Strumenti per l'innovazione di processo nel settore dei formaggi a pasta cotta: image analysis delle dimensioni dei granuli di cagliata e predizione delle cinetiche di scambio termico per raffreddamento convettivo della forma tramite analisi FEM

Abstract

Il settore lattiero caseario ricopre il 12 % dell’intero fatturato dell’industria alimentare italiana e vale quasi il 10 % dell’export alimentare italiano. Grana Padano e Parmigiano Reggiano hanno alti prezzi di vendita rispetto ad altri formaggi considerati ormai “commodities” del mercato alimentare; ciò dimostra le difficoltà che tali prodotti devono superare per operare nel mercato e, quindi, evidenzia la necessità di acquisire strumenti di conoscenza che possano tradursi in strumenti operativi utili per ridurre i costi di produzione, senza pagare un prezzo eccessivo in termini di qualità e nel rispetto dei dettami previsti dal regolamento CE 510/2006. Fra i diversi aspetti che girano attorno al binomio costi produttivi-qualità, due possono assumere un ruolo importante per tutto il comparto caseario: lo studio delle dimensioni dei granuli di cagliata, come condizione per ottimizzare le operazioni di taglio del coagulo, e la previsione delle cinetiche di raffreddamento della cagliata in fascera in funzione di dimensioni, forma e condizioni esterne. Per il primo obiettivo è stata impiegata l’image analysis bidimensionale per determinare le dimensioni dei granuli di cagliata, dopo le fasi di rottura e di cottura, provenienti da 3 caseifici di Parmigiano Reggiano e Grana Padano per un totale di 93 campioni. L'analisi ha permesso di evidenziare che l'area proiettata media dei granuli di cagliata risultanti dalla spinatura è pari a 2,80±4,10 mm2, e che la cottura riduce di circa il 38,6 % tale area, portandola a 1,72±2,12 mm2. L'analisi statistica descrittiva ha evidenziato una distribuzione non simmetrica delle dimensioni attorno al valore medio e valori importanti di differenza tra le dimensioni maggiori e minori dei granuli, differenze queste anche molto variabili a seconda dei caseifici. Inoltre lo studio della distribuzione delle dimensioni dei granuli (subito dopo rottura e cottura) in classi di frequenza progressivamente crescente da 0,1 a 24 mm2 ha evidenziato, come prevedibile, la maggiore numerosità dei granuli di ridotte dimensioni, ma anche come questi granuli ricoprano un valore ridotto dell'intera area proiettata. Considerando infine che il numero di granuli non dovrebbe cambiare in misura importante in seguito all'agitazione durante la cottura, la riduzione del valore di area proiettata potrebbe essere un indice della quantità di siero espulso. È stata, infatti, osservata una concordanza nel valore medio tra il rapporto di contenuto di solidi totali TS di CCG e FCG ed i valori di riduzione di area. L'approccio tramite analisi d'immagine ha dimostrato la fattibilità della misura e potrà consentire di razionalizzare il processo di taglio in modo da ridurre la variabilità delle dimensioni dei granuli. Per il secondo obiettivo l’approccio predittivo, anziché quello empirico di conoscenza delle temperature di raffreddamento, ha portato allo sviluppo di un modello matematico che, tramite l'analisi numerica, ha permesso di simulare gli effetti dello scambio termico (raffreddamento convettivo naturale) di forme cilindriche di formaggio in funzione delle variabili di interesse. Per aumentare la precisione della predizione, il modello ha incluso le funzioni temperatura-dipendenti (k e cp) dell'alimento, le caratteristiche termo-fisiche degli stampi di contenimento ed i parametri dell'aria circostante. Il confronto tra i risultati delle simulazioni ed i dati sperimentali è stato eseguito mediante il calcolo del valore di RMSE. I valori di RMSE ottenuti per i campioni di formaggio (valore medio massimo di 1,23 °C), caratterizzati da temperature iniziali, dimensioni e composizioni differenti, hanno consentito di validare l'attendibilità del modello proposto, quando le assunzioni che lo caratterizzano vengono rispettate. Nello stesso tempo hanno permesso anche di valutare, tramite la validazione delle curve predette riferite ai campioni di cagliata, quale potrebbe invece essere l'ordine di grandezza dell'errore nel caso in cui le assunzioni esposte non siano completamente rispettate. La validazione del modello ha, altre sì, permesso di valutare l'impatto che la scelta dei materiali costituenti lo stampo può avere sulla velocità di raffreddamento della cagliata. L'accuratezza del modello, soprattutto quando sono rispettati i principali assunti, ne potrà permettere l'applicazione in tutti quei settori in cui i fenomeni temperatura-dipendenti influenzano il raggiungimento e/o il mantenimento dei requisiti di qualità, riducendo la necessità di ripetere sperimentazioni onerose. L'integrazione di questo modello con i modelli di previsione della crescita microbica potrà rappresentare un passo avanti negli studi di previsione della crescita microbica stessa in matrici alimentari reali.

