Development of instrumental and sensory analytical methods of food obtained by traditional and emerging technologies

The consumer demand for natural, minimally processed, fresh like and functional food has lead to an increasing interest in emerging technologies. The aim of this PhD project was to study three innovative food processing technologies currently used in the food sector. Ultrasound-assisted freezing, vacuum impregnation and pulsed electric field have been investigated through laboratory scale systems and semi-industrial pilot plants. Furthermore, analytical and sensory techniques have been developed to evaluate the quality of food and vegetable matrix obtained by traditional and emerging processes. Ultrasound was found to be a valuable technique to improve the freezing process of potatoes, anticipating the beginning of the nucleation process, mainly when applied during the supercooling phase. A study of the effects of pulsed electric fields on phenol and enzymatic profile of melon juice has been realized and the statistical treatment of data was carried out through a response surface method. Next, flavour enrichment of apple sticks has been realized applying different techniques, as atmospheric, vacuum, ultrasound technologies and their combinations. The second section of the thesis deals with the development of analytical methods for the discrimination and quantification of phenol compounds in vegetable matrix, as chestnut bark extracts and olive mill waste water. The management of waste disposal in mill sector has been approached with the aim of reducing the amount of waste, and at the same time recovering valuable by-products, to be used in different industrial sectors. Finally, the sensory analysis of boiled potatoes has been carried out through the development of a quantitative descriptive procedure for the study of Italian and Mexican potato varieties. An update on flavour development in fresh and cooked potatoes has been realized and a sensory glossary, including general and specific definitions related to organic products, used in the European project Ecropolis, has been drafted.

Studio dell'intrusione salina all'interno di un acquifero freatico costiero (Ravenna; Italia)

L’acquifero freatico costiero ravennate è intensamente salinizzato fino a diversi km nell’entroterra. Il corpo dell’acquifero è formato da sabbie che poggiano su un substrato argilloso ad una profondità media di 25 m, i depositi affioranti sono sabbie e argille. Il lavoro svolto consiste in una caratterizzazione dello stato di salinizzazione con metodologie indirette (geoelettrica) e metodologie dirette (letture dei parametri fisici delle acque in pozzo). I sondaggi elettrici verticali (V.E.S.) mostrano stagionalità dovuta alle differenti quantità di pioggia e quindi di ricarica, le aree con depositi superficiali ad alta conducibilità idraulica (sabbie) hanno una lente d’acqua dolce compresa tra 0,1 e 2,25 m di spessore, al di sotto della quale troviamo una zona di mescolamento con spessori che vanno da 1,00 a 12,00 m, mentre quando in superficie abbiamo depositi a bassa conducibilità idraulica (limi sabbiosi e argille sabbiose) la lente d’acqua dolce scompare e la zona di mescolamento è sottile. Le misure dirette in pozzo mostrano una profondità della tavola d’acqua quasi ovunque sotto il livello del mare in entrambi i mesi monitorati, Giugno e Dicembre 2010, presentando una profondità leggermente maggiore nel mese di Dicembre. Dalla ricostruzione litologica risulta un acquifero composto da 4×109 m3 di sabbia, per cui ipotizzando una porosità media del 30% sono presenti 1,2×109 m3 di acqua. Dalla modellazione numerica (Modflow-SEAWAT 2000) risulta che l’origine dell’acqua salata che si trova in falda trova più facilmente spiegazione ipotizzando la sua presenza fin dalla formazione dell’acquifero, residuo delle acque marine che regredivano. Un’altra problematica analizzata è valutare l’applicazione della metodologia a minifiltri in uno studio sulla salinizzazione delle acque di falda. É stata implementata la costruzione di un transetto sperimentale, che ha permesso la mappatura dell’interfaccia acqua dolce/salmastra/salata con una precisione finora non raggiungibile.

