Tecnologia della formulazione dei prodotti alimentari

Tecnologia della formulazione dei prodotti alimentari

Introduzione

Il tema del corso è il prodotto alimentare, che è l'intersezione di due ambienti: l'azienda alimentare con i suoi obiettivi, necessità e modalità di gestione e, dall'altra parte, il processo che ha obiettivi tecnologici e necessità di un'efficiente funzionalità. L'intersezione tra azienda e processo è il prodotto alimentare, che non è un'unità a sé stante ma il frutto di un sistema che ha obiettivi specifici.

Formulazione degli alimenti a due livelli

Molte aziende alimentari pongono molta attenzione alla formulazione degli alimenti e l'attività può essere realizzata a due livelli:

• A un livello si ha l'azienda di una certa dimensione, che possiede una sezione di ricerca e sviluppo insieme a una tecnologia di formulazione con un’attenzione di tipo di ricerca; sulla base delle informazioni di conoscenza sul tema si arriva a risolvere le richieste dei clienti per particolari formulazioni nuove o riformulate.
• Molte volte le aziende sono però di più piccole dimensioni e minore è il capitale tanto più l'azienda non rischia nell'innovazione e quindi le persone che vi lavorano hanno possibilità di emergere quanto più possono aiutare l'azienda a non sbagliare.

In entrambi i casi, quando si parla di formulazione e innovazione, occorre passare anche alla fase di processo, perché le formulazioni non sono ricette ma sono pensate anche in funzione della storia tecnologica che avviene durante un processo alimentare. Le storie possono essere varie e in tutti i processi i materiali possono essere sottoposti a stress meccanici, chimici, termici, pressioni e quindi bisogna ragionare sugli ingredienti ma avendo anche la conoscenza del processo.

L'interazione tra elementi tipici dell'azienda, del prodotto e del processo

Questo vuol dire avere un'interazione tra elementi tipici dell'azienda, del prodotto e del processo ottenendo varie ramificazioni. I vertici del triangolo nella food science technology sono:

• I fattori dell'azienda, quindi l'economia produttiva, la gestione manageriale, i sistemi di gestione della qualità e il marketing.
• Lo studio del prodotto, che è un ambito dove entrano tante componenti come la legislazione alimentare, gli elementi di nutrizione, la qualità sensoriale percepita dal consumatore ed elementi di base come la chimica degli alimenti, la biochimica, la microbiologia, l'igiene, la tossicologia.
• Il processo con strumenti che trattano i fenomeni di trasporto, le operazioni unitarie, il flow-sheet, le biotecnologie, il controllo e la gestione del processo e l'ingegneria di processo.

Competenze nella scienza e tecnologia degli alimenti

Il prodotto alimentare viene studiato con una serie di competenze molto varie che vanno dalla biochimica, microbiologia, tossicologico, nutrizione, aspetto sensoriale, legislazione e tutti questi aspetti sono tipici della scienza e tecnologia degli alimenti. Manca l'attenzione alla tecnologia della formulazione, che è un approccio multidisciplinare che si sviluppa attingendo conoscenze e modalità di attuazione e soluzioni pratiche che coprono tante competenze.

Il corso si colloca tra processo e prodotto in quanto non si può formulare un prodotto senza conoscere il processo a cui andrà incontro. Si ottiene così un prodotto con elevato valore aggiunto e con una storia che viene divisa in fasi consolidate; bisogna arrivare alla realizzazione del prodotto con step di indagine/ricerca sull'idea identificata dal marketing (90% dei casi) che viene pre-discussa con la parte commerciale dell'azienda.

Fasi di indagine e sviluppo del prodotto

Il primo momento di indagine prevede di conoscere la posizione dei consumatori e vedere le posizioni dei competitor sviluppando e disegnando una formulazione (recipe); si ha una prima bozza di sviluppo e delineazione della ricetta. Poi si ha una fase creativa, quindi si ha un’idea che si vuole creare, si è fatto uno studio che dà un range di ingredienti e di condizioni mettendo a punto la formulazione e si disegna anche il processo. C'è una grossa attività dei formulatori che devono identificare degli ingredienti critici e particolari e un'attività del tecnologo che fa una serie di prove preliminari per vedere la linea continua tra processo e prodotto.

