Appunti e domande d'esame Tecnologie della formulazione dei prodotti alimentari

Dispensa di tecnologie della formulazione dei prodotti alimentari 2021-22 + domande d’esame

Dispensa di tecnologie della formulazione dei prodotti alimentari 2021-22 + domande d’esame (elenco completo da cui pesca le domande per l’esame)

Definizioni varie

• Ingrediente: sostanza che fa parte di una dispersione.
• Prodotto alimentare: dispersione, il più delle volte complessa.
• Functional foods: alimenti con riconosciuti benefici salutistici, possono promuovere fattori positivi, oppure essere preventivi di situazioni patologiche.

Naturali: carote con beta-carotene o pomodori ricchi in licopeneo.

Alimenti processati: arricchiti con componenti a buona funzionalità o salutistica come yogurt arricchiti in calcio.

Componenti isolati e integrati in altre formulazioni alimentari come isoflavoni da soia o betaglucani.

Alimenti la cui biodisponibilità è stata modificata.

• Functional ingredients: ingredienti che modificano o rendono stabili alcune caratteristiche fisiche dell’alimento.

Molti componenti naturalmente presenti nelle matrici alimentari possono avere un ruolo emulsionante, plasticizzante, lubrificante (come l’acqua in una matrice alimentare), cambiare la viscosità.

Quando i carboidrati, i lipidi e le proteine non sono in grado di garantire la performance che voglio, aggiungo ingredienti e additivi funzionali -> funzionalità:

• Colore e stabilità del colore.
• Flavour.
• Estensione della carne.
• Riduzione o sostituzione dei grassi.
• Stabilità delle emulsioni.
• Proprietà gelificanti.
• Aumento della texture.
• Controllo della sineresi.
• Attività dell’acqua.
• Congelamento / stabilità allo scongelamento.
• Promozione della salute.

Additivi e coadiuvanti tecnologici

• Sostanze che abitualmente non vengono consumate come alimenti in quanto tali, ma vengono intenzionalmente aggiunte al prodotto alimentare con un preciso scopo tecnologico.

L’additivo è destinato a diventare direttamente o indirettamente un componente dell’alimento.

• Devono essere presentati nell’etichetta dell’alimento con il loro E-number o il nome completo in quanto fanno parte della formulazione dell’alimento o sono contenuti negli ingredienti utilizzati per la preparazione.

Il coadiuvante esplica la sua funzione solo durante la lavorazione o trasformazione e sussiste nel prodotto finito come residuo senza alcun effetto tecnologico quindi è considerato assente nell’alimento.

Novel food

• Categoria alimentare in cui rientrano gli alimenti che prima del 15 maggio 1997 non venivano consumati in modo significativo nella comunità europea, come ad esempio gli insetti.
• Per poter mettere sul mercato un novel food (insetti, alghe, prodotti ottenuti con nuove tecnologie come alte pressioni) bisogna chiedere un’autorizzazione alla commissione europea e all’EFSA nel caso in cui l’alimento possa avere effetto sulla salute.
• Esempio è l’uso della nanocellulosa: potenziale novel additivo.

Beta-glucano extracellulare utilizzato da gluconobatterio polimero che ha potenzialità tecnologiche elevate perché ha un’elevata idrofobicità, cristallinità, capacità trattenere acqua, un’assenza di tossicità e di allergenicità, una superficie esposta attiva e proprio per questo può essere utilizzata come materiale di packaging ma anche come agente inspessente, gelante, emulsificante oppure anche come ingrediente nei prodotti carne come alternativa alle proteine animali.

L’iter che è stato necessario seguire per ottenere l’autorizzazione all’emissione sul mercato parte dalla presentazione di un dossier tecnico fino all’approvazione finale e tra questi due momenti possono passare fino a 5 anni più il tempo necessario per far recepire agli stati.

• L’articolo 1 del Regolamento CE 258 del 1997 distingue 4 categorie di nuovi prodotti e di nuovi ingredienti alimentari così composte:

• A) Prodotti e ingredienti alimentari con una struttura molecolare primaria nuova o volutamente modificata.
• B) Prodotti e ingredienti alimentari costituiti o isolati a partire da microrganismi, funghi o alghe.
• C) Prodotti e ingredienti alimentari costituiti da vegetali o isolati a partire da vegetali e ingredienti alimentari isolati a partire da animali.
• D) Prodotti e ingredienti alimentari sottoposti ad un processo di produzione non generalmente utilizzato che comporta cambiamenti significativi del valore nutritivo, del loro metabolismo o del tenore di sostanze indesiderabili.

