Proprietà fisiche degli alimenti

Proprietà fisico-sensoriali degli alimenti

Reologia

La reologia è la scienza che si occupa dello studio del flusso e della deformazione dei materiali. Il fatto che si intenda dei materiali, in generale, fa intuire come questa disciplina non sia solamente applicabile agli alimenti, bensì a qualsiasi oggetto o superficie che ci circonda. Viceversa, si parla della reologia degli alimenti quando si intende la scienza che si occupa di studiare il flusso e la deformazione di tutte le materie prime alimentari, gli intermedi di lavorazione (semilavorati) ed i prodotti finiti dell’industria alimentare.

Ogni qual volta si prenda un alimento, deve essere possibile valutarne la qualità; questa può essere descritta da diversi parametri:

• Aspetto
• Flavor
• Valore nutrizionale
• Consistenza

L’aspetto ed il flavor vengono descritti attraverso (principalmente) un’analisi sensoriale, ma è anche possibile descriverli attraverso test scientifici e fondamentali, ad esempio attraverso l’uso di colorimetri o di GC-MS. Il valore nutrizionale viene valutato attraverso analisi di valutazione nutrizionale (della quale non ci occuperemo). La consistenza viene misurata attraverso test reologici. Si parla di consistenza quando si intende la capacità di disintegrazione, distruzione o flusso di un alimento: queste capacità non sono altro che modi attraverso il quale la caratteristica fisica e chimica intrinseca dell’alimento si manifesta (ad esempio l’intensità di legami chimici, la coesività, il grado di alveolatura, …).

In reologia si ha la necessità di correlare questi parametri con altri, come ad esempio la massa dell’alimento, il tempo di analisi, la velocità di analisi, lo sforzo applicato, …

Solidi e fluidi

Si parla quindi di:

• Solidi quando l’applicazione di una forza causa deformazione
• Fluidi quando l’applicazione di una forza causa scorrimento

In reologia, in realtà, non si parla mai di forza. La maggior parte degli alimenti presenti sul mercato non sono caratterizzati da superfici omogenee e lisce, questo vuol dire che il comportamento dell’alimento sottoposto ad una forza varia a seconda di dove la forza viene applicata, per questo si parla di sforzo:

NF = = Pa=σ 2A m
Ovvero, lo sforzo “sigma” è dato dal rapporto tra forza esercitata (m x a = 2N) su superficie (area = m²). Eseguendo una analisi dimensionale si denota che N/m² dà Pascal, e quindi analogamente a quanto si può parlare di “sforzo esercitato”, si può parlare di “pressione esercitata”.

I tipi di sforzo che si possono applicare, tuttavia, sono tra loro diversi. Possiamo definire in prima approssimazione gli sforzi uniassiali, quando lo sforzo viene esercitato lungo un solo asse dell’oggetto verso la stessa direzione, mentre si parla di sforzo pluriassiale quando questo viene esercitato su tutti gli assi (a 360°C) a seconda della direzione. Si possono poi classificare gli sforzi in:

• Compressioni: la direzione del vettore sforzo è verso il centro geometrico dell’alimento, a seconda che lo sforzo sia pluriassiale o uniassiale
• Tensione: la direzione del vettore sforzo è verso l’ambiente esterno all’alimento (lontano dal centro geometrico) a seconda che lo sforzo sia pluriassiale o uniassiale
• Sforzo trasversale: lo sforzo applicato avviene su un lato del prodotto senza la presenza di una forza opposta, questo causa lo scorrimento in alimenti fluidi.

Ovviamente, il comportamento degli alimenti a seguito di questi sforzi non sarà sempre uguale per ogni tipologia di alimento, ma varierà in funzione di diversi parametri, quali possono essere: la temperatura (lo sforzo da dover esercitare per comprimere un Grana Padano è maggiore quando questo è a 4°C rispetto a quando si trova a 100°C), intensità di sforzo, velocità, geometria del campione, tempo di esercizio dello sforzo.

