Tecnologia della formulazione dei prodotti alimentari

Tecnologia della formulazione dei prodotti alimentari

Ingredienti, additivi e residui negli alimenti

Prof.ssa Piazza L.

Anno 3° - G29

UniMi - CDL Scienze e Tecnologie Alimentari

Ingredienti, additivi e residui negli alimenti

Prof.ssa Piazza L.

Argomenti d’esame

• Introduzione alla tecnologia delle formulazioni alimentari (con case studies)
• Proprietà funzionali degli ingredienti alimentari e degli additivi alimentari
• Regolamenti comunitari per i nuovi alimenti e nuovi alimenti (EFSA)
• Scienza dei materiali alimentari (gerarchia delle componenti strutturali in relazione a scala dimensionale e scala temporale)
• Acqua negli alimenti (aw, forme e mobilità)
• Sistemi dispersi alimentari
• Colloidi, fasi, interfacce
• Stabilità colloidi alimentari
• Emulsioni alimentari
• Additivi alimentari con attività emulsificante
• Ingredienti funzionali: lipidi (proprietà fisiche, plasticità, ruolo funzionale, chimica, polimorfismo, strutture cristalline)
• Additivi con ruolo gelante e addensante (carragenine, pectine, idrocolloidi)
• Amidi e amidi modificati (chimica, gelazione, classificazione UE, ruoli funzionali, benefici funzionali, estrusione-cottura)
• Altri additivi alimentari (additivi classificati, saperne almeno 5 per tipo, Reg. 1333/2008)
• Legislazione additivi alimentari e principali riferimenti normativi sull’etichettatura (Reg. 1329, 1330, 1331 / 2011)

Una nuova tendenza è quella del piacere, inteso come cibo sicuro e di qualità e di buona gastronomia. La parola chiave è pleasure.

Formulation technology

È una disciplina che ha sempre più impiego non solo nell’ambito del food, ma anche in cosmetica, coating, packaging... . Ha l’obiettivo di innovare i prodotti e va di pari passo con l’innovazione.

Formulation, food, Fromulation, Analysis, Engineering.

Altro punto focale è la soddisfazione del cliente.

L’equipe della formulation tech. non è composta solo da tecnologi alimentari, ci sono anche chimici, nutrizionisti, ... .

Per molti anni la formulation è stata usata come sinonimo di recipe, ma non è così.

Recipe ≠ formulation.

Solitamente la ricetta da sola non è sufficiente. Infatti è necessario anche la conoscenza del trattamento della formulazione nella sua forma ottimale per il commercio e l’uso.

L’arte della formulation è quindi una disciplina scientifica con un carattere interdisciplinare.

L’approccio scientifico più solido è la comprensione delle relazioni tra i componenti di una formulazione e le sue proprietà.

Questo approccio fornisce al food technologist gli strumenti necessari (e pratici) per capire la relazione tra struttura e attività.

L’innovazione del prodotto andrà soprattutto a garanzia dell’aspetto salutistico. Devono però comunque essere alimenti stabili:

• Alle condizioni ambientali (meccanica, termica, biochimica)
• In quale luogo è stabile? (scaffale, cella, tratto gastrointestinale)

Ovviamente va controllato anche l’aspetto macroscopico.

Health benefits

• Stati anomali dell’indice glicemico dell’alimento (caratteristiche sensoriali)
• Ipertensione
• Qualità anti-infiammatorie
• Azione antiossidante
• Senso di sazietà

C’è anche la funzione dell’health benefits che rappresenta quella principale e che non va mai trascurata.

© Vietata la riproduzione, la copia e la vendita senza il consenso dell’autore. 1

Ingredienti, additivi e residui negli alimenti

Prof.ssa Piazza L.

Food ingredients

Sostanza che forma una parte di una dispersione.

Un sistema alimentare è una dispersione formata da più fasi.

Classe dei componenti degli alimenti

Ingredienti funzionali: esprimono una potenziale funzionalità fisica in una matrice alimentare.

Imprimono un importante aspetto finale al prodotto. (Sono esclusi quindi gli aspetti di funzionalità nutrizionale).

[Esempio: maionese, burro, salad dressing]

Contribuiscono alla buona struttura del prodotto finale.

[Esempio: emulsionanti, materiali in grado di trattenere acqua, plasticizzanti (lubrificanti)]

Garantiscono di avere un prodotto che non sarà drasticamente rigido.

Molti composti naturali hanno delle caratteristiche di ingredienti funzionali. Hanno proprietà di legare aromi, aumentando la viscosità.

