Tecnologia della formulazione dei prodotti alimentari

Tecnologia della formulazione dei prodotti alimentari

Introduzione

Aziende divisibili in aziende con capitale tale da fare anche ricerca, e sulla base delle informazioni sulla conoscenza del tema della formulazione arrivano a risolvere le richieste dei clienti per particolari formulazioni. Ma tante volte le aziende non hanno le risorse necessarie, hanno dimensioni più piccole anche in termini di capitale, quindi non rischiano nell'innovazione per paura di sbagliare.

Tuttavia parlando di formulazione e innovazioni occorre pensare anche alla fase di processo, perché le formulazioni sono pensate in funzione della storia tecnologica che avviene durante un processo alimentare; i materiali sono sottoponibili a stress meccanici, termici, pressioni, a variazioni ambientali come pH ecc. quindi il formulatore alimentare deve sempre avere di fronte a sé la conoscenza del processo.

Innovare nella formulazione vuol dire entrare tra elementi tipici del prodotto, dell'azienda e dei processi; quindi ramificazioni ben precise. Immaginiamo un triangolo della food science and technology con vertici:

• Ci sono fattori aziendali, quindi l'economia della produzione, la gestione manageriale, i sistemi di qualità e il marketing.
• Studio del prodotto, in cui rientra la legislazione alimentare, elementi di nutrizione, di qualità percepita dal consumatore.
• Processo, controllo e gestione, ingegneria di processo, operazioni unitarie ecc.

Con questo corso ci collochiamo tra i fattori relativi al processo e al prodotto.

Esempio su vari step per la realizzazione di un prodotto a valore aggiunto

Si parte da un'idea, poi in base all'esigenza dei consumatori e all'esigenza del mercato mettiamo giù una prima bozza di sviluppo e una delineazione di una ricetta. Poi c'è la fase creativa, ovvero si mette a punto la formulazione, disegnando anche il processo. Ci sarà un'attività dei formatori e del tecnologo. La fase successiva è di rifinitura di quello che si è fatto, ottenendo un prototipo di prodotto che va testato per quanto riguarda la shelf-life, il profilo sensoriale ecc. e sulla base di questi test potremo rimodificare le formulazioni e ridisegnare i processi. Qui finisce il lavoro del tecnologo della formulazione. Poi la formulazione viene valutata su scala di processo, poi vengono fatte tutte le analisi dell'HACCP e sul rischio del processo. Si ha anche la necessità di predisporre il prodotto alla vendita, pensando alle normative e alle etichettature. Abbiamo un prodotto finale che viene immesso sul mercato. L'attività in cui è circoscritta il lavoro di un tecnologo della formulazione parte dall'idea del prodotto fino alla commercializzazione del prodotto. Il tecnologo della formulazione ha conoscenze chimiche, biochimiche e fisiche.

Esempio gelato industriale

Impensabile pensare alla formulazione del prodotto senza pensare al processo; formulazione, processo e proprietà del prodotto devono essere sempre considerate parlando di qualsiasi prodotto alimentare.

É un sistema complesso; abbiamo una fase solida e aria. (70 aria su 100 totale). Ci sono delle problematiche legate alla qualità finale del prodotto, che viene percepito in base al grado di cristallinità e alla cremosità. La dimensione dei cristalli di ghiaccio è molto critica; la formulazione di questo prodotto può aiutare a gestire i rischi che dipendono dalla grandezza eccessiva dei cristalli di ghiaccio. La scelta di determinati elementi è tutto in relazione alla gestione della temperatura di transazione vetrosa, ovvero andando sotto questa temperatura.

Etichetta lunga: Formulazione con ingredienti addizionali agli ingredienti di base.

Etichetta corta: Formulazione con ingredienti di base.

Ultimamente è sempre più richiesta un'etichetta corta. In funzione dell'obiettivo finale di qualità macroscopica voluta, abbiamo quantità diverse di ingredienti, che influenzano la quantità di aria inglobata e la dimensione dei cristalli.

Il mercato del gelato ha subito un'innovazione per due ragioni:

• Introduzione dei maturatori in continuo al posto di un maturatore classico, quindi si è passato dagli armadi di maturazione ad una tipologia di estrusori che porta alla maturazione del gelato al passaggio.
• Stampa 3D, che ha molto senso per il gelato industriale che forma il gelato con forme diverse e poi vengono mandate in cristallizzazione, mentre ha poco senso per il gelato artigianale. Questa nuova tecnica ha influito sul cambiamento della formulazione del gelato, poiché la formulazione precedente non andava bene, in particolare la viscosità della miscela prima che questa solidificasse.