Comportamenti dei materiali

A seconda del comportamento degli alimenti (o materiali in generale) al momento di applicazione dello sforzo, possiamo distinguerli in:

• Elastici: sono materiali che, in seguito all’applicazione di uno sforzo, restituiscono tutta l’energia assorbita ritornando alla loro geometria iniziale (al 100%).
• Viscosi: sono materiali che, in seguito all’applicazione di uno sforzo, non restituiscono nulla dell’energia assorbita, cambiando geometria o scorrendo. L’energia assorbita viene dissipata sotto forma di calore.
• Visco-elastici: sono materiali che hanno in parte un comportamento elastico, ed in parte un comportamento viscoso. Restituiranno in parte l’energia ritornando alla loro geometria iniziale, ed in parte la dissiperanno sotto forma di calore.

A seconda di questi comportamenti, possiamo dire che i materiali possono essere:

• Ideali
  • Solidi, quando si comportano in modo completamente elastico
  • Fluidi, quando si comportano in modo completamente viscoso
• Reali
  • Non sono né solidi né fluidi. Si comportano in modo visco-elastico. N.B.!! La maggior parte degli alimenti esistenti in natura sono di natura visco-elastica.

Materiali elastici

Sono materiali rappresentati da un parametro numerico definito modulo di Young o modulo elastico. Questo descrive come varia lo sforzo applicato al variare della deformazione dell’alimento. Un materiale è completamente elastico, quando al variare dello sforzo applicato, corrisponde una variazione di deformazione data all’alimento.

σE= ε m=Δε L/ L
La deformazione viene calcolata come la variazione della lunghezza del materiale, sulla lunghezza iniziale.

Avendo detto che la maggior parte degli alimenti in natura non sono elastici ma visco-elastici, si sta cercando di capire il campo di applicazione del modulo elastico all’interno della reologia degli alimenti.

Materiali viscosi

Sono materiali caratterizzati da un modulo di viscosità. In questo caso, andare a caratterizzare un modulo come quello elastico, risulterebbe difficile, in quanto è complicato andare a misurare la deformazione “scorrimento” di questo, ed essendo materiali non dotati di forma propria, è difficile anche definire uno “sforzo applicato”. Si parla quindi in questo caso di:

• Shear Stress quando si parla di sforzo di taglio, ovvero uno sforzo applicato tangenzialmente al prodotto, inserito in un contenitore standard. (ad esempio, quando si mescola con un cucchiaio).
• Shear Rate quando si parla di velocità di sforzo di taglio, ovvero la velocità attraverso la quale viene applicato lo sforzo [1/s].

Quindi è possibile ottenere il modulo di rigidità, andando a rapportare lo shear stress in funzione dello shear rate.

Fluidi

Possiamo inoltre definire i fluidi:

• Newtoniani (ideali): quando all’applicazione di shear stress, corrisponde un rapporto direttamente proporzionale di shear rate (ovvero la viscosità rimane costante). Sono ad esempio fluidi come acqua, oli minerali, bibite, alcuni succhi filtrati, grassi, latte, …
• Non newtoniani (non ideali): all’applicazione di uno shear stress, corrisponde un rapporto indirettamente proporzionale di shear rate, e la viscosità non è costante. Sono fluidi contenenti molti particolati, ma si possono ulteriormente caratterizzare in diverse tipologie.

I fattori influenzanti la viscosità sono diversi, ad esempio:

• Temperatura: c’è una relazione inversa tra temperatura e viscosità
• Concentrazione in particolati: c’è una relazione diretta tra concentrazione e viscosità
• Peso molecolare dei particolari: relazione diretta
• Voltaggio dell’alimento.

Se prendiamo in considerazione i fluidi non ideali, o non newtoniani, possiamo classificarli in diverse categorie diverse a seconda del loro comportamento:

• A seconda del loro comportamento al variare della velocità di applicazione dello sforzo o all’intensità dello sforzo applicato:
  • Plastici
  • Pseudoplastici
  • Dilatanti
• A seconda del loro comportamento al variare del tempo di applicazione dello sforzo:
  • Tixotropici
  • Reopectici

Plasticità

È una caratteristica di fluidi non ideali, quando per causare lo scorrimento di questi, occorre applicare un certo quantitativo di sforzo noto come “forza di snervamento” o “yeld stress”. Ovvero è l’intensità di forza che occorre applicare prima che il fluido inizi a scorrere. Il punto in cui il fluido inizia a scorrere viene chiamato “yeld point”.

