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Interventi tecnologici e conservativi delle materie prime ed alimenti in genere

Gli interventi tecnologici sono degli interventi che affondano le radici in processi chimici, fisici, chimico/fisici e biologici.

Processi chimici

Per quanto riguarda i processi chimici, c'è la possibilità di utilizzare agenti conservanti nella preparazione alimentare (l’uso dei conservanti è molto frequente, sia per quanto riguarda la loro azione antifungina, antimicrobica, antiossidante sia per quanto riguarda le proprietà sensoriali). Molto frequente è l’uso dell’anidride solforosa nella conservazione dei prodotti alimentari, che è un gas che viene aggiunto ad esempio alle bevande alcoliche come il vino, ma anche nei succhi di frutta, nei prodotti ittici come sbiancante, nella frutta secca, nelle farine ecc.

L’acidificazione è usata ad esempio per le conserve vegetali sottaceto; la soluzione di aceto ha il 6% minimo di acido acetico, e questo consente di ottenere una determinata conservazione di queste conserve.

L’atmosfera modificata e l’atmosfera controllata sono dei processi chimici, che consentono di modificare e prevedere un allungamento della shelf life semplicemente modificando l’atmosfera. (Composizione dei gas nell’atmosfera: 79% in volume di azoto, 21% in volume di ossigeno, 0,02% in volume di anidride carbonica, e altri gas rari come argon, elio). L’atmosfera può essere modificata inserendo percentuali di gas differenti, andando a bloccare alcune reazioni.

Per quanto riguarda invece l’atmosfera controllata avviene ad esempio nella frigoconservazione, dove viene mantenuta nel corso dell’intera vita di conservazione utilizzando ad esempio generatori di ossigeno, abbattitori di ossigeno, generatori di anidride carbonica.

Sottovuoto è l’eliminazione totale o parziale dell’aria, senza la sostituzione dell’aria con altri gas.

Processi fisici

Poi ci sono processi fisici, che affondano sulle leggi fisiche, in particolar modo sono processi che prevedono l’alta temperatura e pastorizzazione, sterilizzazione, la bassa temperatura, quindi cottura, surgelazione, congelamento refrigerazione.

Differenza didattica tra pastorizzazione e sterilizzazione: tutti i trattamenti termici che si fanno a temperature < 100°C sono trattamenti di pastorizzazione, e i tempi sono variabili in base al tipo di alimento trattato; ad esempio, la coppia t/T minima del latte ad uso alimentare è 15’’/72°C, che consente di abbattere la carica batterica patogena vegetativa e quindi ridurre a 0 il rischio microbiologico, e ridurre la carica batterica alterativa banale. Dato che le temperature sono < 100°C si parla di una pastorizzazione che consente di abbattere solo le cellule vegetative o le spore debolmente resistenti.

Si parla di sterilizzazione con tutti quei trattamenti termici che vengono fatti a temperature > 100°C, quindi dai 115°C fino ai 140°C, che consentono, con appropriato tempo di trattamento, di distruggere oltre alla microflora vegetativa anche la microflora sporigena patogena. In entrambi i trattamenti si prendono come riferimento dei microrganismi di patogenicità termoresistenti, che se vengono distrutti significa che si distruggono anche tutti i patogeni che sono meno termoresistenti. Nel caso della sterilizzazione si prende come riferimento Clostridium Botulinum di tipo A, di cui bisogna considerare l’F che è l’effetto sterilizzante totale (è un indicatore molto importante che permette di capire, in base al numero di riduzioni decimali che si vogliono dare al microrganismo target, qual è il tempo necessario per ridurre di 12 volte il numero iniziale).

Nel caso del C.Botulinum, dove c’è un D=15’’, F = 3’=180’’. Nel caso della pastorizzazione si prende come riferimento Micobacterium Tubercolosis o la Salmonella, perché sono dei microrganismi patogeni termoresistenti che possono crescere ad esempio nella matrice latte. La coppia t/T per la pastorizzazione del latte consente di ottenere un prodotto igienicamente salubre distruggendo almeno di 6 cicli logaritmici il Micobacterium Tubercolosis, distruggendo anche batteri meno termoresistenti. In questo caso si ha F = 6’.

