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Lo scopo della concentrazione è aumentare il contenuto dei solidi solubili (Brix), diminuendo il contenuto di acqua, al fine di prolungare la durata di conservazione e ottimizzare il loro trasporto. Questa operazione deve essere espletata con la minima perdita di ingredienti preziosi e il minimo danno per i tratti organolettici.
Le procedure applicate per la concentrazione del succo sono :
l’ EVAPORAZIONE
la CRIOCONCENTRAZIONE
l’ OSMOSI INVERSA (OI)
Nella lavorazione dei succhi, l’evaporazione è la procedura più frequentemente applicata per la loro concentrazione.
Da un punto di vista fisico, significa eliminare l’acqua mediante ebollizione.
Questa operazione viene eseguita in evaporatori e il vapore garantisce l’energia necessaria per l’ebollizione. Gli evaporatori sono scambiatori di calore, dove il vapore di riscaldamento condensa su un’estremità, mentre, la soluzione bolle e parte del suo contenuto d’acqua evapora. I vapori vengono estratti e condensati. Poiché i preziosi componenti del succo sono sensibili al calore, si desidera una condensa a bassa temperatura e breve durata. Al fine di garantire un basso punto di ebollizione, il processo viene eseguito sottovuoto.
Le proprietà chimiche, reologiche e termiche del succo svolgono un ruolo importante nel processo di condensazione. Poiché queste caratteristiche dipendono dalla materia prima, i parametri di funzionamento possono variare con l’uso di diverse specie di frutta.
L’evaporazione, non viene usata solo per la concentrazione dei succhi, ma può avere diversi obiettivi:
⊃ diminuire l’attività dell’acqua (aw) per rendere il prodotto più conservabile. Per raggiungere questo obiettivo, l’aw viene abbassato a un valore di 0,7 o inferiore.
⊃ ridurre l’aw in concomitanza dell’aggiunta di altri ingredienti come zuccheri e idrocolloidi, per ottenere prodotti come marmellate, gelatine, semilavorati a base di frutta.
⊃ ridurre il contenuto di acqua per rendere il prodotto adatto per l’essiccazione a spruzzo (spray-dried), o l’essiccazione sottovuoto, (per esempio, per la produzione di polveri di succo di frutta).
⊃ far cristallizzare alcuni componenti scarsamente solubili. Esempi sono la produzione di lattosio, saccarosio e glucosio cristallino.
Il punto di ebollizione di un liquido, che dipende dalla pressione, è la temperatura in cui la tensione superficiale del vapore acqueo è uguale alla pressione esterna. Più bassa è questa pressione, minore è la temperatura di ebollizione. A 1 bar pressione assoluta, il punto di ebollizione dell’acqua è a 100°C, a pressione minore (nel vuoto) il punto è più basso, mentre a pressione più alta (sotto pressione), il valore è maggiore.
In un evaporatore, la temperatura dell’acqua bollente sulla sua superficie è uguale al punto di ebollizione corrispondente alla pressione misurata da un dispositivo posto nello spazio vapore. La pressione nel liquido aumenta con la pressione idrostatica, pertanto, il punto di ebollizione è leggermente più alto.
I componenti più importanti dei succhi di frutta sono sostanze idrosolubili e poichè la pressione parziale dell’acqua contenente materia solubile, è sempre inferiore a quella dell’acqua pulita. Questo significa che a parità di pressione, il punto di ebollizione di un succo è sempre superiore a quello dell’acqua pura. Il punto di ebollizione dei succhi è direttamente proporzionale al numero delle molecole disciolte, e siccome i succhi contengono varie molecole, soprattutto in quantità diverse, definire un loro esatto punto di ebollizione nella pratica, non è possibile. Per i succhi di frutta, viene spesso preso come riferimento, l’aumento del punto di ebollizione degli sciroppi di saccarosio.
Durante la chiarificazione, prima della concentrazione, i processi enzimatici possono produrre composti aromatici estranei che possono modificare negativamente il profilo aromatico dei succhi. Per evitare questo inconveniente, le procedure di concentrazione sono divise. La preconcentrazione combinata con l’estrazione dell’aroma viene eseguita sui succhi non trattati. Segue il trattamento dei semiconcentrati, seguito dalla concentrazione finale.
Nei succhi non trattati, le sostanze volatili sono perfettamente disciolte nel succo, le loro pressioni parziali sono direttamente proporzionali al rapporto molare (legge di Raoult). Le pressioni parziali di alcune sostanze difficilmente solubili sono superiori a quelle previste dalla suddetta legge. Tali sostanze solubili sono altamente evaporabili durante l’ebollizione delle soluzioni acquose. Le sostanze aromatiche evaporano dalla soluzione in vari gradi e hanno effetto sul sapore e sul gusto del succo concentrato. Il contenuto aromatico dei succhi di frutta è piuttosto basso: 5-250 mg/kg. I componenti principali di queste sostanze volatili, sono alcoli liberi, esteri, acidi liberi, e composti carbonilici. I sistemi di evaporazione sono solitamente combinati con unità di recupero dell’aroma. Questi sono generalmente collegati alla prima parte dell’evaporatore e condensano i composti aromatici più volatili. Gli aromi così condensati sono spesso rimescolati nel concentrato per ripristinare almeno in parte, le caratteristiche aromatiche. In alternativa, questi aromi possono essere concentrati e applicati come estratti aromatici naturali per altri prodotti a base di frutta.
