61 Domande e risposte - Esame processi di tecnologia alimentare prof. Lucisano - 1 Parziale

Definizione di tecnologia alimentare, di processo, di prodotto e di operazione unitaria

La tecnologia alimentare studia le procedure relative alla trasformazione delle materie prime in prodotti alimentari. Si occupa dei processi di conservazione e di trasformazione dei prodotti alimentari. Gli obbiettivi di tale tecnologia sono: prolungare la shelf-life delle materie prime, produrre ingredienti e semilavorati e produrre alimenti più complessi combinando materie prime e ingredienti.

Il processo è l’insieme di operazioni, materiali, attività, controlli che vengono messi in atto per trasformare un input in un output, quindi materie prime in prodotti finiti. Con prodotto alimentare si intendono tutti quei prodotti destinati al consumo alimentare, come tali o previa trasformazione; si intendono quindi sia prodotti freschi, che semilavorati e prodotti finiti. L’operazione unitaria rappresenta la fase elementare di un processo tecnologico, essa è basata su principi unitari, a prescindere dal prodotto trattato. È descrivibile con opportune equazioni cinetiche.

Requisiti di qualità di un prodotto alimentare e fattori critici di processo

I requisiti di qualità per un prodotto alimentare sono:

• Requisiti di sicurezza: si intende l’assenza di sostanze tossiche, parassiti, patogeni, tossine, microtossine, virus, contaminanti ambientali, farmaci e pesticidi, cessione di materiale di imballaggio e assenza di allergeni per le fasce più sensibili.
• Requisiti nutrizionali: corretto equilibrio tra macro e micronutrienti.
• Requisiti sensoriali: colore, aspetto, aroma e consistenza.
• Requisiti legali e merceologici: sono i parametri di legge stabiliti dalle associazioni di categoria.
• Requisiti di stabilità: stabilità all’igiene e della sicurezza.
• Requisiti di costanza e standardizzazione della qualità.

I fattori critici di processo sono quei parametri che possono influire in maniera significativa sulla qualità del prodotto condizionandone il processo produttivo. I fattori che condizionano il processo sono:

• Materie prime
• Procedure di fabbricazione: intesa come sequenza delle operazioni
• Condizioni operative: cioè i parametri e le procedure operative
• Impianto di produzione
• Edifici, stabilimenti di produzione
• Personale in termini di competenze, capacità e igiene
• Rapporto con l’ambiente esterno cioè la collocazione territoriale dell’impianto di produzione

Criteri di classificazione delle tecnologie alimentari

Le tecnologie di processo alimentare possono essere classificate secondo tre livelli. Il primo livello distingue:

• Tecnologie di conservazione: le quali hanno lo scopo di allungare la shelf-life del prodotto alterandone il meno possibile le caratteristiche.
• Tecnologie di trasformazione: hanno lo scopo di modificare le caratteristiche delle materie prime e dei semilavorati al fine di ottenere prodotti dalle adeguate proprietà sensoriali, nutrizionali, di convenience e di conservabilità.

Nel secondo livello, le tecnologie di conservazione si dividono in: tecnologie di conservazione a breve e a lungo termine, la distinzione viene fatta sulla base dei trattamenti più o meno drastici che vengono applicati al prodotto. Le tecnologie di trasformazione nel secondo livello si dividono in:

• Tecnologie di frazionamento
• Tecnologie di combinazione
• Tecnologie di trasformazione chimica

Il terzo livello crea una classificazione ancora più dettagliata secondo le procedure tecnologiche. Ciascun processo tecnologico può essere classificato nello schema. Quando un processo coinvolge una sequenza complessa di operazioni, l’attribuzione è determinata dall’operazione che si trova nella posizione più elevata dell’ordine di classificazione.

Definizione di lay-out

Il layout è un tipo di rappresentazione grafica nella quale si riporta la rappresentazione planimetrica o in elevazione degli impianti e delle aree di produzione dello stabilimento nel quale si svolge il processo produttivo. Su di esso vengono anche riportati i tracciati dei flussi di materia e del personale, evidenziate con colori diversi le analogie e differenze in termini di requisiti igienici e per quanto riguarda le differenze di temperature ambientali.