La fase successiva è di rifinitura con la formulazione e il processo adatto per lavorare gli ingredienti; si ha un prototipo di prodotto che deve essere testato per la shelf-life dal punto di vista della sicurezza, del profilo sensoriale e sulla base dei risultati le formulazioni possono essere modificate e i processi ridisegnati. Finisce il lavoro del tecnologo della formulazione perché si ha identificazione della formulazione che viene valutata sulla scala di processo e poi si fanno tutte le analisi HACCP e di process risk analysis; avendo una fase consolidata di prodotto c'è anche la necessità di predisporre il prodotto alla vendita quindi si fa riferimento alle normative e all'etichettatura. Si ha poi l'ingresso sul mercato prima in mercati ristretti e poi si ingrandisce l'area commerciale.

Il ruolo del tecnologo della formulazione

Il tecnologo della formulazione va dall'idea del prodotto fino all'industrializzazione con un ciclo continuo con diverse prove; le prove si possono fare in realtà produttive che non hanno la possibilità di investire in personale dedicato alla ricerca e sviluppo. Sono tutte fasi necessarie per la formulazione di un alimento, il corso si concentra sulla fase di ideazione del prodotto; il tecnologo deve collaborare con chi ha l'idea e chi poi la realizza, è una figura di connessione e per questo ha competenze chimiche, biochimiche e fisiche.

Esempi pratici: Il gelato e i prodotti liofilizzati

È assolutamente impensabile pensare alla formulazione di un prodotto senza pensare al processo di trasformazione delle materie prime in prodotto finito; bisogna pensare sempre a un triangolo in cui sono presenti il processo, la formulazione e le proprietà del prodotto che vogliono essere raggiunte. Ad esempio, il gelato industriale è un sistema complesso con una fase solida e aria (pari a circa il 70%); ci sono delle problematiche delicate legate alla qualità finale del prodotto che viene percepito sulla base di due parametri collegati fra di loro, ovvero il grado di cristallinità percepito in bocca e la cremosità, facendo sì che il gelato venga posizionato a livello di marketing su tanti livelli nel mercato (domestico, industriale, artigianale, parametri molto differenti).

La dimensione dei cristalli di ghiaccio dipende dalla temperatura di transizione vetrosa legata a concentrazione dei polimeri ed è molto critica; la formulazione può aiutare a gestire i rischi per la qualità che dipendono dalla dimensione eccessiva dei cristalli di ghiaccio. Per intervenire sulla temperatura di transazione vetrosa si gestiscono i componenti del sistema e la ragione di scegliere il tipo di zucchero (saccarosio/glucosio) e la materia grassa opportuna dipende dall'abbassamento della temperatura e dalla stabilizzazione della massa.

Il mercato va verso le clean label, quindi verso le etichette corte, perché comportano l'idea che si abbiano meno ingredienti aggiuntivi rispetto a quelli di base (più processato); in un'etichetta lunga ci sono ingredienti in ordine di peso e alla fine emulsionanti, conservanti e stabilizzanti. L'ingredientistica di un gelato è lunga e complessa per soddisfare le necessità tecnologiche e per offrire un prodotto con standard sensoriali apprezzabili; ci sono due tipi di etichette e si vede che dopo gli ingredienti primari le etichettature lunghe si differenziano per gli ingredienti complementari che sono fondamentali per la stabilità del prodotto.

Innovazioni di processo e formulazione

Quando si propone un'innovazione di processo, la formulazione deve adattarsi alle nuove esigenze di processo, come la sostituzione dei maturatori con un processo con una sorta di estrusore refrigerato che consente lo sviluppo della fase cristallina. Per adattarsi allo sviluppo di questa nuova soluzione di processo, c'è stata una forte modificazione della formulazione del gelato per gli ingredienti secondari come gli idrocolloidi, gli stabilizzanti e gli emulsionati che sono presenti in quantità e tipologia diversa a seconda della tecnologia.

Con l'innovazione di processo ci sono state modifiche a livello di quantità e qualità degli idrocolloidi e stabilizzanti per adeguare la matrice gelato ai nuovi stress meccanici e termici mantenendo una buona stabilizzazione della fase gas all'interno della matrice ghiaccio. Non è indifferente aggiungere questi additivi in situazioni tecnologiche diverse, quindi si è adattata la formulazione alle nuove condizioni di stress termico e meccanico.

