Appunti Processi alimentari - parte 1

Processi alimentari

Gli obiettivi originali del processo alimentare erano (e sono):

• Aumento della shelf-life
• La produzione di ingredienti alimentari partendo da una matrice primaria complessa
• La produzione di alimenti mediante combinazione di più ingredienti

A questi obiettivi, con il passare del tempo, se ne sono aggiunti altri, tra cui garantire la sicurezza igienico-sanitaria, fornire prodotti di qualità a basso prezzo ottimizzando il processo e promuovendo lo stato di salute con alimenti modificati (functional food). Negli anni, l’evolversi dei processi tecnologici ha portato alla formazione di prodotti di qualità sempre più alta con l’introduzione di nuove operazioni unitarie e una maggiore attenzione al danno tecnologico.

Materia prima e coadiuvanti

La materia prima è qualsiasi prodotto che entra nel processo industriale con provenienza dal settore primario per la realizzazione di prodotti finiti, semilavorati e additivi o coadiuvanti. Un coadiuvante è una sostanza non più presente nel prodotto finito.

• Additivo, sostanza aggiunta durante il processo che sarà ancora presente nel prodotto finale

Produzione e trasformazione

La produzione primaria è costituita da tutte le fasi di produzione delle materie prime, allevamento e coltivazione, delle materie comprese di tutte quelle operazioni secondarie o accessorie (mungitura, raccolta…). Prodotti intermedi o semilavorati derivano dalla parziale trasformazione della materia prima che non porterà però alla formazione di un prodotto finito e per arrivare a ciò necessiterà di una ulteriore lavorazione (es. succhi concentrati, formulazioni per la panificazione…).

Un prodotto è destinato al consumo e ottenuto dalla trasformazione di semilavorati e/o materie prime. Per prodotto non trasformato si intendono invece quelli non sottoposti a trattamenti, anche in caso vi siano state applicate operazioni meccaniche/fisiche (affettamento, taglio, surgelamento…).

Processo tecnologico

Un processo tecnologico è una sequenza ordinata di operazioni unitarie applicate in precise condizioni controllate ad una o più materie prime. L'operazione unitaria è una fase elementare di un processo tecnologico basata su principi unitari e descrivibili mediante opportune equazioni. I principi non dipendono dalla specifica applicazione del materiale trattato, ma possono essere definiti in maniera indipendente (unitaria) in qualsiasi settore e con qualsiasi prodotto. Le operazioni unitarie sono classificabili in due macrocategorie:

• Fondamentali, nel caso in cui la loro applicazione abbia la finalità di portare ad uno degli obiettivi del processo (aumento della shelf-life o trasformazione del prodotto). Tra questi troviamo: refrigerazione, congelamento, sterilizzazione, disidratazione, operazioni meccaniche, fisiche e chimiche.
• Complementari, esse aiutano soltanto il processo senza finalità conservative o trasformative. (es. istantaneizzazione, la quale accompagnerà la disidratazione)

Tecnologie di conservazione e trasformazione

Le tecnologie di conservazione hanno lo scopo di incrementare la vita commerciale di un alimento tenendo in considerazione e riducendo al minimo le alterazioni al prodotto. Le tecnologie di trasformazione hanno la finalità di modificare le caratteristiche tipiche del prodotto di partenza dando vita ad un prodotto con caratteristiche differenti da quelle di partenza.

Ogni operazione effettuata tiene conto del danno tecnologico che arreca, cercando di ridurlo al minimo. I principali sono:

• Danno meccanico, dovuto alle sollecitazioni a pressioni superiori ai limiti di resistenza del prodotto (rottura, fessurazioni, perdita di succhi…)
• Danno termico, si manifesta con perdita di micronutrienti, diminuzione della digeribilità, formazione di odori e sapori non graditi e cambio di colorazione. Il danno termico favorirà l’insorgere di danni meccanici abbassando la soglia limite di resistenza del prodotto.
• Danno chimico, la principale è l’ossidazione, altre di relativa importanza sono quelle reazioni catalizzate da enzimi.
• Danno da contaminazioni, dovuto alla contaminazione dell’alimento con sostanze chimiche o biologiche provenienti dai materiali che entreranno in contatto con l’alimento; l’intensità sarà determinata dalla concentrazione del contaminante.

