Tecnologia della formulazione dei prodotti alimentari

Tecnologia della formulazione dei prodotti alimentari

Introduzione

Il prodotto alimentare è l’intersezione di due ambienti distinti: l’azienda alimentare, con i suoi

obiettivi, necessità e le sue modalità di gestione e il processo, che ha degli obiettivi tecnologici,

specifiche modalità di gestione e necessità di una funzionalità efficiente. Quindi il prodotto

alimentare non è un’unità a sé stante ma è frutto di un sistema che ha obiettivi e necessità

specifiche. Il prodotto alimentare viene normalmente studiato e valutato con una serie di

competenze molto varie che vanno dalla chimica, biochimica, alla microbiologia, igiene,

tossicologia, allo studio delle qualità sensoriali, legislazione e nutrizione. Tutti questi aspetti e

competenze sono generalmente tipiche della scienza e tecnologia degli alimenti. Nella visione

tradizionale manca l’attenzione alla tecnologia della formulazione, perché questa è una disciplina

scientifica multidisciplinare che si sviluppa attingendo competenze conoscitive, modalità di

operazione e attuazione di soluzioni pratiche per la produzione di un prodotto, da diverse

discipline.

È importante per le aziende alimentari la formulazione degli alimenti. L’attività si realizza a due

livelli:

aziende di grandi dimensioni, hanno un capitale che gli permettere di avere una sezione di

• ricerca e sviluppo, quindi affrontare la formulazione con attenzione quasi come quella di una

ricerca. Sulla base delle informazioni di conoscenza sul tema della formulazione arrivano a

risolvere le richieste dei clienti per particolari formulazioni, che possono essere nuove oppure

già esistenti;

aziende di piccole dimensioni, hanno un piccolo capitale, quindi l’azienda non vuole rischiare

• nell’innovazione. Il compito dei tecnologi alimentari in questo caso è aiutare le piccole aziende

con soluzioni pratiche a basso rischio.

Quando si parla di formulazione e innovazione o di interventi legati alla formulazione del prodotto

processo,

alimentare occorre pensare alla fase di perché le formulazioni non sono ricette e sono

pensate in funzione della storia tecnologica che avviene durante un processo alimentare. Le storie

tecnologiche sono varie ed è difficile schematizzarle. In tutti i processi i materiali possono essere

sottoposti a stress chimici, meccanici, termici, di pressione, possono variare le condizioni

ambientali come il pH, quindi il formulatore alimentare studia gli ingredienti e gli elementi del

prodotto basandosi sulla conoscenza del processo.

La food science and technology si basa sull'interazione tra:

elementi tipici dell’azienda, che riguardano l’economia dell’unità produttiva, la gestione

• manageriale, i sistemi di qualità e il marketing (importante interfaccia tra la compagnia e chi

studia il processo e il prodotto);

prodotto

elementi tipici del in cui rientrano la legislazione alimentare, gli elementi di nutrizione,

• la qualità sensoriale (percepita/apprezzabile dal consumatore), elementi di base di chimica e

biochimica, elementi di base di microbiologia e igiene, la tossicologia degli alimenti;

processo,

elementi tipici del studiare un processo significa studiare i fenomeni di trasporto (di

• calore e di massa), le operazioni unitarie, il flow-sheet dei vari processi, le biotecnologie, il

controllo di processo, la gestione del processo e l’ingegneria di processo.

Noi ci troviamo tra processo e prodotto.

Passaggi che portano alla realizzazione di un prodotto con elevato valore aggiunto

Idea,

1. identificata nella maggior parte dei casi dal settore del

marketing, ma anche dal settore dell’ingegneria di prodotto. La continua collaborazione tra

L’idea viene pre-discussa con la parte commerciale formulatori e processisti è

dell’azienda e i buyer; basata su regole non solo

Sviluppo e perfezionamento della formulazione,

2. che chimiche e biochimiche ma

consiste anche in un’indagine sui consumatori e sulla anche di tecnologia delle

posizione dei competitor di mercato rispetto a questa idea, formulazioni, disciplina che ha

che permette di comprendere il range di ingredienti e le basi in aspetti chimici,

condizioni nei quali operare; biochimici e fisici. Il tecnologo

Creazione della formulazione e perfezionamento del

3. della formulazione ha

processo, i formulatori identificano gli ingredienti critici e competenze chimiche,

particolari per la nuova formulazione e i tecnologi conducono biochimiche e fisiche.

