processi della tecnologia alimentare con elementi di packaging

Processi di tecnologia alimentare con elementi di packaging

Introduzione al corso

Professoressa Cristina Alamprese

Corso di laurea in Scienze e tecnologie alimentari (G29)

Facoltà di Agraria – Università degli studi di Milano

Aggiornato 2020/21

Tecnologia alimentare

Complesso di operazioni volte alla conservazione o alla trasformazione di materie prime alimentari prodotte dall’agricoltura, dall’allevamento e dalla pesca.

Obiettivi originari

• Aumentare la conservabilità delle materie prime commestibili per consentire il trasferimento dai luoghi di produzione a quelli di consumo e per estenderne la disponibilità nel tempo.
• Produrre ingredienti e, da questi, prodotti finiti partendo da materie prime che come tali non sono commestibili o addirittura contengono fattori tossici.

Principi su cui si fonda la tecnologia alimentare

• Conservare: evitare alterazioni e deterioramento degli alimenti nel tempo a causa di fattori quali enzimi, microrganismi (batteri, muffe), macrorganismi (insetti, topi), condizioni ambientali.
• Trasformare: con la massima efficienza, il minimo danno tecnologico e ottimizzando la qualità.

Per aumentare la qualità

Si cerca di diminuire la quantità di:

• Fattori anti-nutrizionali: nei legumi (lectine, ossalati, fitati), nelle uova (avidina): eliminati con cottura
• Sostanze tossiche (es: gossipolo)

Altre funzioni della tecnologia alimentare

• Garantire sicurezza igienico-sanitaria
• Garantire qualità costante
• Fornire convenience: effetto di convenienza, comodità e praticità del prodotto nella preparazione o in altre fasi, es: porzioni convenienti per le diverse condizioni di consumo e per evitare sprechi
• Promuovere lo stato di salute, anche attraverso functional food: prodotti utilizzati per persone sane che vogliono aumentare il proprio benessere, non esclusive per patologie (es: probiotici, prebiotici, alimenti fortificati, alimenti iperproteici, alimenti a basso contenuto di zuccheri e grassi)

Evoluzione dei processi di conservazione e trasformazione degli alimenti

Ieri: ingegneria di processo

• Produrre alimenti
• In quantità (cibo per tutti)
• In sicurezza (cibo sicuro)
• In qualità (alimenti con caratteristiche desiderate)

Oggi: ingegneria di prodotto

• Gestire la qualità (Quality by design): progettare processi e alimenti con caratteristiche costanti e desiderate, di qualità
• Gestire la sicurezza e la qualità della filiera (fiducia del consumatore)

Evoluzione dell’industria alimentare

In termini di valore aggiunto ai prodotti e passaggio dall’ingegneria di processo all’ingegneria di prodotto. Tale transizione ha richiesto una modifica dei concetti e delle tecniche impiegate nella tecnologia alimentare. Inizialmente: sviluppo di processo, di trasporto, automazione, packaging per ottenere costi bassi, elevata produzione e conservabilità. Adesso: sviluppo del prodotto con adattamento del processo per migliorare il prodotto, la sua salubrità e qualità per il benessere del consumatore.

Criticità e finalità degli interventi tecnologici

Caratteri critici della materia prima e finalità dell’intervento tecnologico dei prodotti alimentari

• Vulnerabilità: difesa da avversità climatiche e da attacchi di altri organismi
• Commestibilità condizionata da parti non edibili o da frazioni che necessitano riscaldamento: conferimento di valore nutrizionale (commestibilità)
• Presenza di fattori di rischio (es: fattori chimici): risanamento
• Alterabilità: stabilizzazione
• Esigenze di preparazione: conferimento di comodità d’uso e convenienza

