Essiccazione e reidratazione di pere: ottimizzazione e modellazione

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Capitolo 1 
 
Introduzione 
 
1.1 Essiccazione 
 
L’essiccazione è uno dei più antichi metodi di conservazione di alimenti. 
È un’operazione unitaria che, mediante l’applicazione di un flusso termico, in 
condizioni controllate, consente di rimuovere la maggior parte dell’acqua presente 
in un alimento (Fellows P. J., 2000). 
L’obiettivo principale dell’essiccamento di un alimento è il prolungamento della 
sua shelf-life. Riducendo il contenuto di acqua si inibiscono la crescita e la 
riproduzione dei microrganismi, si riduce l’attività enzimatica e si rallentano 
eventuali reazioni di degradazione. Altri vantaggi di un processo di essiccazione 
riguardano la riduzione del peso, del volume e, in generale, delle dimensioni del 
prodotto finito. Ciò ne facilita il trasporto e lo stoccaggio (si occupa meno spazio 
e si riducono i costi di refrigerazione), comporta una riduzione dei costi di 
packaging ed una diversificazione alimentare, offrendo un’alternativa al consumo 
di prodotti freschi (Guinè R. P. F., 2006; Guinè R. P. F., 2008; Lewicki P. P., 
2006; Fellows P. J., 2000; López L. M., 2006). 
Un processo di essiccamento può avere anche degli effetti negativi sull’alimento, 
quali shrinkage, variazione del colore (imbrunimento), del flavour e della texture; 
ma anche riduzione delle proprietà nutrizionali (perdita di vitamine) e della 
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capacità di reidratazione. Per minimizzare tali aspetti è necessario conoscere il 
meccanismo con cui avvengono i fenomeni che caratterizzano il processo, per 
poter scegliere le condizioni operative ottimali ed ottenere un essiccato di qualità 
(Guinè R. P. F., 2006; Lewicki P. P., 2006). 
L’essiccamento è un processo molto complesso caratterizzato da due fenomeni 
che avvengono simultaneamente:  
• Un fenomeno di trasporto di calore, caratterizzato da un flusso termico 
proveniente dall’ambiente esterno e diretto verso l’alimento, che provoca 
l’evaporazione dell’acqua, fino al raggiungimento dell’equilibrio; 
• Un fenomeno di trasporto di materia, caratterizzato da un flusso di acqua che 
si muove attraverso la matrice solida (in forma liquida o vapore) e dallo strato 
superficiale dell’alimento verso l’ambiente esterno (sottoforma di vapore 
acqueo).  
La velocità del processo di essiccamento dipende essenzialmente dalle velocità di 
questi due fenomeni; in particolare è influenzata dalla velocità del processo 
limitante. 
 
Affinché l’essiccazione avvenga, si deve fornire, dall’ambiente esterno al solido 
umido, la quantità di calore sensibile e latente necessaria a rimuovere dal prodotto 
sia l’acqua libera sia l’acqua legata. 
Il trasporto termico può realizzarsi in vari modi (per convezione, conduzione, 
irraggiamento o per la combinazione di questi effetti); per ogni tecnica, il flusso 
termico è applicato alla superficie esterna del solido e da qui raggiunge l’interno 
dello stesso. 
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Per effetto del flusso termico applicato, inizialmente, si ha la rimozione dell’acqua 
superficiale, sottoforma di vapore, attraverso il film di aria che circonda 
l’alimento (fase che dipende da temperatura, pressione, umidità e velocità 
dell’aria e dall’area superficiale esposta). Quando poi le cellule dello strato 
superficiale hanno perso tutta l’acqua, si realizza un gradiente di concentrazione 
tra queste e quelle dello strato immediatamente successivo che, contraendosi, 
iniziano a pompare acqua alle cellule del primo strato. Il trasporto di acqua 
prosegue secondo questo meccanismo ed il fronte di disidratazione avanza dalla 
superficie esterna del tessuto vegetale verso il centro dell’alimento, così come il 
fenomeno di restringimento dei tessuti. 
Il movimento dell’acqua all’interno del solido (figura 1) dipende dalle sue 
caratteristiche fisiche (porosità, densità, ecc.) e chimiche (es. contenuto di 
umidità), nonché dalle condizioni operative del processo (es. temperatura) (López 
L. M., 2006; Fellows P. J., 2000). 
 
 
Figura 1. Movimento dell’acqua attraverso l’alimento, durante il processo di 
essiccazione (Fonte, adattato: Fellows P. J., 2000). 
 
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1.1.1 Curve di essiccamento 
 
I processi di essiccamento presentano delle caratteristiche comuni descritte dalle 
curve di essiccamento.  
Una curva di essiccamento può rappresentare la variazione del contenuto di 
umidità, ovvero la velocità del processo, in funzione dell’umidità (figura 2 (a)) 
oppure del tempo (figura 2 (b)). In queste due curve si rappresenta la stessa 
operazione. 
 
