Supercritical carbon dioxide drying of shrimps: optimization and quality study

Food drying is a traditional method for preserving food, aimed to reduce its water content to reduce the kinetic of microbial growth and degradation reactions, that are the main causes of spoilage. Existing drying technologies often have limitations, including quality degradation, insufficient microbial inactivation, together with high production cost and energy consumption. To avoid these drawbacks the use of supercritical carbon dioxide (scCO2) has been investigated as an alternative low temperature drying technique, able to dry and inactivate microorganisms simultaneously, resulting in microbiologically safe and high-quality food products. In this research study scCO2 drying has been performed on shrimps. Experiments were carried out with a lab-scale reactor with recirculation. Two Design of Experiments were used to assess at first, with a screening DoE, the influence of temperature (35-45°), pressure (100-140 bar) and CO2 flowrate (10-20 kg/h) on the final moisture content and water activity of the shrimps. Then a central composite design was used to investigate the impact of treatment time (4-8 h) and CO2 flowrate (15-25 kg/h) on the drying performance and the final product characteristics. The primary goal of this study was to determine the optimal process parameters for scCO2 drying that would yield a high-quality, sufficiently dried product while minimizing energy consumption. Drying efficiency was evaluated based on weight loss, moisture ratio, and water activity. Rehydration capacity and color changes were also assessed at the University of Trento (UNITN), by the research group of Professor Flavia Gasperi. Results highlighted that time, and flowrate had the most significant effect on the drying performance achieving the minimum value of water activity (0.644) at 8 h and 25 kg/h. most dried samples demonstrated a higher capacity of rehydration. The process was able to completely inactivate the indicator microorganisms inoculated on the samples after 4-hour treatment. The color of the samples had not noticeable changes, with better preliminary visual results with respect to air dried samples In the final phase of this research, an experimental drying model based on the Page model was developed using data from various drying times under identical conditions. While further research will continue in the Superunit laboratory, the findings of this study suggest that scCO2 drying could be a promising alternative to traditional drying methods in the food industry. The optimal conditions could be selected based on economic considerations or additional studies on long-term product stability.

L’essiccazione degli alimenti è un processo tradizionale nell’industria alimentare, che mira ad aumentare il loro periodo di conservazione. Questa è volta a ridurne il contenuto di acqua al fine di inibire la crescita microbica e le reazioni di degradazione, che sono le principali cause di deterioramento. Le tecnologie di essiccazione esistenti spesso presentano alcune limitazioni, tra cui la perdita di qualità del prodotto, l’incapacità di inattivare sufficientemente i microrganismi, nonché alti costi di produzione e consumo energetico. Per evitare questi inconvenienti l’utilizzo di anidride carbonica supercritica (scCO2 è stato studiato come tecnica alternativa di essiccazione a bassa temperatura, capace di essiccare e inattivare contemporaneamente i microrganismi, risultando in prodotti alimentari microbiologicamente sicuri e di alta qualità. In questo studio sono stati portati avanti esperimenti di essiccazione con CO2 supercritica su gamberetti congelati precotti (litopenaeus vannamei). Gli esperimenti sono stati condotti con un reattore su scala di laboratorio con ricircolo. Sono stati utilizzati due Design of Experiment per valutare inizialmente, con un DoE di screening, l’influenza della temperatura (35-45°), della pressione (100-140 bar) e della portata di CO2 (10-20 kg/h) sul contenuto di acqua finale e sull’attività dell’acqua dei gamberetti. Successivamente, un central composite design (CCD) è stato utilizzato per indagare l’impatto del tempo di trattamento (4-8 ore) e della portata di CO2 (15-25 kg/h) sulle prestazioni di essiccazione e sulle caratteristiche finali del prodotto. L'obiettivo principale di questo studio era determinare i parametri ottimali del processo di essiccazione con scCO2 che avrebbero portato a un prodotto di alta qualità, sufficientemente essiccato, minimizzando il consumo energetico. L'efficienza dell'essiccazione è stata valutata in base alla perdita di peso, rapporto di umidità e all'attività dell'acqua. La capacità di reidratazione e i cambiamenti di colore sono stati ì valutati presso l'Università di Trento (UNITN), dal gruppo di ricerca della professoressa Flavia Gasperi. I risultati hanno evidenziato che il tempo e la portata hanno avuto un effetto significativo sull’essiccazione, raggiungendo il valore minimo di attività dell'acqua (0,644) a 8 ore e 25 kg/h. Il processo è stato in grado di inattivare completamente i microrganismi inoculati sui campioni dopo un trattamento di 4 ore. Il colore dei campioni non ha presentato cambiamenti notevoli, con risultati visivi preliminari migliori rispetto ai campioni essiccati ad aria, mentre per quanto riguarda la reidratazione, i campioni essiccati maggiormente hanno dimostrato una maggiore capacità di riassorbire acqua. Nella fase finale di questa ricerca è stato sviluppato un modello sperimentale di essiccazione basato sul Modello di Page, utilizzando i dati ricavati dai vari batch con diversi tempi di essiccazione, mantenendo le altre condizioni invariate. Mentre ulteriori ricerche saranno portate avanti nel laboratorio Superunit, i risultati di questo studio suggeriscono che l'essiccazione con scCO2 potrebbe essere una promettente alternativa ai metodi tradizionali di essiccazione nell'industria alimentare. Le condizioni ottimali potrebbero essere selezionate in base a considerazioni economiche o ulteriori studi sulla stabilità del prodotto a lungo termine.