Trattamenti termici: valutazione delle degradazioni termossidative di oli da frittura e determinazione di composti aromatici in matrici alimentari complesse

Lo studio condotto durante il Dottorato di Ricerca è stato focalizzato sulla valutazione e sul monitoraggio delle diverse degradazioni termossidative in oli da frittura. Per raggiungere tale obiettivo si è ritenuto opportuno procedere mediante uno screening dei principali oli presenti sul mercato italiano e successiva messa a punto di due miscele di oli vegetali che sono state sottoposte a due piani sperimentali di frittura controllata e standardizzata in laboratorio, seguiti da due piani di frittura eseguiti in due differenti situazioni reali quali mensa e ristorante. Ognuna delle due miscele è stata messa a confronto con due oli di riferimento. A tal fine è stata identificato il profilo in acidi grassi, la stabilità ossidativa ed idrolitica, il punto di fumo, i composti polari, il contenuto in tocoferoli totali, ed i composti volatili sia sugli oli crudi che sottoposti ai diversi processi di frittura. Lo studio condotto ha permesso di identificare una delle miscele ideate come valida alternativa all’impiego dell’olio di palma ampiamente utilizzato nelle fritture degli alimenti, oltre a fornire delle indicazioni più precise sulla tipologia e sull’entità delle modificazioni che avvengono in frittura, a seconda delle condizioni impiegate.

Satellite and in situ data integrated analysis to study the upper ocean an coastal environment of the Italian seas

The thesis objectives are to develop new methodologies for study of the space and time variability of Italian upper ocean ecosystem through the combined use of multi-sensors satellite data and in situ observations and to identify the capability and limits of remote sensing observations to monitor the marine state at short and long time scales. Three oceanographic basins have been selected and subjected to different types of analyses. The first region is the Tyrrhenian Sea where a comparative analysis of altimetry and lagrangian measurements was carried out to study the surface circulation. The results allowed to deepen the knowledge of the Tyrrhenian Sea surface dynamics and its variability and to defined the limitations of satellite altimetry measurements to detect small scale marine circulation features. Channel of Sicily study aimed to identify the spatial-temporal variability of phytoplankton biomass and to understand the impact of the upper ocean circulation on the marine ecosystem. An combined analysis of the satellite of long term time series of chlorophyll, Sea Surface Temperature and Sea Level field data was applied. The results allowed to identify the key role of the Atlantic water inflow in modulating the seasonal variability of the phytoplankton biomass in the region. Finally, Italian coastal marine system was studied with the objective to explore the potential capability of Ocean Color data in detecting chlorophyll trend in coastal areas. The most appropriated methodology to detect long term environmental changes was defined through intercomparison of chlorophyll trends detected by in situ and satellite. Then, Italian coastal areas subject to eutrophication problems were identified. This work has demonstrated that satellites data constitute an unique opportunity to define the features and forcing influencing the upper ocean ecosystems dynamics and can be used also to monitor environmental variables capable of influencing phytoplankton productivity.

Patogeni e zecche vettrici: studio epidemiologico in parchi pubblici dell'Emilia Romagna

Le malattie trasmesse da zecche sono un importante problema sia per la salute animale che per quella umana e negli ultimi decenni hanno aumentato notevolmente la loro diffusione, in seguito ai cambiamenti climatici, che hanno permesso la distribuzione delle zecche in aree prima non interessate. Per tale motivo si è deciso di effettuare un’indagine sulla diffusione delle zecche e sui patogeni da loro trasmessi, mediante campionamenti sia a livello ambientale, sia su animali e umani infestati in quattro siti di tre parchi dell’Emilia Romagna, dove non risultavano precedenti segnalazioni, nelle province di Bologna e Ravenna, da Aprile a Ottobre 2010. In totale sono state raccolte 8212 zecche. Dall’ambiente sono state campionate 6734 larve, 1344 ninfe, 61 adulti; dagli animali e da persone sono stati raccolti 68 adulti e 5 ninfe appartenenti a diverse specie di Ixodidae. Sono state condotte analisi sull’abbondanza delle zecche nelle diverse aree di raccolta, in funzione del periodo di campionamento, della temperatura e dell’umidità relativa misurata a 5 cm dal suolo al momento del campionamento e della vegetazione. Su tutti gli individui adulti e su pool di ninfe e di larve, per un totale di 393 campioni, sono state condotte analisi di tipo molecolare per la ricerca di piroplasmi, Anaplasma phagocytophilum e Borrelia burgdorferi s.l. Attraverso la PCR e il sequenziamento, è emerso che il 7,6% dei campioni era positivo per piroplasmi, tra i quali è stata riscontrata anche la presenza delle specie zoonosiche Babesia EU1 e B. divergens. La real-time PCR eseguita solo sui campioni costituiti da ninfe e adulti ha evidenziato una prevalenza del 9,2% per A. phagocytophilum e del 21,6% per B. burgdorferi s.l. Su questi patogeni sono state quindi condotte analisi di tipo filogenetico. In alcuni campioni sono state riscontrate coinfezioni con combinazioni di due patogeni contemporaneamente.

