TECNOLOGIE DI CONSERVAZIONE DEGLI ALIMENTI. Luciano NETTUNO - ASL Napoli 1 Centro - Servizi Veterinari

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1 TECNOLOGIE DI CONSERVAZIONE DEGLI ALIMENTI 5 Luciano NETTUNO - ASL Napoli 1 Centro - Servizi Veterinari

2 TECNOLOGIE DI CONSERVAZIONE DEGLI ALIMENTI

3 TRATTAMENTI IPERBARICI HHP Trattamenti tecnologici che prevedono l utilizzo di pressioni (P) superiori a quella ambiente in grado di causare modificazioni (struttura, attività, funzionalità) sui sistemi cellulari e sui suoi componenti macromolecolari

4 ALTE PRESSIONI IDROSTATICHE (pascalizzazione) HHP L uso delle alte pressioni idrostatiche rappresenta uno dei più moderni processi tecnologici applicati all industria conserviera. Impiegata da tempo nella produzione di ceramiche, acciaio e superleghe prima applicazione sul latte ad opera dello statunitense Hite 1924 applicazione nella lavorazione dei succhi di frutta 1991 primi prodotti stabilizzati con questa tecnica e commercializzati in Giappone

5 Si basano sul principio di Pascal una pressione esercitata su un liquido incomprimibile si distribuisce uniformemente in tutte le direzioni e con la medesima intensità in tutti i punti del liquido (pressione isostatica) e anche sulla superficie di un corpo (alimento) immerso in quel liquido

6 Al di là dei problemi tecnici legati alle macchine per produrre alte pressioni, l interesse delle industrie alimentari nei confronti di questa tecnologia è cresciuta in seguito alle esigenze del consumatore nei confronti di prodotti alimentari con: Ottime caratteristiche organolettiche e nutritive e sicuri dal punto di vista igienico-sanitario MINIMALLY PROCESSED FOOD Processi atermici

7 L unità di misura internazionale è il Pascal (Pa), ma a livello industriale si utilizzano milioni di Pa (MPa) 1 bar = 1 atm (0,9869 atm) = 1 kg/cm2 = 0,1 MPa 1 Mpa = 10 bar = quasi 10 atmosfere Nel settore industriale le pressioni idrostatiche sono dell ordine di MPa Camere di compressione (contenitore in metallo a pareti spesse per reggere alla forza impressa sul liquido da un generatore di pressione, rappresentato da un sistema di pompe a stantuffo) Cicli di compressione (5-15 ) Si possono trattare alimenti liquidi (direttamente) e solidi (all interno di confezioni sottovuoto)

8 Tecniche combinate alte pressioni idrostatiche e -temperatura (alta o bassa) -radiazioni ionizzanti -confezionamento in atmosfera protettiva -riscaldamento a microonde -ultrasuoni (manosonicazione) -ultrasuoni e temperatura (manotermosonicazione) -batteriocine

9 EFFETTO SUI LEGAMI CHIMICI Legami covalenti: resistenti Legami a ponte idrogeno:sensibili Legami a ponte disolfuro:sensibili Legami ionici:sensibili Quindi. Vitamine e piccole molecole: restano integri Proteine e carboidrati compl.: danno origine a peptidi, aminoacidi, zuccheri semplici e composti gelatinosi

10 EFFETTO DELLE HHP SULLE MOLECOLE ORGANICHE Le vitamine non vengono modificate I glucidi (esosi - oligosidi) non vengono intaccati; i polisaccaridi gelificano (aumento della digeribilità), Proprio per gli effetti ammorbidenti e gelatinizzanti questa tecnologia trova svariate applicazioni nel settore dell industria alimentare (succhi di frutta, marmellate, sughi, piatti precotti a base di carne, e pesci)

11 HHP Demolizione molecole grandi e complesse Formazione di prodotti derivati Variazione caratteri sensoriali (POS o NEG) Variazione della Consistenza

