Teoria Tecnologie della ristorazione

Flow sheet o diagramma di flusso

Il flow-sheet (o diagramma di flusso) è una rappresentazione grafica di un processo come sequenza di operazioni unitarie, ordinata nel senso dei flussi materiali o temporali. È opportuno utilizzare una simbologia unificata.

Domande

Di che cosa si occupano le tecnologie alimentari?

Le tecnologie alimentari studiano tutti i processi di conservazione e trasformazione dei prodotti alimentari. Le tecnologie di conservazione hanno lo scopo di conservare le caratteristiche strutturali, meccaniche, fisiche, microbiologiche e nutrizionali delle materie prime o dei semi-lavorati o dei prodotti finiti in vista della loro utilizzazione e del loro consumo. Sono un esempio di tecnologie di conservazione la refrigerazione (conservazione a breve termine), il congelamento e la sterilizzazione (conservazione a lungo termine).

Le tecnologie di trasformazione hanno invece lo scopo di modificare le caratteristiche strutturali, meccaniche, fisiche, microbiologiche e nutrizionali delle materie prime o dei semi-lavorati al fine di ottenere un prodotto con adeguate proprietà sensoriali, nutrizionali, ecc. Sono un esempio di tecnologie di trasformazione la separazione, la miscelazione, reazioni chimiche, reazioni microbiche, ecc.

Che cosa si intende per processo tecnologico e quali sono gli obiettivi?

Per processo tecnologico si intendono tutti quegli elementi (l’insieme di operazioni, materiali utilizzati, le attività, i sistemi di controllo) che permettono la trasformazione di input in output. Le operazioni sono le fasi elementari di un processo tecnologico e possono essere di varia natura (meccanica, chimica, fisica). Ogni operazione si basa su principi unitari ed è descritta da opportune equazioni di bilancio e cinetiche.

Gli obiettivi di un processo alimentare sono:

• Garantire la sicurezza e la qualità nutrizionale
• Aumentare la conservabilità
• Migliorare la comodità d’uso
• Migliorare l’appetibilità
• Migliorare l’economia

Decadimento qualitativo degli alimenti e il suo controllo

Classificare ed elencare i principali fattori di decadimento qualitativo degli alimenti

Tutti gli alimenti deperiscono nel tempo e perdono i loro caratteri di freschezza. Il decadimento qualitativo si manifesta come perdita di:

• Sicurezza igienica
• Qualità sensoriale
• Valore nutrizionale
• Caratteristiche estetiche e nutrizionali

Il decadimento può avvenire per effetto di diversi fattori:

• Fisici (cambiamento di temperatura, radiazioni, esposizione alla luce)
• Chimici (ossigeno, contaminanti chimici, umidità)
• Biologici (crescita microbica, attività enzimatica e presenza di insetti, parassiti e roditori)

La shelf life consiste nell’intervallo di tempo entro il quale un alimento adeguatamente conservato non perde le sue caratteristiche dal punto di vista sensoriale nutrizionale e biologico, garantendo al consumatore il suo stesso stato di salute. Tra i fattori che influenzano la durabilità di un alimento, la temperatura è sicuramente il più importante.

Nei prodotti freschi o nelle semiconserve, la causa principale che influenza la conservabilità è la degradazione dal punto di vista biologico: microrganismi ed enzimi instaurano reazioni di alterazione. Anche prodotti semilavorati o lavorati manifestano un declino, seppure lento, delle loro caratteristiche nutrizionali e strutturali.

Cause biologiche

Crescita microbica

I microrganismi in considerazione sono molti e ubiquitari, quindi presenti quasi ovunque:

• Batteri: sono microrganismi unicellulari che possono avere varia forma e possono rilasciare spore (fase dormiente), le quali sono in grado di resistere ai trattamenti termici, ai trattamenti chimici, ecc.
• Lieviti: sono i microrganismi più grandi, sono unicellulari e possono rilasciare spore.
• Muffe: sono microrganismi più grandi dei batteri che rilasciano sempre spore, spesso filamentose (ife).

Per la loro stessa crescita, si nutrono di tutti i costituenti dell’alimento (carboidrati, grassi, proteine) e con la loro crescita liberano enzimi (ma non solo anche acidi, alcol, gas, tossine ecc.). I microrganismi vengono differenziati in base alle temperature con le quali riescono a vivere e crescere consecutivamente.