Nuovi ingredienti funzionali per l'applicazione in campo alimentare

The Mediterranean diet is rich in healthy substances such as fibres, vitamins and phenols. Often these molecules are lost during food processing. Olive oil milling waste waters, brans, grape skins are some of the most relevant agri-food by-products in the Mediterranean countries. These wastes are still rich in extremely valuable molecules, such as phenolic antioxidants, that have several interesting health promoting properties. Using innovative environmental friendly technologies based in the rational use of enzymatic treatment is possible to obtain from agri-food by-products new ingredients containing antioxidants that can be used as functional ingredients in order to produce fortified foods. These foods, having health protecting/promoting properties, on top of the traditional nutritional properties, are attracting consumer’s attentions due to the increasing awareness on health protection through prevention. The use of these new ingredients in different food preparation was studied in order to evaluate the effects that the food processing might have on the antioxidant fraction, the effect of these ingredient on foods appearances as well as the impact in terms of taste and scent, crucial feature for the acceptability of the final product. Using these new ingredients was possible to produce antioxidant bred, pasta, cheese, cookies and ice-cream. These food products retains very well the antioxidant properties conferred by the added ingredients despite the very different treatments that were performed. The food obtained had a good palatability and in some cases the final product had also a good success on the market.

Individuazione e caratterizzazione dei prodotti di degradazione ossidativa dei secoiridoidi nell'olio vergine di oliva mediante tecniche analitiche innovative

Lo scopo di questo lavoro di tesi è la caratterizzazione dei prodotti di ossidazione di diversi fenoli idrofili contenuti nell’olio vergine d’oliva come idrossitirosolo, tirosolo e la forma dialdeidica dell’acido decarbossimetil elenolico legato all’idrossitirosolo, e la loro identificazione nel prodotto durante la conservazione. L’obiettivo della ricerca è trovare degli indici analitici che possono essere usati sia come marker di “freschezza” dell’olio vergine di oliva sia nella valutazione della “shelf life” del prodotto stesso. Due sistemi di ossidazione sono stati usati per ossidare le molecole sopracitate: ossidazione enzimatica e ossidazione di Fenton. I prodotti di ossidazione sono stati identificati come chinoni, dimeri e acidi.

Buone pratiche e Tecnologie Appropriate per la gestione delle risorse idriche ed il risparmio energetico in ambito urbano e rurale

