Tecnologia e qualità degli alimenti

Tecnologia e qualità degli alimenti

Importanza dei cereali nell'alimentazione

I cereali sono alla base della nostra alimentazione. All'anno in Italia consumiamo 45kg pro capite di pane e 25kg pro capite di pasta. In Italia ci sono circa 80 molini, 150 pastifici e 60 aziende produttrici di prodotti da forno per un fatturato totale di circa 12m. L'impatto ambientale dipende dalla coltivazione. La produzione mondiale annua di cereali (FAO) è di 2,7 miliardi di tonnellate, e, data la popolazione mondiale, sarebbe disponibile circa 1kg di cereali al giorno a testa. Tuttavia, non tutti i cereali sono destinati all'alimentazione umana (dal 15 al 70%), inoltre la popolazione sta aumentando, i cambiamenti climatici portano a rese minore e buona parte dei prodotti va in perdita, sia in campo che lungo la trasformazione. Si stanno quindi rivalutando i sottoprodotti della trasformazione dei cereali e si sta puntando sui cereali minori.

Qualità e sfide tecnologiche

Sebbene le tecnologie di produzione degli alimenti di base, come pane e pasta, siano ben note e consolidate da molti anni, vi sono ancora importanti sfide da vincere e fenomeni da comprendere come il miglioramento della qualità tecnologica, l'aumento delle rese, il miglioramento della produttività. Le caratteristiche dei cereali cambiano ogni anno, la loro qualità non è costante, mentre il consumatore vuole lo stesso prodotto. La costanza è importante anche per necessità produttive, ossia per la processabilità.

Genoma e varietà dei cereali

Il genoma del frumento è circa 20 volte quello dell'uomo. Esistono numerose varietà dei vari cereali e nell'industria si utilizzano delle miscele. Nuove sfide tecnologiche sono la qualità, sostenibilità (pratiche agricole meno impattanti, recupero di sottoprodotti), miglioramento degli aspetti nutrizionali, produzione priva di additivi e ingredienti non necessari (clear label), ritorno a tecniche abbandonate (integrale, macinazione a pietra, germinazione dei cereali, lievitazione tramite madre acida).

Catena del valore dei cereali

La qualità è un concetto diverso per tutti coloro che intervengono sulla produzione di un derivato dai cereali, dal breeder al consumatore. Un cereale è una pianta erbacea delle graminacee che produce frutti dai quali si ottiene farina; per estensione, il frutto è già raccolto. L'ISO definisce piante, solitamente coltivate, appartenenti alle graminacee. La FAO definisce 8 cereali: frumento o grano, riso, mais, orzo, avena, segale, miglio, sorgo. La maggior parte delle statistiche riporta frumento, riso e coarse grains, ossia tutti gli altri cereali.

Interesse per cereali antichi e pigmentati

Altri cereali che hanno acquistato interesse sono cereali antichi come farro, monococco e kamut, cereali pigmentati come riso nero, mais blu, frumento viola. Molto spesso queste pigmentazioni si trovano nella parte esterna quindi nella raffinazione vengono perse. Ciò che dà la colorazione sono antiossidanti che nella pianta hanno una funzione di riserva. Altri cereali di recente interesse sono cereali tipici di particolari regioni africane quali teff e fonio, sono senza glutine ma sono difficili da trasformare, e cereali derivanti da selezione tra specie diverse come triticale (grano e segale) e tritordeum (grano e orzo).

Pseudocereali

Gli pseudocereali sono piante non monocotiledoni, ma dicotiledoni che producono semi i quali, macinati, danno uno sfarinato con composizione simile a quelli dei cereali. Questi sono grano saraceno, amaranto, quinoa.

Caratteristiche dei cereali

• Elevata produttività e adattabilità alle diverse condizioni climatiche
• Prolungata conservabilità (sono prodotti una volta l'anno)
• Elevata attitudine alla trasformazione (soprattutto il frumento)
• Ottima fonte di energia
• Interessante e poco costosa fonte di proteine e sali minerali
• Possibile presenza di numerosi composti bioattivi

Negativo:

• Prodotto soggetto a variazioni in termini di produttività e qualità
• Contengono proteine a basso valore biologico
• Hanno problemi di conservabilità in alcuni climi
• Difficoltà nel definire la qualità in funzione allo specifico utilizzo del cereale
• Prezzi variabili

Produttività e distribuzione dei cereali

I diversi cereali hanno diversa produttività, distribuzione, consumi, composizione, cariossidi e uso.