La formulazione è molto diversa tra un gelato italiano rispetto a quello statunitense, le etichette sono diverse, l'ordine degli ingredienti è diverso: quello americano è molto più ricco di grasso e in funzione dell'obiettivo finale di proprietà macroscopica apprezzata si hanno ingredienti nettamente diversi che servono per gestire i due parametri di quantità di aria inglobata nel sistema e di dimensione dei cristalli di ghiaccio e quindi la texture del prodotto. Ognuno degli ingredienti ha un ruolo più che specifico.

Formulazioni e marketing

L’esigenza di marketing può cambiare la formulazione del prodotto, come ad esempio accade nella richiesta di un gelato vegano; le quantità utilizzate e la scelta degli additivi utilizzati possono essere diverse. Le formulazioni portano a una storia tecnologica diversa in quanto si ha una diversa situazione della molecola fresca omogeneizzata, la maturazione e il comportamento durante il freezing. Si gioca su diversi elementi e la scelta degli additivi porta a caratteristiche diverse più o meno apprezzate dal consumatore.

Innovazione tecnologica del gelato

L'innovazione tecnologica del gelato si è avuta con due innovazioni: una prevede di sostituire i maturatori classici ad armadio con maturatori in continuo con estrusori muniti di coclea in cui la miscela viene portata alla struttura del gelato; l'altra prevede di fare il gelato con una stampa 3D, la quale ha poco successo a livello della produzione del gelato artigianale perché permette di avere fantasia nella formulazione del formato finale, quindi ha molto senso nel gelato industriale dove si hanno diverse geometrie artistiche.

Lo sviluppo delle stampanti 3D per la produzione domestica non ha successo, il quale si ha invece in ambito industriale; quando i formulatori hanno dovuto affrontare la produzione con le stampanti 3D hanno però dovuto cambiare completamente la formulazione del gelato.

Per produrre una particolare tipologia di prodotto con un metodo preciso bisogna modificare e controllare la formulazione per ottenere le caratteristiche desiderate. Alle necessità nuove delle tecnologie di produzione bisogna avere adeguate tecnologie di formulazione per ottenere la cremosità ed evitare la rugosità; bisogna legare il concetto di formulazione al processo di produzione e alle performance del prodotto finale che sono gli obiettivi.

Liofilizzazione e controllo del processo

Un altro esempio sono i prodotti liofilizzati come le creme di verdura, che sono delle preparazioni con un’etichettatura più corta dove si ha la presenza di additivi e ingredienti secondari che garantiscono esigenze funzionali del prodotto; modificando la viscosità di una crema di verdure si ha una percezione sensoriale diversa. La presenza di alcuni additivi non è però solo legata a necessità di tipo sensoriali, ma anche di tipo di processo perché il controllo della cristallizzazione dell’acqua è controllata dalla presenza di ingredienti che possono influenzare la temperatura eutettica. Questa è la temperatura più bassa alla quale si completa la solidificazione.

Alcuni ingredienti soddisfano necessità tecnologiche di controllo di fasi importanti di processo, in questo caso quella di sottoraffreddamento per completare la fase di solidificazione dell’acqua nel prodotto. La liofilizzazione è basata sulla sublimazione dell'acqua che viene portata da uno stato liquido a quello vapore. In particolare, prima l’acqua dallo stato liquido viene portata allo stato solido senza variazione di pressione; successivamente si abbassa drasticamente la pressione e si alza la temperatura per consentire il passaggio allo stato di vapore quindi l’acqua abbandona il prodotto per sublimazione.

Si utilizza il liofilizzatore che è caratterizzato da una camera di sublimazione a cui è collegata la camera di condensazione con una pompa da vuoto, la quale è la parte di impianto che serve per allontanare l’acqua che si libera dal prodotto; si controllano la pressione e la temperatura. Prima si ha il congelamento, poi il primo allontanamento dell’acqua per sublimazione del solvente per circa il 70% e l’acqua che rimane è quella non congelabile quindi si ha una seconda fase di allontanamento di acqua per evaporazione con aria calda. Rimane così circa il 4-5% di acqua che è quella di idratazione e dei legami ioni-dipolo; ecco perché si hanno packaging multi-accoppiati con un’elevata barriera al vapore acqueo.