Lo yeld point è caratteristico di ogni alimento ed deve essere misurabile. Questa caratteristica è tipica di fluidi come il ketchup, la maionese, i concentrati di pomodoro, i concentrati di succhi di frutta, … Questi fluidi possiedono una viscosità detta “apparente”, poiché successivamente la viscosità cambierà a seconda delle caratteristiche del fluido. Mettendo un grafico che mostra l’andamento di shear stress in funzione di shear rate, ovviamente questo non inizierà dall’origine.

Pseudoplasticità

Rappresenta la categoria più estesa di alimenti. Questi fluidi sono caratterizzati dalla diminuzione della viscosità apparente all’aumentare dello sforzo applicato. Analogamente lo shear stress aumenterà fino ad un plateau, dove aumentando la velocità di taglio non aumenterà lo sforzo di taglio. Questo è dato dalla componente molecolare e fisica dell’alimento. In condizioni statiche, le molecole sono disposte in modo disordinato, l’applicazione di uno sforzo, causa un ordine tra queste molecole, le quali si sistemeranno opponendosi allo sforzo in maniera sempre meno intensa. Al termine di applicazione dello sforzo le molecole si scontreranno le une con le altre andando a ridisporsi in stato disordinato. Nel momento in cui si inizia ad applicare lo sforzo, lo scorrimento avviene più velocemente (e quindi anche la viscosità apparente diminuisce). Questa categoria di fluidi è tipica di sospensioni, emulsioni e dispersioni (ad esempio il ketchup in barattolo di plastica squeezing).

Fluidi dilatanti

Per questi fluidi la viscosità apparente aumenta all’aumentare dello sforzo di taglio applicato. Arrivati ad un certo punto, pur aumentando shear stress, shear rate non aumenterà. Questa categoria è tipica di fluidi alimentari che cambiano le loro caratteristiche, come ad esempio gli impasti. All’inizio, prima dell’impastamento, si ha acqua con farina disciolta. Andando ad applicare uno sforzo (di impastamento) si formeranno sempre più legami (glutine) aumentando sempre di più la viscosità dell’impasto. Questa caratteristica è tipica anche di fluidi con una elevata percentuale di solidi insolubili (acqua ed amido di mais a freddo).

Fluidi tempo-dipendenti

Queste categorie che sono state analizzate, sono categorie di fluidi definiti “tempo-indipendenti”, ovvero sono caratterizzate da proprietà che non variano al variare del tempo di applicazione. I fluidi, invece, tempo-dipendenti, sono quelli definiti tixotropici e reopectici.

Tixotropici

Sono fluidi per i quali all’aumentare del tempo di applicazione di shear stress a shear rate costante, la viscosità apparente diminuisce. Questa operazione può essere reversibile o meno, ovvero nel momento in cui si smette di applicare lo sforzo, la viscosità apparente può tornare alla viscosità caratteristica dell’alimento in condizioni statiche. La maggior parte delle creme a base di amidi vengono rappresentate da questa categoria di fluidi (pasticciera, crema al cioccolato).

Reopectici

Sono fluidi per i quali all’aumentare del tempo di applicazione dello sforzo shear stress a shear rate costante, la viscosità apparente aumenta. Anche in questo caso l’operazione può essere reversibile o meno. Non è molto rappresentata questa categoria nel mondo degli alimenti, se non ad esempio per la panna montata o per creme in cottura (dove però l’effetto non è dato dal tempo ma dalla temperatura) costituite da amidi pre-gelatinizzati (ad esempio la gomma di xanthano).

Equazione generale della viscosità

È possibile descrivere tutti i comportamenti descritti in precedenza, attraverso l’utilizzo di una equazione universale, definita equazione generale della viscosità:

n=K +σ γ σ 0σ

Dice, in pratica, che lo sforzo applicato (σ) è uguale all’indice di consistenza K (tipico per tutti i fluidi, e per i fluidi newtoniani è rappresentato dalla viscosità) per lo shear rate applicato elevato alla n, che è l’indice di pseudo-plasticità tipico dell’alimento. Nel caso in cui ci sia la presenza di uno yeld stress, questo dovrà essere sommato all’equazione.

