi tecnologici hanno sempre una finalità che andrà a ricadere sulla qualità del prodotto, quindi per ogni carattere critico si avrà un intervento tecnologico atto alla minimizzazione di tale problema.

Ieri: ingegneria di processo

Produrre alimenti:

• In quantità (cibo per tutti)
• In sicurezza (cibo sicuro)
• In qualità (alimenti con caratteristiche desiderate)

Oggi: ingegneria di prodotto

Progettare alimenti:

• Gestire la qualità (Quality by design) (progettare processi e alimenti con caratteristiche costanti e desiderate: di qualità)
• Gestire la sicurezza e la qualità della filiera (fiducia del consumatore) (from farm to fork)

Evoluzione dell’industria alimentare

In termini di valore aggiunto ai prodotti e passaggio dall’ingegneria di processo all’ingegneria di prodotto. Tale transizione ha richiesto una modifica dei concetti e delle tecniche impiegate nella tecnologia alimentare.

Inizialmente: sviluppo di processo, di trasporto, automazione, packaging per ottenere costi bassi, elevata produzione e conservabilità.

Adesso: sviluppo del prodotto con adattamento del processo per migliorare il prodotto, la sua salubrità e qualità per il benessere del consumatore.

Con l’evoluzione dell’industria alimentare e con lo sviluppo della moderna tecnologia alimentare, si sono sviluppate (e si stanno sviluppando) delle strategie basate su mirati interventi al fine di risolvere dei problemi o dei difetti presenti negli alimenti e renderli, ad esempio, più commestibili o meno vulnerabili.

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Processo

Insieme di operazioni, materiali, attività, controlli che vengono messi in atto per conservare o trasformare le materie prime in prodotti finiti. È quindi un insieme di operazioni che permette di passare da un input (materie prime) ad un output finale (prodotto alimentare finito). I suoi obiettivi sono:

• Aumentare la conservabilità delle materie prime per consentire il trasporto ed aumentarne la shelf-life, quindi un prodotto più anche non esser trasformato, ma anche solo adattato a caratteristiche di conservazione;
• Produrre ingredienti alimentari (farina…);
• Produrre alimenti finiti attraverso la combinazione e trasformazione di materie prime ed ingredienti trasformati.

Il processo deve tenere in considerazione, oltre alla sequenza di operazioni, anche dei materiali che fanno parte dell’operazione e del trasporto.

Materie prime

Materiali che entrano nel processo aziendale e che provengono dai settori tradizionali della produzione primaria, ossia agricoltura, allevamento e pesca.

Ma non solo, infatti le materie prime in senso lato possono anche essere i semilavorati, ingredienti creati con un processo tecnologico, tramite le industrie di prima trasformazione.

Tra le materie prime rientrano anche additivi, coadiuvanti, nutrienti e materiali di confezionamento.

Tali prodotti si possono dividere in base all’origine e quindi animale (carne, latte, prodotti della pesca e derivati), vegetale (cereali, legumi, piante oleose, frutta, verdura, piante zuccherine, piante tropicali o nervine e piante officinali) e di origine minerale.

La materia prima non è intesa solo come ciò che va a costituire l’alimento vero e proprio, ma anche ciò che fa parte della confezione dell’alimento.

Anche un additivo o un conservante è considerato un alimento poiché deve poter essere idoneo al consumo umano ed essere utilizzato come ingrediente negli alimenti.

(additivo: sostanza utilizzata che è parte costituente del prodotto finito e ha funzionalità differenti da quella nutrizionale, ad esempio come antiossidante o colorante);

(coadiuvante: sostanza utilizzata per migliorare i processi di produzione che non viene ritrovata nel prodotto finito).

Produzione primaria

Tutte le fasi della produzione, dell’allevamento o della coltivazione dei prodotti primari, compresi il raccolto, la mungitura e la produzione zootecnica precedente la macellazione e comprese la caccia e la pesca e la raccolta di prodotti selvatici (regolamentata dalla legislazione Reg.178/2002).

Permette di ottenere materie prime utilizzabili già di per se o per costituire un alimento.

Prodotti primari

I prodotti della produzione primaria compresi i prodotti della terra (coltivazione), dell’allevamento, della caccia e della pesca. (Reg. CE 852/2004).

