fenomeni di tRaspoRto di massa duRante la disidRatazione osmotica

Urszula Tylewicz* - Pietro Rocculi Emiliano Cocci - Marco Dalla Rosa
fRutta
Alma Mater Studiorum - Università di Bologna - Dipartimento di Scienze degli Alimenti Campus Scienze degli Alimenti - Piazza Goidanich 60 - 47023 Cesena (FC) - Italia
*e-mail: [email protected]
Małgorzata Rząca
Warsaw University of Life Sciences - Faculty of Food Technology Department of Food Engineering and Process Management - Warsaw - Poland
Fenomeni
di trasporto
di massa durante
la disidratazione
osmotica
di actinidia (Actinidia
chinensis cv. Hort16A)
Mass transfer phenomena during osmotic dehydration of yellow
kiwifruit (Actinidia chinensis cv. Hort16A)
Parole chiave: disidratazione osmotica, trasporto di massa, actinidia a polpa gialla
Key words: osmotic dehydration, mass transport phenomena, yellow kiwifruit
SUMMARY
In this research, the kinetics of mass
transfer during osmotic dehydration
of yellow kiwifruit (Acitidia chinensis
cv. Hort16A), commercially known as
Zespri Gold kiwifruit, have been studied.
Osmotic dehydration was performed
in a 61.5% p/p sucrose solution at three
different temperatures (25°, 35° and
45°C), with treatment time from 0 to
300 min. In order to study the osmotic
dehydration kinetics, mass loss (ΔMt°)
kg/kg, water loss (ΔMtW or WL) kg/kg
and solutes gain (ΔMtST or SG) kg/kg
of kiwifruit slices were evaluated at the
different times and temperature adopted.
The “dehydration efficiency index”,
obtained by Water Loss and Solutes
Gain ratio (ΔMtW/ΔMtST or WL/SG)
was also measured. The best results
in the terms of water loss values were
observed at a treatment temperature of
45°C, even if at this temperature there
was also a notable mass loss. The highest
dehydration efficiency index (WL/SG)
was obtained at 45°C and processing
time of 120 min.
SOMMARIO
INTRODUZIONE
La disidratazione osmotica è un
processo che permette una parziale rimozione dell’acqua dai tessuti
vegetali e/o animali, con cambiamenti minimi in termini di caratteristiche sensoriali (colore, gusto,
aroma, texture) e nutrizionali del
prodotto (Lazarides, 2000).
Il principio su cui si basa la disidratazione osmotica per immersione in soluzioni ipertoniche è
ben noto e relativamente semplice. La diffusione dell’acqua
dal prodotto alla soluzione ipertonica viene generalmente accompagnata dal contemporaneo
arricchimento del prodotto in
solidi solubili presenti nella soluzione stessa (Kaymak-Ertekin &
Sultanoğlu, 2000; Kowalska &
Lenart, 2001). Quando le membrane responsabili del trasporto
osmotico perdono la loro selettività può avvenire anche la perdita delle sostanze solubili naturali
(vitamine, acidi organici, zuccheri
riducenti, sali minerali e pigmenti) dal prodotto alla soluzione,
con conseguente modifica delle
caratteristiche organolettiche e
nutrizionali del prodotto finito
(Rastogi et al., 2002).
I fenomeni di trasporto di massa
che avvengono durante il processo
di disidratazione/impregnazione
mediante un agente osmotico, risultano influenzati da numerose
variabili quali temperatura, tempo di immersione, concentrazione
e composizione della soluzione
osmotica, struttura del materiale
sottoposto a trattamento, pressio-
L’obiettivo di questa ricerca è stato
quello di studiare le cinetiche di
trasferimento di massa, che avvengono
durante il trattamento di disidratazione
osmotica, a carico di actinidia a polpa
gialla (Acitidia chinensis cv. Hort16A),
diffusa commercialmente come Zespri
Gold kiwifruit. In particolare, come
mezzo osmotico è stata utilizzata una
soluzione di saccarosio al 61,5% p/p
ed il trattamento è stato effettuato a 3
differenti temperature (25°, 35° e 45°C)
per tempi da 0 a 300 minuti. Le cinetiche
di disidratazione osmotica delle fette di
actinidia sono state valutate tramite il
calcolo di perdita di peso (ΔMt°) kg/kg,
perdita d’acqua (ΔMtW o WL) kg/kg, e
guadagno di soluti (ΔMtST o SG) kg/kg.