Ingredienti secondari presenti in funzione della tecnologia adottata; quindi con la tecnologia che abbiamo presentato, ovvero l'estrusore a bassa temperatura, si sono apportate modifiche nella formulazione a livello di qualità e quantità di idrocolloidi ed emulsionanti utilizzati. Questo è servito per adeguare la matrice gelato a nuovi stress meccanici e termici, ma mantenendo una buona stabilizzazione della fase gas all'interno della matrice in presenza di ghiaccio. Concetto di questo excursus: legare il concetto di formulazione al processo di trasformazione e alle performance del prodotto finale, che sono l'obiettivo.

Esempio prodotti liofilizzati

Minestra liofilizzata. Ci sono ingredienti aggiunti come amido di patata per dare consistenza, sciroppo di glucosio, le proteine per fare da emulsionante ecc.

Liofilizzazione

La liofilizzazione è un processo basato sulla sublimazione dell'acqua, che passa da solido a vapore; inizialmente viene portata allo stato solido, poi si abbassa drasticamente la pressione e si alza la temperatura in modo che la fase solida diventi vapore e se ne vada. La prima fase è un congelamento, poi abbiamo l'allontanamento del 70-80% di acqua presente, e rimane solo l'acqua non congelabile, quindi avviene un'ulteriore fase di allontanamento di acqua, ma per evaporazione per essiccamento in aria calda. Alla fine l'acqua che rimane è 4-5%.

• La prima fase di congelamento avviene a pressione costante e dura circa 2 ore; la temperatura del prodotto arriva anche al di sotto dei 40°C.
• Nella seconda fase allontano l'acqua per sublimazione abbassando l'atmosfera a 1*10^-5 atm partendo da 1 atm; la temperatura sale.
• Nella terza fase, in cui allontano l'acqua per evaporazione, la pressione diminuisce ulteriormente e la temperatura sale ulteriormente.

In genere i prodotti liofilizzati sono complessi, e ci sono punti eutettici differenti, e per non sbagliare si prende il punto eutettico più basso, chiamata di massima congelazione. La presenza di alcuni additivi è legata anche a necessità di processo, non solo dal punto di vista sensoriale, nel senso che il controllo della cristallizzazione dell'acqua che poi sublimerà è controllata da ingredienti che possono influenzare la temperatura eutettica. La temperatura eutettica è la temperatura più bassa alla quale si completa la solidificazione.

Un ingrediente è una sostanza che forma parte di una dispersione; quindi gli alimenti possono essere definiti fisicamente come delle dispersioni. In funzione degli ingredienti presenti in un prodotto, gli alimenti possono essere distinti in generici o con finalità salutistiche, con claim specifici in etichettatura.

Esistono prodotti di interfaccia come i neutraceutici, non sono alimenti, ma sono ottenuti isolando da matrici alimentari delle componenti con specifiche e riconosciute valenze per la salute che sono commercializzati in una forma pura. Si tratta di preparazioni e non di prodotti alimentari. Alimenti che promuovono beneficio salutistico, oltre che fornire una nutrizione di base, sono chiamati alimenti funzionali. Da non confondere con gli ingredienti funzionali; nel nostro corso non ci occuperemo di alimenti funzionali (o super food) ma di ingredienti funzionali.

Ingredienti funzionali: ingredienti che esprimono una funzionalità fisica all'interno di una matrice alimentare. Molti alimenti contengono componenti naturali che hanno una grande potenzialità funzionale fisica; ad esempio molti componenti naturali che fungono da emulsificanti, o che sono in grado di legare grandi masse di acqua, di elasticizzare una matrice ecc; queste proprietà fisiche possono essere sviluppate da componenti naturali presenti di per sé. Questi non sono spesso sufficienti.

Agli ingredienti naturali funzionali, vengono associati altri ingredienti funzionali che garantiscono ad esempio stabilità al colore, stabilità delle emulsioni, proprietà gelanti, modificatori di texture, sostanze di controllo dell'attività dell'acqua ecc. Questi ingredienti secondari di supporto sono decisamente in quantità più basse rispetto agli ingredienti primari, lavorano in sinergia bene con gli ingredienti naturali. Si chiamano additivi alimentari.