• Psicrofili (temperatura ottimale di crescita <16 °C)
• Psicrotrofi (T ottimale da 0 a 20 °C)
• Mesofili (T ottimale 16-38 °C)
• Termofili (>38°C)
• Ipertermofili (resistono e crescono fino a T>100 °C)

Gli stessi poi vengono classificati in base alle condizioni di presenza/assenza di O₂:

• Aerobi: alcuni batteri e tutte le muffe, necessitano di O₂ per vivere e crescere
• Anaerobi: alcuni batteri e lieviti, non necessitano di O₂

E poi possono essere:

• Obbligati: possono vivere con o senza ossigeno
• Facoltativi: possono vivere e crescere sia in presenza che in assenza di ossigeno sia che siano aerobi che anaerobi.

I microrganismi, superata una cerca carica possono portare ad infezioni (i microrganismi si sviluppano nell’alimento e producono infezione quando esso viene consumato, es. salmonella spp, escherichia coli, clostridium perfringens e altri) o intossicazione patologiche (il prodotto contiene una tossina di origine microbica che è velenosa per l’uomo e resistente al calore, es. clostridium botulinum, aflatossine delle muffe e altri).

La crescita microbica può essere bloccata tramite il congelamento, rallentata tramite la refrigerazione e la carica microbica può essere distrutta attraverso trattamenti termici (quali esempio sterilizzazione e pastorizzazione).

L’acidità e il valore dell’acqua sono altri 2 fattori che possono contribuire a selezionare o ad inibire la crescita microbica:

• pH<4,5: corrisponde al pH degli alimenti acidi dove possono crescere solo microrganismi alterativi
• pH>4,5: possono crescere oltre agli alterativi (muffe, lieviti e alcuni batteri) anche patogeni

L’abbassamento del valore a_W può inibire la crescita (liofilizzazione, disidratazione, utilizzo di umettanti, ecc.) perché i microrganismi hanno bisogno di un minimo di H₂O libera nell’alimento (batteri a_W=0,88; muffe=0,80; lieviti=0,91).

Infestazioni

La presenza di parassiti o insetti è causa della distruzione del 20-30% della produzione mondiale di alimenti. Questi predispongono l’alimento alla crescita microbica aumentando il rischio di salute del consumatore e ovviamente la perdita della salubrità dell’alimento stesso. Contro questa causa di decadimento possono essere utilizzati pesticidi, atmosfere inerti o protettive (confezionamento sottovuoto, imballaggi attivi che rilasciano antimicrobici o che creano atmosfera protettiva) (es. N₂, CO₂) o in alternativa la refrigerazione o congelamento.

Alterazioni enzimatiche

Questa tipologia di alterazione porta al rapido decadimento qualitativo dei prodotti (materie prime, semilavorati e prodotti finiti). Le alterazioni derivano dall’attività di enzimi endogeni (naturalmente presente tra i costituenti del prodotto) o esogeni (derivanti dal metabolismo microbico) e possono velocizzare reazioni (ossidative e idrolitiche), innescate generalmente da trattamenti invasivi (taglio, mondatura, danni meccanici), tali da far avvenire meno la compartimentazione tra substrati ed enzimi, portando al decadimento dal punto di vista estetico e strutturale (imbrunimento enzimatico, perdita di consistenza), nutrizionale (perdita di nutrienti come vitamine e antiossidanti), sensoriale (odori e sapore estranei).

I fattori che influenzano le reazioni di tipo enzimatico sono:

• a_W
• pH
• T

L’H₂O è il mezzo solvente presente in tutti gli alimenti; perché una reazione enzimatica avvenga, il valore di a_W dovrà essere superiore a 0,4/0,6. Opportuno sarebbe ridurre la concentrazione di H₂O per inibire le reazioni enzimatiche, ma questo è un processo reversibile nel senso che dopo la disidratazione, il prodotto può con il tempo reidratarsi e ripristinare la situazione di partenza.

Ogni reazione enzimatica poi ha un pH ottimale generalmente vicino alla neutralità. Acidificare il prodotto tramite acidificanti naturali, come acidi citrico o malico, è un’azione che garantisce l’inibizione di queste reazioni. Gli interventi conservativi, a seconda della loro natura, possono portare alla denutrizione dell’enzima (blanching o scottatura), limitare l’attività enzimatica oppure inibirla. A T>80-85 °C gli enzimi vengono distrutti e quindi i trattamenti termici inibiscono l’attività enzimatica. La riduzione del pH (acidificazione), la riduzione dell’a_W (essicamento, concentrazione, liofilizzazione, salatura o zuccheraggio) e l’impiego di inibitori (anidride solforosa ad es.) minimizzano o limitano le reazioni enzimatiche. Poco efficaci a garantire la stabilità enzimatica sono invece l’utilizzo di atmosfere protettive e l’utilizzo delle basse temperature (tanto che alcuni prodotti conservati in frigorifero aumentano la velocità di reazione delle reazioni enzimatiche).