Ovviamente questa coppia t/T se da un lato deve salvaguardare le caratteristiche igienico-sanitarie del prodotto, deve garantire delle caratteristiche sensoriali e nutrizionali adeguate a non essere alterate dal trattamento termico.

Per quanto riguarda le basse temperature si ha la possibilità, laddove i prodotti possono essere sottoposti a surgelazione o congelamento, di ridurre notevolmente l’attività enzimatica, la moltiplicazione batterica. Non sono dei trattamenti sanitizzanti, ma dei trattamenti batteriostatici, e quindi controllano la velocità cinetica di moltiplicazione dei microrganismi e delle reazioni enzimatiche.

Processi chimico/fisici

Poi ci sono i processi chimico/fisici, in cui bisogna parlare della water activity (aw ≤ 1, dove P rappresenta la tensione di vapore acqueo dell’acqua nell’alimento e P₀ rappresenta la tensione di vapore acqueo dell’acqua pura. Quando P=P₀, aw=1).

L’attività dell’acqua può essere, e deve essere regolata, perché la dipendenza della moltiplicazione batterica e delle reazioni enzimatiche dall’attività dell’acqua danno luogo ad una facile alterazione dei prodotti alimentari. Un esempio di un enzima che in presenza di acqua lavora molto bene è la Lipasi, che dà luogo ad un aumento dell’acidità libera di un grasso, la Proteasi, l’Idrolasi ecc.

Quindi riducendo la aw si riducono le reazioni enzimatiche che necessitano di acqua, e la moltiplicazione batterica. La aw non viene abbassata solo allontanando l’acqua dall’alimento attraverso l’essiccamento, concentrazione sottovuoto, ma può avvenire anche attraverso il congelamento e la surgelazione, non tanto perché si allontana fisicamente l’acqua ma in quanto l’acqua subisce un passaggio di stato da liquido a solido. L’acqua forma dei cristalli, i quali sono legati l’uno all’altro e non sono disponibili per le reazioni chimiche e microbiologiche, per questo il congelamento e la surgelazione portano ad una riduzione della aw. La riduzione della aw si può ottenere anche mediante l’aggiunta dall’esterno di soluti, come l’HCl, il quale in acqua si dissocia in Na⁺ e Cl⁻ e con l’acqua fa legami ionici, mentre la scissione dello zucchero (in particolare saccarosio) avviene in un ambiente acido e ad alta temperatura, e forma legami idrogeno, legami di forze di van der Waals con l’acqua, la quale debolmente coordinata con lo zucchero non è più disponibile e quindi la aw si trova a valori più bassi.

L’acqua è il principale solvente degli alimenti, si trova ovunque. Tra due componenti il componente a maggiore concentrazione è il solvente e il componente a minore concentrazione è il soluto, e se si indica l’acqua come uno dei principali componenti dei prodotti alimentari, dato che la aw rappresenta la tensione di vapore in rapporto tra la tensione di vapore dell’acqua dell’alimento e la tensione di vapore dell’acqua allo stato puro (P/P₀), attraverso la legge di Raoul è possibile calcolare la tensione di vapore dell’acqua presente in un alimento:

P = x_solvente · P₀ (Frazione molare solvente, X = solvente + nsoluto)

Quando si ha l’acqua allo stato puro c’è solo il solvente, non il soluto, quindi:

P_solvente = 1 → x_solvente = 1 → aw = x_solvente • P₀

Con questa relazione è possibile fare una stima previsionale. Esercizio: Abbiamo una soluzione al 10% in zucchero, quanto è la water activity? Se abbiamo una soluzione invece al 3% in NaCl quanto è la water activity? (Quando non si individua l’unità di misura vicino la percentuale è sottointeso peso-peso, quando si individuano le unità di misura peso-volume, volume-volume si inserisce l’unità di misura).

Interventi biologici

Interventi tecnologici conservativi che affondano i propri principi nei processi di tipo biologico: processi fermentativi

Il vino è il prodotto ottenuto dalla fermentazione alcolica totale o parziale del mosto d’uva o dell’uva ammostata, che ha un grado alcolico in uscita minimo di 9,5% vol e massimo 15% vol. È un processo biologico che viene applicato attraverso un intervento tecnologico, per trasformare una materia prima, quale mosto d’uva (succo d’uva o uva ammostata cioè un’uva accatastata che nel tempo ha avuto un’operazione di ammostamento attraverso una semplice pressatura e che ha una lenta fermentazione), in un prodotto finale (vino) fermentato che ha un grado alcolico tra 9.5 e 15, e che consente di ottenere un prodotto più stabile nel tempo che si conserva meglio dell’uva stessa.

