Appunti secondo parziale Processi della tecnologia alimentare

Processi della tecnologia alimentare con elementi di packaging

Tagliabue Federico

Scienze e Tecnologie Alimentari

I Semestre

Processi: secondo parziale

Tecnologie di trasformazione per frazionamento

Tecnica che consiste nel frazionamento di diversi componenti a partire da un prodotto complesso, da una materia prima formata da più costituenti.

Questa tecnologia è tipica nelle linee di produzione degli ingredienti alimentari (zucchero, oli, farine) o per l’estrazione di componenti ad alto valore aggiunto (enzimi, oli essenziali).

Esso può essere:

• Separazione meccanica → si basa su proprietà fisiche e meccaniche dei diversi componenti (dimensioni, forma, stato fisico, densità…).

Le principali operazioni unitarie sono: sedimentazione, centrifugazione, filtrazione, ultrafiltrazione, osmosi inversa, pressione, setacciatura.

Mentre alcuni esempi di separazione meccanica sono: tuorlo-albume, estrazione dell’olio dai semi, produzione di panna e succhi di frutta.

• Separazione fisica e chimico-fisica → si basa su proprietà chimico-fisiche di diversi componenti (polarità, solubilità, affinità…) e si tratta di separazione liquido-solido o liquido-liquido.

Le principali operazioni unitarie sono: estrazione solido-liquido (solventi per l’olio) o liquido-liquido o con fluidi supercritici, cristallizzazione, distillazione, strippaggio, flocculazione, coagulazione, zangolatura (burro dal latte), gel-filtrazione e dialisi.

In entrambi i casi, il frazionamento modifica le prestazioni sensoriali e nutrizionali del prodotto, limitando i danni tecnologici.

Tra i prodotti alimentari che subiscono un frazionamento abbiamo nella parte dei prodotti di origine animale, la separazione meccanica darebbe lardo o tagli di carne, panna o oli di pesce (per spremitura della carne del pesce) e la separazione fisica darebbe il lattosio, il latte, la caseina, i concentrati di proteine. Mentre nella parte dei prodotti di origine vegetale, la separazione meccanica darebbe le farine, il germe, l’amido, il riso e la separazione fisica darebbe l’amido, il glutine, gli oli.

Frazionamento meccanico: sfarinati di frumento

Il termine “cereali” definisce le piante afferenti alla famiglia delle Graminaceae, coltivate per i loro particolari frutti, botanicamente definiti cariossidi, comunemente, ma impropriamente, chiamati semi.

I cereali sono una tipologia di piante erbacee che forniscono semi, fonte principale di nutrimento di uomo e animali. Essi sono i vegetali più largamente coltivati al mondo: si stima che circa i due terzi della superficie coltivabile mondiale sono occupati dai cereali, andando in crescendo con il passare degli anni.

I cereali sono delle piante produttive con una grande resa, sono molto adattabili a diverse condizioni geo-climatiche. La parte consumata è il seme, che risulta un prodotto altamente conservabile, è un’ottima fonte nutrizionale sia per amidi che per contenuto proteico, contenendo inoltre minerali e vitamine.

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I cereali rappresentano infatti un’ottima fonte energetica, una discreta risorsa di proteine, vitamine e sali minerali e sono caratterizzati dal poter essere trasformati in un’ampia gamma di prodotti, soddisfacendo le abitudini e le tradizioni alimentari più diverse.

Questo prodotto si presta a numerose trasformazioni e metodi di utilizzo, dal chicco intero alla trasformazione in sfarinati.

La loro diffusione dipende principalmente dall’elevata capacità di adattamento alle diverse condizioni ambientali e dalla facilità di conservazione del prodotto secco. Nel mondo i cereali occupano circa il 50% della superficie a seminativo (in Italia il 45%) e sono coltivati in tutti i continenti.

Va tuttavia sottolineato che solo il 50% circa della produzione totale viene utilizzato per l’alimentazione umana, mentre un terzo del raccolto è destinato all’alimentazione animale e percentuali variabili vengono impiegate per altri scopi. Non va, infine, dimenticato che una quota considerevole di materiale viene purtroppo persa per infestazioni di varia origine (sviluppo di microrganismi, presenza di roditori, insetti, ecc.) o condizioni di conservazione non appropriate.

I principali cereali coltivati e consumati sono frumento, riso, mais, avena, orzo, segale, miglio e sorgo.