Alcune proprietà funzionali

• Colorazione
• Flavour
• Gelazione
• Water activity
• Congelamento sistemi composti

Si ragiona su combinazioni di ingredienti che collaborano per una funzionalità.

Ingredienti funzionali ≠ alimenti funzionali.

(Alimenti pensati per promuovere una funzionalità salutistica. Sono prodotti che forniscono anche aiuti a prevenire o aiutare malattie).

• Carota, alimento naturale funzionale: β-carotene (antiox)
• Cereali per prima colazione, sono alimenti processati
• Succhi arricchiti in Ca, sono alimenti processati arricchiti con altri alimenti

Additivi alimentari

Proprietà degli additivi:

• Preservare il cibo
• Arricchire in alcuni nutrienti i cibi
• Rendere i cibi più attraenti
• Migliorare il sapore del cibo

Conservanti: prevengono e in particolar modo rallentano le attività degradative.

Antiossidanti: rallentano tutti i processi ossidativi a carico delle materie grasse, prevengono dell’irrancidimento.

Flavouring agents: modificano (migliorano) il profilo aromatico del prodotto.

Stabilizzanti: impediscono alterazioni fisiche macroscopiche della struttura. (Rendono miscibili liquidi non miscibili). Impediscono il sedimento. Rendono più palatabile il prodotto (rendono il prodotto in modo che ci piaccia per una caratteristica).

Coloranti: non devono mascherare colori anomali dovuti a modificazioni di degradazione.

Agenti ispessenti: modificano la viscosità di una matrice liquida.

Gli additivi consentono al prodotto di sopportare gli stress ambientali a cui è sottoposto.

Mantengono gli attributi di qualità (nel tempo) di un prodotto che un consumatore chiede.

© Vietata la riproduzione, la copia e la vendita senza il consenso dell’autore. 2

Ingredienti, additivi e residui negli alimenti

Prof.ssa Piazza L.

Spesso gli additivi sono usati in blocchi. Ovviamente l’uso di additivi è altamente regolamentato. Il consumatore va informato che vengono usati gli additivi, e bisogna evitare di trarre in inganno il consumatore.

EFSA (European Food Safety Authority)

È l’autorità europea che valuta a livello scientifico la sicurezza degli ingredienti o additivi ed è predisposta a deliberarne il loro uso nei prodotti alimentari.

Valuta il rischio (non tanto l’aspetto tecnologico), ma più dal punto di vista tossicologico.

E-Number

Quando un additivo supera gli steps dell’EFSA gli viene assegnato un codice: (in etichetta, spesso, al posto del nome dell’additivo troviamo questo codice).

Products labels: hanno lo scopo e l’obiettivo di riportare il nome dell’additivo e il suo corrispondente e-number (E100, è la classe dei coloranti, ...).

Sono componenti aggiuntivi, addizionati intenzionalmente e sono regolamentati.

Compiti dell’EFSA

• Valuta la sicurezza dei nuovi additivi
• Propone nuovi usi di additivi già in uso

Le liste degli additivi ammesse sono dinamiche, in quanto l’EFSA valuta l’eliminazione degli additivi che precedentemente erano in uso.

Recepisce le comunicazioni della comunità scientifica al fine di aggiornare le liste.

Nell’indicazione degli additivi si ha anche l’indicazione dell’ADI (Acceptable Daily Intake) che rappresenta la massima dose consentita giornalmente per tutto l’arco della vita che garantisce nessun rischio accettabile per la salute (espresso in mg/kg peso corporeo/day).

La legislazione europea prevede, prima della messa in commercio, una pre-valutazione.

Gli additivi devono avere un livello di rischio riconosciuto, e non devono trarre in inganno il consumatore.

Per l’approvazione di un nuovo additivo (dall’inizio alla fine) ci vogliono fino a 10 anni o più in EU. 5 anni per la sicurezza più 2 anni di valutazione dell’EFSA.

Anche i materiali di packaging vengono sottoposti alla valutazione del rischio.

Il coadiuvante è usato a livello del processo e non è presente nel prodotto.

Analizziamo 4 casi sperimentali in cui si usa la formulation technology

1. Formaggio low fat

Diminuire il grasso porta alla luce altri “problemi”: texture, gusto, ..., e vengono percepiti con grasso < 20%.

Problema: modificare la struttura del grasso residuo in modo da non percepire più difetti.