Inoltre è stato calcolato anche il rapporto
tra perdita d’acqua e guadagno di soluti
(ΔMtW/ΔMtST o WL/SG) preso come
indice di efficienza della disidratazione
osmotica.
I risultati ottenuti hanno mostrato
come la disidratazione osmotica a
45°C ha prodotto i migliori risultati in
termini di perdita di acqua. Tuttavia
tale temperatura ha provocato un
notevole calo peso. Per quanto riguarda
l’efficienza della disidratazione, il miglior
trattamento è risultato quello compiuto
a 45°C per 120 minuti, per il quale
il rapporto WL/SG è risultato il più
elevato.
Industrie Alimentari - XLVIII (2009) settembre -
1
fRutta
ne, agitazione, rapporto prodottosoluzione (Mavroudis et al., 1998;
Simal et al., 1998; Kaymak-Ertekin & Sultanoğlu, 2000).
Le principali ragioni che rendono
tale tecnologia particolarmente
interessante sono la possibilità
di ridurre il contenuto in acqua
a bassa temperatura, il mantenimento ed in alcuni casi il miglioramento della qualità sensoriali
ed il basso consumo energetico
(Dalla Rosa & Torreggiani, 2000).
L’applicazione della disidratazione osmotica viene anche proposta
come fase preliminare a successivi trattamenti di stabilizzazione
tradizionali come congelamento, essicazione, pastorizzazione,
confezionamento in atmosfera
protettiva (AP), ecc. I prodotti
finiti che si possono ottenere con
l’ausilio di tale tecnologia spaziano dai prodotti trasformati al
minimo, con un contenuto relativamente alto in umidità, fino a
quelli essiccati ad aria, a microonde o ai prodotti appertizzati. In
particolare, negli ultimi decenni,
si è assistito ad un notevole incremento nella richiesta di prodotti minimamente processati,
commercialmente noti come IV
gamma, in quanto offrono oltre ai
requisiti convenzionali (sicurezza,
valore nutrizionale, conservabilità) anche caratteristiche di tipo
edonistico e di “convenience”. Tali
prodotti sono pronti all’uso e al
consumo diretto, senza richiedere alcuna operazione preliminare
(lavaggio, mondatura e taglio) da
parte del consumatore. Le caratteristiche qualitative che offrono
tali prodotti sono simili a quelle
del prodotto fresco: elevato valore nutrizionale con caratteristiche
organolettiche spesso esaltate e di
conseguenza una gradita immagine di freschezza (Rocculi et al.,
2 - Industrie Alimentari - XLVIII (2009) settembre
2005; Cao et al., 2006). In questa direzione, l’osmosi permette
il prolungamento della shelf-life
di tali prodotti in quanto l’abbassamento dell’attività dell’acqua
(aw), determinato dall’effetto del
soluto utilizzato, comporta una
maggiore stabilità microbiologica
rispetto al prodotto fresco (Gianotti et al., 2001).
L’actinidia si adatta particolarmente a questo tipo di trasformazione
in quanto il suo aspetto visivo è
molto apprezzato dal consumatore
finale e un trattamento di parziale
disidratazione a bassa temperatura è in grado di mantenere a livelli
accettabili il colore. Tale frutto è
originario della Cina meridionale,
ma è molto diffuso in tutto il mondo, anche per la sua importanza
nutrizionale dovuta al suo elevato
contenuto in vitamina C.
Negli ultimi anni, è stata avviata la
produzione dell’actinidia a polpa
gialla (Actinidia chinensis cv. Hort16A) diffusa commercialmente
come Zespri Gold. Tale varietà è
molto interessante, non solo per
quel che riguarda il suo colore ma
per il suo gusto squisitamente dolce, con un leggero accento esotico
di banana e di ribes nigrum, ed il
suo maggior contenuto in vitamina C (di circa il 30%) rispetto alla
classica varietà Hayward (Friel et
al., 2007). Inoltre è molto ricca di
vitamine E, K nonché di potassio,
magnesio e fibre (Cacioppo, 2005;
Hunter et al. 2008).
Numerosi ricerche sono state effettuate al fine di studiare
l’influenza della disidratazione
osmotica e dei parametri di tale
processo, sul trasporto di massa e
sulla qualità del prodotto ottenuto da diverse varietà di actinidia
(Vial et al., 1991; Bressa et al.,
1995; Escriche et al., 2000; Escriche et al., 2002; Cao et al., 2006;
Marani et al., 2007), ma non relativamente al comportamento di
Zespri Gold actinidia durante la
disidratazione osmotica.
