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Il trattamento termico: come si garantisce efficienza ed efficacia?
Il trattamento termico (tipicamente pastorizzazione e sterilizzazione) è uno dei processi di conservazione più comune degli alimenti. Permette di aumentare il periodo di conservazione (shelf life) di un alimento e renderlo più sicuro per il consumo umano mediante distruzione di microrganismi patogeni e l’inattivazione di enzimi.
Nel caso dei trattamenti termici in contenitori metallici o di vetro, il calore passa dalla sorgente (autoclavi di pastorizzazione o sterilizzazione) al prodotto attraverso il contenitore stesso con differenti modalità. Ad esempio, nel caso cibi solidi e/o ad alta viscosità, la conduzione risulta il meccanismo di trasmissione del calore predominante; la convezione è invece la modalità di trattamento termico per alimenti liquidi ed a bassa viscosità.
La convezione in combinazione con la conduzione, o la convezione seguita da conduzione sono invece modalità miste di trasferimento del calore tipiche rispettivamente di alimenti liquidi con particolato solido (ad esempio macedonia di frutta in sciroppo) e alimenti liquidi contenenti amido o altri modificatori di viscosità o alimenti che subiscono fenomeni di denaturazione e aggregazione termica.
La qualità organolettica, così come le caratteristiche nutrizionali degli alimenti, possono essere drasticamente ridotta dai processi di stabilizzazione termica, che può causare, ad esempio, perdita o riduzione di vitamine, modificazioni del colore e/o dell’aroma.
Pertanto, la combinazione di tempo e temperatura durante i cicli di trattamento termico e successivo raffreddamento deve essere adeguatamente valutata per garantirne sia l’efficacia che l’efficienza, che si traduce con l’eliminazione dei patogeni e al tempo stesso con la conservazione delle caratteristiche sensoriali e nutrizionali, il tutto a costi contenuti.
La modellazione dei processi alimentari
Per progettare adeguatamente tali processi, studiando le proprietà termiche degli alimenti e il meccanismo di trasferimento del calore durante il trattamento, negli ultimi anni sono sempre più utilizzati vari metodi di modellazione e calcolo [1].
Tra questi, la Computational Fluid Dynamics (CFD), o fluido-dinamica computazionale, ha trovato applicazione in molte aree del food processing, come nel caso dello spray-drying, della cottura in forno, sterilizzazione, progettazione di scambiatori di calore, refrigerazione, miscelazione, fermentazione [2].
La fluidodinamica è fondamentale per la previsione degli scambi di calore e di massa e quindi per la progettazione ottimale di processi industriali [3]. Questa tecnica si basa su metodi di analisi numerica in grado di prevedere il meccanismo di trasferimento del calore che governa il dominio geometrico di interesse, sia esso bidimensionale o tridimensionale.
Di conseguenza, è un ottimo strumento per comprendere i fenomeni di trasferimento di calore in regime transitorio che si verificano ad esempio all’interno di una lattina oppure all’interno di uno scambiatore di calore.
La modellazione dello scambio termico in regime transitorio: per gli alimenti in barattolo
Applicando l’analisi CFD al trattamento in barattolo o in vetro, è possibile trovare la zona di riscaldamento più lenta, il cosiddetto “cold spot”, che può essere utilizzata per calcolare il tempo di processo adeguato; inoltre è possibile osservare l’eterogeneità nel profilo di temperatura del prodotto durante il processo.
Negli ultimi anni sono state studiate varie tipologie di prodotti (piselli in scatola, ananas a fette, macedonia di frutta, asparagi in liquido di governo, etc,), modellate mediante CFD al fine di ottenere informazioni utili sulla penetrazione del calore, sull’influenza della geometria del contenitore e sulla sua posizione, verticale o orizzontale.
Un caso particolare è quello degli alimenti in barattolo contenenti agenti addensanti. L'amido è un ingrediente alimentare comune la cui funzione primaria è quella di addensare un liquido a seguito della sua gelatinizzazione come nel caso di zuppe, condimenti per insalata, sughi e salse.
La viscosità del liquido di governo è uno dei principali fattori che influenzano la velocità di riscaldamento negli alimenti a riscaldamento convettivo: maggiore è la viscosità del fluido, più questi resiste al movimento riducendo quindi la velocità di trasferimento del calore all’interno del contenitore.
A titolo di esempio, è stato osservato tramite simulazioni CFD che aumentando la concentrazione di amido nel liquido di governo dal 3% al 4%, si può avere una diminuzione della velocità di riscaldamento del prodotto di circa il 60 % [4, 5]. Questo accade perché si ha un drastico aumento della viscosità del fluido contenente l’amido; infatti a causa del rilascio di amilosio e del rigonfiamento dei granuli di amido il comportamento reologico del sistema subisce una transizione da fluido a semi-solido viscoelastico che influenza profondamente il trasferimento di calore durante il trattamento termico.
Successivamente, dopo che la dispersione dell’amido ha raggiunto la sua viscosità massima, i granuli iniziano a rompersi e la viscosità diminuisce con la temperatura. Di conseguenza, durante la sterilizzazione di molti alimenti con liquido di governo contenente amido si incontrano curve di riscaldamento non omogenee.
In altre parole, questa discontinuità di comportamento reologico potrebbe inficiare il trattamento termico stesso, rendendo il prodotto non sicuro sotto il profilo microbiologico [6, 7].
La modellazione dello scambio termico in regime stazionario: il trattamento in continuo in scambiatore
Lo scambio termico in regime stazionario è il tipico problema che si osserva negli scambiatori di calore. Quando uno scambiatore di calore è a regime, i profili termici all’interno delle diverse sezioni di scambio non varieranno al variare del tempo di esercizio.
