Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica Aniello (Daniele) Mennella Dipartimento di Fisica Secondo modulo – Parte seconda (fondamenti dei fenomeni di trasporto del calore) Lezione 5 Applicazioni nella conservazione degli alimenti Aniello Mennella Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Sistemi tradizionali di conservazione ● ● Pastorizzazione (trattamento termico a temperature medioalte per tempi relativamente brevi – decine di minuti a temperature < 70°C fino a pochi secondi per temperature fino a 85°C) Sterilizzazione (trattamento termico ad alta temperatura, > 100 °C, per pochi secondi – es. trattamento UHT) ● Surgelamento ● Disidratazione ● Salagione ● Affumicamento ● Marinatura Aniello Mennella Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Limiti dei sistemi tradizionali ● ● Alterazione delle proprietà nutritive Alterazione delle proprietà organolettiche (profumo, sapore) Aniello Mennella Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Tecnologie emergenti Tecnologie termiche Tecnologie non termiche ● Riscaldamento ohmico ● Alte pressioni ● Microonde ● Campi elettrici pulsati ● Radiofrequenza ● Ultrasuoni ● Induzione termica ● Luce pulsata ● Ultravioletti ● Ozono ● Plasma freddo ● Radiazioni ionizzanti ● CO2 a fase densa Aniello Mennella Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Tecnologie emergenti Il riscaldamento Ohmico Aniello Mennella Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Riscaldamento ohmico ● Generatore di corrente alternata ● ● Aniello Mennella La potenza dissipata termicamente per effetto Joule, P, è data da: dove I è la corrente e R la resistenza della matrice alimentare Matrice alimentare Resistenza alimento R Nel trattamento mediante riscaldamento ohmico una corrente alternata viene fatta scorrere direttamente dentro l'alimento da trattare ● Gli elettrodi sono a diretto contatto con l'alimento. Possibile contaminazione per effetto elettrolitico che può essere evitata utilizzando alte frequenza (~ 25 kHz) A basse frequenze (50 – 60 Hz) si può operare sostituendo utilizzando elettrodi di acciaio ricoperti di Platino o Carbonio Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Meccanismo ● L'attività antimicrobica avviene per due meccanismi (1) Termico. La potenza dissipata per effetto Joule riscalda la matrice determinando l'azione antimicrobica Aniello Mennella Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Meccanismo ● + + + + + + Aniello Mennella + L'attività antimicrobica avviene per due meccanismi (2) Elettrostatico. Il campo elettrico indotto produce la formazione di cariche positive e negative sulla superficie dei batteri La forza di attrazione fra queste cariche determina la rottura della membrana con la formazione di pori (elettroporazione) Meccanismo attivo per basse frequenze (50 – 60 Hz). Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Vantaggi rispetto a tratt. termici tradizionali ● ● ● Possibilità di trattare fluidi viscosi o con presenza di solidi in sospensione Nel trattamento Ohmico fluido e solido si riscaldano con tempi comparabili mentre nei trattamenti termici tradizionali il fluido si riscalda molto prima dei solidi Rapidità di trattamento → prodotti di più alta qualità con minor dispendio di energia Aniello Mennella Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Fattori critici nel riscaldamento ohmico ● ● ● Perché il trattamento ohmico sia efficace è necessario che vi sia un passaggio di corrente elettrica. L'alimento deve, quindi, essere elettricamente conduttivo, altrimenti il riscaldamento avverrà solo per conduzione o convezione (riscaldamento tradizionale) La potenza termica trasferita per effetto Joule è: Questa relazione ci dice che i fattori critici sono sia la differenza di potenziale applicata che la resistenza dell'alimento. A parità di differenza di potenziale applicata si riscalderà più efficacemente un alimento più conduttivo di uno con maggiore resistenza resistività Aniello Mennella Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Fattori critici nel riscaldamento ohmico ● La resistenza dipende sia dalla resistività del materiale, ρ, dalla lunghezza, ℓ, e dalla sezione A del contenitore. Ricordiamo che: da cui vediamo che sono preferibili contenitori corti di sezione grande in modo da minimizzare la resistenza finale ● La resistenza va anche ottimizzata rispetto alla corrente massima che può scorrere nell'impianto. Ricordiamo che, dalla legge di Ohm, si ha per cui una resistenza troppo bassa può portare al raggiungimento della corrente massima dell'impianto con conseguente