Processi della tecnologia alimentare con elementi di packaging - riassunto lezioni parte 1 e 2

Definizioni e rappresentazione dei processi

Tecnologia alimentare

Disciplina scientifica che studia le tecniche di trasformazione delle materie prime in prodotti alimentari e si occupa dei processi di conservazione e di trasformazione. Gli obbiettivi sono:

• Prolungare la conservabilità
• Produrre ingredienti alimentari o semilavorati da materie prime
• Produrre alimenti più complessi combinando e/o trasformando materie prime

In pratica gli scopi sono quelli di conservare e trasformare con la massima efficienza di processo e quindi minimi consumi energetici, perdite materiali, minimo danno tecnologico e massima velocità di processo, il tutto ottimizzando la qualità.

Materie prime

Sono tutti i materiali che entrano nel processo produttivo dall’esterno per subirvi trasformazioni, provenienti dai settori tradizionali della produzione primaria (agricoltura, allevamento e pesca), dalle industrie di prima trasformazione e industria biochimica e chimica (additivi, nutrienti, coadiuvanti, imballaggi).

Prodotti alimentari

Si intendono tutti quei prodotti destinati al consumo alimentare, come i prodotti freschi (carne, pesce, frutta, verdura), oppure ottenuti dalle attività di produzione primaria (agricoltura, allevamento, pesca), o ancora i semilavorati (ingredienti) e i prodotti finiti. Lo stesso prodotto può essere considerato sia una materia prima, che un semilavorato o un prodotto finito (es. farina).

Processo

È l'insieme di operazioni, materiali, attività, controlli che vengono messi in atto per trasformare un input in un output. In input entra in un processo per subirvi delle trasformazioni e per dare luogo ad un output (prodotto), che viene controllato per verificarne la conformità e determinati requisiti. Se l’output non è conforme il sistema di controllo attua un feedback sugli input per correzione. Gli obbiettivi sono gli stessi delle tecnologie alimentari. Un processo tecnologico è costituito da una sequenza di operazioni unitarie applicate ad una o più materie prime, ordinate secondo una certa sequenza, ed il prodotto finito è il risultato di tutte le trasformazioni che hanno avuto luogo durante l'intero processo.

Operazione unitaria

Fase elementare di un processo tecnologico basata su principi unitari, descrivibile da opportune equazioni cinetiche. I principi che regolano l’andamento di una data operazione non dipendono dall’applicazione e dal materiale trattato, ma possono essere definiti in maniera indifferenziata. Es. le leggi di sterilizzazione sono le stesse sia che si sterilizzi una conserva di pomodoro, una bevanda, un terreno colturale o un farmaco.

Qualità

Norma ISO 9001:2015: La qualità è “Grado in cui un insieme di caratteristiche intrinseche di un oggetto soddisfa i requisiti”, ossia una “Esigenza o aspettativa che può essere esplicita, generalmente implicita oppure obbligatoria”.

Requisiti di qualità

• Requisiti di sicurezza: Assenza di sostanze tossiche naturali, parassiti, infestanti, microrganismi patogeni, tossine batteriche, micotossine, virus. Assenza di contaminanti ambientali, residui di pesticidi e farmaci, cessioni di materiali ed imballaggi. Assenza di allergeni (per fasce sensibili).
• Requisiti nutrizionali: Apporto calorico. Apporto ed equilibrio di macro e micronutrienti.
• Requisiti sensoriali: Aspetto, colore, aroma, gusto e consistenza.
• Requisiti funzionali e tecnologici: Requisiti relativi alla prestazione del prodotto (es. montabilità, solubilità, ecc.).
• Requisiti legali e merceologici: Parametri di legge o stabiliti dalle associazioni di categoria oppure definiti da norme (es. UNI, ISO, ecc.).
• Requisiti di stabilità: Stabilità dell’igiene e della sicurezza, dei requisiti nutrizionali, strutturali e sensoriali, funzionali e tecnologici.
• Requisiti di costanza e di standardizzazione della qualità.

Danno tecnologico

Il concetto di ottimizzazione può essere riformulato dicendo che ogni operazione tecnologica deve essere condotta in modo da conseguire l'effetto voluto in maniera puntuale e selettiva, minimizzando gli effetti dannosi collaterali, non voluti, che fatalmente si accompagnano all'operazione.

