Appunti di Processi della Tecnologia Alimentare

Trasformazione per frazionamento

Un prodotto complesso, generalmente una materia prima formata da più costituenti, è frazionata in diversi componenti. Questa tecnologia è tipica nelle linee di produzione degli ingredienti alimentari (es. zucchero, oli, farine) o per l’estrazione di componenti ad alto valore aggiunto (es. enzimi, oli essenziali).

Tipologie di separazione

Possiamo avere tecnologie che si basano semplicemente su:

• Separazione meccanica: che si basa sulle proprietà fisiche e meccaniche dei diversi componenti della materia prima da cui si parte (es. dimensioni, forma, stato fisico, densità..).
• Separazione chimico fisica: che si basa su proprietà chimico-fisiche dei diversi componenti (es. polarità, solubilità, cristallinità, affinità, ecc.) e si tratta principalmente di separazioni liquido-solido o liquido-liquido, dove si utilizza un solvente generalmente liquido in grado di estrarre per affinità il componente di interesse.

Operazioni unitarie di separazione

Separazione meccanica

• Sedimentazione per separare la panna dal latte.
• Centrifugazione: la panna viene estratta anche per centrifugazione.
• Filtrazione dell’albume prima dell’essiccamento.
• Ultrafiltrazione.
• Osmosi inversa.
• Schiacciare olive per estrarne l’olio.
• Pressione.
• Setacciatura per la produzione degli sfarinati, per separare materiale estraneo o per raffinare sempre di più lo sfarinato.

Separazione fisica

• Estrazione solido-liquido: estrazione degli oli dai semi mediante solvente.
• Estrazione liquido-liquido: estrazione degli oli dai semi mediante solvente.
• Estrazione con fluidi supercritici per togliere la caffeina dal caffè si utilizza CO₂ supercritica.
• Cristallizzazione.
• Distillazione.
• Strippaggio.
• Flocculazione.
• Coagulazione.
• Zangolatura.
• Gel-filtrazione.
• Dialisi.

In entrambi i casi, il frazionamento modifica le prestazioni sensoriali e nutrizionali del prodotto, limitando i danni tecnologici. Se i componenti diversi da quello di interesse non saranno a loro volta utilizzati, allora i danni che possono subire non ci interessano, ma se invece da una matrice unica si vogliono ottenere diversi componenti ugualmente di interesse allora il danno dovrà essere limitato.

I cereali

I cereali sono la primaria fonte alimentare per l’uomo e sono importanti anche nell’alimentazione animale. Sono i vegetali più largamente coltivati al mondo: si stima che circa i 2/3 della superficie coltivabile siano dedicati alla loro produzione. Il primato è condiviso da frumento, comune nei paesi occidentali, e riso, tipico del continente asiatico. Questa loro diffusione dipende dall’elevata capacità di adattamento alle diverse condizioni ambientali e dalla facilità di conservazione del prodotto secco.

Caratteristiche positive

• Elevata produttività e grande adattabilità alle diverse condizioni geo-climatiche (climatiche, ambientali composizione del terreno).
• Prolungata conservabilità (i cereali sono raccolti una sola volta in un anno, eccezionalmente due, e si devono conservare sino al nuovo raccolto).
• Elevata attitudine alla trasformazione in numerosi prodotti a seconda delle abitudini alimentari. Per esempio, dalla semola noi abbiamo inventato la pasta, mentre nel Nord Africa si produce il couscous (grano duro impastato e gestito per poi dare origine a una funzione alimentare simile al riso e alla pasta).
• Ottima fonte di energia (si ritrovano nel regime alimentare di tutte le popolazioni).
• Interessante e poco costosa (anche in termini ambientali) fonte di proteine (ne contengono circa il 10%).
• Interessante e poco costosa fonte di sostanze minerali e di vitamine (soprattutto del gruppo B).

Caratteristiche negative

• Prodotto biologico soggetto a variazioni in termini di produttività e di qualità in funzione dell'annata (clima, piovosità, etc.), si sta cercando soprattutto di adattare la loro crescita all’aumento di temperatura.
• Contengono proteine a basso valore biologico (Lys: amminoacido limitante per la sintesi proteica che realizziamo nel nostro organismo).
• Mostrano dei problemi di conservabilità in alcuni climi (troppo caldi). Per esempio, si parla spesso di spreco di alimenti nelle popolazioni industrializzate alla fine della catena alimentare (nelle case, nei ristoranti, nelle mense). Nei paesi meno industrializzati e con dei climi più problematici le risorse alimentari si sprecano all’origine poiché non si riescono ad utilizzare.
• Vi è una grande difficoltà nel definire la qualità del singolo cereale in funzione dello specifico utilizzo del cereale.

