Appunti Advanced food analysis

Advanced food analysis (Prof. Cardenia)

Introduzione

Al fine di determinare la presenza di una sostanza all’interno di un alimento, si sceglie la tecnica che consente di ottenere il dato più robusto e più sensibile. Questo dato servirà, in caso di un accertamento, per dimostrare la qualità e la genuinità del prodotto alimentare.

Un alimento è genuino quando è salutare, non è alterato e non contiene contaminanti; questi aspetti si ritrovano nella food quality. Per questo motivo, per dire che un prodotto è genuino, è necessario che la sua composizione sia nota. Un olio EVO genuino, ad esempio, è ottenuto da olive lavorate solo attraverso processi meccanici, a freddo (senza scaldare eccessivamente - se aumenta la temperatura, aumentano la resa estrattiva e l'olio non è genuino). Quando si analizza quest’olio, tutti i suoi parametri devono portare effettivamente all’olio EVO.

La preparazione del campione già inficia il risultato finale. Se, ad esempio, è necessario determinare la vitamina D nel latte d’alpeggio, allora si deve tenere in considerazione che, durante il periodo primaverile, le vacche si nutrono di erba che è ricca di acidi grassi polinsaturi, perciò è normale che nel latte aumenti la quantità di grassi polinsaturi.

Inoltre, la quantità e la qualità del grasso è strettamente legata alla quantità di vitamina D accumulata. Essa viaggia insieme al calcio e al grasso perché si tratta di una vitamina liposolubile. Si trova, però, nella parte del grasso insaponificabile, cioè in quel 2-3% di frazione di grasso che non produce saponi (in questa frazione insaponificabile, vi sono anche vitamina E, A, fitosteroli, ecc. ossia tutti quei composti minori che attualmente si vanno ad aggiungere negli alimenti).

Dato che si tratta di una frazione insaponificabile, per estrarla, non è possibile prendere il grasso così tal quale ed analizzarlo, ma è necessario separare tutta la parte che forma saponi, così rimane il 2-3% e da esso si mettono in atto metodiche specifiche che isolino soltanto la vitamina D.

Tecniche estrattive e solventi

Quali tecniche estrattive si impiegano? Che tipo di solventi si utilizzano? Non si possono usare tecniche che scaldano (essendo un grasso, aumentando la temperatura, aumenterebbe anche la resa) perché, in questo caso, la vitamina D si degraderebbe. È possibile, ad esempio, impiegare gli ultrasuoni per estrarla e poi analizzarla in HPLC (perché non usa il calore).

Esame

Il Prof. richiede ragionamenti critici, infatti non chiederà mai, ad esempio, come si chiama la colonna X che si utilizza per il gas cromatografo, ma potrebbe fare vedere una molecola (es. vitamina D) e domandare quale tipo di analisi si può fare.

Grassi a zero calorie

Come è possibile avere un grasso a zero calorie? Non viene metabolizzato. I trigliceridi, infatti, vengono tagliati dagli enzimi chiamati lipasi che agiscono sempre in posizione 1 (quella esterna) e si assimila in posizione 2. Se tra gli acidi grassi e il glicerolo si inserisce un qualcosa che le lipasi non sono in grado di attaccare, allora il trigliceride diventa non assimilabile. Si genera, perciò, un grasso a calorie zero.

Il problema di questi grassi, però, è che, non venendo assimilati, se utilizzati ad alte concentrazioni, provocano alcuni problemi di salute (es. diarrea), quindi bisogna dosare molto la loro presenza. Negli USA sono ammessi (a basse concentrazioni - soglie che non devono essere superate), mentre ciò non vale in Europa.

Oleo gel

All’interno del gel, vi è acqua; infatti, quando si mette nei capelli, si ha l’“effetto bagnato”. La consistenza di un gel è viscosa, non è né liquido né solido e trattiene del liquido. L’oleogel, quindi, è un gel, in cui vi sono goccioline di olio (non di acqua) intrappolate all’interno di maglie (reticoli).

