IT202000019438A1 - Metodo per la caratterizzazione di frattura di un prodotto alimentare - Google Patents
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Description
"Metodo per la caratterizzazione di frattura di un prodotto alimentare"
DESCRIZIONE
CAMPO DELL?INVENZIONE
La presente invenzione riguarda un metodo per la caratterizzazione di frattura di un prodotto alimentare, in particolare di formaggio a pasta dura, pi? in particolare di formaggio Parmigiano Reggiano.
STATO DELLA TECNICA
In ambito industriale e scientifico, le propriet? di frattura degli alimenti sono considerate propriet? importanti per la corretta progettazione delle operazioni del processo produttivo, per la caratterizzazione della qualit? finale e per la previsione dell'integrit? fisica in condizioni di sollecitazioni esterne, ossia quando il prodotto alimentare ? soggetto ad azioni e carichi esterni, ad esempio dovuti all'impatto del prodotto con una superficie rigida o a vibrazioni durante il trasporto.
Inoltre, in ambito medico, tali propriet? possono essere utilizzate come criterio di classificazione di prodotti alimentari per individuare alimenti da destinare a specifici soggetti, ad esempio soggetti disfalgici o pi? in generale a soggetti presentanti disturbi legati al processo orale, durante il trattamento clinico.
Le propriet? di frattura degli alimenti sono tipicamente determinate seguendo due approcci: l'approccio sensoriale e l'approccio strumentale.
L'approccio sensoriale ? basato su valutazioni sensoriali di "giudici addestrati" e non presenta un modo univoco e condiviso per descrivere e quantificare la resistenza alla frattura degli alimenti. La percezione sensoriale del comportamento meccanico ? infatti legata alla capacit? individuale di registrare gli stimoli fisici prodotti durante le prove di rottura tra le mani (in caso di prove di rottura manuale) o in bocca (in caso di prove di rottura orale). Il giudizio finale, se si utilizza tale approccio, pu? essere quindi influenzato dalla condizione fisiologica, dai pregiudizi indotti dall?esperienza pregressa e dalla conoscenza del materiale e della sua qualit? da parte del giudice addestrato.
L'approccio strumentale prevede tipicamente la realizzazione di esperimenti di compressione e/o di trazione su un provino di prodotto alimentare, provocando e propagando una frattura all?interno del provino in condizioni quasi-statiche, cio? evitando improvvise accelerazioni della propagazione della frattura. Questo approccio ? tipicamente basato sull?analisi numerica di curve "carico-spostamento della superficie di applicazione del carico" permette sostanzialmente di determinare solamente alcune propriet? meccaniche fondamentali del prodotto, ad esempio il modulo elastico e il lavoro di deformazione a rottura richiesto per raggiungere lo sforzo massimo durante la frattura. Nel documento US4007632 ? descritto e illustrato un dispositivo e un metodo da utilizzare per condurre test strutturali sugli alimenti, in particolare carne, per determinare caratteristiche di tenacit? a seguito di una prova di compressione.
Nel documento WO9612937 ? descritto e illustrato un apparato e un metodo che fornisce misurazioni di tenacit? basate su prove di taglio, mediante l'utilizzo di un filo metallico fatto passare almeno parzialmente all'interno del prodotto (in particolare prodotti da forno o formaggi).
La teoria classica della meccanica della frattura sviluppata per materiali non biologici, in particolare per materiali metallici, plastici o ceramici, caratterizzati da una struttura omogenea, si basa sull?assunto del continuum materiale e sulla presenza di un difetto (chiamato in metallurgia cricca) di dimensioni note. Tale teoria fornisce una propspettiva di analisi basata sul bilancio energetico in funzione della specifica geometria del provino di materiale analizzato e del difetto presente su di esso finalizzata alla costruzione della curva di resistenza del materiale.
Nessuna di queste soluzioni note si occupa specificamente di analisi di innesco e propagazione di una frattura in prodotti alimentari.
SOMMARIO
La principale difficolt? nella caratterizzazione della frattura in prodotti alimentari deriva dall'elevata eterogeneit? costitutiva e strutturale di tali prodotti e dalle numerose discontinuit? naturali (ad esempio pori e fessure) distribuite in modo casuale su scala microscopica nel prodotto stesso. L?eterogeneit? dei prodotti alimentari ? causa della distribuzione anisotropa delle propriet? meccaniche su un'ampia scala (da microscopica a macroscopica) all?interno del prodotto stesso stesso. Questa difficolt? si presenta particolarmente accentuata nei formaggi a pasta dura o semidura, la cui eterogeneit? ? alta e dipendente da numerosi fattori, ad esempio dal contenuto di grassi, acqua e proteine del latte di partenza, dalle modalit? della lavorazione della cagliata durante il processo produttivo o dalla fermentazione eterolattica e dall?estensione di processi enzimatici durante un periodo di stagionatura che pu? durare da pochi mesi ad alcuni anni.
Tipicamente, i formaggi sono prodotti in stampi di forma e dimensioni diverse in base alla tipologia di formaggio prodotta. Si pu? parlare quindi di "forma" di formaggio per indicare il prodotto a fine lavorazione. E' da notare che nei formaggi a pasta dura o semi dura si pu? avere alta eterogeneit? di costituzione e di struttura all'interno della stessa forma di formaggio.
Una conseguenza di tale complessit? costitutiva e strutturale ? rappresentata dalla difficolt? di caratterizzare in modo dettagliato la frattura del prodotto, in particolare il punto di innesco della frattura, il momento di innesco della frattura, l?energia richiesta per innescare e propagare la frattura, la modalit? di propagazione della frattura.
La modalit? di propagazione della frattura all'interno della forma di formaggio rappresenta uno degli indici di caratterizzazione della sua qualit? e, in alcuni casi, della sua autenticit? di legge.
In particolare, in caso di formaggio Parmigiano Reggiano, la modalit? di propagazione della frattura rappresenta una delle caratteristiche presenti nel disciplinare di produzione che contribuisce a definire la qualit? e/o l'autenticit? della singola forma di formaggio.