Da un punto di vista tecnologico e legale si parla di frumento tenero (Triticum aestivum) e duro (Triticum durum). Il frumento è il più importante perché permette di ottenere molti prodotti, mentre è più difficile dare questa versatilità ad altri cereali importanti quali il riso (Oryza sativa) e il mais (Zea mays).

Altri cereali importanti anche se da noi meno diffusi sono:

• Avena (Avena sativa).
• Orzo (Hordeum vulgare).
• Segale (Secale cereale).

Anche il miglio e il sorgo sono cereali, a cui siamo meno abituati perché tipicamente crescono in climi più caldi. Ci sono anche altri cereali che sono divisi in:

• Antichi: monococco, farro; sono stati riscoperti per alcune caratteristiche nutrizionali che possiedono.
• Poco conosciuti: teff, fonio; poco coltivati nei nostri climi.
• Pseudocereali: grano saraceno, amaranto, quinoa. Dal punto di vista botanico non appartengono alla famiglia dei cereali, ma hanno un uso e un utilizzo che assomigliano a quello dei cereali.

Il seme del cereale si chiama cariosside, e può essere:

• Nuda: non ha attorno degli strati tegumentali facilmente rimovibili, bensì sono adesi tipici del frumento, segale, mais.
• Vestita: in cui vi sono dei tegumenti che possono essere rimossi per poi utilizzare il chicco a scopo alimentare, è il caso di orzo, avena, riso.

Composizione centesimale

Il triticale è un ibrido frumento-segale. I cereali sono una fonte principalmente di carboidrati, tra cui prevale l’amido rispetto agli zuccheri liberi. Hanno un buon contenuto di proteine (il riso è il più povero), modeste le quantità di lipidi. Ricordare i valori del frumento. I cereali sono ricchi di fibra, specie l’avena, il mais e l’orzo. All’aumentare della fibra e delle proteine diminuisce la quantità di carboidrati.

Il frumento viene distinto in frumento tenero (T. aestivum) e duro (T. durum). Si tratta di due specie diverse che hanno utilizzi differenti. Dal punto di vista compositivo, in termini di contenuto di amido/proteine/lipidi, sono molto simili. Le cariossidi di frumento hanno un’umidità del 14% circa.

Frumento

Da un punto di vista botanico dall’esterno all’interno, si possono vedere i tegumenti del frutto (non la polpa) per poi passare subito al seme. Ci saranno poi i tegumenti del seme, l’endosperma amilaceo e il germe. Le parti tegumentali sono molto adese alla cariosside, questo complica l’utilizzo del frumento, a meno che si voglia usare la cariosside integrale.

In particolare la cariosside è costituita da:

• L’endosperma amilaceo compone la maggior parte della porzione interna del seme ed è ricca di proteine e amido. La restante parte interna è occupata dal germe.
• Il germe contiene i rudimenti delle radici e della piantina ed è quella parte della cariosside che contiene, oltre a un po’ di proteine, dei grassi e di enzimi. Avere in un prodotto che bisogna conservare per un tempo lungo, un patrimonio enzimatico che si può attivare in qualunque momento e dei lipidi che sono i primi a dare un “cattivo risultato” sensoriale se attaccati dagli enzimi, è un problema per cui il germe si tende a eliminarlo. Un prodotto integrale infatti dura poco, a meno che non si faccia un trattamento per disattivare gli enzimi.
• All’interno del germe si possono individuare due aree: embrione (radice rudimentale del germoglio) e lo scutello (sostanze immediatamente utilizzabili, quelle per mobilitare i nutrienti che ci sono nella cariosside).
• L’ultimo strato dell’endosperma, prima dei tegumenti è detto strato aleuronico. È molto ricco di proteine (32%, ma considerando che lo strato aleuronico rappresenta solo l’8% della cariosside, non è poi così tanto rispetto alle proteine contenute nell’endosperma amilaceo (11%).
• La cariosside è avvolta dai tegumenti del frutto e del seme. I tegumenti (5%) hanno la funzione di proteggere il seme fino al momento della sua germinazione da insetti, microrganismi (muffe) e da scambi di acqua (mantengono un livello minimo di umidità); al momento della macinazione andranno a comporre la crusca insieme allo strato aleuronico (8%). I tegumenti si compongono di cellule con pareti spesse caratterizzate dall’assenza di spazi intercellulari e da una elevata quantità di sostanze minerali. Lo strato aleuronico è composto da cellule rettangolari con parete grossa. L’endosperma amilaceo (84%) (cellule di diversa forma e dimensione con pareti fini) comporrà la farina, mentre embrione (1%) e scutello il germe (2%).