12 EFFETTO DELLE HHP SULLE MOLECOLE ORGANICHE: Gli effetti rispondono ai principio fisico di - LE CHATELIER- applicando una pressione ad un sistema in equilibrio, saranno favorite quelle reazioni che portano ad una riduzione di volume, per limitare al minimo indispensabile gli effetti della pressione e ostacolate quelle che portano ad un incremento di volume

13 EFFETTO DELLE HHP SULLE MOLECOLE ORGANICHE ENZIMI Reazioni di fermentazione ritardate Attivazione ed inattivazione di enzimi: -Pectinasi: attenzione all effetto protettivo di zuccheri, lipidi e proteine. -Proteasi: aumenta l attività con la pressione (combinate a basse temperature) -Polifenolossidasi: aumenta l attività con la pressione (Le polifenolossidasi risultano particolarmente resistenti per questo il trattamento viene riservato ad alimenti molto acidi o che vengono sottoposti a congelamento per evitare la formazione di colorazioni anomale.)

14 Effetto delle HHP sui microrganismi: Schiacciamento degli strati di membrana Deformazione della parete Denaturazione enzimi di membrana Denaturazione proteine e sistemi di enzimi citoplasmatici BLOCCO METABOLICO EFFETTO LETALE

15 DNA Mo = molto resistente alle HHP; Spore = più resistenti delle forme vegetative e possono essere indotte alla germinazione; quasi sempre esiste correlazione tra sensibilità alle alte pressioni e sensibilità alle alte temperature;

16 Per superare la resistenza delle spore: Si fanno susseguire più cicli di trattamento a pressione (con o senza intervento di alte temperature) Si stimola la germinazione con uno schoc termico a C prima del trattamento a pressione Non si conosce ancora il livello di trattamento a pressione che inattiva le spore di clostridium botulinum

17 Trattando un alimento a 400 Mpa a 70 C per 6 cicli successivi (ciascuno di 5 minuti) si riesce a distruggere le spore di Bacillus con la stessa efficacia di un tattamento unico a 600 Mpa per 1 ora. GLI EFFETTI SENSORIALI SONO MIGLIORI NEL PRIMO CASO

18 Tossine batteriche e micotossine Richiedono trattamenti piuttosto forti con HHP; La tox botulinica può essere inattivata parzialmente con dosi di 600 Mpa; Tra le micotossine, si sa che una dose di 500 Mpa per 1 ora a temperatura ambiente inattiva l 80% della dose iniziale di patulina;

19 Tra i vari microrganismi la sensibilità alle HHP è molto variabile; Generalmente, le spore (fungine e batteriche) sono più resistenti delle forme vegetative; Lieviti e muffe sono molto sensibili alle HHP ;

20 RESISTENZA DEI VIRUS alle HHP: Dati bibliografici indicano che trattamenti > a 400 MPa sono in grado di inattivare e/o eliminare la infettività di virus quali: HIV Influenzali Herpesvirus

21 APPLICAZIONI HHP Pastorizzazione HHP: è possibile ridurre la carica microbica di una matrice alimentare mediante l applicazione di blande HHP (<600 Mpa) Necessità refrigerazione durante la successiva conservazione Sterilizzazione HHP: necessita di estreme condizioni di processo (P>1000 Mpa, tempi lunghi) Possibile mediante la combinazione P/T (T= C; P= Mpa)

22 HHP: resistenza di microrganismi

23 Effetto sinergico di HHP e lacticin 3147 (una batteriocina) Effetto su L. innocua at 30 C, 30 min.

24 UHP e batteriocine Trattamenti combinati con HHP e batteriocine hanno un effetto sinergico sia sui microrganismi barosensibili che barotolleranti, le HHP rendono specie e ceppi altrimenti resistenti più sensibili alle batteriocine; il danno subletale causato da HHP aumenta l effetto delle batteriocine combinazioni di HHP e batteriocine possono essere usate per uccidere spore in germinazione

