Applicazioni in campo alimentare

Corso di fisica generale con elementi
di fisica tecnica
Aniello (Daniele) Mennella
Dipartimento di Fisica
Secondo modulo – Parte seconda
(fondamenti dei fenomeni di trasporto del calore)
Lezione 5
Applicazioni nella conservazione degli
alimenti
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Sistemi tradizionali di conservazione
●
●
Pastorizzazione (trattamento termico a temperature medioalte per tempi relativamente brevi – decine di minuti a
temperature < 70°C fino a pochi secondi per temperature fino
a 85°C)
Sterilizzazione (trattamento termico ad alta temperatura, >
100 °C, per pochi secondi – es. trattamento UHT)
●
Surgelamento
●
Disidratazione
●
Salagione
●
Affumicamento
●
Marinatura
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Limiti dei sistemi tradizionali
●
●
Alterazione delle proprietà nutritive
Alterazione delle proprietà organolettiche
(profumo, sapore)
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Tecnologie emergenti
Tecnologie termiche
Tecnologie non termiche
●
Riscaldamento ohmico
●
Alte pressioni
●
Microonde
●
Campi elettrici pulsati
●
Radiofrequenza
●
Ultrasuoni
●
Induzione termica
●
Luce pulsata
●
Ultravioletti
●
Ozono
●
Plasma freddo
●
Radiazioni ionizzanti
●
CO2 a fase densa
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Tecnologie emergenti
Il riscaldamento
Ohmico
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Riscaldamento ohmico
●
Generatore di corrente
alternata
●
●
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La potenza dissipata termicamente per effetto
Joule, P, è data da:
dove I è la corrente e R la resistenza della
matrice alimentare
Matrice alimentare
Resistenza alimento
R
Nel trattamento mediante riscaldamento ohmico
una corrente alternata viene fatta scorrere
direttamente dentro l'alimento da trattare
●
Gli elettrodi sono a diretto contatto con
l'alimento. Possibile contaminazione per effetto
elettrolitico che può essere evitata utilizzando
alte frequenza (~ 25 kHz)
A basse frequenze (50 – 60 Hz) si può operare
sostituendo utilizzando elettrodi di acciaio
ricoperti di Platino o Carbonio
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Meccanismo
●
L'attività antimicrobica avviene per due
meccanismi
(1) Termico. La potenza dissipata per
effetto Joule riscalda la matrice
determinando l'azione antimicrobica
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Meccanismo
●