possibilità di blocco dello stesso Aniello Mennella Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Applicazioni del riscaldamento ohmico ● ● ● ● Sterilizzazione e pastorizzazione: molto efficace e con ampi margini di utilizzo Cottura: poco efficace se sono presenti grasso, olio, acqua, ghiaccio, aria Scongelamento: generalmente poco efficace per lunghi tempi di trattamento e possibilità di formazione di microorganismi sulla superficie Blanching (scottatura): efficace nelle operazioni di blanching di frutta e vegetali, rapidità di riscaldamento, poca acqua utilizzata rispetto al metodo tradizionale (immersione in acqua calda) Aniello Mennella Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Tecnologie emergenti Luce pulsata Aniello Mennella Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Luce pulsata ● 0.01 nm 1 nm 100 nm 1 mm 1 cm 1m 1 km ● Luce pulsata Corrente continua ad alta tensione Trattamento basato sull'invio di impulsi luminosi ad alta intensità per brevi periodi (100 ms) sull'alimento da trattare Gli impulsi coprono la parte visibile e ultravioletta dello spettro ● Impulsi elettrici ● Lampada UV Batteria di condensatori in parallelo Aniello Mennella Generata da una lampada UV che converte impulsi elettrici in impulsi luminosi Gli impulsi elettrici sono generati da una batteria di condensatori in parallelo alimentati ad alta tensione che vengono caricati e scaricati rapidamente Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Interazione degli alimenti con luce pulsata ● E0 ● Quando l'onda luminosa di intensità E0 incide sul materiale, una parte, r, viene riflessa mentre una frazione, (1-r), penetra per uno spessore d La legge con cui la radiazione penetra nel materiale è detta di Lambert-Beer: d ● ● ● α rappresenta l'opacità del materiale. Più un materiale è opaco più la radiazione penetrerà per uno spessore minore prima di venire completamente assorbita. Materiali molto opachi subiranno trattamento efficace solo per un piccolo spessore, materiali molto trasparenti non subiranno modificazioni da parte della radiazione. È necessaria, quindi, un'ottimizzazione fra l'intensità del campo, l'opacità e la profondità del trattamento che vogliamo ottenere Aniello Mennella Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Aumento di temperatura ● L'energia trasmessa dall'onda luminosa all'alimento viene dissipata, per lo più, come energia termica, causando un aumento di temperatura dato da: dove Eass è l'energia assorbita, A, ρ e cp sono la sezione, la densità e il calore specifico dell'alimento, d la distanza di penetrazione dell'impulso ● ● Il gradiente che si sviluppa fra l'esterno e l'interno della matrice alimentare genera un trasferimento di calore per conduzione. È necessario che il materiale abbia buone caratteristiche di conduzione termica in modo da evitare un eccessivo riscaldamento della parte superficiale senza un significativo trasferimento di energia termica all'interno Aniello Mennella Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Effetto della luce pulsata sugli alimenti ● ● ● ● Sono trattamenti efficaci per inattivare spore batteriche e cellule vegetative di batteri, lieviti e funghi (muffe) Il meccanismo non è ancora del tutto chiaro. Si pensa all'azione di tre meccanismi – Effetto fotochimico, dovuto all'interazione con la parte UV dello spettro – Effetto fototermico, dovuto all'innalzamento locale di temperatura – Effetto fotofisico, dovuto a modifiche di carattere fisico della membrana cellulare causate da impulsi ad alta intensità Sono stati dimostrati effetti su molti enzimi di frutta, verdura, carne, pesce. In particolare la luce pulsata rende inattiva la polifenolossidasi (PPO), l'enzima che causa l'imbrunimento dei cibi esposti all'aria I pochi studi sugli effetti nutrizionali e sensoriali indicano che i trattamenti di luce pulsata non alterano in modo significativo le proprietà nutritive e organolettiche del cibo Aniello Mennella Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Tecnologie emergenti Campi elettrici pulsati Aniello Mennella Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Storia e principio di funzionamento ● ● ● ● Aniello Mennella Primi test di sanitizzazione di alimenti mediante campi elettrici risalgono alla fine del secolo XIX I primi studi sistematici risalgono alla fine degli anni '60 che hanno mostrato l'interazione fra i campi elettrici pulsati e le membrane cellulari L'effetto non è dovuto né a riscaldamento né a elettrolisi Fattori critici: intensità del campo elettrico, durata dell'impulso, grandezza e forma dei