Maria Lisa CLODOVEO 1, Domenico LA NOTTE 2, Viviana DURANTE 1, Giuseppe GAMBACORTA 3

Transcript

1 2.18. TRATTAMENTO DELLA PASTA DI OLIVE CON UN METODO AD ULTRASUONI E INFLUENZA SULLA QUALITÀ DELL OLIO EXTRAVERGINE DI OLIVA OTTENUTO DA DUE DIFFERENTI CULTIVAR PUGLIESI (CORATINA E PARANZANA) HIGH-POWER ULTRASOUND IN OLIVE PASTE PRETREATMENT. EFFECT ON VIRGIN OLIVE OIL CHARACTERISTICS OF TWO APULIAN VARIETIES (CORATINA AND PARANZANA) Maria Lisa CLODOVEO 1, Domenico LA NOTTE 2, Viviana DURANTE 1, Giuseppe GAMBACORTA 3 1 DISAAT- Dipartimento di Scienze Agro-Ambientali e Territoriali Università degli Studi di Bari, Via Amendola 165/A, Bari. 2 Bioagromed: Istituto per la ricerca e le applicazioni biotecnologiche per la sicurezza e la valorizzazione dei prodotti tipici e di qualità Università di Foggia, via Napoli 25, Foggia, Italia. 3 Dipartimento di Biologia e Chimica Agro Forestale ed Ambientale Università, di Bari Aldo Moro, via Amendola 165/A, Bari, Italia Riassunto Il mercato delle macchine ed impianti per l estrazione dell olio vergine dalle olive richiede innovazioni che consentano di incrementare le rese e nel contempo di preservare la qualità dell olio presente nel frutto. Nel processo di estrazione dell'olio di oliva è noto che per estrarre un surplus di olio è necessario prolungare i tempi di gramolazione o, in alternativa, incrementare le temperature di processo. Tuttavia tale scelta tecnologica può compromettere la qualità del prodotto soprattutto se lo spazio di testa della gramola non è saturato con gas inerte: possono infatti innescarsi processi di ossidazione a carico degli acidi grassi insaturi con conseguente diminuzione nel contenuto di sostanze polifenoliche e riduzione delle caratteristiche organolettiche e salutistiche del prodotto. La gramola da un punto di vista impiantistico non è uno scambiatore termico efficiente a causa della limitata superficie di scambio tra fluido riscaldante e pasta di olive. Lo scopo di questo lavoro è mostrare i risultati ottenuti impiegando gli ultrasuoni in fase di gramolazione evidenziando gli effetti sulle caratteristiche dell'olio e sulle rese di estrazione. Gli ultrasuoni sono onde meccaniche sonore. L applicazione degli ultrasuoni alla pasta di olive determina effetti termici, meccanici, biologici, biochimici e di cavitazione. Le onde penetrando nei tessuti vegetali, cedono parte della loro energia sotto forma di calore (effetto termico). La forza esercitata dalle onde sonore sulle cellule vegetali determina fenomeni di vibrazione delle strutture cellulari che causano variazioni di pressione all interno dei compartimenti. Le variazioni di pressione prodotte alterano la permeabilità della membrana cellulare liberando così i lipidi contenuti all interno della cellula (effetto biologico e biochimico). Infine il passaggio di ultrasuoni attraverso i tessuti vegetali determina ciclicamente la formazione di onde depressorie e pressorie ad altissima velocità. Durante la prima fase di depressione si ha lo sviluppo di microbolle all interno della cellula, mentre durante la fase di compressione si ha l implosione delle microbolle. Questo fenomeno fisico è chiamato cavitazione e determina la rottura dei tessuti vegetali (effetto meccanico). Questo evento causa la rottura della membrana cellulare: il grasso contenuto nella cellula si libera dalle forze interne presenti nell oliva. L applicazione degli ultrasuoni sulla pasta di olive, impiegando drupe sia della cv. Coratina che della cv. Paranzana, ha dimostrato un effetto positivo sulla fase di gramolazione. I tempi di riscaldamento della pasta si riducono e possono essere estratti quantitativi maggiori di sostanze nutrizionali e funzionali, quali clorofille, carotenoidi e tocoferoli. 124

