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OPERAZIONI UNITARIE [email protected] Moodle Libro: singh, friso Esame: scritto 7 appelli all’anno durata 2 ore, domande 5 a risposta aperta + es applicativi Penna e calcolatrice

Operazione unitaria: stadio di un processo produttivo, esso è formato da tante operazioni unitarie. Ognuna di queste fasi può essere descritta e analizzata indipendentemente dalle altre. Se consideriamo un processo è costituito da varie operazioni unitarie. Es io ho delle mele e le voglio trasformare in una purea - lavaggio - omogeneizzazione - filtrazione - .. Nel momento in cui eseguo la filtrazione può accadere che il filtro non funzioni più o la velocità di filtrazioni si abbassa, allora conoscendo la filtrazione, da quali fattori dipende, leggi che la governano ... posso isolare l’operazione presa in considerazione. Le operazioni unitarie si precludono di modificare la composizione e degli ingredienti. Parto dalla mela e per ottenere il frutto. Per fare ciò devo applicare in maniera rigorosa con metodo scientifico delle specifiche operazioni unitarie poiché il prodotto dovrà garantire la salubrità, qualità, determinate caratteristiche, stabilità desiderata. Ma per fare ciò è necessario saper gestire queste operazioni. Quindi le operazioni sono implicate nella trasformazione nel risanamento, stabilizzazione dei prodotti alimentari. Tanto è vero che vengono suddivise in tre gruppi: - trasformazione - risanamento - stabilizzazione SUCCO DI FRUTTA: Materia prima frutta viene lavata, ridotta di dimensioni, processo di scottatura (blenscing), estrazione del succo con pressatura, spremitura... a seconda del frutto preso in considerazione. Dipende pure se il frutto presenta sospensioni... tutte queste fasi che precedono il confezionamento sono operazioni unitarie. Queste operazioni unitarie hanno finalità diverse alcune. Dopo l’estrazione segue chiarificazione e disaereazione, in seguito pastorizzazione e confezionamento del prodotto. - trasformazione: materia prima viene trasformata (estrazione del succo , dalla mela � ottengo il succo) - stabilizzare o risanare TRASFORMAZIONE: operazioni che modificano in maniera controllata le proprietà chimiche e fisiche delle materie prime e degli ingredienti. - CAMBIAMENTO DI DIMENSIONE, sessionamento , frammentazione - SEPARAZIONE DI COMPONENTI ( estrazione, filtrazione, sedimentazione, centrifugazione, distillazione quindi separo le vinacce dall’alcool - INCORPORAZIONE DI COMPONENTI ( miscelazione, emulsionare, impregnazione ) - STRUTTURAZIONE, trasformazione ovvero a partire da certi ingredienti applico calore, pressione ecc per formare, farcire, stratificare e estrusione. Un esempio i confleix miscelare farina zucchero... lavorato il composto in un estrusore che mixa e cucina applicando delle forze particolari, determinata pressioni, alla fine del percorso il prodotto esce attraverso una trafila che presenta delle forme precise conferendo una determinata forma. Uscendo la pressione cala e con un abbassamento espande e diminuisce la temperatura quindi si raffredda e quindi solidifica. - TRASFORMAZIONE COMPOSITIVA ( cottura, tostatura, fermentazione e enzimazione)

RISANAMENTO: operazioni unitarie con l’obiettivo di distruggere i microrganismi alterativi o patogeni. - PASTORIZZAZIONE - STERILIZZAZIONE Ci permettono di ottenere alimenti salubri che non comportano malattia nell’uomo OPERAZIONI UNITARIE DI STABILIZZAZIONE: non è sempre necessario distruggere i microrganismi ma comunque ci permettono di inibire i microganismi applicate per esempio per disattivare gli enzimi e ciò rallentano determinate reazioni degradative di diversa natura ( chimica e fisica ). - BLANCHING( inoculazione degli enzimi = con alte temp. - REFRIGERAZIONE, CONGELAMENTO � - CONCENTRAZIONE sfrutta sia alte temp sia basse - DISIDRATAZIONE eliminare tutta l’acqua , ottenere un prodotto secco come un biscotto � . Si può ottenere utilizzando aria che si scalda oppure liofilizzazione. - ADDIZIONI DI UMETTANTI ( per aumentare l”’attività dell’acqua ) - RIDUZIONE DEL PH - ADDITIVAZIONE CHIMICA ( additivi si dividono in antimicrobici quindi inibiscono la proliferazione e antiossidanti inibiscono le reazioni di ossidazione = conservanti ) - CONFEZIONAMENTO ( barriera tra interno e esterno dell’alimento ) Queste operazioni vengono applicate in sequenza perché vogliamo ottenere dei derivati sicuri, accettabili ( condotte in maniera tale da non modificare le proprietà sensoriali del prodotto in modo negativo ) e dotati di una stabilità programmata nel tempo in determinate condizioni di conservazione.

