Appunti dell'intero corso di "Processi delle tecnologie alimentari"

Alamprese - processi della tecnologia alimentare

Appunti mercoledì 30 settembre 2020

Rappresentazione dei processi alimentari

Come si rappresentano i processi alimentari? Prima dobbiamo vedere le diverse tipologie.

Tipologie di processi alimentari

Processi continui: trasformazioni continue di massa, energia e moto. Immissione continua di materie prime, lavorazione e scarico continuo. Il principio guida è ottenere costante ed uniforme qualità.

Processi discontinui batch: prodotto finale in quantità finite ottenuto da quantità finite di materia prima processata con un insieme di attività. Le dimensioni di ordini ricevuti permettono di dosare la materia prima da utilizzare, sempre mantenendo la qualità.

Processi semicontinui: caratteristiche in comune con i processi sopra. Solitamente una parte del processo è batch ed un'altra continua. Tipica delle aziende non di grandi produzioni, dove in una stazione si prepara l'impasto in processo batch; viene quindi poi tutto trasferito in un'altra linea di lavorazione che procede in continuo, quindi la materia proveniente dal batch deve essere fornita in continuo. Un altro esempio è l’estrazione di olio da un seme: l’estrazione avviene in maniera continua finché riempio il tank di stoccaggio, quindi devo interrompere per svuotare il tank, ripulirlo e poi ripartire.

Le dimensioni fisiche ed economiche dell’azienda sono il criterio principale sul quale si basa la scelta di adottare un processo piuttosto che un altro.

Rappresentazione grafica dei processi

I processi si rappresentano graficamente tramite un diagramma di flusso (flow sheet), un diagramma qualitativo che non contiene quantità o condizioni operative, però indica tutte le materie e le operazioni sequenziali adoperate. Ciò non lo rende comunque poco dettagliato, perché si possono anche indicare i ricicli e scarti che “arricchiscono” la completezza del processo raffigurato. Inoltre, un flow sheet può rappresentare più strade differenti per ottenere lo stesso prodotto. Al flow sheet qualitativo si possono indicare anche dettagli delle condizioni operative come temperatura, tempo o pressione. Si possono anche aggiungere i flussi di sanificazione e detergenza.

Un’alternativa è lo schema figurato, che rappresenta e nomina i macchinari, le materie prime, gli scarti ed il prodotto finale. Vi è poi il layout, distribuzione planimetrica dei diversi impianti e del processo di lavorazione.

Classificazione dei prodotti alimentari

I prodotti alimentari si classificano in base alla materia prima (lattiero-caseari, a base cereali, derivati dalla frutta, prodotti carnei) oppure in base al processo tecnologico subito (surgelati, bevande fermentate, prodotti da forno). Per quest’ultimo logicamente si devono conoscere i processi che si possono mettere in atto sulla materia prima.

Questo schema ci guiderà nello studio dei processi alimentari in quanto nella prima parte del corso parleremo di processi di conservazione e tutti i sottoinsiemi, nella seconda parte del corso i processi di trasformazione e tutte le sottocategorie. La freccia sulla destra sta ad indicare che più proseguo lungo essa più aumenta l’impatto sulla materia prima. Anche le prove in itinere saranno suddivise in questa logica.

Tecnologie di conservazione

A breve termine sono basate sulla semplice refrigerazione, da sola o combinata con tecnologie soft (pastorizzazione, irraggiamento o confezionamento in ATMC).

A lungo termine: applicano dei trattamenti più drastici per garantire una shelf-life maggiore (sterilizzazione, disidratazione). Il frazionamento è un’estrazione di una frazione interessata dalla matrice complessa, basato su diverse tecnologie. La combinazione è la semplice miscelazione, semplice o con strutturazione (pasta), di più materie prime. Trasformazione chimica, biochimica o microbiologica che trasformano biochimicamente il prodotto.

Un altro criterio di classificazione è quella proposta da Peri nel 1990 basata sia sulla materia prima che sul processo, con i due elementi coordinati tra di loro. Sostanzialmente è una tavola sinottica a due dimensioni: materie prime sulle righe e processi sulle colonne. I prodotti vengono incasellati nelle coordinate come se fossero dei prototipi di produzione.