Il disciplinare di produzione ? stato introdotto dall'Unione Europea ed ? necessario per la regolamentazione dei regimi di qualit? agricoli e alimentari (DOP, IGP, STG).
Risulta quindi di particolare importanza la definizione di un metodo oggettivo per la caratterizzazione della modalit? di frattura all'interno di un prodotto.
E' noto dallo studio teorico della meccanica di frattura che, in funzione dell'energia disponibile al momento dell'innesco della frattura, si pu? verificare un'assenza di propagazione, una propagazione quasi-statica (frattura stabile) o una propagazione dinamica (frattura instabile) della frattura.
In un materiale altamente eterogeneo (quindi caratterizzato da meccanismi di frattura complessi e non prevedibili) l'analisi su scala macroscopica, alla quale la frattura ? osservabile da un osservatore esterno, e l'analisi su scala microscopica, alla quale si verificano i fenomeni di innesco della frattura e di variazione della direzione di propagazione della frattura, possono evidenziare meccanismi di frattura e propriet? del materiale differenti.
E' noto infatti che l?innesco effettivo della frattura di un materiale eterogeneo si pu? verificare su scala microscopica in modo anticipato o posticipato rispetto alla frattura macroscopica, a causa di fenomeni dissipativi pi? o meno estesi all?interno del materiale stesso.
Pi? in generale, la frattura di un materiale deriva dalla presenza o dalla prevalenza di una o pi? propriet? e uno o pi? meccanismi che operano su scala microscopica e/o macroscopica.
Dal punto di vista termodinamico, si parla di frattura instabile (o spontanea) se il lavoro di deformazione esterno ? superiore al lavoro richiesto per la formazione di nuove superfici di frattura.
Dal punto di vista cinematico, si parla di frattura instabile se l?estensione delle superfici di discontinuit? da cui ha origine la frattura si propaga a velocit? superiore a quella di spostamento del punto di applicazione del carico esterno.
Utilizzando i metodi presenti allo stato dell'arte si ? limitati ad un'analisi energetica macroscopica della tenacit? di un prodotto alimentare senza possibilit? di ottenere informazioni precise sul momento e sul punto fisico in cui si verifica l?innesco e la propagazione della frattura n? sul reale contributo di energia richiesto per innescare e propagare la frattura.
Scopo generale della presente invenzione ? quello di fornire un metodo per la caratterizzazione di frattura di un prodotto alimentare, in particolare di formaggio a pasta dura, pi? in particolare di formaggio Parmigiano Reggiano.
Un primo scopo pi? specifico della presente invenzione ? quello di fornire un metodo per ricavare almeno un indice di frattura da un'analisi energetica e/o cinetica.
Tale scopo generale nonch? altri scopi pi? specifici sono sostanzialmente raggiunti grazie al metodo e alla apparecchiatura aventi le caratteristiche tecniche espresse nelle annesse rivendicazioni che formano parte integrante della presente descrizione.
ELENCO DELLE FIGURE
La presente invenzione risulter? pi? chiara dalla descrizione dettagliata che segue da considerare assieme ai disegni annessi in cui:
Fig. 1 mostra un esempio di un provino per l'applicazione del metodo secondo la presente invenzione,
Fig. 2 mostrano viste molto schematiche di un esempio di dinamometro utilizzabile per l'applicazione del metodo secondo la presente invenzione ? la vista A ? laterale, la vista B ? frontale, Fig. 3 mostra un esempio di campionamento di una forma di formaggio, in particolare di formaggio Parmigiano Reggiano,
Fig. 4 mostra un esempio di sistema di taglio a filo,,
Fig. 5 mostra una vista laterale in sezione di un esempio di stazione di posizionamento associabile al sistema di taglio a filo, e
Fig. 6 mostra un esempio di un provino per esecuzione di una prova di trazione.
Come si comprende facilmente, vi sono vari modi di implementare in pratica la presente invenzione che ? definita nei suoi principali aspetti vantaggiosi nelle rivendicazioni annesse e non ? limitata n? dalla descrizione dettagliata che segue n? dai disegni annessi.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
Il metodo per la caratterizzazione di frattura di un prodotto alimentare secondo la presente invenzione pu? avere varie applicazioni a seconda dello specifico prodotto alimentare a cui viene applicato. Esso pu? trovare applicazione ad esempio nella determinazione di indici per oggettivare parametri contenuti in disciplinari di produzione di prodotti alimentari e/o per classificare alimenti da destinare a specifici trattamenti clinici per trattare o prevenire disturbi legati al processo orale, ad esempio disturbi esofagei e della deglutizione.
Il metodo secondo la presente invenzione comprende essenzialmente almeno un'analisi energetica e/o un'analisi cinetica comprendenti l'esecuzione di una prova di flessione su un provino di prodotto alimentare di cui si vuole caratterizzare il processo di innesco e propagazione della frattura.
Le analisi summenzionate possono essere eseguite su diverse scale dimensionali di indagine. In particolare, le analisi possono essere eseguite su scala macroscopica e/o su scala microscopica.
Per scala macroscopica si intende il range dimensionale di analisi con dimensioni in media tipicamente superiori a 100 micrometri (che corrisponde alla massima risoluzione di misura) responsabili del comportamento del materiale durante il processo di frattura. Tali dimensioni possono ad esempio essere percepiti sensorialmente con esame visivo, tattilmente tramite rottura manuale oppure ancora tramite la bocca durante il processo orale.
Per scala microscopica si intende il range dimensionale di analisi con dimensioni in media tipicamente inferiori a 100 micrometri (che corrisponde alla minima risoluzione di misura) responsabili del comportamento del materiale durante il processo di frattura. Tali dimensioni possono essere osservate solamente indirettamente, ad esempio attraverso l?analisi strumentale e numerica. Vantaggiosamente, la risoluzione dell'analisi microscopica pu? essere aumentata utilizzando un sistema di acquisizione di immagini a maggior risoluzione spaziale.