Tipologie di processi

I processi possono essere:

• Continui, coinvolgono trasformazioni continue di masse, energia e quantità di moto. L’obiettivo, e principale vantaggio, è l’uniformità di prodotto durante il tempo oltre a garantire risparmio di tempo e materia.
• Discontinui (batch), il prodotto è lavorato in “lotto” i quali saranno modulabili a monte (scelta della grandezza del lotto). Una volta terminata la produzione dell’intero lotto vi sarà un’interruzione di produzione a cui succederà un altro lotto.
• Semicontinui, caratterizzati da alcune operazioni continue e altre in batch, un esempio può essere nella produzione della pasta ove la miscelazione degli ingredienti e l’impastamento avviene in batch con successiva trafilatura in continuo.

Raffigurazioni grafiche del processo

• Flow-sheet o diagramma a flusso, diagramma di tipo qualitativo che indica entrate/uscite e le varie operazioni effettuate, trascurando però tempistiche e quantità di energia e materia. È possibile trovare flow-sheet con bilanci materiali ed energetici.
• Schema figurato, simile al precedente, ma in questo caso i processi sono rappresentati da precise figure.
• Layout, riporta la disposizione planimetrica (o in elevazione) delle risorse necessarie per il corretto svolgimento produttivo.

Analisi di processo

L'analisi di processo comprende la definizione e rilevazione di:

• Materie prime
• Sequenza operativa (flow-sheet)
• Bilanci energetici e di materia
• Planimetria, struttura e impianti (layout)
• Flussi di persone e materiali
• Conoscenza dei materiali a contatto con l’alimento

Per le informazioni riguardanti qualsiasi elemento in input nel processo alimentare è utilizzata la scheda tecnica la quale raccoglie tutte le informazioni sul prodotto. Costituisce quindi il mezzo di comunicazione in una compravendita ove l’elemento passa dal produttore al cliente (che esso sia quello finale o un ulteriore trasformatore). Sulla scheda tecnica troviamo la descrizione del prodotto, le informazioni riguardante logistica e confezionamento e l’elenco di ingredienti, additivi compresi, i valori nutrizionali e le caratteristiche chimiche, fisiche e nutrizionali. La scheda prodotto è invece utilizzata per passaggi interni della merce, la quale passerà da un reparto ad un altro. Su di essa troveremo le operazioni fatte sul prodotto e quelle che ancora dovranno essere effettuate. Visto l’utilizzo interno molte volte i passaggi/operazioni sono descritti mediante codici rendendo il tutto più veloce.

Fattori critici di processo

I fattori critici di processo sono:

• Materie prime (ingredienti, coadiuvanti, additivi e imballaggi)
• Procedure (sequenza operativa, detergenza, gestione dei sottoprodotti…)
• Condizioni operative
• Attività di controllo (verifica sulla linea produttiva)
• Impianti (disegno igienico, materiali, manutenzione…)
• Edifici
• Personale (competenza, capacità e norme igieniche)
• Rapporto con l’ambiente esterno (aree di carico/scarico, impatto ambientale, scarico rifiuti…)

Strategie di controllo di processo

Il controllo del processo comprende tutte le analisi fatte nel lasso di tempo tra l’entrata della materia prima e l’output. Inizialmente il controllo era effettuato sul solo prodotto finale (controllo a feed-back), questo portava a gravose perdite dato che, in caso di non conformità, il prodotto dell’intero lotto era scartato. Altre problematiche di questa metodologia di controllo erano: la difficoltà di ottenere un campione significativo (a meno che si analizzasse l’intero output), la garanzia era solo sul prodotto che veniva analizzato e i costi/tempi troppo alti.