Analisi del processo produttivo

Per svolgere un’analisi si devono definire e rilevare le materie prime con le relative caratteristiche di composizione e prestazione, il flow-sheet, i bilanci materiali/energetici, le condizioni operative (procedure e parametri), planimetria dello stabilimento, l’impianto nel suo complesso, flussi di materiali e di persone, prevenzione degli inquinamenti e delle infestazioni.

Il miglior modo per avere informazioni su un prodotto è la scheda tecnica, un documento che raccoglie tutte le info su un prodotto e che costituisce il documento con cui due aziende, il fornitore ed il cliente comunicano in merito alle caratteristiche e la qualità dei prodotti soggetti alla compravendita. Riporta tutte le info necessarie per identificare un prodotto: la sua descrizione, l’elenco degli ingredienti con i relativi allergeni, valori nutrizionali, caratteristiche tipiche etc.

Da non confondere con la scheda prodotto, una sorta di carta d’identità con sopra scritti tutti i dati e le info che descrivono nel dettaglio il prodotto. È infatti possibile trovare tutte le informazioni indispensabili ai diversi reparti aziendali per la realizzazione del prodotto finito. È quindi un documento interno all’azienda utile a comunicare fra reparti, molto simile ad una scheda tecnica ma contenente tutte le informazioni sulle impostazioni tecniche da impostare per la sua produzione.

In un processo produttivo è di vitale importanza conoscere tutti i fattori critici di controllo che condizionano un processo alimentare ed il suo risultato: materie prime, procedure, condizioni operative, attività di controllo, impianti, edifici, personale e rapporto con l’ambiente esterno all’azienda. Pertanto, le attività di controllo sono le verifiche, le registrazioni, il campionamento e l’analisi delle materie, taratura adeguata delle strumentazioni ed interventi nel caso di non conformità di processo. L’azienda ha un processo con input e output, governato dai fattori critici di controllo che lo condizionano, parametri da controllare e regolare per garantire una qualità costante.

Strategie di controllo di processo: controllo finale

La prima strategia di controllo messa in atto fu il feed-back control o post-process ovvero il controllo solo alla fine della produzione. Questo tipo di strategia adottata non fornisce un’efficace assicurazione della qualità finale del prodotto e non permette di controllare in line i fattori critici e le non conformità si rilevano unicamente alla fine del processo.

Strategie di controllo di processo: controllo statistico

Quindi si è passati a fare un controllo statistico, il feed-forward control o pre-process: una strategia di controllo che integra al sistema precedente un controllo qualità della materia in accettazione su ogni singolo lotto ed un controllo statistico durante il processo stesso che comprende la pianificazione ed il controllo della qualità del prodotto durante lo svolgimento del processo. Si controllano variabili come il numero e le posizioni delle stazioni di ispezione e le azioni correttive (rilavorazione o scarto).

Strategie di controllo di processo: process analytical technology (PAT)

Il migliore mezzo di controllo di processo è questo e si basa sul monitoraggio tecnologico in tempo reale del processo con misurazione continua di tutti i parametri qualitativi strategici. L’azienda deve avere un metodo per misurare in continuo i parametri di processo ed in continuo correggerli. Per far ciò è importante costituire dei modelli predittivi di controllo, ovvero dei valori predefiniti che confrontandoli ai risultati ottenuti dal controllo dei parametri del processo in corso posso capire se sto andando bene o meno.

La qualità del mio prodotto deve poter essere disegnata nel suo processo: QUALITY BY DESIGN. Approccio basato su principi scientifici (devo conoscere cosa succede alle mie materie quando le sottopongo ad una certa operazione) e sulla gestione del rischio (rischi per il consumatore e rischi per il prodotto stesso), che parte da obiettivi predefiniti e che enfatizza la relazione che c’è tra prodotto, processo e controllo del processo. Lo scopo del QbD è quello di progettare un prodotto di qualità ed il suo processo produttivo assieme così da aver una riproducibilità della performance di tale prodotto!

Per farlo è necessario conoscere il processo, avere un feed-back in tempo reale del processo (PAT) ed attuare un continuo miglioramento delle condizioni operative!

