Gramolazione, tanti vantaggi con gli ultrasuoni

Sono tra le tecnologie definite “emergenti”. Un prototipo, il sono-exchanger, è stato sperimentato nel trattamento della pasta da olive: il risultato è un extravergine ad elevato valore nutrizionale e a ridotto impatto ambientale


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La tecnologia dell’impiantistica olearia è in piena evoluzione e impegna gli istituti universitari e di ricerca, unitamente all’industria meccanica del settore, nel progettare soluzioni innovative che consentano di migliorare sia le tecniche di estrazione che la qualità dell’olio.
Una collaborazione intersettoriale e interdisciplinare instauratasi a livello internazionale che ha come obiettivo la realizzazione di modelli di filiera che propongono sistemi di estrazione e di conservazione del prodotto alternativi a quelli tradizionali.
La rivista “Olivo e Olio” ha pubblicato nel 2013 alcuni articoli di Lorenzo Cerretani che ponevano all’attenzione del lettore le ricerche e le sperimentazioni condotte dalle Università di Bari e di Saragozza (Spagna) sull’applicazione del campo elettrico pulsato (pulsed electric field), per migliorare la resa di estrazione dell’olio, e sulla utilizzazione degli ultrasuoni nella fase di gramolatura.
Tema, quest’ultimo che Maria Lisa Clodoveo del dipartimento di Scienze agro-ambientali e territoriali dell’Università di Bari ha trattato in occasione del convegno organizzato da Alfa Laval a Matera sul tema “Gramolazione a freddo, separazione e riutilizzo dei sottoprodotti” al quale hanno partecipato, con contributi tecnico-scientifici, docenti universitari e frantoiani, oltre a Domenico Fazio e Giovanni Costagli esponenti dell’Alfa Laval .
L’ultima grande rivoluzione impiantistica nel processo di elaborazione dell’olio extravergine di oliva – ha premesso Clodoveo – è stata l’introduzione del decanter accoppiato alla macchina gramolatrice. Se si osserva il sistema di estrazione definito “continuo” si può riscontrare che, accanto ad una serie di dispositivi in grado di funzionare in modo effettivamente continuo, frangitore e separatore centrifugo, esiste una serie di macchine che opera la gramolazione in batch. L’anello più debole della catena nel processo di estrazione dell’olio extravergine di oliva è dunque la gramolazione. La gramolazione rappresenta attualmente il “collo di bottiglia” del processo di estrazione continuo. Il collo di bottiglia non è altro che una singola tappa in grado di rallentare l’intero processo. (figura 1).

La strategia
Attualmente il sistema utilizzato per garantire continuità al processo, senza interrompere l’attività delle macchine a monte e a valle della gramola, consiste nel porre più macchine gramolatrici in parallelo, con un pesante investimento economico (foto 1). Non è stato, quindi, ancora risolto il problema principale che condiziona l’efficienza del sistema attuale di estrazione continua: la conversione della gramolazione da processo batch in processo continuo.
Per realizzare un impianto innovativo per il processo di elaborazione dell’extravergine è stata focalizzata l’attenzione su due obiettivi chiave:
– l’aumento della capacità lavorativa delle linee industriali mediante la trasformazione della gramolazione da fase discontinua a processo continuo;
– l’aumento della resa in olio mediante il recupero di un’ulteriore percentuale di prodotto, che attualmente rimane intrappolata nei sottoprodotti ed è estratta mediante solventi.
«Una strategia – ha sottolineato Clodoveo – utile ad aumentare le rese in olio riducendo i tempi di lavorazione e migliorando l’efficienza del processo può essere l’introduzione di tecnologie in grado di determinare effetti sia meccanici sia termici. Ultrasuoni e microonde sono tecnologie emergenti che hanno già trovato applicazione nell’alimentare mentre, fino ad oggi, non erano state al centro della ricerca e della sperimetazione nel settore dell’elaiotecnica».
Due differenti trattamenti della pasta di olive (ultrasuoni e microonde) sono stati testati nel processo di estrazione dell’extravergine su scala di laboratorio, al fine di accertare se queste tecnologie fossero in grado effettivamente di aumentare le rese di estrazione, migliorando la qualità dell’olio e la sostenibilità ambientale del processo.
Entrambe determinano effetti meccanici e termici:
– l’azione meccanica è in grado di distruggere le pareti cellulari della drupa che possono in parte rimanere ancora integre dopo la frangitura, rilasciando un’ulteriore frazione di olio ancora intrappolata negli oleoplasti e aumentando le rese di estrazione;
– l’azione termica, più rapida rispetto ai meccanismi di conduzione e convezione, è in grado di ridurre significativamente la durata della gramolazione, fenomeno che può rappresentare un primo passo verso la definizione di un processo totalmente continuo.

