Ultrasuoni, ultime frontiere per miscelare e omogeneizzare

Miscelare con gli ultrasuoni
La miscelazione è uno dei processi alimentari ai quali gli ultrasuoni si applicano con maggiore successo. Sottoponendo un liquido ad onde sonore con frequenza superiore ai 16 kHz, le microregioni di tale liquido subiscono alternativamente compressioni ed espansioni. In presenza di goccioline disperse in tale liquido (per es. globuli di grasso presenti nel latte), queste sotto l’azione delle onde ultrasoniche si frantumano, a causa dell’effetto combinato di compressione-decompressione. Tale effetto è denominato “cavitazione”. Nella miscelazione delle emulsioni alimentari è spesso utilizzato il sistema meccanico di produzione di ultrasuoni (si veda immagine): esso consiste in un restrittore terminante in una fenditura, di forma rettangolare, alla quale è opposta una lama imprigionata dalla parte opposta alla fenditura; l’uscita a forte velocità del liquido dalla fenditura provoca la vibrazione della lama, ad una tipica frequenza di vibrazione, che è trasmessa immediatamente al liquido. Esistono anche generatori di ultrasuoni di altro tipo, in particolare dotati di circuiti elettronici che trasformano l’energia elettrica elevandola a frequenza superiore, oppure basati su sistemi piezoelettrici o su sonotrodi. Alcuni modelli possiedono stabilizzatori di ampiezza che garantiscono una resa costante anche con variazioni della tensione di alimentazione, e circuiti di blocco che sospendono l’emissione di ultrasuoni in caso di guasti o anomalie nel sistema. Particolare attenzione deve essere rivolta al circuito che accorda il generatore al gruppo vibrante.
Quest’ultimo possiede una propria frequenza di risonanza che varia a seconda del sonotrodo che si utilizza ed alla temperatura che
quest’ultimo acquisisce durante il lavoro. I generatori più sofisticati possiedono un particolare circuito che accorda automaticamente la
frequenza. La scelta del tipo di generatore, la frequenza di lavoro e la potenza che deve sviluppare sono fattori che dipendono dal tipo
di applicazione e di norma vengono concordati con il costruttore. I generatori di ultrasuoni possono avere potenza variabile in genere
da 1.000 W a 2.200 W, a seconda anche della densità del prodotto trattato poiché una maggiore densità e/o durezza richiede un generatore
più potente. La miscelazione con ultrasuoni può infatti essere applicata vantaggiosamente non solo a liquidi ma anche a miscele
caratterizzate da densità e viscosità maggiore, per esempio pastelle e basi fluide per prodotti da forno. L’applicazione permette non solo
di ottenere un miscelamento più rapido ed efficiente, ma anche di ottenere un prodotto finale dotato di migliori caratteristiche, in particolare
per quanto riguarda la sofficità (nel caso dei prodotti da forno). Gli ultrasuoni infatti risultano particolarmente vantaggiosi quando applicati
alla miscelazione di impasti a base di cereali quali impasti per pane e torte, poiché gli ultrasuoni sono in grado di generare “schiuma”
(5) all’interno di tali impasti, favorendone quindi la struttura finale che deve essere riccamente alveolata per avere un prodotto soffice,
leggero e voluminoso. Ciò vale in particolare per quei prodotti, per esempio il Pan di Spagna, per i quali l’incorporazione di aria durante
la miscelazione dell’impasto è fondamentale per ottenere sofficità finale: nel Pan di Spagna l’alveolatura arriva a rappresentare l’80%
nel prodotto finito. Per lo stesso motivo gli ultrasuoni sono ideali anche per miscelare basi per gelato e mousse. Nel caso di prodotti da
forno come il Pan di Spagna, la miscelazione può avvenire con una tradizionale planetaria, ma inserendo la base della stessa in un bagno
ad ultrasuoni, operando così una miscelazione “tradizionale” ma assistita dagli ultrasuoni. Questi provocano nell’impasto un effetto di
cavitazione acustica (pressioni positiva e negativa che si succedono in rapida sequenza): quando un liquido è sottoposto a ultrasuoni, si
formano micro-bolle poiché la pressione negativa nelle aree di rarefazione dell’onda acustica diventa ad un certo punto sufficiente per
“fratturare” la fase liquida e causare la formazione di bolle, che poi aumentano di volume. È stato verificato che la densità finale (indice
della quantità di aria incorporata) dell’impasto pre-cottura può essere del 10% inferiore applicando gli ultrasuoni, e anche la viscosità degli impasti trattati risulta inferiore; queste caratteristiche hanno portato ad un maggior volume del prodotto finito, caratteristica molto importante