Carboidrati

L’amido è organizzato in granuli di amido dalle dimensioni variabili, ma fondamentalmente appartenenti a due popolazioni: piccole sfere di 1-4 micron di diametro, ma anche strutture ellittiche di 20-30 μm di diametro.

L’amido è costituito da due porzioni: amilosio (omopolisaccaride lineare, polimero del D glucosio con legame α-1,4) e amilopectina (omopolisaccaride ramificato, polimero del D glucosio con legami α-1,4 e α-1,6 alle ramificazioni 4-6%):

• Ogni catena di amilosio è formata da circa 500-2000 molecole di glucosio a cui è associata un certo peso molecolare. Diverse catene di amilosio tendono ad associarsi l’una con l’altra; sono in grado di formare complessi con sostanze emulsionanti (es. monogliceridi); normalmente sono insolubili a freddo e parzialmente solubili a caldo; reagiscono facilmente con le molecole di iodio dando una colorazione blu (si forma una struttura ad elica, ogni elica si compone di sei unità di glucosio e può includere una molecola di iodio). Quest’ultima caratteristica è molto utilizzata a scopo analitico per evidenziare la presenza di amilosio; la quota di amido di frumento organizzata strutturalmente come molecole di amilosio è pari circa al 18-25%.
• La lunghezza di ogni catena di amilopectina varia tra 20 a 25 molecole di glucosio, nonostante presenti più unità di glucosio (10⁴-10⁵). Le catene hanno scarsa tendenza ad associarsi; è insolubile a freddo e a caldo; reagendo con lo iodio dà una colorazione rossa; è la molecola più presente nell’amido di frumento (75-82%).

Il granulo di amido si compone quindi di catene di amilopectina che, da un punto più o meno centrale (ilo), si dipartono verso l’esterno. Queste catene hanno una natura semicristallina, ovvero alcune zone (chiamate micelle) sono mantenute in una struttura ordinata e stabile (nello specifico una doppia elica) da un numero elevato di legami a idrogeno. Insieme a queste, nel granulo di amido troviamo anche eliche di amilosio, lipidi liberi e catene lineari libere di amilosio. Il granulo ha quindi una specifica morfologia, che insieme alle sue dimensioni e alla posizione dell’ilo è sotto controllo genetico. Ogni pianta struttura gli amidi in granuli di forma e dimensione diversa in base alla specie, perché questa organizzazione è sotto controllo genetico.

Idrolisi dell’amido

L’idrolisi dell’amido avviene ad opera di due enzimi principali:

• α-amilasi = endoenzima, anche detto destrinizzante, con effetto vistoso sulla viscosità. Agisce all’interno delle catene. I prodotti della sua idrolisi sono per l’amilosio glucosio, maltosio, maltotriosio e oligosaccaridi, per l’amilopectina piccole quantità di zuccheri riducenti e oligosaccaridi ramificati.
• β-amilasi = esoenzima, anche detto saccarificante. Agisce dalle estremità delle catene staccando due molecole di glucosio alla volta (maltosio). I prodotti della sua idrolisi sono per l’amilosio il maltosio (100%) e per l’amilopectina maltosio (55%) e β-destrina limite (45%).

Oltre a α e β-amilasi, sono presenti anche amiloglucosidasi (che tagliano uno ad uno i legami glicosidici alfa 1-4 e alfa 1-6), e le pullulanasi (che idrolizzano i legami alfa 1-6). Le amilasi sono presenti nel grano e di conseguenza, se presenti nella farina provocano un effetto indesiderato poiché basta un cambiamento di temperatura e di umidità per attivarli. Questa è la ragione per cui non si vuole trattenere nella farina la zona della cariosside più ricca di enzimi.