+
+

+


+
+


+
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
+
L'attività antimicrobica avviene per due
meccanismi
(2) Elettrostatico. Il campo elettrico indotto
produce la formazione di cariche
positive e negative sulla superficie dei
batteri
La forza di attrazione fra queste cariche
determina la rottura della membrana
con la formazione di pori
(elettroporazione)
Meccanismo attivo per basse frequenze
(50 – 60 Hz).
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Vantaggi rispetto a tratt. termici tradizionali
●
●
●
Possibilità di trattare fluidi viscosi o con presenza di solidi in
sospensione
Nel trattamento Ohmico fluido e solido si riscaldano con tempi
comparabili mentre nei trattamenti termici tradizionali il fluido si riscalda
molto prima dei solidi
Rapidità di trattamento → prodotti di più alta qualità con minor dispendio
di energia
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Fattori critici nel riscaldamento ohmico
●
●
●
Perché il trattamento ohmico sia efficace è necessario che vi sia un
passaggio di corrente elettrica. L'alimento deve, quindi, essere elettricamente
conduttivo, altrimenti il riscaldamento avverrà solo per conduzione o
convezione (riscaldamento tradizionale)
La potenza termica trasferita per effetto Joule è:
Questa relazione ci dice che i fattori critici sono sia la differenza di potenziale
applicata che la resistenza dell'alimento. A parità di differenza di potenziale
applicata si riscalderà più efficacemente un alimento più conduttivo di uno
con maggiore resistenza resistività
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Fattori critici nel riscaldamento ohmico
●
La resistenza dipende sia dalla resistività del materiale, ρ, dalla lunghezza,
ℓ, e dalla sezione A del contenitore. Ricordiamo che:
da cui vediamo che sono preferibili contenitori corti di sezione grande in
modo da minimizzare la resistenza finale
●
La resistenza va anche ottimizzata rispetto alla corrente massima che può
scorrere nell'impianto. Ricordiamo che, dalla legge di Ohm, si ha
per cui una resistenza troppo bassa può portare al raggiungimento della
corrente massima dell'impianto con conseguente possibilità di blocco dello
stesso
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Applicazioni del riscaldamento ohmico
●
●
●
●
Sterilizzazione e pastorizzazione: molto efficace e con
ampi margini di utilizzo
Cottura: poco efficace se sono presenti grasso, olio, acqua,
ghiaccio, aria
Scongelamento: generalmente poco efficace per lunghi
tempi di trattamento e possibilità di formazione di microorganismi sulla superficie
Blanching (scottatura): efficace nelle operazioni di
blanching di frutta e vegetali, rapidità di riscaldamento, poca
acqua utilizzata rispetto al metodo tradizionale (immersione
in acqua calda)
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Tecnologie emergenti
Luce pulsata
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Luce pulsata
●
0.01 nm
1 nm
100 nm
1 mm
1 cm
1m
1 km ●
Luce pulsata
Corrente
continua ad alta
tensione
Trattamento basato sull'invio di
impulsi luminosi ad alta intensità
per brevi periodi (100 ms)
sull'alimento da trattare
Gli impulsi coprono la parte visibile
e ultravioletta dello spettro
●
Impulsi elettrici
●
Lampada UV
Batteria di
condensatori in
parallelo
Aniello Mennella
Generata da una lampada UV
che converte impulsi elettrici
in impulsi luminosi
Gli impulsi elettrici sono
generati da una batteria di
condensatori in parallelo
alimentati ad alta tensione
che vengono caricati e
scaricati rapidamente
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Interazione degli alimenti con luce pulsata
●
E0
●
Quando l'onda luminosa di intensità E0 incide sul
materiale, una parte, r, viene riflessa mentre una
frazione, (1-r), penetra per uno spessore d
La legge con cui la radiazione penetra nel
materiale è detta di Lambert-Beer:
d
●
●
●
α rappresenta l'opacità del materiale. Più un materiale è opaco più la
radiazione penetrerà per uno spessore minore prima di venire
completamente assorbita.
Materiali molto opachi subiranno trattamento efficace solo per un piccolo
spessore, materiali molto trasparenti non subiranno modificazioni da parte
della radiazione.
È necessaria, quindi, un'ottimizzazione fra l'intensità del campo, l'opacità e la
profondità del trattamento che vogliamo ottenere
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Aumento di temperatura
●
L'energia trasmessa dall'onda luminosa all'alimento viene dissipata,
per lo più, come energia termica, causando un aumento di temperatura
dato da:
dove Eass è l'energia assorbita, A, ρ e cp sono la sezione, la densità e il
calore specifico dell'alimento, d la distanza di penetrazione dell'impulso
●
●
Il gradiente che si sviluppa fra l'esterno e l'interno della matrice
alimentare genera un trasferimento di calore per conduzione.
È necessario che il materiale abbia buone caratteristiche di conduzione
termica in modo da evitare un eccessivo riscaldamento della parte
superficiale senza un significativo trasferimento di energia termica
all'interno
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Effetto della luce pulsata sugli alimenti
●
●
●
●
Sono trattamenti efficaci per inattivare spore batteriche e cellule
vegetative di batteri, lieviti e funghi (muffe)
Il meccanismo non è ancora del tutto chiaro. Si pensa all'azione di tre
meccanismi
–
Effetto fotochimico, dovuto all'interazione con la parte UV dello
spettro
–
Effetto fototermico, dovuto all'innalzamento locale di temperatura
–
Effetto fotofisico, dovuto a modifiche di carattere fisico della
membrana cellulare causate da impulsi ad alta intensità