Definizione di flow-sheet

Un processo di trasformazione è spesso rappresentato sotto forma di flow-sheet o diagramma di flusso. Un diagramma di tipo qualitativo indica tutto ciò che entra nel processo produttivo, sotto forma di materie prime principali e secondarie, tutte le operazioni di trasformazione e/o le macchine impiegate, tutto ciò che esce sotto forma di prodotti, sottoprodotti, scarti ecc. specificando i punti nei quali si verificano tali entrate ed uscite. Sono inoltre evidenziabili gli eventuali ricicli o recuperi di sottoprodotti e di scarti. La struttura grafica più adatta per un flow-sheet è quella ad albero. Lo schema può essere più o meno dettagliato fino a comprendere ogni azione ed intervento sul prodotto. Questa struttura consente inoltre una rappresentazione delle linee tecnologiche derivate e complementari. È possibile anche presentare un diagramma quantitativo del processo produttivo indicando per ogni operazione i bilanci materiali, questo serve per calcolare le rese.

Industria saccarifera

Definizione di saccarosio, “definizione di legge” e definizione merceologiche

Il saccarosio è un disaccaride formato da glucosio e fruttosio dalla formula chimica C₁₂H₂₂O₁₂, è un composto otticamente attivo, la soluzione ruota a destra il piano della luce polarizzata, può esistere in due forme: cristallina o amorfa. Una sua caratteristica è la dolcezza, mediamente maggiore rispetto agli altri zuccheri. Il prodotto può essere ottenuto tramite processo industriale a partire da barbabietola o canna da zucchero. Dal punto di vista merceologico, si classificano gli zuccheri in base alla granulometria. Secondo i parametri di legge lo zucchero può essere classificato in diverse categorie merceologiche:

• Zucchero di fabbrica
  • Polarizzazione non meno di 99,5° Z
  • Tenore di zucchero invertito < 1% in peso
  • Perdita all’essicazione < 0,1% in peso
• Zucchero bianco
  • Polarizzazione non meno di 99,7° Z
  • Tenore di zucchero invertito < 0,04% in peso
  • Perdita all’essicazione < 0,06% in peso
  • Tipo di colore < 9 punti
• Zucchero raffinato – sostanzialmente uguale allo zucchero bianco come parametri di legge più restrittivi per quanto riguarda colore, contenuto di ceneri e colorazione in soluzione
• Zucchero liquido
• Zucchero liquido invertito
• Sciroppo di glucosio
• Sciroppo di glucosio disidratato
• Destrosio monoidrato
• Fruttosio

Industria saccarifera: fasi preliminari all’estrazione

Il ricevimento, insilaggio e lavaggio delle barbabietole sono le operazioni dopo la raccolta e il trasporto che vengono effettuate nell’industria saccarifera. Le barbabietole arrivano all’industria e vengono scaricate in nelle aree separate destinate all’arrivo del prodotto, a questo punto vengono fatti dei campionamenti sulle barbabietole stesse. Quindi le materie prime vengono stoccate in grossi cumuli coperti da strutture di protezione o in grossi silos. Le barbabietole vengono successivamente trasportate all’interno dello zuccherificio mediante canali d’acqua o nastri trasportatori. Durante il trasporto le barbabietole subiscono due fasi di lavaggio:

• Lavaggio a secco – realizzato per mezzo di rulli separati tra loro, attraverso i quali cade il materiale estraneo.
• Lavaggio umido – consiste inizialmente in un lavaggio ad immersione per mezzo di macchine lavatrici che grazie a pale fanno avanzare il prodotto in controcorrente con acqua. In questo modo vengono eliminati ulteriormente sassi, terriccio e impurezze che si raccolgono sul fondo dei canali.

Successivamente la materia prima subisce un lavaggio per aspersione che sfrutta quindi l’azione abrasiva dell’acqua. Nella fase di lavaggio è importante il controllo della temperatura dell’acqua, se troppo elevata può causare una perdita di sostanza zuccherina. A questo punto le barbabietole vengono tagliate per mezzo di macchine tagliatrici che consentono di ottenere fettucce lunghe e sottili a forma di V. Il taglio può essere realizzato per mezzo di coltelli parallelepipedici con il lato tagliente sagomato a foglio pieghettato oppure grazie a tagliatrici orizzontali a rotazione dove i coltelli sono montati sulle pareti laterali del cilindro all’interno del quale ruota un albero a palette che spinge contro i coltelli le barbabietole caricate dall’alto. L’operazione di taglio svolta in questo modo è fondamentale perché permette di aumentare notevolmente la superficie del materiale che viene inviato all’estrazione e evita l’eccessivo impaccamento durante l’estrazione.