In particolare, la struttura di un prodotto alimentare ? rappresentata dal reticolo tra elementi strutturali aventi dimensioni, distribuzione spaziale e tempi di rilassamento caratteristici e distinguibili, dove con tempi di rilassamento si intendono i tempi e le modalit? di reazione del prodotto a perturbazioni esterne.
Pi? in particolare, in un formaggio a pasta dura, gli elementi strutturali derivano sostanzialmente dall?interazione di globuli di grasso (1-10 micron), micelle caseiniche (0.1-1 micron) e proteine del siero del latte (0.01-0.001 micron). Queste interazioni possono cambiare in funzione della temperatura, del contenuto di acqua, del grasso e delle proteine cos? come in funzione del tempo di stagionatura del formaggio (durante il quale si verificano complesse trasformazioni chmiche, enzimatiche e fisiche). I tempi di rilassamento tipici dei formaggi a pasta dura ricadono nel range tra 0.1 secondi e 100 secondi, in funzione della composizione, temperatura e tempo di stagionatura del formaggio.
Vantaggiosamente, il metodo secondo la presente invenzione consente di caratterizzare la frattura tenendo conto sia della scala dimensionale (macroscopica e microscopica), sia della scala temporale (cinetica). In generale e come ? mostrato in figura 1, il metodo si applica a un provino 100 di prodotto alimentare, derivante da una fase di campionatura del prodotto. Nella fase di campionatura si ricava almeno un provino 100 di forma e dimensioni standard da un prodotto alimentare. La campionatura pu? essere differente in base alla tipologia di prodotto alimentare da caratterizzare; di conseguenza la forma e le dimensioni standard del provino possono variare da prodotto a prodotto e sono opportunamente scelte per lo specifico prodotto alimentare. In particolare, il metodo secondo la presente invenzione si applica a formaggi a pasta dura, pi? in particolare a formaggio Parmigiano Reggiano.
Il formaggio Parmigiano Reggiano viene realizzato tipicamente in forme sostanzialmente cilindriche (chiamate anche "ruote") e il processo di lavorazione che subisce determina gradienti di composizione e stress residui all'interno della ruota in pi? direzioni, in particolare in direzione radiale e in direzione assiale. Di conseguenza, provini ricavati da una stessa forma di formaggio ma da zone differenti, possono presentare comportamenti estremamente diversi quando sottoposti a sollecitazioni esterne, dovuti all'elevata eterogeneit? che caratterizza il prodotto. Vantaggiosamente, la campionatura per ricavare provini da utilizzare secondo il presente metodo prevede di minimizzare la variabilit? della struttura interna e della composizione dei provini. Come mostrato in Fig. 3, la campionatura di formaggio Parmigiano Reggiano comprende il taglio della forma R lungo un piano equatoriale E, ottenenedo due semiruote R1 e R2 speculari tra loro.
Vantaggiosamente, da una prima semiruota R1 possono essere ricavati provini 100? che si sviluppano principalmente in una prima direzione, ad esempio in direzione assiale, e da una seconda semiruota R2 possono essere ricavati provini 100B che si sviluppano principalmente in una seconda direzione, ad esempio una direzione radiale.
Vantaggiosamente, da una prima semiruota R1 e da una seconda semiruota R2 pu? essere ricavato lo stesso numero di provini.
L'applicazione del metodo secondo la presente invenzione a provini ricavati in direzione radiale, 100R, consente di valutare l'innesco e la propagazione di una frattura in direzione assiale rispetto alla forma R di formaggio iniziale, mentre l'applicazione del metodo a provini ricavati in direzione assiale, 100A, consente di valutare l'innesco e la propagazione di una frattura in direzione radiale rispetto alla forma R di formaggio iniziale.
Con particolare riferimento a Fig. 1, ? mostrato un esempio di provino 100 di prodotto alimentare avente forma prismatica a sezione quadrata, ovvero un provino 100 in cui altezza e spessore hanno pari dimensione e tale dimensione ? minore della dimensione di lunghezza. In particolare, il provino 100 prismatico pu? essere ricavato da una forma R di formaggio con il processo di campionatura sopracitato. Come mostrato nell'esempio di Fig. 1, nel provino 100 ? vantaggiosamente ricavato un intaglio 110 in corrispondenza di un piano di sezione trasversale; in particolare il piano di sezione trasversale coincide con il piano di simmetria del provino 100.
L'intaglio 110 ha lo scopo di concentrare lo sforzo, derivante dal carico applicato durante la prova di flessione, all'apice dell'intaglio 110, rendendo trascurabili le dispersioni di energia dovute alle discontinuit? naturali dei prodotti alimentari. Come mostrato in Fig. 1, l'intaglio 110 si estende trasversalmente lungo tutta la profondit? del provino 100 e per una altezza costante all'interno del provino 100, definendo nel piano della sezione trasversale contenente l'intaglio 110 una prima zona del provino in cui ? presente l'intaglio e una seconda zona in cui non ? presente l'intaglio. La profondit? dell'intaglio 110 pu? variare in base alla tipologia del materiale da analizzare. Ad esempio pu? avere profondit? minore o uguale alla dimensione di altezza moltiplicata per un fattore F, dove F ? compreso tra 0 e 1; in particolare F?0,45. La fase di realizzazione dell'intaglio 110 pu? essere eseguita mediante l'utilizzo di un sistema di taglio a filo 400. Tale sistema di taglio 400 pu? essere ulteriormente utilizzato per una successiva lavorazione del provino 100 ricavato nella fase di campionatura, al fine di minimizzare la variabilit? delle dimensioni del provino 100. Con riferimento a Fig. 4, Il sistema di taglio a filo 400 comprende una struttura ad arco 410, le cui estremit? libere sono collegate mediante un filo metallico 420. Il filo 420 pu? avere un primo estremo fissato a una prima estremit? della struttura ad arco 410, e un secondo estremo vincolato ad una vite 425 presente sulla seconda estremit? della struttura ad arco 410. La vite 425 pu? essere accoppiata ad una chiave dinamometrica 427 atta a modificare il serraggio della vite 425. Mediante l'accoppiamento della chiave dinamometrica 427 con la vite 425 e la rotazione dell'assieme risultante si pu? applicare al filo 420 una coppia di pretensionamento in grado di non superare il carico di snervamento plastico del filo. Il diametro e le caratteristiche di resistenza meccanica del filo 420, cos? come la coppia di pretensionamento, possono variare in funzione del prodotto alimentare da tagliare e/o dalla precisione dei rapporti geometrici che si vogliono ottenere. Vantaggiosamente, il filo 420 assicura un'incertezza nella precisione (ovvero una tolleranza) prossima a 50 micron per le dimensioni geometriche del provino 100 e un angolo all'apice dell'intaglio 110 prossimo a 0?. Il sistema di taglio a filo 400 pu? essere vantaggiosamente integrato al dinamometro universale utilizzato per eseguire la prova di flessione (che verr? descritto in seguito).