2 Parole chiave: olio vergine di oliva, gramolazione, ultrasuoni, qualità Abstract A large increase in the demand for high-quality virgin olive oil continuously stimulating the search for new technologies. In olive oil extraction process, is known that to extract greater oil amount longer kneading time at optimal temperature is needed or, alternatively, higher process temperature. However, both high temperature and longtime of malaxation goes in damage of oil quality, oxidation processes are enhanced and losses in sensory characteristics take place. The malaxer is a heat exchanger characterized by a low overall heat transfer coefficient. At industry scale, extra malaxation time is required to reach the optimal paste temperature, usually around minutes for 30 C. The aim of this work is to show the results obtained from experiments carried out, at laboratory scale, applying high-power ultrasounds during the malaxation step and its effect on oil characteristics. High-power ultrasound application on olive paste has shown a positive effect on length of malaxation step. It provides a quick-heating of olive paste without alteration of olive oil composition. Two main mechanisms are involved in the ultrasonic treatment on olives and on olive paste: a thermal effect and a mechanical effect. The thermal effect was due to the attenuation characteristics of the medium. The mechanical effect is due to cavitation or particulate streaming which cause violent movement of the particles of the medium. Sound waves, which have frequencies higher than 20 khz, are mechanical vibrations in a solid, liquid and gas. Unlike electromagnetic waves, sound waves must travel in a matter and they involve expansion and compression cycles during travel in the medium. Expansion pulls molecules apart and compression pushes them together. The expansion can create bubbles in a liquid and produce negative pressure. The bubbles form, grow and finally collapse. Close to a solid boundary, cavity collapse is asymmetric and produces high-speed jets of liquid that have strong impact on the solid surface and can disrupt biological cell walls. The mechanical effect of ultrasounds promotes the release of soluble compounds from the plant body by disrupting cell walls and improves mass transfer also in the olive tissues. The ultrasound technology provides a reduction of malaxing time improving extractability of oil and its antioxidant content both of Coratina and Paranzana variety. Keywords: virgin olive oil, malaxing, ultrasound, quality Introduzione Il settore dell olio di oliva è una realtà molto importante nel comparto agroalimentare italiano. I tre quarti della produzione nazionale si concentra nelle regioni meridionali quali Puglia, Calabria, Sicilia e Campania. La produzione nazionale è in genere di qualità medio-alta e la sua risonanza in termini di immagine a livello internazionale è molto forte. Tuttavia negli ultimi anni il prezzo dell olio d oliva è notevolmente diminuito: analizzando gli andamenti produttivi degli ultimi 5 anni si rileva un incremento medio della produzione mondiale del 18% per anno. Tale incremento è stato determinato dalla razionalizzazione produttiva nei tradizionali paesi della UE (Spagna, Italia, Grecia), dall intensificarsi delle esportazioni di paesi terzi (Tunisia, Turchia) e dall emersione di nuovi paesi produttori (Argentina, Australia e Sud). Questo fenomeno ha generato un surplus produttivo. Tale surplus ha condizionato i mercati continuamente al ribasso al di là di ogni considerazione sul valore intrinseco del prodotto e della qualità. Per uscire dalla crisi l olivicoltura italiana deve orientarsi verso produzioni di alta gamma che soddisfino le aspettative del consumatore offrendo un prodotto 125

