Trattamenti termici ad alta temperatura

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1 Trattamenti termici ad alta temperatura Operazioni unitarie di conservazione di alimenti e bevande Obiettivi sicurezza accettabilità shelf life

2 Trattamenti termici ad alta temperatura Applicazione di una specifica storia termica di riscaldamento finalizzata all inattivazione di microrganismi (patogeni e alterativi; cellule vegetative e spore) e di enzimi, minimizzando la perdita di nutrienti e di proprietà sensoriali. Blanching Pastorizzazione Sterilizzazione commerciale

3 Trattamenti termici ad alta temperatura BLANCHING Obiettivi preservare la qualità di prodotti alimentari durante le fasi di lavorazione che precedono le operazioni di stabilizzazione e/o confezionamento. Principi inattivazione enzimatica; riduzione della popolazione microbica superficiale (microrganismi in forma vegetativa). Applicazioni effettuato principalmente per preservare il colore di frutta e verdura.

4 Trattamenti termici ad alta temperatura BLANCHING Il blanching si effettua prima dell essiccamento o del congelamento per prevenire che l attività enzimatica possa continuare anche a basse temperature o a bassa attività dell acqua. Nel caso dei prodotti inscatolati, il blanching consente di ridurre l attività enzimatica che potrebbe continuare tra le fasi di taglio e confezionamento e, anche, durante lo stesso trattamento termico portando così a un deterioramento della qualità.

5 Trattamenti termici ad alta temperatura BLANCHING Il blanching è condotto, generalmente, a pressione atmosferica, a temperature tra i 90 e i 95 C, per un tempo di circa 1 o 2 minuti.

6 Trattamenti termici ad alta temperatura BLANCHING

7 Trattamenti termici ad alta temperatura PASTORIZZAZIONE Obiettivi prolungare la shelf life di alcuni giorni o di poche settimane, dando luogo, in compenso, a lievi variazioni sia delle proprietà sensoriali che di quelle nutrizionali. Il prodotto, in generale, non è stabile se non è frigo-conservato. Principi eliminare tutti i patogeni (forma vegetativa) e i microrganismi che causano deterioramento; ridurre l attività enzimatica. Applicazioni trattamento termico di prodotti liquidi, di prodotti liquidi + prodotti solidi sospesi.

8 Trattamenti termici ad alta Alimenti acidi (ph 4.5): temperatura PASTORIZZAZIONE succhi di frutta inattivazione enzimatica birra riduzione di residui di fermentazione, lieviti, che provocano il deterioramento dell alimento stesso. Alimenti poco acidi (ph > 4.5): latte abbattimento di patogeni, Brucella abortus e Mycobacterium tubercolosis. uova abbattimento di patogeni, Salmonella seftenburg.

9 Trattamenti termici ad alta temperatura PASTORIZZAZIONE L operazione di pastorizzazione può essere realizzata in vari modi: Confezionamento e successivo trattamento termico, in continuo o in discontinuo. Trattamento termico e successivo confezionamento in asettico Per alimenti come latte, succhi di frutta o birra che sono trattati sfusi, si ricorre a processi HTST (high-temperature-short-time) che consentono di ridurre la perdita di nutrienti.

10 Trattamenti termici ad alta temperatura STERILIZZAZIONE Obiettivi ottenere prodotti con una shelf life lunga, superiore a sei mesi. Principi riduzione della carica microbica (sia in forma vegetativa che sporigena) e dell attività enzimatica. Applicazioni Conserve, baby food, latte

11 Trattamenti termici ad alta temperatura STERILIZZAZIONE Concetto di sterilità commerciale Dopo il processo di sterilizzazione la carica microbica totale per quanto bassa è sempre diversa da zero, ma comunque a un livello statisticamente insignificante e in condizioni sfavorevoli di crescita. La sterilità commerciale implica che c è una probabilità molto bassa di sopravvivenza di microrganismi dannosi per la salute umana.

12 Trattamenti termici ad alta temperatura STERILIZZAZIONE Alimenti molto acidi (ph3.7) trattamento termico basato sulla resistenza termica di microrganismi che provocano deterioramento. Alimenti poco acidi (ph>4.5) trattamento termico basato sulla resistenza termica del Clostridium botulinum. Alimenti mediamente acidi (3.7 ph 4.5) come alimenti acidi.

13 Trattamenti termici ad alta temperatura STERILIZZAZIONE I processi di sterilizzazione possono essere suddivisi in due categorie: a) Sterilizzazione in contenitore, utilizzata per quegli alimenti che vengono prima confezionati, tradizionalmente in contenitori metallici o bottiglie ma recentemente sempre più in buste di plastica di varie forme, e poi trattati termicamente. b) Sistemi che lavorano in flusso per trattamenti UHT (ultra high temperature) che precedono il confezionamento e utilizzano temperature intorno a 135 C mantenute per pochi secondi ( invece dei 121 C mantenuti per alcuni minuti). I trattamenti UHT hanno il vantaggio di ridurre i danni nutrizionali come la denaturazione di proteine e vitamine, che sono reazioni meno sensibili alla temperatura rispetto all abbattimento dei microrganismi sporigeni.

