Applicazione di un viscosimetro on-line nell industria lattiero casearia: settore dello yogurt Gianluigi Maiocchi, Marco Antonini Il monitoraggio di tutte le fasi di produzione degli alimenti lattiero caseari, in particolare yogurt, rappresenta un aspetto fondamentale per il controllo dei parametri tecnologici quali ph, acidità, temperatura, tempi e viscosità, al fine di ottenere prodotti rispondenti agli standard qualitativi definiti. Attualmente, la maggior parte dei parametri viene controllata anche on line, mentre nel caso della viscosità è possibile effettuare la verifica unicamente sul prodotto finito dopo la fase di raffreddamento. La misurazione on line della viscosità permetterebbe di verificare e ottimizzare il processo di produzione e di ricercare il migliore set-up di tutti i parametri produttivi, con lo scopo di ottenere un prodotto con la migliore viscosità e consistenza. La collaborazione YOMO-CBC (Europe) Ltd nasce dall esigenza di testare nel campo lattiero caseario l utilizzo di un viscosimetro in grado di effettuare misurazioni on line. Questo strumento permette di misurare la viscosità dello yogurt durante il processo anziché, come normalmente avviene, sul prodotto finito a 4 C dopo 24 ore dalla produzione. La sperimentazione è stata condotta presso l impianto pilota della direzione centrale ricerche del gruppo YOMO, utilizzando il viscosimetro VISCOMATE FVM 80A (CBC Materials Co) messo a disposizione dalla CBC (Europe) Ltd. sede di Milano. Il centro pilota è dotato di un assetto impiantistico, produttivo e tecnologico flessibile ed è dimensionato in scala 1:10, rispetto a quello produttivo, per conseguire un ottima riproducibilità del processo su scala industriale (Fig. 1). Fig. 1 L impianto pilota. 3
Gianluigi Maiocchi, Marco Antonini Nella produzione di yogurt e latti fermentati, gli elementi essenziali ai fini della determinazione delle caratteristiche reologiche ed organolettiche dei prodotti sono: la tecnologia impiegata, l assetto impiantistico e la formulazione del prodotto. Tali elementi devono essere necessariamente ottimizzati e standardizzati al fine di migliorare in modo naturale la consistenza dello yogurt, di garantire un alta qualità del prodotto finito, di ridurre i costi di produzione, di mantenere il più possibile le caratteristiche reologiche, sensoriali e nutrizionali del prodotto originale lungo tutta la fase di produzione e per tutta la durata della vita commerciale. In particolare, per quanto riguarda uno yogurt/latte fermentato a coagulo liscio, una struttura omogenea ed una consistenza cremosa sono i requisiti essenziali che possono essere ottenuti con appropriate componenti impiantistiche e applicando condizioni ottimali di processo. Il processo di produzione è necessariamente complesso a causa dei numerosi fattori meccanici e dei parametri in gioco tra cui la velocità di rotazione del miscelatore all interno del tank di fermentazione, le pompe meccaniche utilizzate per il trasferimento dello yogurt/latte fermentato, l utilizzo di curve, valvole e restringimenti dei tubi, il passaggio attraverso mixer dinamici o statici e piastre di raffreddamento degli scambiatori, nonché la velocità con cui si realizza il raffreddamento. Lo studio, il controllo e la standardizzazione dei parametri operativi in gioco possono essere realizzati utilizzando un viscosimetro on line installabile in punti diversi dell impianto. Oltre ai parametri di processo, un altro elemento che influenza la viscosità dello yogurt è la formulazione del prodotto, che è legata alla composizione (materie prime, ingredienti e additivi aggiunti) e alle colture starter utilizzate per la fermentazione. Scopo delle prove In linea di massima è possibile individuare una serie di aspetti rilevanti da indagare sperimentalmente: Sperimentare l applicabilità on line del viscosimetro VISCOMATE FVM 80A nel settore lattiero caseario, in particolare su diverse tipologie di yogurt; Valutare la sensibilità dello strumento; Valutare i vantaggi tecnologici e produttivi derivanti dalla possibilità di poter disporre di una misurazione on line della viscosità; Disporre di risultati sperimentali statisticamente significativi, da utilizzare anche nel gruppo di lavoro incaricato di formulare nuove proposte nel settore della reologia dei latti fermentati. La sperimentazione è stata condotta sulle seguenti tipologie di prodotto a diverse temperature nell intervallo compreso tra 20 e 40 C: yogurt intero yogurt intero zuccherato yogurt magro 0,1% di grasso Le prove sono state effettuate su quantitativi di yogurt significativi ai fini della riproducibilità (maturatori di 300 litri). Prove sperimentali L apparecchio è stato testato nelle condi- 4
