Nuove tecnologie per il trattamento del latte

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Nuove tecnologie per il trattamento del latte
Germano Mucchetti
Dipartimento Scienze degli Alimenti
Università di Parma
[email protected]
Convegno
DAL LATTE AI FORMAGGI DI NUOVA GENERAZIONE:
LE NUOVE SFIDE
Moretta 22 FEBBRAIO 2013
Finalità dei trattamenti del latte
Garantire
Sicurezza
Conservabilità
(pre
o
post
trasformazione)
con
idoneo
mantenimento delle proprietà originali di interesse.
applicando trattamenti differenziati in funzione del tipo di trasformazione
(latte alimentare, materia prima per la caseificazione o la produzione di
yogurt , ingredientistica) e della durata di conservazione.
Il latte è una materia prima complessa, poco stabile e quindi
rapidamente deteriorabile, se non stabilizzata.
G Mucchetti, Moretta 22/2/2013
2
Trattamenti classici di riferimento
Trattamenti termici non volumetrici (discontinui, continui in scambiatore)
Separazione di particelle (m.o., cellule somatiche, corpi estranei)
Centrifugazione (chiarificazione; debatterizzazione)
Riduzione di dimensioni di particelle
Omogeneizzazione (stabilità emulsione latte nel tempo)
Motori di innovazione:
riduzione di effetti indesiderati
incremento di efficacia ed efficienza di processo
Proposta di nuove tecnologie complementari o alternative alle classiche.
Problemi: efficacia, efficienza e compatibilità con la possibilità di
industrializzare l’innovazione in un contesto di grande produttività e
margini economici ridotti per l’impresa
3
Trattamenti termici convenzionali
Obiettivi:
effetto letale specifico per prodotto (per latte a lunga conservazione B* ≥1 = > 9 D
spore termoresistenti; per latte pastorizzato > 5 D Mycobacterium bovis e Coxiella
burnetii)
modificazione “accettabile” delle caratteristiche (per latte UHT C*< 1, = 3%
perdite di tiamina) (denaturazione proteine, vitamine, colore etc)
Sterilità commerciale vs stabilità del latte
m.o. patogeni non sporigeni sono poco termoresistenti; le spore di Cl. botulinum
(D121°C =0,25 min) (le + termoresistenti fra i patogeni) sono molto meno
termoresistenti di altre spore di m.o. alterativi ma innocui per la salute.
4
I criteri tecnologici:
Trattamenti High Temperature Short Time: a pari effetto letale, minori
modificazioni dei componenti del latte.
Minimizzazione della differenza di temperatura tra hot e cold spot fluidodinamica abbastanza ben controllata
Tuttavia:
? HTST è un concetto da estremizzare perché porterà in ogni caso a
risultati migliori?
Le cinetiche di inattivazione termica dei fattori destabilizzanti il latte (forme
vegetative, spore ed enzimi) sono diverse da quelle dei componenti del latte
(proteine, vitamine, zuccheri etc)
5
z (°C) microrganismi 5-8; z spore ~ 10
Valori di z comparabili tra reazioni di “danno termico” (imbrunimento, perdita
vitamine etc) e inattivazione enzimatica
Trattamenti HTST = < “danno termico” = < inattivazione enzimatica = > stabilità
del latte = minore durata di conservabilità.
Il trattamento HTST, a pari effetto letale, non permette la stessa
durata di conservabilità di un latte trattato a < temperatura x tempi
più lunghi.
6
Trattamenti alternativi allo scambio di calore tra fluido riscaldante
(vapore/H2O surriscaldata/H2O calda, olio diatermico) e latte
Effetto Joule x scambio indiretto (Actini- France)
Termici “volumetrici” (Ohmico, MW, RF) esaltazione concetto
HTST per ridurre il danno termico (senza aumentare la durata di
conservabilità, se non ci sono effetti aggiuntivi specifici che stabilizzino il
latte); omogeneità di trattamento (?)
