Processi Primo parziale (fino a Olio)

Processi della tecnologia alimentare

Estrazione per diffusione

L'estrazione per diffusione con la relativa legge porta all'ottenimento di un sugo grezzo e fettuccine esaurite, le quali vengono spremute e destinate alla mangimistica.

Composti melassigeni

Acido glutammico e amminoacidi prendono il nome di composti melassigeni, composti contenuti nel non zucchero che inibiscono la cristallizzazione quindi vanno allontanati.

Depolpatura ed epurazione

Riguardo alle operazioni di allontanamento, la depolpatura rimuove quei frammenti di fettuccia insolubili che si sono staccati dalle fettucce e che non sono stati trattenuti dall'impianto.

La fase di epurazione con idrossido di calcio o calce spenta (Ca(OH)₂) ("pulitura del sugo grezzo che diventa leggero") rimuove tutti i composti melassigeni in modo da consentire la cristallizzazione (+solfitazione). Le fasi di solfitazione, trattamento con resine cationiche (caricate positivamente) o anioniche (caricate negativamente) e concentrazione allontanano tutto quello che non è in soluzione, quindi tutto quello che non è zucchero. Ogni operazione ha una finalità ben precisa.

Epurazione: principio

L'epurazione è un processo che avviene sul sugo grezzo in modo da definirlo sugo leggero. Leggero perché allontana tutti i composti insolubili e i composti melassigeni che impediscono la concentrazione.

- Rendere insolubili i composti che sono in soluzione.

- Creare un precipitato filtrabile.

Il calcio introdotto con la calce spenta fa precipitare le pectine. Altri composti come ferro e alluminio precipitano a pH basico. La prima dose (predefecazione) di idrossido di calcio fa precipitare le pectine, la seconda dose (defecazione) ingloba i composti di natura colloidale che si sono formati con l'aggiunta di idrossido di calcio. Il calcio va aggiunto lentamente per far aumentare lentamente il pH in modo da far precipitare i composti insolubili come ferro e alluminio. Per rimuovere il calcio si utilizza anidride carbonica nella prima carbonatazione. Dopo la filtrazione si raccoglie la "torbida di prima carbonatazione", per poi compiere la seconda carbonatazione per rimuovere il calcio residuo. Un'ultima filtrazione raccoglie la "torbida di seconda carbonatazione".

Epurazione: impianto

Per introdurre un gas in un liquido, come durante la carbonatazione, si utilizzano dei diffusori, degli "sparger" all'interno di un tank. I diffusori fanno sì che il gas venga a contatto con tutta la soluzione. Dopo la prima carbonatazione avviene la filtrazione con un filtro a pressa, un filtro semicontinuo in quanto il filtro deve essere pulito periodicamente dai residui. Con la filtrazione si raccoglie la "torbida di prima carbonatazione". Per rendere continuo il processo vi sono due filtri a pressa, in modo che quando un filtro viene aperto per essere pulito, l'altro lavora e compie la filtrazione. Tale filtro è costituito da sezioni e membrane filtranti che trattengono i solidi e fanno passare il filtrato. Man mano che si accumulano i solidi la capacità filtrante diminuisce, e quando la capacità diventa bassa, il filtro viene aperto e pulito.

Non si chiama filtro a pressa perché contiene una pressa, ma perché la filtrazione avviene in ambiente chiuso, con il filtro chiuso. Il flusso del materiale entra negli spazi tra i diversi telai e membrane e poi viene convogliato alla base. A differenza del pastorizzatore, il materiale non percorre tutta la struttura ma inizialmente i flussi sono separati. Oltre al filtro a pressa, c'è il filtro a tamburo sotto vuoto o rotativo sotto vuoto. Tale filtro è un cilindro con sezione circolare che contiene un cilindro forato con sopra delle tele che ruota in senso orario, pescando il materiale nella parte inferiore da cui lo stesso viene alimentato lungo tutto il cilindro. I solidi presenti nel materiale formano uno strato sulla tela filtrante, separando i solidi stessi dalla fase liquida. Il sugo leggero viene raccolto all'interno del liquido, mentre la torbida di prima carbonatazione viene raccolta sulle tele della superficie del cilindro che ruota.

Solfitazione

Dopo l'epurazione che ha portato all'ottenimento del sugo leggero, si compie la solfitazione aggiungendo SO₂ la quale è stabilizzante e antisettica, oltre a compiere la decolorazione del sugo leggero. L'aggiunta della SO₂ con acqua porta all'ottenimento di acido solfidrico che porta a un abbassamento del pH, quindi all'inversione dello zucchero che si contrappone con l'azione alcalinizzante della calce spenta che porta invece alla cristallizzazione dello zucchero.

