Materie prime e tecnologie per l'industria dolciaria

TECNOLOGIE PER L’INDUSTRIA DOLCIARIA

FONDAMENTI TEORICI

Contenuto di acqua e grado di disponibilità

Il contenuto di acqua ed il suo grado di disponibilità in un alimento condizionano:

- le caratteristiche di struttura e consistenza di un alimento;

- la possibilità che si instaurino reazioni chimiche ed enzimatiche di tipo degradativo;

- la possibilità di crescita di microrganismi.

Molti altri fenomeni sono condizionati dal contenuto di umidità di un alimento, ad esempio:

Umidità

- la cristallizzazione degli zuccheri,

- la presa in massa di materiali disidratati, umidità (%) = g H O/ 100 g campione quantità di acqua presente in un aliment

2

- l’assorbimento di acqua (rigonfiamento) dei sistemi colloidali

R. Ergun, R. Lietha & R. W. Hartel (2010) Moisture and Shelf Life in Sugar Confections.

Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 50:2, 162-192.

L’eliminazione dell’acqua rende il prodotto più stabile, ad esempio le tecniche di essiccamento per aumentare la

Acqua : nella caramelle è elemento essenziale per la dissoluzione degli ingredienti della miscela

degli ing edien i cche o e di ci o o di gl co io D an e il oce o l ac a iene imo a

shelf-life degli alimenti, ma anche congelamento, agenti leganti ecc.

ili ando im ian i di di e a na a ia di i o con in o che di con in o L midi à finale aggi n a

dipende dal tipo di prodotto. Il contenuto di umidità condizione fortemente la texture.

Nel cioccolato è un fattore che condiziona grandemente le caratteristiche reologiche del prodotto.

Umidità percentuale: rappresenta la quantità di acqua presente in un alimento.

Si determina come umidità (%) = g H O/100 g campione

2

Acqua: nelle caramelle è elemento essenziale per la dissoluzione degli

ingredienti della miscela degli ingredienti (zucchero e di sciroppo di glucosio).

Durante il processo l’acqua viene rimossa utilizzando impianti di diversa natura

sia di tipo continuo che discontinuo. L’umidità finale raggiunta dipende dal

tipo di prodotto. Il contenuto di umidità condizione fortemente la texture.

Nel cioccolato è un fattore che condiziona grandemente le caratteristiche

reologiche del prodotto.

Metodi di misura dell’umidità:

Perdita all’essiccamento:

- Uno dei metodi più utilizzati nel settore dei prodotti dolciari (semplice, non richiede attrezzature particolari)

- Temperature utilizzate da 100 a 135 °C a pressione atmosferica (temperature tali da evitare la formazione di

bolle nel campione, la sua degradazione e la formazione di croste, eventualmente 2 fasi di essiccamento a

diverse temperature)

- Tempi diversi per i diversi prodotti (es. 3 h a 105°C per lo zucchero)

- Possibilità di utilizzare ambienti sottovuoto operando a pressione ridotta e a bassa temperatura (es. 70°C per 6

h). Fattori che influenzano la durata dell’essiccamento: la struttura del prodotto ed un eventuale flusso d’aria

- L’utilizzo di sistemi di riscaldamento più efficienti possono promuovere essiccamenti più rapidi (es. sistemi di

riscaldamento ad infrarossi, lampane alogene, microonde). Necessità di verificare i risultati.

Karl Fischer:

- Basato su una reazione chimica: consiste in una titolazione il cui punto finale è generalmente rilevato

automaticamente per via amperometrica.

- E’ in grado di rilevare anche piccole percentuali d’acqua (è utilizzato nell’industria del cioccolato).

Proprietà colligative – Attività dell’acqua (a )

w

Le proprietà colligative sono tutte quelle proprietà che dipendono dalla presenza di un soluto in soluzione quali

la tensione di vapore, il punto di ebollizione, la pressione osmotica, il punto di congelamento. La parola colligative

deriva dal latino “unite insieme” ad indicare che sono proprietà altamente collegate tra di loro. In soluzioni ideali

tutte queste proprietà risultano proporzionali alla frazione molare del soluto.

Le due proprietà colligative di particolare importanza per i prodotti dolciari sono l’attività dell’acqua, o la pressione

parziale di vapore, e l’innalzamento del punto di ebollizione.