Non è chiaro perché la % di grasso influisca sull’impatto con il sapore che percepiamo in bocca. Percezione sulle pareti (proprietà interfaccia grasso - cavità della bocca).

Le interazioni che avvengono in strutture molto ridotte determinano la prima sensazione in bocca (--> ci porta poi a lunghezze di scala maggiori).

La sensazione in bocca dipende dall’interazione dei componenti grassi con la cavità orale su scala micrometrica.

Favorendo la coalescenza della componente grassa si è apportata al prodotto caratteristiche di cremosità e palatabilità tali da garantire la percezione esatta che non comporta l’insorgenza di problemi di grandezze sensoriali.

© Vietata la riproduzione, la copia e la vendita senza il consenso dell’autore. 3

Ingredienti, additivi e residui negli alimenti

Prof.ssa Piazza L.

2. Prodotti panati

Spesso la panatura presenta problemi alla resistenza allo scongelamento e congelamento.

Le fluttuazioni di temperatura portano ad una migrazione di acqua dal prodotto alla crosta che genera problemi di croccantezza.

Per il monitoraggio della stabilità ai cicli di congelamento e scongelamento a livello molecolare si usa l’NMR (Nuclear Magnetic Resonance) che monitora la mobilità di acqua e olio nel prodotto.

Attraverso l’uso di prodotti particolari, usati nella panatura, si blocca la migrazione di acqua verso la crosta durante le fluttuazioni di temperatura.

3. Bevanda al cacao

Reologia: scienza che studia come si comportano i flussi e la deformazione dei materiali.

Nasce dai materiali plastici e ceramici. Nel settore alimentare si applica a livello teorico per le caratteristiche strutturali del prodotto oppure più a livello macroscopico: viscosità.

Un problema oltre alla viscosità è quello che il consumatore possa completare la bevanda usando una polvere.

• Viscosità finale del prodotto
• Presenza agenti addensanti

Gli ingredienti devono rispondere a delle condizioni particolari.

Lo studio chimico-fisico ha dato come risultati che il rilascio di polisaccaridi del cacao è la chiave della qualità sensoriale. Dipendono da come le polveri sono state processate (tempo - temperatura).

4. Gelato formulato con basso contenuto in acidi grassi saturi

La sostituzione classica con quella “più salutistica” va a modificare il profilo di melting che studia il punto di fusione in bocca (a 37°C).

Controllando la composizione di ac. grassi nel nuovo gelato si valutano alcune caratteristiche del prodotto con due tecniche:

• Microscopicamente, (tecnica microscopica avanzata) vedere come era distribuita la materia grassa nella matrice
• Valutare le caratteristiche del prodotto con un apparecchiatura che simula un naso umano combinata con una spettrometria di massa.

Abbiamo modificato il profilo di fusione del nuovo gelato (spariscono alcuni off-flavours) e si modifica anche il profilo della percezione dei flavours.

Coprono i difetti che rendono il prodotto non gradevole anche se salutistico.

Per l’ottenimento di un prodotto stabile con funzionalità salutistica e che piaccia, devo combinare la formulation technology con la food processing technology.

Sistema disperso

Un ingrediente è un elemento che fa parte di una dispersione.

Ci sono poi alimenti che hanno l’obiettivo di migliorare le performance di un prodotto:

• Pigmenti
• Coloranti
• Filler
• Leganti
• Biopolimeri
• Surfattanti
• Modificatori di viscosità

Chiamiamo ingredienti funzionali quegli ingredienti che hanno uno specifico ruolo, nel prodotto, sulle caratteristiche fisiche del sistema. Gli ingredienti funzionali spesso vengono usati in combinazione.

Gli alimenti funzionali sono quelli che hanno una funzione salutistica dichiarata, forniscono un beneficio salutistico oltre che nutrire.

© Vietata la riproduzione, la copia e la vendita senza il consenso dell’autore. 4

Ingredienti, additivi e residui negli alimenti

Prof.ssa Piazza L.

Gli alimenti convenzionali sono quelli che non sono stati modificati, e sono ancora nel loro stato naturale. Frutta e verdura ne sono un esempio.

Gli alimenti modificati sono quelli arricchiti, fortificati con sostanze nutritive o con altre sostanze benefiche.

Un prodotto alimentare è un sistema disperso. Ogni sistema disperso è formato da due parti:

• Fase continua (o disperdente), che è la fase dominante
• Fase dispersa, dispersa all’interno della fase continua

Il grado di dispersione e le interazioni tra le particelle disperse determinano le proprietà del sistema disperso.