Problema e strategie di intervento

• Vulnerabilità
  • Difesa in campo: trattamenti chimici, interventi fisici, colture protette
  • Difesa post raccolta: disidratazione, refrigerazione, atmosfere controllate, trattamenti chimici
• Commestibilità
  • Rimozione parti estranee: processi di separazione, isolamento parti eduli
• Alterabilità
  • Distruzione cause: scambi di calore + confezionamento (es: risanamento microbico)
  • Rimozione cause: separazione + confezionamento (es: filtrazione sterile, estrazione frazioni o singoli componenti)
  • Neutralizzazione cause: disidratazione (es: ambiente sfavorevole), sottrazione di calore, uso di conservanti (+ confezionamento)
  • Trasformazione delle materie prime o dei formulati: fermentazione, cottura, cottura-estrusione, formulazione, frazionamento e ricombinazione, scambi di materia (+ confezionamento)
• Presenza fattori di rischio
  • Distruzione dei fattori di rischio: scambi di calore
  • Rimozione dei fattori di rischio: separazione
  • Riduzione dei fattori di rischio: alleggerimento
• Rispondenza nutrizionale
  • Denaturazione: scambi di calore
  • Correzione compositiva: fortificazione, alleggerimento, sostituzione
• Qualità
  • Prevenzione: analisi dei rischi, controllo dei punti critici, controllo di processo e di prodotto
• Convenienza
  • Industrializzazione pratiche domestiche: facilità d’impiego, precottura, istantaneizzazione
  • Attribuzione contenuto di servizio: confezionamento, miniaturizzazione
  • Riduzione dei costi di produzione: economie di scala, nuove tecnologie, contenimento dei prezzi distribuzione

Domande

Che operazioni si possono utilizzare per eliminare parti non edibili di materie prime vegetali o animali e aumentare quindi la commestibilità?

Operazioni di separazione: centrifugazione, mondatura, filtrazione, estrazione con solvente.

Quali sono possibili eventi basati su scambi di calore che possono rimuovere cause di alterazione degli alimenti? A quali cause ci si riferisce?

Interventi sulla temperatura: sterilizzazione, pastorizzazione, blenching (scottatura per inattivare enzimi). Cause di alterazione della forma e delle caratteristiche degli alimenti sono microrganismi ed enzimi.

Che cosa si intende per fortificazione o alleggerimento volti a migliorare la rispondenza nutrizionale di un alimento?

Fortificazione: aggiunta di nutraceutici (polifenoli) o micronutrienti (vitamine). Alleggerimento: rimozione di macronutrienti (grassi, proteine).

In che cosa consiste l’istantaneizzazione (o instantaneizzazione) attuata per migliorare la comodità d’uso? A quali alimenti può essere applicata?

Creo polveri che possono essere facilmente solubilizzate in liquidi senza formazione di agglomerati. Miglioramento della convenience, praticità e conservazione del cibo, es: latte in polvere.

Processo

Insieme di operazioni, materiali, attività, controllo che vengono messi in atto per conservare o trasformare le materie prime in prodotti finiti.

MATERIE PRIME -> PRODOTTO ALIMENTARE

Obiettivi del processo alimentare

• Aumentare la conservabilità delle materie prime per consentire il trasporto ed aumentare la shelf-life
• Produrre ingredienti alimentari
• Produrre alimenti dalla combinazione e trasformazione di materie prime e ingredienti

Materie prime

Materiali che entrano nel processo aziendale e che provengono da:

• Settori tradizionali di produzione (agricoltura, allevamento, pesca)
• Industrie di prima trasformazione (semilavorati)
• Industrie produttrici di additivi, coadiuvanti, nutrienti, materiali di confezionamento

Produzione primaria

Tutte le fasi della produzione, dell’allevamento o della coltivazione dei prodotti primari, compresi il raccolto, la mungitura e la produzione zootecnica precedente la macellazione e comprese la caccia e la pesca e la raccolta di prodotti selvatici (Reg.178/2002).

Prodotti primari

I prodotti della produzione primaria compresi i prodotti della terra, dell’allevamento, della caccia e della pesca (Reg. CE 852/2004).

Prodotti intermedi o semilavorati

Tutti i prodotti da manipolazione e trasformazioni delle materie prime, ma non ancora diventati prodotti finiti, che sono oggetto di commercio. (miscele per gelato, succhi concentrati)

Classificazione materie prime

Prodotti alimentari destinati al consumo alimentare ottenuti dalla conservazione o trasformazione delle materie prime.

Definizione Codex Alimentarius

Vuole raccogliere caratteristiche base per definire determinati prodotti alimentari. Sono norme e non leggi, si applicano su base volontaria.

