Appunti Tecnologie della formulazione dei prodotti alimentari + domande esame

Tecnologia della formulazione dei prodotti alimentari

Dagli anni '60 la richiesta di alimenti è cresciuta in modo importante. Dal 2010 al 2050 ci sarà una fortissima richiesta di più cibo, con un incremento del 71%.

Riduzione degli scarti

Circa un terzo degli alimenti sono sprecati, soprattutto a livello domestico, o persi a causa di degrado.

Rispetto della terra

Dalla produzione in campo fino alla fine, ci sono problemi legati alla perdita di biodiversità, impatto ambientale e sostenibilità delle produzioni.

Nutrizione

È importante istruire a una nutrizione diversa con maggior impatto salutistico.

Stabilità: è fondamentale garantire accesso al cibo costante per tutti e stabilità nella fornitura, anche a condizioni estreme.

Innovazione alimentare sostenibile

• Healthy food: alimentazione con impatto salutistico.
• Sustainable production systems: sistemi di produzione e trasformazione sostenibili.
• Resilient food markets: stabilità e garantire accesso al cibo a tutti.

La trasformazione delle materie prime in un prodotto trasformato è uno step fondamentale. In passato si pensava solo a trasformare la produzione da artigianale a industriale. Il consumatore poi ha chiesto un alto grado di servizio dei prodotti alimentari, con conseguente crescita della catena del freddo e incremento dei surgelati. La parte di processo degli alimenti che trasforma le materie prime in prodotti finali funzionali è una fase fondamentale nella catena di valore degli alimenti.

Gelato formulazione

Il gelato è un'emulsione complessa in cui si ha una fase aria in una fase solida o semisolida complessa che contiene sotto-emulsioni. La presenza dei cristalli di ghiaccio è fondamentale per dare consistenza al gelato. I prodotti formulati possono essere categorizzati in base a quanti ingredienti fanno parte dell'elaborazione; la lunghezza dell'etichetta influisce sulla scelta del prodotto, etichetta corta è più scelta. Il gelato industriale è a etichetta lunga.

Innovazione nel reparto maturazione

La maturazione è stata sostituita da un estrusore a freddo che funge da mescolatore e freezer. Si ottimizza un impianto utilizzando una sola operazione anziché tre. La cristallizzazione dell’acqua è diversa e il gelato ha una proprietà di morbidezza maggiore. Le formulazioni del gelato sono state riviste per la microstrutturazione di bolle d’aria all’interno del gelato, creando una matrice viscosa. Migliorando la formulazione, si è migliorato anche l’impianto. È stato necessario studiare i fenomeni di crescita dei cristalli nella prima miscela e poi formulare il prodotto in modo da contenere la crescita dei cristalli, avvalendosi della formulazione e dell’impiantistica.

Stampanti 3D dei gelati

Quando si mescolano gli ingredienti, bisogna mantenere consistenze importanti della miscela. Non con tutti gli alimenti si può fare, ma con il gelato sì. La miscela poi viene estrusa per ottenere gelati artistici.

Tecnologia della formulazione

La tecnologia della formulazione è una disciplina non nuova, copiata da altri settori, che prevede la competenza di diversi professionisti come ingegneri, chimici e fisici. Formulare il prodotto significa capire il ruolo funzionale di ogni ingrediente sulla struttura del prodotto e sul processo.

Ingredienti

Si tratta di sostanze che formano parte di una dispersione. Gli ingredienti funzionali sono quelli che hanno un potenziale di funzionalità fisica, come la capacità di emulsificare i grassi o aumentare la viscosità di un prodotto, all'interno di una matrice alimentare. Oltre ai composti naturali con proprietà funzionali, vengono aggiunti altri composti identificati con una funzionalità specifica, ad esempio la lecitina come agente emulsionante.

Additivi alimentari

Gli additivi alimentari sono molto regolamentati a livello cogente. L’EFSA fa un serio lavoro di valutazione e analisi del rischio e valuta la sicurezza d’uso degli additivi. Gli additivi sono sostanze aggiunte che hanno un ruolo preciso nell’alimento e sono classificati secondo un criterio che appare al consumatore in etichettatura con il nome esteso o una scritta. L’EFSA ha pubblicato un regolamento degli additivi nel 2008, ma continuamente ampliato e rivalutato in base alle nuove conoscenze scientifiche di quel determinato additivo. L’EFSA stabilisce la tossicologia di una sostanza potenzialmente additiva e ne identifica la dose ammessa, ADI - Acceptable Daily Intake, che corrisponde alla quantità di una sostanza che può essere consumata su base giornaliera durante l’intera vita senza apportare particolari rischi per la salute. Questo è espresso in mg/kg/giorno. Indici sono attribuiti solo ad alcuni additivi, altri hanno solo la dicitura q.b. (quanto basta). Tutti gli additivi devono essere approvati prima dell’utilizzo. C’è stato un lavoro di armonizzazione delle regole per utilizzare gli additivi, che ha consentito di produrre una lista delle sostanze ammesse e degli alimenti dove possono essere immessi e il livello di purezza.

