Quaderno di processi

Quaderno di processi della tecnologia alimentare

Lezione 1: definizioni e classificazioni dei processi

Tecnologia alimentare: complesso di operazioni che serve per ottenere e conservare alimenti e materie prime, possono essere prodotte da agricoltura, allevamento o pesca. Le operazioni unitarie sono le operazioni che messe insieme vanno a costituire una sequenza di operazioni che rappresentano un processo della tecnologia alimentare.

Obiettivi

• Conservare: aumentare conservabilità delle materie prime e consentire il trasferimento dai luoghi di produzione a quelli di consumo. Devo poterle distribuire e devono essere disponibili in stagioni diverse da quelle della produzione (stagionalità).
• Trasformare: produrre ingredienti partendo da materie prime che come tali non sono edibili o contengono fattori tossici. Si cerca di massimizzare l’offerta naturale di materie prime. Esempio dei chicchi di grano → produzione di farine, amidi, crusche e altro è relativo all'edibilizzazione della materia prima con conseguente trasformazione in prodotti finiti.

I due vanno effettuati con la massima efficienza, quindi bisogna evitare sprechi di prodotto ed energia. Inoltre, dobbiamo minimizzare il danno tecnologico operando su materie prime o prodotti. Dobbiamo cercare di ottenere un prodotto trasformato con la massima qualità, minimizzando il danno tecnologico.

Altre funzioni delle tecnologie alimentari

• Garantire sicurezza igienico sanitaria e qualità costante.
• Fornire convenience: prodotti già preparati, dare comodità al consumatore da parte della comodità d’uso. Anche il mono-porzionamento è un elemento di convenience per evitare sprechi.
• Promuovere lo stato di salute anche attraverso functional food: prodotti funzionali, arricchiti con vitamine microrganismi che svolgono delle funzioni benefiche per il nostro organismo. Sono tutti i prodotti nutraceutici, arricchiti di sostanze naturali che fanno bene all’organismo come antiossidanti, polifenoli ecc.

Queste sono tutte funzioni collaterali che vanno considerate nel produrre e progettare un prodotto alimentare. I processi si sono evoluti nel tempo, prima lo scopo era di produrre alimenti in modo da avere cibo per tutti (max efficienza) in sicurezza e in qualità. Oggi d’altra parte dobbiamo gestire la qualità mediante la progettazione dei processi (progetto la qualità partendo da gestione di materie prime fino al prodotto finito). Assicuriamo la qualità in modo da garantire con un determinato svolgimento, l’ottenimento di un prodotto con qualità costante. Si parla di sistemi di gestione della qualità → from Farm to fork.

Evoluzione dell'industria alimentare

È avvenuta un’evoluzione dell’industria alimentare in termini di valore aggiunto ai prodotti alimentari; si è passati da ingegneria di processo all’ingegneria di prodotto in cui io progetto il prodotto e adatto le condizioni operative in modo da ottenere l’alimento che voglio con la qualità che desidero. Ciò ha richiesto modifica di concetti e di tecnologie applicate alla base delle tecnologie alimentari.

Process engineering vs product engineering

1. Alta efficienza, bassi costi, conservabilità adeguata. Sterilizzazione in lattina dei prodotti, scambiatori di calore, tecniche di congelamento… 1850
2. Non sono i concetti unitari alla base, ma si parla di tecniche più sofisticate. Chimica colloidale, fisica degli alimenti, scienza dei polimeri e tecniche di analisi delle immagini. Sono tecniche più sofisticate in modo da raggiungere garanzie di sicurezza e qualità e dare prodotti che permettano il benessere dei consumatori. Edulcoranti, UHT, produzione di estrusi, biotecnologia degli alimenti, tecnologie innovative come riscaldamento ohmico, alte pressioni… progettazione di alimenti funzionali. 2000

Aspetti del prodotto sono diversi, in particolari i caratteri critici che vanno affrontati sono in relazione con l’intervento tecnologico:

• Vulnerabilità materie prime da parte di parassiti → difesa dalle avversità e dagli attacchi di microrganismi
• Commestibilità condizionata da parti non edibili o frazioni che vanno riscaldate (non sempre materia prima è di per se commestibile come chicco di grano) → miglioro la commestibili conferendo valore nutrizionale all’alimento
• Fattori di rischio si evitano con un risanamento (evitare patogeni)
• Alterabilità della materia prima, attaccabile da micro e altro quindi bisogna stabilizzare la materia prima e proteggerla da eventuali attacchi ed eventi di degradazione. Stabilizziamo il prodotto minimizzando il danno tecnologico
• Ottenere un prodotto che sia comodo, conferire convenience.