I cereali hanno delle caratteristiche produttive molto utili come:

• Hanno un’elevata produttività ed una grande adattabilità alle diverse condizioni geo-climatiche (clima, ambiente, caratteristiche del terreno). Possono infatti dare il raccolto in diversi mesi dell'anno a seconda della zona climatica in cui sono coltivati;
• Sono caratterizzati da una prolungata conservabilità. I cereali sono solitamente raccolti una sola volta all’anno, eccezionalmente due e, in opportune condizioni, si conservano sino al nuovo raccolto;
• Hanno un’elevata attitudine alla trasformazione in numerosi prodotti, a seconda delle diverse abitudini alimentari;
• Rappresentano un'ottima fonte di energia (sono presenti infatti nel regime alimentare di tutte le popolazioni);
• Sono una fonte proteica interessante (ne contengono circa il 10%) e poco costosa;
• Sono una interessante e poco costosa fonte di sostanze minerali e di vitamine (soprattutto del gruppo B).

I cereali hanno però anche delle caratteristiche produttive negative, come:

• Sono un prodotto biologico soggetto a variazioni in termini di produttività e di qualità in funzione dell'annata (clima, piovosità, etc.);
• Fonte di proteine a basso valore biologico (Lys: amminoacido limitante);
• Mostrano dei problemi di conservabilità in alcuni climi;
• Vi è una grande difficoltà nel definirne la qualità in funzione di uno specifico utilizzo.

Le caratteristiche negative sono l’estrema variabilità di produttività e qualità in base alle condizioni climatiche, le proteine sono carenti in lisina ed in alcuni paesi sono presenti delle difficoltà di conservazione.

Il seme del cereale si chiama cariosside e i cereali si distinguono in due grandi gruppi in base alle caratteristiche delle cariossidi: cariossidi nude (frumento, segale e mais) e cariossidi vestite (orzo, avena e riso). Le prime hanno dei tegumenti molto attaccati all’endosperma che non vengono via facilmente, mentre le seconde sono facilmente allontanabili dalle loro cariossidi.

La cariosside dei cereali è protetta da glume e da glumelle che svolgono una funzione di protezione.

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Indipendentemente dall’origine botanica, le cariossidi possono presentare diversi gradi di durezza, in funzione della struttura interna dell’endosperma e possono quindi essere:

• Cariosside tenera:
  • Maggiore porosità
  • Minore densità
  • Minore adesione delle proteine ai granuli di amido
• Cariosside dura:
  • Minore porosità
  • Maggiore densità
  • Maggiore adesione delle proteine ai granuli di amido

In alcuni cereali quali l’orzo, l’avena e il riso le glume e le glumelle sono fuse, aderiscono alla cariosside e non vengono eliminate durante la trebbiatura, il chicco necessita dunque di essere sbucciato prima del consumo (si dice che la cariosside è vestita), mentre in altri cereali quali il grano, la segale e il mais non sono fuse e vengono eliminate durante la trebbiatura (cariosside nuda).

Nonostante vi sia una somiglianza di struttura tra le cariossidi dei diversi cereali, è possibile rilevare alcune differenze nella loro forma e dimensione. La cariosside di frumento è più ovale e meno allungata rispetto a quella di altri cereali, quali ad esempio l’avena; inoltre presenta un solco cioè una regione allungata e rientrante parallela al suo asse maggiore posizionato sul lato ventrale. È proprio la presenza di questo solco che condiziona fortemente la tecnologia di produzione degli sfarinati di frumento.

In tutti i cereali il principale componente è l'amido, che è presente in percentuali variabili tra il 60 e l’84% della materia secca. Questa percentuale è però soggetta ad alcune variazioni: dipende, ad esempio, dalla presenza o assenza delle brattee e dal grado di selezione di grani di maggiore dimensione che contengono relativamente meno strati esterni.

I costituenti delle pareti cellulari (es. cellulose, emicellulose, pentosani), infatti, variano dall’1% per il riso integrale al 16% s.s. per l'avena.

Le farine integrali sono da preferire però meno stabili rispetto a quelle processate e raffinate.

Il tenore in proteine varia tra l’8 ed il 14% s.s. La maggior parte è rappresentata da proteine di riserva altamente polimerizzate: circa l'80% per il frumento, il mais e l'orzo; il 60% per la segale e il triticale; il 25% per l'avena. Solamente le proteine di riserva del frumento sono in grado di associarsi a formare una particolare struttura, chiamata struttura glutinica.