In campo alimentare, serve per ridurre la quantità di grasso da usare (un alimento senza grasso è duro e compatto, infatti è il grasso che conferisce elasticità), in particolare quella di acidi grassi saturi. Se, però, si inseriscono gli acidi grassi polinsaturi in un prodotto da forno che viene cotto a 250°C, allora, probabilmente, quell’olio irrancidisce. Per questo motivo, l’olio va protetto. Se si è in grado di intrappolarlo dentro le maglie dell’oleogel, allora è possibile sostituire i grassi saturi con questo oleogel, dove la parte grassa è costituita da un olio non più saturo, ma magari bilanciato tra saturi, insaturi e polinsaturi (es. olio di girasole, olio di germe di grano). All’interno di questa maglia, proteggono l’olio dalla degradazione e, allo stesso tempo, danno elasticità.

Come si fa l’oleo gel? È necessario scegliere un qualcosa in grado di sciogliersi con l’olio ed intrappolarlo, come, ad esempio, le cere (es. cera d’api, cera di riso ottenuta dalla pula del riso, cera da crusca del grano, cera da candele, ecc.). In particolare, si mischiano l’olio e la cera, si scalda tra 60 e 70°C, la cera si scioglie e, una volta raffreddato, diventa un gel tipo quello che si mette nei capelli o quando si ha la pelle screpolata.

Si tratta di un olio non più ricco di acidi grassi saturi, ma bilanciato e, per di più, protetto perché in forma gelificata. Le cere (sono esteri alcolici di grassi), quindi, si distribuiscono attorno, proteggendo la matrice. Ad esempio, come si fa a sapere se la cera d’api che è costosa viene tagliata con quella da candele che è più economica? Attraverso l’impiego di metodi analitici molto sensibili e specifici verificare genuinità (si verifica la composizione del gel).

Food plant-based

I grassi vengono sostituiti con le proteine vegetali (prodotti a base di proteine). Affinché l’alimento non cambi in modo sostanziale le sue caratteristiche organolettiche e reologiche (hamburger vegano tende ad essere più asciutto e duro rispetto ad uno di carne), è necessario modificare in qualche modo le sue proteine. Cosa si può utilizzare per mimare il grasso quando è assente? Amidi, amidi modificati (gelificanti), fecola di patate, ecc. Poi soprattutto queste proteine vengono ultra processate, ossia devono essere lavorate in modo tale da conferire queste caratteristiche.

Analisi target e untarget

Analisi target: analisi di sostanze note, di cui già esistono materiali di riferimento (ossia standard).

Analisi untarget: analisi di sostanze di cui non esistono standard in commercio; questo vale soprattutto quando si parla di tecniche ohmiche (tecniche con un approccio multidisciplinare).

Reologia e texture

Reologia: analisi reologiche di alcune creme e oleo gel / Fluidi newtoniani e non newtoniani.

Texture: misurare la compattezza, quanto è duro un biscotto, quanto resiste alla cottura, alla masticazione, ecc. Viene impiegato un dinamometro che misura una forza. Questo, ad esempio, è molto impiegato nel settore del pet food. Lo scaffale del pet food è molto più grande rispetto al passato, vi sono prodotti base, arricchiti, con aromi, ecc. (diversificazione). La crocchetta deve resistere alla masticazione (non si deve rompere subito, ma simulare osso). Si effettua questa misurazione con uno strumento chiamato texture analyzer.

Sampling

È necessario capire quanti campioni analizzare affinché il risultato rappresenti la popolazione. Ad esempio, se si è interessati a vedere le differenze nella qualità del formaggio prodotto da animali in alpeggio rispetto a quello ottenuto da animali in stalla, allora, prima di tutto, si determina il numero corretto di animali da campionare in base al numero totale e poi si fa la media. In seguito, si determinano deviazione standard ed errore. Più è piccolo l’errore, tanto più aumenterà la distanza tra i valori medi (es. contenuto di vitamina D in latte d’alpeggio e in latte di stalla), cioè le differenze diventano significative. Se, invece, entrambi i valori medi hanno una variabilità molto ampia, probabilmente questi due valori non sono significativamente diversi. Dipende, quindi, da quanto è ampia la dispersione del dato.