Alle alte temperature di evaporazione, saccarosio, glucosio, fruttosio e talvolta maltosio subiscono dei cambiamenti. Ad esempio, in un mezzo altamente acido (pH 3), può verificarsi la trasformazione del fruttosio in idrossimetil furfurolo. L’idrossimetil furfurolo polimerizza o policondensa con altri composti, formando sostanze di colore scuro. Questo tipo di reazione di imbrunimento, è caratteristiche ed è importante principalmente nei succhi di frutta.
In un ambiente meno acido (pH 3,5), glucosio e fruttosio possono formare sostanze di colore marrone reagendo con gli amminoacidi liberi presenti nei succhi attraverso l’imbrunimento non enzimatico o la reazione di Maillard.
Per esempio, il succo di mela ha un pH più basso, ma ha un contenuto di aminoacidi inferiore; pertanto, è stato segnalato di avere un basso imbrunimento di tipo non enzimatico anche quando concentrato al 70%.
Durante l’evaporazione dell’acqua dai succhi, se la superficie riscaldante non viene bagnata dal succo o il succo viene bruciato, può avvenire la caramellizzazione. Il caramello è una sostanza di colore scuro formata da doratura non enzimatica. È formato solo riscaldando gli zuccheri in condizioni asciutte.
Il grado di imbrunimento non enzimatico è proporzionale al tempo di riscaldamento e può essere ridotto abbreviando il tempo di evaporazione.
I succhi di frutta contengono naturalmente molti pigmenti coloranti come gli antociani, i carotenoidi e le clorofille. Durante la concentrazione con l’evaporazione dell’acqua, è molto importante che il processo sia adeguato per preservarne il contenuto. Soprattutto per quelli solubili in acqua come gli antociani, che risultano molto sensibili alla temperatura. L’abbassamento della temperatura di evaporazione da 85◦C a 75◦C permette una minor quantità di antociani decomposti (42%). Un ulteriore riduzione della decomposizione si ottiene diminuendo il tempo dell’evaporazione, ad esempio, da 20 minuti a 4 minuti.
Tra le sostanze coloranti liposolubili, come i carotenoidi, la decomposizione dovuta al riscaldamento è più bassa, diversamente è per le clorofille piuttosto sensibili al calore, ma che non sono un gruppo di coloranti significativi nei frutti.
Tra le vitamine idrosolubili, la tiamina e l’acido ascorbico sono le più sensibili durante l’evaporazione. Mentre la tiamina è la più sensibile ai cambiamenti di temperatura, la vitamina C deve fare i conti anche con la presenza di ossigeno. Tra le vitamine liposolubili, i caroteni rappresentano la classe predominante, e la loro sensibilità al calore è piuttosto bassa. In ogni caso, per preservare il minimo sindacale di vitamine è fondamentale che l’evaporazione venga eseguita nel più breve tempo e alla temperatura più bassa possibile.
A una temperatura di circa 100◦C, l’evaporazione può richiedere molto tempo; per questo, è molto facile che si verificano fenomeni di imbrunimento, degradazione del gusto e dei valori nutrizionali. L’evaporazione a pressione atmosferica, viene utilizzata quando sono richiesti prodotti con note caramellate e il sapore di “cotto”, non rappresenta un limite inaccettabile.
L’evaporazione sottovuoto riduce i danni dovuti alla temperatura. Nell’evaporatore, diminuendo la pressione sulla superficie del liquido, si abbassa il suo punto di ebollizione e di rimando anche la temperatura di evaporazione. Per esempio, a 600 Hg mm di vuoto, il punto di ebollizione dell’acqua passa a 61,6°C.
Da uno spazio chiuso, l’aria e i vapori (evaporando ad una temperatura corrispondente al vuoto) vengono continuamente scaricati da una pompa per vuoto. L’evaporazione sottovuoto, poiché avviene in un mezzo impoverito di ossigeno e a temperatura più bassa, preserva meglio il contenuto di colore, sapore e vitamine.
Per una buona evaporazione, è necessario che la differenza di temperatura (T) tra il punto di ebollizione del liquido e quello del vapore di riscaldamento sia piuttosto elevata (per gli evaporatori utilizzati nell’industria alimentare, è superiore a 15◦C). La temperatura del vapore non può essere comunque al di sopra di 105°C, temperatura limite per un’eventuale effetto di combustione. Per questo motivo, l’evaporazione dell’acqua dai succhi può essere eseguita solo sottovuoto.