• Danno meccanico: È dovuto ad un'azione di pressione o di shear stress oltre i limiti di resistenza dei prodotti. Si manifesta con una serie di inconvenienti: rotture, fissurazioni, perdite di succhi, formazione di fini.
• Danno termico: È dovuto agli effetti del calore sui componenti degli alimenti. Si manifesta con perdita di vitamine, diminuzione di digeribilità di alcuni nutrienti, formazione di off-flavours, off-colors. Il danno termico può provocare o favorire il danno meccanico rendendo i tessuti più fragili, le pareti cellulari meno elastiche, facendo aumentare la pressione interna del prodotto. Può anche favorire il danno chimico per l'ovvio effetto di accelerazione esercitato dall'aumento della temperatura su tutte le reazioni.
• Danno chimico: È dovuto a reazioni chimiche ed in particolare all'ossidazione, ma può comprendere anche altre reazioni indesiderabili, eventualmente catalizzate da enzimi, di proteolisi o lipolisi, isomerizzazione, fotodegradazione. L'entità dipende dalla concentrazione delle sostanze reagenti e dalle condizioni al contorno che favoriscono o inibiscono le reazioni.
• Contaminazioni: È un danno dovuto dall'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 dipende ovviamente dalla concentrazione degli agenti contaminanti.

Fattori critici di processo

Per eseguire analisi si devono per prima cosa definire i limiti del processo ed individuare quali fattori critici possono influire significativamente sulla qualità del prodotto e quindi condizionare un processo. Es: materie prime, procedure di fabbricazione, condizioni operative, attività di controllo, impianti, edifici, personale.

Una prima fase di rilevamento dei dati realizzata su di un sistema reale prevede:

• La definizione di una lista di materie prime (ingredienti, coadiuvanti tecnologici, additivi, imballaggi) con le relative caratteristiche di composizione e prestazione;
• La rilevazione e la eventuale rappresentazione dei seguenti elementi:
  • Sequenza delle operazioni: non solo per le operazioni di conservazione, di trasformazione, ma, eventualmente, anche per le fasi di sosta e i trasferimenti (flow-sheet);
  • Bilanci materiali e indici di resa;
  • Bilanci energetici;
  • Condizioni operative intese sia come parametri che come procedure operative;
  • Planimetria dello stabilimento (lay-out);
  • Impianti;
  • Strutture e materiali edilizi;
  • Flussi di materiali e di persone (logistica di processo);
  • Condizioni operative per il condizionamento dei locali e per la prevenzione degli inquinamenti e delle infestazioni.

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, 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 evidenziabili gli eventuali ricicli o recuperi di sottoprodotti e di scarti. La struttura grafica più adatta è quella ad albero, la quale può essere più o meno dettagliato e consente di rappresentare le linee tecnologiche derivate e complementari. È possibile presentare un diagramma quantitativo del processo, comprendente, per ciascuna operazione, i bilanci materiali. Questo consente di definire il bilancio di materia globale per il calcolo dei rendimenti di lavorazione (rese).

Su una copia del flow-sheet è opportuno riportare le condizioni operative di ciascuna operazione unitaria. In allegato possono essere indicati i controlli disponibili, manuali o automatici. Su un'altra copia del flow-sheet è possibile evidenziare i circuiti ed i flussi dei sistemi di detergenza e disanificazione, riportando in allegato tempi e condizioni.

Un’operazione e/o un processo possono essere descritti con schemi figurati ricorrendo ad una simbologia per le macchine ed i servizi. È opportuno identificare chiaramente le divisioni e le aperture di comunicazione fra le varie zone. Su varie copie del lay-out vengono riportati separatamente:

• I tracciati dei flussi materiali e, eventualmente, dei movimenti del personale;
• La caratterizzazione, con colori opportuni, delle analogie e delle differenze in termini di requisiti igienici;
• La caratterizzazione con colori opportuni, delle analogie e delle differenze in termini di temperature ambientali.