14 Trattamenti termici ad alta temperatura Cinetica di riduzione della popolazione microbica dn dt kn ln N N 0 kt log N N 0 k t log N N 0 t D Prof. Silvana Cavella 5 ottobre 2015

15 Trattamenti termici ad alta temperatura Tempo di riduzione decimale D = tempo di riduzione decimale, è il tempo necessario per ottenere una riduzione del 90% o di un ciclo log della popolazione microbica. Fissata la temperatura, microrganismi termicamente più resistenti presentano un valore più alto di D. D 121,1 C = D 0 D k

16 Trattamenti termici ad alta temperatura Curva di sopravvivenza N 0 log N T 3 T 2 T 1 T 1 T 2 tempo

17 Trattamenti termici ad alta temperatura Tempo di riduzione decimale log D1 T2 T1 D 2 z Costante di resistenza termica, z incremento di temperatura che determina una riduzione del 90% di D, valori più alti di z indicano una maggiore resistenza alla temperatura. Es. : Clostridium botulinum z=10 K

18 Trattamenti termici ad alta temperatura Curva di resistenza termica logd temperatura

19 Trattamenti termici ad alta Per descrivere la cinetica di morte dei microrganismi bisogna conoscere il tempo di riduzione decimale, a una temperatura, e la costante di resistenza termica. temperatura

20 Trattamenti termici ad alta temperatura Stima del tempo di riduzione decimale Esempio 1 Un campione di volume noto è mantenuto a temperatura costante e il numero di microrganismi è misurato ad intervalli fissati di tempo. Stimare il tempo di riduzione decimale dai dati sperimentali ottenuti, di seguito riportati: tempo (min) Numero di microrganismi

21 N Trattamenti termici ad alta temperatura Stima del tempo di riduzione decimale 2,5E+05 2,0E+05 1,5E+05 1,0E+05 5,0E+04 0,0E tempo

22 log(n) Trattamenti termici ad alta temperatura Stima del tempo di riduzione decimale 5,5 5 4,5 D=2.34min 4 3,5 3 y = -0,3698x + 5,5207 2, tempo

23 z F T Trattamenti termici ad alta temperatura Tempo di morte termica o letalità tempo di morte termica è il tempo richiesto per ottenere una determinata riduzione della popolazione di cellule o spore microbiche, a una specificata temperatura e per un determinato valore di z. Per la sterilità commerciale di prodotti poco acidi, ph > 4.5, si devono ottenere 12 riduzioni decimali del Clostridium botulinum (D 0 =0.25 min, z=10 C), pertanto: 10 F121,1 F min

24 Trattamenti termici ad alta temperatura Tempo di morte termica N D1 log N F D2 log N N F 0 log F1 T2 T1 F z 2

25 Trattamenti termici ad alta temperatura Probabilità di deterioramento Detto r il numero totale di confezioni e N 1 la carica microbica iniziale in ciascuna confezione, la probabilità di sopravvivenza di un microrganismo equivale alla probabilità di deterioramento di una confezione rispetto al numero totale di confezioni trattate, infatti: r N log 1 r N 1 r N 10 1 F D F D F D

26 Trattamenti termici ad alta temperatura Probabilità di deterioramento Esempio 2 Determinare la probabilità di deterioramento per un trattamento a cui corrisponde un F 0 =3 min. La carica microbica iniziale è pari a una spora per scatola, D 0 =0.25 min. r 1 log 1 r r La probabilità di deterioramento è di una scatola su trattate.

27 Trattamenti termici ad alta temperatura Metodo Generale Il Metodo Generale consente di confrontare differenti trattamenti rispetto ad un trattamento condotto a una temperatura di riferimento, T R. Nota la curva di penetrazione di calore nel punto freddo del prodotto, si calcola la letalità relativa definita come: LR F F Quindi si calcola la letalità, data da: L R T T T R T T R / z / z dt Prof. Silvana Cavella 6 ottobre 2015

28 Trattamenti termici ad alta temperatura Metodo Generale

29 Trattamenti termici ad alta temperatura Metodo Generale Se L=F 0 i due trattamenti sono equivalenti Se L<F 0 bisogna prolungare la sosta Se L>F 0 bisogna ridurre la sosta

30 Metodo Generale Esempio 3 La curva di penetrazione del calore durante il trattamento termico di piselli in scatola è la seguente: Tempo (min) Temperatura ( C) Determinare la letalità del trattamento. Tempo (min) Prof. Silvana Cavella 6 ottobre 2015 Temperatura ( C)

