Struttura e Proprietà Fisiche degli Alimenti

Crediti: 
12
Anno accademico di offerta: 
2021/2022
Responsabile della didattica: 
Semestre dell'insegnamento: 
Primo Semestre
Anno di corso: 
1
Lingua di insegnamento: 

Italiano

L'insegnamento è suddiviso nei seguenti moduli didattici: 

Obiettivi formativi

Per il modulo di Chimica Fisica:
Alla fine del corso, lo studente dovrà aver acquisito la capacità di applicare le conoscenza e la capacità di comprensione acquisita allo studio e all’interpretazione della struttura e delle proprietà fisiche degli alimenti e dei principali processi di produzione e conservazione.
Come risultati dell’apprendimento ci si attende che lo studente sia in grado di mostrare:
1. Conoscenza e capacità di comprensione:
- conoscere il linguaggio specifico proprio della disciplina e la terminologia corretta;
- dimostrare conoscenza e capacità di comprensione dei principi alla base della Chimica Fisica, in particolare circa la termodinamica applicata alle reazioni chimiche e ai sistemi alimentari e biologici, come chiave di lettura per la comprensione dei principali meccanismi connessi con la conservazione e la produzione degli alimenti e dei principi su cui si basano i principali metodi di studio della struttura e delle proprietà fisiche degli alimenti, i fenomeni di trasporto, interpretati secondo i modelli della termodinamica di non equilibrio, e la loro importanza nei processi alimentari, la stabilità dei sistemi colloidali e le implicazioni in campo alimentare.
2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione:
- applicare le conoscenze acquisite all’ analisi dei processi chimici in ambito alimentare con metodologie chimico-fisiche, per una verifica della loro fattibilità e ottimizzazione;
- trattare i dati sperimentali sulla base di modelli;
3. Abilità comunicative:
- comunicare i risultati degli studi anche ad un pubblico non esperto.
- saper redigere un documento formale, ordinato, comprensibile e consono al contesto professionale.
- trasferire le proprie intuizioni e analisi al gruppo di lavoro, usando il linguaggio specifico proprio della disciplina e la terminologia corretta;
4. Autonomia di giudizio:
- saper valutare con senso critico i limiti di validità dei modelli chimico-fisici utilizzatiati;
5. Capacità di apprendimento:
- studiare in autonomia;
- aggiornarsi mediante la lettura di testi di base e anche di livello più avanzato e la consultazione delle pubblicazioni scientifiche di settore;
- collegare tra loro argomenti trattati nel corso e argomenti affrontati negli insegnamenti dell’anno successivo.

Per il modulo di Struttura e Proprietà Fisiche degli Alimenti:
- Conoscenze e capacità di comprensione: il corso vuole mettere in grado lo studente di acquisire conoscenze approfondite dei fattori che influenzano le proprietà macroscopiche, la stabilità e la microstruttura dei prodotti alimentari e delle tecniche analitiche per la caratterizzazione fisica di materiali alimentari.
- Conoscenze e capacità di comprensione applicate: il corso vuole rendere lo studente capace di applicare le informazioni acquisite nell’industria alimentare per la valutazione e controllo della stabilità chimico-fisica e della struttura di alimenti.
- Autonomia di giudizio: grazie alle informazioni recepite, il corso intende fornire allo studente gli strumenti per discutere in modo critico la struttura degli alimenti in relazione alla loro stabilità, e la scelta delle tecniche analitiche più idonee per lo studio di tali fattori.
- Abilità comunicative: il corso intende far acquisire allo studente un linguaggio tecnico-scientifico adeguato per la comunicazione delle conoscenze apprese ad interlocutori specialisti e non.
- Capacità di apprendere: il corso intende far acquisire allo studente le capacità di apprendimento necessarie per studiare in un modo ampiamente autonomo, attraverso la ricerca di casi studi che vengono discussi in classe.

Prerequisiti

Per il modulo di Chimica Fisica:
Il Modulo non ha propedeuticità ufficiali.

Per il modulo di Struttura e Proprietà Fisiche degli Alimenti:
Operazioni unitarie delle tecnologie alimentari e processi alimentari.

Contenuti dell'insegnamento

Per il modulo di Chimica Fisica:
E’ obiettivo del modulo la conoscenza e la capacità di comprensione dei principi atti a spiegare ed ad interpretare i processi fisici e le trasformazioni chimiche, tramite l’impiego di “modelli”, peculiarità della Chimica Fisica. La prima parte del modulo riguarda la termodinamica classica con speciale riferimento alle problematiche alimentari (attività dell’acqua, diagrammi di fase alimentari, polimorfismo, etc.)
La seconda parte affronta la termodinamica di non equilibrio e i fenomeni di trasporto, in particolare quelli coinvolti nella produzione e nella conservazione degli alimenti (viscosità, diffusione, sedimentazione).
La terza parte è relativa ai sistemi colloidali e alla loro stabilità in specie in relazione ai sistemi alimentari.