“Ibridi” (Alte pressioni omogeneizzazione, Ultrasuoni, Campi
Elettrici Pulsati): cavitazione, shear stress, scariche elettriche di breve
durata parte dell’energia trasformata in calore
Non Termici
(Microfiltrazione, Separazione centrifuga)
Radiazione UV
7
Trattamenti alternativi termici – Effetto Joule x scambio indiretto
il calore è generato per trasporto di calore al fluido (v > 6 m/s) da parte della
tubazione inox riscaldata per passaggio di corrente a bassa tensione.
Elevata velocità di riscaldamento: ∆T 50°C in 3,5-10 sec
Fouling ritardato x elevata turbolenza del fluido
Controllo temperatura (±0,2°C) (NB di parete) la distribuzione di T del latte
dipende dal tipo di flusso
Assenza di inerzia termica, mancando un fluido riscaldante da condizionare
Applicazioni attuali in agroalimentare ovoprodotti. Ricerca e sviluppo nel
settore lattiero-caseario.
8
Trattamenti alternativi termici - Riscaldamento ohmico
il calore è generato uniformemente nel fluido conduttivo dal passaggio di
energia elettrica effetto letale dovuto a calore e modificazione di permeabilità
della membrana cellulare (elettroporazione).
Processo disponibile a livello industriale. Ipotesi di applicazione al latte
Richiede fluido conduttivo: latte è OK
Grande velocità di riscaldamento (55°C in 0,1 sec) (www.raztek.com)
necessità di raffreddamento flash
Operazione continua: impianti oltre 20.000 l/h
Garantire flusso turbolento e portata costante tempi di residenza ≠ effetti ≠
Problemi di fouling degli elettrodi > resistenza > consumi elettrici per
garantire = effetto; rischi di surriscaldamento localizzati
Problemi di fenomeni elettrolitici sugli elettrodi (materiale acciaio vs grafite) e
nel fluido con corrente alternata a bassa frequenza 60 Hz) EmmePiEmme
(PC, Italia) uso di alte frequenze (25-30000 Hz) claim: no corrosione
9
Proteine solubili
FAST index (Fluorescence of
Advanced Maillard products and
Soluble Tryptophan)
Furosina
Denaturazione Vit C
Colore
I risultati di una ricerca
recente su latte per
l’infanzia
Il vantaggio dovrebbe quindi
essere
di
tipo
“industriale”,
non
si
rivendicano miglioramenti
della qualità del prodotto.
10
Trattamenti termici
Radiofrequenze (RF)
non
convenzionali
–
Microonde
(MW)-
Trattamento in continuo ed in massa di fluidi alimentari
“The rapid and uniform heating associated with continuous flow microwave heating
should be ideal for aseptic processing of fluids”.
Ma è sempre uniforme? Dipende dal fluido alimentare e dall’impianto
Factors responsible for non-uniform temperature distribution include differences
in dielectric and thermophysical properties, non-uniform distribution of
electromagnetic field, and the magnitude of the diameter of the applicator tube.
Additional issues include control of processing parameters such as microwave
power, flow rate, temperature, and pressure (Kumar, 2008)
Applicazione MW al latte per ottenere prodotti a breve o lunga shelf-life è ad
oggi a livello pilota (impianti fino a 250 L/h) così come x altri fluidi.
NB: diverso il caso degli alimenti conduttivi, ove il riscaldamento dielettrico
presenta notevoli vantaggi rispetto al convenzionale e si hanno numerose
applicazioni industriali
11
Trattamenti termici non convenzionali – MW/RF: un progetto europeo
The novel system will also increase the
shelf life of microwave-treated HTST and
ESL milks by reducing the risk of
contamination via equipment. S.
The milk industry aims at reducing the
cleaning time of milk processing plants
to increase the production time.
Therefore, one of the major advantages of
the MicroMilk system is the rapid
achievement of retention temperature by
direct interaction of milk with microwaves;
resulting
in
easier
cleaning
with
subsequent reduction of cleaning time and
the minimisation of contamination
sources via equipment
Aumento della durata shelf – life? Sulla base di quale logica c’è tale attesa?