I lipidi sono presenti in quantità inferiori rispetto alle proteine (si trovano nella zona del germe). In base al tenore lipidico, i cereali possono essere suddivisi in due gruppi: quelli con un contenuto lipidico minimo - circa il 2% - quali il frumento, l'orzo, la segale, il triticale e quelli più ricchi in lipidi - circa il 6% - come l’avena e il mais.

Solitamente i lipidi sono contenuti nel germe, è per questo che per evitare irrancidimento della farina, viene allontanato con frequenza. Nel caso del mais i lipidi sono copiosi e solitamente con l’eliminazione del germe di mais si produce l’olio di germe di mais.

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Le cariossidi contengono inoltre circa il 2-3% s.s. di elementi minerali, in particolare potassio, fosforo, zolfo e magnesio. La maggior parte di essi è localizzata nelle parti tegumentali ed è costituita da fosfati e solfati di calcio.

I cereali rappresentano inoltre un’importante fonte di vitamine, soprattutto del gruppo B.

La loro eliminazione, conseguente ai trattamenti di macinazione del grano e di brillatura del riso, determina una forte perdita di questi principi nutritivi. La fibra può essere elevata e solitamente si elimina nella produzione delle farine ma è un componente molto importante dal punto di vista nutrizionale ma dal punto di vista tecnologico le farine raffinate sono più stabili.

La percentuale di amido è la sezione maggiore (dal 70 al 80%), hanno una buona quota di proteine (da 10 a 15%) il frumento di più e il riso di meno, la sezione lipidica è collocata nel germe (da 2 a 3%) l’avena e il mais ne hanno una buona quantità. La fibra può essere anche molto elevata (da 1 a 16%).

Frumento

Il frumento, ritenuto oggi il cereale più importante per l’alimentazione umana, è diviso in due specie Triticum aestivum (grano tenero) e Triticum durum (grano duro), che hanno un utilizzo diverso ma simile composizione nutrizionale.

Il frumento duro è tendenzialmente un po’ più ricco in proteine, ed ha una struttura tale da rimanere in granelli e non sfarinare (granulometria maggiore) e con colore più giallo. Con questo si produce la semola, la cui destinazione d’uso principale è la produzione di pasta.

Dal frumento tenero si ottiene una farina polverulenta, infatti macinando la cariosside, si frammenta a farina perché la cariosside è più debole ed è impiegato per la produzione di pane e di altri prodotti da forno. Il contenuto di proteine è tendenzialmente più basso ma si possono ottenere anche delle percentuali variabili in base alle tipologie. Ci sono varie varietà di frumento tenere con diverso contenuto proteico che possono essere uguali o addirittura maggiori rispetto al frumento duro.

La cariosside di frumento tenero si distingue da quella di frumento duro per l’aspetto opaco e la frattura non vitrescente, le minori dimensioni, la forma più arrotondata, l’embrione introflesso, la presenza di villosità all’estremità opposta a quella dell’embrione.

La cariosside dei cereali è un frutto il cui corpo fruttifero è tutt’uno con il seme. Nel caso del frumento ha una dimensione variabile tra 5 e 8 mm di lunghezza e tra 2.5 e 4.5 mm di spessore, di peso medio di circa 37 mg (intervallo 20 - 60 mg). Essa è dotata di parti tegumentali molto adese ad essa e questo fatto ne complica il suo utilizzo.

La struttura anatomica della cariosside di tutti i cereali è sostanzialmente simile: si riconoscono infatti tre principali regioni, corrispondenti ai tegumenti (sia del frutto che del seme), all’embrione (comunemente definito germe) e all’endosperma amilaceo o mandorla farinosa.

• I tegumenti sono composti da numerosi strati, alcuni afferenti al frutto (pericarpo) altri al seme (testa), la cui funzione protettiva (nei confronti dell'attacco di insetti e muffe e di scambi di acqua con l'ambiente) è garantita dalla composizione particolarmente ricca in fibre cellulosiche ed emicellulosiche, sali minerali (K, P, Mg, Ca) e fitati. Le cellule si presentano con una robusta parete e sono prive di spazi intercellulari.

La difficoltà della rimozione del tegumento sta anche nella presenza del solco, dove i tegumenti rientrano a contatto dell’endosperma.