Introduzione 1

una serie di prove tecnologiche preliminari per verificare la corrispondenza tra il processo e il

prodotto;

Perfezionamento della formulazione,

4. si conducono dei test sul prototipo del prodotto in

particolare test sulla shelf-life dal punto di vista della sicurezza e dal punto di vista sensoriale.

Sulla base dei risultati dei test le formulazioni potrebbero essere modificate e i processi

ridisegnati;

Finalizzazione del prodotto,

5. la formulazione viene valutata su scala di processo e si

svolgono le analisi HACCP e le analisi di rischio del processo. Viene controllata la

corrispondenza alle normative di mercato e di etichettatura;

Introduzione sul mercato,

6. il prodotto è predisposto alla vendita, viene immesso in una

piccola popolazione e se il feedback è positivo si ingrandisce sempre di più la scala.

Gelato industriale

Il gelato industriale è un prodotto complesso, composto da un sistema in cui coesistono una fase

solida e una gassosa (aria). Il grado di cristallinità percepito e la cremosità sono i due parametri

che differenziano il gelato che verrà posizionato a livello di marketing a diversi livelli sul mercato.

temperatura di melting temperatura di

La dimensione dei cristalli di grasso dipende dalla e dalla

transizione vetrosa. La formulazione di questa preparazione alimentare può aiutare a gestire i

rischi riguardanti le proprietà elencate precedentemente, dipendenti dalla dimensione eccessiva

dei cristalli di ghiaccio. Per gestire la temperatura di transizione vetrosa e la temperatura di

melting si interviene sui componenti del sistema disperso. La ragione di scegliere uno zucchero

come glicerolo piuttosto che saccarosio, oppure uno zucchero a stato cristallino o sciroppo, o

scegliere una materia grassa opportuna dipende dall’abbassamento della temperatura e dalla

stabilizzazione della massa congelata al di sotto della temperatura di transizione vetrosa.

Etichette dei gelati e innovazione tecnologica

I gelati sono caratterizzati da etichette lunghe, i molti ingredienti permettono il raggiungimento di

standard sensoriali apprezzati dal consumatore. Se un’etichetta è corta il consumatore percepisce

l’utilizzo di ingredienti di base che non sono troppo processati. L’etichetta lunga mostra che

questa preparazione alimentare (il gelato) è caratterizzata dalla presenza di molti ingredienti che

ne permettono la vendita nel lungo tempo (es. conservanti, emulsionanti e stabilizzanti).

La formulazione di un gelato destinato al mercato italiano e di uno destinato al mercato USA è

differente, le etichette sono differenti e gli ingredienti sono scritti in un ordine diverso. In funzione

del mercato, dell’obiettivo finale e delle proprietà macroscopiche apprezzate dal consumatore si

hanno ingredienti diversi. Gli ingredienti servono per gestire: i parametri di quantità di aria

inglobata nel sistema, la dimensione dei cristalli di ghiaccio e la texture del prodotto. Ogni

ingrediente ha un ruolo ben preciso. In funzione di un’esigenza di marketing cambia la

formulazione (ingredienti diversi e quantità di additivi differente) ma il prodotto è sempre gelato.

Tutte queste differenze portano ad una storia tecnologica diversa, perché diversa è la

formulazione del prodotto, cioè della miscela fresca, quindi è diversa la preparazione della

miscela nel tempo, la maturazione e il freezing. I gelati formulati con emulsificanti scelti in modo

opportuno hanno un comportamento in freezing adeguato che portano ad un prodotto gradito.

Innovazione tecnologica gelato è avvenuta grazie a due innovazioni:

sostituzione dei maturatori classici con maturatori in continuo, sono estrusori con

• coibentazione, che permettono il passaggio della miscela gelato a gelato, ne permettono la

maturazione. A causa di questa modificazione nel processo, c’è stata una modificazione nella

formulazione del gelato, in particolare sono cambiati gli ingredienti secondari (idrocolloidi,

stabilizzanti, emulsionanti). Questa modifica è servita per adeguare la miscela gelato ai nuovi

stress meccanici e termici, pur mantenendo una stabilizzazione della fase gassosa all’interno

della matrice, stabilità garantita dalla presenza di emulsionanti e stabilizzanti;

stampa 3D del gelato, ha avuto poco successo a livello di produzione di gelato artigianale,