La post-contaminazione dipende dalle procedure di cleaning degli impianti e di filling asettico.
Minore fouling: può essere un buon obiettivo, ma è sufficiente x giustificare la quantità di
ricerca necessaria?
12
Comparison of Microwave vs Indirect UHT Fluid Skim Milk
I risultati di un’esperienza:
Obiettivo stesso effetto letale per UHT e MW F0 = 8 (Clare et al. 2005)
UHT Indiretto: milk was heat-treated at 137.8°C for 10 s fastest particle (heating
rate: 3.26°C/s, 20-s average hold time) (NB: condizioni di flusso laminare v media
= 2 v max normalmente non usate in applicazioni industriali)
MW: 60-kW continuous flow (flow rate of 3.8 L/min) microwave-heating unit
operating at 915 MHz. (heating rate 3.42°C/s).
In contrast to UHT processing methods, microwave energy, or cold wall heat, was
transferred directly into the food product via the microwave itself.
Aseptic packaging sterilità commerciale mantenuta per 1 anno sia x UHT che
MW
13
Alternative methods such as MW processing may afford new opportunities to
develop fluid milk products that exhibit a long shelf life, with sensory
characteristics that are equivalent to, if not better than, those achieved with
indirect UHT treated milk (Clare et al. 2005).
NB “quando si vuole spingere l’innovazione”: esistono UHT indiretti ottenuti in condizioni
molto meno drastiche ed i risultati del confronto cambiarebberoSsenza poi considerare
14
l’UHT diretto.
Qualità del latte trattato MW risultati non univoci, come non univoci
sono i trattamenti.
“The most striking feature of microwave treatment was the difficulty in
reproducing their effect on milk composition”.
Raw milk was heated in a microwave oven at 2450MHz (fino a 70-120°C).
Lactulose, epilactose, furosine and undenaturated whey proteins were measured
as indicators of the heat damage in milk. Comparison with control samples treated
by conventional heating showed a rate enhancement of the studied reactions
during microwave treatment. These differences are supposed to be due, at
least to some extent, to uneven heating of the milk in the microwave oven
(Villamiel et al 1996).
Raw milk was submitted to a continuous -flow microwave treatment at 80 or 92°C
for 15 s or in a conventional heat exchanger under the same conditions.
Volatiles (including aldehydes, ketones, alcohols, esters and aromatic
hydrocarbons) in freshly pasteurised samples were very similar to those found in
raw milk.
Evolution of all analysed parameters during storage was similar for the two series
of samples; microwave heating had no adverse effects on flavour (Valero et al.
2000)
15
Trattamenti “ibridi” Alte pressioni omogeneizzazione (UHPH) (> 100
MPa) “It is a non thermal process developed to fluids and has the appeal of
preserves heat-labile nutrients”
Effetto teorico: l’energia di
pressione si trasforma in
energia cinetica (shear stress +
cavitazione) e termica (calore).
TIN latte determina TOUT
∆T ~ 18-20°C/100 MPa
> P = >Tout = > v (m/s) = <
tempo
a
temperatura
“sterilizzante”
Pereda et al, 2007
Pinho et al 2011
16
UHPH e riduzione di dimensioni dei globuli di grasso:
oltre certi valori di P (diversi x sistema) effetto di clustering - coalescenza aggregati tra globuli di grasso e proteine. Limiti alla ricerca dell’effetto letale x
aumento di P, perché si generano effetti di instabilità della fase grassa.
17
Microfluidificazione riduzione di dimensioni dei globuli di grasso >
rispetto alla “normale” omogeneizzazione a pressione (10-30 MPa) in due
stadi effetti letali parziali sui microrganismi.
Oltre 100 MPa l’effetto di riduzione dimensioni cala ed iniziano fenomeni di
aggregazione più marcati in funzione del tenore di grasso (whole milk e cream).
Olson et al, 2004
18
Effetti trattamenti Microfluidizzazione (MFz) su latte ps /magro
Effetti non solo sul grasso, ma anche sulle altre “particelle” del latte modificazione di dimensioni = nuove possibili proprietà strutturali dei derivati
Milk microfluidized at 150 MPa had smaller particle size than homogenized milk,
but resulted in larger particles in yoghurt.
