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Aniello Anastasio » 4.Impiego del calore nella conservazione degli alimenti


La trasmissione del calore

Riguarda tutti quei processi fisici nei quali una certa quantità di energia termica è trasferita da un sistema all’altro, tali processi avvengono secondo i principi della termodinamica:

  • L’energia termica ceduta da un sistema deve essere uguale a quella ricevuta dall’altro;
  • Il calore passa dal corpo più caldo a quello più freddo.

Le modalità di scambio termico

Il trattamento mediante calore è il più efficace e comune metodo di distruzione di batteri patogeni. Gli alimenti possono essere trattati con il calore in modi differenti: per contatto con aria calda, vapore o acqua calda, olio caldo o una superficie riscaldata.

Il trasferimento di calore può avvenire per conduzione, convezione, irradiazione oppure fra fluidi in movimento con interposta una parete.

Fase di cottura di pancette in olio.

Fase di cottura di pancette in olio.


La conduzione

Il trasferimento per conduzione avviene tra corpi che vengono messi in contatto diretto. È causato dalla differenza di temperatura tra i due corpi che fa si che il corpo caldo ceda energia a quello freddo aumentandone la temperatura fino al raggiungimento dell’equilibrio termico (stessa temperatura).

LEGGE DI FOURIER

La quantità di calore trasmesso nell’unità di tempo è proporzionale alla superficie considerata ed alla differenza di temperatura esistente tra la sorgente di calore e la superficie che riceve il calore (gradiente termico). Tale quantità è inversamente proporzionale allo spessore del materiale che viene attraversato dal calore.

Schema della conduzione.

Schema della conduzione.


La convezione

Si ha quando uno dei due corpi interessati dallo scambio termico è un fluido (acqua, aria, ecc) e la trasmissione del calore può essere associata ad un trasferimento di materia. In un fluido a temperatura non uniforme per effetto combinato della differenza di temperatura e della velocità del fluido stesso si generano continui movimenti di particelle del fluido con conseguente miscelazione favorendo pertanto la trasmissione del calore dalle particelle più calde a quelle più fredde. Questo fenomeno prende il nome di convezione naturale. Quando invece i movimenti delle particelle del fluido sono imposti da cause meccaniche quali una pompa nel caso di una circolazione dell’acqua o semplicemente l’azione del vento il fenomeno prende il nome di convezione forzata.
All’interno di una tubazione si possono avere due tipi di correnti:

  1. Laminare.
  2. Turbolenta.
Schema della convezione.

Schema della convezione.


Scambio di calore tra fluidi in movimento con interposta una parete

Lo scambio termico può avvenire tra:

  • correnti semplici (uno dei fluidi è stagnante a T uniforme e costante in tutti i suoi punti);
  • correnti incrociate (fra le quali lo scambio termico avviene nel solo punto di incrocio);
  • correnti equiverse (fluidi in equicorrente): la superficie di separazione trasmette molto meno calore all’uscita che all’ingresso;
  • correnti inverse (fluidi in controcorrente): la quantità di calore trasmesso è pressappoco costante in tutte le parti dell’apparecchio.

Scambiatore di calore a piastre. Fonte: Del Bono G., Stefani A., Latte e derivati. Fonti produttive, sistemi di risanamento, controllo igienico-sanitario, qualità e legislazione, Edizioni Ets. 1997

Scambiatore di calore a piastre. Fonte: Del Bono G., Stefani A., Latte e derivati. Fonti produttive, sistemi di risanamento, controllo igienico-sanitario, qualità e legislazione, Edizioni Ets. 1997


Fattori che ottimizzano uno scambio termico

  • i fluidi devono essere in rapido movimento su entrambi i lati della superficie dello scambiatore di calore;
  • utilizzo del principio della controcorrente;
  • utilizzo della più alta differenza di temperatura possibile;
  • utilizzo del minor numero possibile di fluidi intermediari;
  • utilizzo pareti divisorie metalliche il più possibile sottili;
  • utilizzo di metalli buoni conduttori di calore.

L’irraggiamento

Il calore viene scambiato mediante emissione e conseguente assorbimento di radiazioni elettromagnetiche. Il calore scambiato in questo caso aumenta molto rapidamente con la differenza di temperatura. A differenza delle altre due modalità di scambio termico,l’irraggiamento non richiede la presenza di un mezzo perché vi sia trasmissione di energia.

La radiazione elettromagnetica che genera la trasmissione del calore è legata allo stato energetico degli atomi che la costituiscono. In questo caso il corpo caldo emette radiazioni elettromagnetiche che vengono assorbite dal corpo più freddo.

Schema dell’irraggiamento.

Schema dell'irraggiamento.