 
 
Figura 2. Velocità di essiccamento in funzione del contenuto d’acqua del prodotto 
(a) e del tempo (b). 
 
(a) 
(b) 
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Inizialmente si ha uno scambio di calore sensibile tra l’alimento ed il mezzo 
essiccante (aria calda) per effetto del quale la temperatura del solido aumenta, fino 
a raggiungere le condizioni stazionarie (questa fase non è rappresentata nei 
grafici), ovvero la superficie del solido umido raggiunge la temperatura di bulbo 
umido (o temperatura di saturazione adiabatica, per un sistema aria-acqua). 
In queste condizioni, ha inizio lo stadio a velocità costante (tratto A-B). 
In questa fase il calore fornito dall’aria è assorbito dall’alimento come calore 
latente e si ha, quindi, il passaggio di stato dell’acqua da liquido a vapore. 
La velocità di essiccazione è determinata dalla velocità con cui il vapor d’acqua 
attraversa la pellicola di aria formatasi sulla superficie umida del solido: rimane 
costante fino al termine del passaggio di stato dell’acqua. 
Sia lo scambio termico sia quello di materia sono di tipo convettivo, perché in 
questa prima fase l’acqua rimossa è quella superficiale, che è in forma libera. 
Lo stadio a velocità costante termina quando è raggiunto il contenuto di umidità 
critica (punto B), in corrispondenza del quale l’acqua ancora presente 
nell’alimento non è più di tipo superficiale. 
La velocità di questa fase dipende dalle condizioni dell’aria (temperatura, umidità 
e velocità) e dalla geometria del materiale. 
Superata l’umidità critica, si ha lo stadio a caduta di velocità (tratto B-D). 
In questa fase il processo di rimozione dell’acqua è più lento perché il trasporto di 
materia è di tipo diffusivo e la superficie complessiva dell’interfase acqua-aria 
comincia a diminuire. L’acqua, per poter evaporare, deve risalire dall’interno 
verso la superficie dell’alimento, incontrando una serie di resistenze che 
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ostacolano il suo percorso. Il fronte di disidratazione si sta spostando verso il 
centro dell’alimento (Singh R.P. & Heldan D. R., 2008). 
L’acqua può muoversi dall’interno dell’alimento verso la superficie secondo 
diversi meccanismi (Fellows P. J., 2000; Mujumdar A. S., 2006):  
• Per capillarità, soprattutto se l’alimento ha una struttura porosa. L’acqua, per 
effetto della tensione superficiale, fluisce nei capillari che si formano nelle 
regioni superficiali del solido; si verifica quando il contenuto di umidità 
supera quello di equilibrio, a saturazione atmosferica. 
• Per diffusione in fase liquida: consiste nel movimento di particelle di liquido 
da una regione del solido a maggior concentrazione di umidità verso una 
regione a concentrazione minore; si ha quando il solido umido è ad una 
temperatura inferiore al punto di ebollizione del liquido. 
• Per diffusione in fase vapore: diffusione del vapore attraverso gli spazi 
all’interno della struttura dell’alimento, causata da un gradiente di pressione. 
Se si opera con un alimento igroscopico lo stadio a caduta di velocità è costituito 
da due o più tratti, caratterizzati da due pendenze. 
Superato il punto C, ci si avvicina alle condizioni di equilibrio e la velocità di 
essiccamento diminuisce sempre più rapidamente, a causa della difficoltà di 
diffusione dell’acqua all’interno del solido verso la superficie. 
Il processo di essiccamento termina quando l’umidità del solido raggiunge il 
valore di equilibrio (Singh R.P. & Heldan D. R., 2008).  
Il periodo a caduta di velocità è, in genere, la parte più lunga dell’operazione di 
essiccamento ed in qualche alimento, che presenta un contenuto di umidità 
iniziale inferiore all’umidità critica, è la sola parte della curva osservabile. 
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Durante tale periodo il fattore che controlla la velocità del processo è il trasporto 
di materia. Nel primo tratto a caduta di velocità la diffusione in fase liquida 
potrebbe essere il principale meccanismo di trasporto dell’umidità all’interno del 
solido, mentre nel secondo tratto il meccanismo più importante potrebbe risultare 
la diffusione in fase vapore. I meccanismi che operano dipendono principalmente 
dalla temperatura dell’aria e dalle dimensioni dell’alimento e sono indipendenti 
dall’umidità relativa e dalla velocità di flusso dell’aria. 
Le dimensioni dell’alimento giocano un ruolo importante sulla velocità di 
essiccamento sia nel periodo a velocità costante che in quello a caduta di velocità. 
Nel primo, pezzi più piccoli forniscono un’area superficiale maggiore per 
l’evaporazione; nel secondo, pezzi di dimensioni contenute si traducono in un 
minor percorso dell’umidità all’interno del solido (Fellows P. J., 2000).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1.2 Tecniche di essiccazione 
 
Esistono varie tecniche di essiccamento, che possono essere classificate in 
funzione dei cambiamenti fisici cui è sottoposta l’acqua che lascia il prodotto; si 
distinguono quindi tre metodi in cui l’acqua è rimossa, rispettivamente, per 
evaporazione, per sublimazione e allo stato liquido, ovvero senza passaggio di 
fase (López L. M., 2006). 
 