L’evaporazione con dispositivi multistadio comporta notevoli risparmi nell’utilizzazione del vapore. Mentre per l’unità monostadio sono necessari 1,1 kg di vapore per far evaporare 1 kg di acqua, per l’unità a due stadi sono sufficienti 0,5-0,6 kg di vapore. L’essenza degli evaporatori multistadio è che diverse unità di evaporatori sono accoppiate in linea. Il riscaldamento diretto è dato solo alla prima unità. La seconda unità viene riscaldata dal vapore formato nella prima unità, mentre la terza viene riscaldata dal vapore formato nella seconda unità. Per eseguire questo in pratica, il punto di ebollizione della sostanza deve essere diminuito fase per fase, cioè è necessario un graduale aumento della diluizione dell’aria.
L’evaporazione deve essere rapida, cioè la quantità necessaria di acqua deve essere evaporata il prima possibile – deve essere effettuata alla temperatura più bassa possibile – il processo applicato deve essere idoneo ad evaporare il prodotto concentrato – il tempo e la temperatura dell’evaporatore devono essere controllati.
questo metodo viene utilizzato per la concentrazione di succhi di frutta sensibili al calore. Durante questo processo, il contenuto di acqua del succo viene congelato con formazione di cristalli di ghiaccio. Man mano che la procedura va avanti, il fluido diventa più concentrato e contiene sempre più cristalli. Quindi le due fasi possono essere separate meccanicamente. Questo tipo di concentrazione è un processo molto delicato, in quanto non vi è alcuna perdita di aroma, colore e vitamine grazie alle basse temperature. I concentrati così preparati contengono quasi tutti gli ingredienti preziosi del succo originale. Gli svantaggi di questo tipo sono l’elevato consumo di energia e una minore efficienza di concentrazione rispetto alla procedura di trattamento termico.
Durante la lavorazione della frutta, ci sono due punti importanti da considerare:
(1) i preziosi componenti di qualità (colore, sapore, vitamine, antiossidanti, ecc.) delle materie prime non devono essere influenzati negativamente durante la lavorazione e (2) la lavorazione dovrebbe produrre il minor spreco possibile.
Al fine di migliorare la qualità del prodotto e preservare i valori intrinseci, è possibile seguire procedure più blande per la produzione di concentrati di succo di frutta. La tecnica a membrana può essere un mezzo importante ed efficace per produrre succhi di frutta di qualità.
Sono diverse le applicazioni alimentari che applicano la tecnica a membrana, alcuni esempi sono, la pre concentrazione del latte per produrre formaggio, la pre concentrazione del liquido delle uova mediante ultrafiltrazione (UF), la chiarificazione dei succhi di frutta mediante microfiltrazione (MF), la chiarificazione e la sterilizzazione del vino prima dell’imbottigliamento mediante MF.
La tecnica della membrana è una designazione collettiva di diversi metodi di separazione efficaci, che sono adatti anche nel trattamento della concentrazione dei succhi. Tra i vari tipi di filtrazione troviamo la Microfiltrazione MF, l’Ultrafiltrazione UF, la Nanofiltrazione NF e l’Osmosi Inversa OI. Queste tecnologie a membrana possono essere considerate anche come processi di pre-evaporazione.
Tra le tecniche di filtrazione a membrana, la separazione più fine può essere raggiunta utilizzando la tecnica dell’Osmosi Inversa. Questa procedura, basata su una membrana, si è diffusa nella produzione di succhi concentrati per aumentare la produttività delle concentrazioni a freddo. Il principio di questo metodo è basato sul fatto che la membrana essendo semipermeabile, lascia passare solo l’acqua, e trattiene tutte le altre sostanze disciolte. Uno dei maggiori vantaggi del metodo è che non prevede il trattamento termico, quindi non si verificano né danni da calore, né perdite di aroma. A causa del sostanziale aumento della pressione osmotica, il limite della tecnica è che la concentrazione massima che può essere raggiunta è circa del 30%.
Come anticipato, le membrane OI consentono il passaggio solo delle molecole di solvente. Il meccanismo di separazione non è stato completamente risolto; tuttavia, ci sono varie teorie di separazione, come l’effetto setaccio, la superficie bagnata, l’effetto assorbimento-capillare e il modello di soluzione-diffusione.
L’Osmosi Inversa e l’NF sono applicati a soluzioni separate contenenti materiale disciolto a basso peso molecolare, inoltre con alta priorità per la separazione di sali inorganici e piccole molecole organiche, come glucosio e saccarosio dal solvente (acqua).
Le operazioni di filtrazione a membrana si basano sullo stesso principio. La differenza tra i domini di filtrazione a membrana risiede nella dimensione della particella o della molecola che viene filtrata.
Nell’osmosi inversa (OI), la dimensione dei pori della membrana è compresa tra 1 e 0,1 nm. Utilizzando questo tipo di membrane, il sale comune e le molecole/ioni di dimensioni simili possono essere separati dal liquido o dal succo con grande efficienza. Nella OI, a causa della dimensione dei pori molto piccola e per superare l’aumento della pressione osmotica, viene applicata una pressione nell’intervallo 10-60 bar.