25 POSSIBILI APPLICAZIONI INDUSTRIALI DELLE ALTE PRESSIONI IDROSTATICHE applicazione Migliora la qualità dei prodotti a base di frutta Aumento della shelf-life e migliore qualità igienico sanitaria di prodotti a base di carne Effetti sulla tessitura e consistenza della carne fresca e prodotti derivati Gelatinizzazione degli amidi Intenerimento delle carni Miglioramento dei prodotti lattiero caseari Miglioramento della congelazione delle carni e del pesce Condizioni di processo MPa, 1-5 min, C 400MPa, 10 min, 50 C MPa, 30min MPa, min, C MPa, 4 min, 35 C (60min, 60 C) 450MPa, 15 min, 2-10 C 200MPa, -20 C, poi rapido ritorno a pressione normale e conservazione a -20 C Esempi e risultati Shelf-life di succhi di frutta e gelatine che supera 1 mese in refrigerazione Patè di fegato (durata 13gg in refrigerazione) Migliore aroma e consistenza di impasti di carne e di pesce (surimi) Aumenta la digeribilità degli amidi da parte delle alfa-amilasi umane Adatto per carni prima e dopo il rigor mortis Aumenta la conservabilità dei formaggi freschi Si formano cristalli di ghiaccio molto piccoli (migliore qualità del prodotto congelato)

26 Radiazioni ionizzanti

27 RADIAZIONI IONIZZANTI Agiscono in base al principio della dispersione di COMPTON : - + Un fotone collide con un atomo del materiale e vi trasferisce parte della propria energia atomico più esterno si stacca un elettrone e si forma uno ione dall orbitale

28 Interazione Radiazione materia Sul percorso della radiazione primaria si forma una scia (traccia track) di specie radiolitiche. es. nei prodotti ricchi di H2O.OH H2O+ (e-aq) elettroni acquati, H202,, ed elettroni secondari con energia capace di formare altri IONI

29 La radioattività Alcuni isotopi sono instabili a causa di un rapporto non equilibrato tra protoni e neutroni. Tali isotopi, chiamati radioisotopi, raggiungono la stabilità trasformandosi spontaneamente in un altro tipo di atomo con emissione di energia sotto forma di radiazione. Fenomeno chiamato RADIOATTIVITA

30 La presenza di radiazioni è dunque indice di trasformazioni che coinvolgono il nucleo di particolari isotopi di alcuni elementi. Le radiazioni sono il risultato di trasformazioni della materia in cui gli atomi non conservano più la loro identità. esempio: il CO 60 prodotto per bombardamento protonico del CO 59 decade a Ni 60 emmettendo 2 fotoni da 1,17 MeV e 1,33 MegaelettronVolt (MeV)

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32 Tipologia delle Radiazioni Radiazioni : corpuscoli di carica elettrica positiva, composti di 2 protoni e di 2 neutroni Il numero di massa diminuisce di 4 ed il numero atomico di U Th alfa Trasformazione dell Uranio in Torio

33 Radiazioni : Elettroni aventi velocità diverse da un elemento radioattivo ad un altro L origine delle particelle beta è stata accreditata alla trasformazione di un neutrone del nucleo in protone e in elettrone 3215 P 3216 S+1 beta- Trasformazione del fosforo radioattivo in zolfo

34 Radiazioni +: Radionuclidi artificiali che possono emettere cariche positive (positroni). Trasformazione di 1 protone in: 1 neutrone 1 positrone Mn 52 24Cr + +

35 Radiazioni : Sono radiazioni di natura elettromagnetica non hanno natura corpuscolare. Radiazioni il cui potere penetrante è di gran lunga maggiore delle altre radiazioni. Quando un nucleo a seguito dell emissione emissione di radiazioni e si porta in uno stato eccitato, nel ritornare allo stato fondamentale emette la radiazione Si ha così l assestamento del nuovo nucleo che comporta un abbassamento di energia potenziale nucleare.