How to perform the sampling? Random sampling, multiple sampling, etc. It depends on the product we want to analyse. If the product is homogenous (ex. milk), we can perform a unique sampling; while when it is heterogeneous (ex. meat), it is very important to perform sampling in different places. We need to obtain a representative sample of the product to obtain results that respect the whole population (the whole product we are analysing).

Olio EVO: unico olio che per essere venduto deve essere analizzato sensorialmente.

Reasons for analysing foods

Why is it important to analyze foods? These are reasons for analysing foods:

• Food safety / Food quality
• Government regulations
• Nutrition labelling
• Standards: we need to respond to standards for quality. Which are the standards required by legislation? For example, we have IGP products and also food products without this recognition. This means that IGP foods are of higher quality than non IGP food products? Not yet. IGP explains that we produce food products following certified procedures, but it is not correlated to the final food quality (il fatto di avere una denominazione non necessariamente significa avere una qualità maggiore).
• Food inspection and grading: we applied food analysis for inspection and authenticity
• Authenticity and also traceability. In particular, for Protected Designation of Origin (PDO) products, where it is important to well recognize the origin of raw materials, how we can monitor the authenticity? It depends on food products. In general, authenticity is correlated to the secondary metabolites (produced during the processing or naturally present in raw materials). For example, ohmic technics are focused on metabolites. I fenoli sono metaboliti secondari che si sviluppano in funzione della varietà del vitigno e delle condizioni pedoclimatiche.
• Quality control
• Research and development (R&D): we want to develop new products, like plant-based foods. We need to monitor which are the main characteristics of this type of food, in terms of texture, composition, etc.

When we apply analytical technics to monitor the quality? Food quality is investigated on the whole food chain: from raw materials to final products. Residuo (non si parla mai di scarto) can be a by-product (we can use it for food) or a waste (we can use it for food only for research). The first problem of the by-product is the stabilization, because of the presence of the water (we can determinate it by using analytic techniques). By-product is also called “secondary raw material”, because it came from another process, but we need to control and guarantee its quality and safety before using it in the production. Per esempio, nelle bucce di cacao si concentrano tutti i residui di micotossine, quindi prima di utilizzarle, è necessario assicurarsi che non creino problemi di sicurezza nel prodotto finito (es. analizzare concentrazioni di ocratossina).

Management of product quality

Analytical methods must be applied across the entire food supply chain to achieve the desired final product quality. In fact, we need to consider all steps: from the raw material to the final product. Quality of raw materials impact the stability of the materials during the processing and the quality of the final products.

In particular, when we focus on raw material, we need to control the certificate of analysis. For instance, we receive raw materials and the certificate of analysis, but we need to see if the raw material we have corresponds with the certificate of analysis (when we receive the raw material, we need to test the quality and certificate if the products reflect the data shift given before – vedere se il prodotto rispetta le caratteristiche riportate sulla scheda tecnica). It is also important to define which are specifications, composition, origin and authenticity of raw materials. During the processing, we need to monitor the main critical parameters, in order to see if hazard compounds are produced.

For example, when we have sugar, the use of high temperature could represent a problem, because the colour could change (caramelization of sugars). If we want to maintain low the presence of acrylamide in fried potatoes, what do we have to monitor during the processing? Temperature, humidity, dimension (pezzatura omogenea – se, però, si abbassa la temperatura, le patatine vengono poco croccanti e assorbono moltissimo olio). L’acrilamide si inizia a formare da 175°C in su, quindi la riduzione della temperatura di qualche grado, diminuisce la sua formazione. Inoltre, l’acrilamide si forma durante la reazione di Maillard se ci sono due precursori, ovvero un amminoacido (asparagina) e zuccheri riducenti (glucosio, fruttosio). Se, perciò, si vuole ridurre la quantità di acrilamide, bisogna diminuire la quantità di questi precursori. È più semplice ridurre la quantità di zuccheri riducenti. Se, ad esempio, si sbollentano le patate prima di metterle al forno, gran parte degli zuccheri riducenti si disciolgono in acqua, quindi si hanno meno precursori e si riduce la presenza di acrilamide. Per fare ciò, è necessario avere metodi analitici robusti e molto sensibili che siano in grado di determinare piccole quantità di acrilamide (si parla di ppb, cioè µg/kg). L’acrilamide è una sostanza molto piccola che si trova nelle patate e non nell’olio, perciò si tratta di una sostanza idrosolubile. Se si dovesse analizzare l’acrilamide nelle patatine, cosa si potrebbe fare? Come si estrae l’acrilamide dalle patate? Si mette in atto un’estrazione acquosa, però prima è necessario rimuovere il grasso presente nelle patate (perché potrebbe dare interferenze). Si effettua, quindi, un lavaggio al fine di eliminare il grasso presente. Per fare ciò, si impiega l’esano, ovvero un solvente organico in grado di sciogliere il grasso, ma non rimuovere, perciò solubilizzare l’acrilamide.

