Appunti di formulazione prodotti alimentari (additivi)

Additivi e formulazione alimentare

Introduzione alla formulazione

Esempio 1: Il gelato è costituito da componenti eterogenei, sia additivi che materie prime di base (latte). A livello strutturale questi ingredienti si combinano a dare un prodotto con caratteristiche piacevoli sensorialmente: si tratta di una struttura complessa in cui sono presenti cristalli di ghiaccio, bolle d’aria e materia grassa che si colloca nella matrice complessa ove la fase continua è costituita da una soluzione ricca in soluti a basso PM (zuccheri, componenti aromatiche, ecc.).

L’accettazione da parte del mercato di un prodotto come questo dipende tantissimo da come gli ingredienti sono strutturati; non tutti i gelati sono uguali, infatti esiste una grossa differenza tra i gelati artigianali e industriali (nel primo c’è una % d’aria pari a 30-40 mentre nel secondo circa il 70% e cambiano anche gli ingredienti) sia dal punto di vista ingredientistico sia dal punto di vista tecnologico.

In linea di base il gelato è una miscela di ingredienti solidi e liquidi che vengono miscelati, pastorizzati e omogeneizzati; questa miscela viene poi raffreddata e subisce una maturazione (premix). Il premix viene lavorato con l’introduzione di aria e portato a T basse (fase di congelamento), quindi matura in un impianto di solidificazione. Segue lo stoccaggio.

Lavorando le materie prime secondo questa storia tecnologica si ottiene una sospensione aerata di cristalli di ghiaccio e di sostanze grasse che sono dispersi in una soluzione complessa che contiene zuccheri, idrocolloidi e la componente proteica. Chi fa innovazione sul gelato può agire sulla formulazione (i.e. materie grasse), sulla gestione del processo oppure effettuare un’innovazione di processo unendo le fasi finali di maturazione e consolidamento sostituendole con un’operazione unitaria che è l’estrusione condotta a basse T.

L’estrusione è un processo di miscelazione-strutturazione con una trafila in fondo al macchinario. Esiste quindi una relazione fra ingredienti e storia tecnologica del prodotto.

C’è la necessità di modificare le formulazioni anche se si possono modificare le operazioni unitarie perché la struttura del prodotto è altamente dipendente da ciò che inserisco: modificando il processo infatti si modificano le distribuzioni delle diverse componenti. NB: c’è un pesante intervento del processo sulla strutturazione degli ingredienti presenti nella formulazione di un prodotto!

Quando si innovano le formulazioni per adattarle alle modifiche di processo bisogna stare attenti alle performance fisiche della miscela, soprattutto nel caso di prodotti come il gelato ove al momento del consumo c’è una forte percezione a livello sensoriale della fase acqua presente in forma di ghiaccio: ovviamente al diminuire della T si avrà un aumento della fase ghiaccio.

Se si vuole garantire che questo prodotto sia apprezzato a livello sensoriale, si deve fare in modo che la formulazione utilizzata consegni un prodotto che a una T di consumo attorno ai 20-25°C ci dia un gelato dalla consistenza soffice ove la componente cristallina è circa il 50% di tutta l’acqua presente. Per arrivare a questo target, partendo dalla miscela degli ingredienti, passando per la conservazione a -10°C, si gioca sulla formulazione (si può modulare la % di fase cristallina alla T di consumo), ottenendo un gelato che si comporta diversamente seconda delle T.

A livello macroscopico si osserva che a parità di tempo di sosta a T ambiente, il gelato ottenuto con tecnologia tradizionale si “scioglie” di più rispetto a quello ottenuto con processi innovativi. Un gelato quindi, oltre che uno stato di sofficità e apprezzamento sensoriale immediato, deve avere una cinetica di scioglimento un po’ più lenta.

È possibile ottenere questo risultato perché lavorando con un estrusore a freddo si è creata una migliore protezione dei globuli di grasso, componente fondamentale del gelato; ciò che li protegge sono gli altri componenti, in particolare la componente proteica (caseine e sieroproteine) che si struttura attorno alla superficie dei globuli. In questo modo si ottiene una stabilizzazione dell’interfaccia con il contorno acqua/aria.

Tuttavia è da notare che questo risultato è stato ottenuto sia grazie a una tecnologia innovativa sia grazie alla presenza di emulsificanti/emulsionanti che vanno a sostituirsi all’interfaccia dei globuli alle componenti proteiche, ottenendo una protezione molto più efficiente e garantendo una stabilizzazione maggiore della struttura. NB: per rispondere alle esigenze del consumatore di un prodotto che abbia consistenza più soft e una persistenza maggiore si è intervenuti con innovazioni di tecnologia e di formulazione.