Per il modulo di Struttura e Proprietà Fisiche degli Alimenti:
- Stato cristallino e amorfo, fasi, transizioni di fase primarie e secondarie, transizioni di fase nei principali componenti alimentari, transizioni di fase in alimenti e processi.
- Stato dell’acqua a diversi livelli strutturali e stabilità degli alimenti
- Tecniche di analisi termica: DSC; TGA; DMA
- Tecniche reologiche: analisi della consistenza e reometria
- Analisi della microstruttura: microscopia.
- Relazione Struttura-funzionalità nutrizionale, tecnologica e sensoriale.

Programma esteso

Per il modulo di Chimica Fisica:
1. Termodinamica classica applicata a sistemi chimici, biologici e alimentari con elementi di termodinamica statistica. Principi della termodinamica. Variabili e funzioni di stato. Dipendenza delle grandezze termodinamiche da pressione e temperatura. Termochimica. Calorimetria. Significati sperimentali e molecolari della termodinamica. Concetti introduttivi di termodinamica statistica. Alcuni esempi numerici.
2. Equilibri di fase nelle sostanze pure. Diagrammi di fase. Equazione di Clapeyron e di Clausius-Clapeyron. Regola delle fasi.
3. Proprietà termodinamiche delle soluzioni e loro applicazioni Sistemi aperti e quantità molari parziali. Soluzioni ideali e soluzioni reali. Legge di Raoult e legge di Henry. Soluzioni regolari. Funzioni eccesso. Il concetto di attività: l’attività dell’acqua e la conservazione degli alimenti.
4. Equilibrio fra le fasi nei sistemi binari. Distillazione frazionata. Azeotropo, eutettico, lacuna di miscibilità, formazione di composti. Transizioni di fase nei materiali alimentari. Lo stato vetroso e la transizione vetrosa.
5. Soluzioni di macromolecole. Il potenziale chimico del solvente. Proprietà colligative. Equilibri di fase in presenza di una membrana semipermeabile: pressione osmotica. Equilibrio di dialisi ed effetto Donnan.
6. Equilibrio in una reazione chimica. Condizioni di equilibrio in una reazione chimica. Energia libera e costante di equilibrio. Reazioni endoergoniche ed esoergoniche. Accoppiamento di reazioni.
7. Termodinamica di non equilibrio e processi di trasporto. L’ordine dal caos: le strutture dissipative. Forze e flussi ed equazioni fenomenologiche. Teoremi. Legge di Onsager. Funzione di dissipazione. Concetto di stato stazionario.La mobilità degli ioni in soluzione. Elettroforesi. Diffusione. Sedimentazione. Reologia e viscosità.
8. Sistemi colloidali. Grandezza e forma delle particelle colloidali. Classificazione di Ostwald. Tensione superficiale ed energia libera di superficie. Forze di van de Waals. Potenziale di Lennard-Jones. Forze intermolecolari nei sistemi colloidal. Teoria DLVO. Interazioni idrofobiche, idratazione idrofobica e effetto idrofobico: modelli interpretative. Struttura e classificazione dei tensioattivi. Formazione di micelle. Le micelle di caseina. Emulsionanti e stabilizzanti in campo alimentare. Lavoro di adesione e coesione e coefficiente di spreading. Bagnabilità. Ostwald ripening. Isoterma di Gibbs. Pressione di Laplace. I più comuni colloidi alimentari: emulsioni, schiume, dispersioni e sospensioni, geli. Metodi di preparazione. Esempi: la birra, la panna montata, il gelato, la meringa, il burro, la maionese. Emulsioni naturali: latte, uova, oleosomi e metodi di stabilizzazione adottati dalla natura. Il gradiente di tensione superficiale: effetto Marangoni. Proprietà chimico fisiche di un colloide alimentare. Microemulsioni. Cristalli liquidi liotropici e termotropici.

Per il modulo di Struttura e Proprietà Fisiche degli Alimenti:
- Stato cristallino e amorfo, fasi, transizioni di fase primarie e secondarie, transizioni di fase nei principali componenti alimentari, transizioni di fase in alimenti e processi.
- Stato dell’acqua a diversi livelli strutturali e stabilità degli alimenti
- Tecniche di analisi termica: DSC; TGA; DMA
- Tecniche reologiche: analisi della consistenza e reometria
- Analisi della microstruttura: microscopia.
- Relazione Struttura-funzionalità nutrizionale, tecnologica e sensoriale.