Vulnerabilità: difesa che può avvenire in campo (trattamenti chimici pesticidi, fisici reti o colture protette serre) o post-raccolta (disidratazione, refrigerazione, atmosfera controllata o trattamenti chimici)

Commestibilità: rimozione di parti estranee (tegumento chicco di grano, cespo di insalata, pelle delle patate) e isolamento parti eduli si attuano mediante processi di separazione. Posso anche isolare solo le parti edibili di quel prodotto.

Alterabilità: possiamo distruggere le cause come microrganismi alteranti quindi si agisce con trattamenti termici e un confezionamento adatto per minimizzare l’effetto. Posso rimuovere le cause con filtrazioni sterili o estrazione se la causa non è microbica ma di altra natura e intervengo su separazione e confezionamento. Posso neutralizzare le cause quindi creo un ambiente sfavorevole per cui i fattori non possono agire → posso disidratare, sottrarre calore o usare conservanti per far sì che micro rimangano stabili e non alterino l’alimento. Posso trasformare le materie prime o i formulati in modo che non siano più alterabili per esempio agendo con fermentazione (sviluppo di micro positivi), cottura con la quale risano il prodotto trasformandolo, formulazioni quindi ricettazione di un alimento per garantirne una inalterabilità, frazionamento e ricombinazione o scambi di materia con confezionamento.

Fattori di rischio per sicurezza consumatore: Posso distruggere, rimuovere o minimizzare il fattore di rischio. Opero con scambi di calore, separazione, alleggerimento. Per esempio parlando di alleggerimento pensiamo ai grassi quindi proporre un prodotto light. (non solo micro, anche troppi zuccheri o troppo grassi per soggetti specifici)

Rispondenza nutrizionale: posso denaturare, correggere la composizione, bilanciare. Come agisco per esempio con scambiatori di calore per agire sulle proteine. Posso fortificare quindi aggiungere componenti benefiche, alleggerire togliendo qualcosa di cattivo, posso sostituire. In ultimo la formulazione per un bilanciamento ottimale.

Qualità: va sempre garantita, prevengo la non conformità attuando una strategia di analisi dei rischi. Posso controllare i punti critici agendo a livello di controllo nel processo e nel prodotto.

Convenienza: industrializzazione delle pratiche domestiche, dare al consumatore un alimento con poche pratiche domestiche da fare (precottura, preparazione, istantaneizzazione). Attribuzione di contenuto di servizio ovvero confezionamento o miniaturizzazione o diverse tipologie di confezionamento (regalo o uso personale). Riduzione dei costi di produzione si riflette a livello economico sul prezzo, attuo economia di scala di grandi entità di prodotto che sono più economiche di quelle artigianali, uso nuove tecnologie per un risparmio energetico (riscaldamento ohmico, campi elettrici pulsati). Posso contenere i prezzi andando ad agire sulla distribuzione del mio prodotto ed evitare sprechi.

Lezione 2: Cosa s’intende per processo della tecnologia alimentare?

Insieme di operazioni, materiali, attività, controlli, messi in atto per trasformare le materie prime in prodotti finiti. Importante vi siano controlli in un processo.

Obiettivi di un processo

• Aumentare la conservabilità delle materie prime per garantire il trasporto e aumentare la shelf-life.
• Produrre ingredienti alimentari.
• Produrre alimenti finiti attraverso la combinazione e trasformazione di materie prime ed ingredienti.

Cosa intendiamo per materie prime

Materiali che entrano in un processo aziendale e provengono da:

• Settori tradizionali di produzione primaria.
• Da industrie di prima trasformazione (i semilavorati).
• Additivi, coadiuvanti, nutrienti e materiali di confezionamento.