Alterazioni chimiche

Ossidazione lipidica

La principale alterazione dal punto di vista chimico è l’ossidazione lipidica, che colpisce conserve e semiconserve o comunque alimenti con durata medio/lunga. Ad esempio, l’ossidazione dei lipidi contenuti in determinate matrici ha una velocità che può dipendere da:

• Grado di insaturazione degli acidi grassi (gli insaturi sono più suscettibili)
• Presenza di catalizzatori (metalli, fanno aumentare la velocità di ossidazione)
• Presenza di antiossidanti (rallentano la reazione)

La velocità delle reazioni ossidative dipende inoltre dal contenuto di acqua nella matrice:

• a_W circa 0 fa aumentare la velocità di ossidazione dei lipidi in quanto l’O₂ reagisce subito con i lipidi
• a_W a valori medio/alti fa aumentare la velocità di ossidazione causa aumento della solubilità dell’O₂ e dei catalizzatori metallici
• a_W circa 0-0,3 indica un quantitativo di H₂O troppo ridotto per far avvenire l’ossidazione

Inoltre, gli interventi conservativi che utilizzano la temperatura (T) sono spesso causa di un aumento della velocità di reazione ossidative (più alta è la T, maggiore è la velocità di reazione). Quindi è vero che non esiste un intervento che sia in grado di bloccare l’ossidazione ma esistono solo tecnologie che sono in grado di rallentare la reazione come ad esempio la riduzione dell’a_W e l’impiego di antiossidanti. Altre tecniche utilizzate per ridurre la velocità di reazioni ossidative in matrici alimentari sono l’utilizzo di:

• Imballaggi opachi (proteggono dalla luce)
• Imballaggi non metallici
• Rimozione di O₂ nello spazio di testa (atmosfere protettive, sottovuoto, imballaggi attivi)

Basse temperature consentono una diminuzione della velocità di reazione; tuttavia, minore è la temperatura, maggiore sarà la solubilità dell’O₂ nella fase liquida della matrice. Inoltre, la parziale cristallizzazione della matrice lipidica è tale da rendere più suscettibile all’ossidazione la parte insatura degli acidi grassi contenuti nella matrice, essendo questi quelli che presentano una maggior resistenza alle basse temperature.

Oltre all’ossidazione lipidica, alterazioni chimiche possono essere fornite dalle reazioni che causano imbrunimento non enzimatico: Maillard, caramellizzazione, ossidazione dei polifenoli, ossidazione dell’acido ascorbico o vitamina C. Sono tutte reazioni che causano una modifica dal punto di vista sensoriale, nutrizionale ed estetico con la comparsa della colorazione tipica bruna.

Gli effetti indesiderati sono:

• Cambiamenti di colore
• Formazione di odori e sapori caratteristici
• Perdita di nutrienti (polifenoli e vitamina C)
• Formazione di sostanze tossiche (acrilammide, furani)

Gli effetti desiderati sono:

• Cambiamenti di colore
• Formazione di sostanze antiossidanti
• Modifica delle caratteristiche sensoriali tipiche (sapore di cotto)

Le reazioni principali che portano all’imbrunimento non enzimatico sono: Maillard e caramellizzazione. La caramellizzazione consiste nella condensazione di zuccheri semplici (aldosi e chetoni) mentre la Maillard si innesca tra uno zucchero (estremità non riducente) e il gruppo amminico di un amminoacido, proteina o peptide portando alla formazione delle melanoidine (polimeri bruni forse tossici) passando per intermedi.

La condizione necessaria perché queste reazioni avvengano è l’alta temperatura, infatti queste reazioni necessitano di un’elevata energia di attivazione per il loro innesco. Per quanto concerne la reazione di Maillard, la sua velocità è strettamente legata a diversi fattori:

• La concentrazione e il peso molecolare degli zuccheri presenti nella matrice (minore è il peso molecolare dello zucchero, maggiore è la velocità della Maillard)
• pH (maggiore è il pH, maggiore sarà la velocità)
• a_W (la velocità aumenta a valori intermedi in quanto è ottima la mobilità e la solubilità dei reagenti)
• T (maggiore è la temperatura, maggiore sarà la velocità)

Per contrastare gli effetti indesiderati di questa reazione è possibile acidificare, disidratare tramite trattamento termico tale da arrivare a bassi valori di a_W e l’utilizzo delle basse temperature di conservazione. Nei prodotti liofilizzati le ossidazioni sono particolarmente temibili, dato il bassissimo contenuto di umidità e le elevate superfici esposte; poiché le ossidazioni necessitano della presenza di ossigeno, i prodotti liofilizzati sono confezionati con materiali impermeabili ai gas e sottovuoto o in atmosfera modificata. L'imbrunimento non enzimatico è invece da temere soprattutto nei prodotti ad umidità intermedia (IMF).