“qualsiasi sostanza o prodotto trasformato, parzialmente trasformato o non trasformato, destinato ad essere ingerito, o di cui si prevede ragionevolmente che possa essere ingerito, da esseri umani. Includono bevande, gomme e qualsiasi sostanza utilizzata per la manifattura, preparazione e trattamento del cibo.

Prodotti non trasformati

Prodotti alimentari non sottoposti a trattamento, compresi prodotti che siano stati divisi, separati, sezionati, affettati, disossati, tritati, scuoiati, frantumati, tagliati, puliti, rifilati, decorticati, macinati, refrigerati, congelati, surgelati o scongelati (Reg. CE 852/2004).

Prodotti trasformati

Prodotti alimentari ottenuti dalla trasformazione di prodotti non trasformati. Tali prodotti possono contenere ingredienti necessari alla loro lavorazione o per conferire loro caratteristiche specifiche (Reg. CE 852/2004).

Processo tecnologico

Un processo tecnologico è costituito da una sequenza ordinata di operazioni unitarie applicate in determinate condizioni operative ad una o più materie prime. Il prodotto finito è il risultato di tutti i fenomeni che hanno luogo durante l’intero processo!

Operazione unitaria

Fase elementare di un processo tecnologico basata su principi unitari e descrivibile mediante opportune equazioni di bilancio e cinetiche. I principi che regolano l’andamento di una data operazione unitaria non dipendono dalla specifica applicazione e del materiale trattato, ma possono essere definiti in maniera indifferenziata (unitaria) quale che sia il settore e il materiale di applicazione dell’operazione.

Operazioni unitarie fondamentali e complementari

(finalità conservative o di trasformazione) (finalità di supporto)

Obiettivi della tecnologia alimentare

• Conservare: le tecnologie di conservazione hanno lo scopo di prolungare la vita commerciale di un alimento alterando nella minor misura possibile le caratteristiche geometriche, strutturali, meccaniche, fisiche, chimiche, microbiologiche e dunque sensoriali e nutrizionali delle materie prime o dei semilavorati o dei prodotti finiti, in vista della loro utilizzazione o del consumo finale.
• Trasformare: le tecnologie di trasformazione hanno lo scopo di modificare le caratteristiche geometriche, strutturali, meccaniche, fisiche, chimiche e microbiologiche delle materie prime e dei semilavorati al fine di ottenere prodotti con adeguate proprietà sensoriali, nutrizionali, di lavorabilità, di convenience e di conservabilità.

Altri obiettivi importanti

• Minimizzare il danno tecnologico
• Massimizzare il processo
• Massimizzare la qualità

Danni tecnologici

Danno meccanico: dovuto ad azioni di pressione o di shear-stress oltre i limiti di resistenza dei prodotti. Si manifesta con una serie di inconvenienti: rotture, fessurazioni, perdite di succhi.

Danno termico: dovuto agli effetti del calore sui componenti degli alimenti. Si manifesta con perdita di vitamine, diminuzione di digeribilità di alcuni nutrienti, formazione di off-flavor, off-colour. Il danno termico può provocare o favorire il danno meccanico rendendo i tessuti più fragili e le pareti cellulari meno elastiche e facendo aumentare la pressione interna del prodotto. Può anche favorire il danno chimico per effetto di accelerazione esercitato dall’aumento della temperatura su tutte le reazioni.

Danno chimico: dovuto a reazioni chimiche ed in particolare all’ossidazione, ma può comprendere anche altre reazioni indesiderabili, catalizzate da enzimi, di proteolisi o lipolisi, isomerizzazione, fotodegradazione. L’entità del danno dipende dalla concentrazione delle sostanze reagenti e dalle condizioni al contorno che favoriscono o inibiscono le reazioni.

Danno da contaminazioni: dovuto all’inquinamento dei prodotti alimentari da parte di sostanze chimiche o agenti biologici presenti negli ambienti o nei materiali che vengono a contatto con gli alimenti. L’intensità di questo danno dipende dalla concentrazione degli agenti contaminanti.

Entità del danno = Intensità x Durata (dell’esposizione)

Qualità alimentare

Tipologie di processi

Processi continui

Coinvolgono trasformazioni continue di massa, energia e quantità di moto su flussi continui di materiale. Immissione continua di materie prime e raccolta continua di prodotto finito. Nel funzionamento a regime, l’obiettivo è ottenere un prodotto di qualità uniforme nel tempo, a prescindere dalla durata del periodo in cui il processo è rimasto attivo.