Questa tesi di dottorato tratta il tema delle Tecnologie Appropriate e delle Buone Pratiche per la gestione delle risorse idriche ed il risparmio energetico nell’ambito dell’abitato urbano e rurale. Viene fatta una breve panoramica sulle principali teorie e metodologie che fino ad oggi hanno fatto da linee guida per la progettazione sostenibile e il corretto utilizzo delle risorse. Questa visione d'insieme servirà per esprimere delle valutazioni e trovare dei comuni dominatori per proporre una nuova metodologia d'approccio alla gestione delle risorse con particolare attenzione rivolta alla condizione presente e alla zona d’intervento. Site specific sustainability Approach (S3A). I casi studio: • Un progetto di approvvigionamento idrico e di desalinizzazione delle acque per un’oasi del Sahara marocchino. • Un progetto di ricerca della Columbia University e della NASA legato alla sostenibilità urbana di New York che analizza i benefici apportati dall'installazione di coperture verdi nell'area di Manhattan da un punto di vista della gestione delle risorse idriche, energetiche e delle componenti ambientali. • Un progetto di verde verticale e giardino pensile a Milano. • Un progetto di approvvigionamento idrico sostenibile e gestione del verde per la città di Porto Plata in Repubblica Domenicana. Approfondimenti e sperimentazioni. • E’ stato approfondito il tema della distillazione solare per la dissalazione e potabilizzazione delle acque in zone rurali desertiche ed isolate. • E’ stato progettato e realizzato un prototipo innovativo di distillatore tubolare con collettore solare parabolico. Il prototipo è stato testato nei laboratori della Columbia University di New York. • Sono state approfondite le Khettaras o Qanat, tunnel sotterranei per l’approvvigionamento idrico nelle zone aride. • Infine sono stati approfonditi i benefici apportati dalle coperture a verde (tetti verdi) e dal verde verticale nelle zone urbane dal punto di vista della gestione delle risorse idriche ed il risparmio energetico.

Dinamica dell’intrusione salina nella costa ravennate: aspetti idrogeochimici ed evoluzione attesa

Nell’ambito del progetto multidisciplinare “Coastal Salt Water Intrusion”, che si propone di indagare “l’Intrusione salina nella costa ravennate con i conseguenti impatti territoriali-ambientali, connessi al previsto innalzamento del livello marino per cause climatiche e di subsidenza”, si inserisce il presente studio con l’obiettivo di fornire una caratterizzazione idrogeochimica delle acque di falda e superficiali e un modello geochimico generale sui processi di salinizzazione o desalinizzazione in atto nella falda freatica costiera della costa ravennate. E’ stato fatto un confronto fra tre metodiche di estrazione del complesso di scambio della matrice solida dell’acquifero che utilizzano rispettivamente acetato di ammonio, cloruro di bario e argento-tiourea. Sono stati posizionati 5 transetti perpendicolari alla linea di costa per un totale di 44 punti di campionamento con due campagne di prelievi, al termine della primavera e al termine dell’estate. La caratterizzazione dei processi di mixing e scambio ionico con la matrice solida dell’acquifero è avvenuta mediante analisi dei cationi ed anioni fondamentali, determinazione della CEC sulla matrice solida dell’acquifero, modellizzazione mixing/scambio ionico, modellizzazione della composizione teorica della frazione scambiabile in funzione della composizione acqua all’equilibrio e interpolazione geostatistica dei dati raccolti e costruzione di mappe geochimiche (curve di iso-concentrazione). La metodologia di estrazione che utilizza il bario-cloruro è risultata la più affidabile. Le acque prelevate dalla falda superficiale evidenziano miscelazione in varie proporzioni acqua marina/acqua dolce, scambi ionici per interazione acqua/sedimento, dissoluzione di CaSO4.2H2O. I processi di salinizzazione e/o addolcimento mostrano una significativa variabilità nello spazio (variabilità legata alla distanza dalla costa, al profilo topografico e alla distribuzione dei corpi sabbiosi litoranei) e nel tempo (variabilità legata alla piovosità e alla gestione delle acque superficiali e del sottosuolo). La complessa variabilità spazio-temporale dei processi in atto nella falda superficiale non consente di evidenziare una complessiva prevalenza di fenomeni di salinizzazione rispetto a quelli di addolcimento.