Bibliografia

Per il modulo di Chimica Fisica:
- J. N. Coupland, An Introduction to the Physical Chemistry of Food, Springer, New York (2014)
- P. Walstra, Physical Chemistry of Foods, Marcel Dekker, Inc, New York (2003)
- P. W. Atkins, J. De Paula, Elementi di Chimica Fisica, quarta edizione italiana, Zanichelli, Bologna, 2018.
- P. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica Biologica 1 e 2, Zanichelli editore, Bologna (2008).
- E. Dickinson, M. Leser, Food Colloids - Self-Assembly and Material Science, RCS Publishing, 2006

Per il modulo di Struttura e Proprietà Fisiche degli Alimenti:
Fondamentali:
- Materiale didattico (presentazioni pptx) utilizzato dalla docente durante le lezioni.
- Capitoli 4, 5, 12 del testo “Food Materials Science: Principles and Practice (Food Engineering Series), Aguilera, Lillford, 2008, Springer”
Di approfondimento:
- Non-Equilibrium States and Glass Transitions in Foods, 1st Edition, Processing Effects and Product-Specific Implications, Eds. Bhesh Bhandari Yrjö Roos.
- Phase Transitions In Foods, Roos, 1995, Academic Press
- Physical properties of foods: novel measurement techniques and applications Arana, 2012, CRC Press
- Food texture and viscosity, concept and measurement, 2nd edition, Bourne, Academic Press, Food Science and Technology, International Series

Metodi didattici

Per il modulo di Chimica Fisica:
Le lezioni si svolgeranno in presenza. Buona parte delle lezioni sarà anche disponibile in modalità asincrona sulla pagina Elly del corso. Nel caso di perdurare della situazione pandemica le lezioni saranno fruibili anche a distanza in modalità sincrona via teams. Durante le lezioni frontali, condotte con l’ausilio di presentazioni ppt a computer, a disposizione degli studenti sul sito ELLY del corso di laurea prima delle lezioni stesse, saranno discusse le problematiche generali connesse all’applicazione dei modelli chimico fisici ai sistemi alimentari e biologici. Durante il modulo sono previste esercitazioni numeriche e “question time” per ottimizzare il livello di comprensione degli argomenti trattati. Le slide su ELLY, come pure i video associati, costituiscono parte integrante del materiale didattico.

Per il modulo di Struttura e Proprietà Fisiche degli Alimenti:
Le lezioni saranno organizzate in presenza.
Qualsiasi altra modalità didattica derivante dalla situazione pandemica sarà il risultato del recepimento delle indicazioni di Ateneo.
Il materiale didattico sarà caricato sulla piattaforma elly dedicata.
Durante le lezioni si alterneranno momenti prevalentemente frontali a momenti interattivi con gli studenti.

Durante le lezioni verranno proposti lettura individuale di articoli scientifici e discussione dei contenuti in classe e seminari di approfondimento.

Modalità verifica apprendimento

Per il modulo di Chimica Fisica:
Nel caso in cui sia possibile svolgere esami scritti in presenza, per accertare il raggiungimento degli obiettivi previsti, durante il corso sono previste 2 prove scritte in itinere con domande aperte, il cui esito positivo (voto medio minimo 18/30 con nessuna prova al di sotto dei 16/30) comporta il superamento dell’esame. I risultati delle prove in itinere, per completare le quali gli studenti hanno a disposizione un’ora, sono pubblicati sulla piattaforma Elly. Il voto finale è la media dei voti conseguiti nelle due prove in itinere. Per gli studenti che non superano almeno una delle prove in itinere, l’esame consiste di un’unica prova scritta con domande aperte durante le regolari sessioni di esame, effettuate contestualmente a quelle del modulo di struttura e proprietà fisiche degli alimenti. In alternativa, nel caso in cui non sia possibile svolgere gli esami in presenza, l’esame consiste di un’unica prova orale con domande aperte su tutto il programma durante le regolari sessioni di esame, condotta per via telematica sulla piattaforma Teams (senza prove in itinere). Gli studenti possono visionare gli elaborati corretti sia d'esame che delle prove in itinere previo appuntamento col docente. In caso di risultato positivo (> o = a 18/30), il voto nel modulo contribuirà al risultato finale per l'esame di "Struttura e Proprietà Fisiche degli Alimenti", il cui voto finale è la media dei voti riportati nei due moduli che costituiscono il corso.
Nel caso di restrizioni dovute alla pandemia, le verifiche in itinere saranno somministrate da remoto sulla piattaforma ELLY con le stesse modalità

Per il modulo di Struttura e Proprietà Fisiche degli Alimenti:
Esame scritto con domande aperte che verterà alla verifica del livello di conoscenza acquisito e di comprensione della materia oggetto del corso, alla capacità di applicare tali conoscenze alla soluzione di casi studio, e al linguaggio tecnico-scientifico maturato.
L’esame sarà costituito da 4 domande aperte, ognuno delle quali dalla valenza di massimo 8 punti per ciascuna domanda.