Campi elettrici pulsati: cosa sono?
Negli ultimi anni i trattamenti con campi elettrici pulsati (Pulsed Electric Fields – PEF) hanno riscontrato una notevole attenzione nel settore delle biotecnologie e degli alimenti.
Essi si basano sull’utilizzo d’impulsi elettrici ad alta tensione e di breve durata (ns-ms) che, se applicati a determinati livelli a tessuti biologici, ne causano la permeabilizzazione o l’ elettroporazione cellulare.
Per “elettroporazione”, s’intende l’apertura di pori in corrispondenza delle membrane di cellule vegetali, animali o microbiche; fenomeno che, in maniera semplificata, può essere distinto in reversibile e irreversibile.
L’elettroporazione reversibile viene spesso utilizzata per applicazioni “in vivo”, in cui è possibile sfruttare la temporanea apertura di pori nelle membrane plasmatiche per l’introduzione di frammenti di DNA o sostanze chemioterapiche [4] (Fig.2).
L’elettroporazione irreversibile, invece, causa una permanente variazione della permeabilità delle membrane con conseguente morte delle cellule, caratteristica maggiormente sfruttata in ambito alimentare.
Infatti, i trattamenti con campi elettrici pulsati possono essere utilizzati come valida alternativa ai trattamenti termici convenzionali per l’inattivazione microbica [7]; oppure in combinazione ad altre operazioni unitarie, quali essiccazione, liofilizzazione, congelamento, disidratazione osmotica, impregnazione sottovuoto, estrazione, al fine di accelerare i trasferimenti di massa e di calore, e di migliorare la qualità dei prodotti alimentari [10].
Tra le tecnologie innovative, il trattamento PEF (Pulsed Electric Fields) suscita notevole interesse in ambito alimentare per la sua natura non termica e la possibilità di essere utilizzato come pre-trattamento in molti processi produttivi, presentando dei miglioramenti in termini di tempi, di costi e di qualità finale dei prodotti alimentari.
Infatti, la maggior parte dei pre-trattamenti convenzionali utilizzati nell’industria alimentare prevedono la distruzione meccanica o l’utilizzo di calore (si pensi ad esempio al blanching o scottatura) che hanno lo svantaggio di causare, in molti casi, il deterioramento della qualità (si pensi a tutti i composti nutrizionali termolabili che vengono persi), nonché l’elevato costo energetico.
PEF quali opportunità ci sono: esempi di applicazione
L’elettroporazione può facilitare i processi di estrazione, intesi sia come processi di produzione primaria (estrazione di succhi da frutta e vegetali, di olio, di zucchero dalla barbabietola o canna da zucchero), sia come processi secondari, ad esempio, per l’estrazione di composti bioattivi dagli scarti alimentari.
Numerose ricerche hanno infatti dimostrato come la tecnologia PEF può, in molti casi, ridurre i tempi di lavorazione e migliorare la resa di estrazione [1].
Il dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Salerno insieme al centro di ricerca ProdAl ha studiato l’incremento dell’estraibilità del licopene dalle bucce di pomodoro, quindi da scarti di lavorazione, dimostrando come si possa ottenere più del doppio della quantità di carotenoidi estratti applicando un campo elettrico pari a 750 V/cm a temperatura ambiente, nonché il miglioramento della pelabilità dei pomodori stessi se pre-trattati con PEF [5].
Il trattamento delle uve con campi elettrici pulsati, nel processo di vinificazione, può essere sfruttato per il miglioramento dell’estrazione dei polifenoli in fase di macerazione per la produzione di vino rosso, con conseguente riduzione dei tempi.
Il vino prodotto con l’ausilio del PEF non presenta un profilo sensoriale alterato, inoltre, il suo più elevato contenuto in polifenoli è ben mantenuto durante l’invecchiamento [6].
Diversi studi hanno dimostrato come l’aumento della permeabilità delle membrane cellulari conseguente al trattamento PEF può aumentare l’efficacia di disidratazione.
I trattamenti convenzionali di disidratazione richiedono elevati consumi energetici e alcuni prevedono l’utilizzo di elevate temperature che causano il deterioramento della qualità finale dei prodotti alimentari.
Il dipartimento di Scienze e Tecnologie Alimentari insieme al Centro Interdipartimentale di Ricerca Industriale Agroalimentare dell’Università di Bologna ha dimostrato come il trattamento PEF su fragole, sottoposte a disidratazione osmotica o congelamento/scongelamento, abbia migliorato i trasferimenti di massa e contribuito al mantenimento di un elevato livello di qualità del frutto [8][9].