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37 Radiazioni autorizzate per gli alienti Raggi gamma Raggi x Fasci di elettroni Radiazioni a brevissima lunghezza d onda ed altissima energia

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39 COBALTO 60 : Preferito per gli alimenti Facilmente disponibile Produce due tipi di raggi gamma ad alta penetrazione CESIO 137 : Emivita più lunga (30 anni) Può dare inquinamento per la sua idrosolubilità

40 Radiazioni da fasci di elettroni (non devono superare i 10 MeV) Corrente di elettroni ad alta energia, sparati da un cannone elettronico. Stessa tecnologia del tubo catodico nel televisore. Gli elettroni possono penetrare negli alimenti solo per pochi centimetri i prodotti da trattare devono essere esposti in strati sottili. Una sottile schermatura metallica è sufficiente ad impedire che gli elettroni fuoriescano dalla camera di trattamento. Non c'è presenza di materiale radioattivo.

41 RAGGI X (non devono superare i 5 MeV) Tecnologia, più recente, combina le proprietà delle due precedenti Raggi X ad alta energia possono essere prodotti se un fascio elettronico incide su un sottile foglio di metallo i i raggi X hanno poter di penetrazione in un alimento simile a raggi gamma quindi superiore ai fasci di elettroni. le sorgenti di raggi X possono essere accese e spente e non necessitano di materiale radioattivo.

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43 Unità di misura della dose di radiazione: GRAY 1 Gray equivale ad una dose di energia assorbita dall alimento pari a 1 Joule/kg ossia a 100 rad

44 L irragiamento degli alimenti non determina un aumento della loro temperatura (Pastorizzazione a freddo ) FAO e WHO ed il Codex alimentarius consigliano di non superare, per gli alimenti, un limite max di 10 kgy di radiazioni

45 Secondo alcuni studi: Non è necessario imporre un limite superiore di dose per le seguenti evidenze scientifiche: Dosi > a 10 kgy non compromettono i valori nutritivi; Assenza di rischi tossicologici; il processo è Self limiting : le dosi necessarie per la eliminazione del rischio biologico sono minori di quelle in grado di compromettere la qualità sensoriale;

46 Alcune finalità ed intervallo di dosi di R.I. dosi basse (< 1 kgy): Sterilizzazione di insetti e distruzione uova e larve Riduzione carica microbica di saprofiti (carni e pesci) Inibizione germogliazione tuberi e bulbi Induzione ritardo della maturazione di ortofrutticoli dosi medie (< 10 kgy): Riduzione di batteri e funghi contaminanti carni pollame e pesce freschi Distruzione patogeni in alimenti deperibili e in alimenti congelati Induzione ritardo della maturazione di ortofrutticoli dosi medie (>10 kgy): (ancora non consentite) Sterilizzazione alimenti a bassa acidità in confezioni ermetiche Riduzione o eliminazione di contaminanti virali

47 Per dosi fino a 10 kgy non è stata osservate particolari danni alle componenti nutrizionali (proteine, carboidrati o grassi) Tuttavia Le vitamine sono fortemente danneggiate

48 Prodotti radiolitici Prodotti di degradazione dell alimento in seguito a Trattamento con radiazioni ionizzanti Componente Proteine Amidi Zucchero Lipidi Acqua Prodotto Frammenti di peptidi, componenti solforati Gliceraldeide, diidrossiacetone, acido malico, formico e glicolico. Idrocarburi, esteri, ossido di carbonio, anidride carbonica ecc.. 2-DCB (2-dodecil-ciclo-butanone), (e-aq) elettroni acquati, H202, H2O+, OH

49 Effetto delle R.I. sui microrganismi Rotture (doppie) dei filamenti del DNA Danneggiamento delle membrane EFFETTO LETALE La sensibilità varia, ed è legata al genere ed alla specie di appartenenza

50 La sicurezza igienica degli alimenti trattati con radiazioni ionizzanti è del tutto simile a quella di alimenti sottoposti ad altri sistemi, convenzionali o innovativi, di condizionamento e conservazione

51 VANTAGGI DELL IMPIEGO DI R. I. : Consente il trattamento di alimenti già confezionati; Possono essere impiegate su prodotti già congelati; Anzi, il trattamento di congelati consente di utilizzare dosi più alte senza modifiche delle caratteristiche sensoriali; Le r.i. consentono, in taluni casi, di dissipare gli odori off- flavour ;