Produzione primaria regolamentata dalla legislazione n. 178/2002. “Tutte le fasi della produzione, allevamento e coltivazione dei prodotti primari, compresi il raccolto, la mungitura e la produzione zootecnica precedente la macellazione e compresa la caccia e la pesca”. Ciò che ci permette di ottenere materie prime utilizzabili di per sé per un processo.

Prodotti primari

Prodotti della produzione primaria compresi i prodotti della terra, allevamento, caccia e pesca (reg. n. 852/2004).

Prodotti intermedi o semilavorati

Tutti i prodotti derivanti da trasformazioni di materie prime, ma che non sono ancora diventati prodotti finiti.

Classificazione materie prime

In base all’origine: di origine vegetale o animale. Quelli di origine animale sono latte, carne, prodotti ittici e miele, uova ecc. Quelli di origine vegetale sono cereali, legumi, piante oleaginose, frutta, vegetali, piante zuccherine (canna e barbabietola), piante tropicali, piante officinale (spezie).

Prodotto alimentare

Prodotto destinato al consumo alimentare ottenuto dalla conservazione e trasformazione delle materie prime. Codex alimentarius. La definizione di prodotto alimentare del (raccolta di norme creata dalla FAO e organizzazione mondiale della sanità che è approvata da molti paesi; da delle norme, non delle leggi, quindi sono facoltative) è che l’alimento è un substrato che può essere processato, semiprocessato o non processato, destinato al consumo umano e comprende le bevande, i chewin gum e ogni sostanza usata nella preparazione e nel trattamento.

Prodotti non trasformati

Reg. CE 852/2004. Prodotti alimentari non sottoposti a trattamento, compresi prodotti divisi, scuoiati, refrigerati, disossati, affettati ecc. (basta che non si cambi la sua natura).

Prodotti trasformati

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

Processo tecnologico

Costituito dalla 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

Si basa su principi unitari, descrivibili mediante opportune equazioni di bilancio e cinetiche, che non dipendono dalla specifica applicazione e dal materiale trattato. Le operazioni unitarie possono essere fondamentali o complementari; quelle fondamentali hanno un ruolo primario nel processo di trasformazione e produzione di un prodotto, come refrigerazione, congelamento, sterilizzazione, disidratazione, frazionamento meccanico, frazionamento chimico, miscelazione semplice, trasformazione chimica o chimico-fisica indotta dal trattamento termico o da reazioni enzimatiche o chimiche o microbiche. Le operazioni unitarie complementari invece non hanno né finalità conservative né di trasformazione, ma sono di preparazione a questi processi. Sono riduzione, formazione, stabilizzazione termica, stabilizzazione dello stato fisico, stabilizzazione del contenuto di acqua, separazione dei componenti minori e impurità, addizione di componenti minori, selezione, stabilizzazione, trasferimento.

Processi di conservazione e processi di trasformazione

I processi di conservazione hanno come scopo principale quello di mantenere inalterate per più tempo possibile le caratteristiche del prodotto trasformato, alterando il meno possibile le caratteristiche originali del prodotto. Le tecnologie di trasformazione invece hanno lo scopo di trasformare le caratteristiche originali delle materie prime o semilavorati al fine di ottenere prodotti finali con adeguate proprietà sensoriali, nutrizionali, di lavorabilità e di conservabilità.

Danno tecnologico

Tutto ciò che può avvenire durante un processo alimentare che può far scadere le qualità del prodotto.

• Danno meccanico: danno strutturale del prodotto, come rotture, fessurazioni, perdite ecc. dovuti a shear stress (danno di taglio) o pressioni.
• Danno termico: causato dal calore fornito al prodotto, oppure dalla sottrazione del calore (nel caso di surgelati); si perdono vitamine, micronutrienti ecc. Questo danno può favorire il danno meccanico, perché rende il prodotto spesso più fragile, così come può accelerare il danno chimico.
• Danno chimico: dovuto a reazioni chimiche, come l’ossidazione, proteolisi, lipolisi ecc. L’entità del danno dipende dalla concentrazione dei reattivi nell’alimento e dalle condizioni operative.
• Danno da contaminazione: dovuti ad agenti chimici o fisici; l’entità del danno dipende dalla quantità degli agenti contaminanti.

Per qualunque tipo di danno, l’entità è l’intensità per la durata dell’esposizione.