Le differenze
L’effetto meccanico degli ultrasuoni è principalmente dovuto ai fenomeni di cavitazione. La cavitazione consiste nella formazione, crescita e implosione di bolle di gas ad alta pressione negativa, in grado di promuove la rottura delle pareti delle cellule vegetali e il rilascio di composti minori dal loro interno.
Il loro effetto termico, invece, è dovuto alla conversione dell’energia cinetica delle onde ultrasoniche che vengono assorbite dal mezzo di propagazione.
Il riscaldamento a microonde è un processo dovuto all’interazione tra la radiazione elettromagnetica e le molecole polari del mezzo. L’energia, assorbita volumetricamente, è trasformata in calore.
Le microonde presentano anche un effetto meccanico riconducibile al riscaldamento che determina un aumento del volume del tessuto vegetale in grado di lacerare le pareti cellulari, rilasciando il loro contenuto in fase liquida.
«Affinché si possa progettare un cambiamento della tecnologia nota – ha precisato Clodoveo – è necessario partire da una corretta osservazione dei suoi punti di debolezza».
Monitorando l’andamento della temperatura della pasta di olive durante la gramolazione tradizionale si possono distinguere due diversi periodi: il pre-riscaldamento e la fase di gramolazione effettiva.
Il pre-riscaldamento è il tempo necessario a portare la pasta di olive fino alla temperatura ideale di processo (circa 27°C).
La fase di gramolazione effettiva è il tempo durante il quale avvengono le complesse trasformazioni fisiche, chimiche e biochimiche funzionali ai fenomeni di coalescenza, cambiamento della viscosità della pasta olearia, ripartizione delle sostanze fenoliche e generazione dei composti volatili.
Il pre-riscaldamento può assumere anche durate comparabili al tempo di gramolazione effettiva. Pertanto alla luce di queste osservazioni, la gramolazione tradizionale è stata confrontata con il preriscaldamento della pasta di olive mediante ultrasuoni e microonde. I risultati hanno dimostrato che l’impiego degli ultrasuoni riduce il tempo di pre-riscaldamento ad 1/3 del suo valore, mentre le microonde addirittura a 1/10.
L’efficacia degli effetti termici non può costituire da sola la leva per la scelta di una tecnologia rispetto ad un’altra. In un mondo sempre più attento al risparmio di risorse occorre considerare anche l’efficienza energetica del processo, che nel caso delle microonde, tecnologia per ora energivora, non si è rivelato un dato positivo. Al contrario gli ultrasuoni sono caratterizzati da una elevata efficienza energetica che rende la tecnologia competitiva rispetto al sistema tradizionale. L’effetto termico indotto dall’applicazione degli ultrasuoni alla pasta di olive determina un tempo di pre-riscaldamento più breve e un consumo di energia minore rispetto alla gramolazione tradizionale. Superato l’esame della sostenibilità del processo occorre accertare che la qualità dell’olio non venga alterata. Test condotti sugli oli estratti da un impianto in scala di laboratorio, utilizzando gli ultrasuoni per il pre-trattamento della pasta olearia, hanno rivelato che:
– i principali parametri chimici necessari per legge per definire la classe commerciale del prodotto non erano influenzati dal pretrattamento ad ultrasuoni;
– tocoferoli, carotenoidi e clorofille risultavano presenti in concentrazioni significativamente maggiori negli oli estratti mediante pre-trattamento ad ultrasuoni rispetto al sistema tradizionale, grazie all’azione meccanica dovuta ai fenomeni di cavitazione;
– i polifenoli, a causa della struttura del sistema ultrasonico impiegato in laboratorio,che esponeva la pasta di olive all’ossigeno, è risultata l’unica classe chimica che non si è avvantaggiata dell’impiego della tecnologia emergente nel pre-trattamento della pasta di olive;
– la valutazione delle rese ha rivelato veritiera l’ipotesi di un contributo positivo riconducibile agli effetti meccanici degli ultrasuoni;
– anche la valutazione organolettica dei campioni, sonicati e non, ha mostrato che gli attributi positivi degli oli non subivano alterazione, mentre le note amare e piccanti assumevano un profilo più armonico.
«Sulla base di questi risultati – ha fatto presente Clodoveo – in collaborazione con Alfa Laval è stato progettato, realizzato e testato il primo prototipo di sono-exchanger: uno scambiatore di energia termica ed ultrasonica. Le prime prove condotte nel 2013 presso il frantoio di Santa Téa della famiglia Gonnelli, a Reggello (Fi), hanno mostrato che le osservazioni condotte in laboratorio potevano avere un riscontro positivo anche su scala reale».
Nel 2014, grazie al finanziamento della Regione Molise, l’azienda molisana Aloia di Colletorto (Cb), in collaborazione con l’Università degli Studi di Bari, Alfa Laval-Olive Oil e Weal srl, ha contribuito alla progettazione, realizzazione, collaudo e messa a punto di un sistema innovativo ad ultrasuoni per la produzione di olio extra vergine di oliva ad elevato valore nutrizionale e a ridotto impatto ambientale.
Il progetto dal titolo, “Ultra Dop – Olive Oil”, ha consentito di realizzare un prototipo di scambiatore di calore combinato con sonde ad ultrasuoni collocabile a valle del frangitore, in grado di preriscaldare e sonicare la pasta di olive prima di una breve passaggio in gramola. (foto 2).
Lo studio energetico per il dimensionamento dell’impianto è stato condotto da Riccardo Amirante del Politecnico di Bari.