Processi discontinui (Batch)

Produzione di quantità finite di prodotto finale ottenute da quantità finite di materie prime, processate secondo un insieme ordinato di attività e in un periodo di tempo finito.

• Prodotti lavorati in quantità (lotti) di dimensione non fissate a priori, ma scalabili
• La quantità di prodotto finale non è fissa, ma la sequenza di lavorazione sì
• Il processo è interrotto dopo la lavorazione di un lotto e ripreso con quello successivo

Processi semicontinui

Hanno caratteristiche in comune con processi continui e con quelli discontinui (a lotti). Sono dedicati ad applicazioni specifiche e ripetitive. Tipici di processi che separano componenti in un flusso continuo.

Il componente separato si accumula in un’unità di processo fino a riempimento (p. continuo) e poi, a riempimento completato, il processo viene interrotto per svuotare e ripulire i serbatoi (p. discontinuo). Quindi il processo viene riavviato.

Rappresentazioni grafiche

Flow-sheet o diagramma di flusso

Possono essere anche evidenziati gli eventuali ricicli o recuperi di sottoprodotti e di scarti.

Per percorsi alternativi sono rappresentati diagrammi paralleli che hanno in comune il materiale di partenza e il prodotto finale (diverse forme per materia prima, prodotto finito e operazioni).

Simbologia

Un’operazione e/o un processo possono essere anche descritti con schemi figurati ricorrendo ad una simbologia che rappresenta le macchine e i servizi.

Schema figurato

Raffigurazioni più o meno precise dei vari stadi di produzione e macchinari utilizzati.

Possibili criteri di classificazione dei prodotti

• In base alla materia prima: prodotti lattiero-caseari, prodotti a base di cereali, derivati della frutta, prodotti carnei
• In base al processo tecnologico: alimenti surgelati, bevande fermentate, prodotti da forno

Tecnologie di conservazione

A breve termine: sono basate sulla semplice refrigerazione o sulla refrigerazione in combinazione con altre tecniche (pastorizzazione, irraggiamento, confezionamento in atmosfera modificata o altri trattamenti “mild”).

A lungo termine: si applicano al prodotto trattamenti più drastici garantendone una più lunga conservabilità (prodotti sterilizzati, surgelati, disidratati).

Tecnologie di trasformazione

• Frazionamento: un prodotto complesso, generalmente una materia prima formata da più costituenti, è frazionata in diversi componenti. Questa tecnologia è tipica nelle linee di produzione degli ingredienti alimentari (es: zucchero, oli, farine).
• Combinazione: molti ingredienti vengono combinati per produrre dei prodotti più complessi (es: pasta, bevande non fermentate).
• Trasformazione chimica, biochimica, microbiologica: le materie prime o gli ingredienti sono trasformati per modificazione chimica dovuta a trattamento termico o ad azione chimica, enzimatica o microbica (es: vino, birra, prodotti da forno, formaggi).

Classificazione dei prodotti alimentari a due vie

Un prodotto alimentare è il risultato di una specifica sequenza tecnologica (processo) applicato ad una specifica materia prima. Il criterio di classificazione può essere basato sia sulla materia prima che sul processo.

Classificazione proposta (Peri, 1990)

Tavola sinottica a due dimensioni aventi le materie prime e i processi come coordinate. I prodotti che sono classificati sono prototipi di prodotti.

Tavole sinottiche

Analisi e controllo di processo

Comprende la definizione e la rilevazione dei seguenti elementi (possono influenzare l’andamento del processo):

• Materie prime (ingredienti, coadiuvanti tecnologici, additivi, imballaggi) con le relative caratteristiche di composizione e prestazione
• Sequenza delle operazioni (flow-sheet)
• Bilanci materiali e indici di resa
• Bilanci energetici
• Condizioni operative intese sia come parametri (Temperatura, tempo) che come procedure operative
• Planimetria dello stabilimento (layout del processo)
• Impianti (caratteristiche, prestazioni e potenzialità)
• Strutture e materiali edilizi (ambiente adatto ad ospitare il processo alimentare)