È sicuramente l’industria di produzione di patate a bastoncino (French fries) e tipo chips a sfruttare i molteplici vantaggi del trattamento PEF. Da quasi un decennio, infatti, i campi elettrici pulsati hanno visto il loro trasferimento da scala pilota a scala industriale per essere utilizzati come pre-trattamento dei tuberi di patata.
I campi elettrici pulsati provocano un intenerimento sostanziale dei tessuti, fenomeno vantaggioso in termini di riduzione dello sforzo da taglio e dunque, di riduzione della manutenzione delle lame in linea di produzione.
Il taglio della superficie dei tuberi risulta più netto, permettendo così un minore assorbimento dell’olio durante la parziale o totale frittura delle patatine [2].
Inoltre, sembrerebbe che l’aumentata permeabilità delle membrane cellulari permetta il rilascio di parte dei substrati delle reazioni di Maillard (zuccheri riducenti e asparagina), ovvero una complessa catena di reazioni chimiche che si verificano durante la cottura di prodotti ricchi in carboidrati e proteine e che ne conferiscono il caratteristico aroma e colore.
Tali reazioni, però, presentano anche l’aspetto negativo di portare alla formazione di composti ritenuti potenzialmente cancerogeni per l’uomo, come l’acrilammide.
Il trattamento PEF, dunque, potrebbe essere sfruttato per la riduzione di tale composto [3].
[1] Barba, F. J., Parniakov, O., Pereira, S. A., Wiktor, A., Grimi, N., Boussetta, N., … & Lebovka, N. (2015). Current applications and new opportunities for the use of pulsed electric fields in food science and industry. Food Research International, 77, 773-798.
[2] Fauster, T., Schlossnikl, D., Rath, F., Ostermeier, R., Teufel, F., Toepfl, S., & Jaeger, H. (2018). Impact of pulsed electric field (PEF) pretreatment on process performance of industrial French fries production. Journal of Food Engineering, 235, 16–22.
[3] Jaeger, H., Janositz, A., & Knorr, D. (2010). The Maillard reaction and its control during food processing. The potential of emerging technologies. Pathologie-Biologie, 58(3), 207–213.
[4] Miklavčič, D., Mali, B., Kos, B., Heller, R., & Serša, G. (2014). Electrochemotherapy: from the drawing board into medical practice. Biomedical engineering online, 13(1), 29.
[5] Pataro, G., Carullo, D., Siddique, M. A. B., Falcone, M., Donsì, F., & Ferrari, G. (2018). Improved extractability of carotenoids from tomato peels as side benefits of PEF treatment of tomato fruit for more energy-efficient steam-assisted peeling. Journal of Food Engineering, 233, 65-73.
[6] Puértolas, E., López, N., Condón, S., Álvarez, I., & Raso, J. (2010). Potential applications of PEF to improve red wine quality. Trends in Food Science & Technology, 21(5), 247-255.
[7] Saldaña, G., Álvarez, I., Condón, S., & Raso, J. (2014). Microbiological aspects related to the feasibility of PEF technology for food pasteurization. Critical reviews in food science and nutrition, 54(11), 1415-1426.
[8] Tylewicz, U., Tappi, S., Mannozzi, C., Romani, S., Dellarosa, N., Laghi, L., … & Dalla Rosa, M. (2017). Effect of pulsed electric field (PEF) pre-treatment coupled with osmotic dehydration on physico-chemical characteristics of organic strawberries. Journal of Food Engineering, 213, 2-9.
[9] Velickova, E., Tylewicz, U., Dalla Rosa, M., Winkelhausen, E., Kuzmanova, S., & Romani, S. (2018). Effect of pulsed electric field coupled with vacuum infusion on quality parameters of frozen/thawed strawberries. Journal of Food Engineering, 233, 57-64.
[10] Wiktor, A., & Witrowa-Rajchert, D. (2016). Pulsed Electric Fields as Pretreatment for Subsequent Food Process Operations. Handbook of Electroporation, 1-16.
Jessica Genovese
Dottoranda in Scienze e Tecnologie Agrarie, Ambientali e Alimentari dell’Università di Bologna, si occupa di applicazioni di tecnologie non termiche in ambito alimentare. Nello specifico, il suo progetto di ricerca è finalizzato all’applicazione di campi elettrici pulsati, da soli o in combinazione ad altre tecnologie, per il miglioramento dei trasferimenti di massa e della qualità dei prodotti alimentari.
