Processi della tecnologia alimentare - Modulo

Tecnologia alimentare

Complesso di operazioni e processi volti alla conservazione o alla trasformazione di materie prime alimentari prodotte dall'agricoltura, dall'allevamento e dalla pesca.

Obiettivi principali

• Aumentare la conservabilità delle materie prime commestibili, anche per superare la stagionalità, e trasferire tali prodotti dal luogo di trasformazione al luogo di vendita e consumo.
• Produrre ingredienti e da questi prodotti finiti, partendo da materie prime non commestibili o che contengono composti tossici.

È importante condurre tali processi evitando lo spreco, ovvero con la massima efficienza, e operare minimizzando il danno tecnologico. L'ottimizzazione della qualità è una diretta conseguenza della minimizzazione del danno.

Altre funzioni possono essere garantire la sicurezza igienico-sanitaria e qualità costante, fornire prodotti ready to eat e promuovere lo stato di salute anche attraverso functional food.

Evoluzione dei processi

Fino a qualche decennio fa le aziende alimentari si occupavano solamente di produrre alimenti in quantità, in sicurezza ed in qualità. Al giorno d'oggi invece tale settore si concentra anche sulla progettazione di alimenti, gestendo la qualità, ovvero progettando processi e alimenti con caratteristiche costanti e desiderate, gestendo la sicurezza e la qualità di filiera (fiducia del consumatore dal campo alla tavola).

L'evoluzione dell'industria alimentare in termini di valore aggiunto ai prodotti passa dall'ingegneria di processo all'ingegneria di prodotto. Tale transizione ha richiesto una modifica dei concetti e delle tecniche impiegate nella tecnologia alimentare.

Gli interventi tecnologici hanno sempre una finalità che andrà a ricadere sulla qualità del prodotto, quindi per ogni carattere critico si avrà un intervento tecnologico atto alla minimizzazione di tale problema.

Caratteri critici delle materie prime e dei prodotti alimentari

• Vulnerabilità: difesa da avversità climatiche o da attacchi di altri organismi.
• Commestibilità condizionata da parti non eduli o frazioni che necessitano riscaldamento: conferimento di valore nutrizionale.
• Presenza di fattori di rischio: risanamento.
• Alterabilità: stabilizzazione.
• Esigenze di preparazione, trasporto, porzionatura: conferimento di comodità d'uso e convenienza.

Processo

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

• Aumentare la conservabilità delle materie prime per consentire il trasporto ed aumentarne la shelf-life, quindi un prodotto può anche non esser trasformato, ma anche solo adattato a caratteristiche di conservazione.
• Produrre ingredienti alimentari.
• Produrre alimenti finiti attraverso la combinazione di materie prime ed ingredienti trasformati.

Materie prime

Materiali che entrano nel processo aziendale e che provengono da agricoltura, allevamento e pesca. Le materie prime in senso lato possono anche essere i semilavorati, ingredienti creati con un processo tecnologico. Tra le materie prime rientrano anche additivi, coadiuvanti, nutrienti e materiali di confezionamento. Tali prodotti si possono dividere in base all'origine: animale (carne, latte, prodotti della pesca e derivati), vegetale (cereali, legumi, piante oleose, frutta, verdura, piante zuccherine, piante tropicali o nervine e piante officinali) e di origine minerale.

Produzione primaria – Reg. 178/2002

Tutte le fasi della produzione, dell'allevamento o della coltivazione dei prodotti primari, compresi il raccolto, la mungitura, produzione zootecnica, macellazione, caccia, pesca e la raccolta di prodotti selvatici. Permette di ottenere materie prime utilizzabili già di per sé o per costituire un alimento.

Prodotti primari – Reg. 852/2004

Prodotti della produzione primaria.

Prodotti intermedi o semilavorati

Tutti i prodotti derivanti da manipolazioni e trasformazioni delle materie prime, ma non ancora diventati prodotti finiti, che sono oggetto di commercio.

Prodotti alimentari

Prodotti destinati al consumo alimentare ottenuti dalla conservazione o dalla trasformazione delle materie prime, che arriva al consumatore finale.