Ciononostante, l’analisi CFD risulta fondamentale nel caso dei processi in continuo per stimare i profili del fluido alimentare (termici, di velocità, di pressione etc.) nelle varie sezioni dell’impianto. Inoltre, molte matrici fluide contenenti proteine, quando trattate termicamente, sono soggette a fenomeni termo-chimici di denaturazione e aggregazione.
Tali fenomeni possono essere considerati negativi quando non voluti e non controllati, ma in alcuni casi possono essere l’obiettivo del processo termico, per creare nuove textures e strutture grazie agli effetti del trattamento termico [9]. È il caso, ad esempio, delle proteine del siero di latte, che quando trattate termicamente si denaturano, si aggregano e creano un network proteico tipico di un gel. Esempio di tali fenomeni sono la ricotta o le siero proteine microparticolato texturizzate.
Lo studio dei fenomeni di aggregazione termica delle proteine, utilizzando l’analisi CFD, permette di stimare la variazione dei profili di flusso, della viscosità, della temperatura e della pressione al variare del carico termico applicato al prodotto [8].
L’analisi CFD applicata in questo ambito permette inoltre una conoscenza puntuale e simultanea, in termini di spazio e di tempo, di tutti i parametri oggetto di studio, senza la necessità di prove sperimentali che, se fatte su scala industriale, possono risultare molto onerose.
Conclusioni
Durante le normali e “tradizionali” sperimentazioni fatte per valutare le prestazioni dei trattamenti termici sia sul processo che sul prodotto, la misurazione sperimentale dei parametri quali viscosità, flussi, etc., risulta difficoltosa e talvolta poco precisa a causa della bassa ampiezza dei valori e del rischio di disturbare il campo temperatura-velocità inserendo una sonda all’interno del sistema alimentare.
Inoltre, la zona di riscaldamento più lenta non è fissata in una posizione, specialmente nei sistemi in cui la modalità di scambio termico cambia durante il trattamento termico.
Per questi motivi, l’approccio di modellazione matematica mediante CFD è ampiamente applicato per prevedere i profili di temperatura nei trattamenti termici sia dei prodotti confezionati che dei processi in continuo. Il tutto per garantire una maggiore sicurezza igienico-sanitaria, qualità organolettica e nutrizionale degli alimenti che consumiamo.
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1 – Weng, Z.J. (2005). Thermal processing of canned foods. In: Sun, Da-Wen (Ed.), Thermal Food Processing-New Technologies and Quality Issues – Chapter 11. Boca Raton: CRC-Taylor and Francis.
2 – Sun, D.W. (2007). Computational fluid dynamics in food processing. Boca Raton: CRC.
3 – Xia, B., & Sun, D.W. (2002). Review: applications of computational fluid dynamics (CFD) in the food industry. Computers and Electronics in Agriculture, 34, 5-24.
4 – Singh, A., Singh, A.P., & Ramaswamy, H.S., (2015). Computational techniques used in heat transfer studies on canned liquid-particulate mixtures – A review. Trends in Food Science & Technology, 43, 83-103.
5 – Rinaldi, M., Malavasi, M., Cordioli, M., & Barbanti, D. (2018). Investigation of influence of container geometry and starch concentration on thermal treated in-package food models by means of Computational Fluid Dynamics (CFD). Food and Bioproducts Processing, 108, 1-11.
6 – Cordioli, M., Rinaldi, M., Copelli, G., Casoli, P., & Barbanti, D., (2015). Computational fluid dynamics (CFD) modelling and experimental validation of thermal processing of canned fruit salad in glass jar. Journal of Food Engineering, 150, 62–69.
7 – Cordioli, M., Rinaldi, M., & Barbanti, D. (2016). Investigation and modelling of natural convection and conduction heat exchange: study on food systems with modified starch by means of computational fluid dynamics. International Journal of Food Science & Technology, 51(4), 854–864.
8 – Cordioli M. (2013) Tesi di Laurea Magistrale in Scienze e Tecnologie Alimentari, Università di Parma.
9 – Rinaldi, M., Cordioli, M., Alinovi, M., Malavasi, M., Barbanti, D., & Mucchetti, G. (2018). Development and Validation of CFD Models of Thermal Treatment on Milk Whey Proteins Dispersion In Batch and Continuous Process Condition. International Journal of Food Engineering, 14(9–10).
Davide Barbanti
Davide Barbanti è professore associato di Tecnologie Alimentari. La sua attività di ricerca verte principalmente sul rapporto ed interazione tra tecnologie e qualità dei prodotti alimentari. Gestisce progetti di ricerca e sviluppo con varie realtà del settore alimentare e svolge attività di coordinamento scientifico in progetti con diversi paesi in via di sviluppo, sia in Sud America che in Africa. È autore o co-autore di circa 150 pubblicazioni tra riviste scientifiche, articoli divulgativi e libri.
Marcello Alinovi
Marcello Alinovi è borsista di ricerca presso il dipartimento degli Alimenti e del Farmaco e professore a contratto di conservazione degli alimenti presso il Dipartimento di Scienze Economiche e Aziendali dell’Università di Parma. La sua attività di ricerca verte su argomenti quali, la reologia e la fisica dei sistemi alimentari, la modellazione matematica dei processi alimentari, lo sviluppo di modelli chemiometrici applicati alla spettroscopia, le tecnologie e la scienza lattiero-casearia. È autore o co-autore di 20 pubblicazioni in riviste scientifiche e articoli divulgativi.