Qualità alimentare

La qualità del prodotto finito è il punto di arrivo; per ottimizzarla non è banale; l'alimento deve rispondere a determinati requisiti, o del prodotto in sé o psicologici; sono requisiti di genuinità, come quello di sicurezza o merceologici, di qualità biologica, come quello nutrizionale o sensoriale, oppure i requisiti etici e del contesto produttivo. Vi sono anche requisiti di qualità che si riferiscono al prodotto di commercio, tra di essi troviamo requisiti di servizio, legati alla confezione, alla presentazione, oppure requisiti legati alla certificazione di sistema e di rintracciabilità di filiera.

Tipologie di processi

• Processi continui, in cui vi è l’ingresso continuo da un’estremità e fuoriuscita continua del prodotto dall’altra. Il prodotto che si ottiene è più stabile, poiché son garantite sempre le medesime condizioni.
• Processi discontinui (batch), in cui parto da quantità finite di materie prime e opero in un periodo di tempo finito. Più appropriato per aziende più piccole.
• Processi semicontinui, con caratteristiche intermedie; esempio pasta, in cui l’impasto è preparato in batch, mentre il resto in maniera continua.

Lezione 3: Tipologie di processi

Flow-sheet o diagramma di flusso

Diagramma qualitativo è il più generico per illustrare processi non specifici di un’azienda e indica tutto ciò che entra in un processo produttivo, tutte le operazioni fino al prodotto e ad eventuali sottoprodotti o scarti di lavorazione, così come ricicli e recuperi. Si possono utilizzare anche due diagrammi paralleli a seconda della via che si segue. Il flow-sheet può anche essere quantitativo, comprendendo i bilanci materiali per ciascuna operazione unitaria. Inoltre si possono riportare le condizioni operative di ciascuna operazione unitaria; ad esempio durante la formazione della pasta possiamo specificare che l’acqua aggiunta durante l’impastamento è stata aggiunta per nebulizzazione a 36°C, che la miscelazione è durata 5 minuti con una frequenza di 80 giri al minuto, la durata delle due fasi d’impastamento, le condizioni della fase d’estrusione, così come quelle della fase d’essiccamento ecc. Si possono evidenziare anche circuiti e flussi dei sistemi di detergente e disinfezione, riportando anche tempi e condizioni.

Rappresentazioni grafiche

Si utilizza una simbologia comunemente usata per rappresentare gli impianti che operano una specifica operazione unitaria, che prendono il nome di schemi figurativi.

Layout

Disposizione planimetrica degli impianti necessari per lo svolgimento di un processo; come se fosse la cartina con la disposizione degli impianti. Molto utile in fase di progettazione. Il layout può avere anche un orientamento verticale, per vedere i vari livelli e per vedere se è idonea l’altezza dell’impianto.

Classificazione dei prodotti alimentari

Si classificano in base alla materia prima oppure basandosi sul processo tecnologico applicato (es. un prodotto surgelato, bevanda fermentata ecc.) Per quest’ultima classificazione si possono creare più livelli, sempre tenendo in mente la preservazione e la trasformazione del prodotto. Nello schema su slide, l’impatto è maggiore andando dall’alto verso il basso.

• Conservazioni a breve termine: costituite da refrigerazione o refrigerazione combinata con tecnologie soft, con poco impatto sul prodotto; es. pastorizzazione, irraggiamento o in confezione in atmosfera protettiva.
• Conservazioni a lungo termine: trattamenti termici più intensi per garantire una maggior conservabilità.
• Tecnologie di frazionamento: tipiche quando devo estrarre un componente da un prodotto primario.
• Tecnologie di combinazione o miscelazione: combino più ingredienti per creare un nuovo prodotto finito che non esiste in natura, come ad esempio la pasta.
• Trasformazioni chimiche, biochimiche e microbiologiche: trasformazione totale degli ingredienti di partenza attuate con processi chimici, biochimici e/o microbiologici.

Si può fare una classificazione che unisca la tipologia di materia prima e di processo: la Classificazione proposta. Essa è una tavola sinottica a due dimensioni con colonne dove ci sono i processi possibili da applicare e sulle righe i sottogruppi di materie prime.