Premesso questo, scopo di questo
lavoro di ricerca è stato quello di
investigare l’effetto di differenti
tempi e temperature di immersione in una specifica soluzione
osmotica, sui fenomeni di trasporto di massa che avvengono
durante il processo di disidratazione osmotica di actinidia a
polpa gialla.
MATERIALI
E METODI
Materia prima e preparazione
dei campioni
La sperimentazione è stata condotta su frutti di actinidia (Actinidia chinensis) appartenenti alla
cultivar Hort16A provenienti
dalla Nuova Zelanda. La materia
prima utilizzata è stata acquistata
sul mercato locale e selezionata al
fine di ottenere frutti di dimensione ed indice di maturazione
omogeneo. Fino al momento delle prove, i frutti interi sono stati
conservati in cella a 4°C in cassette coperte da film plastico, al
fine di evitare la disidratazione
del prodotto.
Prima della lavorazione i frutti
sono stati lavati in acqua refrigerata con aggiunta di ipoclorito di
sodio (1 mgL-1) e successivamente sono stati sbucciati e ridotti in
fette di dimensione regolare e di
spessore di circa 1 cm.
Trattamento
di disidratazione osmotica
La disidratazione osmotica è stata
effettuata in una soluzione di sac-
FrUTTA
carosio al 61,5%. Tale soluzione
è stata preparata solubilizzando
la quantità richiesta di saccarosio
(p/p) in acqua distillata.
Le prove sono state compiute
in un bagno termostatato con
agitazione costante utilizzando
un rapporto prodotto:soluzione
osmotica di 1:4 (p/v).
Le temperature utilizzate sono
state 25°, 35° e 45°C con tempi
da 0 a 300 min (0, 5, 15, 30, 60,
120, 300 min).
I campioni di actinidia sono stati
pesati prima dei trattamenti di
immersione e, dopo sgrondatura, risciacquati brevemente con
2 L di acqua distillata prima di
essere tamponati con carta assorbente.
Come controllo è stato utilizzato
un campione di actinidia non sottoposto a trattamento osmotico
(TQ). Ogni trattamento è stato
effettuato in triplo e le analisi
effettuate sono state calo peso e
contenuto in acqua.
Determinazione
del contenuto in acqua
(2)
(3)
dove:
m0: peso iniziale prima del trattamento osmotico (kg);
mt: peso al tempo t di trattamento (kg);
X0w, X0ST: contenuto in acqua ed
in solidi totali prima del trattamento (kg/kg);
Xtw, XtST: contenuto in acqua ed
in solidi totali al tempo t di trattamento (kg/kg);
Inoltre è stato calcolato il rapporto tra perdita d’acqua e guadagno
di soluti (∆Mtw/∆MtST o WL/SG)
preso come indice di efficienza
del trattamento di disidratazione
osmotica.
Analisi statistiche
Sui dati ottenuti è stata effettuata l’analisi della varianza (Anova)
tramite test LSD di Fischer, con livello di significatività di 0,05, uti-
lizzando il software Statistica per
Windows versione 6.0 (Statsoft
Inc., Tulsa, UK).
RISULTATI
E DISCUSSIONE
Cinetica
di disidratazione osmotica
L’effetto della temperatura
dell’agente osmotico sul contenuto in acqua di actinidia Zespri
Gold in funzione del tempo di
trattamento è mostrato in fig. 1.
Il contenuto iniziale in sostanza
secca della materia prima era di
circa 13 g/100 g p.f., valore che
corrisponde ad un prodotto leggermente sottomaturo, considerando che per questa tipologia di
cultivar sapore ed aroma risultano
ottimali per il consumo a valori di
sostanza secca attorno a 15 g/100
g p.f. (Schotsmans et al., 2007).
Per quel che riguarda la risposta
del prodotto al processo, sono
state registrate variazioni significativamente diverse nel conte-
Il contenuto in acqua è stato determinato tramite metodo gravimetrico, dopo essiccamento in
stufa sottovuoto (≤100 mmHg)
a 70°C (AOAC 920.15), fino al
raggiungimento del peso costante.
Bilancio di massa
La cinetica di disidratazione
osmotica delle fette di actinidia
è stata valutata tramite il calcolo
di perdita di peso (∆Mt°) kg/kg,
perdita d’acqua (∆MtW o WL) kg/
kg e guadagno di soluti (∆MtSTo
SG) kg/kg.
(1)
Fig. 1 - Evoluzione del contenuto in acqua di actinidia Zespri Gold durante la disidratazione
osmotica a 25°, 35° e 45°C.
