Essiccamento, innovazione nei pretrattamenti e nel controllo di processo   

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L’essiccamento è un’antica tecnica di conservazione degli alimenti, perfezionata e riadattata alla contemporaneità. È un trattamento finalizzato a rimuovere la quasi totalità dell’acqua dall’alimento, che è il mezzo fondamentale in cui si svolgono tutte le più importanti reazioni chimiche, enzimatiche e microbiologiche che causano le alterazioni del prodotto e, quindi, ne compromettono la conservabilità e la qualità.

L’alimento durante il processo di essiccamento subisce modifiche strutturali e chimico- fisiche che influenzano le caratteristiche qualitative ed organolettiche, nutrizionali e funzionali del prodotto finito e, di conseguenza, condizionano il giudizio dei consumatori. L’essiccamento tradizionale è quello che avviene ad opera di una corrente d’aria ad alta temperatura che fornisce il calore necessario all’acqua per evaporare. Le alte temperature che caratterizzano questo processo permettono di velocizzare la cinetica di essiccamento, ma recano danni termici deteriorando le qualità̀ fisico-chimiche e nutrizionali del prodotto e comportano un elevato dispendio energetico.

Pretrattamenti innovativi

Per migliorare il processo di essiccamento, preservare le proprietà organolettiche e i principi nutritivi e ridurre la carica microbica dei prodotti essiccati, vengono ampiamente applicati dei trattamenti preliminari che, quindi, precedono l’essiccazione vera e propria. Sulla base dell’interesse sempre crescente dei consumatori per una corretta alimentazione e i suoi benefici per la salute, la possibilità di ottenere alimenti salubri con elevate proprietà nutrizionali e funzionali ha aumentato gli sforzi di scienziati e industrie alimentari in questo campo di ricerca.

Molti ricercatori hanno condotto studi e sperimentazioni sul trattamento dei prodotti prima dell’essiccazione, validando tecniche da applicare a livello industriale. Pretrattamenti adeguati possono ridurre il contenuto iniziale di acqua e modificare le proprietà dei tessuti, aumentando così la velocità di essiccazione, migliorare la qualità del prodotto, inibire gli enzimi e, quindi, ridurre al minimo le possibili reazioni di deterioramento durante l’essiccazione e la successiva conservazione (Figura 1).

Figura 1: Sintesi dei principali trattamenti preliminari applicabili alle matrici alimentari per favorirne il processo di essiccamento.

I pretrattamenti termici tradizionali ad acqua calda e vapore inattivano efficacemente enzimi degradativi, riducono la carica microbica e ammorbidiscono i tessuti. Tuttavia, causano la perdita di nutrienti idrosolubili, consistenza, pigmenti e aroma. Per ovviare ai limiti di questi trattamenti sono state sviluppate tecniche innovative che presentano elevata velocità di riscaldamento, notevole efficienza energetica, efficace inattivazione enzimatica e microbica, minore perdita dei nutrienti e miglioramento della qualità.

La scottatura con aria calda ad alta umidità (HHAIB) è una tecnologia che utilizza getti di aria calda a umidità elevata che colpiscono la superficie del prodotto ad alta velocità, per ottenere un’elevata efficienza e velocità di trasferimento termico. È un processo di scottatura rapido, uniforme, privo di acque reflue ed efficiente dal punto di vista energetico, che causa una perdita minima di nutrienti idrosolubili.

Le scottature con microonde, con radiofrequenza e a infrarossi sono trattamenti termici basati sulla dissipazione dell’energia elettromagnetica convertita in calore all’interno del prodotto da trattare. La profondità di penetrazione del riscaldamento diminuisce all’aumentare della frequenza. La lunghezza d’onda, che è inversamente proporzionale alla frequenza, differenzia questi tre tipi di scottatura. Le microonde e gli infrarossi, avendo lunghezze d’onda minori, hanno meno capacità di penetrazione rispetto alle radiofrequenze; perciò, queste tecnologie sono più adatte ad essere applicate a prodotti di dimensioni e pezzature piccole e sottili, per i quali è utile anche un’agitazione esterna o un nastro trasportatore per esporre tutte le parti dell’alimento a radiazioni uniformi ed evitare un riscaldamento disomogeneo.

Grazie alle lunghezze d’onda maggiori, le radiofrequenze possono penetrare più in profondità nel prodotto con conseguente riscaldamento più uniforme e possono riscaldare anche prodotti densi e di qualsiasi dimensione. Le radiofrequenze riscaldano più lentamente delle microonde e permettono, quindi, di trattare prodotti più delicati che richiedono un riscaldamento più lento. Le microonde, avendo lunghezza d’onda molto ridotta, risultano particolarmente difficili da schermare, al contrario, delle radiofrequenze che hanno lunghezze d’onda molto più elevate che, non solo le rendono significativamente meno aggressive, ma ne rendono assai semplice la schermatura al di sotto dei valori di emissione accettati a livello internazionale.