31 Tempo (min) Temperatura ( C) Temperatura Media ( C) L=2 2=4min Prof. Silvana Cavella 6 ottobre 2015

32 Esempio 4 In un impianto pilota un alimento liquido è sottoposto ad un trattamento termico HTST, con il quale si garantisce la sopravvivenza di un microrganismo. Da test di laboratorio è stato stabilito che per il microrganismo di riferimento D 121 =1.1 min e z=11 C. Prima del trattamento termico la carica microbica è pari a 10 5 /g, il prodotto è confezionato in scatole da 1000g. Si desidera realizzare un processo tale da garantire al massimo l alterazione di una confezione su La curva di penetrazione del calore è la seguente:

33 tempo (s) Temperatura ( C) Determinare se il trattamento termico è adeguato.

34 r N log F0 log F min 0 1 F D 0 0 Calcoliamo il valore di F 0, relativo alla curva di penetrazione di calore:

35 t (s) T ( C) Dt i (s) T i ( C) LR i L i (s) Σ=348.5

36 Per il processo desiderato F 0 =13.2 min, per cui la sosta deve essere estesa di ulteriori 7.19 min (a T=121 C). a T=140 C, si ha: Il tempo di sosta totale sarà: F 140 = ( )/11 =0.137 min 4+( )=12.08 s

37 Esempio 5 La seguente storia termica è stata registrata nel punto freddo di un prodotto inscatolato e trattato in un autoclave a 120 C: tempo (min) Temperatura ( C)

38 Stabilire dopo quanto tempo deve iniziare la fase di raffreddamento se per il processo è richiesta una letalità F 0 =10 min. Il contributo della fase di raffreddamento alla letalità totale può essere trascurato.

39 tempo (min) Temperatura ( C) Dt i (min) T m ( C) LR i L i (min)

40 T=121.1 C t sosta = =3.422 min T= 120 C t sosta = ( /10) = 4.4 min

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42 Metodo Matematico t B t 0. 42t p cut

43 Prof. Silvana Cavella 12 ottobre 2015

44 Metodo Matematico Procedura di Stumbo costruzione del grafico log(t M -T) / t stima di j h e f h ; g è riportato, in forma grafica o tabellare, in funzione di f h, U e j c ; U tempo di morte termica alla temperatura dell autoclave, per la letalità desiderata U F 10 R fattore di ritardo in raffreddamento (da calcolare sul profilo di temperatura in raffreddamento) j c T T w w T R T T ip T i M z Prof. Silvana Cavella 12 ottobre 2015

45 Metodo Matematico j H T T M M T T A i

46 Metodo Matematico

48 Metodo Matematico Esempio 6 La curva di penetrazione del calore durante il trattamento termico di un prodotto in scatola è la seguente: Tempo (min) Temperatura ( C)

49 Metodo Matematico La temperatura nell impianto raggiunge 115 C dopo 5 minuti per poi mantenersi costante. La fase di raffreddamento presenta un fattore di ritardo j C pari a 1.4. La costante di resistenza termica del microrganismo di riferimento è pari a 10K ed è richiesto una letalità di processo di 12 min. In base ai dati sperimentali sopra riportati, determinare la costante di velocità di riscaldamento, il fattore di ritardo termico in riscaldamento e il tempo totale di trattamento.

50 Metodo Matematico La prima fase prevede la determinazione della differenza di temperatura Tempo (min) T R -T ( C)

51 1 Metodo Matematico

52 Metodo Matematico Dal grafico si stimano f h e j h L intervallo di temperatura che determina la variazione di un ciclo logaritmico nella differenza di temperatura dà f h =46.5 min. j h

53 Metodo Matematico U /10 f h /U= min La differenza di temperatura finale g può essere letta sulla tabella; si noti che è necessaria un interpolazione g K

55 t B Metodo Matematico log 106min 0.294

56 Metodo Matematico Esempio 7 Un alimento liquido è confezionato in un barattolo di banda stagnata, 6 cm di diametro e 10 cm di altezza, e trattato termicamente in un autoclave, in cui è immesso vapore a 116 C. La curva di penetrazione del calore è la seguente: tempo (min) Temperatura ( C)

57 Metodo Matematico Nell autoclave si raggiungono condizioni di temperatura costante dopo 8.6min dall apertura della valvola di immissione del vapore. Determinare la differenza di temperatura iniziale, la differenza di temperatura pseudo iniziale, la costante di velocità di riscaldamento del calore e il fattore di ritardo termico.