Le operazioni unitarie possono essere descritte da equazioni matematiche poiché alla base ci sono principi di natura fisica che come tali vengono descritti da equazioni. Ciò ci interessa perché conoscendo l’equazione sappiamo quali sono le variabili che influenzano determinate proprietà. Se la velocità di filtrazione rallenta noi possiamo agire avendo conoscenze di equazioni matematiche. Ci permette di prevenire l’efficacia e ci consente la modificazione. Equazioni che governano le operazioni e sapere i fattori che modificano il tutto. E ci aiutano a gestire il fenomeno FILTRAZIONE R= nr (

V =f (

1 ) R

SV + L) A

Dove R è la resistenza a fluire attraverso il filtro, h è la viscosità del fluido, r è la resistenza specifica del deposito sul filtro, V è il volume del filtrato, S solidi del fluido da filtrare, A area del filtro, L spessore del filtro.

TRASFORMAZIONI UNITARIE BASATE SUL TRASFERIMENTO DI ENERGIA TERMICA energia termica che può essere fornita, alte temperature perché facciamo riferimento alla: (cottura e blenching) STERILIZZAZIONE e PASTORIZZAZIONE fornisco di calore Nelle operazioni in cui sottraggo calore REFRIGERAZIONE E CONGELAMENTO (stabilizzazione) Nascita agricoltura risale a 10000 anni fa, nata per una esigenza derivata da bisogni fisiologici e con la stabilizzazione in un determinato luogo.

6000 ac: primi tentativi dell’uomo di conservazione degli alimenti (grotta temperatura costante di 10 gradi tutto l’anno) 1800 nascita della moderna tecnologia alimentare Ci sono state due rivoluzioni, quando l’uomo riescì a gestire il calore per usi alimentare SCOPERTA DEL FUOCO � nel paleolitico perché prima l’uomo si cibava di alimenti crudi quindi altamente pericolosi dal punto di vista igienico, cereali e legumi non adatti a consumarli crudi perché difficili da digerire. Impara a cuocere e quindi ha una maggiore disposizione di cibo, maggiori calorie giornaliere. Alimenti più salubri, più digeribili. Se prima il numero della popolazione era costante, non c’era un incremento, nel momento in cui abbiamo questa scoperta la popolazione comincia a crescere in maniera importante perché c’era una maggiore disponibilità di alimenti. SECONDA RIVOLUZIONE DEL FUOCO con Napoleone Bonaparte ➡ innovazione nei sistemi di approvvigionamento degli eserciti. “Un esercito mangia nel suo stomaco “ problema dell’approvvigionamento dell’esercito. Viene indetto un premio nazionale a chi è capace di conservare gli alimenti per metterli a disposizione dell’esercito. Vinse Appert. Se un alimento è introdotto in un contenitore ermetico, poi può essere sottoposto ad alte temperature per un certo tempo. Fuoco concepito come capace di svolgere un’azione distruttiva verso quel qualcosa che era responsabile del deterioramento die prodotti alimentari. Lui introdusse alimenti in una scatola � e li chiudeva con tappi di sughero e immergeva le scatole in acqua � . Tutto questo viene descritto in un libro pubblicato 1810. Non sempre questo metodo funzionava, una buona parte di questi prodotti deperivano perché il suo era un approccio empirico che non si basava su concetti scientifici. Tempo basato su intuito. Tappi di sughero non sempre ermetica quindi poteva verificarsi una contaminazione successiva. Bisogna aspettare la seconda metà del 1800 (1864), dove PASTEUR scopre l’esistenza dei microrganismi. Osserva inoltre che i microrganismi vengono uccisi dalle alte temperature. Quindi si passa dall’empirismo alla scienza � . Quindi Aperk ha aperto la strada per la consolidazione di regole su cui si basa la scienza. Con la seconda rivoluzione del fuoco apre la strada delle tecnologie finalizzate a dare lunga vita agli alimenti • Apertizzazione= pasteurizzazione ( temperatura < 100 gradi C ) • Sterilizzazione ( temperatura > 100 gradi C ) L’uomo è giunto alla conquista del cibo con la scoperta dal fuoco, mentre con la seconda rivoluzione del fuoco è arrivato alla conquista del diritto alla sicurezza alimentare. Dopo di che è stata possibile un’ordinata evoluzione delle conoscenze: - 1900 sanity ean (scatola a banda stagnata ) metodo utilizzato durante le guerre per l’esercito - 1920 tre scienziati BIGELOW, BALL e BALL hanno concluso il lavoro classificando i microrganismi sulla base di diversi fattori quali sensibilità al PH e resistenza termica, riconoscimento dell’importanza... - 1980 progressi nella tecnologia dei materiali da confezionamento, arrivando fino a plastica e alluminio