• mentre ne ha avuto molto nel caso del gelato industriale. La stampa lascia libera la fantasia nella

forma del gelato finale. La stampa 3D deve essere effettuata con un fluido refrigerante e il

con trafila,

principio è quello dell’estrusione che dà

forme particolari. Quando i formulatori hanno dovuto Le formulazioni variano al variare del

affrontare la produzione di questo tipo di gelato hanno processo produttivo che porta alla

dovuto cambiare completamente la formulazione, formazione del prodotto

curando la viscosità della miscela. Introduzione 2

Etichette prodotti liofilizzati

I prodotti liofilizzati sono caratterizzati da etichettature più corte rispetto a quelle del gelato. Negli

ingredienti si può notare l’utilizzo di additivi che soddisfano le esigenze funzionali del prodotto

(modifica della struttura o della viscosità).

sublimazione dell’acqua che da liquido viene portata allo stato

La liofilizzazione è basata sulla

vapore. camera di sublimazione camera

Un freez dryer (liofilizzatore) presenta una a cui è collegata una

di condensazione, pompa da vuoto

che è la camera a cui è collegata la ed è la parte

dell’impianto che serve per allontanare l’acqua che libera il prodotto. I parametri di controllo sono

pressione e temperatura. I liofilizzatori possono essere di piccole dimensioni o molto grandi

(industriali). tre fasi:

La liofilizzazione avviene in

fase di congelamento, avviene a pressione costante e in circa 2 h, la temperatura viene

• abbassata al di sotto dei 40°C, punto più critico del sistema;

fase di essiccamento primario, per sublimazione, viene effettuata tramite un abbassamento

• della pressione drastico, fino a 10 atm, e un innalzamento della temperatura. In questa fase

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sublima il 70-80% dell’acqua presente nel prodotto, rimane nel prodotto però una percentuale

di acqua troppo elevata, quindi serve un ulteriore allontamento;

fase di essiccamento secondario, avviene l’evaporazione

• Il packaging di questi prodotti

dell’acqua per riscaldamento del prodotto e dura 3-12h, la sono materiali multiaccoppiati,

pressione si abbassa ulteriormente. In questa fase avviene il presentano una barriera al

deassorbimento dell’acqua non congelabile (10-30%). Il vapore d’acqua che impedisce

contenuto finale di acqua è del 4-5%, in modo tale che il il reidratamento del prodotto.

prodotto sia il più stabile possibile.

Un aspetto importante nei prodotti liofilizzati, essendo formati da varie fasi, è il punto eutettico.

Una miscela di diversi ingredienti ha punti eutettici diversi l’uno dall’altro. L’eutettico che si forma

a più bassa temperatura determina la temperatura di completa solidificazione (T ): è al di sotto di

cs

essa che il prodotto deve essere congelato per essere sicuri che la massa sia completamente

solidificata. Per aumentare la temperatura del punto eutettico che si forma a più bassa

temperatura si aggiungono degli additivi, per diminuire il costo del processo. Perciò la scelta di

formulazione di un prodotto liofilizzato è dettata da requisiti sensoriali ma anche da requisiti che

soddisfino la liofilizzazione.

La liofilizzazione è una tecnica di essiccamento molto apprezzata poiché il danno termico è

contenuto, però il suo costo è elevato quindi non sempre si utilizza questa tecnica per

l’essiccamento.

Il tecnologo della formulazione deve studiare il prodotto prendendo in considerazione il processo

e le caratteristiche che il prodotto finale dovrà avere. La disciplina “Food Technology” può essere

rappresentata da una piramide con alla base la tecnologia di processo, con al centro l’analisi del

prodotto e al vertice la formulazione (con la quale si ha lo sviluppo di un linguaggio comune).

Introduzione 3

La tecnologia della formulazione è una disciplina emergente, presente in diverse tipologie di

industrie e applicazioni, come nel cosmetico, nella produzione di detergenti e coating. Nel campo

alimentare si occupa di tutti i prodotti, di diverso genere come sospensioni, emulsioni, micro-

emulsioni, preparazioni come micro-capsule.

Introduzione 4

Ingredienti

sostanza che forma parte di una dispersione.