Negli anni la resa di riso, mais e frumento tende ad aumentare, mentre quella degli pseudocereali e dei cereali minori resta costante. Il maggiore produttore di frumento è l'Unione Europea (20%), la Cina, l'India, la Russia e gli Stati Uniti. Nei paesi sviluppati sorgo, segale, mais, miglio sono utilizzati soprattutto per la mangimistica, mentre nei paesi in via di sviluppo sono utilizzati per il consumo umano.

Composizione dei cereali

I cereali hanno mediamente un contenuto di amido del 70-80%, di proteine dell'8-15%, di grasso 1-5% (eccetto avena e mais), fibre 0-5% (eccetto miglio e triticale) e minerali 2-3%. Nella cariosside di tutti i cereali si distinguono tre regioni:

• Tegumenti o pericarpo: scopo di protezione da insetti, perdita di acqua, muffe; sono ricchi di fibra (cellulosa).
• Strato aleuronico: nella raffinazione può finire nella crusca o nello sfarinato. È ricco di proteine solubili; ha cellule grandi, rettangolari e con parete spessa.
• Endosperma amilaceo: sono stoccate le sostanze di riserva e proteine di riserva
• Embrione: radice rudimentale
• Scutello: sostanze di riserva per l'embrione, ci sono tanti enzimi e monomeri.

Tutti i cereali hanno questa struttura, ciò che varia è la distribuzione percentuale; ad esempio mais, miglio e sorgo hanno un germe particolarmente abbondante. Mediamente, l'endosperma costituisce l'80% della cariosside. La crusca non costituisce una regione della cariosside, ma il prodotto della macinazione che viene separato dallo sfarinato, comprende tutti gli strati tegumentari ed una quota variabile degli altri strati, in particolare dello strato aleuronico; la macinazione non è un processo chirurgico.

Caratteristiche del frumento

Il frumento ha una cariosside della dimensione di 5-6mm e con un peso di 35-40mg. Quest'ultimo costituisce un indice merceologico poiché la massa è data dall'endosperma, ossia la frazione che si vuole ottenere nello sfarinato raffinato. La caratteristica tipica della cariosside di frumento è la presenza di cresta sul lato ventrale che, essendo ricoperta dagli strati tegumentari, fa sì che parte di questi finisca al centro della struttura e sia più difficile da rimuovere. Un parametro di classificazione del frumento è la durezza che determina le caratteristiche dello sfarinato e la sua attitudine alla trasformazione. Esistono due specie di frumento (Triticum): T. durum, da cui si ottiene la semola di frumento duro, e T. aestivum, da cui si ottiene la farina di frumento tenero. A sua volta, il T. aestivum presenta le varietà hard e soft.

Varietà hard e soft del frumento

Dalle varietà soft si ottengono sfarinati con un minore tenore di proteine, che formano glutine meno tenace e, quindi, sono usati per la produzione di prodotti da forno. A determinare la durezza sono le proteine minori (non formanti glutine) dette puroindoline che rappresentano lo 0,1% delle proteine totali degli sfarinati. Nelle varietà soft sono espressi i geni per entrambe le puroindoline (pinA e pinB), nelle varietà hard ne è espressa una sola e nel frumento duro nessuna. Un mulino che macina il frumento duro non può macinare il frumento tenero, e viceversa, perché le condizioni di macinazione sono diverse. Mentre uno stesso mulino può macinare le varietà soft e hard del frumento tenero. In funzione della durezza della cariosside si ha una diversa percentuale di proteine e vengono realizzati diversi prodotti.

Distribuzione dei componenti del frumento

• Nel frumento il pericarpo costituisce il 4% della cariosside
• I tegumenti l'1%
• Lo strato aleuronico l'8%
• L'endosperma l'84%
• Il germe 3%

Nelle farine integrali, dopo la raffinazione, non viene aggiunta la crusca integralmente, ma frazioni selezionate di strato aleuronico avente un maggiore tenore in proteine, fibra, minerali e vitamine.

Caratteristiche del mais e del riso

Il mais ha una cariosside con un germe più sviluppato, che contiene lipidi, proteine, minerali e fibra. La cariosside del riso è più allungata. Con il termine risone si intende il riso ancora rivestito dalla lolla (glume e glumelle) non edibile; fra la lolla e l'endosperma vi sono gli strati tegumentari che nel riso prendono il nome di pula (rimossa nel bianco, presente nel riso integrale). L'endosperma amilaceo costituisce il 65-75% della cariosside del riso.

