Riassunto completo tecnologia della formulazione dei prodotti alimentari

Tecnologie della formulazione dei prodotti alimentari

Negli anni '70 c'era l'industrializzazione della produzione e l'obbiettivo era make profitto, quindi la sensibilità della qualità per la soddisfazione del cliente ancora non c'era. Negli anni '90 i prodotti alimentari offrono un servizio e si introducono i prodotti di quarta gamma e si sviluppano mense e fast food. Negli anni 2000 l'obbiettivo è il care, ossia servizio più personalizzato per il consumatore, per cui i prodotti sono forniti con funzioni combinate (caffè in cialde). Attualmente l'alimento è visto come uno strumento per aiutare il benessere e la salute e l'alimento è il veicolo di sostanze benefiche per l'organismo. Il prossimo step è la sostenibilità dei processi (es. i green label in Nord Europa).

La tecnologia alimentare

La tecnologia alimentare è suddivisa in una piramide al cui vertice c'è la formulazione, al di sotto le analisi e poi l'ingegneristica. La food formulation technology è lo studio delle proprietà chimico-fisiche degli ingredienti e delle loro interazioni nella matrice alimentare. È una disciplina emergente anche in altre industrie (es. cosmesi, packaging) e ha un approccio multidisciplinare, coprendo temi come la smart formulation, ingredienti per performance elevate e formulazione di materiali solidi. La formulazione è la conoscenza di processo e composizione nella forma ottimale per il commercio e utilizzo di un prodotto.

Prospettive della food formulation

Per la parola food essa può essere vista da 3 punti di vista diversi. La terza colonna è la visione classica: ho ingredienti di cui conosco la chimica e con cui, attraverso un processo, ottengo un prodotto. La colonna centrale è la reinterpretazione: gli ingredienti sono componenti di un materiale, che vengono strutturate tramite un processo. Queste strutture possono essere ingegnerizzate per modificare le finalità di utilizzo, le proprietà fisiche e le proprietà sensoriali. Es. in alimenti vitaminizzati creo degli ingredienti che mi permettono l'arrivo delle vitamine al sito di assorbimento. La prima colonna indica le competenze che entrano in gioco nelle varie fasi: le proprietà fisiche del prodotto, la qualità e la valutazione del prodotto.

Nell'attuale food formulation un punto centrale è il healthy eating, messo in pratica grazie alla rintracciabilità, ma che tiene conto anche di principi etici, soluzioni per il mercato e il commercio, nuovi posti di lavoro, bisogni del consumatore e strumenti per informarlo. Nemici di questo sono la pubblicità ingannevole e la comunicazione a-scientifica. Oggigiorno si cerca di bilanciare i nuovi trend di salute e convenience con a riduzione dei costi. Per un alimento bisogna verificare: benefici sulla salute, attività antiossidante, antinfiammatoria, ipertensione, controllo glicemico, salute intestinale, senso di sazietà, stabilità e aspetto sensoriale.

Food ingredient

Un ingrediente è una sostanza che fa parte di una dispersione, spesso complessa, detta prodotto alimentare. I functional food sono alimenti riconosciuti benefici per la salute e che possono promuovere fattori positivi o essere preventivi (es. pomodori arricchiti di licopene o succo arricchito di calcio o isotiocianati, flavonoidi come antociani o flavanoli e carotenoidi). I functional food possono essere:

• Naturali
• Aggiunti di un componente
• Rimossi di un componente
• In cui sono stati modificati dei componenti
• Cibi in cui la biodisponibilità è stata modificata
• Combinazione di essi

I superfood sono come i functional food, ma sono quelli naturali come spinaci, fagioli, salmone, frutta, noci. I functional ingredients esplicano una funzionalità fisica nella matrice, e quindi sono ingredienti che modificano o rendono stabili alcune caratteristiche fisiche dell’alimento. Molti componenti naturalmente presenti possono avere funzione emulsionante, plasticizzante, cambiare la viscosità. Quando i componenti naturalmente presenti non sono in grado di garantire la performance che voglio, aggiungo gli 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 e stabilità allo scongelamento
• Promozione della salute

I sistemi composti sono combinazioni di elementi costitutivi come texturizzatori, aromi, colori, spezie e ingredienti funzionali. La loro associazione contribuisce a varie funzionalità mirate.