COTTURA (trasformazione): è un’operazione unitaria che implica il trasferimento di calore (dal mezzo riscaldante al prodotto) e spesso di massa (dal prodotto all’ambiente o viceversa). Essa comporta cambiamenti importanti nel l’alimento. Ci sono diversi metodi di cottura - secco: forno (aria è il termovettore), frittura (olio), grill (radiazioni infrarosse), tostatura - umido: stufatura, bollitura (acqua), vapore - cotture mediante tecnologie non convenzionali: microonde Nella cottura a secco in forno il valore viene trasferito per convezione attraverso l’aria circolante, per conduzione attraverso il contatto con i vassoi su cui l’alimento è posizionato e per irraggiamento attraverso

le pareti. Durante la cottura si viene a formare un gradiente di tensione di vapore tra l’aria anidra del forno e il prodotto. L’acqua del prodotto tenderà a migrare dall’interno alla superficie per poi evaporare. Quando la velocità di evaporazione diviene maggiore della velocità di migrazione, il fronte di evaporazione tenderà a spostarsi negli strati più interni del prodotto. Si formerà una zona superficiale disidratata. Nella cottura a secco la temperatura può superare i 100 gradi e l’attività dell’acqua sarà inferiore a 1 successivamente alla cottura. Aw=1 patate bollite, condizione di alta umidità. Nel microonde vi sono onde elettromagnetiche che una volta penetrate nell’alimento vengono convertite in calore, sono prodotte a bande di frequenza specifiche da un dispositivo detto magnetron. COTTURA AL FORNO Pollo nella cavità del forno. Scaldiamo l’aria, piastre riscaldanti ( =per irraggiamento ). Pollo che inizialmente ha un contenuto di acqua alta, aria calda cede la maggior parte del calore al pollo. Il calore poi si propaga all’interno - conduzione - convezione - irraggiamento Ad un certo punto quando la temperatura raggiunge un determinato valore l’acqua comincia ad evaporare. Questo avviene solo nella superficie. Dall’interno del pollo l’acqua migra verso la superficie del pollo. Che differenza c’è 120 è uno a 200? La superficie sarà diversa dopo mezz’ora. Nel pollo � che si trova a temperatura più alta avrà una crosticina più spessa, ciò significa che l’evaporazione avviene più velocemente e l’acqua all’interno non ha il tempo di migrare e ciò comporta la disidratazione. Mentre quello a più bassa temperatura ha bisogno di più tempo. Dopo un’ora, quello con la temperatura più alta ha formato una crosticina e risulterà meno secco rispetto all’altro perché la crosticina fa da barriera. Il pollo a t più alta presenterà una carne � più succosa. COTTURA AL MICROONDE Sono onde elettromagnetiche che determinano un meccanismo di riscaldamento del prodotto —> volumetrico. Dove l’onda penetra avviene il riscaldamento. Vengono prodotte in frequenze adeguate per il prodotto alimentare ( 2450 MHz = corrisponde una lunghezza d’onda piccola pari a 12 cm ). Queste onde sono prodotte da uno strumento detto magnetron, poi c’è una guida d’onda che favorisce una distribuzione omogenea nell’intera area. La porta è fondamentale, fatta di vetro. C’è una specie di maglia che ha funzione di schermo elettromagnetico,, le onde elettromagnetiche non possono uscire dal vetro per la sua composizione particolare poiché presenta una rete metallica che funge da schermo elettromagnetico. Spegnimento automatico del magnetron nel momento in cui si apre la porticina. Viene utilizzato il vetro poiché è possibile vedere il prodotto all’interno. MECCANISMI FORNO MICRONDE: la massa si riscalda allo stesso momento e quindi si parla di riscaldamento volumetrico. Si va a creare un campo elettrico alternato. - POLARIZZAZIONE IONICA = quando un campo elettrico viene applicato a una soluzione contenente ioni, quindi si muovono verso i 2 poli sulla base della loro carica. - ROTAZIONE DIPOLARE = in presenza di un campo elettrico le molecole dipolari come l’acqua ruotano continuamente per mantenere il giusto orientamento con il campo elettrico. L’attrito generato da questo movimento produce calore. Sulla base del tipo di cottura c’è trasferimento di materia: nel forno generalmente si, come nella frittura (verso l’interno e l’esterno perché l’olio entra mentre l’acqua evapora), vapore e bollitura (verso il prodotto) mentre nel microonde generalmente non c’è scambio di materia. Nella cottura avvengono cambi di colore e di profumo, ciò è dovuto alla reazione di MAILLARD (MRP): principale reazione chimica che si manifesta nella cottura degli alimenti, gioca un ruolo importante sugli effetti indotti dalla cottura negli alimenti. Può avere effetti desiderati e non E’ una reazione chimica molto complessa che avviene tra il gruppo carbonilico di zuccheri riducenti e il gruppo amminico di aminoacidi in condizioni di temperatura elevata. Attraverso una serie di passaggi si