58 Metodo Matematico tempo (min) Temperatura ( C)

59 Deficit temperatura ( C) Trattamenti termici ad alta temperatura Metodo Matematico 1,00 10,00 j h ,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 tempo (min)

60 Esercitazione Per la preparazione di carne in scatola il trattamento termico deve garantire un F 0 =6min. Sapendo che per il microrganismo di riferimento z=12 C e D 0 =2.45min, calcolare il tempo di un trattamento condotto a 137 C (per il quale si può trascurare la letalità in fase di riscaldamento e raffreddamento). Procedimento F 137 C si calcola dall eq. della curva di sterilizzazione. Soluzione log log F 137 F1 F 2 T 2 T z F min 1

61 Esercitazione In una azienda conserviera i pomodori pelati sono stabilizzati in autoclave a 115 C per 12 minuti. Il trattamento ha lo scopo di ridurre del 99,9999 % la popolazione di microrganismi mesofili che potrebbero causare la degradazione dei pelati durante la conservazione (D 0 =0.37min). Con gli stessi pomodori degli operai decidono di preparare delle conserve secondo la tecnologia tradizionale (T=100 C, F 100 C =120min). Determinare se i due trattamenti termici sono equivalenti. Procedimento Dall eq. della curva di sopravvivenza a 115 C si calcola D 115 C. Dall eq. della curva di resistenza termica si calcola z. Dall eq. della curva di sterilizzazione si calcola F 100 C, i due trattamenti saranno equivalenti solo se F 100 C =120min.

62 Esercitazione Soluzione Una riduzione della carica microbica del 99,9999 % equivale a realizzare 6 riduzioni decimali. N0 log N 12 6 D D 115C 115C F D 2min D 1 T2 T1 log D 2 z log 2 z z 8.19C

63 log log F F F 100C 1 2 Esercitazione T 2 T z F100 C min 1 Il trattamento tradizionale non è sufficiente.

64 Esercitazione Delle scatolette di carne contengono inizialmente 250 spore di botulino. Esse vengono trattate a 128 C per 7min. Verifiche di laboratorio dimostrano che 1 scatoletta ogni 100 risulta inquinata da 1 spora di C. botulinum (z=12 C). Il trattamento è insufficiente, quindi, si decide di modificare le condizioni operative in modo da arrivare a garantire una probabilità di inquinamento di almeno 10-6 Poiché si deve decidere se convenga mantenere inalterata la temperatura o il tempo di trattamento, calcolare la durata del trattamento a 128 C e la temperatura per realizzare il trattamento in 7 min. Procedimento Dall eq. della curva di sopravvivenza, nelle prime condizioni operative, si calcola D 128 C. Dall eq. della curva di sopravvivenza, imponendo N= 10-6 e T=128 C, si calcola il nuovo F 128 C. Dall eq. della curva di sopravvivenza, imponendo N= 10-6 e F=7min, si calcola la corrispondente temperatura.

65 Esercitazione Soluzione 1.59 min log log C C D D D F N N 13.35min log ' 128 ' C C F F C T T D D T T log 0.83min log 6

66 Esercitazione Si vuole sterilizzare del succo di carne (viscosità = 10 cp, densità = 1.05 g/cm 3 ) adoperando un impianto asettico il cui sostatore è costituito da un tubo di acciaio sanitario del diametro esterno di 1.5 e spessore Nel sostatore, T=138 C, si devono garantire 5 riduzioni decimali del microorganismo di riferimento(d 121 C = 1.2min, z=11 C). Sapendo che la portata volumetrica del succo di carne è pari a 115 L/min, calcolare la lunghezza del sostatore. Si vuole adoperare lo stesso impianto per trattare un succo concentrato (viscosità = 100 cp) che inizialmente contiene 100 spore/l del microrganismo di riferimento. Calcolare la probabilità di inquinamento nelle confezioni da 250 ml nell ipotesi che il trattamento del concentrato venga eseguito nelle stesse condizioni del succo a più bassa viscosità. Procedimento Determinare F 138 C. Determinare il regime di flusso nel sostatore (Re), quindi calcolare la velocità massima. Calcolare la lunghezza del sostatore.

67 F138 C log 6 11 F 0.17 min 138C

68 Esercitazione v v v max max m s L m

69 Esercitazione Prodotto più viscoso Re v v v max max m s 25.3 t 6. 37s 3.97

70 Esercitazione log D 138 D min r N log N 1 F D r log r 10 r C e la probabilità di avere una scatola deteriorata su 40 trattate

71 Esercitazione Il trattamento termico a cui vengono sottoposti alcuni prodotti a base di carne deve garantire 13 riduzioni decimali del microrganismo di riferimento (z=18 C; D 121 C =60s). Inoltre, il trattamento deve anche assicurare l avvenuta cottura del prodotto. Prove di laboratorio indicano che a 100 C il prodotto cuoce perfettamente in 96min e il suo Q 10 è pari a 2.4. Sulla base di tali informazioni calcolare la coppia tempo-temperatura corrispondente alle condizioni ottimali di trattamento.