Appunti Tecnologie della formulazione dei prodotti alimentari + domande esame

TECNOLOGIA DELLA FORMULAZIONE DEI PRODOTTI ALIMENTARI

Dagli anni 60 la richiesta di alimenti è cresciuta in modo importante in questi anni. Dal 2010 al 2050 ci sarà

una fortissima richiesta di più cibo (incremento del 71%)

Riduzione degli scarti: circa 1/3 di alimenti sono sprecati (soprattutto a livello domestico) o persi

 (perdita a causa di degrado)

Rispetto della terra: dalla produzione in campo fino alla fine, problemi legati alla perdita di

 biodiversità, impatto ambientale, sostenibilità delle produzioni.

Nutrizione: istruire a una nutrizione diversa con maggior impatto salutistico

 Stabilità: accesso al cibo costante per tutti, stabilità nella fornitura e la costanza deve essere

 garantire anche a condizioni estremi.

L’innovazione alimentare sostenibile ha 3 riferimenti:

Healthy food: alimentazione con impatto salutistico

 Sustainable production systems: sistemi di produzione e trasformazione sostenibili

 Resilient food markets: stabilità e garantire accesso al cibo a tutti



La trasformazione delle materie prime in un prodotto trasformato è uno step fondamentale. In passato si

pensava solo a trasformare la produzione da artigianale a industriale. Il consumatore poi ha chiesto un alto

grado di servizio dei prodotti alimentari con conseguente crescita della catena del freddo e incremento dei

surgelati. La parte di processo degli alimenti che trasforma le materie prime in prodotti finali funzionali è

una fase fondamentale nella catena di valore degli alimenti.

GELATO FORMULAZIONE: emulsione complessa in cui si ha una fase aria in una fase solida o semisolida

complessa che tiene al suo interno delle sotto-emulsioni. Si ha la presenza dei cristalli di ghiaccio al fine di

dare una consistenza al gelato.

I prodotti formulati possono essere categorizzare in base a quanti ingredienti fanno parte nell’elaborazioni;

la lunghezza dell’etichetta fa scegliere o meno un prodotto (etichetta corta è più scelta). Gelato industriale

è a etichetta lunga.

Innovazione nel reparto maturazione: sostituito da un estrusore a freddo che funge da mescolatore e

freezer. Si ottimizza un impianto utilizzando una sola operazione anziché 3. La cristallizzazione dell’acqua è

diversa e il gelato ha una proprietà di morbidezza maggiore. Le formulazioni del gelato sono state riviste

perché è stato necessario la microstrutturazione di bolle d’aria all’interno del gelato (matrice viscosa). Per

ottenere una sospensione aerata ha dovuto riformulare il prodotto. Migliorando la formulazione ha

migliorato l’impianto. Per strutturare in modo opportuno è stato necessario studiare i fenomeni di crescita

dei cristalli nella prima miscela e poi formulare il prodotto in modo da contenere la crescita dei cristalli

aiutandosi con la formulazione e con l’impiantistica.

Se si deve pensare alle formulazioni non bisogna pensare ai singoli ingredienti ma all’interazione degli

ingredienti con il prodotto (sistema processo-prodotto).

Stampanti 3D dei gelati: quando mescoli gli ingredienti bisogna tenere delle consistenze della miscela

importanti. Non con tutti gli alimenti si possono fare, con il gelato sì. La miscela poi viene estrusa e si

ottengono dei gelati artistici.

Tecnologia della formulazione: disciplina non nuova, copiata da altri settori, prevede la competenza di

diversi professionisti (ingegneri, chimici, fisici). Formulare il prodotto è capire il ruolo funzionale di ogni

ingredienti sulla struttura del prodotto e sul processo.

Ingredienti: sostanza che forma parte di una dispersione, gli ingredienti funzionali sono ingredienti che

hanno un potenziale di funzionalità fisica (capacità di emulsificare i grassi, aumentare viscosità di un

prodotto, ecc…) dentro una matrice alimentare.

Di fianco ai composti naturali con proprietà funzionali vengono aggiunti altri composti che sono identificati

con una funzionalità specifica (lecitina= agente emulsionante).