MFz of lowfat milk modified the microstructure of yoghurt, giving more
interconnectivity in the protein networks with embedded fat globules, but
with similar texture profiles and water retention compared with yoghurt made
from conventionally homogenized milk.
MFz significantly improved creaminess and desirable texture characteristics such
as smoothness, cohesiveness, thickness, and oral and spoon viscosity
(Ciron et al., 2010; 2011)
19
Trattamenti ibridi
: ultrasuoni (US) Effetto teorico: le onde
sonore rompono le cellule x effetto di cavitazione
Processo a livello LAB in discontinuo
Frequenza 24 kHz (Potenza 200 W) fino a 16 min con controllo della temperatura
media per immersione in bagno di H2O e ghiaccio (Chouliara et al, 2010).
Effetti su m.o. SCARSI
Results showed a 1–2.1 log cfu mL-1 reduction in total viable counts and
psychrotrophs.
US resulted in a taste score equal to or lower than that of untreated milk.
Lipid oxidation products increased in concentration with sonication and storage
time.
Chemical reactions occurring in milk as a result of high local temperature and
pressure values encountered during US cause rapid deterioration of milk
quality
20
Trattamenti ibridi : le hurdles technologies
Thermosonication: US (400 W; 24 kHz, 120µm x 5-30 min) + heat (63°C) inattivazione Listeria innocua (3-5 D in rapporto inverso al tenore in grasso – effetto
protettivo) (Aguirre et al, 2007) Thermo-sonication has been found to have more killing
effect than heat treatment alone
Thermosonication [US (400 W x 80 sec) + Heat (55°C x 60 sec)] + PEF (30-40 kV
cm-1) da 4,5 a 6,9 D x Listeria innocua (Noci et al 200)
Mano sonication (US a pressione 10-60 MPa, T < 45°C)
Thermo mano sonication (US a pressione 10-60 MPa, T > 45°C)
Photosonication (US + UV C)
US + CO2 Industrial relevance: the milk coagulation properties (MCP) of sonicated
milk were dramatically improved following US treatments, indicating a possible use for
US in the cheese-making industry. Moreover, despite the evident production of offflavours caused by US in milk, the use of CO2 to reduce the formation of oxidation products,
appeared to be promising. The detection of a metallic flavour increased significantly at both
intensities between 50 and 200 s of treatment (Marchesini et al, 2012)
21
Trattamenti ibridi: Pulsed Electric Field (PEF)
Modalità: Short bursts of high voltage are delivered to conductive
liquid food products pumped through a treatment chamber where
high intensity electric fields are induced
Effetto non termico: elettroporazione;
rigonfiamento e rottura (electric breakdown)
>
permeabilità
Effetto ohmico
supplementare
Due to electric energy dissipation in the food, ohmic
heating occurs at some degree, depending on the
intensity of the applied voltage, on the intrinsic
electric resistance of the product and on type of
treatment chamberS. However, interaction between
ohmic heating and the applied electric fields has not
been sufficiently studied (Guerrero-Beltran et al 2010)
22
The treatment temperatures were reached
due to the ohmic heating caused by the
applied PEF treatments (Guerrero Beltan et al. 2010)
At 30 kV/cm of electric field intensity, a maximum L. innocua reduction of 4.3 log cycles was achieved with
10, 17.5, 20 and 25 pulses, when processing milk at initial temperatures of 43, 33, 23 and 13 C, respectively.
At 40 kV/cm of intensity a maximum of 5.5 log bacterial inactivation was achieved when applying 17.5
pulses at an initial temperature of 13 C. The mean residence time of milk in the PEF treatment chamber
23
was 10 s.