52 Nell U.E. : autorizzati 23 impianti (Belgio, Francia, Olanda, G.B., Italia, Germania, Spagna, Estonia, Repubblica Ceca, Bulgaria, Polonia, Romania Prodotti di o.a più irradiati:pollame, cosce di rana, gamberetti, albume d uovo; Paese membro maggiore utilizzatore: Olanda ========================================== Nei paesi terzi: autorizzati 10 impianti Nel mondo: più di 80 impianti pilota e commerciali distribuiti in ~40 paesi

53 NORMATIVA - D.L.vo n 94 del 30/1/ 2001 (recepimento Dir.1999/2/CE e DIR. 1999/3/ CE) Autorizzazione per l uso di sostanze radioattive ( art. 27, D.L.vo n 230/1995 ); Riconosc./registraz. Regg. CE 852 e 853 / 2004; Indicazione in etichetta, dicitura irradiato ; Lista positiva dei prodotti trattabili alla dose max 10 kgy; fino al completamento della lista gli stati membri possono continuare a produrre prodotti irradiati preautorizzati;

54 Vincoli igienico sanitari per l uso di R.I. non indurre radioattività nell alimento; Garantire eliminazione di patogeni, loro tossine e/o prodotti del loro metabolismo; Non privare l alimento delle sue proprietà nutritive; Non causare accumulo nell alimento, di composti di nuova formazione originati dalla radiolisi dell acqua, se questi possono avere effetti tossici, mutageni o neoplastici;

55 Salvo i ventilati effetti genotossici (in fase di approfondimento) del 2-DCB (2- dodecil-ciclo-butanone - derivato dalla radiolisi dell acido palmitico) i dati sin ora raccolti indicano che gli alimenti irradiati non sono pericolosi per il consumatore

56 SCREENING Conta diretta su filtro in epifluorescenza - conta in piastra DNA comet assay Luminescenza stimolata elettricamente LAL test/conta gram negativi METODI QUALITATIVI Pollo, maiale, manzo, camembert, avocado, papaia e mango Vari tipi di carni, semi, frutta secca, e spezie Erbe, spezie, molluschi e crostacei Carni di pollo

57 SCREENING Gascromatografia degli idrocarburi Gascromatografia/spettometria di massa dei 2-alchilciclobutanoni Risonanza di spin elettronico dell idrossiapatite Termoluminescenza Risonanza di spin elettronico della cellulosa METODI DI CONFERMA Pollo, maiale, manzo, camembert, avocado, papaia e mango Pollo, maiale e uova Pollo, manzo,trote,contenenti osso Erbe, spezie, gamberetti, patate, frutta e vegetali Mango papaia, uvetta essiccati

58 ALTRE TECNOLOGIE (atermiche) Applicazione di ultrasuoni; Campi elettrici o elettromagnetici pulsanti ad alta intensità; Impulsi luminosi ad alta intensità; In fase di messa a punto

59 PEF: campi elettrici pulsati Impulsi elettrici possono essere generati con circuiti composti da Una sorgente elettrica ad alto voltaggio Capacitori Interruttori ad alto voltaggio Una camera di trattamento Induttori e resistori per determinare la forma dell impulso

60 Sterilizzazione elettrica: CAMPI ELETTRICI PULSANTI AD ALTA INTENSITA (PEF) E = V : d E = intensità media del campo elettrico V = potenziale elettrico d = distanza tra gli elettrodi (piani o coassiali) prodotto = dielettrico Tecnologia e processo Generatore di impulsi ad alto voltaggio Camera di trattamento a flusso continuo (15-30 kv/cm per µ-ms) Confezionamento asettico Limitazioni: applicabile solo a prodotti liquidi ( particelle <<< d) efficace solo per cellule vegetative (membrana) non efficace per enzimi

61 PEF: circuiti e impulsi Onde con decadimento esponenziale, quadrate, bipolari, oscillanti. Le onde di tipo esponenziale sono le più facili da generare e quelle più facilmente applicabili a un vasto range di alimenti (succhi di arancia, latte, uova liquide). Quelle quadrate sono più efficienti da un punto di vista energetico ma richiedono circuiti più complessi. Quelle bipolari sono le più efficaci e quelle oscillanti sono quelle che a parità di consumo energetico determinano il danno maggiore alle membrane