Ricerca di Escherichia coli produttori di verocitotossine e definizione di obiettivi di performance nella produzione primaria di alimenti di origine animale

La presenza di Escherichia coli produttori di verocitotossine (VTEC o STEC) rappresenta una tra le più importanti cause di malattia alimentare attualmente presenti in Europa. La sua presenza negli allevamenti di animali destinati alla produzione di alimenti rappresenta un importante rischio per la salute del consumatore. In conseguenza di comuni contaminazioni che si realizzano nel corso della macellazione, della mungitura i VTEC possono essere presenti nelle carni e nel latte e rappresentano un grave rischio se la preparazione per il consumo o i processi di lavorazione non comportano trattamenti in grado d’inattivarli (es. carni crude o poco cotte, latte non pastorizzato, formaggi freschi a latte crudo). La contaminazione dei campi coltivati conseguente alla dispersione di letame o attraverso acque contaminate può veicolare questi stipiti che sono normalmente albergati nell’intestino di ruminanti (domestici e selvatici) e anche prodotti vegetali consumati crudi, succhi e perfino sementi sono stati implicati in gravi episodi di malattia con gravi manifestazioni enteriche e complicazioni in grado di causare quadri patologici gravi e anche la morte. Stipiti di VTEC patogeni ingeriti con gli alimenti possono causare sintomi gastroenterici, con diarrea acquosa o emorragica (nel 50% dei casi), crampi addominali, febbre lieve e in una percentuale più bassa nausea e vomito. In alcuni casi (circa 5-10%) l’infezione gastroenterica si complica con manifestazioni tossiemiche caratterizzate da Sindrome Emolitico Uremica (SEU o HUS) con anemia emolitica, insufficienza renale grave e coinvolgimento neurologico o con una porpora trombotica trombocitopenica. Il tasso di mortalità dei pazienti che presentano l’infezione da E. coli è inferiore all’1%. I dati forniti dall’ECDC sulle infezioni alimentari nel periodo 2006-2010 hanno evidenziato un trend in leggero aumento del numero di infezioni a partire dal 2007. L’obiettivo degli studi condotti è quello di valutare la prevalenza ed il comportamento dei VTEC per una analisi del rischio più approfondita.

Sviluppo di tecniche per la progettazione delle reti di monitoraggio della qualita' dell'aria

L’obiettivo del lavoro consiste nell’implementare una metodologia operativa volta alla progettazione di reti di monitoraggio e di campagne di misura della qualità dell’aria con l’utilizzo del laboratorio mobile, ottimizzando le posizioni dei dispositivi di campionamento rispetto a differenti obiettivi e criteri di scelta. La revisione e l’analisi degli approcci e delle indicazioni fornite dalla normativa di riferimento e dai diversi autori di lavori scientifici ha permesso di proporre un approccio metodologico costituito da due fasi operative principali, che è stato applicato ad un caso studio rappresentato dal territorio della provincia di Ravenna. La metodologia implementata prevede l’integrazione di numerosi strumenti di supporto alla valutazione dello stato di qualità dell’aria e degli effetti che gli inquinanti atmosferici possono generare su specifici recettori sensibili (popolazione residente, vegetazione, beni materiali). In particolare, la metodologia integra approcci di disaggregazione degli inventari delle emissioni attraverso l’utilizzo di variabili proxy, strumenti modellistici per la simulazione della dispersione degli inquinanti in atmosfera ed algoritmi di allocazione degli strumenti di monitoraggio attraverso la massimizzazione (o minimizzazione) di specifiche funzioni obiettivo. La procedura di allocazione sviluppata è stata automatizzata attraverso lo sviluppo di un software che, mediante un’interfaccia grafica di interrogazione, consente di identificare delle aree ottimali per realizzare le diverse campagne di monitoraggio

Country-of-Origin Labeling for Processed Foods

The country-of-origin is the “nationality” of a food when it goes through customs in a foreign country, and is a “brand” when the food is for sale in a foreign market. My research on country-of-origin labeling (COOL) started from a case study on the extra virgin olive oil exported from Italy to China; the result shows that asymmetric and imperfect origin information may lead to market inefficiency, even market failure in emerging countries. Then, I used the Delphi method to conduct qualitative and systematic research on COOL; the panel of experts in food labeling and food policy was composed of 19 members in 13 countries; the most important consensus is that multiple countries of origin marking can provide accurate information about the origin of a food produced by two or more countries, avoiding misinformation for consumers. Moreover, I enhanced the research on COOL by analyzing the rules of origin and drafting a guideline for the standardization of origin marking. Finally, from the perspective of information economics I estimated the potential effect of the multiple countries of origin labeling on the business models of international trade, and analyzed the regulatory options for mandatory or voluntary COOL of main ingredients. This research provides valuable insights for the formulation of COOL policy.