Nella prima fase di congelamento la pressione è costante, la temperatura diminuisce e ha una durata di circa 2 ore, l’acqua diventa ghiaccio; nella seconda fase si abbassa la pressione in modo drastico in 10 ore allontanando per sublimazione l’acqua e la temperatura sale di poco; nella terza fase si ha l’essiccamento con una durata da 3 a 12 ore scaldando il prodotto e la pressione diminuisce ulteriormente.

Considerazioni sulla formulazione e il processo

Le decisioni di formulazione non sono legate solo all’aspetto sensoriale ma il prodotto complesso è formato da tante fasi con punti eutettici diversi e si prende in considerazione l’eutettico che si forma alla temperatura più bassa di solidificazione, che si raggiunge con un sotto-raffreddamento per avere la certezza che la massa sia solidificata. I prodotti che devono essere liofilizzati sono generalmente una miscela di soluzioni e di sospensioni colloidali e presentano una serie di eutettici parziali. L’eutettico che si forma a più bassa temperatura determina la T di completa solidificazione (Tcs): è al di sotto di essa che il prodotto deve essere congelato per essere sicuri che la massa sia completamente solidificata. Con l’utilizzo di additivi si può alzare il punto eutettico e far costare di meno il processo; quando si sceglie la formulazione di un prodotto liofilizzato si guardano quindi i requisiti sensoriali ma anche i requisiti che garantiscano una buona gestione della liofilizzazione, ovvero si guarda il processo.

Il tecnologo ragiona pensando al processo e alle prestazioni finali del prodotto; il compito dei tecnologici della formulazione è molto strategico. Il mondo della tecnologia alimentare può essere visto come un triangolo: la base è la fascia della tecnologia della produzione che è una funzione aziendale collegata strettamente con il vertice che è la fase di competenza di tecnologia della formulazione. In mezzo c’è la fascia degli analisti che svolgono una funzione di analisi di prodotto finito e in linea di processo. Il legame più forte deve essere fatto con chi sta in produzione quindi con i tecnologici e ingegneri di processo.

Disciplina emergente: formulazione degli alimenti

La formulazione degli alimenti è una disciplina emergente che è presente in molte produzioni (alimentare, cosmetico, detergenza, coating), è multidisciplinare e serve per sviluppare nuove formulazioni, nuovi ingredienti, nuovi prodotti; è una disciplina molto tecnica e che è particolare perché non vuole solo un’attenzione per la parte chimico-biochimica ma anche in relazione al processo di trasformazione dei materiali in prodotto finito. Si occupa di tutti i prodotti alimentari che siano emulsioni, sospensioni, microcapsule facendo attenzione alla funzione che il prodotto dovrà poi svolgere.

Anche i tecnologici della formulazione devono prima occuparsi degli ingredienti; un ingrediente è una sostanza che forma parte di una dispersione, quindi gli alimenti possono essere definiti delle dispersioni dal punto di vista fisico. In funzione degli ingredienti a livello di presentazione finale del prodotto a livello di etichettature si possono avere alimenti generici, senza particolari funzionalità, o con finalità salutistiche con claim specifici di funzionalità o nutrizionali. Al di fuori di questo ambito esistono prodotti borderline che si interfacciano con il mondo del food prima di arrivare ai prodotti farmaceutici; essi possono essere gli alimenti nutraceutici che non sono alimenti ma sono ottenuti isolando da matrici alimentari delle componenti con specifiche valenze per la salute che sono commercializzati in forma pura o purificata. Quindi sono preparazioni che hanno subito un processo di estrazione dall’alimento e perciò non possono essere considerati alimenti. Gli alimenti possono essere fortificati nel caso in cui sia presente il 10% o più di un particolare nutriente con finalità riconosciute diverse da quella di fornire energia; le etichettature sono diventate molto specifiche per informare il consumatore del vantaggio sulla salute di uno specifico alimento trasformato indicando che è a basso contenuto di grasso, calorico, o come gli alimenti free (grassi, zuccheri, olio di palma).

Il consumatore è indirizzato sulla finalità del prodotto. Gli alimenti funzionali sono una classe di alimenti con documentati benefici di tipo salutistico e che hanno funzionalità di promuovere benessere o di prevenire situazioni patologiche e sono una classe molto complessa di prodotti. In questa classe ci sono alimenti naturali come le carote, le quali contengono quantità importanti di beta-carotene, oppure alimenti processati che sono integrati con l’aggiunta di un componente a buona funzionalità salutistica come gli...