formano acqua, composti volatili e polimeri azotati. Questi ultimi sono i prodotti finali della reazione, presentano una struttura chimica complessa e sono di colore scuro. Più scuro è il colore più intenso è il trattamento (più alta è la temperatura). Ci sono diversi stadi della reazione di Maillard e ciò dipende dal tipo di alimento preso in considerazione. - presenza di zuccheri riducenti (funzione carbonilica libera non impegnata a legami), gruppo amminico libero e ci deve essere una temperatura sufficientemente elevata poiché porta a una reazione di condensazione del gruppo amminico e carbonilico comportando la formazione di GLICOSAMMINA, immediatamente essendo molto reattivo evolve secondo diversi fattori come il pH. Questa reazione porta a una formazione di molti composti volatili - aldeidi, furani... che possono reagire ancora tra di loro o con amminoacidi, la reazione se continua va avanti fino alla formazione di prodotti finali MALAMEIODINE (polimeri che contengono azoto, questo nome contiene molti composti diversi tra di loro) sono di colore scuro. Il pollo cotto al punto giusto presenta una colorazione scura e ciò è legato alla presenza di questi composti. Questa reazione venne modificato in alcune parti da Hodge nel 1953 ed è ancora valido ora. La reazione di Maillard riguarda la maggior parte dei prodotti alimentari sottoposti a riscaldamento o conservati per lunghi periodi. I suoi prodotti sono presenti in concentrazioni significative in un grande numero di alimenti quali caffè, pane, prodotti da forno, cereali per la prima colazione e possono svolgere un importante ruolo influenzandone le proprietà sensoriali (colore, aroma), reologiche (consistenza, viscotià) e nella stabilità (capacità antiossidante) Latte uht e sterilizzato: stadi iniziale della reazione di Maillard Birra chiara e pasta: stadi intermedi Prodotti da forno, birra scura: stadi avanzati Cacao, carne arrostita, caffè FINALITÀ DELLA COTTURA • Modificare le caratteristiche sensoriali dell’alimento, aumentando l’accettabilità • Migliorare le caratteristiche nutrizionali dell’alimento ( digeribilità, biodisponibilita.. ) • Distruggere microrganismi, tossine e fattori anti nutrizionale (solanina=sostanza tossica per il nostro organismo. La cottura permette di struggerli = PATATA � ), inattivare enzimi (prolungare la shelf life). Nonostante la cottura contribuisca alla distruzione di microrganismi non può essere considerata un’operazione unitaria di risanamento termico poiché essa non li distrugge. Durante la cottura si verificano cambiamenti desiderati e non delle proprietà: - FISICHE: consistenza, colore, aroma. Lo zucchero ad esempio, trasformandosi da cristallino ad amorfo fila e diventa zucchero filato. La tostatura trasforma completamente le proprietà fisiche del caffè, si ottiene un prodotto molto fragile, infatti lo maciniamo molto facilmente mentre con il seme verde no perché risulta gommoso. Sviluppo degli aromi del caffè sulla base della sua tostatura: quella più diffusa in Europa è la tostatura media. A seconda della densità della tostatura abbiamo differenze in relazione all’aroma e alla stabilità delle reazioni ossidative: il caffè tostato non ossida perché sono presenti i prodotti di Maillard. - CHIMICHE: denaturazione delle proteine e perdita di componenti (vitamine, aa, proteine, antiossidanti), variazione del contenuto d’acqua, formazione di composti responsabili dell’aroma e del sapore, formazione di molecole con proprietà antiossidanti, formazione di molecole tossiche. Nella preparazione della passata di pomodoro, dopo un’ora di cottura l’acido ascorbico non c’è più, comportando una perdita di vitamine. - CHIMICO FISICHE: attività dell’acqua Acrillamide: nei biscotti e nelle chips, la sua formazione è favorita da bassi valori di umidità, vi è un elevato controllo per ridurre la formazione di questo composto.