Food additives

Si trovano in etichetta riportati con la loro classe di appartenenza e il loro nome, oppure il loro codice.

• Agenti coloranti: aumentano l’attrattività di un prodotto, ma non possono coprire per legge i difetti del prodotto.
• Stabilizzanti: contribuiscono a prevenire una sedimentazione di una dispersione e possono miscelare due liquidi immiscibili oppure conferire una struttura liscia e uniforme.
• Antiossidanti: prevengono l’irrancidimento, rallentando l’ossidazione dei lipidi.
• Conservanti: non sono antimicrobici, ma rallentano la crescita dei microrganismi.
• Di flavour: migliorano il profilo aromatico dell’alimento.
• Addensanti
• Enzimi

Gli additivi sono regolamentati, in quanto il loro utilizzo è allettante. Questi devono essere performanti, sicuri e non trarre in inganno il consumatore. L’iter di valutazione per un additivo è eseguito dall’EFSA, che li classifica assegnando un E-number. L’EFSA svolge 3 attività principali:

1. Valutare la sicurezza dei nuovi additivi o di nuovi usi per additivi già esistenti, prima dell’autorizzazione all’uso (usando criteri tossicologici).
2. Rivalutare lo stato di sicurezza di additivi già proposti, perché si continui a fornire informazioni sull’interazione additivo-corpo.
3. Stabilire e modificare le ADI (Acceptable Daily Intake, indicate in mg/Kg peso corpore/die), ossia la quantità di additivo consumabile.

Possono essere necessari anche 10 anni per l’approvazione finale, per un accertamento tecnico scientifico e una fase burocratica. L’azione dell’EFSA è il controllo della sicurezza di ciò che mangiamo, non legato alle proprietà tecnologico, ma tossicologico. Additivi usati in Europa servono a mantenere, per esempio, la freschezza, prevenendo il deterioramento, oppure amplificare o promuovere la qualità sensoriale.

La birra è un sistema bifasico, formato da una fase liquida e una schiuma. La birra è una dispersione di un gas in una fase continua liquida ed è instabile, per cui si utilizzano additivi per la stabilizzazione. L’agente che stabilizza l’interfaccia della schiuma sono le proteine, che vengono usate in combinazione con lipidi polari e tensioattivi per stabilizzare i sistemi dispersi. Esistono anche agenti anti-schiuma che fanno in modo che la schiuma non sia stabile e persistente.

Novel foods

Rientrano in questa categoria i prodotti o processi proposti dopo il 15 maggio 1997 (es. alghe, insetti, luce pulsata e alte pressioni). Il 28 ottobre 2015 è stato emanato un pacchetto di leggi che ha snellito la procedura per immettere questi prodotti (o processi) sui mercati. I novel food sono ascrivibili a queste categorie:

• Alimenti che hanno modificato volontariamente la loro struttura molecolare primaria
• Isolati, microrganismi, alghe, funghi
• Prodotti tramite processi nuovi, che non hanno effetti nocivi sul consumatore, ma che influiscono su certe proprietà del prodotto o di sostanze nel prodotto
• Arricchiti in sostanze con effetto benefico sulla salute

I novel foods devono essere indicati in etichetta, per non trarre in inganno il consumatore e devono essere sicuri. Esempio è l’uso di nanocellulosa batterica (BNC) come prodotto alimentare e il suo potenziale come additivo. Si tratta di un polimero naturale sintetizzato da batteri tipo Gluconobacter che producono b-glicano extracellulare puro, caratterizzato da caratteristiche uniche, come elevata idrofilia, cristallinità, trattenimento di acqua, durabilità meccanica e resistenza al degrado, eccellente biocompatibilità e mancanza di citotossicità ed allergenicità.

Food technology assessment

Sono ad esempio le stabilizzazioni atermiche dei prodotti o l’HTST. Non tutte le nuove tecniche sono pronte per essere usate su scala industriale, alcune sono nei laboratori e altri in semi-industrializzazione. Si utilizza un parametro per misurare il grado di avanzamento del processo e quindi di immettibilità sul mercato, detto TRL (Technology Readless Level). Un TRL uguale ad 1 ho sviluppato poco più che un’idea del nuovo processo. Il concept iniziale viene sviluppato con dei supporti analitici e sperimentali. Un TRL di 6 indica un processo quasi commercializzabile, mentre a 9 è pronto per essere commercializzato.