nel caso del Pan di Spagna, e soprattutto a caratteristiche di texture migliori (in particolare maggiore sofficità e minore gommosità)
rispetto all’impasto ottenuto tradizionalmente (6). Omogeneizzare con gli ultrasuoni Per omogeneizzazione si intende un processo meccanico atto a ridurre a piccole dimensioni le particelle disperse o emulsionate in un liquido e a distribuirle in esso in modo omogeneo e uniforme, affinché
come risultato finale si abbia una maggiore stabilità del prodotto e venga evitata o enormemente rallentata la tendenza alla separazione
delle fasi. Sono molti gli alimenti la cui stabilità e gradevolezza è aumentata grazie all’omogeneizzazione, un esempio per tutti è il latte, che viene sempre sottoposto al tale trattamento per diminuire le dimensioni dei globuli di grasso e distribuirli uniformemente. La tecnologia attualmente più comune per l’omogeneizzazione è l’utilizzo di alte pressioni: il liquido è pressato e forzato a passare attraverso una valvola di omogeneizzazione; passando attraverso tale valvola si ha frantumazione delle goccioline disperse nel liquido, che risultano di conseguenza molto più piccole e uniformemente distribuite. Anche se questo meccanismo funziona bene per particelle “molli” (come i globuli di grasso nel latte), ha i suoi limiti quando viene applicato a dispersioni di materiali solidi, come molti additivi alimentari, o di materiali fibrosi, come puree di frutta. Ciò è dovuto alle alte velocità dei liquidi (fino a 120 m/s) attraverso il piccolo orifizio delle valvole di omogeneizzazione utilizzate, che possono intasarsi e venire usurate: questo riduce l’efficienza e tempo di vita della pompa e delle valvole. Questi problemi possono essere evitati utilizzando omogeneizzatori ad ultrasuoni. Quando i processori ad ultrasuoni vengono utilizzati come omogeneizzatori, l’obiettivo è sempre quello di ridurre le piccole particelle in un liquido per migliorare l’omogeneità e la stabilità, e anche per tale applicazione si sfrutta il fenomeno della cavitazione generato dagli ultrasuoni. Durante il ciclo di bassa pressione, si formano piccole zone di depressione nel liquido che genera bolle; quando le bolle raggiungono una certa dimensione, vengono schiacciate violentemente durante il ciclo ad alta pressione. Le conseguenti turbolenze e violente collisioni all’interno del liquido sono in grado di disgregare agglomerati di particelle solide o spaccare in piccole goccioline le particelle liquide; le particelle (fase da disperdere) possono infatti essere sia solide che liquide. Una riduzione del diametro medio delle particelle aumenta il numero delle singole particelle e ne facilita l’omogenea dispersione. Se c’è una differenza di peso specifico tra le particelle e il liquido, l’omogeneità della miscela può influenzare la stabilità della dispersione. Se la dimensione delle particelle è simile per la maggior parte delle particelle, la tendenza
a coagulare durante la sedimentazione si riduce. Uno dei principali vantaggi di omogeneizzatori ad ultrasuoni è il basso numero di parti
“bagnate” all’interno dell’impianto (in genere il sonotrodo e la cella di flusso, che comunque in genere hanno geometrie semplici e sono
quindi facili da pulire e manutenere), con riduzione di operazioni di pulizia, attrito e usura. Un altro vantaggio è il controllo preciso sui
parametri operativi che influenzano la cavitazione. Esistono omogeneizzatori ad ultrasuoni applicabili sia a piccoli quantitativi (pochi litri)
che ad impianti industriali (lotti da 0,5 a circa 2000 L, portate da 0.1 L a 20 m³ all’ora). La pressione del liquido può variare da 0 a circa
500 psig (pound per square inch) (7). È importante che le condizioni siano controllabili e ripetibili, poiché la sonicazione con identici parametri
operativi darà risultati coerenti e riproducibili.

Bibliografia
1) P.A. Tipler, Invito alla Fisica. Zanichelli (1993)
2) D.J. McClements, Advances in the application of ultrasound in food analysis and processing. Trends in Food Science and Technology, 6 (1995) 293-299
3) M.C. Tan et al., Power ultrasound aided batter mixing for sponge cake batter. Journal of Food Engineering, 104 (2011) 430-437
4) A. Rasbigli, Precisione, flessibilità e praticità: il taglio dei prodotti alimentari con tecnologia a ultrasuoni. Macchine Alimentari – dicembre 2010
5) K.S. Lim and M. Barigou, Pneumatic foam generation in the presence of a high-intensity ultrasound field. Ultrasonic Sonochemistry, 12 (2005) 385-393
6) M.C. Tan et al., Power ultrasound aided batter mixing for sponge cake batter. Journal of Food Engineering, 104 (2011) 430-437
7) www.hielscher.com