I tegumenti sono formati da cellule con pareti spesse, con assenza di spazi intracellulari ed elevata quantità di minerali e servono a proteggere il seme: questi strati vanno a formare la crusca.

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• L’embrione consiste in un abbozzo della futura pianta (asse embrionale) e in una regione (scutello) che fornirà i principi nutritivi alla pianta durante la germinazione. Lo scutello è la parte del germe con sostanze di riserva come proteine, lipidi, minerali e enzimi.

L’embrione è la forma primitiva del germoglio, mentre lo scutello è un contenitore per le sostanze nutritive di riserva per l’embrione. Queste due sezioni vanno a formare il germe, molto ricco di lipidi.

• L’endosperma rappresenta percentualmente la maggior parte del chicco ed è composto di due regioni, la più esterna delle quali è conosciuta come strato aleuronico. Si tratta di un tessuto costituito da grosse cellule rettangolari con una spessa parete, che ha la funzione di avvolgere l’endosperma (ad eccezione dello scutello), è assai ricco in proteine, sali minerali, vitamine ed enzimi.

Lo strato aleuronico fa parte dell’endosperma ma essendo difficile da separare dal tegumento entra a far parte della crusca.

La maggior parte dell’endosperma comunque è rappresentata dalla cosiddetta “mandorla” o “albume” (che rappresenta l'82-84% del peso della cariosside), detto anche endosperma amilaceo, il quale è costituito da cellule in cui sono immagazzinati, in forma insolubile, nutrienti importantissimi che potranno essere mobilizzati durante la fase di germinazione del chicco. La sua funzione è quindi quella di contenere sostanze di riserva (amido e proteine) ed è formato da cellule di diversa dimensione che vanno a formare la farina.

Per raffinare e quindi ottenere da un punto di vista nutrizionale e tecnologico il cosiddetto endosperma amilaceo (parte interna) bisogna frantumare la cariosside e poi staccare le zone tegumentali e il germe.

La cariosside di frumento è più ovale e meno allungata rispetto a quella di altri cereali, quali ad esempio l’avena; inoltre presenta un solco cioè una regione allungata e rientrante parallela al suo asse maggiore posizionato sul lato ventrale. È proprio la presenza di questo solco che condiziona fortemente la tecnologia di produzione degli sfarinati di frumento.

Le regioni che vengono allontanate nella produzione di farina sono il pericarpo (tegumenti del frutto) ed il rivestimento del seme, i quali confluiscono nella crusca, lo strato aleuronico, che è lo strato periferico dell'endosperma e infine il germe. L’endosperma amilaceo ha una frazione amilacea molto alta.

Caratteristiche delle proteine

Solitamente il grano tenero comune è la tipologia di grano che ha i livelli più bassi di proteine (8-11%).

Il grano tenero “duro” ha contenuti proteici più elevati rispetto alla tipologia “comune” (10-14%), ma la tipologia con il livello proteico maggiore, più elevato è il grano duro (9-18%).

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Proprio per questo il grano duro è utilizzato per produrre semole e semolati che daranno origine alla pasta, a differenza del grano tenero che invece viene utilizzato per la produzione di farine e quindi di pane e prodotti da forno.

Le proteine del frumento rappresentano un elemento di primaria importanza in grado di condizionare l’attitudine alla trasformazione dei prodotti derivati, quali farina e semola; a tale riguardo appaiono strategici sia il contenuto percentuale di proteine negli sfarinati che le loro caratteristiche qualitative.

La percentuale di proteine del frumento varia da circa il 10 al 16% sulla sostanza secca (un valore di 12-14% rappresenta un contenuto medio) e sono responsabili del fatto che dal frumento possiamo ottenere diversi prodotti, con caratteristiche strutturali molto differenti.

Le proteine dei cereali possono essere classificate considerando criteri di diverso tipo:

• Morfologia: in base alla loro localizzazione nella cariosside; si possono distinguere proteine dell’endosperma, proteine dello strato aleuronico e proteine dell’embrione;
• Funzioni biologiche: si possono distinguere proteine metabolicamente attive (enzimi) o citoplasmatiche (non formanti glutine) e proteine di riserva, ad alto o a basso peso molecolare (formanti glutine: gliadine e glutenine);
• Composizione chimica: le proteine possono essere suddivise anche in semplici e complesse (sono formate anche da composti non proteici es: lipoproteine);
• Solubilità