La scottatura ohmica è un processo in cui il calore è generato all’interno dell’alimento sottoposto al passaggio di una corrente elettrica alternata. Il riscaldamento è rapido e uniforme e quindi utilizzabile come metodo alternativo di scottatura per frutta e verdura, in particolare per prodotti interi e di grandi dimensioni, dove il processo può essere compiuto in un tempo relativamente breve, indipendentemente dalla forma e dalle dimensioni del prodotto. Riduce il deterioramento e la perdita dei nutrienti termolabili, preserva il colore e la consistenza, oltre che inattivare i microrganismi e gli enzimi degradativi.

I pretrattamenti non termici, cioè gli ultrasuoni, il campo elettrico pulsato e l’alta pressione idrostatica sono una valida alternativa ai trattamenti termici per limitare i danni degradativi dei composti termosensibili. Inoltre, modificando la struttura cellulare, migliorano la permeabilità delle membrane cellulari, con la conseguenza di un migliore trasferimento di massa durante l’essiccazione.

I pretrattamenti chimici, in generale, migliorano efficacemente la cinetica di essiccazione e contribuiscono a migliorare la qualità degli alimenti. Tuttavia, le tecniche meno innovative in fase liquida provocano la perdita di nutrienti idrosolubili e i residui chimici negli alimenti possono causare problemi di sicurezza alimentare, oltre a problemi di smaltimento delle soluzioni. Fra i trattamenti più innovativi di particolare rilievo sono gli edible coatings, cioè strati sottili commestibili che vengono applicati sulla superficie dell’alimento prima dell’essiccazione, con il vantaggio di ridurre la perdita di aroma, colore e sostanze nutritive, e mantenere l’integrità fisica del prodotto.

Nella tecnica della vacuum impregnation viene sviluppata meccanicamente una differenza di pressione che permette l’infusione di una soluzione esterna nei capillari e negli spazi liberi del tessuto alimentare, si ha così la possibilità di introdurre composti anti-imbrunimento, antimicrobici, antiossidanti, nutritivi, ingredienti funzionali, per migliorare la qualità finale degli alimenti essiccati e prolungare la shelf-life. Una tecnica innovativa in fase gassosa è il trattamento con ozono che viene applicato a basse concentrazioni, ed è particolarmente efficace per inattivare i microrganismi senza modificare le proprietà nutrizionali, chimiche e fisiche dell’alimento.

Controllo di processo

Il processo di essiccamento è un’operazione dinamica, non lineare, dove i parametri relativi al processo e al prodotto subiscono continue variazioni durante la lavorazione: la qualità̀ dei prodotti alimentari, quindi, dovrebbe essere verificata non solo alla fine, ma in itinere. Lo smart drying è una delle più recenti e promettenti tecnologie di disidratazione, che si basa sul rilevamento in tempo reale delle informazioni relative ai parametri qualitativi del prodotto (umidità, colore, forma, sapore, odore) e delle condizioni di processo (velocità, temperatura, umidità, pressione), per modulare simultaneamente il processo di essiccamento.

È un sistema di controllo intelligente che si avvale di sensori, trasduttori e sistemi di elaborazione che trasformano le informazioni in variabili quantificabili per prendere delle decisioni adattative. Il risultato è un prodotto essiccato di alta qualità e standardizzato, ottenuto con un consumo energetico ottimale e un impatto ambientale minimo. Lo smart drying si avvale di diverse tecnologie. I sistemi biomimetici sono un metodo di monitoraggio che utilizza le tecnologie dei sensori ispirate ai sensi umani, contenenti sistemi di rilevamento degli odori (nasi elettronici) e sistemi di rilevamento del gusto (lingue elettroniche).

Il naso elettronico è uno strumento in grado di creare delle mappe digitali di discriminazione degli odori, i cui elementi fondamentali sono i sensori chimici che, lavorando come trasduttori miniaturizzati, rispondono in maniera selettiva e reversibile, alle sostanze chimiche volatili, generando segnali elettrici in funzione della concentrazione in tempo reale. Anche la lingua elettronica utilizza ricettori miniaturizzati, che attivati dai diversi composti dell’alimento, trasmettono segnali elettrici che vengono poi analizzati da un computer, ottenendo una descrizione qualitativa e quantitativa delle sostanze che concorrono a formare il gusto, offrendo così uno strumento in grado di identificare il sapore di un prodotto in modo rapido, affidabile, senza dover ricorrere all’opera dei degustatori, con tutte le loro limitazioni soggettive.