ADDITIVI ALIMENTARI

Molto regolamentati a livello cogente. L’EFSA fa un serio lavoro di valutazione e analisi del rischio e valuta

la sicurezza d’uso degli additivi. Gli additivi sono sostanze aggiunte che hanno un ruolo ben preciso

nell’alimento e sono classificati secondi un criterio e appaiono al consumatore in etichettatura con in nome

esteso o una scritta. L’EFSA ha pubblicato un regolamento degli additivi nel 2008 ma continuamente

ampliato e rivalutato in base alle nuove conoscenze scientifiche di quel determinato additivo. L’EFSA

stabilisce la tossicologia di una sostanza potenziale additivo e ne identifica la dosa ammessa (ADI)

(Acceptable Daily Intake) che corrisponde alla quantità di una sostanza che può essere consumata su base

giornaliera durante l’intera vita senza apporre particolari rischi per la salute. Espresso con mg/kg/gg. Indice

attribuito solo ad alcuni additivi, altri hanno solo q.b (quanto basta). Tutti gli additivi devono essere

approvati prima dell’utilizzo. C’è stato un lavoro di armonizzazione delle regole per utilizzare gli additivi, ha

consentito di produrre una lista delle sostanze ammessa, degli alimenti dove possono immessi e il livello di

purezza.

Formulazione di alimenti:

Alimenti generici: fonti di nutrienti

 Alimenti con claims salutistici

 Alimenti con claims farmaceutici/parafarmaceutiche fonti di nutrienti

 Alimenti con funzionalità (di tipo fisico)

 Integratori: importanti nella nutrizione umana, utilizzare in caso di necessità.

 Superfood: termine creato dal marketing che ci spinge a nutrirci con alimenti considerati super per

 la salute (spinacio, salmone, frutta, grani integrali, bacche rosse, …) hanno principi di composizione

importanti per la salute, i quali se consumati con priorità apporta benefici alla salute.

Funzionalità: aspetti di prodotto macroscopici, giudicati dai senso:

Stabilità del colore, flavouring, riduzione contenuto in grassi, strutture gelanti, texture, attività dell’acqua,

emulsionamento, stabilità al congelamento/surgelamento, composti che promuovono la funzionalità

salutistica, eccc…

Una certa funzionalità la si ottiene combinando diversi ingredienti e additivi. Spesso una funzionalità viene

raggiunta un insieme di sostanze (additivi e ingredienti) che appartengono alla stessa categoria. (building

block).

La legge classifica gli additivi in classi funzionali: Coloranti (aumentare l’attrattività del colore dell’alimento),

addensanti (modifica la densità del prodotto), stabilizzanti (per la texture, per la coesione di due fasi

liquide, prevengono la sedimentazione di corpi solidi in una matrice con un solvente), coadiuvanti,

antiossidanti, conservanti.

Per combinare ingredienti e additivi può essere naturale o guidata per ottenere una proprietà di prodotto

particolare, devo stare attento alla formulazione, alla combinazione. Si parla infatti di architettura del

prodotto: combinazione di ingredienti per dare una certa struttura che diano una performance al prodotto.

La food architettura (architettura dei prodotti alimentari): c’è un design di prodotto, grande attenzione ai

materiali di costruzione (singole molecole), poi ci sono principi di ingegneria strutturale e infine prodotti

finali (come costruzione) per conoscere come si comportano i materiali (come si devono combinare per

dare il prodotto finito) e l’effetto dei processi sui materiali.

Birra. Sistema bifasico (liquido-schiuma), caratteristiche della fase liquida unita alle caratteristiche della

schiuma. La schiuma è richiesta in termine di quantità e di stabilità (molta e molto persistente). Per fare ciò

si studia il sistema (formulazione) e il processo: sistema disperso con fase continua definita fase acqua; e

una fase dispersa chiamata fase aria. Deve avere oltre alla stabilità anche proprietà sensoriali.

Per controllare tali parametri richiesti per la schiuma si deve andare a controllare l’organizzazione

strutturale dei composti a livelli non solo macroscopici (macroscala) ma a livelli inferiori: da macroscala, si

passa all’osservazione di microscala, mesoscala, nanoscala e livello molecolare, man mano che si riduce si

osservano particolarità e peculiarità della schiuma diverse: dimensioni fase dispersa aria (macroscala),

scendendo ancora a livello nanometrico si vede la schematizzazione di una sottile parete di bolle d’aria con

all’interno un gas, e all’esterno la fase continua liquida e si va a lavorare sull’interfaccia aria-liquido. Si vede

se le pareti sono resistenti. Scendo a livello molecolare si vede come è formata l’interfaccia gas-liquido: si

vede che ci sono molecole (stabilizzanti) con attività superficiale (polimeri naturali) che stabilizzano tale

interfaccia rendendo stabile le bolle e a livello macroscopico la schiuma. Pertanto, andando a lavorare sulla

formulazione si va giostrare queste proprietà (foam ability/stability). Al giorno d’oggi si mettono polimeri

naturali per stabilizzare tale interfaccia. È utile che ci siano questi proteine ma a volte è utile che ci siano

altre molecole con attività superficiale (es. emulsionanti).