Gli additivi alimentari sono sostanze aggiunte intenzionalmente ad un alimento per svolgere specifici ruoli tecnologici; questi ruoli tecnologici possono essere legati a proprietà percepite sensorialmente (colore, texture, stabilità) oppure possono servire per funzioni non direttamente visibili (prevenire la degradazione, diminuire l'ossidazione lipidica). Sono aggiunti in concentrazioni molto basse. Gli additivi sono ammessi dalla comunità europea e sono controllati prima di essere immessi all'utilizzo alimentare. Sono identificati con due modalità:

• Lettera E + numero che identifica la classe tecnologica specifica dell'additivo.
• Nome specifico, (ad esempio gomma di Xantano).

Funzionamento ingrediente funzionale

Pensiamo ad una schiuma, come quella della birra. La schiuma è una dispersione di aria in liquido, ed è gradito al consumatore di birra che sia persistente nel tempo, quindi l'obiettivo è mantenere nel tempo una schiuma stabile e di grande massa. Ci sono molecole apposta con ruolo di stabilizzare i liquidi a contatto. È necessario lavorare sulla stabilità dell'interfaccia, facendo in modo che si arricchisca di questo emulsionante, chiamato anche agente di superficie. Siccome la birra non contiene additivi, la stabilità della schiuma è data da molecole naturalmente presenti negli ingredienti della birra, ovvero le proteine. Queste proteine interagiscono con i lipidi polari presenti nel sistema e stabilizzano quel film che è la parete della bolla di aria.

Caso opposto: additivi che svolgono ruolo di rottura dell'interfaccia liquido-gas, ovvero molecole che vengono assorbite sull'interfaccia e annullano il ruolo delle molecole con attività di superficie che causerebbero una stabilità della schiuma. Parliamo di agenti anti-foaming, che indeboliscono molto la membrana della fase gas; è necessario in tanti passaggi tecnologici quando un insorgere naturale di schiuma può dar fastidio alla gestione dell'impianto.

L'EFSA si occupa di controllare e approvare gli additivi alimentari. L'EFSA può o rivalutare degli additivi a seguito di nuove indicazioni provenienti dalla comunità tecnico-scientifica oppure può approvare nuovi additivi. Generalmente i valori tollerati sono espressi in milligrammi per chilo corporeo al giorno, e la dose massima ammessa viene rivalutata a seconda di nuovi dossier specifici.

L'EFSA lavora seguendo 3 direttive e dice:

• La lista degli additivi che possono essere utilizzati.
• Gli alimenti in cui gli additivi possono essere utilizzati e i livelli massimi ammessi.
• Purezza richiesta per ogni additivo.

L'EFSA si avvale anche a centri di ricerca, oltre che al proprio corpo di lavoro. L'obiettivo è fare un'analisi di rischio per fare in modo che l'additivo non tragga in inganno il consumatore. Possono intercorrere fino a 10 anni per l'approvazione di un additivo.

Additivi possono essere divisi in due grandi famiglie:

• Quelli che mantengono la freschezza e prevengono il deterioramento.
• Quelli che servono ad amplificare e promuovere gli attributi di qualità di un prodotto.

Food technology assessment

Scala da 1 a 9. Ci sono nuove tecnologie, come quelle ad alte pressioni che consentono di superare i vecchi sistemi di trattamento termico, hanno un numero 8, ovvero molto avanzato, a livello ormai di commercializzazione; è una tecnologia nuova anche l'utilizzo di radiofrequenze, ma con valore più basso di TRL 5/6. Possiamo riassumere 3 grandi classi di tecnologie emergenti non termiche:

• Emergenti, con TRL molto alti (8-9).
• Emergenti, come campi elettrici pulsati, trattamenti a luce ultravioletta, con TRL più bassi.
• Emergenti come plasma-freddo, ultrasuoni con TRL poco sviluppati.