Effetti del trattamento termico

Tutti gli organismi hanno un intervallo di temperatura nel quale vivono e/o crescono. Molti batteri patogeni sono mesofili, il che significa che crescono in modo ottimale a temperature moderate, tra i 20 e i 45°C.

Riscaldando un alimento oltre la temperatura vitale per un tempo sufficientemente lungo, le cellule microbiche sono danneggiate e distrutte. Questo è dovuto, tra gli altri fattori, alla denaturazione dell’acido nucleico, delle proteine e degli enzimi.

ALTRI EFFETTI DEL TRATTAMENTO TERMICO:

  • Degradazione sostanze proteiche
    • (polipeptidi, peptoni, amminoacidi);
  • Idrolisi del tessuto connettivo
    • (collageno > gelatina);
  • Solubilizzazione dell’amido;
  • Iniziale scomposizione dei grassi;
  • Denaturazione di sostanze termolabili
    • (enzimi, vitamine, tossine).

Qualunque sia il meccanismo di trattamento con il calore, i parametri per garantire l’applicazione sicura di queste tecnologie sono gli stessi. Per comprendere meglio questo concetto, è necessario capire come si comportano i microrganismi durante un trattamento termico e alle differenti temperature.

La distruzione termica dei microrganismi

La distruzione dei microrganismi o delle spore ad opera del calore è regolata dalle due leggi di Bigelow che rappresentano la cinetica della distruzione termica dei microrganismi.

La velocità di riduzione della popolazione è proporzionale ad N (n° di microrganismi per Kg di prodotto).

L’equazione di Bigelow è espressa da una retta e fornisce la curva di sopravvivenza.

L'equazione di Bigelow è espressa da una retta e fornisce la curva di sopravvivenza.


Il valore D

D (Decimal Reduction Time ) = Tempo in minuti necessario per ottenere una riduzione decimale della popolazione microbica ad una data temperatura, cioè per ridurre il numero di germi al 10 % del valore iniziale.

Normalmente la temperatura di trattamento alla quale viene calcolato viene indicata a fianco di D.
Man mano che la temperatura aumenta, si riduce il tempo necessario per distruggere i microrganismi; quindi il valore D decresce.

Per trattamenti di sterilizzazione D è espresso come D121°C poiché questa è la temperatura di sterilizzazione in autoclave con 1 atm di sovrapressione ed il microrganismo termoresistente è rappresentato dalle spore di Cl.botulinum.

Fattori che influenzano la resistenza termica

I batteri psicrofili sono meno resistenti dei mesofili che lo sono meno dei termofili. I gram negativi sono meno resistenti dei gram positivi.

Le cellule vegetative sono relativamente sensibili al calore; esse saranno distrutte scaldando gli alimenti per pochi minuti o anche per secondi.
Listeria monocytogenes e Staphylococcus aureus sono, tra le forme vegetative di batteri, le più resistenti al calore. Ci sono differenze tra i microrganismi e tra le diverse forme o ceppi.

Le spore batteriche sono molto più resistenti delle forme vegetative, a causa della loro specifica struttura, della composizione e del basso tenore in acqua al loro interno.

L’età, lo stato di crescita, la composizione, i parametri chimico-fisici del mezzo (come pH ed acqua libera), influenzano la resistenza al calore. Per esempio, le cellule vegetative sono molto più resistenti nella fase stazionaria che nella fase di crescita logaritmica.

Fattori che influenzano la resistenza termica (segue)

Le cellule inoltre mostrano maggiore sensibilità se il pH è inferiore a 6 o superiore a 8.

Il grasso (bassa aw) aumenta la resistenza termica. Le spore batteriche sospese nell’olio sono molto più resistenti rispetto a quando si trovano in soluzione acquosa. L’effetto è stato anche dimostrato dalla maggiore resistenza della Salmonella senftenberg nel cioccolato al latte rispetto al latte scremato.

Nel cioccolato al latte, il valore D è stato misurato tra 6 e 8 ore, rispetto a solo pochi secondi nel latte scremato. Questo ha implicazioni per la pastorizzazione di prodotti ad alto contenuto di zucchero come i gelati.

Un basso tenore in aw aumenta la resistenza al calore. Questo significa che è molto più difficile distruggere microrganismi in un mezzo secco che in un mezzo umido.

La II equazione di Bigelow

Il valore D dipende però essenzialmente dalla temperatura.

Il tempo di riduzione decimale varia con la temperatura secondo un’equazione esponenziale.

II Equazione di BIGELOW: La seconda equazione di Bigelow consente di calcolare il D ad una certa temperatura conoscendo il D ad una temperatura di riferimento e z.