Talvolta c’è la necessità di avere degli antischiumogeni (additivi alimentari), che lavorano con un

meccanismo contrario: agenti che indeboliscono l’interfaccia e destabilizzano l’interfaccia in modo che le

bolle non rimangano separate ma coalescano le une con le altre aumentando di volume. Sono inibitori di

schiuma.

Non c’è solo una dimensione macroscopica da gestire per avere proprietà funzionali di prodotto ma

bisogna conoscere tutti livelli strutturali che non sono visibili ad occhio nudo. Grafico: asse delle ascisse si

ha la lunghezza (dimensione componenti dell’alimento) e sull’asse delle ordinate il tempo. Tutti i fenomeni

che avvengono a livello nanometrico (singole molecole) avvengono in millisecondi, man mano si arriva alle

scale molecolari (assemblamenti di molecole) e di mesoscala (circa 100 nanometri) nella quale occorrono

tempi di organizzazione strutturale di 1 minuti, crescendo di scala e guardando sistemi dispersi si arriva ai

mm e tempi più lunghi e poi al prodotto con un organizzazione strutturale di ore. È di recente scoperta

perché in passato era costoso andare a visualizzare a livello microscopico un alimento, con l’avanzamento

della tecnologia si è andata a vedere i polimeri e gestire queste fasi di organizzazione strutturali.

Macroscala: fisica dei materiali

 Mesoscala: colloidi o scienza dei polimeri

 Microscala: nanoscienza

 Livello molecolare: chimica



Dimensione dei componenti: differenza tra organizzazione molecolare (1°-10nm); aggregati

supermolecolari (10nm -10μm) e struttura micro e macroscopica (da 10μm in su)

Tutte queste indagini sul ruolo dei doversi componenti nell’ingredientistica presuppone che sia

un’informazione delle tecniche analitiche per indagare le diverse scale di osservazione.

ANALISI DI TIPO FISICO: analisi che possono essere utilizzate per comprendere caratteristiche di

funzionalità di ingredienti per interessi di gestione del processo, sulle proprietà finali del prodotto, aspetti

legati sull’aspetto sensoriale del prodotto. Sono complementari all’analisi chimica e microbiologica.

Analizzatori dimensionali: conoscere la distribuzione dimensionale delle componenti della polvere.

 Sistemi di setacciatura con setacci calibrati e dimensione decrescenti si fraziona dimensionalmente i granuli

di una polvere. Con delle gaussiane si caratterizza la composizione di una polvere con indicazioni delle

frequenze e classi più o meno popolate. Ci possono essere anche analisi ottiche che mostrano come è

possibile fare la distribuzione dimensionale dei componenti di un’emulsione.

Analisi reologica:

 Reologia propriamente detta: studio di tutto ciò che scorre, nata per i materiali diversi da alimenti e

 conosce come si strutturano i componenti di un alimento a livello di micro e mesoscala. Si sollecitano i

materiali in modo da avere come risposta alla sollecitazione delle informazioni su come i polimeri sono

aggregati a livello di strutture di mesoscala (livello di qualche micron).

Analisi di texture: informazioni sulla macrostruttura, fatta mediante un apparecchio chiamato

 dinamometro che misura delle proprietà macroscopiche degli alimenti: pistone che schiaccia un

alimento e si traggono informazioni sulle proprietà macroscopiche dell’alimento (es. compressione,

trazioni, flessione, …). Vengono impiegati dei texture analyser che sono prove meccaniche a grandi

deformazioni che servono in tantissimi aspetti di caratterizzazione dei prodotti alimentari per dare un

profilo strumentale che sostituisce quello sensoriale sia per fare studi di struttura e di ingredientistica.

Analisi reologica empirica: vicino alla pratica con unità di misura arbitrarie (es. analisi delle farine),

 apparecchi che sollecitano il materiale e ricevono una risposta alla sollecitazione (es. farinografici

Brabender, alveografo, estensografo ,…). Simulano gli sforzi a cui una farina va incontro durante il

processo di fermentazione, cottura e ne prevendono il comportamento tecnologico.

Analisi termica: svolta in calorimetri (ambiente isolato termicamente dall’esterno) e studia il

 comportamento di un materiale rispetto alla temperatura. Si possono impostare delle storie termiche e si

osserva il comportamento del materiale in termine di quantità di calore per fare avvenire una reazione

(endotermica) o registrare il calore sviluppato da reazioni esotermiche. Nei grafici sull’asse delle ascisse è

riportata la temperature, mentre su quello delle ordinate il flusso termico.