Date le molteplici problematiche si passò al controllo statico che consisteva nell’attuare controlli sugli input oltre che agli output. Questo ha permesso di modificare le variabili del processo (tempo e intensità) in base alle caratteristiche del prodotto in entrata, i controlli sulla materia in entrata saranno tanto più frequenti quanto sarà più critica la garanzia del fornitore o la materia prima in sé. Un ultimo metodo di controllo studiato è il PAT (Process Analytical Technology), che prevede il monitoraggio in tempo reale del processo mediante misurazione continua dei parametri, permettendo di reagire durante il processo, così che il prodotto finale sia dalle caratteristiche desiderate. Il primo step del PAT è l’individuazione dei parametri qualitativi fondamentali che possono essere controllati dai fattori di processo; successivamente dovrà essere compresa la relazione tra le dinamiche di processo e le caratteristiche dell’analizzatore (incertezza di misurazione, frequenza della misurazione…) per poi arrivare a scegliere lo strumento per effettuare la misura e il suo posizionamento: in-line (direttamente all’interno delle tubature ove scorre il prodotto), on-line (deviazione del normale flusso del prodotto per procedere all’analisi) o off-line (prelevazione del prodotto per effettuare l’analisi). I vari parametri presi in analisi verranno incrociati tra loro dando come risultato le correzioni di processo necessarie affinché il prodotto finale abbia le caratteristiche desiderate.

Quality by Design (QbD)

Quality by Design (QbD) è un concetto che consiste nel partire da obiettivi delle caratteristiche del prodotto in output ben definite andando così ad impostare le operazioni per il suo ottenimento. Lo scopo è quindi quello di progettare un prodotto di qualità e fornire un processo riproduttivo riproducibile. Per far ciò è necessario:

• Conoscere il processo
• Avere feedback in real-time (PAT)
• Essere in continuo miglioramento

I vantaggi sono:

• Maggior qualità ed uniformità di prodotto
• Minor scarto di prodotto
• Processo rapido e continuo
• Risparmio sulle analisi di laboratorio
• Continua ottimizzazione del processo

Le fasi sono:

1. Identifico le caratteristiche del prodotto che ne definiscono la qualità
2. Individuare l’incidenza delle materie prime sulle caratteristiche del prodotto finale
3. Individuare i parametri di processo che influenzano le caratteristiche dell’output
4. Applicare tecniche di gestione del rischio per individuare le relazioni tra le caratteristiche di prodotto, di materie prime e i parametri di processo
5. Progettare e evolvere una strategia di controllo
6. Monitoraggio continuo e aggiornamento del processo assicurandosi una qualità riproducibile

Deterioramento dell'alimento

Il deterioramento dell'alimento può portare a perdite del valore nutrizionale, peggioramento delle percezioni sensoriali e può venir meno la sicurezza alimentare. I fattori che possono innescare il deterioramento sono: calore o basse temperature, luce, radiazioni elettromagnetiche, ossigeno, umidità, enzimi, microrganismi, parassiti o contaminanti chimici. La temperatura è sicuramente il parametro fondamentale dato che da essa deriverà K (costante nella relazione di Arrhenius) e sarà quindi in grado di velocizzare/rallentare il processo di degradamento. In un grafico temperatura/tempo di conservazione noteremo che la retta nell’intervallo inferiore a 0°C sarà più pendente di quella a temperature positive, ciò significherà che a parità di variazione di T° essa sarà più influente in caso di basse temperature.

La cinetica delle modificazioni chimiche è anch’essa direttamente proporzionale alla temperatura con una precisa linearizzazione in caso si metta a grafico. Per temperature negative il valore sarà superiore alla linea teorica (che sarà invece molto fedele per temperature maggiori di 0°C), ciò è dovuto all’effetto concentrazione per via della cristallizzazione dell’acqua. (esempi: idrolisi, imbrunimento chimico e ossidazioni). Stesso andamento si avrà per le reazioni enzimatiche.

Modificazioni fisiche, non è possibile linearizzarle come con le trasformazioni precedenti. La principale modificazione riguarda l’aw del prodotto, essa aumenterà all’incremento della temperatura, per T° negative ciò non sarà valido dato che il prodotto sarà più concentrato per via della cristallizzazione dell’H2O. (esempi: migrazione dell’acqua, retrogradazione dell’amido e separazione di fase).

Modificazioni di carattere biologico, si intendono le attività svolte dai vegetali in post-raccolta (respirazione). Questo parametro è fortemente influenzato dalla temperatura che inibirà la respirazione qualora il prodotto venga conservato a basse temperature. In caso si scenda sotto lo zero vi sarà la lisi di alcune cellule, dovuta alla cristallizzazione del liquido presente nei vacuoli cellulari, il fenomeno prende il nome di danno da freddo, le principali manifestazioni sono rammollimenti e marcescenze.