Cariosside vestita e decorticazione

Per cariosside vestita (riso, avena, orzo, farro, monococco, spelta) si intende una cariosside che al momento della trasformazione presenta ancora glume e glumelle perché fortemente adese al chicco e, quindi, non vengono perse nella trebbiatura, come avviene per le cariossidi nude (segale, frumento, mais). Glume e glumelle delle cariossidi vestite, non edibili, vengono rimosse attraverso la decorticazione, detta anche sbramatura o hulling. Questo processo avviene in una sbramatrice, una macchina munita di due cilindri gommati ruotanti in senso opposto e posti a distanza calibrata. Il chicco posto fra i due cilindri viene, così, svestito. Durante la sbramatura si deve garantire che la cariosside rimanga intatta; le cariossidi danneggiate (10% nel caso del riso) vengono indirizzate alla produzione di farine. La diminuzione di peso associata alla decorticazione può raggiungere il 20%; con la perlatura (orzo, miglio e farro) viene eliminato fino al 40%. La macinazione successiva ha lo scopo di rimuovere gli strati esterni ed il germe dall'endosperma amilaceo e ridurre le dimensioni, nel caso si stia producendo uno sfarinato (farina è solo lo sfarinato che proviene dal frumento tenero). Per il riso l'eliminazione dei tegumenti (nella macinazione) avviene dall'esterno all'interno, mentre per il frumento dall'interno all'esterno (per la presenza del solco).

Decorticazione del frumento

La decorticazione è applicata anche al frumento duro e, da qualche tempo, al frumento tenero, nonostante siano cariossidi nude. Nel caso del frumento, la decorticazione può essere detta peeling ed il suo scopo è rimuovere gli strati tegumentari più esterni al fine di ottenere un prodotto pre-macinato con una carica microbica minore, una ridotta presenza di metalli pesanti, micotossine, terra, muffe, ecc. Il livello di decorticazione è la percentuale di strati tegumentari rimossi e per il frumento viene rimosso il 2%. Il peeling, quindi, aumenta la resa e la durata degli strumenti meccanici utilizzati nelle fasi successive, oltre a far sì che nella macinazione sia maggiore la frazione di crusca proveniente dallo strato aleuronico rispetto ai tegumenti. Infine, la rimozione degli strati più esterni elimina alcuni enzimi, fibra e minerali che, se tolti precocemente, non causano il deterioramento degli strati più interni (es. mantenimento del colore e degli antiossidanti).

Effetti benefici dei cereali integrali

Si è osservato che gli effetti benefici dei componenti bioattivi dei cereali si hanno solo se tutti questi sono presenti assieme (effetto sinergico) per questo motivo, di recente, sono aumentate la produzione ed il consumo di cereali integrali a chicco intero e, poiché questi hanno tempi di cottura molto lunghi, la tecnologia alimentare ha ideato processi per ridurli. Ad esempio, il bulghur è frumento duro integrale a chicchi precotti e spezzati. In altri casi è effettuato un trattamento al vapore che crea dei micropori i quali permettono più facilmente l'idratazione del chicco e, quindi, la cottura oppure sono effettuate delle vere e proprie precotture in acqua bollente sottovuoto seguite da un essiccamento in aria calda.

Macinazione e altri processi

I cereali possono essere sottoposti a macinazione a secco per ottenere sfarinati o ad umido per estrarre componenti specifici come l'amido (amido di riso, amido di mais) o il glutine. Altrimenti i cereali possono essere portati a maltazione o a nixtamalizzazione. In ogni caso tutti i cereali e gli sfarinati devono subire un processo di cottura, sia per favorire la digestione che per migliorare l'aspetto sensoriale. Dalla fermentazione di tutti i cereali si possono ottenere bevande alcoliche. Il frumento è il cereale più versatile.

Sofficità e morbidezza nei prodotti da forno

La sofficità di un prodotto da forno è dovuta allo sviluppo in volume e all'alveolatura, mentre la morbidezza è dovuta al contenuto di umidità. Il pane di segale è morbido, ma non soffice, infatti, ha un elevato contenuto idrico, ma non lievita molto perché il reticolo glutinico che si forma è poco efficiente. Il sapore del pane di segale è leggermente acidulo perché la lievitazione avviene attraverso madre acida, ossia attraverso colture che non contengono solo lieviti, ma anche batteri lattici che producono acido lattico e idrolizzano le proteine.

Caratteristiche delle proteine dei cereali

Le proteine della semola di grano duro hanno un'elevata tenacità per cui non è normalmente usata per la panificazione e la produzione di prodotti da forno.