Classificazione dei processi nell’industria alimentare

Essendo un prodotto alimentare il risultato di una specifica sequenza tecnologica (processo) applicato ad una specifica materia prima, il sistema di classificazione di un prodotto alimentare dovrebbe essere basato sia sulla materia prima che sul processo. È opportuno riferirsi ad un astratto prototipo di prodotto caratterizzato da un processo di base e da una materia prima (es. pane, vino).

La classificazione che viene proposta consiste in una tavola sinottica con materie prime e processi come coordinate e prototipi di prodotti.

Classificazione delle tecnologie di processo

Il primo livello distingue:

• Tecnologie di conservazione: che hanno lo scopo di prolungare la shelf-life del prodotto, alterando in minor misura possibile le caratteristiche dello stesso
• Tecnologie di trasformazione: che hanno lo scopo di modificare le caratteristiche delle materie prime o semilavorati per ottenere prodotti con adeguate proprietà

Al secondo livello distinguiamo:

• Tecnologie di conservazione a breve termine: basate sulla semplice refrigerazione o sulla refrigerazione combinata con la pastorizzazione, l’irraggiamento, il confezionamento in atmosfera modificata o altri trattamenti blandi di conservazione
• Tecnologie di conservazione a lungo termine: si applicano trattamenti più drastici (sterilizzazione, surgelazione, disidratazione…)
• Tecnologie di trasformazione di frazionamento: in cui una materia prima complessa viene frazionata in diversi componenti. È una tecnologia tipica nella produzione di ingredienti alimentari (es. zucchero, olio, farina…)
• Tecnologie di trasformazione di combinazione: in cui molti ingredienti vengono combinati (es. pasta, bevande non fermentate…)
• Tecnologie di trasformazione chimica: durante le quali le materie prime o gli ingredienti sono trasformati per modificazione chimica dovuta a trattamento termico o ad azione chimica, enzimatica o microbica (vino, birra, prodotti da forno, formaggi).

Al terzo livello è possibile creare una classificazione dettagliata delle procedure tecnologiche, permettendo una divisione gerarchica delle tecnologie, in cui in un processo tecnologico complesso si individua, nella sequenza di operazioni unitarie, l’operazione che si trova al livello più alto di impatto tecnologico.

Es. un processo che comprende miscelazione, cottura e congelamento, corrisponde alla procedura 9 ossia alle trasformazioni chimiche indotte dal trattamento termico, poiché la cottura si trova al grado più alto della gerarchia e quindi è l’operazione durante la quale si registrano i maggiori cambiamenti di composizione del prodotto.

[Con il secondo livello si interseca anche la distinzione di tecnologie di prima trasformazione, che operano su materie prime provenienti direttamente dall’agricoltura, e tecnologie di seconda trasformazione, che utilizzano come materie prime gli ingredienti provenienti da trasformazioni industriali]

Operazioni unitarie fondamentali e complementari

Le prime sono individuate per facilitare l’analisi dello schema di flusso di un processo (refrigerazione, disidratazione, frazionamento…). Molte operazioni unitarie non possono essere classificate nei sottogruppi e nelle procedure tecnologiche di queste operazioni fondamentali, poiché non presentano né finalità di conservare, né quelle di trasformare, ma sono solo applicate nella preparazione, nella finitura o nel condizionamento del prodotto. Le operazioni complementari possono essere significative in termini di costi, investimenti o mano d’opera (forma, selezione, trasferimento…).

Un’operazione che viene considerata complementare in un processo, può essere considerata fondamentale in un altro (es. centrifugazione) e questo accade perché la classificazione viene fatta non in base a quello che le tecnologie sono, ma piuttosto quello che esse fanno al prodotto.

Prodotti naturali stabili

Sono es. l’acqua, il miele, i legumi… Questi prodotti non necessitano di operazioni fondamentali, ma solo una sequenza di procedure tecnologiche complementari e quindi non subiscono cambiamenti importanti rispetto al loro stato naturale o non richiedono l’applicazione di alcuna tecnologia di conservazione.

Classificazione delle materie prime

Il metodo più conveniente è quello che classifica le materie prime in base alla provenienza in natura, per cui vengono distinti tre livelli in funzione del gruppo, del sottogruppo e della specie. Il terzo livello può includere sia la specie, che le varietà e gli incroci.