Un sistema disperso è da pensare come un macrosistema con un alto grado di gerarchia.

Ci sono importanti elementi strutturali in un sistema alimentare che si formano in scale di tempi molto diversi (brevi) e strutturandosi arrivo al prodotto finale macroscopico.

Tempo: gg, min.

Macrosistema, microsistema, meso, molecular, nano (chimico rx).

mm, μm, nm, m. Lunghezza.

Per ogni scala ci sono dei principi noti che regolano come si aggregano gli elementi.

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

Per giustificare una scala macroscopica bisogna conoscere e capire il comportamento nelle scale microscopiche precedenti:

• Micro-, si prende in considerazione la struttura della fase dispersa
• Meso-, riguarda macromolecole aggregate e la loro combinazione dipende dalla struttura delle molecole
• Molecular-, si studia la chimica della struttura molecolare
• Nano-, (chimico rx)

Sistema disperso: è un sistema in cui una sostanza è distribuita in un’altra sostanza. La prima fase è dispersa e la seconda è continua (o disperdente).

Fase continua.

Fase dispersa.

Ognuna di queste fasi può esistere in uno stato liquido, gassoso, solido.

Per garantire la stabilità di una dispersione è fondamentale l’interfaccia tra le due zone. Questa separa la fase continua da quella dispersa.

• Soluzioni per dimensioni < a 1 nm (soluzioni saline)
• Soluzioni colloidali per dimensioni 1 < x < 1000 nm (plasma)
• Dispersioni eterogenee per dimensioni > 1000 nm (vedi latte)

Soluzione, Sol. colloidale, Disp. eterogenee.

Condensazione – Aggregazione, dispersione.

Coagulazione (flocculazione).

© Vietata la riproduzione, la copia e la vendita senza il consenso dell’autore. 5

Ingredienti, additivi e residui negli alimenti

Prof.ssa Piazza L.

Disp. eterogenee, Sol. colloidali, soluzioni.

Passaggio tra membrane: semipermeabile, +.

Microscopio ottico, microscopio elettronico, —.

Visibilità particelle.

Sedimenti: +, ultracentrifugazione, —.

Moti termici: bassa, media, alta.

—, basse, alta.

Proprietà colligative: —.

Diffusione: lenta, veloce.

Non sono 0, ci sono delle diffusioni ma con coeff. molto bassi.

Effetto Tyndall: ha effetto scattering mentre è attraversato dalla luce.

Opache, trasparente.

Proprietà ottiche.

Filtri carta, filtri membrana, no.

Proprietà filtrazione.

Types of Food Additives

• Microbial inhibitors
• Antioxidants
• Sequestrants and chelating agents
• Emulsifiers
• Stabilizers and thickeners
• Bleaching and maturing agents
• pH control agents
• Food colors
• Sweeteners
• Flavoring agents

Parlando di legislazione, in ambito di ingredienti e additivi, ci sono delle leggi e norme specifiche; l’organo di riferimento è l’EFSA.

Nella formulazione alimentare ci sono due tipi di ingredienti:

• Ingredienti funzionali, che esprimono una funzionalità di tipo fisico
• Ingredienti che non hanno ruoli fisici o strutturali (ad esempio funzione solo nutrizionale)

Molti ingredienti funzionali sono additivi.

Additivo

Sostanza che per un motivo specifico viene introdotta nell’alimento o in fase di processo o in fase di stoccaggio e che può influire sulle caratteristiche dell’alimento. La legge li classifica in varie classi funzionali:

• Inibitori microbici, con funzione di preservare l’alimento
• Antiossidanti, agenti sequestranti e chelanti, agenti che controllano il pH; vanno a stabilizzare il sistema dal punto di vista chimico
• Dolcificanti, coloranti, aromatizzanti; vanno a impattare sulle caratteristiche sensorialmente percepite
• Emulsionanti, stabilizzanti e ispessenti; svolgono un’azione strutturante, e si occupano della stabilizzazione delle strutture; questi hanno il maggior ruolo come ingredienti funzionali

Consumption of Food Additives in North America, Western Europe, Japan and China (2010)

Antioxidants, Preservatives, Enzymes, Thickeners and Stabilizers (excluding starches), Emulsifiers, Colorants, Modified Starches, Other, High-Intensity Sweeteners, Specialty Sweeteners.

laura.piazza@unimi.it

AA 2012-2013

Principi di Tecnologia della Formulazione degli Alimenti L2