Ci sono anche i prodotti ottenuti con novel technologies.

• Esiste una scala TRL che va da 1 a 9 e che dice il grado di avanzamento di una tecnologia nuova:

• 1 è solo poco più che un’idea teorica.
• 2 è una prima valutazione di fattibilità tecnologica.
• 3 sono le sperimentazioni e le analisi che sviluppano il concetto.
• In seguito si cresce fino a livelli più alti che escono dalla scala di laboratorio a quella pilota.
• 5-6 si è al livello commerciale.
• 7 al livello di fattibilità economica.
• 8 si ha una definizione di fattibilità economica e il via libera regolatorio.
• 9 si è alla fine del processo per cui la tecnologia è completamente commercializzabile sul mercato.

Ci sono tecnologie novel che non sono tutte tanto avanzate:

• Le tecnologie ad alte pressioni che consentono di superare i vecchi sistemi di trattamento termico di pastorizzazione sono molto avanzate (8) e già ampiamente utilizzate al di fuori dell’Europa.

Gli alimenti prodotti con queste nuove tecnologie non termiche per evitare danni al prodotto dovranno sottoporsi a un iter di approvazione da parte dell’EFSA per essere valutati per il grado di tossicità e di sicurezza del consumatore quindi non si tratta solo di ingredienti ma anche di tecnologie di processo che devono essere valutati prima di essere utilizzati.

EFSA

• L’EFSA è costituita da un panel di interni dedicati agli additivi e agli ingredienti alimentari, ai materiali a contatto, enzimi, coadiuvanti e al packaging; si hanno ruoli tecnologici specifici e la FAO si occupa della composizione degli alimenti.

Nel caso degli additivi, l’EFSA ha un panel specifico, il Food and Flavourings, che valuta quelli nuovi e svolge continue rivalutazioni per quelli già ammessi per il progresso scientifico e tecnologico in modo da garantire la sicurezza del consumatore; l’EFSA ha il compito di determinare l’ADI per ogni additivo considerando la valutazione del rischio e la tossicità.

Sistemi dispersi

I prodotti alimentari sono sistemi dispersi/dispersione.

• Sistema nel quale una sostanza (la fase dispersa) è distribuita in un’altra sostanza (fase continua o disperdente).

Ciascuna fase può essere allo stato solido, liquido o gassoso.

• Emulsione: liquido-liquido.
• Schiuma: gas disperso nel liquido.
• Schiume solide: gas disperso nel solido.

Gerarchia della struttura

Le proprietà macroscopiche di un prodotto dipendono dall’organizzazione strutturale delle componenti nelle scale microscopiche:

• Scala nanoscopica: struttura atomica.
• Scala molecolare: struttura molecolare.
• Scala mesoscopica: polimeri.
• Scala micro: sistema disperso visibile al microscopio ottico.
• Macroscala: visibile ad occhio nudo.

Es. birra

• Un sistema bifasico, costituito da una fase liquida e una schiuma, che a sua volta è una dispersione di un gas dentro una fase continua liquida -> La schiuma è una dispersione instabile, ma la si desidera stabile: per lavorare sulla stabilità è necessario non avere una visione solo macroscopica, quindi come schiuma, ma soffermarsi sull’interfaccia gas-liquido -> le proteine stabilizzano l’interfaccia e quindi permette la stabilizzazione della schiuma.

Evitano la formazione di bolle di sproporzionamento.

Tipi di sistemi dispersi

• Dispersioni eterogenee (sospensioni): sistema molto complesso.

Es. gelato, che è un’emulsione e una dispersione di un gas in un liquido.

• Dispersioni colloidali.
• Soluzioni: soluto di piccolissime dimensioni omogeneamente disperso in una fase disperdente.

Colloidi/dispersione colloidale

• Particelle: 1-1000 nm con grande area superficiale.
• Sistema a due fasi, in cui la fase dispersa è finemente distribuita in quella disperdente, e le due sostanze che costituiscono le due fasi sono immiscibili.
• Suddivisione di Ostwald: dallo stato della fasi che costituiscono il sistema, si suddividono le varie tipologie di sospensioni colloidali.

Alloy: lega - Slurry: melma, liquame.

Emulsione

• Fine dispersione di un liquido in un secondo liquido immiscibile.

Negli alimenti i 2 liquidi sono acqua e olio -> può essere acqua in olio, oppure olio in acqua.