Valori con la stessa lettera per lo stesso tempo di trattamento non sono significativamente
diversi tra loro per p<0,05.
Industrie Alimentari - XLVIII (2009) settembre -
3
fRutta
Fig. 2 - Evoluzione della perdita di peso di campioni di actinidia Zespri Gold nel corso della
disidratazione osmotica a 25°, 35° e 45°C.
nuto di acqua tra i campioni di
actinidia disidratati alle differenti temperature. In particolare, il
cambiamento più significativo di
contenuto in acqua si è registrato durante i primi 60 minuti del
processo, dove si è ridotto da 6,73
ad 3,23 g/g p.s. al massimo (circa
52%). Spingendo ulteriormente
il trattamento di disidratazione
fino a 300 min, il contenuto in
acqua ha mostrato un’ulteriore
diminuzione, arrivando fino a
valori prossimi all’80% circa. Il
campione trattato a 45°C è stato
caratterizzato da un contenuto
in acqua minore rispetto agli altri campioni, mentre le fette di
actinidia trattate a 25° e 35°C
hanno mostrato valori molto simili tra loro fino a 120 min di immersione. Alla fine del processo, i
campioni trattati a 25° e 35°C si
sono differenziati maggiormente
e come ci si aspettava il campione
a 25°C è stato quello caratterizzato dalla minore perdita d’acqua. I
risultati ottenuti sono in accordo
con quelli mostrati da Kowalska
e Lenart (2001) che hanno osservato un più significativo cambiamento nel contenuto in acqua
4 - Industrie Alimentari - XLVIII (2009) settembre
durante la prima fase del processo
(30 min), dopo la quale la disidratazione osmotica di mele, carote e
zucche è risultata molto più lenta.
In fig. 2 sono riportati i risultati
di perdita di peso delle fette di
actinidia sottoposte alla disidratazione. Dai risultati ottenuti, si
può notare come la temperatura
è risultata influenzare in maniera
molto importante la disidratazione del prodotto. Anche in questo
caso, il campione che ha subito
il minor calo peso è stato quello
trattato a 25°C. Al contrario, la disidratazione osmotica compiuta a
45°C, ha provocato una notevole
riduzione di peso, fino ad arrivare
a valori superiori al 50% alla fine
del processo.
In termini di trasferimento di
massa, i parametri più significativi
che caratterizzano il processo di
disidratazione osmotica sono la
perdita di acqua ed il guadagno
in soluti. Come si può osservare
in fig. 3, i trattamenti hanno determinato una perdita d’acqua in
tutti i campioni di actinidia sottoposti a disidratazione, che aumentava con l’innalzamento della
temperatura. La perdita d’acqua è
risultata molto più elevata all’inizio di processo, a causa della più
elevata forza motrice del processo
di disidratazione. La continua riduzione della forza motrice dovuta alla progressiva perdita d’acqua
ed all’assunzione di zucchero da
parte del prodotto, non è comunque l’unico fenomeno responsabile delle cinetiche di trattamento.
Fig. 3 - Evoluzione della perdita d’acqua di actinidia Zespri Gold durante la disidratazione
osmotica a 25°, 35° e 45°C.
Valori con la stessa lettera per lo stesso tempo di trattamento non sono significativamente
diversi tra loro per p<0,05.
fRutta
L’acquisizione di saccarosio da
parte delle fette di actinidia può
aver provocato la formazione di
uno strato di zucchero sotto la
superficie del prodotto. Tale strato può aver agito come barriera
ad un’ulteriore trasferimento di
massa (Dalla Rosa et al., 1982;
Lazarides et al., 1995).
Come emerge dalla letteratura
scientifica, le alte temperature
sembrano promuovere una più
veloce perdita d’acqua attraverso
il rigonfiamento e la plasticizzazione delle membrane cellulari, la
più veloce diffusione dell’acqua
all’interno del prodotto ed il miglioramento delle caratteristiche
di trasporto di massa nella sua
superficie, causato dalla minore viscosità del mezzo osmotico
(Lazarides et al., 1995). È importante sottolineare come l’actinidia presenti una struttura porosa;
per questo, ad alta temperatura,
avviene un rilascio di aria intrappolata dalla struttura del tessuto,
con conseguente più efficace rimozione dell’acqua tramite a causa della pressione osmotica (Cao
et al., 2006). Per quanto riguarda
i dati ottenuti, si può osservare un più significativo aumento
della perdita di acqua in caso di
osmosi a 45°C, considerando che
dopo 300 min si è arrivati a valori del 60%. Torreggiani e Bertolo
(2001) hanno notato come lo stadio di maturazione dell’actinidia
sia un parametro molto importante nell’influenzare i fenomeni di trasporto di massa durante
osmosi; in particolare la perdita
d’acqua è risultata maggiore nelle
fette ottenute da frutti sottomaturi, mentre in quelle ottenute da
frutti più maturi è stato osservato
un minore acquisto di soluti.