Tecnologie termiche e non termiche

Food processing and food formulation technology: 4 casi studio

1. Formaggio low fat

I difetti di gusto e texture si percepiscono specialmente al di sotto del 20% di grassi. Il formulatore scende a scala microscopica e vede come è strutturato il grasso: se è uniforme e se c’è coalescenza della fase grassa. Si chiede perché quella struttura non piace e si guarda la performance in bocca del grasso. Si prova a cambiare il grasso e si valuta la microstruttura nuova, utilizzando anche emulsionanti. Occorre poi spingere le caratteristiche di cremosità (apportata dalla coalescenza, mentre per un formaggio magro devo creare una struttura di grasso ben dispersa).

2. Bastoncini di pesce panati

Per monitorare le migrazioni di acqua verso la crosta, che riducono la croccantezza, uso l’NMR (Nuclear Magnetic Resonance), che valuta la mobilità di acqua e olio nei cicli di congelamento e surgelamento. Per evitare le migrazioni si utilizzano additivi stabilizzanti, che legano l’acqua.

3. Bevanda al cacao

È necessario che la polvere di cacao abbia una gaussiana di solubilità più stretta possibile, ossia che si sciolga facilmente e completamente nella bevanda. Inoltre, occorre aggiungere additivi anti-agglomeranti quando la polvere sta in ambienti ad umidità elevata.

4. Riformulare un gelato per averlo a basso contenuto di acidi grassi saturi

Si guarda la composizione grassa con un gas-cromatografo e con nasi artificiali. Il problema è che diminuire gli acidi grassi saturi diminuisce anche il flavour e la modifica del punto di fusione. Si risolve modificando il punto di fusione dei grassi, che nasconde anche gli off-flavours, oltre a rendere il gelato più appetibile.

Ingredients in food dispersion

Gerarchia della struttura degli alimenti

Dalla microstruttura del cibo possiamo capire la distribuzione spaziale e le interazioni tra gli elementi. Questi arrangiamenti avvengono su scale temporali diverse, ad esempio l’organizzazione meso avviene in decine di secondi. La maggior parte dei fenomeni di strutturazione avviene sotto i 100 nm fino ad una decina di anni fa questi fenomeni, a causa dell’elevato costo di osservazione, non venivano considerati nelle analisi. Nelle scale definisco:

• Nano: molecolare, dove arrivano le nostre conoscenze chimiche
• Mesoscopica: riguarda le macromolecole aggregate, come le strutture delle pareti cellulari
• Micro: visibile al microscopio ottico, come un’emulsione
• Macro: visibile ad occhio nudo

Scienza dei materiali alimentari

Ci interessano i colloidi e quindi i sistemi dispersi. Le analisi fisiche hanno un ruolo importante per capire e prevenire la funzione degli ingredienti, il loro comportamento nel processo, gli effetti sul prodotto finito e la formulazione come una previsione dell’accettabilità da parte del consumatore. Le tecniche di analisi sono:

• Distribuzione delle particelle
• Analisi reologica
• Analisi termica (quantifica l’energia termica in gioco per le trasformazioni)
• Analisi morfologica (tecniche di microscopia)

I prodotti alimentari sono sistemi dispersi, nel quale una sostanza (fase dispersa) è distribuita in un’altra sostanza (fase continua o disperdente). Ciascuna fase può essere liquida, solida o gassosa. Ci sono tre tipi di sistemi dispersi:

1. Dispersioni eterogenee (sospensioni): Sistema complesso, come il gelato, che è un’emulsione e una dispersione di un gas in un liquido.
2. Dispersioni colloidali
3. Soluzioni: Soluto omogeneamente disperso in una fase disperdente

I colloidi

Sono una dispersione di particelle tra 1-1000 nm con grande area di superficie. Possono essere lipofiliche, omogenee, lipofobiche, idrofobiche o idrofiliche. Una dispersione colloidale è un sistema in cui la fase dispersa è finemente distribuita in quella disperdente e le due fasi sono immiscibili. Dispersioni nei cibi sono sistemi complessi; ingredienti con un ruolo funzionale sono necessari per mantenere la dispersione stabile nel tempo (es. margarine, gelato, creme).