Per stabilizzare un’emulsione (evitando quindi la coalescenza) occorre lavorare sull’interfaccia tra le due fasi: -> emulsionanti: molecole anfifiliche che possono legarsi ad acqua ed olio.

Sol e gel

Soluzioni disperse in cui si ha formazione di un network di sostanza gelante, proteine solitamente, che trattiene all’interno elevata qt di solvente.

• Sol: colloide liquido in cui la fase continua è liquida, di solito acqua, mentre la fase dispersa è solida, solitamente un polimero (proteine o polisaccaridi).

Quando la struttura del sol si raffredda -> gelare: le fasi si invertono e diventa un gel.

• Gel: fase continua è il polimero, quella dispersa è l’acqua.

Struttura semisolida in cui il polimero gelante ha creato una rete tridimensionale che contiene l’acqua; sono termoreversibili: col calore si sciolgono e tornano come sol.

Schiuma

• Fase gassosa dispersa in una fase continua liquida (piccole bolle di gas disperse in un liquido).

L’azione meccanica (es. montare albumi a neve) causa l’apertura delle proteine e la creazione di un reticolo che intrappola l’aria.

• Struttura: distribuzione della glicoproteina a bolle:

• Polisaccaridi idrofili orientati nello strato liquido.
• Proteine idrofobiche nella bolla di gas.

• Se il prodotto viene scaldato, le proteine coagulano e viene espulsa l’umidità -> schiuma diventa solida: meringhe, gelato, pane.

Stabilità delle schiume: dispersione di gas in un liquido

• Stabilizzazione avviene a livello di interfaccia tra aria e liquido -> introduzione di ingredienti che vanno a modificare la fase continua liquida per fare stabilizzazione di tipo sterico.

Queste stabilizzazioni, in base all’ingrediente utilizzato, portano a diverse capacità della schiuma -> foaming capacity: la capacità di formare la schiuma.

Foaming stability: persistenza della schiuma nel tempo.

• Arricchiamo la fase continua con idrolizzato di glutine: alta velocità di avvicinamento e assorbimento -> alta capacità di formare schiuma = minor stabilità.
• Aggiunta di albume d’uovo -> le proteine sono più lente nell’assorbimento -> minore capacità di formare schiuma ma più stabilità.
• Arricchiamo fase continua contemporaneamente con idrolizzato di glutine + albumine: alta capacità di formare schiuma ma anche stabilità data da glutine + albumine.

Tipi di colloidi

Colloidi possono essere di 2 tipi:

• Colloidi liofilici: particelle liofiliche disperse nel solvente adatto.

Ovvero sistema colloidale in cui la fase dispersa ha un’alta affinità con la fase continua -> sono molto stabili grazie alle grandi forze di attrazione fra le due fasi.

Sono sistemi reversibili, perché il sol può essere ricostituito semplicemente rimescolando con il mezzo disperdente.

Se il mezzo disperdente è l’acqua, sono detti colloidi idrofilici: ovvero particelle colloidali formate da molecole organiche facilmente idratate che in presenza di acqua diventano solvatate (forma in cui sono termodinamicamente stabili).

Es. gelatine, amido, proteine e alcuni polimeri in solventi organici.

• Colloidi liofobici: particelle colloidali disperse nel solvente.

Ovvero sistema colloidale in cui non c’è affinità tra la fase dispersa e quella disperdente -> la loro stabilità è data dalla presenza di cariche superficiali che attraggono specie ioniche dell’acqua, formando uno strato carico attorno alla particella.

Sono irreversibili.

Sono termodinamicamente instabili: se lo strato carico attorno alla particella viene rimosso (aggiungendo elettroliti) tendono a coalescere spontaneamente formando cristalli.

Se il mezzo disperdente è l’acqua, sono detti idrofobici: particelle senza affinità per l’acqua.

Es. oro, metalli.

Per stabilizzare un sistema colloidale bisogna agire all’interfaccia.

Interfaccia

• Strato nanometrico che separa una fase dall’altra.
• Ne esistono di diversi tipi a seconda dello stato (solido, liquido o gassoso) delle due fasi coinvolte.

In che modo

• Agendo sull’entità dell’area di contatto tra le due fasi: la stabilità aumenta all’aumentare dell’area di contatto.

Es. emulsione acqua-olio -> aggregazione delle particelle e la separazione delle due fasi: oiling-off.