62 Attrezzature PEF

63 PEF: campi elettrici pulsati Gli impulsi hanno una durata di micro o millisecondi e vengono generati caricando e scaricando degli elettrodi con un intensità di campo di kv/cm. Il tempo di processo viene calcolato sulla base del numero di impulsi moltiplicato per la loro durata. La letalità è proporzionale al tempo di residenza dell alimento nell impianto o alla durata del trattamento. La tecnologia è particolarmente interessante per alimenti liquidi che potrebbero essere danneggiati da trattamenti termici o per i quali si vuole mantenere un sapore e un aspetto più freschi. La tecnologia non ha ancora raggiunto applicazioni industriali perché i risultati sono solo parzialmente soddisfacenti.

64 Cinetiche di inattivazione con PEF LnS=be(E-Ec) be= costante di velocità del campo elettrico(cm/kv) E = intensità del campo (kv/cm) Ec = intensità estrapolata al 100% di sopravvivenza LnS=-btLn(t/tc) bt =costante di velocità (s-1) t =tempo di trattamento totale (tempo del singolo impulso moltiplicato il numero di impulsi) tc = tempo estrapolato al 100% di sopravvivenza S=k(n/tc) (E-Ec) k è una costante empirica

65 PEF: meccanismo di azione

66 PEF: dimensioni cellulari e forza critica del campo Il campo richiesto per il 99% di inattivazione è la critical field strength

67 PEF: permeabilizzazione di Lb. plantarum

68 PEF: forza del campo elettrico richiesta per il 99% di inattivazione 1. B. subtilis, vegetative cells 2. Lb. brevis 3. Lb. plantarum 4. L. monocytogenes 5. E. coli 6. E. coli (cont.) 7. S. senftenberg 8. Y. enterocolytica 9. S. cerevisiae 10. Potato tissue cells

69 Fattori che influenzano l effetto di trattamenti PEF Fattori di processo Forza del campo elettrico (kv/cm) Numero e durata degli impulsi Forma degli impulsi Temperatura iniziale Parametri relativi al prodotto Composizione Forza ionica aw conduttività

70 PEF: danno cellulare Notare la vacuolizzazione e la fuoriuscita di materiale cellulare causata dal trattamento

71 PEF e stress

72 Applicazioni PEF negli alimenti

73 PULSED ELECTRIC FIELD Tecnica di stabilizzazione che non modifica le caratteristiche organolettiche e nutrizionali dell alimento Utilizzata per risanare gli alimenti in superficie Tecnica utilizzata nel settore dell ingegneria genetica e delle biotecnologie (trasformazioni) in cui la vitalità dei mo non viene compromessa Aumentando la durata e l intensità del trattamento i danni indotti sui mo sono irreversibili (processo adatto alla stabilizzazione degli alimenti)

74 PULSED ELECTRIC FIELD Alimenti allo stato fluido Impulsi di durata variabile da pochi microsecondi ad alcuni millisecondi Alimenti non in diretto contatto con gli elettrodi Uso di membrane conduttrici ioniche ed immersione in soluzioni elettrolitiche UTILIZZATO PER: Succo di mela, latte e zuppa di piselli Riduzione di Ca, K, Mg e K Non disattivano le spore NECESSITA DI ABBINARE IL TRATTAMENTO CON LA REFRIGERAZIONE

75 PULSED ELECTRIC FIELD Durante il trattamento non si verifica nessun aumento di temperatura (non ci sono danni legati al calore) Alterazione della parete cellulare, denaturazione degli enzimi e formazione di pori (elettropori a livello della membrana cellulare) L efficacia del trattamento dipende da: caratteristica degli impulsi, substrato (ph, forza ionica e conducibilità elettrica), tipo di mo e caratteristiche delle camere di trattamento. Ottimi risultati a livello di impianti pilota Costi elevati

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