Trattamenti termici ad alta temperatura

L’operazione di sterilizzazione può essere condotta in diversi modi:

1. STERILIZZAZIONE CLASSICA O APPERTIZZAZIONE: effettuata per

quegli alimenti che vengono prima confezionati, tradizionalmente in

contenitori metallici o bottiglie ma recentemente sempre più in film

polimerici flessibili, poi, trattati termicamente. Questo tipo di

sterilizzazione può essere condotta in discontinuo (o batch) o in continuo.

Sterilizzazione in discontinuo (o batch): l’alimento è portato a

 121°C x alcuni minuti (15-20 min a seconda della dimensione del

carico e del contenuto). Il prodotto confezionato viene posto

all’interno di un autoclave statica, dopo chiusura, nell’impianto

viene rilasciato vapore ad alta pressione (474 kPa) che consente di

raggiungere e mantenere la temperatura desiderata. Dopo un

periodo di sosta la pressione viene rilasciata per ritornare a

pressione e temperatura ambiente.

Sterilizzazione in continuo: l’alimento viene inserito all’interno

 di uno sterilizzatore idrostatico costituito da due colonne di

acqua e una torre di sterilizzazione che contiene il vapore ad alta

pressione. I sistemi di trasporto convogliano i contenitori attraverso

l’impianto in maniera continua. I prodotti entrano nello

sterilizzatore attraverso la prima colonna di acqua dove vengono

preriscaldati; il riscaldamento viene completato nella torre dove è

presente il vapore e infine vengono raffreddati percorrendo la

seconda colonna contenente acqua fredda.

L’appertizzazione viene effettuata per inscatolati vegetali (legumi,

ortaggi, frutta) e animali (carni bovine, suine e pesce).

2. STERILIZZAZIONE UHT (ultra high temperature): consiste nella

sterilizzazione del prodotto sfuso e successivo confezionamento in

asettico. Vengono raggiunte temperature intorno a 135°C x pochi

secondi. La sterilizzazione UHT può essere condotta con due modalità

differenti: UHT diretto (o uperizzazione) in cui l’alimento viene

riscaldato per iniezione o infusione di vapore e UHT indiretto in cui

l’alimento viene sterilizzato all’interno di uno scambiatore di calore. Nello

scambiatore di calore avviene sia il riscaldamento che il raffreddamento

del prodotto alimentare, il fluido di riscaldamento utilizzato è vapore in

pressione, alla fase di riscaldamento segue la fase di mantenimento nel

tubo di sosta alla temperatura massima per un tempo necessario ad

ottenere l’effetto sterilizzante, e la fase di raffreddamento con l’utilizzo di

acqua fredda come fluido di raffreddamento. Viene effettuato poi il

confezionamento in ambiente asettico utilizzando contenitori che sono

stati sterilizzati separatamente.

Questi impianti non possono essere utilizzati per prodotti solidi ma sono

stati adattati per il trattamento di prodotti viscosi e per prodotti liquidi

contenenti solidi in sospensione (latte a lunga conservazione, succhi di

frutta, minestre, yougurt, creme di latte, vino, omogeneizzati, pomodoro,

stufati).

Inevitabilmente le alte temperature della sterilizzazione provocano modifiche di

caratteristiche sensoriali e nutrizionali dell’alimento ma i trattamenti UHT

hanno il vantaggio di ridurre i danni nutrizionali come la denaturazione di

proteine e vitamine (è preferibile sempre utilizzare alte temperature per brevi

periodi di tempo piuttosto che temperature più basse ma per tempi prolungati

perché ciò determina un maggiore decadimento qualitativo del prodotto).

La storia termica a cui è sottoposto un prodotto alimentare durante la

sterilizzazione è fortemente correlata al suo pH.

Alimenti molto acidi (pH<3.7): trattamento termico basato sulla resistenza

termica di microrganismi che provocano deterioramento.

Alimenti mediamente acidi (3.7 < pH < 4.5): come alimenti acidi.

Alimenti poco acidi (pH>4.5): trattamento termico basato sulla resistenza

Clostridium botulinum.

termica del

NB: nella pastorizzazione e sterilizzazione il trattamento ha anche l’obiettivo

secondario di cuocere il prodotto, come avviene ad esempio per i fagioli in

scatola che possono essere consumati freddi o riscaldati.

3. CINETICA DI RIDUZIONE DELLA CARICA MICROBICA

Nell’attuazione dei processi termici di stabilizzazione degli alimenti di utilizza

un agente esterno (in questo caso l’alta T) per ridurre la carica microbica del

prodotto.

L’equazione ottenuta è detta anche prima legge di Bigelow. Se si

presentano i dati su un grafico semilogaritmico si ottiene una retta detta curva

di sopravvivenza il cui modello matematico è quello sopra presentato. La

pendenza della retta è la costante cinetica (o costante di velocità, k) o il

reciproco del tempo di riduzione decimale (1/D) ed è inversamente

proporzionale al tempo di riduzione decimale D (pendenza=k=1/D).