The impact of grants in the agriculture sector in Albania: a counterfactual approach

The objective of this study is to measure the impact of the national subsidy scheme on the olive and fruit sector in two regions of Albania, Shkodra and Fier. From the methodological point of view, we use a non- parametric approach based on the propensity score matching. This method overcomes problem of the missing data, by creating a counterfactual scenario. In the first step, the conditional probability to participate in the program was computed. Afterwards, different matching estimators were applied to establish whether the subsidies have affected sectors performance. One of the strengths of this study stays in the data. Cross-sectional primary data was gathered through about 250 interviews.. We have not found empirical evidence of significant effects of government aid program on production. Differences in production found between beneficiaries and non-beneficiaries disappear after adjustment by the conditional probability of participating into the program. This suggests that subsidized farmers would have performed better than the subsidized households even in the absence of production grants, revealing program self-selection. On the other hand, the scheme has affected positively the farm structure increasing the area under cultivation, but yields has not increased for beneficiaries compared to non beneficiaries. These combined results shed light on the reason of the missed impact. It could be reasonable to believe that the new plantation, in particular in the case of olives, has not yet reached full production. Therefore, we have reasons to believe on positive impacts in the future. Concerning some qualitative results, the extension of area under cultivation is strongly conditioned by the small farm size. This together with a thin land market makes extremely difficult the expansion beyond farm boundaries.

Hydrogeochemical monitoring and modelling of saltwater intrusion in lowlands (Ferrara, IT)

Because of the potentially irreversible impact of groundwater quality deterioration in the Ferrara coastal aquifer, answers concerning the assessment of the extent of the salinization problem, the understanding of the mechanisms governing salinization processes, and the sustainability of the current water resources management are urgent. In this light, the present thesis aims to achieve the following objectives: Characterization of the lowland coastal aquifer of Ferrara: hydrology, hydrochemistry and evolution of the system The importance of data acquisition techniques in saltwater intrusion monitoring Predicting salinization trends in the lowland coastal aquifer Ammonium occurrence in a salinized lowland coastal aquifer Trace elements mobility in a saline coastal aquifer

Influenza della sostanza organica nella diagenesi precoce dei sedimenti del mare Adriatico e Ionio

Lo studio dei processi biogeochimici che avvengono all’interfaccia acqua-sedimento riveste grande importanza per comprendere quali fattori ambientali siano responsabili di un eventuale modifica nel bilancio del carbonio organico e di altri elementi maggiori o minori e può` fornire un' indicazione su quali siano le aree più sensibili a tali processi. In questo studio sono stati analizzati i meccanismi che guidano la mineralizzazione della sostanza organica in aree caratterizzate da differenti condizioni idrodinamiche, batimetriche e trofiche nel Mediterraneo centrale. In particolare sono state prelevate carote di sedimento e analizzate le acque interstiziali in siti localizzati nell'Adriatico centro-meridionale, caratterizzati da basse profondità, alti tassi di sedimentazione e elevati apporti di sostanza organica, e in siti localizzati nello Ionio centro-settentrionale, caratterizzati da profondità crescenti, minori tassi di sedimentazione e ridotti apporti fluviali. L'analisi dei processi di degradazione della sostanza organica evidenzia differenze regionali tra il bacino adriatico e quello ionico: processi di mineralizzazione ossica e subossica appaiono intensi nei sedimenti adriatici, diversamente il bacino ionico appare caratterizzato principalmente da processi di degradazione ossica della sostanza organica. Inoltre, relativamente ai flussi bentici di Carbonio Inorganico Disciolto (DIC) flussi inversi sono stati registrati nei due bacini: i sedimenti adriatici si comportano come sourse di DIC, mentre i sedimenti Ionici si comportano come dei sink di DIC suggerendo una possibile precipitazione di carbonati nel bacino ionico.