Tecnologie non termiche per la trasformazione degli alimenti

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L’adozione di nuove tecnologie non termiche aiuta le aziende alimentari a migliorare i processi, la sostenibilità e la qualità dei prodotti in senso lato.

La ricerca è impegnata nell’approfondirne i meccanismi di azione e nella messa a punto di apparecchiature e standard per la loro applicazione.

Le principali tecniche di riduzione delle cariche microbiche degli alimenti espongono i prodotti ad alte temperature. Si raggiunge l’obiettivo previsto ma si inducono anche alcuni cambiamenti indesiderati: perdita di nutrienti termolabili, modifiche delle caratteristiche organolettiche del prodotto, formazione di sostanze potenzialmente tossiche come l’acrilammide.

La ricerca è impegnata nello sviluppo di nuove tecniche “a freddo” che utilizzate in autonomia o abbinate a trattamenti termici meno drastici del consueto allungano la shelf life dei prodotti deperibili, permettono di trasportarli e conservarli a temperatura ambiente, contribuendo a ridurre lo spreco alimentare, i costi logistici, i consumi energetici, le emissioni di CO2.

Ne abbiamo parlato con la dottoressa Jessica Genovese, laureata in Scienze e tecnologie alimentari presso l’Università degli Studi di Catania e l’Università di Bologna. Oggi è ricercatrice presso quest’ultima ed è specializzata nella applicazione della tecnologia PEF (campi elettrici pulsati).

Perché ha scelto il corso di studi in scienze e tecnologie alimentari?

Avevo una grande passione per la chimica e la fisica dei sistemi biologici. Gli alimenti sono sistemi biologici complessi, sono il risultato di interazioni di un gran numero di elementi, di variabili e di connessioni tra gli stessi. Se uno di questi fattori si modifica tutto il sistema ne risente. Dopo la laurea triennale mi sono trasferita in Emilia Romagna dove ho frequentato il corso di laurea magistrale dell’Università di Bologna sugli stessi temi. Ora sono ricercatrice in Scienze e biotecnologie alimentari presso lo stesso ateneo.

Quali sono stati i suoi primi passi nel mondo del lavoro?

Terminati gli studi sono partita per Londra, per migliorare l’inglese. Qui ho lavorato due anni presso Bearfields of London Ltd. E’ un’azienda molto apprezzata dai consumatori inglesi. Nacque nel 1907 come punto vendita di generi alimentari e si è poi trasformata in una media realtà industriale che produce salumi crudi e cotti applicando metodi di stagionatura tradizionali.  Si rivolge a supermercati e comparto HoReCa e fino al 2021 è stata guidata dai discendenti del fondatore. L’hanno scorso è stata acquisita dal gruppo irlandese O’Brien Fine Foods, interessato a rafforzarsi in UK.

Che ruolo aveva in azienda?

Mi occupavo di assicurazione qualità, analisi chimiche e microbiologiche di materie prime e prodotti finiti. Ero inserita nel Technical team composto da tecnologi alimentari di diverse nazionalità. È stata una esperienza utilissima dal punto di vista professionale e sul piano personale. Ho imparato a riconoscere e ad apprezzare i punti di forza dei miei colleghi. Insieme miglioravamo l’efficacia del team e di conseguenza dell’intera azienda.

Un’ esperienza lavorativa all’ estero è davvero utile. Ci si confronta con tecnici abituati a pensare e ad agire in modo diverso dal nostro. Lavorando insieme, i punti di forza di ciascuno si amplificano, si integrano e portano ad un tasso di innovazione e sviluppo impossibile da raggiungere dai singoli componenti del gruppo.

LA PASSIONE PER LA RICERCA

Cosa l’ha indotta a tornare in Italia?

Era previsto fin dall’inizio. Durante il soggiorno a Londra ho avuto modo di rivalutare tanti aspetti dell’Italia fino ad allora davo per scontati e che, a mio parere, contribuiscono ad una migliore qualità di vita. Mi riferisco per esempio all’equilibrio tra lavoro e vita privata. In quegli anni ho imparato tanto sulle abitudini britanniche ed altrettanto sul modo di vivere nel nostro Paese.