NOTA: se si va a leggere l’etichetta di un gelato industriale si trovano numerosi ingredienti e significa che la stabilità della preparazione si gestisce con tanti ingredienti e additivi (emulsionanti, stabilizzanti, acidificanti, addensanti, componenti aromatiche, ecc). Ciò allo scopo di ottenere sia una stabilità maggiore in termini di shelf-life, sia il soddisfacimento dei requisiti sensoriali.

Esempio 2: Purè di patate

Un altro prodotto è un preparato di purè di patate: l’ingrediente principale sono le patate, poi c’è il grasso di palma, la farina, il sale, i funghi porcini e prataioli coltivati. Il sale in questa preparazione non ha una particolare valenza tecnologica sebbene sia presente in concentrazioni maggiori del 4.5%, svolge un minimo ruolo durante il processo tecnologico di liofilizzazione, ma ad ogni modo il ruolo principale che svolge è quello di esaltatore di sapidità.

Dopodiché ci sono amido di patata, sciroppo di glucosio (addensanti), estratto per brodo, cipolla, proteine del latte (stabilizzante), cloruro di potassio (sostituto del cloruro di sodio), aromi.

Esempio 3: Preparato per risotto cremoso

Si tratta di un preparato per risotto cremoso: riso parboiled, farina, sale iodato, aromi, cipolla, estratto di lievito (sostituto del sale), lattosio (al fine di rendere più delicato il processo di liofilizzazione, processo di allontanamento dell’acqua per sublimazione). Questi preparati sono venduti in confezioni con materiali poliaccoppiati con alta barriera all’acqua dal momento che non vogliamo che si reidratino, la loro stabilità è ottenuta dalla bassissima % di acqua libera. Il processo di liofilizzazione avviene sottovuoto (tranne per la prima fase di congelamento avviene a pressione di 1 atm).

Se si vuole ridurre il vuoto e quindi il costo del processo si può giocare sugli ingredienti. A livello di formulazione si può contribuire a rendere meno spinto il vuoto che si applica durante il processo di liofilizzazione, mantenendo il processo più sostenibile economicamente, migliorando al contempo a qualità del prodotto.

Un tecnologo alimentare ha tre specializzazioni: a livello ingegneristico, a livello di analisi, a livello di formulazione.

La tecnologia della formulazione

La tecnologia della formulazione è una disciplina emergente che riguarda sia il mondo degli alimenti che quello della cosmesi, igiene della casa, agrofarmaci e prodotti a sostegno dell’agricoltura, il mondo dei coatings (rivestimenti). Formulare una preparazione significa prevedere un’interazione fra i componenti al fine di far svolgere al prodotto specifiche funzioni.

Questa è una competenza transdisciplinare che raggruppa tante competenze diverse, individuando una formulazione sulle basi del risultato che si vuole ottenere (i.e. tonno in pasta per conquistare la fetta di mercato rappresentata dai bambini, con un’elevata % di sale al fine di renderlo più gustoso). Quando si formula bisogna conoscere la componente chimica e chimico-fisica del prodotto in questione.

Un ingrediente è una sostanza che forma una parte di una dispersione, ove per dispersione è un sistema complesso.

Gli ingredienti funzionali non devono essere confusi con gli alimenti funzionali! L’alimento funzionale è quell’alimento al quale vengono attribuite proprietà salutistiche e che al suo interno ha delle molecole che hanno interazione con la fisiologia umana apportando benessere e aspetti positivi sulla salute, oltre che fornire nutrienti. Gli alimenti funzionali possono essere di vario tipo: alimenti di per sé naturali (i.e. carote che contengono quantità importanti di betacarotene); alimenti formulati o processati (i.e. produzione di pane con farina meno raffinata o con aggiunta di fibra); alimenti già funzionali e ulteriormente arricchiti (i.e. preparazioni a base pomodoro arricchiti in licopene). Ci sono poi preparazioni commerciali che consistono in componenti dalle riconosciute proprietà salutistiche, isolato e purificato a partire da matrici alimentari. Questi componenti bioattivi di interesse salutistico sono imperanti nel mondo della moda dietetica e vengono definiti come “superfood”: questi possono essere spinaci, fagioli, salone, frutta, noci, frutti di bosco, ecc.