Trattamento con resine

Il trattamento con resine avviene con resine a scambio ionico, resine anioniche o cationiche che cedono ioni a una sostanza che viene a contatto con loro. Una resina cationica, nella pratica, che viene caricata con il passaggio di un acido cede i suoi ioni H⁺ scambiandoli con ioni K⁺ provenienti dal sugo leggero. Le resine ricche di K⁺ vengono rigenerate, ricaricate con H⁺ con il passaggio di un acido. La resina non contiene solo ioni K⁺ ma anche del sugo che va recuperato dagli spazi contenuti tra le sferette di resina. Si estrae tale sugo con una modesta quantità di acqua in modo da non far diluire il sugo e poi si fa passare tra le sferette di resina l'acido che ricarica la resina. Successivamente c'è ancora acido, quindi si lava con acqua per evitare che l'acido compia l'idrolisi, l'inversione del sugo. Bisogna operare a bassa temperatura per evitare l'idrolisi.

Evaporazione e cristallizzazione

La successiva evaporazione porta alla concentrazione del sugo leggero portandolo alla definizione di sugo denso. L'evaporatore che si utilizza è un evaporatore a tubi lunghi che scambia calore con vapore caldo, il quale porta all'evaporazione dell'acqua che condenserà. La condensa verrà raccolta alla base dell'evaporatore, con un 60-65% di residuo secco dopo la concentrazione.

Il diagramma di fase dello zucchero mette in relazione la temperatura di esercizio con la percentuale di zucchero che si solubilizza, con la solubilità dello zucchero. La solubilità dello zucchero è alta a 20°C ma aumenta con la temperatura. Una soluzione satura è una soluzione che ha una concentrazione di zucchero pari alla temperatura di saturazione. Se si raffredda una soluzione satura si ha un corpo di fondo. Con la concentrazione si ha una soluzione sovrassatura, una soluzione che ha una quantità di zucchero in soluzione superiore alla solubilità, alla quantità di zucchero che può contenere a quella temperatura.

Cottura

La cottura ha un principio simile alla concentrazione ma avviene in delle boule, dei contenitori che portano all'evaporazione dell'acqua portando il sugo al 90-92% della concentrazione in zucchero (sistemi discontinui).

Cristallizzazione

Il materiale concentrato ancora caldo viene trasferito nei cristallizzatori, recipienti dotati di sistemi di raffreddamento (camicie o serpentine) e di agitazione (aumento della turbolenza, maggiore efficienza) con serpentini raffreddati che ruotano, sistema di raffreddamento e di agitazione combinato per elevata efficienza di scambio termico. L'operazione di cottura-raffreddamento avviene tre volte con una fase di centrifugazione successiva che permette di separare un solido (cristalli da zucchero) da un liquido (scolo verde).

Le centrifughe utilizzate sono "centrifughe a paniere", divise in centrifughe a paniere ad asse verticale e centrifughe a paniere ad asse orizzontale. I solidi rimangono nel paniere e vengono scaricati, mentre i liquidi verdi vengono concentrati fuori.

Obiettivo: aumento di resa

Obiettivo: aumento di resa del processo con il recupero dello scolo verde, con il recupero dello zucchero contenuto nello scolo verde. Con la centrifugazione si distinguono lo zucchero e lo scolo verde; lo zucchero verrà lavato avendo lo zucchero di primo getto e lo zucchero bianco. Il cristallo viene lavato, lo zucchero andato in soluzione durante il lavaggio prende il nome di scolo bianco. I cristalli residui rappresentano lo zucchero di primo getto, il quale subirà dei processi di raffinazione ottenendo lo zucchero raffinato. Lo scolo bianco viene reintrodotto in fase di cottura per recuperarlo aumentando la resa del processo.

Come la sequenza cottura/raffreddamento/centrifugazione viene ripetuta per tre volte, verrà compiuto altrettante volte il recupero di sugo bianco, il quale nella terza sequenza verrà scaricato come melasso (8 kg di zucchero contro i 58 kg della massacotta, ne sono stati recuperati 50). Concentrare/evaporare significa rimuovere acqua, quindi da 100 tolgo acqua quindi ne ho meno ma non cambia il coefficiente di purezza, quindi non cambia il residuo secco. Con la cristallizzazione invece cambia la massa, cambia il residuo secco quindi cambia il coefficiente di purezza.