Possibili usi della tavola sinottica dei processi e dei prodotti alimentari

Può essere usata per valutare la consistenza delle scelte tecnologiche di un’industria, evidenziata da una distribuzione ordinata dei prodotti nella tavola sinottica. Può anche essere usata come guida per l’innovazione del prodotto, che risulta più facile e sicuro. La tavola non fornisce informazioni sulla complessità dei processi.

Analisi e controllo di processo

Analisi di processo

Comprende la definizione e rilevazione:

• Materie prime (ingredienti, coadiuvanti, additivi, imballaggi…) con le caratteristiche di composizione e prestazione
• Procedure o sequenza delle operazioni (flow-sheet) di fabbricazione, di approvvigionamento, detergenza, smaltimento rifiuti, gestione sottoprodotti di lavorazione
• Bilanci materiali e indici di resa
• Bilanci energetici
• Condizioni operative, sia come parametri che come procedure operative
• Planimetria dello stabilimento
• Impianti
• Strutture e materiali edilizi
• Flussi di materiali e persone
• Condizioni operative per il condizionamento dei locali e prevenzione degli inquinamenti e infestazioni

Scheda tecnica

Raccoglie le informazioni su un prodotto dal punto di vista della commerciabilità (descrizione, informazioni su confezionamento e logistica, elenco ingredienti, allergeni, valori nutrizionali, caratteristiche sensoriali, chimiche, fisiche e microbiologiche) ed è il tramite di comunicazione in merito a qualità e caratteristiche per aziende, fornitori e clienti.

Fattori critici di processo

• Materie prime: ingredienti, coadiuvanti, additivi, imballaggi…
• Procedure o sequenza delle operazioni (flow-sheet): di fabbricazione, di approvvigionamento, detergenza, smaltimento rifiuti, gestione sottoprodotti di lavorazione
• Condizioni operative: sia come parametri che come procedure operative
• Attività di controllo: verifiche, registrazioni, metodi di campionamento ed analisi, taratura della strumentazione e interventi in caso di non conformità
• Impianti: disegno igienico, materiali, manutenzione…
• Edifici: planimetria, materiali edilizi, condizionamento, distribuzione dei fluidi di servizio
• Personale: igiene, capacità, competenze
• Rapporto con l’ambiente esterno: collocazione territoriale, aree di accesso, di carico e scarico, impatto ambientale, dislocazione degli impianti di depurazione

Sistema di controllo

Dispositivo (o insieme di dispositivi) che scambia informazioni e azioni con il processo per modificarne il comportamento (in modo desiderato), senza o con ridotto intervento umano. Agisce con il processo attraverso:

• Dispositivi per acquisire misure dello stato dell’impianto: sensori di variabili fisiche (meccaniche, elettriche, termiche…), trasduttori che convertono l’informazione in un segnale di natura differente (elettrica), seguiti da un condizionamento opportuno (amplificazione, filtrazione del rumore…)
• Dispositivi che trasmettono comandi all’impianto: attuatori che modificano il valore di variabili di controllo del processo per influenzarne lo stato
• Dispositivi di elaborazione delle informazioni (con algoritmi) e di interfaccia con operatori umani

La strumentazione può essere inglobata nel processo fisico e determinare un’automatizzazione del processo produttivo.

Strategia di controllo di processo

• Controllo finale: Si concentra su analisi che verificano la qualità del prodotto al termine del processo di fabbricazione. Non fornisce un efficiente assicurazione della qualità dei prodotti per:
  • Difficoltà di ottenimento di un campione rappresentativo
  • Solo i parametri misurati realmente possono essere assicurati
  • Difficoltà di analisi (es. tempistiche e risorse, natura distruttiva…)
  • Individuazione di non conformità solo a fine produzione
• Controllo statistico: Campionamento anche in accettazione, in cui i rischi associati sono legati ai costi e alla tipologia e durata del test, il quale dovrà essere condotto in base allo storico dei dati aziendali, alle criticità del materiale, all’affidabilità del fornitore… Durante la fase di produzione pianifica e controlla la qualità del prodotto e le variabili includono il numero e le posizioni delle stazioni di ispezione, i piani di ispezione e le azioni correttive.