Nelle nostre condizioni di processo, il guadagno di soluti sembra
Fig. 4 - Evoluzione del guadagno in solidi di actinidia Zespri Gold nel corso della disidratazione
osmotica a 25°, 35° e 45°C.
Valori con la stessa lettera per lo stesso tempo di trattamento non sono significativamente
diversi tra loro per p<0,05.
non essere stato influenzato dalla
temperatura (fig. 4). Anche Vial
et al. (1991) non hanno osservato
nessun effetto della temperatura
di processo su tale parametro, che
è invece risultato molto legato
alla durata del processo di disidratazione, mostrando un brusco
aumento all’inizio del trattamento per poi crescere in modo più
contenuto nelle fasi successive.
Al contrario, Cao et al. (2006)
hanno osservato un notevole aumento di soluti acquisiti da fette
di actinidia a polpa verde (Actini-
dia deliciosa), a seguito dell’incremento di temperatura e tempo di
trattamento.
In tab. 1 sono riportate le variazioni dell’indice di efficienza della
disidratazione (rapporto WL/SG),
a seguito di differenti combinazioni di temperature e tempi di disidratazione. Il rapporto WL/SG
dipende fortemente dagli obiettivi del processo e dalle proprietà
finali desiderate del prodotto; in
particolare quando parliamo di un
processo di disidratazione WL/SG
deve essere maggiore di 1, mentre
Tabella 1
Indice di efficienza della disidratazione osmotica (WL/SG) di kiwi actinidia Zespri
Gold trattata a 25°, 35° e 45°C.
Condizioni di processo
(tempo/temperatura)
25°C
35°C
45°C
3,33c
6,13b
6,13b
6,74c
5,55c
6,71b
4,44b
5,78b
6,13b
7,92b
7,78b
6,38b
9,09a
9,35a
8,09a
9,19a
10,16a
8,93a
5 min 15 min 30 min
60 min
120 min
300 min
Valori con la stessa lettera per lo stesso tempo di trattamento non sono significativamente diversi tra loro per
p<0,05.
Industrie Alimentari - XLVIII (2009) settembre -
5
fRutta
quando l’impregnazione predomina nel corso del processo, WL/
SG risulta minore di 1. La temperatura, la concentrazione della
soluzione osmotica e la durata
del processo sono fattori chiave in
termini di efficienza della disidratazione (Torreggiani, 1993; Lazarides, 2000). Per quanto riguarda
i dati ottenuti, WL/SG è risultato
sempre più alto di 1, evidenziando
una predominanza del fenomeno
di disidratazione durante il trattamento. Tale rapporto è risultato
quasi sempre aumentare con l’aumento della temperatura, cosa che
non è sempre stata riscontrata con
l’aumento della durata del processo. Lazarides (2000) ha osservato
come elevate temperature di processo provochino perdite d’acqua
più accentuate e valori di WL/SG
più elevati, mentre più è concentrata la soluzione osmotica più
veloce risulta il guadagno di soluti.
CONCLUSIONI
La durata del processo di disidratazione osmotica è risultata influenzare i cambiamenti dei parametri
cinetici durante la disidratazione
osmotica di actinidia a polpa gialla, mentre le temperature di trattamento hanno influenzato solo
i cambiamenti di contenuto in
acqua, perdita d’acqua e perdita
di peso del prodotto. Dai risultati
ottenuti è emerso come la disidratazione osmotica a 45°C abbia prodotto i migliori risultati in termini
di perdita d’acqua. Comunque, a
tale temperatura è stato rilevato
anche un notevole calo peso. Per
quanto riguarda l’efficienza della
disidratazione il migliore trattamento è risultato quello a 45°C per
120 minuti, dove il rapporto WL/
SG è risultato il più alto.
6 - Industrie Alimentari - XLVIII (2009) settembre
Ulteriori ricerche sono in atto
nei nostri laboratori al fine di approfondire lo studio dell’effetto
del tempo e della temperatura
del trattamento osmotico, sulle
principali caratteristiche chimicofisiche e sensoriali di kiwi a polpa
gialla minimamente processato.
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