Fasi del QbD

Prima di tutto si devono definire quali sono le caratteristiche che il prodotto da produrre deve avere per essere definito di qualità. Il prodotto deriva da materie prime, quindi, si devono definire quali sono le caratteristiche che queste materie prime devono avere per dare al prodotto la qualità desiderata. Se ho una buona materia prima e voglio ottenere un prodotto finale di qualità devo capire quali sono quei parametri che nel mio processo mi permettono di ottenere il risultato atteso. Quindi devo applicare le tecniche di gestione del rischio che vi sono quando una materia prima con le sue caratteristiche viene lavorata in un processo produttivo.

Per poterlo fare ci deve essere ovviamente una progettazione di una strategia di controllo per avere un monitoraggio continuo ed in aggiornamento su tutto il processo per assicurare la riproducibilità della qualità! La strategia di controllo nella sua meticolosa efficienza deve comunque considerare che le materie prime possono avere una minima variabilità dei valori di processo ed io operatore devo decidere quali sono i range di variabilità accettabili per garantire la qualità.

Strategia di controllo

Avere una strategia di controllo vuol dire assicurarsi che il processo sia sotto controllo dal punto di vista delle materie prime e dal punto di vista dei parametri di processo. “Sotto controllo” quindi devono essere i punti di controllo del processo produttivo, localizzati dove c’è maggiore variabilità dei parametri e dove i parametri stessi permettono di controllare la qualità del prodotto finito.

Non fare confusione fra QbD e PAT. Il PAT è una parte del discorso più ampio del QbD. Per mettere in atto un PAT efficiente si deve effettuare un’analisi critica del processo ed individuare i parametri da controllare. Quando si controlla si effettuano dei campionamenti e quindi bisogna comprendere a fondo la relazione che c’è tra i tempi di campionamento (che variano in base alle caratteristiche dell’analizzatore), ed i tempi effettivi del mio processo (misuro una temperatura, ottengo il risultato ed intanto la temperatura nel mio processo è salita di brutto ed io sono fregato).

Per l’analisi devo scegliere se adoperare un sistema per misure in linea (il mio analizzatore misura direttamente nel mio flusso di prodotto e mi acquisisce i parametri), oppure sulla linea (io non posso mettere l’analizzatore direttamente sul flusso del prodotto ma devo creare una deviazione perché potrei avere perdite di carico). Una volta acquisiti i dati analitici, l’ultima fase è l’analisi multivariata di questi. Il vantaggio di questi sistemi è che si possono ottenere tante informazioni su tanti parametri con una singola misurazione, verificando subito se il mio prodotto è conforme su molteplici fronti.

Sistema di controllo

Il sistema di controllo è un dispositivo o un insieme di dispositivi interconnessi che scambia informazioni ed azioni con il processo per modificarne il comportamento in modo desiderato, senza o con ridotto intervento umano. (da microbiologia industriale il sistema dell’antischiuma è uno scambio di informazioni e di azioni). Il sistema di controllo interagisce con il processo attraverso:

• Dispositivi per misurare lo stato dell’impianto (sensori di variabili fisiche, elettriche, termiche; trasduttori che convertono l’informazione in un segnale ed un condizionamento opportuno)
• Dispositivi che trasmettono comandi all’impianto così da attuare le modifiche al valore variabile
• Dispositivi algoritmici di elaborazione delle informazioni affiancati al lavoro del personale

Processo produttivo + sistema di controllo = processo di produzione automatizzato.

NIR-online: Spettroscopia vicino all’infrarosso - tecnologia che dà feedback in tempo reale per controllare i processi. Con una semplice analisi questa tecnologia è in grado di acquisire moltissime informazioni su molte variabili (MULTIVARIATA) variazione della shelf life di vari prodotti al variare della temperatura.

Shelf life & hurdle technology

Il deterioramento degli alimenti avviene a carico delle sue prestazioni sensoriali, del suo valore nutrizionale e la sua sicurezza igienica/tossicologica. Alcuni di questi effetti possono essere più o meno evidenti, come il valore nutrizionale che non può essere direttamente percepibile visivamente dal consumatore.

I fattori influenzanti la shelf life di un prodotto possono essere chimici, fisici e biologici: il calore, le basse temperature, la luce, radiazioni elettromagnetiche, ossigeno, umidità, enzimi, microrganismi, parassiti e contaminanti chimici.

