Appunti completi di Tecnologia della formulazione dei prodotti alimentari

Tecnologia della formulazione dei prodotti alimentari

Introduzione

Anni '70 OBIETTIVO: make (fare profitto)

Anni '90 CAMBIA OBIETTIVO: service, (i prodotti devono svolgere un servizio)

Anni '00 CAMBIA OBIETTIVO: care

Anni attuali OBIETTIVO: wellbeing, health, (l'alimento deve fare bene all'uomo)

Prossimi anni OBIETTIVO: sostenibilità dei processi

Food formulation technology

La food formulation technology è lo studio delle proprietà chimico-fisiche degli ingredienti e delle loro interazioni nella matrice alimentare; ha un approccio multidisciplinare che copre molti temi. La parola formulazione non è sinonimo di ricetta ma indica la conoscenza del processo e della formulazione nella sua forma ottimale, essa quindi combina la chimica con l'ingegneristica. Nella nuova food formulation un punto centrale è l'healty eating, esso viene messo in pratica grazie alla rintracciabilità di filiera, i nemici di questo processo sono la pubblicità ingannevole e la comunicazione a-scientifica; l'industria e i formulatori cercano di bilanciare i nuovi trend di salute e convenience con il bisogno di ridurre i costi di processi e prodotto.

Requisiti da verificare per alimento

• Benefici per la salute:
  • Antiossidante
  • Antinfiammatoria
  • Ipotensivo
  • Controllo glicemico
  • Senso di sazietà
  • Salute intestinale
• Stabilità
• Aspetto sensoriale

Food ingredients

Un ingrediente è una sostanza che fa parte di una dispersione, un prodotto alimentare è una dispersione complessa formata da uno o più ingredienti. I functional foods sono alimenti con riconosciuti benefici per la salute e possono essere preventivi o promuovere fattori positivi; i functional foods possono essere naturali, addizionati di una componente (carotenoidi), sottratti di una componente, modificati a livello di biodisponibilità o una combinazione di essi.

I functional ingredients esplicano una funzionalità fisica nella matrice, sono ingredienti che modificano o rendono stabili alcune caratteristiche fisiche dell’alimento. Nell’alimento possono essere presenti componenti con ruolo plasticizzante o emulsionante come carboidrati, lipidi e proteine, quando essi non sono in grado di farlo aggiungo ingredienti e additivi funzionali.

Questi ingredienti hanno diverse funzionalità tra cui:

• Donare stabilità di colore
• Contribuire al flavour
• Riduzione dei grassi
• Stabilizzare emulsioni
• Proprietà gelificanti
• Aumento texture
• Controllo della sineresi
• Diminuzione attività dell'acqua

La birra, per esempio, è un sistema bifasico costituito da una fase liquida e una schiuma. La schiuma (foam) è una dispersione di gas dentro a un liquido, essa è instabile ma può essere gestita solo lavorando su scale piccole e non macroscopiche, quindi lavorando sull’interfaccia bolla di gas-liquido. Il compito stabilizzante appartiene alle proteine, infatti esse spesso vengono utilizzate negli alimenti in combinazione con lipidi polari e tensioattivi per stabilizzare i sistemi dispersi. Esistono sennò degli agenti anti-schiumogeni che invece favoriscono lo sproporzionamento delle bolle e fanno in modo che la schiuma non sia stabile.

Additivi alimentari

Gli additivi li troviamo in etichetta riportanti la loro classe di appartenenza e il loro nome/codice; essi possono avere attività diversa nella matrice:

• Agenti coloranti: aumentano attrattività del prodotto ma non possono coprirne i difetti per legge
• Stabilizzanti: evitano la sedimentazione di una dispersione
• Agenti antiossidanti: prevengono irrancidimento ossidativo dei lipidi
• Agenti conservanti: rallentano crescita dei MO
• Agenti di flavour: migliorano il profilo aromatico
• Agenti addensanti
• Enzimi

Essendo la possibilità di utilizzo degli additivi molto alta, è stato necessario porre una regolamentazione a livello europeo, quindi gli additivi devono essere performanti, sicuri e non devono trarre in inganno il consumatore. Esiste un inter di approvazione per gli additivi che viene fatto dall’EFSA e consta di tre fasi:

• Valutare la sicurezza dell’additivo usando criteri tossicologici
• Rivalutare lo stato di sicurezza di additivi già proposti, ma con adeguamento scientifico
• Stabilire e modificare le ADI (Acceptable Daily Intake) con u.m. mg/kg peso corporeo/die

Novel foods

Rientrano in questa categoria tutti i prodotti o processi proposti dopo maggio 1997, possiamo fare degli esempi con le alghe, gli insetti oppure le tecnologie come la luce pulsata e le alte pressioni. I novel foods devono essere inoltre indicati in etichetta e riguardano alimenti come isolati, funghi, alghe oppure alimenti che sono stati prodotti con nuovi processi che non hanno effetti nocivi sul consumatore.