micro-organismi Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Esempio di funzionamento Resistore, R Generatore di tensione, ΔV Interruttore aperto Condensatori in serie Elettrodi C0 C0 C0 alimento da trattare Aniello Mennella Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Esempio di funzionamento Resistore, R Generatore di tensione, ΔV Interruttore chiuso Condensatori in serie C0 C0 C0 alimento da trattare Aniello Mennella Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Esempio di funzionamento ● ● ● Impulso di campo elettrico scaricato attraverso il materiale Aniello Mennella Un generatore di tensione viene utilizzato per caricare una batteria di condensatori in parallelo. Un interruttore chiude la seconda parte del circuito che collega i condensatori alla camera di trattamento L'alimento da trattare è a contatto con due elettrodi sui quali la carica scaricata dai condensatori si accumula e genera un campo elettrico che si scarica attraverso l'alimento (che sarà caratterizzato da una certa conducibilità) Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Riscaldamento dovuto al campo elettrico ● Area, A d ● ● ● ● Aniello Mennella La differenza di potenziale, ΔV, ai capi degli elettrodi è data da ΔV = E d La corrente che passa attraverso l'alimento è data da I = ΔV A/ (ρ d), dove ρ è la resistività dell'alimento e A la superficie degli elettrodi La potenza dissipata per effetto Joule è data da P = ΔV I = E2 d A / ρ Per un impulso della durata τ si ha che l'energia termica trasferita sarà Q = P τ = E2 τ d A / ρ L'aumento di temperatura associato al calore Q sarà ΔT = Q / (m cp) = E2 τ d A / (ρ m cp) = = E2 τ / (ρ ρv cp) dove m è la massa, cp il calore specifico e ρv la densità dell'alimento Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Esempio: il latte ● ● ● ● Aniello Mennella Il latte intero è caratterizzato da resistività ρ = 200 Ω cm, densità ρv = 1.030 g / cm3, calore specifico cp = 0.92 cal/g°C Se immaginiamo di applicare un campo elettrico di 40 kV /cm otteniamo un riscaldamento per effetto Joule di 1.81 °C/μs Per tempi di trattamento superiori ai 30 μs si hanno degli aumenti di temperatura non trascurabili, per cui è necessario identificare metodologie per ridurre il problema Una possibilità è quella di implementare dei sistemi a più camere in modo da effettuare trattamenti multipli con stadi di raffreddamento intermedi Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Tipi di impulsi – a decadimento esponenziale ● ● Aniello Mennella I sistemi a decadimento esponenziale sono di facile realizzazione ma espongono l'alimento al campo massimo per un breve periodo. La restante parte dell'impulso genera riscaldamento senza effetto battericida Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Tipi di impulsi – a onda quadra ● ● Aniello Mennella I sistemi a onda quadra sono tecnologicamente più complessi ma consentono di mantenere la massima ampiezza del campo per un tempo maggiore L'efficacia di questi sistemi dal punto di vista del trattamento battericida è maggiore di quelli a decadimento esponenziale Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Tipi di impulsi – bipolari ● Nei sistemi bipolari o oscillatori l'efficacia è maggiore, probabilmente perché l'alternanza delle cariche positive e negative sulla superficie delle cellule batteriche aumenta il fenomeno dell'elettroporazione Impulso a onda quadra Aniello Mennella Impulso a decadimento esponenziale Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Meccanismo di sterilizzazione ● ● + + + Un campo elettrico genera delle cariche di segno opposto all'interno della cellula causando una compressione a causa dell'attrazione elettrostatica + La membrana cellulare ha una costante dielettrica diversa rispetto all'interno e all'esterno della cellula. + Aniello Mennella + ● Se il campo è poco intenso la cellula rimane comunque integra Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015 Meccanismo di sterilizzazione ● ● + + + + + + + Aniello Mennella + La membrana cellulare ha una costante dielettrica diversa rispetto all'interno e all'esterno della cellula. Un campo elettrico genera delle cariche di segno opposto all'interno della cellula causando una compressione a causa dell'attrazione elettrostatica Se il campo è poco intenso + la cellula rimane comunque integra + + + Se il campo supera una certa + intensità allora si formano dei pori + ● ● sulla membrana che determinano la fuoriuscita della parte interna e la morte della cellula stessa Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2014-2015
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