Lo scolo, per recuperare i 29 kg su 58 di zucchero, viene riconcentrato, ricotto, cambia il contenuto di acqua ma non cambia il residuo secco quindi non cambia la purezza. Lo scolo secondo ha un coefficiente di purezza più basso ma del 73,5%. Si può recuperare altro zucchero abbassando la quantità di zucchero contenuta, oltre che il coefficiente di purezza. Il recupero dello zucchero riutilizzando lo scolo bianco è di 50 kg su 58 kg iniziali presenti nel sugo denso. Recupero = (50/58)x100. Il melasso contiene l'8% di zucchero che viene utilizzato per la mangimistica o come substrato per la crescita dei microrganismi, per cui non si parla di prodotto di scarto ma di coprodotto.

Raffinazione

La raffinazione ha come scopo quello di avere un elevato coefficiente di purezza dello zucchero. Dopo aver visto il recupero di zucchero dallo scolo bianco, consideriamo ciò che avviene sullo zucchero di primo getto che viene raffinato (trattamento con carboni attivi di origine vegetale e animale).

Estrazione dello zucchero dalla canna da zucchero

• La canna da zucchero non è un tubero ma è legnosa, quindi il trattamento meccanico consiste in una molitura o laminazione.
• Il succo della canna da zucchero è più concentrato quindi si può estrarlo tramite spremitura.
• Il succo della canna da zucchero ha un contenuto più elevato di composti melassigeni e una quantità di zucchero invertito quattro volte superiore.
• I residui della canna da zucchero, detti bagasse, vengono utilizzati come combustibili utilizzati per la produzione di vapore.

Estrazione dello zucchero di canna

Il processo produttivo dello zucchero di canna si differenzia da quello dello zucchero dalla barbabietola per le fasi di estrazione e di epurazione.

Estrazione con "Rotocel"

Tale estrattore, che opera in controcorrente, viene utilizzato sia per l'estrazione con acqua dello zucchero che per l'estrazione con esano (punto di evaporazione più basso dell'acqua) dai semi oleaginosi. Tale estrattore è un grosso cilindro connesso a tante pompe che presenta due piani, un piano inferiore e un piano superiore diviso in settori equivalenti. Il piano superiore, ad intervalli di tempo controllati, ruota in senso orario di un settore. I solidi vengono inseriti nel piano superiore e ad ogni "scatto" del piano superiore tali solidi verranno estratti. Nel settore prima del settore di scarico, tali solidi estratti vengono a contatto con il solvente fresco. Il solvente fresco viene a contatto con i solidi quasi esauriti, nel penultimo settore, e scende nel piano inferiore, dove una pompa lo riporta nel piano superiore continuando i cicli di estrazioni.

Industria dei cereali e derivati

Caratteristiche generali dei cereali

I cereali sono l'alimento più diffuso per l'approvvigionamento umano e animale. I cereali vengono coltivati sui 2/3 della superficie mondiale.

Caratteristiche positive

• I cereali sono colture che garantiscono un'elevata produttività ed un'elevata adattabilità alle condizioni climatiche.
• Hanno una bassa umidità quindi sono molto conservabili e molto adatti alla trasformazione per realizzare diversi prodotti e semilavorati.
• Forniscono molta energia ma sono carenti dal punto di vista dell'apporto proteico nonostante forniscano in ogni caso proteine, vitamine e sali minerali.

Caratteristiche negative

• I cereali sono soggetti a variazioni di produttività da stagione a stagione in base a fattori climatici, piovosità, etc.
• Contengono proteine a basso valore biologico e sono poveri di Lisina Lys (amminoacido limitante perché presente in quantità minoritaria).
• È difficile definire la qualità del cereale in base al tipo di utilizzo.

Frumento

Il frumento ha una sezione a forma di "cuore".

Composizione centesimale

FRUMENTO: 14,5 significa che il 14,5% del secco è costituito da proteine con una deviazione standard del 4%. Il coefficiente di variazione percentuale è la deviazione standard normalizzata sulla media, (deviazione standard/media) x 100. Il coefficiente di variazione percentuale permette di valutare la variabilità di una macromolecola. Il riso in confronto al frumento ha più amido e meno proteine. I lipidi sono contenuti soprattutto nell'avena e nel mais, ma l'avena li contiene nell'endosperma e il mais nel germe.