Vantaggiosamente, durante l'utilizzo del sistema di taglio a filo 400 il provino 100 ? posto in una stazione di posizionamento 500.
Con riferimento a Fig. 5, la stazione di posizionamento 500 consente il serraggio amovibile del provino 100 tra superfici, in particolare due morsetti 520.
In particolare, ognuno dei morsetti 520 comprende una parete mobile 510 collegata meccanicamente ad una vite 515.
Vantaggiosamente, la vite 515 ? una vite micrometrica (controllo in posizione) dinamometrica (controllo in forza), atta a controllare lo spostamento della parete 510 e, di conseguenza, il serraggio del provino 100.
La vite 515 pu? essere regolata per assicurare una posizione della parete 510 e un pretensionamento del provino 100 tali da fissare il posizionamento del provino 100 durante l'utilizzo del sistema di taglio a filo 400 e da evitare meccanismi di rilassamento strutturale.
In particolare, la vite 515 ? regolata in un primo momento in posizione e in un secondo momento in forza in modo che il serraggio non lasci stress residui nel materiale.
Vantaggiosamente, le pareti mobili 510 sono almeno parzialmente contenute in un telaio, in particolare una scatola 550.
Come mostrato nell'esempio di Fig. 1, il provino 100 pu? comprendere ulteriormente dei marcatori 120, in particolare dei marcatori cromatici, su almeno una superficie esterna di interesse, ad esempio su una superficie C laterale in cui ? parzialmente presente l'intaglio 110. I marcatori 120 sono posizionati durante una fase di marcatura del provino 100, tipicamente eseguita a valle della fase di realizzazione dell'intaglio. Vantaggiosamente e come riportato in Fig.1, i marcatori 120 sono posizionati agli angoli della superficie C laterale del provino (120O1, 120O2, 120Y1, 120Y2), nei pressi dell'intaglio 110 (120X1,120X2) e sull'asse dell'intaglio 110 (120D).
I marcatori 120 sono atti a definire un opportuno sistema di riferimento, solidale con il provino 100 durante la prova di flessione.
In particolare, si pu? definire un primo sistema di riferimento solidale con il provino 100 utilizzando almeno due, preferibilmente tre marcatori 120. Ad esempio, con riferimento a Fig.1, il marcatore 120O1 definisce l'origine del sistema, il marcatore 120X1 definisce un primo asse del sistema e il marcatore 120Y1 definisce un secondo asse del sistema. Con lo stesso scopo e modalit?, pu? essere definito un secondo sistema di riferimento solidale con il provino 100 utilizzando i marcatori 120O2, 120X2, 120Y2. Il marcatore 120 D ? utilizzato per definire l'asse trasversale del provino 100 contenente l'intaglio 110, utile per la determinazione dell'angolo formato da detto asse con il vettore di propagazione di frattura del provino 100 durante la prova di flessione. Come detto, il metodo secondo la presente invenzione comprende l'esecuzione di una prova di flessione su un provino 100 per caratterizzare la frattura di un prodotto alimentare.
In particolare, la prova di flessione ? eseguita mediante un dinamometro 200, ad esempio un dinamometro universale 200.
In particolare, la prova di flessione ? una prova di flessione a tre punti, in cui un carico concentrato ? applicato su un provino 100 che appoggia su due punti di supporto 205 del dinamometro 200.
Con riferimento a Fig. 2, in particolare a Fig.2B, il dinamometro 200 comprende un telaio 201, su cui sono predisposti due punti di supporto 205 del provino 100, e una traversa mobile 210, comprendente un punzone 215. Si nota che il provino 100 ? posizionato in modo che la superficie appoggiata ai punti di supporto 205 sia la superficie I che comprende interamente l'intaglio 110 trasversale. In altre parole la superficie su cui ? applicato il carico, ovvero la superficie su cui agisce il punzone 215 ? la superficie parallela alla superficie I del provino 100 su cui ? stato ricavato l'intaglio 110. In questo modo il carico applicato si concentra sull'apice dell'intaglio 110 e in direzione di apertura del provino 100 (Modo I di frattura secondo la meccanica della frattura). Vantaggiosamente, i punti di supporto 205 a contatto con la superficie I del provino 100 sono lubrificati con olio minerale per consentire un libero scorrimento trasversale della superficie del provino 100 durante la prova di flessione. Il dinamometro 200 comprende ulteriormente un sistema di movimentazione 220, tipicamente un sistema idraulico o elettromeccanico, atto a muovere la traversa 210 lungo la direzione verticale in modo che la velocit? di spostamento della traversa 210 sia costante. Vantaggiosamente, durante l'esecuzione della prova di flessione un software installato sul dinamometro 200 monitora e memorizza grandezze fisiche derivanti dalla prova di flessione (tali grandezze verranno precisate in seguito).
Il dinamometro 200 comprende ulteriormente uno o pi? mezzi per l'acquisizione d'immagini. Con riferimento a Fig.2A, il dinamometro 200 comprende una videocamera 260, in particolare una videocamera ad elevate prestazioni, atta ad eseguire un monitoraggio video della prova di flessione, in particolare un monitoraggio di innesco e propagazione di una frattura nel provino 100. Il monitoraggio video e la successiva analisi delle immagini digitali ad elevata risoluzione consente di individuare con elevata precisione la posizione dell'apice della frattura in continuo durante l'innesco e propagazione della frattura. Vantaggiosamente, la videocamera 260 ? in grado di acquisire immagini con velocit? superiore a 10 volte la massima velocit? di propagazione della frattura oppure con velocit? di acquisizione maggiore o uguale a 25 frame al secondo.