La tecnica di visione artificiale permette di determinare in tempo reale le proprietà̀ fisiche, (dimensioni, colore, forma) e gli attributi di qualità̀ dei prodotti, utilizzando l’analisi di immagini online, che mette in correlazione gli attributi dell’immagine (area, colore, trama) con i parametri fisici dell’essiccazione (umidità, temperatura, ecc.). Altre tecnologie di cui si avvale lo smart drying sono la spettroscopia dielettrica a microonde e nel vicino infrarosso (NIR), tecniche di monitoraggio basate sull’assorbimento delle radiazioni da parte della matrice alimentare che, attraverso la lettura e l’analisi dello spettro ottenuto, permettono di determinare il contenuto di proteine, grassi, umidità e la densità dei materiali nel processo di essiccazione. Sono tecnologie non distruttive, caratterizzate da grande precisione, accuratezza e rapidità.

La risonanza magnetica utilizza onde radio e magneti per generare le immagini di campioni di alimenti. È un potente strumento che, attraverso l’analisi delle informazioni ottenute con elevata risoluzione spaziale, permette di determinare il contenuto, la distribuzione e la mobilità dell’acqua nell’alimento, durante i processi di lavorazione, per l’ottimizzazione dei parametri operativi e per il monitoraggio della qualità̀ microbiologica, fisica e chimica di diverse varietà̀ di matrici alimentari.

La tecnica a ultrasuoni, applicati a bassa potenza (alta frequenza), è una tecnica di misurazione acustica online emergente, non invasiva, economica, semplice ed efficiente dal punto di vista energetico, che può̀ essere utilizzata per stimare la composizione degli alimenti, monitorare le proprietà̀ fisico- chimiche e strutturali e rilevare anche la contaminazione da metalli e da altri materiali estranei durante la lavorazione per garantire alta qualità̀ e sicurezza. I sensori elettrostatici sono in grado di registrare la carica elettrostatica trasportata dai solidi secchi in un convogliatore pneumatico e possono essere applicati efficacemente nell’essiccatore per misurazioni in tempo reale del contenuto di umidità dei solidi nei letti fluidi, quindi, per il controllo diretto del processo e del regime di fluidizzazione.

Questa tecnica offre precisione, tolleranza alle alte temperature, applicazione su scala di laboratorio o su scala industriale, misurazione rapida, semplicità̀ nella struttura e nell’installazione, elevata sensibilità̀, economicità e idoneità̀ per misurazioni qualitative. Lo smart drying non prevede solo il monitoraggio dei parametri di qualità del prodotto, ma anche sistemi di controllo dell’ambiente di essiccazione che monitorano in itinere i parametri operativi (quali pressione, temperatura e umidità) e li regola coerentemente con le esigenze di qualità̀ del prodotto. Nei prossimi anni si prevede che la tecnologia dello smart drying troverà sempre maggiore impiego nell’industria alimentare, a seguito anche di ulteriori ricerche accademiche e commerciali finalizzate all’ottimizzazione del sistema.

I cambiamenti sociodemografici e dello stile di vita, l’aumento di patologie, allergie e intolleranze correlate all’alimentazione, stimolano una domanda di prodotti alimentari sempre più differenziata. Per affrontare le nuove esigenze emergenti del settore alimentare, sia sul fronte dei consumatori che dei produttori, che operano in un mercato sempre più globalizzato, la sfida e l’impegno continuo dei ricercatori e dell’industria alimentare è quella di studiare e implementare nuove tecniche per la trasformazione degli alimenti, con la finalità̀ di fornire ai consumatori alimenti su misura per le loro esigenze, attraverso processi sostenibili a livello produttivo, economico e ambientale.

Gli obiettivi sono di massimizzare la ritenzione dei nutrienti, la conservazione delle caratteristiche organolettiche, la sostenibilità del processo e l’efficienza energetica per produrre prodotti sicuri e di alta qualità. Per conseguire tali obiettivi non può essere applicata in modo efficace una singola tecnologia; perciò, l’attenzione si è concentrata sui metodi ibridi, che combinano varie tecnologie, sfruttando positivamente l’azione sinergica delle loro prerogative. Secondo i dati le tecnologie ibride possono ridurre il consumo di energia non rinnovabile fino all’80%.

Il processo di essiccamento è uno dei più energivori dell’industria alimentare: nell’UE i metodi di essiccazione sono responsabili di una percentuale compresa fra il 10% e il 25% del consumo di energia a livello industriale. Si prevede che il consumo di energia e cibo aumenterà del 40% entro il 2030, quindi sarà necessario ricavare energia da fonti rinnovabili, riducendo al minimo l’uso di combustibili fossili e incrementare l’utilizzo di tecnologie e sistemi innovativi in grado di far compiere un vero salto di qualità nel campo dell’efficienza dei processi, in riferimento all’energia e alla resa in generale.

Alex Maggiori, Roberta Dordoni, DiSTAS – Dipartimento di Scienze e Tecnologie Alimentari per una filiera agro-alimentare Sostenibile – Università Cattolica del Sacro Cuore

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