Test di analisi per materiali viscosi

I test di analisi, in reologia, vengono generalmente definiti:

• Fondamentali: utilizzati per caratterizzare parametri e caratteristiche intrinseche dell’alimento in modo prettamente scientifico. Questi test si servono di materiali (generalmente elettronici) molto costosi. Raramente si trovano questi strumenti in laboratori di industrie alimentari (se non in industrie molto grosse) e vengono più utilizzati per la ricerca.
• Empirici: sono sicuramente i test più utilizzati, e vanno a misurare caratteristiche dell’alimento non del tutto definite. Generalmente misurano il grado di scorrimento o il tempo di caduta. I materiali utilizzati sono molto semplici e reperibili a basso costo. Inoltre, danno la possibilità di potersi inventare metodi innovativi e nuovi. Si cerca, quindi, di andare a misurare una certa ripetibilità di una caratteristica dell’alimento ottenuto a qualità elevata. Ad esempio, uno dei test utilizzati è quello attraverso il viscosimetro capillare, questo strumento viene utilizzato andando ad aspirare una parte di fluido da una parte dell’apertura, e misurando il tempo che questo ci mette a svuotare un’ampollina data, sotto l’effetto della gravità. Supponiamo che in fase di sperimentazione del mio prodotto “succo al gelsomino” ottenga una qualità soddisfacente; misuro quindi il tempo di scorrimento del mio prodotto a qualità elevata e lo archivio. Nelle fasi successive di sperimentazione, si effettueranno delle analisi randomizzate al prodotto nelle medesime condizioni, ed il tempo impiegato deve essere uguale a quello dello standard testato. Esiste un’equazione, definita “equazione di Poiseuille” per correlare il tempo con la viscosità dell’alimento, dove η=C δt ovvero la viscosità è data da C che è una costante specifica dello strumento, per la densità ed il tempo di caduta (espresso in secondi). Questi test non sono applicabili per fluidi eccessivamente densi.

Tipi di viscosimetri

• Viscosimetro capillare
• Viscosimetro ad orifizio: sono viscosimetri utilizzati per la maggior parte in pasticcerie o laboratori alimentari di piccole dimensioni. Si va a misurare la capacità di scendere del fluido da una tazza a volume costante, attraverso un orifizio tarato monitorando il tempo impiegato. Questi test sono poco precisi ed assolutamente empirici, ma danno la possibilità di monitorare in maniera pressappochista la viscosità degli alimenti in maniera rapida, economica ed efficace.
• Viscosimetri rotazionali: questi viscosimetri sono piuttosto precisi e vengono utilizzati attraverso delle macchine elettroniche, in grado di lavorare a shear stress e shear rate costanti. Questi macchinari sono in grado di dare l’indicazione della forza di attrito del fluido sulle sonde, le quali possono essere diverse: a cilindri coassali (dove l’alimento viene inserito all’interno di un contenitore ed una sonda cilindrica viene immersa all’interno a contatto con l’alimento e viene fatta ruotare), conica (la sonda conica viene messa a contatto con l’alimento) o piatti (dove una sonda piatta viene messa a leggero contatto con la superficie di un quantitativo di fluido dato). Una volta ottenuti i risultati dal macchinario, occorre metterli dentro un’equazione per ricavare la viscosità: η=(CΩ )/ω dove C è una costante data dal macchinario, omega maiuscolo è il momento di torsione dello strumento e omega minuscolo è la velocità angolare. Questo viscosimetro lavora a shear rate e shear stress costanti (quindi non permette di misurare i cambiamenti di viscosità), tuttavia permette di misurare le proprietà di fluidi tempo-dipendenti.
• Viscosimetri a sfera: questi viscosimetri sfruttano la forza di gravità per far cadere una sfera a raggio, densità e peso dato attraverso un fluido posto in un cilindro graduato. Si va a misurare il tempo di caduta dato dalla frizione della sfera sulle pareti con il fluido e la distanza alla quale la sfera si ferma data dalla differenza di densità (letta sulle tacche del cilindro). Anche in questo caso, successivamente, si va ad inserire i dati ottenuti all’interno di un’equazione: η=1/18
• Brookfield: è sicuramente uno tra gli strumenti per l’effettuazione di test empirici più utilizzato e conosciuto. Questo strumento possiede diverse sonde, ed è in grado di lavorare per tempo, shear stress e shear rate.