L’attività dell’acqua è un parametro che indica la disponibilità termodinamica dell’acqua. Essa dipende dal numero

e dalla dimensione (peso molecolare) delle molecole disciolte in acqua. Nel settore dei prodotti della confiserie

dipende principalmente dalla presenza di zuccheri disciolti e/o di altri dolcificanti (es. i polioli), dalla presenza di sali

e di sostanze umettanti (glicerolo).

Un metodo di misura dell’attività dell’acqua prevede la misura della pressione di vapore dell’acqua (p), parametro

che risulta inversamente proporzionale alla affinità dell’acqua con i costituenti del prodotto: più l’acqua è legata,

minore è la pressione di vapore.

Il concetto di tensione di vapore: il processo di evaporazione in un contenitore chiuso procede fino al

raggiungimento di un equilibrio tra le molecole che escono dalla fase liquida e quelle che ritornano alla fase liquida

stessa. A questo punto il vapore è detto saturo e la sua pressione espressa in mmHg si dice pressione o tensione

di vapore saturo.

L’attività dell’acqua: 0 < p < max:

- zero: quando il legame acqua prodotto è talmente forte che nessuna molecola d’acqua si libera in fase vapore

- valore massimo: corrisponde alla pressione di vapore dell’acqua libera, cioè non legata a nessun costituente del

prodotto

Si preferisce esprimere la disponibilità dell’acqua come pressione parziale di vapore cioè come rapporto

adimensionale tra la pressione di vapore dell’acqua nel prodotto (p) e la pressione di vapore dell’acqua pura (p )

0

alla stessa temperatura. a = p/p 0 < a <1

w 0 w

- se aw = 1 tutta l’acqua presente nell’alimento è libera

- se aw < 1 una parte più o meno elevata dell’acqua nell’alimento è legata

Il suo valore viene spesso moltiplicato per 100 umidità relativa

à

- un’attività dell’acqua pari a 0.8 significa che la pressione di vapore è l’80% dell’acqua pura

- il valore di attività dell’acqua aumenta con l’aumentare della temperatura

- A 0°C l’acqua pura ha una pressione di vapore di 4,6 mmHg; a 25°C la tensione di vapore dell'acqua pura è 23.8

mmHg

Come si misura?

Misuratore dell’attività dell’acqua (dew point): uno specchio di acciaio inox, posto all'interno della camera di

misura, è raffreddato fino al raggiungimento del punto di rugiada o dew point (formazione di condensa sulla sua

superficie); a questo punto lo strumento misura l‘aw e la temperatura del campione.

Dew Point: La misura del punto di rugiada è una tecnica utilizzata per la sua semplicità e rapidità.

Il punto di rugiada è la temperatura alla quale si assiste alla condensazione del vapore d’acqua (è raggiunta la

saturazione dell’aria) quando l’aria viene raffreddata in un sistema confinato.

Per questa misura l’aria (raggiunto l’equilibrio con il campione in esame) è messa a contatto con uno specchio

raffreddato. Un raggio di luce proveniente da una lampada al neon è diretto sopra lo specchio e riflesso verso una

cella di rilevazione. Quando si assiste alla formazione di condensa dell’acqua sullo specchio (è stato raggiunto il

punto di rugiada) viene registrata un cambiamento della riflettanza della luce. La temperatura di equilibrio (punto

di rugiada) è in relazione con l’UR dell’aria, a sua volta in equilibrio con l’ aw del materiale in analisi.

Igrometri elettronici: Sono basati sulla misura di conducibilità o di resistenza elettrica di un sale igroscopico

(generalmente LiCl o polisterene sulfonato) in equilibrio con l’atmosfera che circonda il prodotto. La conducibilità

del sale dipende dall’umidità assorbita o desorbita dal sale. Dai valori di conducibilità si ricavano i valori di aw. Lo

strumento viene calibrato con soluzioni ad aw note.

Isoterme di assorbimento: Il metodo basato sulle isoterme di adsorbimento è basato sulla determinazione

dell’umidità relativa di equilibrio, cioè del valore al quale il campione non guadagna ne perde umidità.

Relazione tra aw e contenuto di umidità

L’attività dell’acqua regola i fenomeni di trasporto di materia che avvengono in un prodotto durante l’essiccamento

e la conservazione e regola le reazioni enzimatiche e non enzimatiche, nonché lo sviluppo microbico. E’ critico

conoscere quale è la disponibilità dell’acqua in un prodotto alimentare, vale a dire la relazione fra attività dell’acqua

e contenuto d’acqua (umidità) (a T cost).