Oltre alle trasformazioni sopraelencate, avremo modificazioni di carattere microbiologico; il quale non sarà descrivibile mediante grafico con un insieme di punti viste le differenze tra i vari M.O.. È importante ricordare che il deterioramento non è possibile annullarlo, ma i metodi di conservazione permetteranno l’inibizione e il rallentamento dei vari processi che porteranno a non rendere più consumabile il prodotto.

Hurdle technology (tecnologia ad ostacoli)

La hurdle technology consiste nell’inserimento di “ostacoli” all’interno dell’alimento che permetteranno di fermare il maggior numero di M.O. possibili. L’obiettivo è quello di inserire più “ostacoli” con intensità moderata non permettendo lo sviluppo di patogeni senza però rovinare eccessivamente il prodotto con condizioni ambientali troppo marcate. Un esempio è quello del pesto, dove il pesto refrigerato ha un’acidità nettamente inferiore di quello conservato a T° ambiente, questo è dovuto al connubio con la refrigerazione che permetterà di non dover scendere a pH troppo bassi.

Shelf life di un prodotto alimentare

La shelf life di un prodotto alimentare può essere espressa come:

• Termine minimo di conservazione, data entro la quale il prodotto conserva le sue proprietà specifiche in adeguate condizioni di conservazione. Essa è utilizzata per prodotti poco o non deperibili e in etichetta si avrà la dicitura “da consumare preferibilmente entro”. Gli alimenti poco/non deperibili sono tali in virtù delle loro caratteristiche (pH, aw…) risultando così stabili per mesi o anni, in questo caso il rischio è dovuto a perdite nutrizionali e sensoriali, non a rischi per la salute del consumatore.
• Data di scadenza, utilizzata per prodotto molto deperibili e quindi soggetti a rischio microbiologico che potrebbe portare a costituire un pericolo immediato per la salute umana. In questo caso la loro shelf life sarà di giorni o massimo settimane.

Non sono soggetti a data di scadenza alcuni prodotti tra cui:

• Prodotti ortofrutticoli freschi
• Prodotti di panetteria e pasticceria
• Vino e alcolici con VOL maggiore al 10%
• Zucchero e sale
• Aceto
• Gomme da masticare

La shelf life indicata in etichetta varrà per il prodotto in confezione integra e conservazione in ambiente ideale, una volta aperto il prodotto le condizioni e i tempi di conservazioni cambieranno.

Tecnologie di conservazione a breve termine

Le tecnologie di conservazione a breve termine si basano sulla refrigerazione in combinazione con altri trattamenti (pastorizzazione, irraggiamento, atmosfera protetta, ecc…). Per prodotto refrigerato si intende un alimento da conservare in un intervallo di temperatura che può variare dai -1°C agli 8°C, in caso non sia specificata la temperatura di conservazione il prodotto dovrà essere mantenuto a 4°C.

Problematiche associate alla refrigerazione

• Deterioramento, in caso non vengano rispettate le condizioni adeguate alla conservazione del prodotto (umidità e temperatura) esso andrà incontro al deterioramento. Per evitare ciò è anche fondamentale che si attui una buona rotazione di magazzino evitando che il prodotto resti per molto tempo stoccato. FIFO (First In First Out), il primo prodotto che è entrato sarà il primo ad uscire.
• Contaminazione crociata, si verifica quando i prodotti non sono stoccati in maniera adeguata con possibilità di contaminazione cross. Essa potrà avvenire tra cella e prodotto o tra due prodotti; nel secondo caso è opportuno stare molto attenti a possibili allergeni. Prodotto con ingredienti allergenici sono stoccati in celle apposite solitamente.
• Controllo della temperatura, essa deve rimanere sempre nel range di conservazione; temperature eccessivamente basse, o alte, potrebbero rovinare irreversibilmente il prodotto con possibili danni alla salute di colui che ingerirà l’alimento. (es. se le patate vengono conservate a temperatura inferiore agli 8°C andranno incontro alla formazione di zuccheri semplici a partire dall’amido).

Fattori che influenzano la shelf-life dei prodotti refrigerati

PPP (Prodotto Processo Packaging), sono sicuramente fattori di rilievo le caratteristiche...