Vantaggiosamente, la videocamera 260 ha velocit? di acquisizione/trasferimento e risoluzione secondo lo standard 4K.
Vantaggiosamente, il dinamometro 200 comprende un sistema di illuminazione 265, in particolare un sistema di illuminazione led ad alta frequenza orientabile, atto ad illuminare il provino 100 e creare il massimo contrasto tra le superfici del provino e lo sfondo, in modo da eliminare eventuali artefatti dovuti ad una illuminazione naturale. In questo caso, la frequenza di illuminazione deve essere superiore alla frequenza di acquisizione delle immagini, ad esempio maggiore di 100 Hz.
Con riferimento a Fig. 2, ? presente uno speccho 250, incernierato ad una prima estremit? al telaio 201 del dinamometro 200, in particolare alla base del telaio 201, e ad una seconda estremit? ad un'asta 252. L'asta 252 ? posta in senso trasversale rispetto a due porzioni del telaio 202, 204 che si estendono in direzione perpendicolare rispetto alla base del telaio 201, ed ? vincolata a dette porzioni 202, 204.
Lo specchio 250 forma un angolo sostanzialmente di 45? rispetto alla base del telaio 201 ed ? utilizzato per la riflessione delle immagini della superficie I del provino 100, ovvero la superficie che comprende interamente l'intaglio 110 trasversale. In particolare lo specchio 250 ? utilizzato per la riflessione delle immagini di apertura del provino 100 durante la prova di flessione, ovvero per le immagini in cui ? visibile la distanza tra le due superfici di frattura del provino 100.
Vantaggiosamente, l'asta 252 pu? traslare lungo la direzione di estensione delle porzioni di telaio 202, 204 in modo da poter variare l'angolo che si forma tra lo specchio 250 e la base del telaio 201.
La prova di flessione viene eseguita sul provino 100 posto sui punti di supporto 205 del dinamometro 200 come summenzionato. Durante l'esecuzione della prova di flessione, il sistema di movimentazione 220 muove la traversa 210 (ed il punzone 215 ad essa vincolato) lungo la direzione verticale, imprimendo una velocit? costante di spostamento alla traversa 210 (quindi al carico applicato sulla superficie del provino 100 esposta al punzone 215 fino a quando la frattura nel provino 100 ? propagata dall'apice dell'intaglio 110 fino in prossimit? della superficie del provino 100 esposta al punzone 215. Durante la prova di flessione sono monitorati (in modo automatico o manuale) dati, in particolare grandezze fisiche, derivanti direttamente dalla prova di flessione, ad esempio il carico applicato, il tempo totale della prova, il tempo dal precarico e lo spostamento del punto di applicazione del carico lungo la direzione verticale.
Il tempo dal precarico ? definito come il tempo di svolgimento della prova di flessione effettivo ed ? calcolato sottranedo al tempo totale della prova (ovvero il tempo che intercorre tra l?avvio dell?acquisizione dei dati e la fine della prova, tipicamente coincidente con la rottura del provino) il tempo a cui il dinamometro 200 registra il raggiungimento di un valore target di carico iniziale (precarico) prefissato dall?operatore. Al momento del raggiungimento del precarico, si inizia a monitorare la finestra temporale utile (detta ?tempo dal precarico?) durante la quale ? assicurata l?applicazione uniforme del carico sulla superficie del provino 100 esposta al punzone 215.
Vantaggiosamente, il software installato sul dinamometro 200 monitora e memorizza dati durante l'esecuzione della prova di flessione.
Durante l'esecuzione della prova di flessione, la videocamera 260 monitora e acquisisce immagini della prova.
Vantaggiosamente, la videocamera 260 comprende almeno un software per l'analisi delle immagini in grado di applicare filtri per incrementare il contrasto dei marcatori 120 e/o eseguire algoritmi per il tracciamento dei marcatori 120 (esempi di software utilizzabili e disponibili gratuitamente sono ImageJ e Tracker).
Il monitoraggio delle grandezze fisiche e delle immagini della prova di flessione ? usato per eseguire ameno un'analisi energetica e/o almeno un'analisi cinetica per la caratterizzazione della frattura del prodotto alimentare sottoposto alla prova di flessione. In particolare, pu? essere monitorato l'innesco e la propagazione della frattura nel provino 100 e/o l'apertura del provino 100 durante la prova di flessione, ovvero la distanza tra le due superfici di frattura del provino 100 quando soggetto al carico imposto dal dinamometro 200.
Come detto, sia l'analisi energetica, sia l'analisi cinetica possono essere eseguite su scala macroscopica e/o su scala microscopica.
L'analisi effettuata su scala macroscopica consente di caratterizzare la frattura cosiddetta "quasi-stabile", ovvero guidata dal carico applicato.
L'analisi effettuata su scala microscopica consente di caratterizzare la frattura instabile, ovvero caratterizzata da una dinamica spontanea, con rapidi cambi di direzione, velocit? e accelerazione di propagazione della frattura.
Vantaggiosamente, l'esecuzione di almeno un'analisi su scala macroscopica e almeno un'analisi su scala microscopica consente di caratterizzare l'innesco e la propagazione della frattura e/o l'apertura del provino 100 in modo completo.
In particolare, l'analisi energetica comprende l'esecuzione di una prova di flessione monitorata tramite uno o pi? mezzi di acquisizione di immagini.
Come detto, dall'esecuzione della prova di flessione possono essere direttamente ricavati dati, in particolare grandezze fisiche, inerenti alla prova stessa, ad esempio dati di carico, spostamento e tempo.