Ho smesso di sottolineare i nostri difetti e mi sono focalizzata sui tanti pregi del nostro stile di vita. Quando ho avuto l’opportunità di rientrare per intraprendere un dottorato di ricerca all’Università di Bologna l’ho fatto volentieri. So di non aver sbagliato e mi auguro di continuare in Italia la mia carriera da ricercatrice.

Perché si dedica alla ricerca?

E’ stato da sempre il mio sogno. Ero e sono tuttora spinta dalla curiosità e dalla voglia di innovare. Mi piace studiare e la ricerca mi permette di apprendere e di sperimentare per innovare. Traduco le mie idee in pratica e mi confronto sui risultati con figure di eccellenza nel settore.

I CAMPI ELETTRICI PULSATI

Si è specializzata nella applicazione di tecnologie non termiche di trasformazione e stabilizzazione degli alimenti. Si applicano in sostituzione o in abbinamento ai tradizionali processi utilizzati dall’industria alimentare. Ha lavorato in particolare sull’utilizzo dei PEF (campi elettrici pulsati). Cosa sono?

Il voler mantenere il più possibile integre le proprietà nutrizionali ed organolettiche dei prodotti ha indotto l’industria alimentare a valutare alternative ai tradizionali trattamenti termici utilizzati per prolungare la vita di scaffale dei prodotti freschi. Una delle tecnologie non termiche più promettenti è costituita proprio dai PEF (campi elettrici pulsati). Si ottengono da un generatore di impulsi elettrici ad alto voltaggio.

Come agiscono?

Si utilizzano impulsi elettrici ad alta tensione e di breve durata, generalmente nell’ordine dei millisecondi, microsecondi o nanosecondi che, se applicati a tessuti biologici o matrici alimentari, causano l’elettroporazione cellulare.

Cosa si intende per elettroporazione?

E’ un fenomeno biofisico che rende temporaneamente più permerabile la membrana di una cellula e consente l’ingresso o l’uscita da questa ultima di sostanze cui la membrana è in genere impermeabile. In altri termini, i campi elettrici pulsati determinano un temporaneo rilassamento della struttura della membrana cellulare e la formazione di pori transitori e reversibili o irreversibili.

Si modifica così la permeabilità delle membrane cellulari. Il fenomeno riguarda indistintamente le membrane di cellule vegetali, animali o microbiche. In funzione dell’intensità del campo elettrico applicato e delle caratteristiche dei tessuti sottoposti a trattamento, l’elettroporazione può essere reversibile o irreversibile. Nel primo caso, terminato il trattamento, la membrana cellulare ripristina le condizioni e funzionalità iniziali; nel secondo caso la cellula viene distrutta.

Questo ultimo aspetto è auspicabile nel caso di trattamenti che vadano a sostituire in toto o in parte una pastorizzazione o una sterilizzazione del prodotto. Per ottenere i risultati attesi è fondamentale studiare a fondo e ottimizzare i parametri di processo.

Quali sono i principali parametri da considerare?

Il primo per importanza è l’intensità del campo elettrico applicato. I campi elettrici si definiscono a bassa intensità quando hanno un valore inferiore a 0,1 kV/cm; a moderata intensità quando sono compresi tra 0,1 kV/cm e 1 kV/cm; ad alta intensità per valori superiori a 1 kV/cm. Altri fattori che influenzano le dimensioni dei pori che si formeranno sono numero e durata degli impulsi, forma degli impulsi, temperatura iniziale del substrato.

Quando l’area totale dei pori supera una certa percentuale della superficie della membrana cellulare, quest’ultima si rompe irreversibilmente. In caso contrario i pori si richiudono e la cellula, seppure danneggiata, sopravvive al trattamento. Per quanto riguarda l’alimento da trattare si ottengono risultati diversi in funzione della sua composizione, forza ionica della membrana cellulare, aW, conduttività.