Formulazione di alimenti

• Alimenti generici: fonti di nutrienti.
• Alimenti con claims salutistici.
• Alimenti con claims farmaceutici/parafarmaceutiche: fonti di nutrienti e con funzionalità di tipo fisico.
• Integratori: importanti nella nutrizione umana, da utilizzare in caso di necessità.
• Superfood: termine creato dal marketing che ci spinge a nutrirci con alimenti considerati super per la salute come spinaci, salmone, frutta, grani integrali, bacche rosse, ecc. Hanno principi di composizione importanti per la salute, che se consumati con priorità apportano benefici alla salute.

Funzionalità

Gli aspetti macroscopici del prodotto, giudicati dai sensi, includono stabilità del colore, flavouring, riduzione del contenuto in grassi, strutture gelanti, texture, attività dell’acqua, emulsionamento, stabilità al congelamento/surgelamento e composti che promuovono la funzionalità salutistica. Una certa funzionalità si ottiene combinando diversi ingredienti e additivi. Spesso una funzionalità viene raggiunta da un insieme di sostanze, additivi e ingredienti, che appartengono alla stessa categoria, building block.

Classificazione degli additivi

La legge classifica gli additivi in classi funzionali:

• Coloranti: aumentano l’attrattività del colore dell’alimento.
• Addensanti: modificano la densità del prodotto.
• Stabilizzanti: per la texture, per la coesione di due fasi liquide, prevengono la sedimentazione di corpi solidi in una matrice con un solvente.
• Coadiuvanti, antiossidanti, conservanti.

Per combinare ingredienti e additivi, può essere naturale o guidata per ottenere una proprietà di prodotto particolare. È importante porre attenzione alla formulazione, alla combinazione. Si parla infatti di 'architettura del prodotto': combinazione di ingredienti per dare una certa struttura che offra una performance al prodotto.

Food architettura

La food architettura, o architettura dei prodotti alimentari, comporta un design di prodotto con grande attenzione ai materiali di costruzione, singole molecole, poi ci sono principi di ingegneria strutturale e infine prodotti finali, come costruzione, per conoscere come si comportano i materiali, come devono essere combinati per dare il prodotto finito, e l’effetto dei processi sui materiali.

Birra

La birra è un sistema bifasico, liquido-schiuma, con caratteristiche della fase liquida unite a quelle della schiuma. La schiuma è richiesta in termini di quantità e stabilità, molta e molto persistente. Per fare ciò, si studia il sistema, formulazione, e il processo: sistema disperso con fase continua definita fase acqua e una fase dispersa chiamata fase aria. Deve avere, oltre alla stabilità, anche proprietà sensoriali. Per controllare tali parametri richiesti per la schiuma, si deve andare a controllare l’organizzazione strutturale dei composti a livelli non solo macroscopici, macroscala, ma a livelli inferiori: da macroscala, si passa all’osservazione di microscala, mesoscala, nanoscala e livello molecolare. Man mano che si riduce, si osservano particolarità e peculiarità della schiuma diverse.

Parametri strutturali della birra

• Dimensioni fase dispersa aria, macroscala.
• Scendendo a livello nanometrico, si vede la schematizzazione di una sottile parete di bolle d’aria con all’interno un gas e all’esterno la fase continua liquida, e si lavora sull’interfaccia aria-liquido. Si vede se le pareti sono resistenti.
• Scendendo a livello molecolare, si vede come è formata l’interfaccia gas-liquido: si vede che ci sono molecole, stabilizzanti, con attività superficiale, polimeri naturali, che stabilizzano tale interfaccia rendendo stabili le bolle e a livello macroscopico la schiuma.

Pertanto, andando a lavorare sulla formulazione, si va a giostrare queste proprietà, foam ability/stability. Al giorno d’oggi, si mettono polimeri naturali per stabilizzare tale interfaccia. È utile che ci siano queste proteine, ma a volte è utile che ci siano altre molecole con attività superficiale, es. emulsionanti.