I processi di conservazione sono volti ad evitare una o più di queste condizioni. Qualunque sia il meccanismo di deterioramento, la cinetica di deterioramento è in funzione della temperatura ed è regolata dall’equazione di Arrhenius. Il grafico sulla destra serve a far capire che quando sono a temperature negative, a piccole variazioni di T si ha una maggior variazione della shelf life, rispetto ad uno stesso alimento conservato a temperature superiori allo zero (di refrigerazione). A temperature negative non è solo l’effetto della temperatura che conta ma anche lo stato di cristallizzazione dell’acqua, in quanto aiuta la conservazione alimentare.

Modificazioni chimiche

Secondo la legge di Arrhenius, la velocità delle reazioni chimiche dipende esponenzialmente dalla temperatura, ma anche dalla disponibilità di ossigeno. Dal grafico notiamo che sotto lo zero, all’effetto temperatura si somma l’effetto concentrazione, facendo aumentare il log attività dei fattori chimici. Questo perché congelando un prodotto ne cristallizzo la porzione d’acqua e di conseguenza la concentrazione dei reattivi chimici aumenta ed anche la loro attività. (Ma comunque non quanto aumenterebbe con temperature di conservazione superiori a quelle di refrigerazione).

Ossidazione, imbrunimento non enzimatico ed idrolisi (genera rammollimenti e sviluppa acidità libera in matrici grasse).

Processi d’alterazione fisici

Riguardano la fase liquida dell’alimento, su due fronti:

• Primo aspetto: nella matrice alimentare possono avvenire delle trasformazioni fisiche per via dell’aumento della concentrazione di Sali nella matrice. Questo aumento di concentrazione conferisce ai Sali una diversa capacità di solvatare l’acqua. L’aumento di concentrazione è proporzionale al ghiaccio formatosi e quindi alla temperatura di conservazione.
• Secondo aspetto: abbassando la temperatura dei prodotti si riduce la pressione di vapore che ha la fase acquosa del prodotto e quindi riduciamo la tendenza di quest’ultima a diffondere verso l’ambiente esterno, evaporando. Tale fenomeno non è favorito da temperature superiori allo zero.

Migrazione dell’acqua (evaporazione, migrazione dell’acqua dall’amido alle proteine nel pane), retrogradazione dell’amido cotto e separazione.

Processi d’alterazione biologici

Nei processi d’alterazione biologici sono diversi i fattori alteranti:

• Fattori metabolici: L’attività biologica di un prodotto vegetale è evidenziata dal metabolismo respirativo. Tale fenomeno si riduce all’abbassarsi delle temperature, fino a cessare con il congelamento perché la cristallizzazione dell’acqua non permette alle cellule dell’ortofrutticolo di respirare correttamente. Però attenzione, ogni vegetale ha delle temperature di refrigerazione differente, e comunque se si arriva al punto di solidificazione sul prodotto si verificano i danni da freddo che comportano mutamenti irreversibili della struttura cellulare.
• Fattori enzimatici: La velocità delle reazioni enzimatiche dipende strettamente dalla temperatura, ma anche dalla concentrazione dell’enzima, dalla concentrazione dei soluti, il pH e l’aw del prodotto (l’acqua libera è anche mezzo di reazioni enzimatiche). Imbrunimento enzimatico (polifenolo ossidasi), fenomeni idrolitici (enzimi pectinolitici = rammollimenti) ed ossidazione enzimatica.
• Fattori microbiologici: La decomposizione alimentare dovuta all’azione microbica è influenzata dalla temperatura, ma sono dipendenti anche da altri fattori come l’eventuale presenza di antisettici, livelli d’umidità, disponibilità d’ossigeno e l’esposizione a radiazioni dell’alimento. Da considerare sono ovviamente le specie microbiche prese in considerazione perché ciascuna si può tenere sotto controllo regolando diversamente tutti i fattori di crescita.

Tutti i metodi di conservazione dei prodotti alimentari mirano a sopprimere i microrganismi o ad inibirne la proliferazione. A tal proposito, è importante dire che la prima causa di alterazione alimentare è l’attività microbica, seguono dopo le attività enzimatiche e tutti gli altri fenomeni.