La fermentazione alcolica è operata da Saccharomyces cerevisiae, che è un lievito, microrganismo eucariota (cellula complessa che si moltiplica per gemmazione quindi dalla cellula madre si ottiene una cellula figlia, le due cellule a maturazione sono uguali e si moltiplicano). Se il mosto è messo in condizioni di moltiplicazione (temperatura, microaerofilia), questi microrganismi, che hanno l’effetto Pasteur, possono dar luogo a una fermentazione alcolica.

L’effetto Pasteur è un particolare percorso biochimico che fanno i microrganismi e in particolare i lieviti, i quali se vengono messi in un substrato zuccherino, e sono in presenza di un’elevata tensione di ossigeno (c’è molta aria), preferiscono metabolizzare lo zucchero attraverso la via respiratoria, quindi lo zucchero viene respirato, e come prodotti di questa respirazione si ottiene la CO₂, acqua e ATP (calore).

Pasteur capì che se questi microrganismi vengono messi in un ambiente microaerofilo (cioè a bassa tensione di ossigeno), in presenza di zucchero cambiano il loro percorso metabolico; quindi, dallo zucchero traggono energia non per via respiratoria ma per via fermentativa, dallo zucchero ottengono in uscita alcol etilico, anidride carbonica e calore. Quindi le due reazioni sono effettuate dallo stesso microrganismo (cioè lievito), sullo stesso substrato ma questo microrganismo a seconda delle condizioni di microaerofilia o di iperossigenazione, preferisce fare la respirazione o la fermentazione.

Dal punto di vista tecnologico se bisogna fare una fermentazione alcolica è necessario andare verso una microaerofilia, e anche se bisogna fare una fermentazione dei prodotti da forno (lievitazione) si ha un fenomeno di fermentazione alcolica, dove si produce anidride carbonica usata per la levata dei prodotti da forni quando si va in cottura.

Un altro esempio di processo biologico è quello che si osserva quando si fermenta il latte per ottenere lo yogurt. Lo yogurt è un altro esempio di intervento tecnologico conservativo sulla materia prima latte, che viene trasformato portandolo da un pH 8 in un prodotto derivato a pH acido 4.5-5, che ha una aw diversa e un’acidità tale da consentire una maggiore conservazione.

Struttura dell'industria alimentare

Amministrazione e finanza 7%, Commercio e logistica 19%, Produzione 9%, Controllo gestione 43%, 22%

C’è una classificazione che prevede una differenziazione della struttura dell’industria alimentare in base al numero di addetti. Questa è una differenziazione che viene utilizzata didatticamente ma anche per differenziare le varie categorie commerciali dell’industria alimentare.

La figura del tecnologo alimentare si inserisce nel controllo e gestione del processo individuale di una serie di operazioni unitarie di cui si vanno a valutare i punti critici di controllo, attraverso i quali si può ottenere un prodotto di qualità e di eccellenza. Il tecnologo alimentare deve avere il senso critico, gli strumenti per valutare se un processo di lavorazione è di filiera verticale (filiera di settore dove si parte da una materia prima dalla quale si possono ottenere i diversi derivati) o di filiera orizzontale (estrazione).

Sulla filiera bisogna essere in grado di individuare i punti critici, la qualità della materia prima, quali sono i tipi di parametri fondamentali nella gestione del processo che consentono, attraverso una serie di passaggi, di arrivare ad un prodotto finale di eccellenza. Quindi l’obiettivo è quello di ottenere un prodotto di alta qualità, con elevate caratteristiche sensoriali, nutrizionali, e che deve essere igienicamente salubre.

Obiettivi del settore alimentare

• Aumentare la vita di scaffale delle materie prime commestibili, in modo tale da poter distribuire, nell’arco del tempo e in diversi luoghi lontani dalla produzione, il prodotto alimentare.
• Produrre ingredienti alimentari e, da questi, prodotti finiti partendo da materie prime non commestibili.