Codex Alimentarius

Raccolta di norme creata dalla FAO e dall'OMS, approvata da molti paesi del mondo. Essendo delle norme sono applicate su base volontaria, infatti sono viste come raccomandazioni o linee guida. Contiene inoltre standard per ciascun prodotto, ovvero degli indici chimici raccomandati. Tali norme sono utili anche per le aziende che devono acquistare semilavorati e decidere a quale fornitore rivolgersi.

“Food is a substrate whether processed, semi-processed or raw, that is intended for human consumption and includes drink, chewing gum and any substance that has been used in the manufacture, preparation or treatment of food.”

Prodotti non trasformati Reg. CE 852/2004

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.

Prodotto trasformato

Prodotti alimentari ottenuti dalla trasformazione di prodotti non trasformati. Tali prodotti possono contenere ingredienti necessari alla loro lavorazione o per conferire loro caratteristiche specifiche.

Processo tecnologico

Un processo tecnologico è costituito da una sequenza ordinata di operazioni unitarie applicate in determinate condizioni operative a 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 descrivibili mediante opportune equazioni di bilancio e cinetiche. I principi che regolano l'andamento di una data operazione unitaria non dipendono dalla specifica applicazione del materiale trattato, ma possono essere definiti in maniera indifferenziata quale che sia il settore e il materiale di applicazione dell'operazione. Bisogna sempre tener conto del rapporto operazione unitaria – prodotto, poiché ogni differente prodotto va maneggiato in base alle sue caratteristiche.

• Operazioni unitarie fondamentali: effettivamente svolgono il ruolo primario in un processo (refrigerazione, mild technologies, surgelamento, sterilizzazione, disidratazione, frazionamento meccanico, frazionamento fisico e fisico-chimico, miscela, miscela con texturizzazione, trasformazione chimica con riscaldamento, trasformazione chimica ed enzimatica, trasformazione microbiologica).
• Operazioni complementari: non hanno né finalità conservative né di conservazione, ma servono per preparare il prodotto all'operazione fondamentale o per preparare il prodotto alla fase conservativa (riduzione delle dimensioni, formazione, stabilizzazione termica, stabilizzazione fisica, stabilizzazione in base al contenuto d'acqua, separazione da componenti minori ed impurità, addizione di componenti minori, selezione, condizionamento e packaging, trasporto).

Tecnologie di conservazione

Hanno lo scopo di prolungare la vita commerciale del prodotto senza alterare le caratteristiche geometriche, strutturali, meccaniche, fisiche, chimiche, microbiologiche e sensoriali e nutrizionali delle materie prime o dei semilavorati o dei prodotti finiti, in vista della loro utilizzazione o del loro consumo finale.

Tecnologie di trasformazione

Hanno lo scopo di modificare le caratteristiche geometriche, strutturali, meccaniche, fisiche, chimiche, microbiologiche e sensoriali e nutrizionali delle materie prime o dei semilavorati al fine di ottenere prodotti con adeguate proprietà sensoriali, nutrizionali, di lavorabilità, di convenience e di conservabilità.

Danni tecnologici

Tutto ciò che può avvenire durante un processo e che può far scadere le proprietà sensoriali o nutrizionali del prodotto trattato.

• Danno meccanico: danno strutturale del prodotto (rottura, fessurazione, fuoriuscita di succhi, formazione di fini), dovuti ad azione di pressione o shear-tres (sforzo di taglio) oltre i limiti di resistenza del prodotto.
• Danno termico: danno causato dal calore fornito al prodotto, oppure determinato dalla sottrazione di calore e si manifesta con perdite di vitamine, diminuzione di digeribilità, formazione di off-flavours e off-colours. Inoltre rende il prodotto più propenso ad essere sottoposto a danno meccanico o danno chimico.
• Danno chimico: dovuto a reazioni chimiche, in particolare all'ossidazione causando appunto ossidazione di vitamine, oli, grassi, portando allo scadimento delle qualità del prodotto. Si possono avere anche fenomeni di idrolisi, lipolisi, proteolisi, isomerizzazione, fotodegradazione. Tali reazioni dipendono sia dalla concentrazione delle sostanze reagenti e dalle condizioni di contorno che favoriscono o inibiscono le degradazioni.
• Danni da contaminazioni: che possono essere di natura chimica, fisica o biologica, data da contaminanti presenti negli ambienti o nei materiali che vengono in contatto con il prodotto e l'intensità del danno dipende dalla concentrazione e dal tipo di contaminanti.