Viscosità on-line di yogurt zioni e con gli assetti impiantistici esistenti nel centro pilota, ed installato, con apposita flangia, ad una distanza di 50 cm dal dispositivo di lisciatura, al fine di evitare interferenze nella lettura dei parametri di processo. Le variabili considerate per testare il viscosimetro di processo sono: 1) il livello di apertura del dispositivo meccanico di lisciatura (controllo della contropressione esercitata sullo yogurt) 2) la portata della pompa volumetrica per lo yogurt 3) la temperatura del prodotto in un range compreso tra 20 C e 40 C. Variazione del grado di apertura del dispositivo meccanico di lisciatura del coagulo lattico Il livello di apertura del dispositivo meccanico di lisciatura è stato modificato dalla condizione tutto aperto, metà, fino a tutto chiuso, mantenendo costante la portata della pompa. Per ognuna delle condizioni si è registrato il valore indicato dal viscosimetro e si è prelevato un campione che è stato sottoposto all analisi della viscosità dopo sosta di 24 ore in cella frigorifera (metodo Brookfield 4 C - 30 ). Variazione progressiva del numero di giri della pompa volumetrica e quindi della portata La scelta appropriata e il dimensionamento della pompa sono di notevole importanza per determinare il corretto flusso dello yogurt attraverso i tubi. Una pompa di dimensioni troppo piccole lavorerebbe ad un numero di giri troppo elevato e viceversa una pompa di dimensioni elevate lavorerebbe in modo discontinuo determinando sul prodotto condizioni di stress disomogenee. Entrambe le condizioni provocano stress meccanico sul prodotto con perdita di viscosità e consistenza.tale inconveniente può essere minimizzato modificando la formulazione del prodotto, ma con conseguente aumento dei costi. Per ridurre gli effetti dello stress meccanico sul prodotto, è invece consigliabile operare ad un basso numero di giri di rotazione della pompa limitando il danneggiamento della struttura dello yogurt. Il flusso dello yogurt è stato aumentato, incrementando il numero di giri della pompa volumetrica, ma mantenendo costante il grado di apertura del dispositivo di lisciatura. Questa prova ha permesso di studiare la sensibilità dello strumento nei confronti della diminuzione progressiva della viscosità causata dallo stress meccanico indotto dalla pompa volumetrica. Raffreddamento dello yogurt in maturatore e misurazione on line della viscosità L esperienza ha dimostrato che la fase di miscelazione dello yogurt con puree di frutta o altri semilavorati, che in genere avviene a temperature inferiori a 30-35 C, gioca un ruolo fondamentale sulle caratteristiche reologiche del prodotto determinando perdite di viscosità pari al 20-30%. Lo yogurt è stato progressivamente raffreddato mediante acqua gelida, circolante nell intercapedine del maturatore di fermentazione, ed è stata misurata la viscosità in linea del prodotto, mantenendo costanti la portata della pompa e l a- 5
Gianluigi Maiocchi, Marco Antonini pertura del dispositivo di lisciatura. Queste prove hanno permesso di studiare la sensibilità dello strumento nei confronti della variazione di viscosità dovuta al processo di raffreddamento del prodotto prima del confezionamento. Espressione dei risultati Il viscosimetro VISCOMATE FVM 80A fornisce valori di viscosità in tempo reale ed espressi in mpa s. Sono state misurate viscosità comprese tra 12,8 e 41,5 mpa s. Il viscosimetro da laboratorio (metodo Brookfield) fornisce valori di viscosità espressi in cps (centipoise) misurati a 30 sul prodotto a 4 C. Sono state misurate viscosità comprese tra 3920 e 14600 cps. Risultati - dispositivo di lisciatura Riguardo la sensibilità dello strumento alla variazione del grado di apertura del dispositivo di lisciatura si è osservato una diminuzione dei valori di viscosità con l aumento del livello di contropressione al flusso dello yogurt. La progressiva chiusura del sistema meccanico di lisciatura determina un maggiore stress meccanico sul prodotto che fluisce nelle tubazioni. L attendibilità della misurazione è stata verificata mediante analisi della viscosità del prodotto a 4 C dopo 24 ore dalla produzione mediante metodo Brookfield misurato a 30. È stata rilevata una corrispondenza tra i valori di viscosità misurata on line e quelli misurati sul prodotto freddo (Fig. 2a e Fig. 2b). Risultati - pompa volumetrica Le prove effettuate su tutti i prodotti hanno evidenziato una buona sensibilità dello strumento ed hanno confermato che la viscosità diminuisce al crescere del numero di giri della pompa (Fig. 3). Risultati - temperatura Le prove effettuate su tutti i prodotti hanno evidenziato una buona sensibilità dello strumento che ha confermato l aumento della viscosità con la diminuzione progressiva della temperatura dello yogurt (Fig. 4). Fig. 2a 6
Viscosità on-line di yogurt Fig. 2b Fig. 3 Fig. 4 7
Gianluigi Maiocchi, Marco Antonini Conclusioni L utilizzo del viscosimetro on line, che fornisce valori di viscosità in tempo reale, consente di intervenire sui parametri di processo (temperatura, portata della pompa, dispositivo di lisciatura, ecc.), modificandoli e ottimizzandoli in modo tale da ottenere uno yogurt con coagulo lattico liscio e omogeneo, con buona consistenza e viscosità, ottenuto con le migliori prestazioni tecnologiche. Il viscosimetro VISCOMATE FVM 80 è risultato uno strumento preciso, affidabile e accurato nella misurazione della viscosità on line; consente di controllare il processo produttivo e di ottimizzare e standardizzare i parametri tecnologici; è di facile installazione e igienizzazione con i normali lavaggi e sanifiche in C.I.P. Si ritiene interessante l applicazione dello strumento a livello industriale in quanto consente l ottimizzazione dei parametri operativi nella fase di avviamento di ogni singola produzione; il controllo diretto dei dati in tempo reale con la possibilità di modifiche nel corso della produzione; una migliore standardizzazione del parametro viscosità per le diverse tipologie di yogurt; la possibilità di collegamento ad un personal computer per la registrazione e l archiviazione dei dati relativi a tutta la produzione. Gianluigi Maiocchi, Marco Antonini Ricerca e sviluppo Gruppo YOMO Strada Provinciale 30 20080 Pasturago di Vernate, Milano, Italia 8