Food technology assessment

Sono ad esempio le stabilizzazione atermiche dei prodotti o l’HTST, non tutte le nuove tecnologie sono pronte per essere utilizzate su scala industriale, alcune sono ancora in via sperimentale; per questo motivo si usa il TRL (Technology Readiness Level), questo parametro misura il grado di avanzamento del processo e quindi la sua immettibilità sul mercato.

TRL 1: ho sviluppato solo il concept, tecnologia in fase di sviluppo

TRL 9: processo pronto per essere commercializzato e usato su scala industriale

Food processing and food formulation technology: 4 case study

1. Formaggio low fat

   Il consumatore non accetta questo prodotto quando i valori di grasso arrivano sotto il 20%, per questo il formulatore osserva alla scala di osservazione adeguata il grasso nella matrice per capire se è uniforme o se c’è coalescenza. Per risolvere il problema si cambia il grasso e si valuta la sua microstruttura, con eventuale utilizzo di un emulsionante.

2. Bastoncini pesce panati

   Spesso nei prodotti surgelati gli sbalzi di temperatura portano a fenomeni di migrazione dell’acqua verso la crosta, portando una minor croccantezza; per monitorare questo fenomeno si usa l’NMR che valuta la mobilità dell’acqua durante il congelamento. Per evitare il fenomeno di migrazione bisogna far sì che entrambi gli ingredienti abbiano la stessa aw, quindi usare degli stabilizzanti che legano l’acqua e la mantengono legata al prodotto.

3. Bevanda al cacao

   Il problema di questo alimento è la difficoltà di avere una polvere di cacao con alta solubilità quando viene a contatto con alte umidità. È necessario che la polvere quindi abbia una gaussiana stretta ed è necessario aggiungere additivi e antiagglomeranti.

4. Riformulare gelato per averlo a basso contenuto di AG saturi

   Bisogna valutare la composizione degli AG, modificando la composizione di questi ultimi però si modifica il punto di fusione dei grassi modificando quindi la percezione dei flavours. Il problema si risolve andando a modificare il profilo di fusione che nasconde gli off-flavours e rendendo il gelato più gradevole.

Ingredients in food dispersions

Dalla microstruttura del cibo possiamo capire la distribuzione spaziale e le interazioni tra gli elementi in un cibo. Questi fenomeni di arrangiamento però avvengono su scale temporali diverse con tempi caratteristici per ogni fenomeno. Le proprietà macroscopiche di un prodotto dipendono dall’organizzazione strutturale delle componenti microscopiche, quindi definiamo dalla più piccola alla più grande:

• Scala nano (dove arrivano le nostre conoscenze chimiche)
• Scala molecolare (macromolecole aggregate)
• Scala mesoscopica
• Scala micro
• Scala macro

A noi interessa la scienza dei colloidi, quindi ci concentreremo sui sistemi dispersi. Le analisi fisiche sono fondamentali per capire la funzione degli ingredienti e il loro comportamento durante il processo, gli effetti sul prodotto finito e la formulazione come previsione dell’accettabilità da parte del consumatore. Fra le tecniche troviamo la distribuzione delle particelle, l’analisi reologica, l’analisi termica e l’analisi morfologica.

I prodotti alimentari sono sistemi dispersi, il sistema disperso si definisce come un sistema nel quale una sostanza (fase dispersa) è distribuita in un’altra sostanza (fase continua/disperdente), esistono tre tipi di sistemi:

• Dispersioni eterogenee
• Dispersioni colloidali
• Soluzioni

Colloidi (dispersioni colloidali)

I colloidi sono costituiti da particelle disperse, esse hanno una grande area di superficie e possono essere omogenei, dispersioni liofiliche, eterogenei o dispersioni liofobiche. Una dispersione colloidale è un sistema a due fasi in cui la fase dispersa è finemente distribuita in quella disperdente e le due sostanze che la costituiscono sono immiscibili.