Analytical methods are used to define what are the characteristics of food products, in particular we need to recognise if the final products respond to standards, legislation requirements, standards required by companies, etc. For example, if a company wants to produce high-fiber food, we have to be able to determine, in an accurate way, the content of fiber.

Food quality

How can we define food quality? It depends on the actors and, often, in order to answer to nutritional questions, we need to manage the sensory characteristics of food. For example, in green oils, we can find a huge number of polyphenols, but it is impossible to consume, because it is very bitter. We need to obtain a good quality food with the highest nutritional quality as possible, responding to the questions of the consumers (ex. industries have to replace palm oil, even if it is not so easy because there is not another oil that will give the same consistency to the final product, without any different flavours). It’s important to know the composition of the products that we are going to work to understand what type of results is attended. Another fundamental to detect the composition of a food is for the composition of the fat: it’s fundamental for the correct development of a product (ex. cake). Substituting a fat, the composition will be different and obviously the final result.

When we find starch or potato flour in a product, we can imagine for what reason they are used: to obtain starch, to modify starch, to jellify starch in order to increase jellification properties and to affect the texture of the final product. Quando usiamo amido gelificato o solubilizzato, qual è la conseguenza principale da un punto di vista nutrizionale? Le gallette di riso vengono scelte dal consumatore medio quando vuole perdere peso. Da un punto di vista nutrizionale, 1 g carboidrato = 4 kcal (sono sempre queste, indipendentemente dal fatto che i carboidrati provengano da grano, grano saraceno, riso, ecc., quindi bisogna guardare il tipo di carboidrati). Le gallette di riso, infatti, non sono un alimento effettivamente indicato per chi vuole perdere peso, in quanto aumentano il picco glicemico. Se si gelifica l’amido, si aumenta la biodisponibilità/digeribilità degli zuccheri semplici.

In alcuni prodotti vi è l’indicazione “senza zuccheri aggiunti” (es. in succhi di frutta), quindi si trovano solo gli zuccheri presenti naturalmente, perciò ad esempio si aggiunge il mosto d’uva (contiene glucosio). Lo stesso discorso vale per gli alimenti con la dicitura “senza aggiunta di nitriti e nitrati”. Nell’etichetta si trova l’estratto di sedano (o cicoria), che contiene nitrati e anche vitamina C (non si trovano perciò conservanti di natura chimica). La copresenza di questa vitamina e nitrati riduce la formazione di nitrosammine durante la digestione. Il problema di nitriti e nitrati è che, quando arrivano nell’ambiente gastrico (perciò a pH acido), vengono ridotti e si possono formare le nitrosammine (sostanze potenzialmente cancerogene). La copresenza della vitamina C ne riduce la formazione proprio perché agisce come antiossidante. Non si aggiungono, quindi, nitriti e nitrati in forma di sali, ma estratti naturali e vegetali che ne contengono quantitativi maggiori, altrimenti non si potrebbero conservare.

La carne cucinata assume una colorazione marroncina o bianca. La mortadella e il prosciutto cotto, però, sono rosa e non bianchi perché ci sono i nitriti che fissano il ferro (si riesce così a mantenere la colorazione). In Turchia consumano olio di oliva invecchiato di due anni perché è dolce (non piace l’olio amaro) e pensano che debba maturare. In realtà, però, è irrancidito. Quello che definiscono dolce mandorlato non è altro che il rancido (il rancido che sentiamo pungente rappresenta la prima fase dell’irrancidimento).