Lipofilici: La fase dispersa ha affinità con la fase disperdente e sono molto stabili alle forze di attrazione fra le due fasi. Non si formano coalescenza o aggregazioni e sono reversibili (es. amido, gelatine, proteine). Se il mezzo disperdente è l’acqua sono idrofilici. Lipofobici: Sono instabili e richiedono agenti per stabilizzare la fase dispersa. Se c’è acqua sono detti idrofobici. Sono irreversibili e si formano quando avviene una rapida cristallizzazione, formando i nuclei di cristallizzazione. Anfifilici (da associazione): Le principali tipologie di sospensioni colloidali sono:

• Emulsioni: Fine dispersione di un liquido in un secondo liquido immiscibile. Negli alimenti si tratta sempre di acqua e un grasso. Per stabilizzare un’emulsione occorre lavorare sull’interfaccia per evitare la coalescenza, con agenti di superficie: surfattanti e co-surfattanti.
• Sol e gel: Un sol è un colloide liquido in cui la fase continua è un liquido, solitamente acqua, mentre la fase dispersa è un solido, solitamente un polimero. Quando il sol si raffredda forma il gel, il quale è una struttura semisolida in cui il polimero gelante ha creato una rete tridimensionale che contiene l’acqua, quindi la fase continua è il polimero e quella dispersa l’acqua. Il passaggio è detto gelazione. I gel sono anche definiti soft-solids o forme strutturare dell’acqua e i polimeri sono solitamente proteine o polisaccaridi.
• Schiuma: Si tratta di una fase gassosa dispersa in una fase continua liquida, formante piccole bolle di gas disperse in un liquido. L’azione meccanica causa l’apertura delle proteine e la creazione di un reticolo che intrappola l’aria. Molto spesso vengono usati stabilizzanti per mantenere la dispersione.

La stabilità di una dispersione colloidale dipende da:

• Dimensione delle particelle disperse
• Viscosità della fase continua
• Differenza di densità tra le due fasi
• Concentrazione della fase dispersa

Il rapporto tra massa di fase dispersa e continua deve essere costante, ma per stabilizzare è opportuno avere un’area di contatto il più grande possibile, evitando aggregazione delle particelle e separazione delle fasi. L’interfaccia è lo strato nanometrico che separa una fase dall’altra e i fenomeni più importanti che avvengono sono:

• Penetrazione delle molecole attraverso le membrane biologiche
• Formazione e stabilizzazione delle emulsioni
• Formazione di sospensioni

La tensione superficiale è la misura della resistenza all’interfaccia di un liquido. Aumentando la concentrazione di surfattanti modifico la tensione superficiale: esempio se aggiungo saponi all’acqua diminuisco la sua tensione superficiale. Nell’acqua si denotano:

• Il bulk o volume: nel bulk ogni molecola è bilanciata in termini di forze, con le altre molecole e quindi le forze di attrazione sono equivalenti
• L’interfaccia: Nel liquido-gas ciascuna molecola è in uno stato di tensione superficiale quindi all’interfaccia esiste una forza netta che tende a spingere la molecola verso il centro del bulk e dividendo questa forza per unità di superfice ottengo la tensione superficiale y. Y viene anche definita come il rapporto tra la forza che si sviluppa nella superficie rispetto all’area della superficie e si misura in Nm^-1.

Può anche essere vista come un coefficiente di proporzionalità tra il lavoro applicato ad una superficie per unità di superficie, espressa in Jm^-2. La tensione superficiale diminuisce anche all’aumentare della temperatura poiché aumento lo stato di agitazione, perdendo adesione. In termini di energia, per aumentare l’area di contatto ΔA tra le molecole bisogna fornire una quantità di energia libera ΔG proporzionale all’aumento di area di contatto. Quindi gli agenti surfattanti abbassano la tensione superficiale abbassando l’energia richiesta per aumentare l’area di contatto.

Acqua

Per certi prodotti, come patatine, sale o zucchero, la mancanza di acqua è un elemento cruciale nella produzione e conservazione.