N N

g

o

l 0 t

e

m

p

o

N T

N

g

o

0

l T

3

T 2

t

1

e

m

p

o

Il tempo di riduzione decimale D, è correlato alla costante cinetica k, che a sua

volta è correlata alla temperatura T. Che tipo di dipendenza abbiamo? Più alta è

la temperatura e più basso è il tempo di riduzione decimale; per cui se per uno

stesso microrganismo andiamo a fare tre diversi trattamenti a tre diverse

temperature, T1>T2>T3, e per ognuno di essi andiamo ad osservare come

diminuisce la carica microbica e poi l’andiamo a rappresentare su un piano

semilogaritmico, otterremo tre curve di sopravvivenza diverse. Tutte e tre le

curve partono dallo stesso valore della carica microbica iniziale No, però poi in

funzione della temperatura a cui trattiamo il microrganismo avranno una

diversa cinetica di morte: più veloce a temperatura più alta (T1), intermedia a

temperatura intermedia (T2) e più lenta a temperatura più bassa (T3). Queste

tre curve sono rette con pendenza differente e la pendenza è tanto più alta

quanto maggiore è la T perché tanto più basso è D (infatti la pendenza è

inversamente proporzionale a D). Quindi considerato un tempo qualsiasi

sull’asse x, a parità di tempo la riduzione della carica microbica che si ha a T1 è

maggiore di quella che si ha a T2 che a sua volta è maggiore di quella che si ha

a T3.

Diversi esempi di curve di sopravvivenza (leggere):

GRAFICO A: Come possiamo leggere il tempo da questo grafico? Sulla retta,

presi due punti a distanza di un ciclo logaritmico, in questo caso 10000 e 1000,

D è l’intervallo di tempo necessario a ridurre la popolazione di microrganismi

da 10000 a 1000, e corrisponde a 4 minuti. Quindi, fissata la temperatura, ogni

4 minuti la carica microbica si riduce di un ciclo logaritmico.

GRAFICO B: Abbiamo un primo intervallo di tempo in cui si ha un leggero

incremento della popolazione microbica, che generalmente è molto piccolo, e

un secondo intervallo di tempo in cui la curva inizia decrescere in maniera

lineare. Per andare a stimare D su questa curva di sopravvivenza dobbiamo

andare a considerare dei tempi che vanno oltre l’intervallo di tempo iniziale

durante il quale la riduzione non è lineare.

GRAFICO C: all’inizio la curva decresce in maniera non lineare e dopo un certo

intervallo di tempo inizia poi ad essere perfettamente lineare. In questo caso si

dice che c’è un tempo di latenza, indicato con tl, durante il quale c’è una morte

dei microrganismi ma che ancora non segue una cinetica di primo ordine. Per

cui anche in questo caso se volgiamo stimare D da questa curva, dobbiamo

andare a considerare l’intervallo di tempo a cui corrisponde la riduzione della

carica microbica di un ciclo logaritmico ma dopo il tempo di latenza.

Le curve di sopravvivenza vengono spesso utilizzate proprio per stimare il

tempo di riduzione decimale, D, caratteristico per ogni microrganismo, a una

determinata temperatura di riferimento e in un determinato substrato. Per cui

vengono fatte delle sperimentazioni in cui il microrganismo, nel substrato di

interesse, viene incubato a una certa temperatura e a ogni tot di tempo viene

fatta la conta microbica. Ottenuti i valori, viene costruita una curva di

sopravvivenza da cui sarà possibile fare la stima del tempo di riduzione

decimale, D, che cercavamo (in che modo? Lo ricavo dal grafico, perchè D deve

corrispondere alla riduzione della popolazione microbica di un ciclo logaritmico,

oppure da un foglio di calcolo excel).

4. TEMPO DI RIDUZIONE DECIMALE

DIPENDENZA DI D DA T, NOTA Ea: Ricorriamo al

 modello di Arrhenius per ricordarci come la costante cinetica k dipenda

dalla temperatura secondo questo modello.

NB: anche ko = 2,303/Do. Ricordiamoci che in

questa equazione le temperature sono assolute; quindi espresse in gradi

Kelvin.

DIPENDENZA DI D DA T, NOTA Z:



NB: anche ko = 2,303/Do.

Se per un determinato microrganismo conosciamo il valore di D a una

determinata temperatura e sono noti anche il valore di z o dell’Ea, possiamo

stimare il valore di D a qualsiasi altra temperatura attraverso i due modelli

proposti.

Anche dell’equazione logD/Do=(T-To)/z ne possiamo fare una rappresentazione

grafica. Se utilizziamo sempre un piano semilogaritmico e riportiamo in ascissa

la temperatura e in ordinata il logD, questa equazione è una retta con

pendenza negativa e la pendenza è proprio correlata a z. Da questa curva di

resistenza termica si può andare a stimare z, perché anche z, come D, va

valutato attraverso sperimentazioni (per un determinato microrganismo vado a

stimare D a diverse temperature attraverso la costruzione di diverse curve di

sopravvivenza, vado a diagrammare tutti i valori di D ottenuti in funzione della

temperatura e ottengo la curva di resistenza termica e dalla essa vado a

stimare z. In che modo? Lo ricavo dal grafico, perchè z deve corrispondere alla

riduzione di D di un ciclo logaritmico, oppure da un foglio di calcolo excel).

atur

tem per a

D

g

lo

NB: l’equazione ln k/ko = ln (10)^(T-To/z) è quella della slide sulla costante di

resistenza termica ma scritta in forma logaritmica (porto ko al primo membro e

divido tutto per ko e poi applico ln al primo e al secondo membro).

Questa equazione ci consentirà di poter calcolare Ea conoscendo z e viceversa.

D a una temperatura di riferimento è indicato con Do e la temperatura di

riferimento generalmente è 121,1°C per la sterilizzazione e di 82,2°C per la

pastorizzazione. Proprio perché D dipende dalla temperatura, è generalmente

indicata con un pedice che è zero, se la temperatura è quella di riferimento

oppure con un pedice che corrisponde alla temperatura a cui si sta operando se

questa è diversa da q