La liofilizzazione di molluschi, crostacei, pesci

I molluschi, per la loro azione naturale di “filtro dell’acqua”, sono degli ottimi bioindicatori; le analisi su di essi possono mostrare tracce di inquinamento da metalli pesanti, idrocarburi, microplastiche, radioinquinanti etc.

Negli ultimi tempi, il problema delle microplastiche negli animali marini è diventato molto importante per la salute dei consumatori e con esso sono aumentate le richieste di controllo.

Le analisi di chimica analitica su di essi, in particolare sulle cozze, rispondono ad un’esigenza di conoscenza dello stato di salute del mare dove vengono raccolte e, in seconda battuta, alla sicurezza alimentare del prodotto.

La preparazione del campione per andare a successive analisi analitiche è una tappa importante del processo e richiede molto spesso l’eliminazione dell’acqua che i pesci e i molluschi contengono senza però distruggere/degradare i prodotti in essi contenuti.

Quale miglior metodo di estrazione dell’acqua della liofilizzazione che evita di danneggiare il campione?

La liofilizzazione è un processo fisico di rimozione del solvente acquoso da una matrice di tipo biologico per arrivare ad un prodotto finale ad umidità vicina allo zero; il processo è diviso in tre parti:

Fasi della liofilizzazione

Fasi della liofilizzazione

  1. Nella prima fase, il prodotto viene congelato allo stato solido in modo tale che l’acqua presente nella materia si trasformi in ghiaccio. Questa fase viene tenuta in poca considerazione ma rappresenta un punto di partenza importantissimo; un buon precongelamento favorisce la velocità e l’andamento della successiva liofilizzazione. In generale, per materiale biologico quale microrganismi e virus si suggerisce un congelamento molto veloce mentre per materiale normale un congelamento
    più lento.
  2. Nella seconda fase del processo di liofilizzazione, il ghiaccio formato nella fase di congelamento viene rimosso tramite la trasformazione diretta da solido a vapore per mezzo di un processo chiamato sublimazione.
  3. Nella terza fase del processo, l’acqua che era fortemente legata ai solidi del campione (chiamata acqua adsorbita) viene trasformata in vapore ed estratta dal prodotto. Questo processo viene definito desorbimento.

Differenze principali tra la liofilizzazione e gli altri processi di essiccazione:

  1. il materiale viene solidificato a bassa temperatura prima dell’essiccazione
  2. la rimozione della maggior parte dell’acqua dal campione avviene tramite una conversione diretta dell’acqua dallo stato solido a quello gassoso.

In tutti gli altri processi di essiccazione l’acqua è presente nella materia allo stato liquido, e la rimozione dell’acqua avviene tramite evaporazione (p. es. l’acqua si trasforma dallo stato liquido in vapore) mediante fornitura di elevato calore, che può danneggiare o comunque modificare il campione.

Come è fatto un tipico liofilizzatore?

Nel descrivere un liofilizzatore tipico si deve osservare per prima cosa che, sebbene tutti i liofilizzatori siano costituiti dagli stessi componenti di base, essi possono variare notevolmente in termini di aspetto, dimensione e prestazioni.

Anche se si dovesse tentare di individuare le differenze tra i liofilizzatori da laboratorio e quelli industriali, verrebbe subito alla luce che un liofilizzatore impiegato per la produzione alimentare con una capacità di tonnellate al giorno, ad esempio per la produzione di caffè liofilizzato, opera sostanzialmente seguendo lo stesso principio di un liofilizzatore da laboratorio per la preparazione di pochi grammi al giorno di campioni di tessuto destinati p.e. all’analisi al microscopio.

Liofilizzatore da laboratorio

Figura 1

La figura 1 mostra un liofilizzatore da laboratorio, fornendo un esempio di composizione di sistema.

Sulla destra si può osservare la pompa a vuoto (4), che mediante un tubo ed una valvola, viene collegata ad un condensatore refrigerato (3) che estrae l’acqua.

Sulla parte anteriore del liofilizzatore, vi sono una serie di dispositivi di controllo e di misurazione (2), ed infine una serie di camere per alloggiare il campione (1), alcune delle quali sono collegate al condensatore per mezzo di tubi e sistemi di valvole.

Tutti i liofilizzatori sono costituiti dagli stessi componenti di base, e le differenze sostanziali si osservano soprattutto nelle capacità e nelle dimensioni.

Come deve essere il liofilizzatore che soddisfi varie esigenze?

Quando si acquista un liofilizzatore ci si chiede sempre quanto debba essere grande.

I liofilizzatori da laboratorio sono generalmente misurati in base alla capacità del condensatore di contenere il ghiaccio (ovvero l’acqua dal campione).

Questa capacità non dice nulla sulla velocità con cui il vapore acqueo può essere trasportato nel condensatore, ma solo su quanto ghiaccio può contenere prima che sia necessario scongelarlo.

Una volta che si conosce la concentrazione di acqua nel campione è possibile calcolare la quantità di prodotto da sottoporre al processo di liofilizzazione prima che sia necessario scongelare il condensatore.