Proteine

Le proteine dei cereali sono in grado di legarsi tra di loro a formare una struttura, il glutine, che permette di ottenere degli impasti nello stesso elastici e tenaci. Queste proteine possono essere classificate sulla base di criteri di diverso tipo:

• In base alla loro localizzazione nella cariosside (proteine dell’endosperma, dello strato aleuronico, dell’embrione).
• Funzioni biologiche: si possono distinguere proteine metabolicamente attive o citoplasmatiche (servono per fare avvenire delle trasformazioni per la pianta, non formanti glutine) e proteine di riserva – quelle presenti nell’endosperma - ad alto PM o a basso PM (usate dalla piantina nascente per svilupparsi, formanti glutine).
• Composizione chimica: si possono distinguere proteine semplici (solo amminoacidi strutturati in catene) e complesse (lipoproteine, glicoproteine, etc.).
• Solubilità: si possono distinguere albumine (solubili in acqua), globuline (solubili in soluzioni saline), prolamine (solubili in alcool), gluteline (solubili in soluzioni debolmente acide o basiche). Queste ultime due, insolubili in acqua, sono le proteine formanti glutine. Le prolamine sono chiamate differentemente secondo la specie vegetale: gliadine nel frumento, zeine nel mais, avenine nell’avena. Le gluteline del frumento si identificano con il termine di glutenine.

Gliadine

• Singole catene polipeptidiche in grado di formare legami disolfurici (ponti disolfuro) intramolecolari.
• Rappresentano il 40-50% delle proteine totali nel frumento.
• Contenuto elevato di glutammina (35%) e prolina (20%), cisteina circa 3%.
• Basso contenuto di arginina, lisina, istidina, acido aspartico e glutammico.
• Conferiscono estensibilità e viscosità al glutine, ovvero l’impasto si deforma anziché rompersi consentendo l’aumento in volume della massa. Sono solubili in alcool.

Glutenine

• Catene proteiche cross-linked da legami disolfurici (ponti SS) intermolecolari.
• Presentano subunità a basso (LMW) e alto peso molecolare (HMW).
• Rappresentano il 30-45% delle proteine totali.
• Contenuto elevato in glutammina (30%) e prolina (13%), cisteina circa 2,4%.
• Basso contenuto di arginina, lisina, istidina, acido aspartico e glutammico.
• Conferiscono elasticità e tenacità al glutine, ovvero l’impasto mantiene la forma durante gli stress meccanici. Solubili in soluzioni debolmente acide o basiche.

NB. Un prodotto elastico fornisce tenacità poiché si oppone alla estensibilità deformabile creata dall’associazione di acqua con gliadine e glutenine. Il glutine è una maglia visco-elastica data dall’azione meccanica (impastamento).

Indici per la valutazione della qualità tecnologica di una farina

Devo capire se questa proteina è adatta a fare biscotti, panettone, vari tipi di pane,...

• Quante proteine ci sono.
• Quante proteine formanti glutine ci sono.
• Come reagisce la farina quando si cerca di fare un impasto? Per saperlo negli anni sono stati messi a punto dei test che valutano le caratteristiche reologiche della farina (come risponde alle sollecitazioni).
• Attività alfa-amilasica (le alfa milasi in una cariosside si attivano in alcune condizioni di stoccaggio. Se le alfa-amilasi sono presenti in quantità elevata nella farina, durante le fasi di impastamento e lievitazione si otterrà un prodotto con mollica appiccicosa e umida).

Nel caso di pasta frolla e biscotti la formazione del glutine deve essere compromessa per ottenere la caratteristica friabilità che contraddistingue questo tipo di prodotti. Gli impasti classici come pizza e pane hanno bisogno di una struttura elastica, compatta e più o meno morbida in base al tasso di idratazione. Questo tipo di consistenza è data da una maglia glutinica (data dall’interazione delle proteine della farina: gliadine + glutenine + acqua + impasto/azione meccanica) correttamente formata che in cottura trattenga i gas di fermentazione e sviluppi alveolature più o meno pronunciate, ma questo non deve accadere negli impasti di frolla e biscotti: la loro caratteristica è la giusta friabilità. Questa peculiarità si ottiene solo con determinate caratteristiche derivanti dall’impasto che non ha bisogno di una maglia glutinica completamente formata, ma anzi per necessità richiede farine estremamente deboli che possano apportare un glutine meno tenace e permettere la giusta tecnica di lavorazione. Confrontando tre tipi di farine si è visto che nella farina 00 ci sono 9 grammi su 100 grammi di proteine, in quella di grano duro per panificazione ce ne sono...