Isoterma di adsorbimento e di desorbimento

Isteresi: l'alimento a parità di a rilascia una quantità minore di acqua rispetto a

w

quella che adsorbe nelle medesime condizioni.

Le isoterme sono rappresentate riportando l’umidità del prodotto in funzione

dell’attività dell’acqua (a o UR).

w

Isoterma di adsorbimento: Viene costruita idratando progressivamente il

prodotto inizialmente secco

Isoterma di desorbimento: Viene costruita disidratando progressivamente il

prodotto umido

Un metodo utilizzato per valutare le isoterme di un prodotto alimentare prevede di porre il prodotto in un recipiente

chiuso (essiccatore), a perfetta tenuta, nel quale si mantiene un grado igrometrico definito e costante per mezzo di

soluzioni sature di sali.

Soluzioni saline utilizzate per creare differenti umidità relative. Quando il prodotto in esame si è portato in equilibrio

con l’umidità relativa dell’ambiente, dopo un tempo di circa 15-20 giorni, se ne determina l’umidità per

essiccamento in stufa.

Isoterma di adsorbimento e desorbimento:

(a) zona delle umidità relative più basse (0-30%) nella quale l’acqua è fortemente legata (forte riduzione della

pressione di vapore)

(b) zona di umidità relativa intermedia (30-75%) in cui l’acqua è meno fortemente legata e le singole molecole

sono orientate in strati sovrapposti in modo ordinato. In genere fino a questo livello di attività dell’acqua - a cui

corrisponde un certo livello di umidità del prodotto - l’acqua è incongelabile e viene comunemente indicata

come acqua legata

(c) zona di umidità relative elevate (75-100%), in cui le molecole d’acqua non sono legate al prodotto da forze di

natura chimico-fisica, ma sono libere e disposte disordinatamente.

In questa zona l’acqua è libera di condensare. La diminuzione della sua pressione di vapore rispetto all’acqua

libera è dovuta in genere a forze di capillarità, tanto più intense quanto minore è la dimensione dei capillari.

Isoterme

Ogni prodotto ha una propria isoterma di adsorbimento evidenziando differenti affinità per l’acqua. In generale si

Fondamentalmente esistono tre diverse tipologie di isoterme:

può affermare che: tipo 1: relativo a materiali molto igroscopici (carboidrati amorfi, agenti a

- a bassi livelli di attività dell’acqua i prodotti contenenti biopolimeri, come l’amido e le proteine, appaiono più

caramelle dure contenenti saccarosio amorfo)

tipo 2: relativo a molte tipologie di alimenti tra cui gli amidi

igroscopici tipo 3: relativo a materiali poco igroscopici (sugar free caramelle dure co

- a più alti livelli di attività dell’acqua i prodotti che hanno elevati contenuti di sali e zuccheri a basso peso

molecolare appaiono nettamente più igroscopici (igroscopicità: attitudine di un prodotto ad assorbire umidità)

Igroscopicità = attitudine di un prodotto ad assorbire u

Fondamentalmente esistono tre diverse tipologie di isoterme:

1. tipo 1: relativo a materiali molto igroscopici (carboidrati amorfi, agenti anti

Isoterme ed Influenza della composizione

caking, caramelle dure contenenti saccarosio amorfo): il livello cresce anche

con bassi livelli di umidità Grassi

non assorbono umidità

2. tipo 2: relativo a molte tipologie di alimenti tra cui gli amidi

la loro aggiunta non modifica molto la forma delle isoterme.

3. tipo 3: relativo a materiali poco igroscopici (sugar free caramelle dure

Proteine

contenenti sorbitolo) la loro presenza determina un maggiore assorbimento di acqua

3-6 g di acqua per 100 g di proteine ad a di 0.25

w

10-12 g di acqua per 100 g di proteine ad a di 0.60

w

Zucchero cristallino: l’umidità è in grado di legarsi unicamente sulla superficie del cristallo poiché il forte

La denaturazione termica rid ce l assorbimen o

impaccamento della struttura esclude delle molecole “estranee” come l’acqua. Oltre un certo valore di aw si assiste

Carboidrati

a dissoluzione dei cristalli (punto di deliquiescenza) e l’umidità cresce rapidamente.

formano più legami idrogeno delle proteine, ma alcuni di questi sono intermolecolari

- amido nativo richiede n ele a a midi à per plasticizzare

- cellulosa cristallina: assorbe acqua solo sulla superficie

- gomme: assorbono acqua facilmente

Isoterme ed influenza della composizione

Grassi: non assorbono umidità e la loro aggiunta non modifica molto la forma delle isoterme.