Per qualunque tipo di danno, la sua entità è data dall'intensità e dal tempo di esposizione.

Tipologie di processi

• Processi continui: ingresso delle materie prime da un'estremità che seguono un percorso costituito da un insieme concatenato di operazioni unitarie, dove il prodotto passa da una all'altra in modo continuo, fino ad arrivare alla fine con il prodotto. La qualità quindi di tutti i prodotti formati rimane 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. I prodotti lavorati in quantità di dimensioni non fissate a priori ma scalabili, non è fissata la quantità di prodotto finale ma solo la sequenza di lavorazione, il processo viene interrotto dopo la lavorazione di un lotto e ripreso con quello successivo.
• Processi semicontinui: hanno caratteristiche comuni sia con i continui che con i batch. Sono dedicati ad applicazioni specifiche e ripetitive, tipici di processi che separano componenti in un flusso continuo: il componente separato si accumula fino al riempimento e poi il processo viene interrotto per svuotare e ripulire i serbatoi.

Flow sheet o diagramma di flusso

Diagramma di tipo qualitativo che indica tutto ciò che entra nel processo produttivo, sotto forma di materie prime principali e secondarie, tutte le operazioni di trasformazione o le macchine impiegate, tutto ciò che esce sotto forma di prodotti, sottoprodotti o scarti, specificando i punti nei quali si verificano tali entrate e uscite. Si possono evidenziare eventuali ricicli o recuperi di sottoprodotti e di scarti. Per percorsi alternativi sono presenti diagrammi paralleli che hanno in comune il materiale di partenza ed il prodotto finale.

Il flow sheet può anche essere di tipo quantitativo, ovvero che comprende per ciascuna operazione unitaria i bilanci materiali e le condizioni operative.

Layout

Riporta la disposizione planimetrica o in elevazione delle risorse necessarie per svolgere un processo produttivo e comprende la progettazione e il posizionamento degli spazi, dei fabbricati e degli impianti, coerentemente con il sistema produttivo e il flusso dei materiali.

Classificazione dei prodotti alimentari

Esistono differenti classificazioni dei prodotti alimentari e le due principali sono: in base alla materia prima (prodotti lattiero-caseari, prodotti a base di cereali, derivati dalla frutta, prodotti carnei), in base al processo tecnologico (surgelato, bevande fermentate, prodotti da forno).

• Tecnologie di conservazione
  • A breve termine, basate sulla semplice refrigerazione o sulla refrigerazione in combinazione con altre tecniche (pastorizzazione, irraggiamento, confezionamento in atm modificata o trattamenti mild).
  • A lungo termine, si applicano al prodotto trattamenti più drastici garantendone una più lunga conservabilità.
• Tecnologie di trasformazione
  • Frazionamento, un prodotto complesso generalmente una materia prima formata da più costituenti, è frazionata in diversi componenti.
  • Combinazione, molti ingredienti vengono combinati per creare dei prodotti più complessi.
  • Trasformazione chimica, biochimica o microbiologica, le materie prime o gli ingredienti sono trasformati per modificazione chimica mediante azione chimica, grazie ad enzimi o a microrganismi.

Un prodotto alimentare è il risultato di una specifica sequenza tecnologica applicata a una specifica materia prima ed il criterio di classificazione può essere basato sia sulla materia prima che sul processo. Tale classificazione proposta è la tavola sinottica.