Mediante il monitoraggio con mezzi per l'acquisizione d'immagini, in particolare con la videocamera 260, possono essere acquisite immagini della prova di flessione, in particolare della posizione dell'apice della frattura e dell'apertura del provino, ovvero della distanza tra le due superfici di frattura.
Vantaggiosamente, attraverso l'analisi delle immagini acquisite pu? essere eseguita una verifica sui dati ricavati durante la prova di flessione.
In particolare, la verifica pu? essere eseguita per valutare una o pi? delle seguenti condizioni:
- rispetto dei rapporti geometrici del provino 100,
- deformazione piana durante l'apertura del provino 100,
- regime delle piccole deformazioni all'apice della frattura,
- applicabilit? delle equazioni di meccanica e dinamica di frattura. L'analisi energetica consente, attraverso l'elaborazione dei dati e delle immagini acquisite su scala macroscopica e/o su scala microscopica, di ricavare almeno un primo indice energetico di frattura del prodotto alimentare da caratterizzare.
Da una fase di elaborazione di dati e immagini, possono essere costruite uno o pi? delle seguenti curve:
- carico-propagazione frattura, ad esemio un grafico della variazione del carico applicato al provino 100 in funzione dello spostamento dell'apice della frattura,
- carico-apertura provino, ad esempio un grafico della variazione del carico applicato al provino 100 in funzione della distanza delle due superfici di frattura (apertura provino),
- spostamento-propagazione frattura, ad esempio un grafico dello spostamento del punto di applicazione del carico al provino 100 in funzione dello spostamento dell'apice della frattura,
- spostamento-apertura provino, ad esempio un grafico dello spostamento del punto di applicazione del carico al provino 100 in funzione della distanza delle due superfici di frattura (apertura provino).
L'indice energetico ricavato dall'analisi energetica pu? essere una delle curve costruite oppure essere direttamente derivato da una delle curve costruite.
In particolare, l'analisi energetica, attraverso l'elaborazione dei dati e delle immagini acquisite su scala macroscopica e/o su scala microscopica, consente ulteriormente di calcolare:
- il "fattore di intensificazione degli sforzi" nel tempo e nello spazio, K(i,j), ovvero un indicatore dell'innesco della frattura e della resistenza elastica in prossimit? dell'apice della frattura
dove Pi ? il carico applicato, a(i,j) ? la posizione dell'apice della frattura e f una funzione che dipende dalla geometria del provino e dalla posizione dell'apice della frattura, e
- l' "integrale J" nel tempo e nello spazio, J(i,j), ovvero un indicatore dell'energia richiesta per innescare e propagare una frattura e/o per determinare un'apertura del provino 100
dove J(i,j)EL ? l'energia elastica
dove v ? il rapporto di Poisson e ET ? il modulo elastico,
e J(i,j)PL ? l'energia plastica calcolata in modo iterativo come differenza tra il valore assunto al tempo (i) e il valore assunto al tempo precedente (i-1)
dove A(i) ? l?area sottesa dalla curva carico-spostamento calcolata dopo la nota porzione lineare che descrive il comportamento elastico, ??? e )?? sono funzioni che dipendono dalla geometria del provino e dalla posizione dell'apice della frattura.
Il calcolo del fattore di intensificazione degli sforzi e/o dell'integrale J consente la costruzione di un'ulteriore curva, denominata "curva di resistenza". La curva di resistenza pu? essere costruita legando il fattore di intensificazione degli sforzi K, oppure l'energia elastica J(i,j)EL, oppure l'energia plastica J(i,j)PL, oppure preferibilmente l'integrale J, alla propagazione della frattura (spostamento dell'apice della frattura) oppure all'apertura del provino 100 (spostamento delle due superfici di frattura).
L'indice energetico ricavato dall'analisi energetica pu? essere la curva di resistenza costruita oppure essere direttamente derivato dalla curva di resistenza costruita.
Ad esempio, dalla curva di resistenza che lega l'integrale J e l'apertura del provino 100 pu? essere ricavato il modulo di propagazione della frattura (Tearing Modulus, Tr)
dove a ? la posizione dell'apice della frattura.
Come detto, l'analisi cinetica comprende il monitoraggio della prova di flessione tramite uno o pi? mezzi di acquisizione di immagini, in particolare tramite una videocamera 260 ad alta risoluzione.
E' da notare che, in caso di caratterizzazione della frattura di un prodotto alimentare comprendente sia un'analisi energetica sia un'analisi cinetica, entrambe le analisi fanno riferimento ad una stessa prova di flessione del provino 100.
Le immagini acquisite durante l'analisi cinetica sono successivamente analizzate al fine di ricavare vettori di propagazione di frattura (spostamento dell'apice della frattura) e/o di apertura del provino 100 (spostamento delle superfici di frattura). Vantaggiosamente, l'analisi delle immagini pu? essere eseguita da un software.
In particolare, il sofware pu? eseguire una o pi?, preferibilmente tutte, delle seguenti fasi:
- Sincronizzazione delle immagini e dei dati acquisiti durante la prova di flessione, in modo da assegnare con precisione i singoli dati di carico spostamento e tempo registrati durante la prova di flessione al singolo frame acquisito dalla videocamera 260 durante il monitoraggio della prova stessa,
- Miglioramento delle immagini, attraverso opportuni filtri, in modo da aumentare il contrasto tra diversi elementi, in particolare tra l'apice della frattura, le superfici di frattura, i marcatori 120 e i restanti elementi,
- Calibrazione dimensionale delle immagini digitali, eseguita mediante la conversione in micron della lunghezza espressa in pixel di alcuni elementi della superficie C laterale del provino 100 e della superficie I del provino 100,
- Definizione di centri di massa, ovvero dei marcatori 120, dell'apice della frattura e dei punti fisici costituenti le superfici di frattura del provino 100; ogni centro di massa pu? essere definito tracciando all'interno del primo frame acquisito dalla videocamera 260 un'area di interesse avente un'estensione tale da includere l'elemento strutturale del provino 100 costituente il centro di massa e una sufficiente porzione di materiale circostante il centro di massa,
- Definizione di un sistma di riferimento, in particolare di un sistema di riferimento cartesiano (X,Y) solidale con il provino. I vettori ricavati sono infine analizzati per ricavare almeno un secondo indice cinetico di frattura del prodotto alimentare da caratterizzare.