1.2.1 Metodi di essiccamento in cui l’acqua è rimossa per 
evaporazione  
 
Si fornisce all’alimento la quantità necessaria di calore sensibile e latente affinché 
acqua e vapore acqueo si muovano dall’interno verso la superficie dello stesso, 
per evaporare verso l’ambiente circostante. I metodi che rientrano in questa 
categoria differiscono, sostanzialmente, per il mezzo essiccante (López L. M., 
2006.) 
 
1.2.1.1 Essiccamento per convezione 
 
È il metodo industriale più economico, più utilizzato e più semplice. 
Durante l’essiccamento per convezione di un corpo solido umido, il mezzo 
essiccante è l’aria calda che fornisce la quantità di calore sensibile e latente 
necessaria per rimuovere l’acqua, ma agisce anche da carrier per il vapore acqueo 
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formatasi, trasportandolo lontano dalla superficie esterna che sta essiccando e 
permettendo l’ulteriore evaporazione (López L. M., 2006). 
La velocità dell’essiccamento, almeno nel primo periodo, sarà tanto maggiore 
quanto maggiore sarà la velocità di circolazione dell’aria e più alta la temperatura.  
Per ottenere prodotti di qualità a costi operativi ragionevoli, la disidratazione 
dovrebbe essere condotta in maniera rapida, per ridurre i tempi di produzione. 
Ma ciò, soprattutto nel caso di frutta e vegetali, potrebbe comportare la 
formazione di una crosta superficiale dura ed impermeabile (fenomeno di case 
hardening) che ostacolerebbe la disidratazione completa del prodotto (Mujumdar 
A. S., 2006). 
Tra i sistemi di disidratazione che si basano su questo metodo rientrano 
l’essiccazione al sole, a letto fluido, ecc. e, nel caso di alimenti in forma liquida, 
lo spray drying. 
 
Essiccamento al sole (essiccamento naturale) 
Sin dall’antichità l’energia solare è stata utilizzata per essiccare e preservare le 
riserve agricole che avanzavano. L’essiccamento al sole era ed è tutt’ora il mezzo 
più economico di conservazione degli alimenti; questo metodo è ancora 
ampiamente utilizzato nei paesi in via di sviluppo, per essiccare principalmente 
frutta e vegetali (Mujumdar A. S., 2006). 
Consiste nell’esporre al sole e all’aria gli alimenti, per un lungo periodo di tempo 
(settimane o mesi), fino al loro totale essiccamento. 
Questo metodo ha però molti aspetti negativi (Fellows P. J., 2000; Mujumdar A. 
S., 2006), perché: 
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• Non sempre rispetta gli standard di igiene, perché l’alimento può essere 
contaminato da polvere, insetti, animali, inquinanti e microorganismi; 
• Non è un processo controllabile, dal punto di vista delle condizioni operative 
perché soggetto alle condizioni meteorologiche (temperatura, umidità e 
velocità dell’aria); 
• I lunghi tempi di essiccamento e la lunga esposizione all’aria possono 
comportare un’indesiderata variazione delle caratteristiche fisiche ed 
organolettiche del prodotto, ma anche un suo eccessivo deperimento chimico, 
enzimatico e microbiologico. 
 
Essiccamento a letto fluido 
In questo tipo di essiccamento l’aria calda è inviata dal basso e fatta passare 
attraverso un letto di particelle di alimento, ad una velocità tale da superare le 
forze gravitazionali, in modo da mantenere le particelle in uno stato di 
sospensione (stato fluidizzato). La fluidizzazione è un metodo molto efficace 
perché si massimizza la superficie di scambio necessaria all’essiccamento, quindi 
si riducono i tempi di processo senza provocare eccessivi danni al prodotto. 
La velocità dell’aria per ottenere la fluidizzazione del letto varia con le dimensioni 
e con la densità del materiale da essiccare. 
Il trasporto termico in un letto fluido è favorito dall’alta velocità dell’aria, ma c’è 
il rischio che le particelle più piccole siano trasportate al di fuori del letto, 
aumentando il grado di vuoto e riducendo, di conseguenza, l’efficienza 
volumetrica dell’apparecchiatura (Mujumdar A., 2006).