Effetto secondario di riscaldamento volumetrico, ma non solo. Possibili
formazioni di hot spots in prossimità degli elettrodi
The increase in the bulk fluid temperature during PEF treatments had been
reported to be relatively small. The majority of the fluid only attained a small
increase in temperature during pulse (10-15°C). (Salengke et al 2012)
CFr slide precedente: variabilità di potenza impiegata, tipo di impulso, numero di
impulsi etc
but localized over heating may occur at certain locations within treatment
chamber due to non-uniformity of electric field distributions which may arise
from poorly designed treatment chambers.
Local overheating occurs at spots adjacent to the edge of the electrodes (127227°C), especially the electrode at the outlet of the PEF chamber (Salengke et al
2012).
24
PEF ed attitudine del latte alla coagulazione
The modification of milk protein structure may lead to changes in milk functional
properties such as coagulation, foaming and emulsifying (Yu et al, 2009).
Coagulation properties (RCT= Rennet Coagulation Time; CF = Curd Firmness) of raw milk
may be better preserved by using lower electric field strength (<30 kV/cm) and moderate
temperature (<50°C) combinations.
Perché??? Ma si ha un sufficiente effetto debatterizzante? Il confronto termico- PEF
andrebbe fatto a pari effetto letale. Se l’aspetto igienico non è di interesse, allora è
sempre migliore il latte crudoUo più semplice l’addizione di CaCl 2 al latte pastorizzato.
25
Trattamenti non termici per latte alimentare. Microfiltrazione classica
1,4 µm. Applicazioni industriali: latte alimentare e x caseificio
Obiettivo Riduzione cellule somatiche (totale) e carica microbica (da 2 a 4 D)
Criteri dimensioni cellula + gestione strato deposito (resistenza supplementare
al flusso e > efficacia di separazione). Controllo non rigoroso diversità risultati
Milk MF with 1.4 µm
membranes
and
UTP
system however is not able
to
remove
vegetative
pathogenic bacteria with
the same efficiency of
heat and consequently it
should not be considered
as alternative to fluid milk
heat pasteurization, being
milk safety the main target
of the process (Mucchetti,
2013)
ESL o “qualità”? Scelta industriale: oggi prevale
ESL
26
Confronto caratteristiche filtri MF nuovi obiettivi possibili
s
cro
i
M
c
e ta
ci
Con microsetacci (0,5 µm) la separazione è gestita effettivamente dalla membrana
e non anche dal deposito, però occorre ridurre la tendenza al fouling di qs
membrane abbinando bassa PTM e backpulsing.
Efficacia di separazione microbica molto + elevata.
27
Microfiltrazione 0,1 µm latte caseificio. Applicazioni industriali:
separazione sieroproteine – caseina standardizzazione tenore caseina del latte x
caseificio; produzione caseina nativa (ingredientistica)
Gestione diversa in funzione del livello di controllo impianti e del grado di
separazione
MF 100% latte magro al tenore caseina previsto dalla standardizzazione (es. FCV
=1,2-1,3)
MF di un’aliquota latte magro (es. circa 30%) a FCV elevato (~ 4) addizione
di retentato in quota variabile in funzione delle caratteristiche del latte del giorno o
delle varietà casearie
FCV
(+
diafiltrazione)
determina la diminuzione del
rapporto tra sieroproteine
(NWP) e caseine da 0,19 a
0,07 (Heino, 2010) e quindi il
grado di concentrazione di
quest’ultima.
28
Microfiltrazione 0,1 µm latte caseificio. Applicazioni industriali: uso di
membrane polimeriche vs ceramiche
Costi energetici diversi: circa 3 volte > x ceramiche (Heino, 2010)
Capacità di separazione SP da Caseine: fino a 6 volte > x ceramiche, sia UTP
classico x ricircolo permeato (Hurt et al, 2010,Beckmann et al 2010) che con
membrane con porosità variabile del supporto (Heino, 2010)
29
Trattamenti non termici per latte – radiazione UV 254 nm
Problemi: diversa resistenza m.o. alla radiazione UV, anche se molti patogeni
mostrano sensibilità UV comparabile (Chang et al, 1985).