Lezione 1: Gerarchia della struttura del cibo

Entriamo nella trattazione dei principi di scienza dei materiali, che sono una premessa per affrontare il discorso della tecnologia della formulazione. Le proprietà macroscopiche che osserviamo sulla macro-scala dei materiali sono in realtà dipendenti da tutte le organizzazioni che il prodotto stesso ha a livelli non visibili, quindi a livelli che sono al di sotto della macro-scala. Parliamo di micro-scala, meso-scala, scala molecolare e scala nanometrica. Tantissime delle proprietà che vorremo impostare per un prodotto andremo a costruirle gestendo le fasi micro, meno e molecolari del materiale; quindi stiamo parlando di una gerarchia della struttura. Le scale molecolari e nanometriche sono di solito più relative alla biochimica, mentre noi ci occuperemo per lo più di ciò che avviene a livello della meso-scala, micro-scala e macro-scala.

Ruolo dell'analisi fisica

Tutto questo approccio molto riferimento all'analisi fisica dei materiali; l'analisi fisica può essere un'analisi dimensionale (interessante ad esempio osservare la granulometria delle polveri); la reologia è una disciplina che si occupa della risposta dei materiali alle deformazioni, ed anche questa è una disciplina fisica a cui fare riferimento nel caratterizzare il comportamento funzionale dei componenti alimentari. Poi abbiamo l'analisi termica, che è un'altra importante analisi fisica che serve per simulare il comportamento del materiale sottoposto a stress termici; ci sarà quindi uno strumento che simula condizioni ambientali termiche particolari e avremo una possibilità di quantificare in termini fisici l'energia necessaria per far avvenire diversi fenomeni dipendenti dalla temperatura.

Sistemi dispersi: si riferisce ad un sistema nel quale una sostanza (la fase dispersa) è distribuita, in unità discrete, attraverso una seconda sostanza (fase continua o veicolo). Per cui tutte le dispersioni di cui parleremo sono tutte strutturate in questo modo. Ogni fase può esistere allo stato solido, liquido o gassoso. L'elemento più critico e da controllare in una dispersione è l'interfaccia che esiste tra fase continua e fase dispersa; anche parlando di una struttura a livello nanometrico, l'interfaccia ha una funzione strategica, e molte delle proprietà che sono visibili a livello macroscopico si controllano controllando le proprietà dell'interfaccia.

Definizione dispersione eterogenea, dispersione colloidale e soluzione. Per quanto riguarda le caratteristiche di questi 3 elementi, si differenziano per dimensione delle particelle disperse e per proprietà fisiche; ad esempio le proprietà di poter attraversare le membrane, le proprietà ottiche, proprietà di sedimentazione e proprietà di moto termico. Anche altre proprietà aggiuntive come proprietà colligative, diffusive, ottiche e la possibilità di separare fasi continue e fasi disperse. Ad esempio non c'è alcuna possibilità di separare fasi continue e disperse in una soluzione, mentre è possibile con tecniche di filtrazione opportune separare queste due fasi nelle dispersioni eterogenee e colloidali.

Definizione di colloide. Fasi disperse. Un prodotto da forno che ha subito la fase di lievitazione, secondo questa nuova prospettiva, è una schiuma solida, poiché formato da una fase continua solida nel quale è dispersa una fase dispersa gassosa.

Siccome le dispersioni sono molto complesse, spesso c'è necessità di utilizzare ingredienti con un ruolo funzionale per poter permettere la coesistenza delle due fasi continua e dispersa. Ad esempio delle maionesi e margarine sono dispersioni non facili, in cui sono presenti emulsificanti e addensanti, ovvero degli additivi che servono per stabilizzare questo tipo di dispersioni di liquido in liquido.

Alcuni esempi di sistemi dispersi:

• Emulsioni: dispersioni di liquido in liquido, che è largamente immiscibile con il primo; possono essere emulsioni di olio in acqua o di acqua in olio. Queste due forme di emulsioni sono quelle più comuni, ma nei sistemi alimentari spesso e volentieri sono molto più complessi di così, perché spesso queste non hanno una funzionalità specifica. Per fare ciò si fa utilizzo di agenti necessari con un ruolo funzionale nella stabilizzazione di questi sistemi. Vedremo come in presenza di addensanti ed emulsificanti sarà possibile rendere coesistenti dei liquidi che sono originariamente immiscibili tra di loro. Ci sono tanti tipi di emulsioni possibili: emulsioni multiple, microsfere immerse in una soluzione continua che è un idrocolloide ecc. in modo da ottenere molte proprietà concepite sensorialmente come cremosità.