Antischiumogeni

Talvolta c’è la necessità di avere degli antischiumogeni, additivi alimentari, che lavorano con un meccanismo contrario: agenti che indeboliscono l’interfaccia e destabilizzano l’interfaccia in modo che le bolle non rimangano separate ma coalescano le une con le altre aumentando di volume. Sono inibitori di schiuma.

Non c’è solo una dimensione macroscopica da gestire per avere proprietà funzionali di prodotto, ma bisogna conoscere tutti i livelli strutturali che non sono visibili ad occhio nudo.

Grafico sui fenomeni strutturali

Sull'asse delle ascisse si ha la lunghezza, dimensione componenti dell’alimento, e sull'asse delle ordinate il tempo. Tutti i fenomeni che avvengono a livello nanometrico, singole molecole, avvengono in millisecondi. Man mano che si arriva alle scale molecolari, assemblamenti di molecole, e di mesoscala, circa 100 nanometri, occorrono tempi di organizzazione strutturale di 1 minuto. Crescendo di scala e guardando sistemi dispersi, si arriva a millimetri e tempi più lunghi e poi al prodotto con un'organizzazione strutturale di ore. È di recente scoperta perché in passato era costoso visualizzare a livello microscopico un alimento, ma con l’avanzamento della tecnologia si è andato a vedere i polimeri e gestire queste fasi di organizzazione strutturali.

Scale strutturali

• Macroscala: fisica dei materiali.
• Mesoscala: colloidi o scienza dei polimeri.
• Microscala: nanoscienza.
• Livello molecolare: chimica.

Dimensione dei componenti: differenza tra organizzazione molecolare, 1°-10nm; aggregati supermolecolari, 10nm -10μm, e struttura micro e macroscopica, da 10μm in su.

Tutte queste indagini sul ruolo dei diversi componenti nell’ingredientistica presuppone che ci sia un’informazione delle tecniche analitiche per indagare le diverse scale di osservazione.

Analisi di tipo fisico

Le analisi fisiche possono essere utilizzate per comprendere caratteristiche di funzionalità di ingredienti per interessi di gestione del processo e sulle proprietà finali del prodotto, aspetti legati all’aspetto sensoriale del prodotto. Sono complementari all’analisi chimica e microbiologica.

Analizzatori dimensionali

• Conoscere la distribuzione dimensionale delle componenti della polvere.
• Sistemi di setacciatura con setacci calibrati e dimensioni decrescenti frazionano dimensionalmente i granuli di una polvere.
• Con delle gaussiane, si caratterizza la composizione di una polvere con indicazioni delle frequenze e classi più o meno popolate.
• Ci possono essere anche analisi ottiche che mostrano come è possibile fare la distribuzione dimensionale dei componenti di un’emulsione.

Analisi reologica

• Reologia propriamente detta: studio di tutto ciò che scorre, nata per i materiali diversi da alimenti e conosce come si strutturano i componenti di un alimento a livello di micro e mesoscala. Si sollecitano i materiali in modo da avere come risposta alla sollecitazione delle informazioni su come i polimeri sono aggregati a livello di strutture di mesoscala, livello di qualche micron.
• Analisi di texture: informazioni sulla macrostruttura, fatta mediante un apparecchio chiamato dinamometro che misura delle proprietà macroscopiche degli alimenti: pistone che schiaccia un alimento e si traggono informazioni sulle proprietà macroscopiche dell’alimento, es. compressione, trazioni, flessione, ecc. Vengono impiegati dei texture analyser che sono prove meccaniche a grandi deformazioni che servono in tantissimi aspetti di caratterizzazione dei prodotti alimentari per dare un profilo strumentale che sostituisce quello sensoriale sia per fare studi di struttura e di ingredientistica.
• Analisi reologica empirica: vicina alla pratica con unità di misura arbitrarie, es. analisi delle farine, apparecchi che sollecitano il materiale e ricevono una risposta alla sollecitazione, es. farinografici Brabender, alveografo, estensografo, ecc. Simulano gli sforzi a cui una farina va incontro durante il processo di fermentazione e cottura e ne prevedono il comportamento tecnologico.

Analisi termica

Effettuata in calorimetri, ambiente isolato termicamente dall’esterno, e studia il comportamento di un materiale rispetto alla temperatura. Si possono impostare delle storie termiche e si osserva il comportamento del materiale in termini di quantità di calore per fare avvenire una reazione, endotermica, o registrare il calore sviluppato da reazioni esotermiche. Nei grafici, sull’asse delle ascisse viene riportata la temperatura, mentre su quello delle ordinate il flusso termico.