Prodotti intermedi/secondari o semilavorati

Tutti i prodotti derivanti da manipolazioni e trasformazioni delle materie prime, ma non ancora diventati prodotti finiti, che sono oggetto di commercio (farina, miscele per gelato, succhi concentrati). C’è differenza tra semilavorato e prodotto alimentare finito. Essi, infatti, non sono ancora considerati prodotti finali, finiti, prodotti che possiamo utilizzare nella produzione di un prodotto finito e possono coincidere nel caso dell’industria produttrice.

Prodotti alimentari

Prodotti destinati al consumo alimentare ottenuti dalla conservazione o dalla trasformazione delle materie prime, che arriva al consumatore finale (latte, insalata IV gamma).

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Definizione del Codex alimentarius = Raccolta di norme creata dalla FAO e dall’OMS, approvata da molti paesi del mondo che vuole raccogliere le caratteristiche base per definire determinati prodotti alimentari. Essendo delle norme (e non delle leggi) sono applicate su base volontaria, infatti sono viste come raccomandazioni o linee guida.

Contiene inoltre degli standard per ciascun prodotto, ovvero degli indici chimici raccomandati. Tali norme sono utili anche per le aziende che devono acquistare dei semilavorati e decidere a quale fornitore rivolgersi.

“Un alimento è una qualsiasi sostanza o prodotto trasformato, parzialmente trasformato o non trasformato, destinato ad essere ingerito, o di cui si prevede ragionevolmente che possa essere ingerito, da esseri umani. Includono bevande, gomme e qualsiasi sostanza utilizzata per la manifattura, preparazione e trattamento del cibo.”

Prodotti non trasformati (Reg. CE 852/2004)

Prodotti alimentari non sottoposti a trattamento, compresi prodotti che siano stati divisi, separati, sezionati, affettati, disossati, tritati, scuoiati, frantumati, tagliati, puliti, rifilati, decorticati, macinati, refrigerati, congelati, surgelati o scongelati, quindi prodotto originali che dal punto di vista chimico-fisico mantengano le stesse caratteristiche ma magari conservate in modo particolare (congelato) o ripuliti da qualcosa (disossato).

Prodotti trasformati

Prodotti alimentari ottenuti dalla trasformazione di prodotti non trasformati. Tali prodotti possono contenere ingredienti necessari alla loro lavorazione o per conferire loro caratteristiche specifiche.

Processo tecnologico

Un processo tecnologico è costituito da una sequenza ordinata di operazioni unitarie applicate in determinate condizioni operative ad una o più materie prime. Il prodotto finito è il risultato di tutti i fenomeni che hanno luogo durante l’intero processo.

Operazione unitaria

Fase elementare di un processo tecnologico basata su principi unitari e descrivibili mediante opportune equazioni di bilancio e cinetiche.

I principi che regolano l’andamento di una data operazione unitaria non dipendono dalla specifica applicazione del materiale trattato, ma possono essere definiti in maniera indifferenziata quale che sia il settore e il materiale di applicazione dell’operazione.

Bisogna sempre tener conto del rapporto operazione unitaria – prodotto, poiché ogni differente prodotto va maneggiato in base alle sue caratteristiche. Mentre l’operazione unitaria è applicabile a vari prodotti diversi con accorgimenti diversi, il processo è unitario per ogni prodotto ma le condizioni sono le stesse. La sequenza delle operazioni è differente e il processo sarà differente in condizioni diversi del prodotto specifico.

• Operazioni unitarie fondamentali: operazioni grazie alle quali avviene effettivamente la trasformazione o la conservazione, sono operazioni singole che caratterizzano il processo e quindi svolgono il ruolo primario in un processo (refrigerazione, mild technologies, surgelamento, congelamento, sterilizzazione, disidratazione, frazionamento meccanico, frazionamento fisico e fisico-chimico, miscela semplice, miscela con strutturazione, trasformazione chimica con riscaldamento, trasformazione chimica ed enzimatica, trasformazione microbiologica);
• Operazioni unitarie complementari: non hanno né finalità conservative né di trasformazione, ma servono per preparare il prodotto all’operazione fondamentale, al trattamento specifico o per preparare il prodotto alla fase conservativa, sono quindi operazioni di supporto (riduzione delle dimensioni, formazione, stabilizzazione termica, stabilizzazione fisica, stabilizzazione in base al contenuto d’acqua, separazione da componenti minori ed impurità, addizione di componenti minori, selezione, condizionamento e packaging, trasporto).