Suddivisione di Ostwald

Le principali tipologie di sospensioni colloidali sono:

• Sol
• Gel
• Schiuma
• Emulsione

Emulsione

L’emulsione è una fine dispersione di un liquido in un secondo liquido immiscibile, solitamente negli alimenti si ha acqua e olio; per stabilizzarla occorre lavorare sull’interfaccia. Il tecnologo deve stabilizzare l’interfaccia per evitare la coalescenza attraverso degli agenti di superficie: surfactanti e co-surfactanti.

Sol e gel

Un sol è un colloide liquido in cui la fase continua è liquida e la fase dispersa è solida (polimero); quando la struttura del sol si raffredda diventa un gel, ovvero una struttura semisolida dove il polimero gelante ha creato una rete tridimensionale che contiene e trattiene l’acqua, perciò la fase continua è il polimero e la fase dispersa è l’acqua.

Schiuma

La schiuma è costituita da una fase gassosa dispersa in una in una fase liquida, sono composte da piccole bolle di gas disperse in un liquido come gli albumi montati a neve, l’azione meccanica causa l’apertura delle proteine e la creazione di un reticolo che intrappola l’aria, spesso sono utilizzati degli stabilizzanti per far sì che questa dispersione venga mantenuta.

I colloidi possono essere di due tipi:

• Colloidi liofilici: la fase dispersa ha un’alta affinità con la fase disperdente, sono molto stabili grazie alle forze di attrazione tra le due fasi. Non si formano coalescenze o aggregazioni fra le due fasi e sono inoltre sistemi reversibili come ad es. le gelatine o l’amido.
• Colloidi liofobici: non c’è affinità fra fase dispersa e quella disperdente, sono instabili e richiedono l’utilizzo di stabilizzanti per stabilizzare la fase dispersa. Sono irreversibili e si formano quando avviene una rapida cristallizzazione con la formazione di nuclei di cristallizzazione, sono termodinamicamente instabili e necessitano di essere stabilizzati all’interfaccia.

La stabilità della dispersione dipende dalle dimensioni delle particelle disperse, dalla viscosità della fase continua, dalla [ ] della fase dispersa e dalla differenza di densità fra le due fasi; quindi per stabilizzare si interviene su questi fattori, per farlo sarebbe opportuno avere un’area di contatto tra la fase dispersa e quella disperdente il più grande possibile evitando così l’aggregazione delle particelle e la separazione delle due fasi che viene chiamato oiling-off.

L’interfaccia è lo strato nanometrico che separa una fase dall’altra, ne esistono di diversi tipi a seconda dello stato e i fenomeni più importanti sono:

• Penetrazione molecole attraverso membrane biologiche
• Formazione e stabilizzazione emulsioni
• Formazione di sospensioni con dispersione di particelle insolubili in un mezzo liquido

La tensione superficiale è la misura della resistenza all’interfaccia in un liquido, aumentando la [ ] di surfactanti modifico la tensione superficiale del liquido, infatti aggiungendo del sapone all’acqua diminuisco la tensione superficiale e gli insetti non saranno più in grado di rimanere sopra il livello dell’acqua. Le molecole di acqua sulla superficie e quelle nel bulk hanno comportamenti diversi: nel bulk ogni molecola è bilanciata in termini di forze con le altre molecole, mentre all’interfaccia ciascuna molecola è in uno stato di tensione superficiale. La somma delle forze applicate alle molecole nel bulk è 0 mentre per le molecole all’interfaccia esiste una forza netta che tende a spingere la molecola verso il centro del bulk. Dividendo questa forza per unità di superficie ottengo la tensione superficiale γ, definita quindi come il rapporto tra la forza che si sviluppa all’interno della superficie rispetto all’area della superficie, con unità di misura Nm^-1. La tensione superficiale diminuisce all’aumentare della temperatura, questo perché aumento lo stato di agitazione delle molecole e perdo adesione.

Acqua

Essa è una componente presente in tutti i sistemi alimentari, è presente come struttura legata (cluster) in cui abbiamo legami H a formare strutture ordinate e complesse. L’acqua grazie alla sua polarità è considerata un solvente versatile, ogni molecola di soluto infatti si circonda di acqua a formare una sfera di solvatazione; questo la rende una struttura termodinamicamente stabile e a minor entropia, quindi con un minor stato di disordine.

