In questo campo, dove la previsione precisa della temperatura e della distribuzione del contenuto di acqua è fondamentale, si fa strada sempre di più l’applicazione della modellizzazione e della simulazione. Le condizioni operative che garantiscono la produzione di un prodotto di pasta sicuro e di alta qualità sono studiate costantemente.
La convezione forzata è la tecnologia industriale comunemente utilizzata per l’essiccazione degli alimenti. Questo processo viene effettuato in essiccatoi dove l’aria con specifici profili di velocità attraversa gli alimenti posti su idonei supporti, tipicamente sistemi di nastri trasportatori. L’essiccazione per convezione è caratterizzata da un elevato consumo energetico specifico per unità di massa del prodotto finale, compreso tra 1,6 e 2,5 kWh/kg. Il processo di essiccazione consiste in una sequenza di fasi, che in genere comportano diverse condizioni di temperatura e umidità per ottenere il livello desiderato di riduzione dell’umidità nel prodotto da essiccare. I valori della temperatura dell’aria durante l’essiccazione vanno da 40 °C a 95 °C, con umidità relativa compresa tra il 40% e il 95%. La velocità dell’aria varia solitamente da 0,5 a 10 m/s e il tempo di asciugatura dipende da questi e altri parametri, talvolta durando fino a quasi 20 ore.
Sebbene i processi di essiccazione possano essere scientificamente progettati per ridurre i tempi e minimizzare i costi energetici e operativi, mantenendo al contempo un’elevata qualità del prodotto, individuare le condizioni di essiccazione ottimali è complesso a causa delle numerose combinazioni di variabili operative. Tradizionalmente, la pasta viene essiccata a basse temperature, ma con i progressi della tecnologia sono stati adottati metodi di essiccazione ad alta temperatura (HT), ad altissima temperatura (VHT) e a temperatura ultra-alta (UHT).
Sebbene l’uso di alte temperature determini tempi di lavorazione più brevi e migliori notevolmente la sicurezza microbiologica, questi processi richiedono un attento controllo per ottenere un prodotto accettabile, in quanto possono portare a un imbrunimento non enzimatico indesiderato (ad esempio, la reazione di Maillard) e a stress termomeccanici. Questi sono in grado di promuovere la formazione di crepe e briciole che possono causare la rottura della pasta, con conseguente prodotto che non soddisfa le aspettative dei consumatori. È vero che oggigiorno i consumatori optano sempre più per la pasta essiccata lentamente e ottenuta a temperature più basse, poiché questa preferenza è ampiamente influenzata dalla comune associazione tra essiccazione ad alta temperatura e danno termico.
Durante l’essiccazione, la disattivazione termica di enzimi, come amilasi e lipossidasi, avviene per impedire la rottura delle catene di amido e maltosio. Ciò impedisce il rilascio di destrine, responsabili dell’adesività dell’impasto, e di maltosio, uno zucchero riducente che può promuovere le reazioni di Maillard. Tuttavia, va sottolineato che la reazione di Maillard è accettata e desiderata, in quanto influisce sul colore tipico della pasta secca, sebbene debba essere gestita per prevenire un eccessivo imbrunimento, un sapore indesiderato e il deterioramento delle proprietà organolettiche. Un’attenta selezione della temperatura e di altri parametri di essiccazione è essenziale per garantire un’essiccazione sufficientemente rapida, promuovendo al contempo adeguati cambiamenti microstrutturali nell’amido e nelle proteine.
Il processo di essiccazione comprende la gelatinizzazione dell’amido, la denaturazione delle proteine, nonché reazioni enzimatiche e non enzimatiche, tutte con un impatto significativo sulle proprietà meccaniche, testuali, organolettiche e visive dell'impasto. Pertanto, la selezione delle condizioni operative per il processo di essiccazione, tra cui temperatura, umidità relativa, velocità dell’aria e tempo di essiccazione, è di fondamentale importanza. La pasta secca, infatti, deve avere per legge un contenuto di umidità inferiore al 12,5% (su base umida): un eccesso di umidità della pasta può creare un ambiente favorevole alla crescita di microrganismi, tra cui batteri e muffe.