3 di qualità che si distingua per le caratteristiche organolettiche e salutistiche. In quest ottica nasce l'idea di individuare nuove strategie tecnologiche mirate ad incrementare la quantità e la qualità degli oli vergini. Gli ultrasuoni sono già stati applicati con successo su altre matrici alimentari. Il loro impiego si è dimostrato efficace nella disintegrazione delle cellule, nei processi di estrazione di biomolecole, nell attivazione o accelerazione di reazioni enzimatiche, nelle operazioni di miscelazione, omogeneizzazione, dispersione di polveri in liquidi. Gli ultrasuoni favoriscono inoltre il degassamento di soluzioni, la disattivazione di enzimi e l inattivazione microbica. Il mercato delle macchine ed impianti per l industria alimentare è un settore dinamico ed investe energia nello sviluppo di innovazioni impiantistiche in grado di semplificare i processi di trasformazione [1]. La sfida attuale riguarda la fase di gramolazione. Questa fase consiste in un lento rimescolamento della pasta di olive a temperature controllate per tempi che oscillano dai 45 ai 60 minuti a seconda delle caratteristiche della materia prima. Lo scopo della gramolazione è quello di favorire la coalescenza delle minuscole goccioline di olio, liberate dai tessuti vegetali durante la frangitura, in gocce di dimensioni superiori più facilmente separabili durante la successiva fase di centrifugazione [2; 3; 4]. Questa operazione avviene in batch ed è l unico punto di discontinuità all interno di un processo continuo. Per incrementare la capacità lavorativa dell impianto, e per consentire alle macchine poste a monte ed a valle della gramola di lavorare in modo continuo, si collocano diverse gramole in parallelo con un aggravio di un investimento impiantistico che si ripercuote sui costi di produzione [5]. Per determinare se il trattamento di sonicazione può ridurre il tempo di gramolazione e migliorare la qualità complessiva del VOO risultante, sono state eseguite prove sperimentali applicando il trattamento di sonicazione [6] alla pasta di olive prima della gramolazione. I risultati di questa ricerca possono portare a significativi progressi tecnologici nella produzione di olio vergine di oliva. Materiali e metodi Materiale vegetale - Olive delle varietà Coratina e Paranzana sono state raccolte in un uliveto nei pressi di Bari (Puglia-Italia) nella stagione 2011/2012. Le drupe sono state raccolte in modo casuale e in fase di maturazione ottimale. La raccolta è stata fatta a mano, utilizzando rastrelli. Le olive sono state messe in contenitori fenestrati da 30 kg e subito trasportate all impianto pilota [7]. La figura 1 mostra il diagramma di flusso del piano sperimentale. Apparato ad ultrasuoni - Elmasonic S60H: Frequenza - 35 khz; volume - 4,25 l; dimensioni - 240x137x150 mm potenza W. Analisi chimiche - La determinazione dell acidità, dei perossidi e dei coefficienti di assorbimento specifico nell UV (K 270 e K 232 ) sono state effettuate secondo i metodi analitici descritti nel regolamento EEC/2568/91 e successive modifiche ed integrazioni [8; 9]. I contenuti di carotenoidi e di clorofilla sono stati determinati colorimetricamente secondo il metodo di Minguez et al. (1991) [10]. Il contenuto di fenoli totali è stato valutato seguendo la procedura riportata da Montedoro et al. [11]. Il contenuto fenolico totale è stato espresso come mg di equivalenti di acido gallico per kg di olio. I tocoferoli sono stati determinati mediante HPLC secondo il metodo riportato da Psomiadou e altri (2000) [12].,Gli esperimenti sono stati eseguiti in triplicato e i risultati sono stati espressi come media ± SD (deviazione standard). L'analisi statistica è stata effettuata utilizzando il software Microsoft Excel. Differenze significative tra i trattamenti sono stati determinati usando l ANOVA ad una via seguita da'' t-test''. 126

4 Risultati e discussione La Figura 2 mostra i profili di temperatura della pasta di olive (Paranzana) sottoposta prima a trattamento di sonicazione per diversi intervalli di tempo e successivamente gramolata. I tempi di gramolazione sono stati standardizzati in tutte le prove misurando esattamente 30 minuti a patire dal momento in cui la pasta ha raggiunto i 30 C. Dall analisi dei risultati si evince che la temperatura della pasta di olive aumenta all aumentare del tempo di sonicazione. Nel campione non trattato (A) la temperatura della pasta di olive misurata dopo frantumazione era di circa 21 C (±0,5). La temperatura della pasta di olive dopo il trattamento di sonicazione era di circa 23 C (± 0,5), 25,5 C (± 0,5 ), 27 C (± 0,5), 29 C (± 0,5) e 30 C (± 0,5) utilizzando 2 (B), 4 (C), 6 (D), 8 (E) e 10 (F) minuti di sonicazione, rispettivamente. I profili di temperatura ottenuti con la cultivar Coratina hanno un andamento simile. Tutti i campioni estratti erano classificabili come oli extra vergine di oliva. Nessuna differenza significativa era attribuibile al trattamento ad ultrasuoni. In generale, carotenoidi, clorofille e tocoferoli aumentano all aumentare del tempo di sonicazione (Fig. 3a, 3b e 3d). La cultivar Coratina mostrava un contenuto in clorofille superiore alla Paranzana in quanto le olive avevano un grado di invaiatura inferiore; al contrario il contenuto in carotenoidi risultava superiore nella cultivar Paranzana. I polifenoli, invece, diminuivano all aumentare del tempo di sonicazione in entrambe le varietà considerate. Questo effetto era probabilmente dovuto all'azione dell'ossigeno, infatti tale gas agisce sia come cofattore in molte reazioni enzimatiche, sia come promotore di ossidazioni non enzimatiche, e la sua attività ossidativa aumenta all aumentare della temperatura. Conclusioni L applicazione degli ultrasuoni può migliorare il processo di gramolazione in quanto comporta il riscaldamento della pasta di olive, effetto utile a contrarre i tempi morti della gramolazione. Infatti circa il 30% del tempo totale di gramolazione è impiegato per portare la pasta di olive dalla temperatura ambiente di C alla temperatura di processo di C. L incremento della temperatura si traduce in una riduzione della viscosità della pasta di olive. Sul piano impiantistico la viscosità della pasta rappresenta un termine chiave dell efficienza del processo di separazione centrifuga della fase oleosa. Infatti, dopo la gramolazione, l olio viene separato dalla sansa e dalle acque di vegetazione per mezzo del decanter. Il processo di separazione si basa sulla legge di Stokes dalla quale si evince che la velocità di sedimentazione di una particella sottoposta ad una forza centrifuga è inversamente proporzionale alla viscosità del fluido. Pertanto al diminuire del valore di viscosità aumenta la velocità di sedimentazione e quindi l efficienza del processo di estrazione centrifuga dell olio dalle paste di oliva. Attraverso l applicazione di questa tecnologia innovativa si può ottenere una riduzione dei tempi di gramolazione e di conseguenza dei costi di investimento. Inoltre, l applicazione degli ultrasuoni sulla pasta di olive, impiegando olive sia della cv. Coratina che della cv. Paranzana, ha dimostrato un effetto positivo sulla qualità degli oli estratti: l azione meccanica degli ultrasuoni determina quantitativi maggiori di sostanze nutrizionali e funzionali, quali clorofille, carotenoidi e tocoferoli rispetto al metodo tradizionale. Bibliografia [1] AMIRANTE P., CLODOVEO M.L., DUGO G., LEONE A., TAMBORRINO A., Advance technology in virgin olive oil production from traditional and de-stoned pastes: influence of the introduction of a heat exchanger on oil quality. Food Chemistry, 98:

5 [2] AMIRANTE R., CATALANO P., Fluid dynamic analysis of the solid-liquid separation process by centrifugation. Journal of Agricultural Engineering Research, 77 (2): [3] AMIRANTE R., CINI E., MONTEL G.L., PASQUALONE A., Influence of mixing and extraction parameters on virgin olive oil quality. Grasas Aceites, 52: [4] AMIRANTE P., CLODOVEO M.L., LEONE A., TAMBORRINO A., Influence of different centrifugal extraction systems on antioxidant content and stability of virgin olive oil. In: PREEDY V. R. and WATSON R. R. (a cura di). Olives and olive oil in health and disease prevention. Oxford: Academic Press: [5] CLODOVEO M.L., Malaxation: Influence on virgin olive oil quality. Past, present and future - An overview. Trends in Food Science & Technology, 25(1): [6] FENG H., BARBOSA-CANOVAS G., WEISS J. (a cura di) Ultrasound Technologies for Food and Bioprocessing, Springer, Food Engineering Series. [7] CLODOVEO M.L., DELCURATOLO D., GOMES T., COLELLI G., Effect of different temperatures and storage atmospheres on Coratina olive oil quality, Food Chemistry, 102(3): [8] EU REGULATION Off J Eur Com, L248: [9] EU REGULATION Off J Eur Com, L295: [10] AMIRANTE P., CLODOVEO M.L., TAMBORRINO A., LEONE A., Influence of the crushing system: phenol content in virgin olive oil produced from whole and destoned pastes. In: PREEDY V. R. and WATSON R. R. (a cura di). Olives and olive oil in health and disease prevention. Oxford: Academic Press, 2010: [11] O'BRIEN W.D. jr, Ultrasound-biophysics mechanisms. Progress in Biophysics and Molecular Biology, 93(1-3):

6 Fig. 1. Diagramma di flusso della prova sperimentale. Fig. 2. Profilo delle temperature della pasta di olive ottenuta impiegando la tecnologia tradizionale (A) e un trattamento ad ultrasuoni prima della gramolazione per tempi crescenti (B, C, D, E, F). 129

7 a b c d Fig. 3. Variazioni nel contenuto in Carotenoidi totali (mg/kg) (a), Clorofille (mg/kg) (b), Fenoli totali (mg/kg) (c) and Tocoferoli (mg/kg) (d) negli oli vergini di oliva ottenuti impiegando la tecnologia tradizionale (A) e un trattamento ad ultrasuoni prima della gramolazione per tempi crescenti (B, C, D, E, F). 130