Proteine: la loro presenza determina un maggiore assorbimento di acqua; vengono usate

Isoterme di diversi

carboidrati

come leganti dell’acqua:

- 3-6 g di acqua per 100 g di proteine ad aw di 0.25

- 10-12 g di acqua per 100 g di proteine ad aw di 0.60

- La denaturazione termica riduce l’assorbimento.

- Se si vuole ridurre l’attività dell’acqua di un salume, una tecnica è aggiungere delle proteine del latte ad esempio

Carboidrati: formano più legami idrogeno delle proteine, ma alcuni di questi sono intermolecolari

- amido nativo: richiede un’elevata umidità (>30%) per plasticizzare

- cellulosa cristallina: assorbe acqua solo sulla superficie

- gomme: assorbono acqua facilmente

a e temperatura

w

La relazione che lega l’umidità assoluta all’attività dell’acqua di un prodotto dipende dalla temperatura.

Dipendenza dell’attività dell’acqua dalla temperatura per l’amido di mais

Man mano che sale la temperatura, tende ad aumentare il valore di attività

dell’acqua data una certa umidità assoluta. Se ho un’umidità assoluta del 15%,

l’attività dell’acqua se il prodotto viene mantenuto a 5°C, è circa 0,5 mentre se viene

mantenuto a 35°C, l’attività dell’acqua è intorno a 0,75-0,8.

a e fenomeni degradativi:

w a & fenomeni degradativi

w

Velocità di alcune reazioni di degradazione in funzione dell’attività dell’acqua

L’attività dell’acqua influenza delle reazioni importanti che avvengono negli

alimenti come l’ossidazione lipidica che anche a bassi livelli di attività dell’acqua (%)

avviene. I prodotti surgelati dove l’attività dell’acqua è bassa perché è legata a content

cristalli di ghiaccio, se sono ricchi di sostanze grasse, tendono ad avere un Moisture

problema di ossidazione quindi la durabilità dipende dal livello di grassi.

L’ossidazione lipidica aumenta ad intervalli di attività dell’acqua a 0,7-0,8 e ha i

suoi massimi tra 0,6-0,85. Nello stesso modo anche l’attività enzimatica e la

crescita microbica dipendono dall’attività dell’acqua e dal livello di umidità. Velocità di alcune reazioni di degradazione

i f i e de a i i à de ac a

a e sviluppo microbico a & sviluppo microbico

w

w

La riduzione dell’attività dell’acqua produce il rallentamento dello sviluppo microbico, seguito, per valori di aw

La rid ione dell a i i à dell acq a prod ce il rallentamento dello sviluppo microbico,

inferiori a 0.6-0.7, da una totale inibizione della crescita.

seguito, per valori di a inferiori a 0.6-0.7, da una totale inibizione della crescita.

w

Su questo principio si fonda la conservazione di numerosi prodotti alimentari – prodotti essicati e/o prodotti ad

Su questo principio si fonda la conservazione di numerosi prodotti alimentari prodotti essicati e/o

umidità intermedia (IMF) – nei quali l’attività dell’acqua è stata ridotta o per disidratazione (completa o parziale) o

prodotti ad umidità intermedia (IMF) nei q ali l a i i à dell acq a è s a a rido a o per

per aggiunta di sostanze osmoticamente attive (zucchero, sale). I canditi sono sostanze molto ricche di zucchero,

disidratazione (completa o parziale) o per aggiunta di sostanze osmoticamente attive (zucchero, sale)

che mantengono un certo valore di umidità ma hanno un’attività dell’acqua bassa.

A i i à de ac a e

sviluppo microbico

- Batteri alofili: resistenti ad alte concentrazioni saline

- Muffe xerofile: resistenti in condizioni di bassa presenza di acqua (sono in

Batteri alofili: resistenti ad alte concentrazioni

saline

grado di crescere in prodotti come la marmellata, dove la loro attività

Muffe xerofile: resistenti in condizioni di

dell’acqua è modesta perché è molto ricca di zucchero che lega l’acqua e la

bassa presenza di acqua

rende indisponibile) Lieviti osmofili: resistenti ad alte concentrazioni

zuccherine; trasformano gli zuccheri in alcool

- Lieviti osmofili: resistenti ad alte concentrazioni zuccherine; trasformano gli

zuccheri in alcool

Prodotti eterogenei - l’attività dell’acqua può essere diversa tra un componente e l’altro:

• questo può c