Qualità alimentare

La qualità alimentare può essere descritta sia come alimento che come oggetto di commercio. Se quindi si guarda il prodotto solo come un alimento di per se, si può mettere l'accento su requisiti del prodotto in se e psicologici, quindi tutto ciò che riguarda la genuinità (di sicurezza e merceologici), qualità biologica (nutrizionali e sensoriali) e il contesto produttivo ed etico. Se invece in modo più ampio si guarda il prodotto come un oggetto di commercio si potrà parlare di requisiti di garanzia (certificazione di sistema e di prodotto, rintracciabilità di filiera), requisiti di servizio (comodità, comunicazione, presentazione), requisiti di sistema (disponibilità, prezzo).

Analisi di processo di produzione

Definizione e rilevazione di:

• Materie prime con le relative caratteristiche di composizione e prestazione.
• Sequenza delle operazioni.
• Bilanci materiali ed energetici.
• Condizioni operative intese sia come parametri che come procedure operative.
• Planimetria dello stabilimento.
• Impianti.
• Strutture e materiali edilizi.
• Flussi di materiali e di persone.
• Condizioni operative per il condizionamento dei locali e per la prevenzione degli inquinamenti e delle infestazioni.

La scheda tecnica è il documento che raccoglie tutte le informazioni relative a quel prodotto e che definisce il contratto tra il cliente ed il fornitore. Riporta le informazioni necessarie ad identificare un prodotto dal punto di vista della commerciabilità come la descrizione del prodotto, le informazioni relative al confezionamento e alla logistica e l'elenco degli ingredienti con i relativi allergeni, i valori nutrizionali, le caratteristiche sensoriali, fisiche, chimiche e microbiologiche.

La scheda di prodotto è un documento interno all'azienda, una sorta di carta d'identità del prodotto che riporta tutte le informazioni che descrivono il prodotto indispensabili ai diversi reparti.

Fattori critici di processo

Tutti quei fattori in grado di condizionare un processo ovvero:

• Materie prime.
• Procedure di fabbricazione, di approvvigionamento, di detergenza, di smaltimento degli effluenti, di gestione dei sottoprodotti.
• Condizioni operative, parametri e procedure operative.
• Attività di controllo intese come verifiche, registrazioni, metodi di campionamento ed analisi, taratura della strumentazione e interventi in caso di non conformità.
• Impianti.
• Edifici.
• Personale.
• Rapporto con l'ambiente esterno.

Strategie di controllo di processo

La prima fase è quella del controllo degli input, ovvero materie prime e materiali, e degli output, ovvero il prodotto finale trasformato e/o conservato. Oltre a ciò è importante tener conto dei parametri di controllo oppure fattori critici di controllo, misurabili e controllabili, atti a garantire la qualità costante del prodotto.

Nel tempo tali strategie hanno subito delle modificazioni, infatti prima il controllo era solamente finale, tramite il raccoglimento di campioni e si decideva se tale campione era conforme o meno. Questa strategia è chiamata feedback control. I problemi di questo tipo di controllo sono la difficoltà di ottenimento di un campione rappresentativo da analizzare, solo i parametri realmente misurati possono essere assicurati, difficoltà associate ai metodi classici di analisi, individuazione di non conformità solo a fine produzione con un evidente spreco.

Dopodiché si è passato al controllo statistico, ovvero che comprende il campionamento in accettazione oltre al controllo statistico durante la produzione. È chiamato feed-forward control ed è quindi applicato sui materiali ricevuti dai fornitori esterni in lotti. La qualità può variare da lotto a lotto ed ha un impatto significativo sulla conformità della qualità dei prodotti finiti ed andrebbe quindi verificata su ogni singolo lotto, al fine di decidere se accettarlo e respingerlo. I rischi associati sono legati ai costi e alle tempistiche dei test. La questione chiave quindi è la progettazione del test da condurre in base alla tipologia di materie prime, valutare la qualità dei prodotti dei vari fornitori e basandosi anche allo storico dei dati aziendali.

Durante il processo si effettua controllo statistico di processo, che pianifica e controlla la qualità del prodotto durante lo svolgimento del processo. Le variabili includono il numero e le posizioni delle stazioni di ispezione, i piani di ispezione e le azioni correttive.

Il process analytical control (PAT) si applica soprattutto alle aziende farmaceutiche e prevede il monitoraggio in tempo reale del processo, mediante la misurazione con... [contenuto interrotto]