Industria saccarifera: fase di estrazione dello zucchero dalla barbabietola

L’operazione di estrazione dello zucchero dalla barbabietola consiste nel miscelare le fettucce con l’acqua che svolge la funzione di solvente. L’estrazione si basa quindi sul fenomeno di diffusione del soluto (zucchero) che passa da una soluzione più concentrata (l‘interno della barbabietola) a una meno concentrata (l’acqua con funzione solvente). Il processo di diffusione segue la legge matematica di Fick: ovvero che la quantità di soluto in moli che diffonde nel tempo è uguale al coefficiente di diffusione per l’area attraversata per il gradiente di concentrazione per il tempo, il segno negativo indica che il trasporto avviene dalle zone a maggiore a quella con minor concentrazione di soluto. L’operazione industriale di estrazione viene condotta a caldo, perché un aumento della temperatura dell’acqua porta ad un aumento del coefficiente di diffusione e perché permette maggiormente di denaturare le membrane vegetali. Attualmente la quasi totalità degli impianti utilizzati sono di tipo continuo, che mettono in continuo movimento non solo gli estratti ma anche le fettucce.

Gli estrattori impiegati sono a immersione, infatti le fettucce sono mantenute immerse nel succo estrazione. L’acqua viene alimentata generalmente in controcorrente poco più avanti del punto di uscita delle fettucce esauste. Gli impianti più utilizzati sono:

• Diffusore Bergè – è formato da un grosso cilindro ad asse orizzontale mantenuto in rotazione da un motore. All’interno del cilindro vi è una vite senza fine che, ruotando, ha il compito di trasportare il liquido da un’estremità all’altra. Le fettucce vengono fatte procedere in controcorrente al liquido mediante l’utilizzo di griglie forate e scivoli sagomati posti al centro del cilindro. Inoltre vengono dosate insieme al sugo di estrazione e poi scaldate tramite scambiatore di calore, in modo da denaturare le proteine. Anche l’acqua di estrazione viene riscaldata mediante scambiatore di calore.
• Diffusore a torre B.M.A. – impianto cilindrico a sviluppo verticale all’interno del quale ruota una vite senza fine che ha lo scopo di trasportare le fettucce verso l’alto (precedentemente queste sono state caricate dall’alto e portate sul fondo). L’acqua è alimentata dall’alto e scorre verso il basso per mezzo della gravità, esce dal fondo della torre sotto carica di soluto (sugo grezzo).
• Estrattore D.d.S. – è costituito da un involucro cilindrico inclinato all’interno del quale ruotano due viti senza fine parallele. Le fettucce, dopo essere state opportunamente dosate, vengono alimentate dal basso, qui viene anche il recupero del succo si estrazione. Nella parte alta del diffusore abbiamo invece l’entrata dell’acqua e l’uscita delle fettucce esauste. In questo impianto il riscaldamento di acqua e fettucce è garantito dalla camicia di termostatazione all’interno della quale circola vapore di riscaldamento che fornisce il calore necessario all’intero processo, consentendo una migliore regolazione della temperatura.

Il processo di estrazione quindi ha come input: fettucce fresche e acqua che vengono trasformate in sugo grezzo e fettucce esauste.

Industria saccarifera: epurazione del sugo grezzo

L’epurazione è quel processo dell’industria saccarifera che trasforma il sugo grezzo in sugo leggero, lo scopo è l’eliminazione della maggior parte del non zucchero, in particolare composti melassigeni che svolgono un’azione antagonista per la successiva cristallizzazione dello zucchero stesso. L’epurazione del sugo grezzo inizia con la predefecazione ovvero l’aggiunta di Ca(OH)₂ al sugo stesso. L’aggiunta di quello che viene comunemente detto latte di calce determina la precipitazione di una serie di composti tra i quali: anioni che formano sali di calcio, le proteine, gli amminoacidi, parzialmente le pectine e inoltre si assiste alla decomposizione dello zucchero invertito dovuto al pH alcalino.