Pastorizzazione: trattamento termico relativamente blando (T≤100°) finalizzato alla distruzione delle forme patogene e/o della maggior parte delle forme vegetative dei microrganismi (mo poco termoresistenti) nonché all’inattivazione della maggior parte degli enzimi di un alimento. Cambiamenti contenuti delle proprietà sensoriali e nutrizionali Sterilizzazione: trattamento termico generalmente condotto a T>100° finalizzato alla distruzione delle spore di microrganismi patogeni e alterativi (in particolare spore termoresistenti). Inoltre comporta inattivazione enzimatica, modificazioni delle proprietà nutrizionali e sensoriali. Ad entrambi i trattamenti termici è sempre abbinato il confezionamento in un contenitore ermetico in modo tale che non si ricontamini. Spore termoresistenti come: - Cl. Butiricum nei pomodori non termoresistenti – pastorizzazione - Cl. Botulinum spore termosabili - sterilizzazione Può avvenire anche una perdita di stabilità, quando ad esempio - la confezione viene aperta (non più sterile) - conservazioni a temperature non adeguate La bravura nel tecnologo sta nel fatto che le proprietà vengano modificate in minimi termini quindi presentare le proprietà degli alimenti. Bisogna minimizzare il danno termico portando alla salubrità dell’alimento. Possibili effetti indesiderati di trattamenti di sterilizzazione, date dal danno termico: - distruzione di principi nutrizionali (vitamine termolabili, aa) - cambiamenti indesiderati delle proprietà sensoriali (sviluppo di aromi e colore indesiderati, modificazioni di consistenza) Le OU di pastorizzazione e sterilizzazione hanno finalità diverse a seconda delle caratteristiche chimico fisiche (aw, pH) dell’alimento delle condizioni ambientali (temperatura, concentrazione di ossigeno). A pH0.85 - alimento acido pH4.6 - pesce: finalità di distruggere i patogeni (salmonella), dopo averlo pastorizzato lo conserveremo in frigorifero perché è un prodotto che presenta una stabilità limitata nel tempo. - latte: pastorizzazione ci permette di distruggere patogeni quali brucelle, E. Coli, batterio della tubercolosi quindi patogeni molto pericolosi. Latte pastorizzato dura qualche giorno mentre a temperatura ambiente qualche ora, perché non ha distrutto i microrganismi alterativi e questi continuando ad accrescersi e ciò avviene a velocità diverse a seconda della temperatura. A temperatura più elevate il fenomeno è più veloce. LUNGA SHELF LIFE se alimento acido 10%: under blanching - pari a 0%: over blanching Importante definire l’enzima target: si conoscono i valori di D e z e si gestisce il blanching Può essere fatto utilizzando - acqua bollente...