Lotto -> insieme di prodotti ottenuti dalla stessa materia prima, trasformati nello stesso periodo e con la stessa tecnologia di produzione.

Sui barattoli di banda stagnata delle conserve di pomodori ci sono dei codici alfanumerici, che danno tutte le informazioni, addirittura c’è un numero che indica il giorno in cui è stata prodotta quella scatola.

Elenco degli ingredienti -> si imposta nel valutare mediamente dall’ingrediente più abbondante all’ingrediente meno abbondante. In questi ingredienti non rientrano i coadiuvanti tecnologici, perché sono delle matrici che vengono utilizzate inevitabilmente in un processo di lavorazione per aumentare la resa, per favorire l’estrazione, ma che non deve lasciare traccia nel prodotto finale. Un esempio di coadiuvante tecnologico è il solvente che si utilizza durante l’estrazione (nel caso degli oli l’esano per estrarre la matrice grassa, nel caso dello zucchero l’acqua per estrarre lo zucchero, nel caso dell’affioramento della ricotta dal siero si usano dei Sali riaffioranti come il magnesio).

L’industria alimentare ovviamente non produce solo prodotti finiti, ma anche degli intermedi di lavorazione, e la maggior parte della trasformazione alimentare fa i semi-lavorati. Quindi la tecnologia alimentare si sta spostando, dal vecchio sistema materia prima -> prodotto finale, nella tipologia a frazionamento della produzione dei diversi ingredienti che poi vengono ricombinati. I vantaggi sono quelli di avere una materia prima molto più stabile e molto più costante, e nel momento in cui si vanno a ricombinare questi ingredienti si ha un prodotto finale standardizzato, con caratteristiche chimico-fisiche e nutrizionali sempre più costanti.

Classificazione dell’industria alimentare

• Industria di trasformazione: industria di prima trasformazione (insaccati, succhi di frutta, latte di uso alimentare, yogurt), industria di seconda trasformazione (pasta, prodotti dolciari)
• Industria di conservazione: industria di conservazione dei prodotti freschi (prodotti che si vanno a consumare in un breve arco di tempo), industria di produzione di conserve (si ha una conservabilità che può arrivare fino a 3-5 anni)

Suddivisione delle varie classi di prodotti nelle diverse categorie tecnologiche

• Prodotti freschi: latte, carne, uova, pesce, frutta, verdura, acque minerali
• Conserve: animali, vegetali
• Prodotti di prima trasformazione: vino, formaggio, burro, salumi, succhi, bevande nervine
• Ingredienti, intermedi, semilavorati: farine, oli, grassi animali, zuccheri, malto, latte in polvere, altri derivati del latte. (Se si fa uno yogurt bianco ovviamente è un prodotto di prima trasformazione, ma se si fa uno yogurt al cioccolato o alla frutta ovviamente è un prodotto di seconda trasformazione)
• Prodotti di seconda trasformazione: pane e prodotti da forno, prodotti dolciari, pasta, bevande analcoliche, liquori, distillati, aperitivi, alimenti dietetici, birra

Dalle produzioni primarie, attraverso una semplice tecnologia di conservazione di prodotti freschi tal quali o conservati in atmosfera modificata (a 3°C, al 3% di anidride carbonica e al 3% di ossigeno) si ottengono prodotti freschi. Attraverso invece la tecnologia delle conserve si ottengono appunto le conserve. Attraverso la tecnologia di prima trasformazione si ottengono, ovviamente, sia prodotti definitivi che poi possono essere utilizzati in altre lavorazioni per ottenere i prodotti di seconda trasformazione, sia i prodotti di prima trasformazione. Poi ovviamente ci sono i semilavorati che vengono ricombinati per ottenere sempre i prodotti di seconda trasformazione.

Ci focalizziamo in parte sulle apparecchiature e tecnologie di tipo industriale, come ad esempio la frigoconservazione dei prodotti ortofrutticoli freschi. Se immaginiamo una cella frigo grande quanto un’aula bisogna garantire che il prodotto al suo interno mantenga le sue caratteristiche di freschezza nel corso della sua breve shelf life. Ci sono i frutti climaterici (sono quei frutti che presentano un picco climaterico, cioè il picco di respirazione).