Per una corretta predefecazione si utilizza una T di 45-50°C e una concentrazione di idrossido di calcio di circa lo 0,3%. Data la natura colloidale del precipitato, la filtrazione risulta essere difficile, bisogna quindi utilizzare carbonato di calcio come coadiuvante in modo da trascinare il precipitato verso il fondo. A questo punto segue la fase di defecazione alla T di 70°C con una concentrazione di latte di calce dell’1,5-2%. Durante questa fase viene fatta gorgogliare dal fondo la CO₂ gassosa (prima carbonatazione) che reagendo con l’idrossido di calcio va a formare carbonato di calcio, quest’ultimo viene eliminato grazie alla filtrazione su filtro pressa o filtro a tamburo rotativo. La soluzione filtrata viene quindi riscaldata a 85°C e si procede nuovamente con l’insufflaggio di anidride carbonica, poi si procede con un’altra filtrazione in modo da separare le torbide di seconda carbonatazione dal prodotto finale dell’epurazione ovvero il sugo leggero.

Industria saccarifera: la fase di solfitazione e il trattamento con resine del sugo grezzo

La solfitazione consiste nel trattamento del sugo leggero con SO₂, con lo scopo di decolorare il sugo stesso in quanto il colore scuro deriva dalla degradazione dello zucchero invertito. Il trattamento viene svolto insufflando l’anidride carbonica gassosa per mezzo di saturatori. Il trattamento con le resine consente di aumentare ulteriormente il quoziente di purezza della soluzione zuccherina andando ad eliminare una serie di composti che non sono stati eliminati durante la fase di epurazione del prodotto.

• Trattamento con resine cationiche – avviene a basse temperature, gli ioni metallici presenti in soluzione vengono sostituiti con gli ioni idrogeno.
• Trattamento con resine anioniche – avviene lo scambio degli anioni in soluzione con gli anioni ossidrile portando la purezza a livelli elevatissimi, questo potrebbe causare inconvenienti in fase di concentrazione e cristallizzazione, per questo il trattamento viene spesso svolto in maniera più blanda o viene trattata solo parte del sugo leggero.

L’operazione è di norma discontinua anche se utilizzando colonne di resine assemblate in batteria tende ad essere semicontinua. Importante è eseguire correttamente le rigenerazioni delle resine attraverso lavaggio delle stesse, nonostante questo comporti la diluizione del sugo.

Industria saccarifera: cristallizzazione dello zucchero

Questa fase fondamentale inizia sostanzialmente con l’operazione di cottura del sugo denso che portato a circa 85°C in evaporatore sottovuoto, si concentra ulteriormente prendendo il nome di massacotta (soluzione sovrasatura con il 93% di ss). A questo punto bisogna formare i cristalli, per fare questo la massacotta viene messa all’interno di speciali miscelatori raffreddatori detti melaxeurs. Il raffreddamento rapido fa sì che lo zucchero cristallizzi, la cristallizzazione non deve essere casuale, i cristalli devono essere della giusta dimensione per poter poi essere separati (se necessario si ricorre all’utilizzo di germi di cristallizzazione). L’operazione va avanti fino all’ottenimento del 50% dello zucchero in forma cristallina. La soluzione zuccherina rimanente, che viene separata dai cristalli per mezzo di centrifughe a paniere forato, subisce nuovamente le fasi di cottura, cristallizzazione e centrifugazione.

Descrizione degli impianti di filtrazione illustrati nel processo di produzione dello zucchero

Gli impianti di filtrazione utilizzati durante la produzione industriale di zucchero sono vari e si trovano in più fasi di lavorazione. Il primo filtro lo incontriamo durante la fase di depolpatura, quando il sugo grezzo passa attraverso dei filtri costituiti da maglie metalliche che hanno il compito di trattenere i residui di polpa delle fettucce. Spesso per rendere l’operazione continua questi filtri sono stati dotati di un sistema di spazzole che eliminano il materiale depositato sul filtro permettendo così una corretta e continua operazione di filtrazione.

Anche durante la fase di epurazione del sugo grezzo ci serviamo di filtri. In particolare quando dopo la prima carbonatazione si procede con la filtrazione per allontanare le cosiddette torbide di prima carbonatazione del sugo e subito dopo per allontanare le torbide di seconda carbonatazione dal sugo leggero. I filtri che vengono utilizzati sono generalmente filtri a pressa o filtri a tamburo rotante. I filtri a pressa sono formati da una serie di piatti e telai impaccati gli uni sopra gli altri, muniti di guarnizioni tenuti insieme dalla pressione. In questo modo si formano delle camere di filtrazione all’interno delle quali si deposita la torbida mentre la fase liquida permea all’interno di essa ed esce.