Obiettivi formativi
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. 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.
Prerequisiti
Il Modulo non ha propedeuticità ufficiali.
Contenuti dell'insegnamento
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.
Programma esteso
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. Il gradiente di tensione superficiale: effetto Marangoni. Proprietà chimico fisiche di un colloide alimentare. Microemulsioni. Cristalli liquidi liotropici e termotropici.
Bibliografia
- 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.
Metodi didattici
Durante le lezioni frontali, condotte con l’ausilio di presentazioni ppt a computer, a disposizione degli studenti sul sito 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.
Modalità verifica apprendimento
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 due ore, sono pubblicate sulla piattaforma Elly. In alternativa, l’esame consiste di un’unica prova scritta con domande aperte su tutto il programma durante le regolari sessioni di esame, effettuate contestualmente a quelle del modulo di struttura e proprietà fisiche degli alimenti. L'esame finale consiste di domande aperte in modo tale che lo studente possa dimostrare conoscenza e comprensione degli argomenti del modulo. 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.
Altre informazioni
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Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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