Gli ingredienti funzionali sono ingredienti che esprimono un ruolo fisico all’interno di una matrice alimentare. Certi ingredienti sono utilizzati nella formulazione dei prodotti solo al fine di ottenere una prestazione di tipo fisico del prodotto (i.e. emulsificanti delle componenti lipidiche, stabilizzanti, addensanti e gelificanti).

Molti di questi ingredienti funzionali sono componenti naturali, i.e. proteine, carboidrati, lipidi. Le proprietà funzionali a cui ci riferiamo sono:

• Stabilità del colore
• Aromatizzazione
• Modulazione di consistenza dei prodotti a base carne
• Riduzione del contenuto in grasso/sostituzione del grasso
• Stabilità delle emulsioni
• Proprietà gelanti
• Miglioramento della texture
• Riduzione della sineresi
• Modulazione dell’aw
• Stabilità ai cicli di congelamento/scongelamento
• Funzionalità legata a benefici salutistici

Il prodotto alimentare è uno dei sistemi più complessi e variabili, per questo motivo le diverse proprietà delle varie molecole si manifesteranno in maniera differente a seconda delle diverse componenti del sistema alimento. Per ottenere questi obiettivi, infatti, spesso si utilizzano delle combinazioni di ingredienti che grazie alla loro associazione portano verso la funzionalità desiderata.

Esempio: uno degli obiettivi da raggiungere per la birra è la stabilità della schiuma; la schiuma è un sistema disperso in cui abbiamo una fase continua e una fase dispersa: per una schiuma liquida la fase continua è l’acqua e quella dispersa è il gas (schiuma liquida di aria in liquido VS pane=schiuma solida di aria in solido). Per raggiungere l’obiettivo di stabilità si dovrà fare in modo che la fase gas perduri nel tempo.

Su scala di processo multidimensionale si avrà:

• Punto di osservazione macroscopico, i parametri da controllare sono quelli di qualità e sicurezza, la stabilità e l’apprezzabilità in bocca
• Punto di vista microscopico (10 micron- 1cm), si ha una fase gas polidispersa (bolle di diversa dimensione) con buona distribuzione dimensionale in una matrice liquida (parametro di controllo)
• Punto di vista nanometrico (100nm), si osserva un’interfaccia ben definita gas-liquido, parametri di controllo sono lo spessore di questo film e sue proprietà meccaniche
• Punto di vista di 1nm, si osserva cosa succede sull’interfaccia, nella zona di separazione fra i due liquidi, ove sono collocate delle molecole con attività superficiale che stabilizzano le bolle d’aria, parametri di controllo sono la tensione superficiale e la visco-elasticità delle superfici

Le molecole che si trovano all’interfaccia sono proteine naturalmente presenti nella birra oppure molecole che competono con le proteine a livello dell’interfaccia che comportano un’instabilità della schiuma. Quando si deve fare un intervento su una proprietà macroscopica si fanno o prove oppure analisi specifiche per sapere cosa succede anche dal punto di vista nano (i.e. fare in modo che la componente proteica sia efficiente). Formulare un prodotto significa quindi intervenire sulle proprietà fisiche e chimico-fisiche della matrice alimentare guidandole nella direzione di nostro interesse. A tal fine è importante gestire la stabilità delle proteine; i loro maggiori competitori sono i carboidrati (i.e. schiuma dei caffè non persistente o persistente) che li scalzano dalla superficie.

Oltre agli ingredienti funzionali naturalmente presenti nel prodotto nelle formulazioni alimentari si fa grandissimo uso di altri ingredienti funzionali, in particolare degli additivi. Tuttavia la richiesta del mercato odierno è quella di avere prodotti con “etichette pulite” ovvero prive di additivi: la via principale per limitarne l’uso è la via tecnologica. NB: il processo serve per garantire alimenti il meno addizionati possibile! I.e. se le proteine hanno un ruolo emulsionante gestisco le vie tecnologiche di processo in modo tale da danneggiarle il meno possibile e stabilizzare il prodotto. Ciò viene tradotto come eco sostenibilità dei prodotti alimentari.

