È da diverso tempo che la ricerca applicativa nel mondo alimentare prova a migliorare il rapporto esistente tra un corretto regime nutrizionale e la salute dell’uomo. L’obiettivo è far in sì che nel prodotto finito si possano concentrare naturalmente sostanze bioattive presenti nelle materie prime, ma che potrebbero venire perse nei residui o nei sottoprodotti quando si applicano tecnologie convenzionali.
Negli anni il concetto di qualità si è evoluto perché gli stessi consumatori richiedono prodotti sani, più sicuri, nutrienti e ottenuti nel rispetto dell’ambiente (sia nei sistemi di produzione primaria dell’agricoltura e dell’allevamento – con attenzione al benessere animale – che dei processi produttivi di trasformazione). Così accanto alla qualità richiesta dai consumatori, basata su aspetti visivi e sensoriali (qualità percepita), si è sviluppata anche una qualità definita dalle industrie orientata al miglioramento degli aspetti nutrizionali e ai criteri di sicurezza alimentare (qualità oggettiva).
Gli ultrasuoni nelle tecnologie alimentari
Tra le applicazioni tecnologiche minori che dimostrano una certa potenzialità in alcuni settori che si presupponevano ormai standardizzati nei processi, rientrano quelle che impiegano gli ultrasuoni. Anche se le loro proprietà sono note da tempo, tanto che vengono impiegate in diversi settori dell’industria, della medicina, della diagnostica, nella pulizia e già in alcune applicazioni alimentari, offrono un approccio diverso per taluni processi che oggi consideriamo standardizzati come quelli in campo oleario e vinicolo. In questi processi che oggi conduciamo con alcuni passaggi discontinui, l’impiego degli ultrasuoni permette di renderli continui accelerando l’azione di estrazione di talune sostanze che arricchiscono il prodotto finito, sfruttando la proprietà degli ultrasuoni nei liquidi.
In un mezzo liquido o semifluido, le onde ultrasoniche generano energia cinetica e in piccola parte termica dovuta all’incremento di turbolenza della matrice alimentare stessa. Gli effetti meccanici che si creano sono indotti dalla cavitazione acustica, come effetto degli ultrasuoni: questi, applicati a un fluido continuo, producono onde di pressione che si propagano nel mezzo che inducono la formazione di bolle di vapore se la pressione locale scende al di sotto della tensione di vapore. Quando le bolle raggiungono una dimensione critica implodono, dando origine a effetti meccanici in grado di promuovere reazioni fisiche e chimiche che possono alterare e/o rompere la struttura dei solidi e delle membrane cellulari che si trovano nel mezzo liquido. Viene così favorito il trasferimento di massa nella fase liquida a contatto con la superficie solida, di sostanze che altrimenti resterebbero adese alle particelle solide medesime quando vengono separate dalla parte liquida.
Quando parliamo di ultrasuoni intendiamo le onde acustiche aventi una frequenza maggiore di 20 kHz, i cui impieghi risultano essere molteplici e distinguibili in due gruppi a seconda dell’applicazione: a bassa intensità e alta frequenza, sono utilizzate nella diagnostica per le analisi non distruttive dei materiali; alle basse frequenze ed elevate intensità di potenza trovano diversi impieghi industriali che apportano variazioni fisiche e chimiche nel mezzo in cui le onde si propagano. Nelle scienze e tecnologie alimentari, gli ultrasuoni del primo tipo sono usati in tecniche analitiche per fornire informazioni su proprietà fisico-chimiche, composizione, struttura e condizione fisica dell’alimento, ragione per cui le intensità degli ultrasuoni impiegati sono inferiori a 0.1÷1 W/cm2. Le applicazioni appartenenti al secondo gruppo utilizzano intensità maggiori di 1-1000 W/cm2, sufficienti per rompere i legami intermolecolari e causare effetti di cavitazione. Sono così in grado di modificare alcune proprietà fisiche e favorire reazioni chimiche. Le caratteristiche di penetrazione delle onde acustiche variano in funzione della frequenza: maggiore è la frequenza, più elevata è l’attenuazione dell’onda ultrasonora e quindi minore la penetrazione nel mezzo. Solitamente le applicazioni a bassa intensità impiegano frequenze tra i 100 kHz e 1 MHz, mentre per quelle ad alta intensità le frequenze variano nell’intervallo compreso tra 20 e 100 kHz.
Omettendo di parlare delle applicazioni sulle tecniche analitiche non distruttive, è interessante trattare in campo alimentare l’utilizzo degli ultrasuoni ad alta intensità (o potenza) e bassa frequenza.
Queste si basano sullo sfruttamento degli effetti associati ai fenomeni non lineari a cui le onde di elevata intensità e quindi di ampiezza finita sono soggette. In ambito alimentare suscitano grande interesse per il loro potenziale uso come strumento di lavorazione e di conservazione degli alimenti. Le onde ultrasonore a bassa frequenza ma a elevata energia sono già utilizzate a livello industriale per la generazione di emulsioni, per la disgregazione delle cellule e la dispersione di materiali aggregati. Effetti meccanici a cui si associano effetti chimici e biochimici, individuati in ulteriori campi di impiego per l’azione battericida, l’inibizione di enzimi e l’induzione di reazioni di ossidazione.