D1 e D2 = valori del tempo di riduzione per un microrganismo (spore) alle temperature T1 e T2.
Z = Incremento di Temperatura necessario per ottenere una riduzione decimale del valore di “D”. Ovviamente più la temperatura di trattamento è alta e più è veloce l’uccisione dei germi.

Il valore Z

Il valore Z rappresenta quell’aumento di temperatura che determina un’accelerazione di 10 volte della velocità di distruzione termica del microrganismo per cui il tempo di trattamento si riduce di 10 volte.

Tale valore viene espresso in °C. Per le spore è 10 °C. Per le forme vegetative è 5°C.

Azioni del trattamento termico

La stessa variazione di temperatura di 10°C non determina per la maggior parte delle reazioni chimiche (ad esempio degradazione di vitamine) che un raddoppio della velocità di reazione.
Poiché il principale obiettivo del trattamento termico è quello di distruggere i microrganismi ma non alterare il prodotto ai fini della qualità un trattamento termico è tanto migliore quanto più effettuato ad alte temperature per tempi brevi.
Principio che è alla base dei moderni trattamenti termici (HTST, UHT).


Il valore F

Se si prolunga il trattamento per un tempo sufficientemente lungo il valore della popolazione scende a 10-1,10-2 (cioè un microrganismo su 10Kg, su 100 Kg di prodotto) ma non diventa mai 0.
La sterilità assoluta non esiste.

L’importanza della popolazione di partenza è notevole: in un processo in cui si ha la riduzione di 12 ordini di grandezza del n° di microrganismi la popolazione finale è tanto più alta quanto è più alta è quella iniziale

Per sterilità commerciale si intendono le condizioni derivanti:

  • dall’applicazione di un trattamento termico che rende l’alimento libero da:
    • microrganismi capaci di riprodursi nell’alimento in condizioni di stoccaggio non refrigerato;
    • microrganismi (incluso spore) vitali significativi per la salute pubblica.
  • dal controllo combinato dell’aW e dell’applicazione del calore.

Per poter valutare l’effetto di differenti trattamenti termici è necessaria un’unità di misura.
Il valore F rappresenta un indice di letalità
; è il tempo in minuti, a 121 °C, necessario a determinare la distruzione di una popolazione microbica aventi un valore “Z” specifico. (ad esempio F 121°C = 4 indica che è necessario mantenere la temperatura a 121°C per 4 minuti).

Il valore “F0” è indicato quando le spore hanno un “Z = 10″ ed un “F 121″. Esprime il numero di minuti in cui, a 121,1°C viene raggiunto un effetto letale uguale alla somma degli effetti letali dell’intero processo di sterilizzazione.

Botulinum cook

Per determinare tale valore bisogna conoscere il valore “D 121″ della spora e le riduzioni decimali necessarie al trattamento.

F0 = D (Log a – Log b)
In cui a = concentrazione iniziale
b = concentrazione finale

Applicando D121 del Cl Botulinum= 0,21 minuti ed inserendolo nella formula avremo

F0= 0,21×12 (n° di riduzioni decimali)= 2,52 minuti a 121°C

C.botulinum è uno dei più resistenti patogeni sporigeni, ed è particolarmente legato all’industria delle conserve.

Normalmente per la stabilizzazione dei prodotti in scatola, per ottenere la sterilità commerciale, si fa riferimento al concetto Botulinum: 12-D; vale a dire che il trattamento termico applicato ad un prodotto in scatola deve produrre almeno 12 riduzioni decimali al n° di spore di Cl. Botulinum.
Tale valore è noto come Botulinum cook.

L’azienda pertanto dovrebbe, in funzione del tipo di produzione, essere già al corrente del valore di “D” e di “Z”. Questi valori numerici saranno inseriti nella formula da cui si ricaverà “F0″.

Botulinum cook (segue)

L’effetto sterilizzante target  “F0″ può essere modificato in funzione della tipologia del prodotto per salvaguardare le caratteristiche sensoriale del prodotto.

Poiché bisogna rapportare l’intensità del trattamento termico alle possibili alterazioni nel prodotto si considera accettabile un tasso di alterazione di una scatoletta ogni milione.
Ciò può essere ottenuto attraverso 5 riduzioni decimali di un microrganismo indicatore più termoresistente il Clostridium sporogenes che ha una valore D 121 =1 minuto quindi sostituendo questo valore nella formula avremo

F0= 1×5 (n° di riduzioni decimali)= 5 minuti a 121°C

Se applichiamo questo valore al D del Cl botulinum avremo un numero di riduzioni ampiamente in eccesso rispetto al botulinum cook.

Agendo sul pH, aw e temperatura di conservazione, si evita lo sviluppo di spore che sono sopravvissute al calore.

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