La capacità di condensazione deve essere almeno adeguata per gestire la quantità di prodotto da lavorare in un unico lotto, con un eccesso di capacità per le situazioni particolari.

Le caratteristiche della camera di essicazione sono quindi legate alla capacità di condensazione.

Liofilizzatori Labogene

Labogene è in grado di soddisfare qualsiasi esigenza da parte degli operatori e, grazie alla sua più che trentennale esperienza, offrire la migliore soluzione. Realizzati in acciaio inox AISI 316 di grande pregio, presentano tutti le serpentine raffreddanti esterne al condensatore per una lunga durata ed aumentando la superfice raffreddante.

Ampia scelta delle temperature di raffreddamento del condensatore da -55°C sino a -110°C per assicurare la condensazione anche di solventi organici in tracce. In caso di acidi particolarmente aggressivi, è inoltre disponibile il rivestimento del condensatore in teflon.

Alla serie Basic, indirizzata a soddisfare semplici esigenze di liofilizzazione, si affianca ora la serie Touch con una centralina di controllo particolarmente sofisticata che permette l’impostazione, il controllo della liofilizzazione in tutti i suoi parametri operativi; il tutto grazie ad un semplice ed intuitivo touchscreen.

L’operatore può scegliere vari modelli che si distinguono in base sia alla capacità liofilizzativa, che alla temperatura del condensatore e non ultimo alla tipologia di controllo operativo.

La temperatura del condensatore risulta particolarmente significativa in presenza di solvente organico oltre che acquoso ed in quei casi di particolare costituzione del campione.

I modelli da laboratorio coprono il campo di estrazione massima di acqua da 3 a 10 chilogrammi. Ampia la gamma di accessori, che consentono di operare in vials, bulk o palloni.

CoolSafe 55-4 CoolSafe 110-4 CoolSafe 55-9 CoolSafe 100-9 CoolSafe 55-15 CoolSafe 95-15
Capacità ghiaccio: 2,5 kg/g 2,5 kg/g 4,0 kg/g 4,0 kg/g 6,0 kg/g 6,0 kg/g
Capacità totale ghiaccio: 3 kg 3 kg 7 kg 7 kg 10 kg 10 kg
Temperatura condensatore: -55°C -110°C -55°C -100°C -55°C -95°C
Dimensioni Esterne cm: 40x50x50 (A) 40x50x50 (A) 45x55x60 (A) 45x55x60 (A) 49x62x75 (A) 49x62x75 (A)

Alla serie da laboratorio si affianca il modello da piccola produzione, sino ad una estrazione di 40 kg di acqua, che permette di impostare liofilizzazioni di tipo industriale, il tutto racchiuso in uno strumento compatto, semplice e versatile.

Consente la liofilizzazione in bulk di prodotto oppure in vials con chiusura sottovuoto.

CoolSafe 55-80

CoolSafe 95-80

Capacità: 10 di ghiaccio kg/g Capacità: 10 di ghiaccio kg/g
Capacità totale ghiaccio: 40 kg Capacità totale ghiaccio: 40 kg
Temperatura condensatore: -55°C Temperatura condensatore: -95°C
Dim. Est. 88x75x117 (A) cm

Liofilizzazione pratica su materiale alimentare

Come precedentemente indicato, il materiale deve essere preventivamente congelato alla temperatura più bassa possibile; nel caso in esame, il materiale è stato congelato su
vassoi per una notte in un congelatore a pozzo da -80°C.

E’ molto importante, al fine di una buona liofilizzazione, che il materiale sia congelato lentamente alla temperatura più bassa possibile; per campioni quali latte, insalata e pesce, la velocità più indicata è di 1°C/min, che è quanto avviene normalmente nei congelatori -80°C.

Con questa velocità, le molecole d’acqua, durante il congelamento, tendono a disporsi in “colonne” favorendo così la loro eliminazione sotto forma di vapore nella fase di sublimazione.

Trascorse alcune ore, si verifica il reale congelamento del materiale e, dopo aver avviato il liofilizzatore e la pompa da vuoto, si posizionano i vassoi con il materiale congelato all’interno della camera di liofilizzazione ed avviato il processo.

Nel secondo vassoio sono stati posizionati i filetti di tre orate. Attraverso il display digitale del liofilizzatore si osservano i principali parametri di riferimento della liofilizzazione in modo da verificare l’andamento reale.

Particolarmente interessante la verifica dell’andamento della pressione nel tempo; si imposta quindi il mantenimento di una pressione costante il più vicino possibile alla
pressione reale.

Questa impostazione permette di lavorare il più vicino possibile alla curva di passaggio di stato da solido (ghiaccio) a gas (vapor d’acqua) e favorire grandemente la
velocità di liofilizzazione: il valore minimo di pressione raggiungibile dal sistema corrisponde alla eliminazione di qualsiasi molecola di gas o vapore acqueo ed è un indice del finale del processo di liofilizzazione.

Una volta superate le 24 ore di funzionamento e quindi di liofilizzazione dei campioni, si interrompe il processo e si verifica la effettiva liofilizzazione dei campioni. A questo punto, il campione è pronto per le successive analisi chimiche.

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