Applicazione degli ultrasuoni nel settore oleario
Nell’industria olearia, gli ultrasuoni ad alta potenza e bassa intensità incrementano il rendimento e la velocità dei processi d’estrazione che per un comparto come quello degli oli (e in particolare dell’olio extravergine di oliva), vuol dire avere una maggiore resa di produzione e una maggiore concentrazione di composti nutrizionali attivi come polifenoli, vitamine, antiossidanti.
Applicati alla pasta franta di oliva, cioè quella che si ottiene dopo la fase di frangitura (e prima dei separatori centrifughi), gli ultrasuoni consentono altresì di evitare la lavorazione in batch costituita oggi dalle operazioni di gramolatura. Permettono di operare in continuo, limitando i costi di investimento e di gestione dell’impianto, riducendo i tempi e ottimizzando la capacità lavorativa delle macchine.
Con temperatura controllata e pressione prodotta in prossimità delle particelle durante il collasso delle bolle di cavitazione, si distruggono le pareti delle cellule del mezzo, provocando il rilascio nella frazione liquida dei contenuti oleosi ancora presenti nei tessuti. L’azione meccanica delle onde ultrasoniche agevola la diffusione nella matrice olearia di concentrazioni maggiori di tocoferoli e carotenoidi che incrementano il valore nutraceutico dell’olio. Tale azione risulta anche evidente in un maggior contenuto di clorofille che danno all’olio sonicato una colorazione più verde intensa rispetto agli oli tradizionali.
Per effetto della sonicazione, a conferma degli studi sperimentali pregressi, si inibiscono contemporaneamente le attività enzimatiche che potrebbero danneggiare il maggior contenuto di elementi nutraceutici estratti.
Anche nella produzione di altri tipi di olio, a partire da semi o grani, l’applicazione degli ultrasuoni consente di migliorare la qualità dell’estrazione e la concentrazione di sostanze nutraceutiche a elevato valore nutrizionale.
Una maggior resa di estrazione della pasta olearia comporta una riduzione della massa dei sottoprodotti da avviare al recupero con benefici ulteriori. Da un lato un trattamento ridotto con solventi per estrarre frazioni di oli residui (olio di sansa) da usare a livello industriale; dall’altro un miglioramento della qualità della sostanza secca da usare ai fini di alimentazione zootecnica, incrementando la concentrazione proteica e di altri elementi non lipidici, garantendo altresì una minore ossidazione della stessa matrice e rallentandone l’irrancidimento.
Applicazione degli ultrasuoni nel settore vinicolo
Gli ultrasuoni a elevata potenza impiegati nella lavorazione del vino apportano molteplici benefici. I principali campi di utilizzo degli ultrasuoni nel procedimento di lavorazione del vino comprendono l’estrazione di composti fenolici e aromatici, principalmente presenti nelle bucce e nei semi: da un lato estraggono sostanze come i tannini e le antocianine che contribuiscono al colore e al gusto, dall’altro riversano sostanze come il resveratrolo e composti acidi che sono noti per le loro proprietà antiossidanti e anti-age perché contrastano i radicali liberi. Grazie alla forza intensa degli ultrasuoni e agli effetti della cavitazione è possibile liberare nel mosto e quindi nel vino, una quantità maggiore di queste molecole, riducendo i tempi classici della macerazione. Per semplicità nell’utilizzo ed economicità degli strumenti, gli ultrasuoni sono una valida alternativa rispetto a tutte le altre tecniche finora in uso.
L’azione degli ultrasuoni non si limita a una maggiore resa di concentrazione di composti bioattivi, ma migliora anche la qualità del prodotto nell’invecchiamento e nell’ulteriore affinamento aromatico, riducendo i tempi di questo processo.
Considerazioni finali
Negli ultimi anni è emersa sempre più forte l’esigenza di fortificare determinate categorie di alimenti e di migliorare le loro caratteristiche organolettiche ai fini nutrizionali e sensoriali, impiegando tecnologie non termiche al fine di preservare le loro caratteristiche naturali.
In questo contesto le applicazioni ultrasoniche ad alta potenza possono essere agevolmente impiegate in tutti i processi estrattivi di qualunque matrice alimentare (soprattutto vegetale) in fase liquida, aumentando le rese di produzione e accelerando le operazioni processuali rispetto alle tecniche convenzionali.
Le applicazioni dimostrano che gli ultrasuoni sono efficaci nell’aumentare la concentrazione di sostanze ad azione nutraceutica (polifenoli, caroteni, fibre, fitoestrogeni, acidi grassi polinsaturi) o in grado di complessare nichel e/o altri metalli pesanti presenti nelle matrici alimentari (riduzione di intolleranze e tossicità). Le sostanze nutraceutiche presenti nell’olio extra-vergine di oliva e nel vino e in altre matrici alimentari ne sono un esempio: queste sostanze possono svolgere una funzione di “health-promoting” sotto il profilo nutrizionale. Potrebbe anche essere interessante caratterizzare il profilo chimico, nutrizionale, sensoriale, salutistico e nutrigenomico dei prodotti finiti, in modo tale da validare le loro caratteristiche salutistiche per l’ottenimento di health claim presso EFSA.
L’impiego di tecnologia a ultrasuoni per migliorare la qualità organolettica e nutrizionale dei nostri alimenti si mostra promettente in entrambi i casi, con ancora un alto potenziale da sfruttare.