Caratteristiche della cariosside

La cariosside non è solo un seme o solo un frutto, ma è un seme-frutto costituito da tegumenti (3 tegumenti del seme e tre tegumenti del frutto), da un endosperma amilaceo e da un germe+scutello. Nella cariosside vi sono enzimi, sia amilolitici che proteolitici, per favorire la crescita della plantula e poi della pianta. L'endosperma è costituito da una parte esterna con cellule di grosse dimensioni e da una parte più interna detta strato aleuronico, costituito da cellule più piccole. Tale strato è ricco di cellulosa per un 38% e di proteine per un 32%.

Variabilità nella composizione dei cereali

La composizione di un cereale varia con la dimensione del chicco; i chicchi più piccoli hanno una maggiore superficie specifica rispetto ai chicchi più grossi. + funzioni Farine forti e deboli, valutazione della farina che viene fatta sull'impatto. Una farina forte ha un'elevata percentuale di glutine quindi è più forte.

Gelatinizzazione dell'amido

La gelatinizzazione è la conseguenza di un processo di trattamento a caldo. La gelatinizzazione è un processo che a volte si vuole promuovere e a volte inibire. I granuli più piccoli e quelli danneggiati gelatinizzano prima di quelli più grossi.

Impasto

Ciò che si forma miscelando la farina con acqua. Reticolo interproteico che contiene i granuli d’amido. L’amido si gelatinizza con l’amilopectina che si apre lateralmente, l’amilosio viene compromesso. In presenza di un componente che trattiene l’acqua, la gelatinizzazione viene rallentata. Tali componenti sono ad esempio le proteine.

Amido danneggiato

A differenza dell’amido gelatinizzato l’amido danneggiato ha avuto delle rotture a freddo durante la macinazione. L’amido danneggiato ha una maggiore superficie specifica, una maggiore superficie di azione e viene facilmente attaccato dagli enzimi amilolitici. La quantità di amido danneggiato condiziona la quantità di acqua utile ad ottenere un impasto.

Modificazioni: gelatinizzazione dell'amido e azione enzimatica

Riguardo all’azione enzimatica, gli enzimi deputati all’idrolisi sono alfa e beta amilasi, i quali entrambi scindono i legami alfa-1,4 ma l’alfa-amilasi è un endoenzima, rompe il polisaccaride all’interno della catena dando origine a glucosio, maltosio, maltotriosio e oligosaccaridi, e la beta amilasi è un esoenzima che taglia ai lati della catena polisaccaridica dando origine a maltosio e beta destrine limite. Le temperature ottimali per l’azione di tali enzimi sono quelle di impastamento, 35-40°C, con azione favorita da una pregelatinizzazione. Altri enzimi sono le pullulanasi che scindono i legami alfa1,6 e le amidoglucosidasi che scindono entrambi i tipi di legami.

Falling number o indice di Hagberg

Se la cariosside è stata conservata male, gli enzimi si attivano e, con l’amilolisi, danno luogo all’inizio di pregerminazione in quanto gli enzimi favoriscono la crescita della plantula. Favorire tale sviluppo ha un effetto negativo dal punto di vista alimentare perché l’amido viene utilizzato per la crescita della plantula. Se ci si accorge dell’inizio della fase di pregerminazione, si seccano le cariossidi arrestando tale crescita. Per verificare ciò viene fatto un test rapido, per evitare perdita di tempo di coloro che trasportano i cereali, per capire se la partita in questione ha avuto casi di pregerminazione. Tale test serve per determinare la quantità di amilasi contenuta in una farina ricavando il cosiddetto "falling number" o "indice di caduta di Hagberg".

Per questo test ci si è ispirato ad un viscosimetro a sfera cadente, per cui se si aggiunge una farina in acqua e si scalda il tutto, con procedure standard per confrontare dati provenienti da analisi differenti, e si mette il tutto in un contenitore caldo. A tale temperatura si attivano le amilasi che rompono l’amido e la soluzione perde di viscosità, è più fluida. Si fa cadere una sfera e se la farina è ricca di amilasi la soluzione sarà meno viscosa e il tempo di caduta sarà breve, se la soluzione è povera di amilasi sarà più viscosa e il tempo di caduta sarà maggiore. Se il falling number è alto, sono presenti poche amilasi quindi il tempo di caduta sarà più elevato, poco glucosio libero quindi lo sviluppo di un lievito sarà inferiore. Se il falling number è basso, la quantità di amilasi sarà superiore, vi sarà più glucosio libero quindi lo sviluppo del lievito sarà facilitato.