Alterazioni fisiche

Sono tali da apportare il progressivo decadimento qualitativo dell’alimento (cambiamenti di consistenza, collassi strutturali, separazioni di fase, cristallizzazioni ecc.); sono dovute al fatto che l’alimento tende a raggiungere un certo equilibrio termodinamico provocando alterazioni fisiche quando lo raggiunge. Il fenomeno è detto presa in massa o caking, è causato dalla dissoluzione di composti causata dall’aumento di disponibilità di acqua e dal successivo essiccamento dovuto all’evaporazione dell’acqua.

Classificazione dei processi tecnologici degli alimenti

Tecnologie di stabilizzazione/conservazione degli alimenti

Gli alimenti necessitano di essere stabilizzati per poter ottenere una shelf-life maggiore. La tecnologia alimentare studia i metodi con i quali stabilizzare e rendere salubre un determinato prodotto per l’uomo durante tutta la sua vita da scaffale. Per la conservazione vengono adottate queste tecniche:

• Metodi fisici: alte temperature, basse temperature, disidratazione, radiazioni e atmosfera modificata
• Metodi chimici: conservanti naturali (salagione, uso di zuccheri) e conservanti artificiali (antiossidanti)
• Metodi chimico-fisici: affumicamento
• Metodi biologici: fermentazione

Trattamenti termici di stabilizzazione (Blanching, Pastorizzazione e Sterilizzazione)

Che cosa comportano le alte temperature?

Definire ed illustrare le tecniche di stabilizzazione dei prodotti alimentari basate sull’esposizione alle alte T. Le tecniche basate sull’esposizione alle alte temperature hanno la finalità di distruggere i microrganismi e le loro tossine, distruggere insetti o parassiti eventualmente presenti, inattivare enzimi; però possono avere degli effetti indesiderati come la distruzione di nutrienti (vitamine, amminoacidi ecc.), possono innescare reazioni chimiche (ossidazione lipidica, NEB) e possono provocare il cambiamento delle proprietà sensoriali (sviluppo di aromi e colori indesiderati, modifica di consistenza).

Gli effetti del calore quindi sono:

• Quasi tutti i batteri vengono uccisi a 82-93°C, ma non le spore
• Molte attività enzimatiche sono inibite a 60-70°C
• Per la distruzione delle spore sono necessarie temperature maggiori di 100°C
• Il calore provoca danni a vitamine, colore e flavour
• Il calore provoca modificazioni chimico-fisiche ai costituenti degli alimenti (modifiche sensoriali)

Blanching

1. È il trattamento termico minimo richiesto per causare la distruzione dell’enzima target (più termoresistente) e allo stesso modo preservare le proprietà sensoriali e nutrizionali del prodotto.

Pastorizzazione

2. Consiste nel trattamento termico blando (T minore o uguale a 100°C) che ha la finalità di distruggere i patogeni non sporigeni (non elimina le spore) e le forme vegetative (meno termoresistenti) nonché all’inattivazione della maggior parte degli enzimi in un alimento.

Gli obiettivi e le condizioni di questa operazione unitaria dipendono strettamente dal pH dell’alimento.

• Se si pastorizza un alimento acido (pH<4,5) allora la pastorizzazione ha la finalità di distruggere tutti i microrganismi alterativi e di inattivare gli enzimi presenti, in quanto il pH acido blocca la crescita di batteri sporigeni e in questo caso l’alimento sarà una conserva che sarà stabile anche a T ambiente e quindi non è necessario un trattamento conservativo.
• Se si pastorizza un alimento non acido (pH>4,5) allora in questo caso la pastorizzazione deve avere la finalità di distruggere i microrganismi patogeni e la shelf life dipende anche da altri interventi conservativi o stabilizzanti (refrigerazione, riduzione a_W, confezionamento)

La durata e la temperatura del trattamento dipendono dalle caratteristiche dell’alimento. Per questo esistono 3 tipologie di pastorizzazione:

• Bassa (60-65°C per 30 secondi)