Proprietà colligative

Esse sono delle proprietà fisiche che dipendono dalla [ ] delle molecole di soluto degli ioni in soluzione e sono tensione di vapore e osmosi.

Tensione di vapore

È la situazione di equilibrio del passaggio di molecole di acqua dalla fase liquida alla fase vapore, se aggiungo un soluto all’acqua si abbasserà la tensione di vapore; quindi il punto di ebollizione dell’acqua pura sarà minore rispetto a quello della soluzione contenente il soluto. Allo stesso modo ho un abbassamento del punto crioscopico, quindi le interazioni tra soluto e solvente causano un innalzamento del punto di ebollizione e un abbassamento del punto crioscopico.

Osmosi

È un fenomeno fisico riferito a una soluzione, si prevede un movimento del solvente da una soluzione meno concentrata verso una soluzione con concentrazione superiore di soluto attraverso una membrana semipermeabile, questo perché così le due soluzioni tenderanno a raggiungere l’equilibrio di concentrazione.

Attività dell’acqua (a_w)

Essa è il rapporto tra la tensione di vapore delle molecole di acqua che lasciano una soluzione rispetto alla tensione di vapore dell’acqua pura; essa esprime quindi la tendenza delle molecole di acqua di abbandonare l’alimento dalla fase liquida al vapore.

Isoterme di adsorbimento

Servono per predire la stabilità di un prodotto e per permetterci di capire se l’aggiunta di ingredienti migliora o peggiora la disponibilità di acqua. Ci permettono inoltre di capire le diverse percentuali e tipologie di acqua:

• Tipo I: acqua fortemente legata o di solvatazione, non congelabile (interazioni tra ioni e dipoli)
• Tipo II: acqua debolmente legata, con ruolo di solvente
• Tipo III: multistrato, è la più disponibile e partecipa alle reazioni chimiche, tipo acqua libera o del monostrato

Ciò che ci interessa a noi è il valore di a_w, ovvero l’acqua di solvatazione fortemente legata alle macromolecole del soluto; quindi quando essicco devo portare il prodotto sotto questo punto in modo da renderlo conservabile; infatti se porto l’a_w sotto lo 0.4 evito modificazioni fisiche come ad esempio la presa in massa e questo costituisce il limite di danno fisico. Quando abbiamo alimenti composti la differenza di a_w costituisce una forza motrice che induce l’acqua a migrare dalla fase più umida a quella meno umida creando problemi; per questo motivo devo proteggere per es. la cialda del cono gelato con uno strato di cioccolato, per evitare che l’acqua causi un rammollimento della cialda. Quando abbiamo valori superiori a 0.6 di a_w occorre intervenire tecnologicamente per bloccare l’acqua e consolidare il rapporto strutturale tra acqua e componenti. La relazione tra la stabilità di un alimento e la a_w è spiegata dal diagramma di Karel. Redatto negli anni ’70, mette in relazione la a_w con la velocità di reazione delle alterazioni che possono avvenire nell’alimento. L’attività enzimatica viene bloccata a valori di a_w inferiori a 0.35 mentre l’imbrunimento non enzimatico subisce un forte rallentamento al di sotto di 0.2.

Stabilità dei colloidi

Le particelle dei colloidi assorbono selettivamente ioni e acquisiscono una carica elettrica, che permette quindi alle particelle di respingersi; se la carica invece viene neutralizzata esse possono precipitare. Un sistema colloidale stabile è un sistema in cui le particelle resistono alla coalescenza/aggregazione e possiedono una lunga shelf-life a causa della mutua repulsione. I meccanismi di instabilità si manifestano quando c’è poca o nessuna forza repulsiva. I colloidi liofilici precipitano molto raramente mentre i colloidi liofobici precipitano facilmente e il sistema è difficilmente reversibile, essi quindi possono dare aggregazione o coalescenza:

• Aggregazione: avvicinamento delle particelle colloidali che però mantengono la loro individualità.
• Coalescenza: quando avviene un’aggregazione delle singole unità a dare una fusione delle particelle più piccole in unità più grandi e quindi la creazione di una struttura non più distinguibile.

Per evitare l’aggregazione devo schermare le cariche delle particelle in due modi:

• Stabilizzazione elettrostatica della particella colloidale
• Formazione di uno strato di polimeri sulla superficie della particella