RIEPILOGO LEZIONE: Il sistema disperso è un sistema composto da 2 fasi: una fase continua all’interno della

quale viene dispersa una seconda fase. L’elemento più importante per gestire questo sistema è l’interfaccia

che è un film sottilissimo di dimensione nano che si crea tra fase dispersa e continua ed è strategica per

gestire le proprietà della dispersione. Possono confluire sull’interfaccia delle molecole che la distruggono

(agenti antischiumogeni) che o la stabilizzano (mantiene la fase dispersa isolata senza coalescenza delle

bolle);

Dispersioni:

Dispersione propriamente dette. Sistemi dove la fase dispersa è grande ed eterogenea (<500-1000nm),

 (es. latte, sangue)

Sistema colloidale: dimensione della fase dispersa è ridotta (1-500 nm) (es. plasma, soluzione

 macromolecolari).

Soluzioni propriamente detta (< 1nm): sistemi omogenei costituiti da un soluto (molecola di piccole

 dimensione generalmente, es. sali, acidi) disperso in un solvente. È possibile per dispersione o aggregazione

una soluzione diventi dispersione colloidale e questa per flocculazione o coagulazione diventare una

dispersione eterogenee di grosse dimensioni.

Queste 3 situazioni hanno proprietà fisiche diverse:

*proprietà colligative: dipendono dai soluti presenti in soluzione

Colloidi: Hanno dimensioni piccole (500-1000nm), sono ricchi di particelle disperse e se si somma

l’interfaccia delle particelle disperse si può dire che abbiamo una alta area superficiale.

Possono essere sistemi omogenei o liofilici (parte dispersa che è solubile nella parte continua) o sistemi

omogenei o liofobici (parte dispersa non solubile in quella continua). I colloidi si possono trovare ovunque,

Composti fino al micron possono essere osservati con un microscopio ottico, danno diffusione della luce,

possono essere separati con una filtrazione ordinaria.

I colloidi: necessitano di un microscopio elettronico, c’è l’effetto tyndall (fonte di luce che attraversa una

dispersione dove ci sono delle particelle disperse e si ha uno scattering della luce per il fatto che la luce

incontra la particella dispersa. Tipiche dei colloidi), bisogna separarli con una micro o ultrafiltrazione.

Nanostrutture: separazione con osmosi inversa o nanofiltrazione.

Sono descritti diversi sistemi dispersi a seconda della combinazione della fase liquida e della fase gassosa.

C’è una matrice nella quale combinando liquido - gas ottengo una schiuma; liquida-liquida un’emulsione

liquida, solida-liquido slurry; se combino gas-solido ottengo i fumi (per affumicare)

GAS: le molecole sono distanti le une dalle altre, con piccola o attrazione nulla. Hanno un’alta mobilità

dovuta alla risultante della collisione elastica.

LIQUIDO: Le molecole sono in costante movimento. Si verificano forze di coesione tra le molecole dovuto al

loro movimento. Solo in casi particolari ci sono forze sufficienti a formare aree di ordine locale.

SOLIDO: forti forze tengono le molecole in un assetto regolare.

Principali sistemi dispersi

Sistemi colloidali: emulsioni, schiume e gel.

 Soluzioni

 Sospensioni

 Gas disperso in un liquido = crema aerata

 Liquido dispenso in un liquido = emulsioni

 Solidi dispersi in un liquido = sospensioni



Le dispersioni alimentari sono dei sistemi complessi molto instabili e il fine è quello di renderli stabili, si

hanno situazioni in cui ingredienti diversi con ruoli funzionali diversi sono presenti in un unico sistema, i

sistemi vengono arricchiti di alimenti funzionali per rendere stabile la dispersione. (Es. maionesi, salse,

creme, margarine). I 3 ingredienti chiavi sono acqua, olio, e grassi (sistema molto instabile); mentre gli

emulsificanti e gli addensanti hanno lo scopo principe di stabilizzare.

EMULSIONI: dispersione di un liquido in un altro liquido ampiamente non miscibile con il primo. Nella

descrizione delle emulsioni alimentari i liquidi di riferimento sono l’olio e l’acqua. Ci sono diversi tipi di

emulsioni da quelle più semplici a quelle più complesse: emulsione di olio in acqua e emulsioni di acqua in

olio. Nel primo caso la fase continua è l'acqua e quella dispersa è l’olio; nel secondo viceversa. La

prevalenza di un liquido o un altro è fondamentale per