NB 1 mWsec/cm2 = 1 J/cm2
30
La carica di E.coli è calata fino a 2.4 D quando il latte magro ha ricevuto una dose di
UV di 5.9 mJ/cm2 per 1,5 sec. Singolo passaggio nel sistema (Matak et al 2004).
Effetto protettivo del grasso temperatura dipendente (viscosità latte e
turbolenza?)
CiderSure 3500 apparatus.
31
Effetto significativo di riduzione di carica solo ad elevati dosaggi
La carica di Listeria monocytogenes è calata fino a oltre 5 D quando il latte di
capra ha ricevuto una dose cumulativa di UV di 15.8 mJ/cm2 (necessari 12
passaggi x un totale di 18 sec (Matak et al 2004).
32
una storia non nuova (Actini France UV +IR) con una nuova ricaduta di interesse:
Problemi: Scarsa capacità di penetrazione UV in fluidi non trasparenti innovazione tecnologica moto turbolento (possibilità di contatto) e
autopulente
Design of a candidate UV processing method (Sure Pure turbulator)
for such fluids in which the fluid is mixed such that it spends only a
short time at the surface next to the UV source, and is thus fully
processed. The practical need is to find out how effective mixing is,
and what level of microbial reduction would be expected. In siero
effetto letale pari a 3,5 log di CMT (Simmons et al. 2012)
SurePure photopurification reduces the microbial load of
milk at all levels SThe process can also increase the
shelf life of dairy products by at least 30%. As it is a nonthermal process, the product being treated retains all
its natural value (www.surepure.net). E’ sempre vero?
33
Scarsa capacità di penetrazione UV in fluidi non trasparenti
Coiled tube reactors may provide
secondary vortices and cause
superior mixing of fluid flowing
through the reactor depending on
the design of the coiled tube
reactors
UV-C treatment of raw cow milk for 17 s in the coiled tube UV reactor (equivalent to an UV-C
dose of 16.8 mJ cm-2) was capable of reducing Standard Plate Count by 2.3 log10 CFU
mL-1. The olfactory sensory analysis indicated that there was no significant difference
between the odors of UV-C treated and untreated Raw Cow Milk right after UV-C treatment,
but after one day of storage the UV-C treated sample had significantly different smell than
untreated sample. The higher values of Malondialdheyde Other Reactive Substances in UVC treated RCM indicated that the oxidative degradation might have taken place in UV-C
Mucchetti,
Moretta 22/2/2013
34
)
treated raw cow milk (Bandla et alG2012
Danno ossidativo in funzione della quantità di energia richiesta x effetto letale
significativo Many nutrients such as vitamins, carotenes, pigments, fatty acids, solid fats,
etc. are light sensitive intensity of UV should be minimized to prevent quality loss
35
Conclusioni
L’innovazione tecnologica applicata industrialmente nel settore latte è
rappresentata dall’implementazione di tecnologie consolidate
Scambio termico non volumetrico
Separazione di particelle (processi a membrana, centrifugazione)
Finalità comune maggiore efficienza, considerazione della
complessità della matrice latte (equilibrio tra effetto sterilizzante e
capacità di stabilizzarla), standardizzazione di composizione e
caratteristiche del latte prima della trasformazione
Aumentano
Livello di identità dei prodotti di trasformazione
Riconoscimento da parte del consumatore
Per fare questo occorrono Gprocessi
Mucchetti, Moretta
controllabili
22/2/2013
36
Conclusioni
Mild technologies “innovative” (singole o in sequenza)
Sono ancora a livello lab/pilota nonostante siano allo studio da decenni
Difficilmente gestibili e controllabili
Non risolvono in modo migliore il conflitto tra effetto sterilizzante e
caratteristiche del latte proprio delle tecnologie termiche
Per introdurre innovazione praticabile occorre individuare operazioni
che si basano su criteri diversi da quelli ritenuti ancora oggi innovativi
o riuscire a risolverne gli effetti collaterali, purchè questi derivino da
“difetti” nell’esecuzione degli impianti (e siano quindi emendabili) e
non siano insiti nel metodo stesso.
GRAZIE
37

Nuove tecnologie per il trattamento del latte

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