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Obiettivi della tecnologia alimentare

Come già anticipato, gli obiettivi che si propone di raggiungere la tecnologia alimentare sono principalmente 2:

• Conservare: le tecnologie di conservazione hanno lo scopo di prolungare la vita commerciale di un alimento alterando nella minor misura possibile le caratteristiche geometriche, strutturali, meccaniche, fisiche, chimiche, microbiologiche, sensoriali e nutrizionali delle materie prime o dei semilavorati o dei prodotti finiti, in vista della loro utilizzazione o del consumo finale.
• Trasformare: le tecnologie di trasformazione hanno lo scopo di modificare le caratteristiche geometriche, strutturali, meccaniche, fisiche, chimiche e microbiologiche delle materie prime e dei semilavorati al fine di ottenere prodotti con adeguate proprietà sensoriali, nutrizionali, di lavorabilità, di convenience e di conservabilità.

Altri importanti obiettivi sono:

• Minimizzare il danno tecnologico
• Massimizzare il processo
• Massimizzare la qualità

Danni tecnologici

I danni tecnologici sono tutto ciò che può avvenire durante un processo e che può far scadere le proprietà sensoriali o nutrizionali del prodotto trattato. Abbiamo diverse tipologie di danno:

• Danno meccanico: danno strutturale del prodotto (rottura, fessurazione, fuoriuscita di succhi, formazioni di fini), dovuti ad azione di pressione o shear-tres (sforzo di taglio) oltre i limiti di resistenza del prodotto;
• Danno termico: danno causato dagli scambi di calore, perciò dal calore fornito al prodotto, oppure determinato dalla sottrazione di calore e si manifesta con perdite di vitamine, diminuzione di digeribilità, formazione di off-flavours e off-colours. È dovuto quindi agli effetti del calore sui componenti degli alimenti.

Il danno termico può provocare o favorire il danno meccanico rendendo i tessuti più fragili e le pareti cellulari meno elastiche e facendo aumentare la pressione interna del prodotto. Può anche favorire il danno chimico per effetto di accelerazione esercitato dall’aumento della temperatura su tutte le reazioni;

• Danno chimico, dovuta a reazioni chimiche, in particolare all’ossidazione causando appunto ossidazione di vitamine, oli, grassi, portando allo scadimento delle qualità del prodotto. Si possono avere anche fenomeni di idrolisi, lipolisi, proteolisi, isomerizzazione, fotodegradazione.

È anche collegato al danno termico poiché, alzando la temperatura, si velocizzano le reazioni chimiche.

L’entità del danno dipende dalla concentrazione delle sostanze reagenti e dalle condizioni al contorno che favoriscono o inibiscono le reazioni;

• Danno da contaminazioni: che possono essere di natura chimica, fisica o biologica, data da contaminanti presenti negli ambienti o nei materiali che vengono in contatto con il prodotto e l’intensità del danno dipende dalla concentrazione e dal tipo di contaminanti.

Per qualunque tipo di danno, la sua entità è data dall’intensità e dal tempo di esposizione.

Entità del danno = intensità x durata (dell’esposizione)

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Tipologie di processi

Processi continui

I processi continui coinvolgono trasformazioni continue di massa, energia e quantità di moto su flussi continui di materiale. Immissione continua di materie prime e raccolta continua di prodotto finito, dove le trasformazioni avvengono senza interruzioni, senza pause.

Ingresso delle materie prime da un’estremità che seguono un percorso costituito da un insieme concatenato di operazioni unitarie, dove il prodotto passa da una all’altra in modo continuo, fino ad arrivare alla fine con il prodotto.

La qualità quindi di tutti i prodotti formati rimane uniforme nel tempo a prescindere dalla durata del periodo in cui il processo è rimasto attivo. Ideale per aziende medio grandi.

Processi discontinui (batch)

Produzione di quantità finite di prodotto finale ottenute da quantità finite di materie prime, processate secondo un insieme ordinato di attività e in un periodo di tempo finito, con pause ed interruzioni.

Si lavora e si ottiene una quantità definita e ben determinata in un certo tempo.