Questi additivi hanno funzioni differenti: conservante, miglioramento delle caratteristiche sensoriali, modificazione di aspetti sensoriali i.e. colore, texture, apportano nutrienti particolari. Gli additivi maggiormente presenti sul mercato possono essere:

• Agenti di flavour, aromatizzano il prodotto e lo rendono più gradevole dal punto di vista olfattivo
• Stabilizzanti, gruppo enorme possono stabilizzare sistemi liquido-liquido, solido-liquido (i.e. salad dressing, dispersioni complesse di olio-aceto-senape ove avvengono fenomeni di precipitazione), intervengono sulla palabilità del prodotto
• Coloranti, ci sono numerose restrizioni riguardo il ruolo che devono avere (NB: possono migliorare il colore ma NON adulterarlo)
• Agenti inspessenti, modificano la consistenza (i.e. amido, modifica la texture)
• Antiossidanti, rallentano i fenomeni di ossidazione a carico delle componenti lipidiche e prevengono quindi l’irrancidimento
• Conservanti, rallentano la crescita microbica in modo da estendere la vita commerciale del prodotto

L’utilizzo di queste sostanze additive è molto studiato da diversi anni ed è altamente regolamentato: sono indicate le modalità di utilizzo in modo tale che diano una prestazione funzionale utile MA che siano sicure per il consumatore e che non lo traggano mai in inganno (3 principi fondamentali).

Anni fa ogni paese regolamentava le dosi a seconda delle proprie norme e regolamenti; ad oggi c’è l’EFSA che affianca la CE. L’EFSA è l’agenzia europea predisposta a designare quali additivi è possibile utilizzare per la produzione di alimenti e fa un lavoro di valutazione del rischio (risk assessment), con una matrice legata alla sicurezza e all’aspetto tossicologico delle sostanze. Ovviamente non è compito dell’EFSA andare a indagare sull’aspetto tecnologico di questi additivi.

Questi additivi sono circolanti nella CE dal momento che sono regolati da un Reg.CE e spesso sono presenti in etichetta con il codice europeo detto “E number”. A livello di impatto sul consumatore, però, si preferisce scrivere il nome dell’additivo. Questo Reg. serve a dare il via libera agli additivi, provvisti di un’etichettatura speciale che identifica la funzione dell’additivo nel prodotto finito, suddivisi secondo classi di ruolo funzionale degli additivi: i.e. tutti i coloranti sono classificati come E100.

L’E-number è composto da:

• E = sta per Europa
• Prima cifra = indica la classe di ruolo funzionale

Questo Reg. identificherà anche la dose massima giornaliera ammissibile: alcuni additivi avranno come indicazione q.b. a indicare che nell’iter di valutazione del rischio non è stato rilevato nessun rischio per quella data sostanza; in altri casi ci saranno indicazioni per quantità (g o mg/kg peso corporeo*day) riguardo il consumo su base giornaliera durante tutta la vita del consumatore senza un’apprezzabile rischio sulla salute.

L’individuazione di una dose di assunzione giornaliera, però, non è definitiva in quanto ci sono additivi per i quali l’EFSA progressivamente riapre dei dossier, ridefinendo la dose giornaliera massima permissibile (solitamente inferiori rispetto a quelle precedenti). Ciò avviene perché la valutazione del rischio dura anni e nel corso del tempo si assiste a un miglioramento delle tecniche analitiche e a una conoscenza più approfondita. Questo Reg. sugli additivi è dinamico, con aggiornamenti via via proposti dalla CE ad aggiornare delle predisposizioni già in essere sull’impiego degli additivi.

Inoltre l’EFSA si occupa di vari ambiti che riguardano la sicurezza dell’alimentazione umana e animale, aspetti legati alla nutrizione (in stretta collaborazione con il Ministero della Salute e l’Istituto Superiore di Sanità), al benessere animale, alla protezione e alla salute delle piante. Oltre a svolgere l’azione di coordinamento per quanto riguarda le indagini sul rischio per la salute dell’uomo ha anche l’obbligo di essere la struttura ufficiale per dare le varie comunicazioni circa la sicurezza alimentare al mondo produttivo e al pubblico.

Si rivolgono all’EFSA tutti gli operatori del mondo alimentare e tutti gli organismi internazionali che hanno a che fare con gli alimenti. È organizzata in 10 panel con diverse competenze specifiche (tavoli tecnici ai quali siedono personaggi del mondo scientifico ed esperti, consulenti dell’EFSA per tematiche specifiche). Esiste una sezione dell’EFSA relativa alle notizie, affrontando temi molto differenti.

Regolamenti del Parlamento Europeo

Il Parlamento Europeo ha deciso di svecchiare i regolamenti riguardanti alcuni prodotti nuovi consentiti al consumo umano.