L'analisi cinetica pu? essere eseguita effettuando un'analisi matematica su grandezze cinetiche ricavate dal monitoraggio, in particolare sul vettore spostamento dell'apice della frattura del provino 100. Pi? in particolare, l'analisi matematica comprende il calcolo in derivata di almeno primo ordine, preferibilmente anche di secondo e terzo ordine, del vettore spostamento. Dall'analisi matematica sono derivati i vettori velocit? e accelerazione, utili per osservare eventi di frattura instabile che sono caratterizzati da repentine variazioni di queste grandezze. Dalle grandezze cinetiche derivate dall'analisi matematica o dalle grandezze cinetiche ricavate dal monitoraggio pu? essere costruita una curva propagazione frattura-tempo, ad esempio un grafico della posizione dell'apice della frattura in funzione del tempo, oppure una curva apertura provino-tempo, ad esempio un grafico dello spostamento delle due superfici di frattura (apertura provino) in funzione del tempo.
L'analisi cinetica pu? essere effettuata su scala macroscopica applicando un modello matematico alle grandezze cinetiche derivate dall'analisi matematica, in particolare ai vettori spostamento, velocit? e accelerazione dell'apice della frattura o delle superfici di frattura. Pi? in particolare, pu? essere applicato un modello matematico derivato da una parametrizzazione e normalizzazione della nota funzione di Gompertz, in grado di descrivere macroscopicamente i fenomeni che si verificano su scala microscopica durante il processo di frattura.
Pi? in particolare il modello matematico applicato pu? distinguere tre fasi della cinetica di fratturazione su scala macroscopica:
- Fase I - fase di latenza del processo di frattura, durante la quale non si osserva uno spostamento significativo della posizione dell?apice dell?intaglio 110 iniziale. Tale periodo serve per la concentrazione dello sforzo in grado di innescare la frattura su scala macroscopica;
- Fase II ? fratturazione esponenziale, durante la quale la posizione dell?apice della frattura si sposta seguendo un moto uniformemente accelerato seguito da un moto uniformemente decelerato;
- Fase III ? fase di arresto del processo di frattura, durante il quale la posizione dell?apice della frattura subisce spostamenti sempre meno significativi a causa dell?aumento della resistenza in prossimit? della superficie esterna del provino 110 (dove non sono pi? rispettate le condizioni di deformazione piana e del regime di piccoli sforzi).
L'indice cinetico ricavato dall'analisi cinetica pu? essere una delle curve costruite oppure essere direttamente derivato da una delle curve costruite.
L'analisi cinetica pu? essere effettuata su scala microscopica eseguendo un'analisi statistica su grandezze cinetiche derivate dall'analisi matematica.
Pi? in particolare, pu? essere eseguita un'analisi statistica sulle derivate di primo e secondo ordine dei moduli e degli angoli dei vettori di spostamento dell'apice della frattura, ovvero delle direzioni di propagazione della frattura.
Vantaggiosamente, il calcolo delle derivate consente di individuare il numero degli eventi principali di frattura instabile, in funzione del tempo e dello spazio, all?interno del provino 100. La disponibilit? di queste informazioni e della velocit? di propagazione della frattura, in particolare dell'apice e delle superfici di frattura, consente l'esecuzione dell?analisi statistica della distribuzione di frequenza di eventi di frattura instabile S(j). Pi? in dettaglio, la distribuzione di frequenza degli eventi instabili nella direzione (j) ? modellata utilizzando la seguente legge di potenza:
dove S(j) sono gli eventi di frattura instabile e P[S(j)] ? la distribuzione di frequenza degli eventi di frattura instabile.
Dall'applicazione della legge di potenza alle grandezze cinetiche derivate dall'analisi numerica pu? essere costruita una curva di distribuzione a legge di potenza per ogni direzione di propagazione della frattura, in particolare per la direzione X e la direzione Y.
L'indice cinetico ricavato dall'analisi cinetica pu? essere una delle curve costruite oppure essere direttamente derivato da una delle curve costruite.
Le informazioni energetiche e cinetiche ricavate rispettivamente dall'analisi energetica e dall'analisi cinetica possono essere integrate tra loro al fine di caratterizzare nel modo pi? completo possibile la frattura del prodotto alimentare.
In particolare, pu? essere ricavato un terzo indice di frattura derivante da un primo indice energetico e da un secondo indice cinetico.
Pi? in particolare, il terzo indice di frattura ? oppure deriva da una curva propagazione di frattura-carico, ovvero un grafico della posizione dell'apice della frattura in funzione del carico applicato al provino 100.
Vantaggiosamente, la prova di flessione pu? essere preceduta da una prova di trazione al fine di determinare alcune propriet? meccaniche fondamentali del prodotto alimentare analizzato, ad esempio il modulo elastico.
In particolare, la prova di trazione ? eseguita su un provino 600 di prodotto alimentare.
Con riferimento a Fig. 6, ? mostrato un esempio di provino 600 di prodotto alimentare avente forma prismatica a sezione quadrata.Vantaggiosamente, il provino 600 ha dimensioni geometriche pari a quelle del provino 100 utilizzato per la prova di flessione ed ? ricavato da una ruota di formaggio con un processo di campionatura analogo.
Vantaggiosamente, il provino 600 comprende dei marcatori 620, in particolare dei marcatori cromatici, atti a definire un sistema di riferimento solidale con il provino 600.
Come mostrato in Fig. 6, il provino 600 comprende un intaglio 610 trasversale su una superficie laterale II, in corrispondenza di un piano di sezione trasversale; in particolare il piano di sezione trasversale coincide con il piano di simmetria del provino 600.
Come mostrato in Fig. 6, l'intaglio 610 si estende trasversalmente lungo tutta la profondit? della superficie II del provino 600 e per una altezza costante all'interno del provino 600, definendo su una superficie laterale CC, perpendicolare alla superficie II, una prima zona del provino in cui ? presente l'intaglio e una seconda zona in cui non ? presente l'intaglio. Il provino 600 comprende ulteriormente due fori passanti 625 ricavati tramite perforazione sulla superficie laterale CC.