Un approccio multiscala
Al momento non esiste un modello matematico che descriva i complessi fenomeni di trasporto che si verificano durante l’essiccazione degli alimenti. I ricercatori hanno proposto vari approcci in grado di fornire stime predittive che si avvicinano molto ai processi reali. Alcuni hanno evidenziato sperimentalmente l’importanza del numero di Biot (rapporto tra lo scambio termico del solido con l'esterno e la conduzione termica interna al corpo) nella valutazione dello scambio termico interno nei sistemi alimentari. Altri studi si sono concentrati esclusivamente sulla modellazione del trasferimento di massa durante l’essiccazione della frutta utilizzando un approccio isotermico. Altri ancora hanno sviluppato un modello unidimensionale considerando sia gli scambi di massa che quelli termici nell’essiccazione delle patate. Altri hanno determinato le condizioni ottimali di essiccazione per l’elaborazione della farina di manioca da utilizzare in una formulazione di pasta senza glutine utilizzando un approccio matematico semplificato.
Recentemente, alcuni ricercatori italiani (Gaetano Adduci, Francesco Petrosino, Eleonora Manoli, Emily Cardaropoli, Gerardo Coppola, Stefano Curcio) nello studio “Fenomeni di trasporto nell'essiccazione della pasta: modellazione avanzata di un doppio dominio impasto-aria”, (“Transport phenomena in pasta drying: a dough-air double domain advanced modeling”, Journal of Food Engineering, Volume 376, settembre 2024), hanno ideato un modello avanzato a due domini per stimare i fenomeni di trasporto. L’utilizzo di un approccio multiscala, secondo quanto emerge dallo studio, consente un’analisi dettagliata dei processi da modellare. Comprendere i valori assunti dalle variabili legate agli alimenti durante tutto il processo consente di valutare diverse opzioni di progettazione per le apparecchiature di essiccazione.
I ricercatori sottolineano come sia fondamentale la stima della temperatura e del contenuto di acqua, poiché queste variabili determinano in maniera predominante la qualità complessiva della pasta. A differenza dei modelli convenzionali che si basano su coefficienti di trasferimento di massa e di calore interfacciale specificati, il loro modello funge da strumento versatile applicabile in un ampio spettro di condizioni fluidodinamiche e di processo negli essiccatoi per pasta reali. Si tratta di un modello fisico-matematico in grado di simulare il trasporto simultaneo di quantità di moto (solo per l’aria), energia e massa (sia per l’aria che per il cibo) che avviene all’interno di una camera di essiccazione quando l’aria entra in contatto con il campione di pasta. Il modello proposto esamina i complessi fenomeni di trasporto coinvolti in un processo di essiccazione della pasta a convezione forzata; una delle sue caratteristiche principali è la capacità di agganciare il problema del trasporto sia nei domini dell'aria che in quelli solidi. Il modello si basa su un calcolo simultaneo del trasferimento di calore e umidità tra i due domini, dando pieno accesso a tutte le variabili, con previsioni affidabili in condizioni di processo industriale reale.
È stata utilizzata una camera di essiccazione nel laboratorio di ricerca e sviluppo di Barilla SpA per la validazione del modello per la temperatura dell’aria in ingresso a valori di umidità relativa del 50 % e del 60%, con un errore costantemente inferiore al 10 %. Inoltre, questo studio sottolinea i vantaggi derivanti dall’utilizzo di modelli di trasporto precisi per condurre “esperimenti al computer”, che consentono un notevole risparmio di tempo e risorse. Inoltre, la scelta delle condizioni operative più idonee preserva le principali proprietà nutrizionali e organolettiche delle materie prime utilizzate e riduce i consumi energetici del processo di essiccazione.
I ricercatori pensano che il modello, grazie alla sua generalità, possa essere utile per simulare diverse fasi e diagrammi di essiccazione. Potrebbe aiutare a comprendere la perdita di umidità durante un’essiccazione industriale in cui le misurazioni continue del peso non sono fattibili e sviluppare nuovi e più efficienti diagrammi di essiccazione. Nell’articolo si evince come il modello proposto possa essere ulteriormente migliorato considerando la transizione vetrosa che la pasta subisce durante i processi di essiccazione/cottura, nonché gli effetti di restringimento. L’incorporazione di tali fenomeni fornirebbe una comprensione più completa del processo di essiccazione della pasta e contribuirebbe al miglioramento sia della qualità del prodotto che del processo.
Stefania Milanello Esperta in impianti alimentari e divulgatrice scientifica