• Dispersione 1: 20 cm³ di olio di raggio 1 cm -> 3.6 gocce = area 45,5 cm².
• Dispersione 2: stessa qt di olio di raggio 0,1 cm -> 5000 gocce = area di 2625 cm² -> tra le 2 dispersioni quella più stabile è la seconda, che per esempio può essere ottenuta mediante omogeneizzazione a partire dalla prima dispersione.
• Agendo sulla tensione superficiale: minore è la tensione superficiale, maggiore è la stabilità.

Tensione superficiale: tensione meccanica coesione delle molecole nel sistema colloidale all’interfaccia liquido-aria.

Forza per unità di lunghezza applicata parallelamente alla superficie per controbilanciare la spinta verso l’interno.

Teoria

Le molecole all’interno e sulla superficie hanno comportamenti diversi:

• All’interno del liquido, ogni molecola percepisce forze attrattive di uguale forza da ogni direzione da parte delle molecole vicine -> forza risultante = 0.
• Le molecole situate sulla superficie non sono circondate completamente dalle molecole vicine e ciò causa squilibri nella forze: si sviluppa una forza diretta all’interno del mezzo -> per mantenere l’equilibrio è necessario compiere un lavoro contrario a questa forza: tensione superficiale.

Stesso principio per la tensione interfacciale, ma l’interfaccia è liquido - liquido: forza per unità di lunghezza presente all’interfaccia tra due fasi immiscibili.

La tensione interfacciale è minore di quella superficiale in quanto le forze di attrazione tra due liquidi sono maggiori rispetto a quelle tra liquido e gas, per cui si sviluppa una minore forza diretta verso l’interno del mezzo.

Se le fasi liquide sono completamente miscibili, non esiste tensione interfacciale.

Per diminuire la tensione superficiale si utilizzano tensioattivi:

• Molecole anfifiliche che agiscono abbassando la tensione superficiale.
• Costituzione:

• Gruppo di teste polari (idrofila): può interagire fortemente con i solventi polari, come l’acqua.
• Catena di idrocarburi non polare (idrofobica): può formare forti interazioni con solventi non polari, come l’olio.

Meccanismo

• Si adsorbono alle interfacce, mediando tra due fasi poiché possono formare forti interazioni con entrambe, abbassando dunque la tensione superficiale.

La diminuzione della tensione interfacciale diventa tanto più forte quanto più i tensioattivi vengono adsorbiti all’interfaccia, finché l’interfaccia non sarà satura.

Una volta saturata l’interfaccia, l’aggiunta di più tensioattivi non ridurrà ulteriormente la TS -> viene raggiunta concentrazione micellare critica CMC: concentrazione di tensioattivo massima in corrispondenza e al di sopra della quale nell’interno del volume della fase si formano le micelle di tensioattivo (per minimizzare contatto tra le catene non polari ed il solvente polare).

Stabilità dei colloidi

Stabilità dei colloidi:

• Dipende dal bilancio fra le forze repulsive e quelle attrattive che esistono tra le particelle colloidali quando esse si trovano in una condizione di vicinanza spaziale.
• Stabilità: particelle resistono alla coalescenza o all’aggregazione in quanto possiedono una mutuale repulsione.
• Instabilità: si manifesta quando c’è poca o nessuna forza repulsiva tra le molecole.

Cosa avviene nei sistemi colloidali

• Le particelle sono in movimento: a causa del moto browniano o per agitazione -> avvengono continue collisioni tra le molecole nel mezzo disperdente.

Dopo le collisioni il sistema può:

• Rimanere stabile.
• Formare aggregati: per effetto di forze di attrazione di van der walls.

Flocculazione: è un primo step della coalescenza.

È una aggregazione di due o più gocce individuali che si fondono a formare gocce più grosse grazie a legami interparticellari, che però mantengono la loro individualità.

Reversibile grazie al processo di deflocculazione.

• Coagulazione/coalescenza: l’aggregazione delle singole unità si traduce in una fusione delle particelle più piccole in quelle grandi, quindi si ha la creazione di una struttura non più distinguibile nelle sue unità.

Irreversibile.

E di conseguenza avviene separazione delle fasi:

• Sedimentazione: se l’aggregato è più denso del mezzo continuo.
• Affioramento: se l’aggregato è meno denso del mezzo continuo.

Meccanismi di stabilizzazione

La stabilità può essere aumentata addizionando tensioattivi o polimeri al sistema, questi agiscono sulle proprietà di interfaccia tra la fase dispersa e la fase disperdente.

• Stabilizzazione elettr