Processo di parboilizzazione

Il processo fondamentale cui vanno incontro i cereali è la macinazione, che può essere a secco e a umido. Per eseguire la parboilizzazione del riso si parte dal risone e, dopo la pulitura, si ha l'immersione del risone in acqua (soaking), trattamento al vapore (steaming) ad alta temperatura e, infine, essiccamento (drying). Il risone a questo punto rientra nello schema di produzione a livello della sbramatura. Durante il soaking avviene lo steeping (macerazione), ossia l'assorbimento dell'acqua da parte del risone, durante lo steaming avviene la gelatinizzazione dell'amido, e durante il drying si ha la sua retrogradazione. Il riso parboiled ha un colore differente, una maggiore resistenza alle rotture, all'attacco dei parassiti ed un profilo nutrizionale migliore. Il trattamento di parboilizzazione determina anche il mantenimento di una minore collosità in cottura. Quando trattato a vapore, i granuli di amido del riso si dissolvono in quanto si ha la rottura dei legami tra amilosio e amilopectina. Il granulo si rigonfia, si rompe, le catene di amilosio/amilopectina escono e diventano suscettibili all'azione degli enzimi digestivi. Quando la temperatura viene abbassata e l'acqua lascia la struttura, l'amido riforma una struttura organizzata (retrogradazione) differente da quella originaria. La retrogradazione dell'amido è responsabile del raffermamento dei prodotti da forno.

Osservazioni al microscopio

Al microscopio si osserva come i granuli di amido presentino una croce in superficie (sue solchi) a livello della quale avviene la rottura durante la gelatinizzazione. In presenza di acqua a 50-60°C (a seconda dell'origine botanica dell'amido) si l'idratazione dei granuli, tra 80-100°C si ha la gelatinizzazione e da 60-20°C si ha la retrogradazione per ri-associazione delle molecole. A freddo l'amido è insolubile.

Mais e sue varietà

• Mais: le diverse varietà presentano una struttura differente e, quindi, si prestano alla lavorazione di prodotti diversi. In Europa, le varietà più comuni di mais sono quelle dentate che presentano un'abbondanza di endosperma farinoso e vitreo. La macinazione a secco porta alla separazione della parti anatomiche, mentre la macinazione ad umido è utilizzata per la produzione di maizena e la nixtamalizzazione è il processo che porta alla produzione di masa. Dal mais si ricavano crusca, farinetta, germe, endosperma farinoso, endosperma vitreo, spezzati e farina bramata. Dall'amido di mais si ricavano sciroppi di glucosio usati dall'industria dolciaria. Nell'ambito della produzione di prodotti senza glutine sono molto usate farine di mais pregelatinizzate. La nixtamalizzazione avviene con uso di calce o cenere (alcalinazione) e non è autorizzata in Europa.
• Orzo: il processo chiave nella lavorazione dell'orzo è la maltazione, ossia un processo di germinazione per 5-6 giorni con formazione del malto; in questa fase si sviluppano enzimi, amilasi e proteasi. Il malto viene usato per la produzione di birra, ma anche altri prodotti da forno in quanto ricco di amilasi che, in alternativa, possono essere aggiunte direttamente. Le amilasi non vengono dichiarate in etichetta perché costituiscono un coadiuvante tecnologico non presente attivo nel prodotto finito. Le amilasi determinano la formazione di catene glicidiche più piccole, per cui la gelatinizzazione (e retrogradazione) risulta ritardata, con un minor raffermamento.
• Avena: viene usata come sfarinato, spezzato o fonte di β-glucani da aggiungere ad altri prodotti.

Cereali minori

I cereali minori sono poco diffusi nei paesi sviluppati dove sono usati per la mangimistica e la produzione di biocombustibili. Di recente, l'interesse nei loro confronti è enormemente aumentato poiché hanno grandi potenzialità dal punto di vista agronomico-alimentare, ma anche nutrizionale. Essi sono originari dell'Africa, hanno semi molto piccoli per cui la loro lavorazione è difficile e deve avvenire in impianti diversi da quelli usati per i cereali maggiori. I principali produttori sono Stati Uniti, Nigeria, India e Messico. L'interesse nei loro confronti è aumentato soprattutto perché sembra che essi non risentano dei cambiamenti climatici e crescano anche in condizioni climatiche sfavorevoli. I cereali minori non richiedono di grandi input agronomici (pesticidi, fertilizzanti, ecc). Questi cereali sono ricchi di composti bioattivi, soprattutto polifenoli e antiossidanti (colorati) ed hanno una grande quantità di amido indisponibile (basso indice glicemico). Una loro limitazione è, invece, la ridotta qualità proteica. Le proteine presenti non sono in grado di formare glutine, anche se hanno proprietà viscoelastiche interessanti. Inoltre, queste proteine hanno una ridotta digeribilità, soprattutto per l'eccessivo...