In quali aree del settore alimentare i PEF possono essere applicati in modo efficace ed efficiente?

Modificare la permeabilità delle membrane cellulari è utile nei processi che prevedono dei trasferimenti di massa o di calore.  Esempi di trasferimento di massa dalla matrice alimentare all’ambiente esterno sono la rimozione dell’acqua nella disidratazione o l’estrazione di succhi, coloranti e antiossidanti da prodotti ortofrutticoli, l’estrazione dello zucchero dalle barbabietole o dell’olio dai semi oleaginosi.

Questa tecnica può essere usata anche per aumentare la biodisponibilità di alcuni importanti micronutrienti negli alimenti funzionali. Il trattamento con PEF può diventare anche una sorta di “pastorizzazione a freddo” applicabile nei settori dei succhi di frutta, latte e yogurt, birra, ovoprodotti. Alcune ricerche ne stanno valutando l’efficacia anche come tecnica di disattivazione delle spore microbiche in combinazione con i trattamenti termici.

Possono inoltre costituire un utile integrazione dei trattamenti di essiccazione, liofilizzazione, congelamento, disidratazione osmotica, impregnazione sottovuoto. In questi casi accelerano i trasferimenti di massa e di calore e migliorano la qualità degli alimenti soprattutto dal punto di vista nutrizionale, preservando i macro e micronutrienti termolabili e per tanto facilmente alterabili dal calore.

PEF E ACRILAMMIDE

Su quale tipo di prodotto si è concentrata la sua ultima ricerca?

Ho condotto dei test per valutare la possibile limitazione preventiva della formazione di acrilammide durante la produzione di patatine fritte tipo chips. Durante la cottura e la frittura ad alta temperatura (sopra i 140°C) di prodotti ad alta concentrazione di zuccheri riducenti (glucosio e fruttosio) si innescano le reazioni di Maillard tra gli zuccheri e gli aminoacidi che compongono le proteine.

Si formano così centinaia di molecole diverse che caratterizzeranno il sapore dell’alimento finito. Sono per esempio le reazioni che determinano l’imbrunimento del cibo, si pensi per esempio alla tostatura di pane, biscotti, caffè e cioccolato ed al profumo della crosta del pane e dei dolci appena sfornati. Condizioni necessarie per l’avverarsi di questo fenomeno sono: una temperatura minima di 140°C e assenza di acqua nel mezzo che circonda il prodotto.

L’acqua è infatti uno dei sottoprodotti della reazione e deve poter evaporare rapidamente. Quanto la temperatura di cottura supera 180°C, si forma un sottoprodotto di reazione indesiderato: l’acrilammide. Nel caso delle patate da friggere, la preventiva diminuzione della concentrazione di zuccheri riducenti e dell’amminoacido asparagina porta alla diminuzione della presenza di acrilammide nel prodotto finito.  Nella cucina tradizionale questo risultato di ottiene lasciando a bagno in acqua e aceto le patate per alcune ore o sbollentandole prima di friggerle. Queste operazioni estraggono gli zuccheri riducenti prima della cottura, la acrilammide diminuisce di conseguenza.

Come agiscono invece i campi elettrici pulsati?

Si arriva al medesimo risultato anche pretrattando le patate con questa tecnica. La scelta del cultivar di patata più adatto perché a minor contenuto di zuccheri riducenti, il tipo di stoccaggio, il controllo della temperatura di frittura sono stratagemmi altrettanto utili a limitare la formazione di acrilammide.

Durante il mio percorso di dottorato, con i colleghi dell’Universitá di Bologna, abbiamo messo a punto un metodo per la riduzione del contenuto di acrilammide in patatine fritte tipo chips confezionate in sacchetti. Il nostro metodo prevede la combinazione di un pre-trattamento con campi elettrici pulsati di fette di patata seguito da un lavaggio in acqua fredda per l’estrazione di zuccheri riducenti e asparagina presenti nei tessuti.