I risultati del test
Il prototipo testato, per la prima volta costruito ed installato in un impianto in scala reale ha consentito di ottenere:
– rese soddisfacenti nella metà del tempo convenzionale;
– un minor impiego di risorse grazie all’elevata efficienza energetica degli ultrasuoni;
– l’impiego della metà del parco gramole presenti in frantoio;
– buone caratteristiche qualitative dell’olio prodotto sotto il profilo chimico-fisico, nutraceutico ed organolettico.
La figura 3 mostra l’andamento delle temperature della pasta olearia confrontando la gramolazione tradizionale con il processo condotto introducendo nella linea di trasformazione il sono exchanger.
L’aspetto più evidente è il tempo ridotto con cui la pasta olearia raggiunge la temperatura di gramolazione, 27°C. La combinazione dello scambio termico e dell’azione delle onde ultrasoniche ha fatto in modo che la pasta sia stata caricata all’interno della vasca della gramola direttamente a 27°C. La pasta è stata mantenuta in agitazione per circa 20 minuti, azionando solo il movimento dell’aspo nella gramola ed escludendo la circolazione dell’acqua calda nella camicia. L’aspetto più interessante, e a volte trascurato, riguarda invece la fase di scarico della pasta nelle condizioni di gramolazione tradizionali. Partiamo dalla costatazione che l’acqua che circola nella camicia ha una temperatura leggermente superiore alla temperatura che deve raggiungere la pasta olearia all’interno della vasca della gramola. In fase di scarico, rimanendo costante la portata dell’acqua e la sua temperatura, possiamo affermare che rimane costante anche la potenza termica scambiata tra i fluidi. Tuttavia, il volume di pasta olearia diminuisce progressivamente, determinando un innalzamento progressivo della temperatura della pasta che permane all’interno della gramola in attesa di essere inviata al decanter. In questa fase la pasta subisce un
innalzamento di temperatura spesso trascurato, che non si osserva se la lavorazione avviene impiegando il sono-exchanger in quanto la circolazione dell’acqua calda
nella camicia è stata esclusa. Ecco dunque un ulteriore vantaggio.
È stato studiato, inoltre, l’effetto del pretrattamento della pasta di olive con ultrasuoni prima della gramolazione sulle rese di estrazione dell’olio e sulla qualità del prodotto. I risultati ottenuti hanno evidenziato che il trattamento di sonicazione è in grado di migliorare dell’1% la resa in olio e del 5,74% l’estraibilità.

Qualità
assicurata
Il trattamento a ultrasuoni non ha causato cambiamenti per quanto concerne gli indici di qualità, la composizione in acidi grassi ed i composti volatili dell’olio extravergine di oliva. Inoltre, gli ultrasuoni non hanno accelerato i fenomeni di autossidazione del prodotto. L’olio ottenuto da paste di olive trattate con ultrasuoni ha mostrato un maggiore contenuto di tocoferoli, clorofille e carotenoidi.
è stato inoltre evidenziato l’effetto positivo della sonicazione della pasta che ha influito sulla percezione sensoriale dell’olio divenuto più aggressivo, non alterando i parametri qualitativo stabiliti dalla normativa per la classificazione del prodotto. Oltre a un incremento del valore nutraceutico degli oli così ottenuti dovuto a una maggiore concentrazione in tocoferoli e carotenoidi.
Un effetto positivo si è riscontrato anche sugli enzimi endogeni, grazie all’aumentato potere di inibizione nei confronti della polifenolossidasi. n


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