Sono stati dimostrati effetti su molti enzimi di frutta, verdura, carne,
pesce. In particolare la luce pulsata rende inattiva la polifenolossidasi
(PPO), l'enzima che causa l'imbrunimento dei cibi esposti all'aria
I pochi studi sugli effetti nutrizionali e sensoriali indicano che i
trattamenti di luce pulsata non alterano in modo significativo le
proprietà nutritive e organolettiche del cibo
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Tecnologie emergenti
Campi elettrici
pulsati
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Storia e principio di funzionamento
●
●
●
●
Aniello Mennella
Primi test di sanitizzazione di
alimenti mediante campi
elettrici risalgono alla fine del
secolo XIX
I primi studi sistematici
risalgono alla fine degli anni '60
che hanno mostrato
l'interazione fra i campi elettrici
pulsati e le membrane cellulari
L'effetto non è dovuto né a
riscaldamento né a elettrolisi
Fattori critici: intensità del
campo elettrico, durata
dell'impulso, grandezza e
forma dei micro-organismi
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Esempio di funzionamento
Resistore, R
Generatore di tensione, ΔV
Interruttore aperto
Condensatori in serie
Elettrodi
C0
C0
C0
alimento da trattare
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Esempio di funzionamento
Resistore, R
Generatore di tensione, ΔV
Interruttore chiuso
Condensatori in serie
C0
C0
C0
alimento da trattare
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Esempio di funzionamento
●
●
●
Impulso di campo elettrico
scaricato attraverso il materiale
Aniello Mennella
Un generatore di tensione viene
utilizzato per caricare una batteria di
condensatori in parallelo.
Un interruttore chiude la seconda parte
del circuito che collega i condensatori
alla camera di trattamento
L'alimento da trattare è a contatto con
due elettrodi sui quali la carica
scaricata dai condensatori si accumula
e genera un campo elettrico che si
scarica attraverso l'alimento (che sarà
caratterizzato da una certa
conducibilità)
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Riscaldamento dovuto al campo elettrico
●
Area, A
d
●
●
●
●
Aniello Mennella
La differenza di potenziale, ΔV, ai capi degli
elettrodi è data da ΔV = E d
La corrente che passa attraverso l'alimento è
data da I = ΔV A/ (ρ d), dove ρ è la resistività
dell'alimento e A la superficie degli elettrodi
La potenza dissipata per effetto Joule è data
da P = ΔV I = E2 d A / ρ
Per un impulso della durata τ si ha che
l'energia termica trasferita sarà
Q = P τ = E2 τ d A / ρ
L'aumento di temperatura associato al calore
Q sarà ΔT = Q / (m cp) = E2 τ d A / (ρ m cp) =
= E2 τ / (ρ ρv cp) dove m è la massa, cp il
calore specifico e ρv la densità dell'alimento
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Esempio: il latte
●
●
●
●
Aniello Mennella
Il latte intero è caratterizzato da resistività
ρ = 200 Ω cm, densità ρv = 1.030 g / cm3,
calore specifico cp = 0.92 cal/g°C
Se immaginiamo di applicare un campo
elettrico di 40 kV /cm otteniamo un
riscaldamento per effetto Joule di 1.81 °C/μs
Per tempi di trattamento superiori ai 30 μs si
hanno degli aumenti di temperatura non
trascurabili, per cui è necessario identificare
metodologie per ridurre il problema
Una possibilità è quella di implementare dei
sistemi a più camere in modo da effettuare
trattamenti multipli con stadi di
raffreddamento intermedi
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Tipi di impulsi – a decadimento esponenziale
●
●
Aniello Mennella
I sistemi a decadimento esponenziale sono di
facile realizzazione ma espongono l'alimento
al campo massimo per un breve periodo.
La restante parte dell'impulso genera
riscaldamento senza effetto battericida
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Tipi di impulsi – a onda quadra
●
●
Aniello Mennella
I sistemi a onda quadra sono
tecnologicamente più complessi ma
consentono di mantenere la massima
ampiezza del campo per un tempo maggiore
L'efficacia di questi sistemi dal punto di vista
del trattamento battericida è maggiore di
quelli a decadimento esponenziale
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Tipi di impulsi – bipolari
●
Nei sistemi bipolari o oscillatori l'efficacia è maggiore, probabilmente perché
l'alternanza delle cariche positive e negative sulla superficie delle cellule
batteriche aumenta il fenomeno dell'elettroporazione
Impulso a onda quadra
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Impulso a decadimento esponenziale
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Meccanismo di sterilizzazione
●
●
+ 
+
+
Un campo elettrico genera delle cariche
di segno opposto all'interno della cellula
causando una compressione a causa
dell'attrazione elettrostatica

+

La membrana cellulare ha una costante
dielettrica diversa rispetto all'interno e
all'esterno della cellula.

+

Aniello Mennella
+
●
Se il campo è poco intenso
la cellula rimane comunque
integra

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Meccanismo di sterilizzazione
●
●
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+

+
Aniello Mennella
+

La membrana cellulare ha una costante
dielettrica diversa rispetto all'interno e
all'esterno della cellula.
Un campo elettrico genera delle cariche
di segno opposto all'interno della cellula
causando una compressione a causa
dell'attrazione elettrostatica

Se il campo è poco intenso
+ 
la cellula rimane comunque
integra
+ 
+ 
+  Se il campo supera una certa
+ 
intensità allora si formano dei pori
+
●
●
sulla membrana che determinano
la fuoriuscita della parte interna e la
morte della cellula stessa
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