The dairy sector covers 12 % of the entire turnover of the Italian food industry and it is worth 10 % of the Italian food export. Selling prices of Grana Padano and Parmigiano Reggiano are higher than those of the cheeses that are considered “commodities” in the food market; this fact explains the difficulties that these products need to overcome in order to operate in the market and, therefore, it proves the necessity to acquire a new knowledge allowing for a reduction in the production costs, both safeguarding cheese quality and the dictates of CE 510/2006 Regulation. Among the various aspects regarding the binomial production cost-quality, two of them can assume an important role for the dairy products: the study of the dimensions of cheese curd grains, as a condition to optimize the cut operations of the coagulum, and the prediction of heat exchange during cheese curd cooling in the mould according to its dimensions, shape and external conditions. The size of curd grains after cutting and cooking were measured by means of bi-dimensional image analysis; 93 samples from 3 factories of Parmigiano Reggiano and Grana Padano were collected. Image analysis showed that the mean projected area of curd grains was 2.80±4.10 mm2 after cutting, while this area was 1.72±2.12 mm2 with a reduction of 38.6% at the end of cooking. The statistic analysis evidenced a not symmetrical distribution of the dimensions around the mean value and a high difference between the greater and smaller size of grains. Moreover the study of the distribution of the size of grains (immediately after cutting and cooking) in frequency classes, progressively increasing from 0.1 to 24 mm2, showed that the number of grains of small dimension was higher, but also that these grains covered a reduced part of the total projected area. Considering that the grain number did not change during stirring and cooking, the reduction of the projected area could be considered an index of the amount of expelled whey. The mean value of the ratio between the total solids of cooked grains and cutting grains and the mean reduction of area were also in agreement. Nevertheless the image analysis demonstrated the feasibility of this approach which may allow to improve the efficiency of milk coagulum cut, and to reduce the variability of cheese curd grains. A mathematical model was developed and used, through the numerical analysis, in order to simulate the effects of the heat exchange (free convection cooling) of cylindrical cheese. The model included cheese temperature-functions (k and cp), the thermo-physical characteristics of the mould and the parameters of the surrounding air. The comparison between the result of the simulations and the experimental data was performed by calculating the RMSE values. The values of RMSE obtained for the cheese samples (the maximum mean value was 1.23 °C), which were characterized by different initial temperatures, dimensions and compositions, confirmed the proposed model when the model assumptions were respected. At the same time, RMSE values allowed to estimate, through the curd samples, the possible error of the prediction if the assumptions were not fully respected. The model validation also allowed to estimate the impact of the mould materials on the cheese cooling rate. The accuracy of the proposed model makes it functional to be applied to all the fields where the temperature phenomena influence the achievement and/or the maintenance of quality requirement, reducing the need of onerous experiments. The heat exchange model can be integrated with a microbial growth prediction model, representing a step forward in the studies of microbial growth prediction in real food matrixes.