Riepilogo lezione

Il sistema disperso è un sistema composto da due fasi: una fase continua all’interno della quale viene dispersa una seconda fase. L'elemento più importante per gestire questo sistema è l’interfaccia che è un film sottilissimo di dimensione nano che si crea tra fase dispersa e continua ed è strategica per gestire le proprietà della dispersione. Possono confluire sull’interfaccia delle molecole che la distruggono, agenti antischiumogeni, che o la stabilizzano, mantiene la fase dispersa isolata senza coalescenza delle bolle.

Dispersioni

• Dispersione propriamente detta: sistemi dove la fase dispersa è grande ed eterogenea, <500-1000nm, come latte e sangue.
• Sistema colloidale: dimensione della fase dispersa è ridotta, 1-500 nm, come plasma e soluzioni macromolecolari.
• Soluzioni propriamente detta, < 1nm: sistemi omogenei costituiti da un soluto, molecola di piccole dimensione generalmente, es. sali, acidi, disperso in un solvente. È possibile per dispersione o aggregazione che una soluzione diventi dispersione colloidale e questa, per flocculazione o coagulazione, diventi una dispersione eterogenea di grosse dimensioni.

Queste tre situazioni hanno proprietà fisiche diverse:

• Proprietà colligative: dipendono dai soluti presenti in soluzione.

Colloidi

I colloidi hanno dimensioni piccole, 500-1000nm, sono ricchi di particelle disperse e se si somma l’interfaccia delle particelle disperse si può dire che abbiamo una alta area superficiale. Possono essere sistemi omogenei o liofilici, parte dispersa che è solubile nella parte continua, o sistemi omogenei o liofobici, parte dispersa non solubile in quella continua. I colloidi si possono trovare ovunque. Composti fino al micron possono essere osservati con un microscopio ottico, danno diffusione della luce, possono essere separati con una filtrazione ordinaria.

Effetti e separazione dei colloidi

• I colloidi necessitano di un microscopio elettronico, c’è l’effetto Tyndall, fonte di luce che attraversa una dispersione dove ci sono delle particelle disperse e si ha uno scattering della luce per il fatto che la luce incontra la particella dispersa, tipica dei colloidi, bisogna separarli con una micro o ultrafiltrazione.
• Nanostrutture: separazione con osmosi inversa o nanofiltrazione.

Sono descritti diversi sistemi dispersi a seconda della combinazione della fase liquida e della fase gassosa. C’è una matrice nella quale combinando liquido-gas si ottiene una schiuma; liquido-liquido un’emulsione liquida, solido-liquido slurry; se combino gas-solido ottengo i fumi, per affumicare.

Gas, liquido, solido

• Gas: le molecole sono distanti le une dalle altre, con piccola o attrazione nulla. Hanno un’alta mobilità dovuta alla risultante della collisione elastica.
• Liquido: le molecole sono in costante movimento. Si verificano forze di coesione tra le molecole dovute al loro movimento. Solo in casi particolari ci sono forze sufficienti a formare aree di ordine locale.
• Solido: forti forze tengono le molecole in un assetto regolare.

Principali sistemi dispersi

• Sistemi colloidali: emulsioni, schiume e gel.
• Soluzioni.
• Sospensioni.
• Gas disperso in un liquido = crema aerata.
• Liquido disperso in un liquido = emulsioni.
• Solidi dispersi in un liquido = sospensioni.

Le dispersioni alimentari sono dei sistemi complessi molto instabili e il fine è quello di renderli stabili. Si hanno situazioni in cui ingredienti diversi con ruoli funzionali diversi sono presenti in un unico sistema, i sistemi vengono arricchiti di alimenti funzionali per rendere stabile la dispersione, es. maionesi, salse, creme, margarine. I tre ingredienti chiave sono acqua, olio e grassi, sistema molto instabile; mentre gli emulsificanti e gli addensanti hanno lo scopo principale di stabilizzare.

Emulsioni

L'emulsione è una dispersione di un liquido in un altro liquido ampiamente non miscibile con il primo. Nella descrizione delle emulsioni alimentari, i liquidi di riferimento sono l’olio e l’acqua. Ci sono diversi tipi di emulsioni da quelle più semplici a quelle più complesse: emulsione di olio in acqua e emulsioni di acqua in olio. Nel primo caso la fase continua è l'acqua e quella dispersa è l’olio, nel secondo viceversa. La prevalenza di un liquido o un altro è fondamentale per il comportamento dell’emulsione.