In particolare, i fori passanti 625 sono ricavati sulla seconda zona della superficie CC in cui non ? presente l'intaglio 610.
Vantaggiosamente, l'asse dei fori passanti 625 si trova in corrispondenza del piano di mezzeria della seconda zona della superficie CC in cui non ? presente l'intaglio 610, in modo da trasformare il carico di tensione uniassiale in carico uniformemente distribuito nella sezione trasversale della seconda zona della superficie CC e permettere di determinare propriet? meccaniche del materiale con elevati livelli di precisione.
Claims (22)
1. Metodo per la caratterizzazione di frattura di un prodotto alimentare, in particolare di formaggio a pasta dura, pi? in particolare di formaggio Parmigiano Reggiano, comprendente almeno un'analisi energetica e/o almeno un'analisi cinetica, in cui detta analisi energetica e detta analisi cinetica comprendono esecuzione di una prova di flessione su almeno un provino (100) di detto prodotto alimentare e monitoraggio di detta prova di flessione tramite uno o pi? mezzi per l'acquisizione di immagini;
secondo cui si ricava almeno un primo indice energetico di frattura e/o almeno un secondo indice cinetico di frattura.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto monitoraggio ? un monitoraggio di innesco e propagazione di una frattura in detto provino (100) e/o di apertura di detto provino (100).
3. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta analisi energetica ? effettuata su scala macroscopica e/o microscopica.
4. Metodo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta analisi energetica comprende almeno una determinazione dell'energia necessaria per innescare e propagare una frattura in detto provino (100) e/o dell'energia necessaria per determinare un'apertura di detto provino (100).
5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta analisi cinetica ? effettuata su scala macroscopica e/o microscopica.
6. Metodo secondo la rivendicazione 5, in cui detta analisi cinetica comprende un'analisi matematica di grandezze cinetiche ricavate da detto monitoraggio, in particolare un calcolo in derivata di almeno primo ordine, preferibilmente anche di secondo e terzo ordine, ricavando grandezze cinetiche derivate.
7. Metodo secondo la rivendicazione 5 e 6, in cui detta analisi cinetica effettuata su scala macroscopica comprende un'applicazione di un modello matematico, in particolare un modello derivato dal modello di Gompertz, su dette grandezze cinetiche derivate.
8. Metodo secondo la rivendicazione 5 e 6 oppure 7, in cui detta analisi cinetica effettuata su scala microscopica comprende un'analisi statistica su dette grandezze cinetiche derivate.
9. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto provino (100) ha forma prismatica a sezione quadrata.
10. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto provino (100) comprende un intaglio (110) trasversale in corrispondenza di una sezione trasversale.
11. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta prova di flessione ? una prova di flessione a tre punti.
12. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta prova di flessione ? eseguita mediante un dinamometro (200).
13. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta analisi energetica prevede una determinazione di un fattore di intensificazione degli sforzi K e/o di energia elastica Jel e/o di energia plastica Jpl e/o di un integrale J, detto integrale J essendo una funzione di detta energia elastica Jel e detta energia plastica Jpl.
14. Metodo secondo la rivendicazione 13, in cui detta analisi energetica comprende le fasi di:
- marcare almeno una superficie di detto provino (100);
- eseguire detta prova di flessione;
- ricavare dati di carico, spostamento, tempo da detta prova di flessione;
- acquisire immagini mediante detto monitoraggio di detta prova di flessione;
- elaborare detti dati e dette immagini;
- ricavare detto primo indice energetico di frattura da detta elaborazione.
15. Metodo secondo la rivendicazione 14, in cui detto primo indice energetico di frattura ? oppure deriva da una curva carico-propagazione di frattura, oppure una curva carico-apertura provino, oppure una curva spostamento-propagazione di frattura, oppure una di curva spostamento-apertura provino.
16. Metodo secondo la rivendicazione 14 oppure 15, in cui detto primo indice energetico di frattura ? oppure deriva da una curva di resistenza, detta curva di resistenza legando detto integrale J a propagazione di detta frattura o ad apertura di detto provino (100) oppure legando detta energia elastica Jel o detta energia plastica Jpl o detto fattore di intensificazione degli sforzi K a propagazione di detta frattura o ad apertura di detto provino (100).
17. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta analisi cinetica prevede una determinazione di vettori di propagazione di frattura e/o di apertura di detto provino (100).
18. Metodo secondo la rivendicazione 17, in cui detta analisi cinetica comprende le fasi di:
- marcare almeno una superficie di detto provino (100);
- eseguire detta prova di flessione;
- acquisire immagini mediante detto monitoraggio di detta prova di flessione;
- elaborare dette immagini per ricavare detti vettori di propagazione di frattura e/o di apertura di detto provino (100) - analizzare detti vettori;
- ricavare detto secondo indice cinetico di frattura da detta analisi.
19. Metodo secondo la rivendicazione 18, in cui detto secondo indice cinetico di frattura ? oppure deriva da una curva propagazione di frattura-tempo, oppure una curva apertura provino-tempo, oppure una curva di distribuzione a legge di potenza.
20. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui si ricava un terzo indice di frattura di detto prodotto alimentare, detto terzo indice di frattura derivante da detto primo indice energetico di frattura e da detto secondo indice cinetico di frattura.
21. Metodo secondo la rivendicazione 20, in cui detto terzo indice di frattura ? oppure deriva da una curva propagazione di frattura-carico.
22. Apparecchiatura atta a implementare il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| US4007632A (en) | 1976-01-29 | 1977-02-15 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Apparatus for determining the textural qualities of food |
| WO1996012937A1 (en) | 1994-10-24 | 1996-05-02 | Kansas State University Research Foundation | System for determining toughness of edible products |
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2020
- 2020-08-06 IT IT102020000019438A patent/IT202000019438A1/it unknown
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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