L’ingrediente è una Gli alimenti possono essere

quindi definiti delle dispersioni dal punto di vista fisico. In funzione degli ingredienti presenti in un

prodotto gli alimenti si distinguono in:

alimenti generici, senza particolari claim;

• alimenti con finalità salutistiche, presentano in etichettatura claim specifici:

• di funzionalità, a basso contenuto di lipidi, a basso contenuto calorico, o la loro assenza;

• nutrizionali;

• fortificati, con il 10% o più di un particolare nutriente con finalità diverse da quelle di fornire

• energia.

Esistono prodotti che si interfacciano con il mondo “food” e farmaceutico, come i prodotti

ottenuti isolando, delle

nutraceutici. Essi non sono alimenti, sono da matrici alimentari,

componenti specifiche con valenze per la salute e commercializzate in forma pura.

Le etichettature sono diventate specifiche per informare il consumatore del vantaggio specifico

che presenta il prodotto. alimenti con aumentati benefici di tipo

La classe degli alimenti funzionali è rappresentata da

salutistico, promuovono il benessere o prevengono patologie. Sono una classe di alimenti

molto complessa in cui si trovano:

alimenti naturali, es. carote;

• alimenti processati integrati con componenti a buona finalità salutistica, es. yogurt arricchiti

• in calcio;

alimenti composti da materie prime che sono state prodotte in modo tale da avere livelli

• elevati di un determinato componente con finalità salutistiche, es. pomodori con alto livello di

licopene, isoflavoni dalla soia. Ingredienti funzionali

esprimono una funzionalità fisica all’interno di

Gli ingredienti funzionali sono ingredienti che

una matrice alimentare. Molti degli alimenti contengono componenti naturali che hanno una

funzionalità fisica (componenti emulsificanti o idrocolloidi), però non sono sufficienti. Si utilizzano

quindi altre sostanze, definite come ingredienti secondari, che coprono funzionalità necessarie

come:

Coloring and color stability

• Flavoring

• Meat extension

• Fat reduction or replacement

• Emulsion stability

• Gelling properties

• Texture improvement

• Yield optimization and syneresis control

• Water activity

• Freeze / Thaw stability

• Health promoting functionality

• presenti in basse quantità, hanno una buona

Questi ingredienti, definiti additivi alimentari, sono

sinergia e contribuiscono al raggiungimento della funzionalità del prodotto. Gli additivi

sostanze aggiunte intenzionalmente per svolgere specifici ruoli

alimentari sono in un alimento

tecnologici legati a proprietà sensoriali, come il colore del prodotto o la texture, oppure

possono servire per funzioni come la prevenzione della degradazione, la diminuzione

dell’ossidazione lipidica. Gli additivi devono essere ammessi dalla CE e valutati da una

categorizzati e

commissione prima di essere commercializzati. Gli additivi sono quindi

identificati secondo due metodi:

seguita da un numero

“E” (codice europeo), il numero identifica la classe tecnologica

• dell’additivo;

nome specifico.

•

Esempio: gomma di xantano, può essere ritrovata in etichetta come E415 o con il suo nome. I

produttori spesso giocano sulla possibilità di duplice identificazione.

Introduzione 5

I ruoli tecnologici primari degli additivi sono quelli di:

conservante;

• antiossidante;

• Sono funzionalità di tipo fisico

agente ispessente;

• e chimico.

colorante;

• stabilizzante.

• Schiuma della birra

dispersione di aria in un liquido.

La schiuma è una È gradito al consumatore di birra avere una

schiuma persistente. È necessario quindi ottenere un prodotto con molta schiuma, stabile nel

tempo.

La schiuma, in una scala nanoscopica, si presenta come pareti di bolle di aria che sono separate

da un liquido intermedio. Si osserva un sottile film che si interfaccia tra aria e liquido composto da

molecole in grado di stabilizzare le due fasi a contatto.

Per ottenere una schiuma di grande volume e persistente è necessario studiare la stabilità

dell’interfaccia e la presenza in grande quantità dell’agente di superficie emulsionante. La birra

non contiene additivi, quindi il ruolo di stabilizzante della schiuma è dato da molecole

naturalmente presenti nella birra, le proteine. Queste proteine interagiscono con i lipidi polari

presenti nel sistema e stabilizzano il film all’interfaccia.

Additivi che svolgono un ruolo di rottura dell’interfaccia, sono molecole che vengono adsorbite

dalla superficie di interfaccia e annullano il ruolo delle molecole con attiv