Essendo questi i precursori dell’acrilammide, ridurne il contenuto ha permesso di raggiungere buoni livelli di riduzione di acrilammide formatasi in seguito a frittura. La ricerca è stata premiata durante la quinta edizione della scuola internazionale ‘PEF School – Pulsed Electric Fields: Application in Food and Biotechnology’ organizzata dall universitá di Osnabrück e dal German Institute of Food Technologies DIL.

Su quale impianti ha lavorato per condurre le sue ricerche?

Ho utilizzato gli impianti pilota messi a disposizione dal Centro Interdipartimentale di Ricerca Industriale Agroalimentare (CIRI) con sede a Cesena. Inoltre, durante il mio dottorato ho avuto la possibilità di lavorare con i generatori della facoltà di ingegneria elettrica dell’Università di Lubiana (Slovenia). Sono stata guidata da eminenti studiosi specializzati nell’ applicazione dell’elettroporazione in campo medico.

Ho quindi approfondito molti aspetti di base della tecnologia a campi elettrici pulsati e ho avuto modo di sperimentare tecniche generalmente impiegate solo nell’ambito dell’ingegneria biomedica. Parte della ricerca condotta in collaborazione con l’Università di Ljubljana è stata premiata durante una prestigiosa competizione che ha visto la partecipazione dei 18 migliori dottorandi d’ Europa selezionati per l’eccezionale contributo nell’ambito dell’ingegneria dei prodotti e dei processi alimentari.

Il mio contributo si è classificato come terza migliore presentazione per l’EFCE Food Engineering Award durante l’evento ‘European PhD Workshop on Food Engineering and Technology’ organizzato da ‘European Federation on Chemical Engineering (EFCE) in collaborazione con ‘DIL German Institute of Food Technologies’ e ‘University of Natural Resources and Life Science (BOKU) Vienna’, e supportato da aziende quali Nestlè, Bühler, GNT e Elea.

La PEF è una tecnologia a minore impatto ambientale rispetto alle attuali?

Il processo usa l’elettricità ordinaria, rispetta gli standard di sicurezza e non produce sostanze potenzialmente dannose per l’ambiente. Quando sostituisce o affianca altri trattamenti convenzionali, la tecnologia PEF facilita e migliora i trasferimenti di massa e di calore, consente un risparmio energetico, riduce tempi e dei costi di produzione, migliora la qualità del prodotto finito a tutto vantaggio di ambiente e consumatori.

Oggi si è molto focalizzati sull’etica. La ricerca nel settore food è sempre etica?

L’etica è presente nel lavoro come in ogni altra dimensione della vita. La ricerca ha un impatto sulla vita e sulla sua qualità. Il ricercatore è impegnato ad incrementare la conoscenza e ad applicare la propria scoperta ad un prodotto. Non ci si limita a scoprire e consolidare qualche cosa di nuovo ma si è obbligati a chiedersi quali benefici o danni collettivi può portare questa nuova conoscenza. Il ricercatore deve avere un elevato rigore etico ed un forte senso di integrità nello svolgere il proprio lavoro. Non mi riferisco solo all’impegno e alla onestà intellettuale ma ad un insieme di buone pratiche che caratterizzano la conduzione responsabile della ricerca. In ultima analisi ciò che conta è la qualità della ricerca.

Non può esistere una ricerca scientifica di qualità e di fiducia senza l’etica.

È vero anche che la scienza è fatta di persone che possono sbagliare, ma il meccanismo deve essere tale da determinare una immediata identificazione e autocorrezione degli errori. Ciò avviene anche pubblicando i dati empirici ottenuti durante la ricerca e sottoponendoli alla valutazione critica di specialisti aventi competenze analoghe a quelle di chi ha prodotto l’opera.

Progetti per il futuro?

Attualmente ricopro la posizione di ricercatrice post-doc all’ Università di Bologna, Dipartimento di Scienze e Tecnologie Alimentari. La mia passione è la ricerca scientifica. Mi piacerebbe continuare nel mondo della ricerca e dell’innovazione legata all’ ingegneria dei processi e dei prodotti alimentari.

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