Tecnologia della formulazione dei prodotti alimentari - Appunti

Principi di tecnologia della formulazione degli ingredienti

Proprietà del prodotto

Il prodotto deve dare benefici alla salute (antiossidanti, benessere intestinale, attività antinfiammatoria, ipertensione e controllo glicemico, mantenimento del peso e sazietà). Inoltre l’alimento deve essere stabile e rispondere alle richieste sensoriali. Deve avere delle proprietà cioè mantenere una struttura.

Come gestire la struttura?

Si gestisce con il processo in cui si svolgono importanti reazioni chimiche, biochimiche (trasporto di massa essiccamento, calore e cotture trasporto quantità di moto impastamento).

Processi di un'industria alimentare

I processi devono minimizzare l’impatto tecnologico e presentare le caratteristiche degli ingredienti (= elementi polimerici). Proprietà struttura processo (processo triangolare).

Ingredienti

Cos'è un ingrediente?

Ingrediente = sostanza che costituisce una parte di una dispersione.

Ingrediente funzionale

Ingrediente funzionale = esprime una capacità fisica in una matrice alimentare nella quale è introdotto (es. lecitina, caseina nei salumi stabilizzanti). Alimenti funzionali: cibi sani che funzionano da promotori per la salute o impediscono la malattia con proprietà che vanno al di là della funzione dei nutrienti di base. Hanno proprietà benefiche curative.

• Alimenti naturali
• Componenti aggiunti
• Componenti eliminati
• Componenti modificati
• Biodisponibilità modificata
• Ogni combinazione di queste

Fibre

• Insolubili
• Betaglucani
• Solubili
• Integrali

Acidi grassi

• Monoinsaturi
• Polinsaturi

Carotenoidi

• Beta-carotene
• Luteina, zeaxantina
• Licopene

Flavonoidi

• Antocianine
• Flavanoli
• Flavononi
• Flavonoli
• Pro antocianine

Isotiociananti

Sono i solforati.

Minerali

• Calcio
• Magnesio
• Potassio
• Selenio

Acidi fenolici

• Acido caffeico e ferulico: il caffè è una potente risorsa di antiossidanti

Steroli

• Liberi
• Esteri di steroli
• Riducono il rischio dei danni alle coronarie

Prebiotici

• Inulina
• Frutto-oligosaccaridi
• Polidestrosio
• Migliorano la salute gastrointestinale assorbendo il Ca.

Probiotici

• Lattobacilli, bifido batteri
• Migliorano la salute gastrointestinale e il sistema immunitario

Alcune sostanze chimiche o componenti non vengono usati nella loro forma pura.

Scienza sui materiali degli alimenti

La scienza sui materiali degli alimenti studia le proprietà e le relazioni della struttura.

Proprietà degli alimenti

• Trasferibili
• Sensoriali e fisiche
• Bioaccessibilità dei nutrienti

Stabilizzanti, addensanti, gelificanti (E400) hanno origini diverse e danno struttura, stabilità e qualità edibili destinate ai consumatori. Di questi fanno parte:

• Amido
• Gelatine
• Cellulosa
• Gomma di semi
• Alghe
• Polisaccaridi microbici

Il prodotto è caratterizzato da una combinazione di agenti strutturanti (effetto sinergia).

Funzionalità

• Gelanti
• Inspessenti
• Stabilizzanti di sospensioni
• Agenti di palatalità (effetto in bocca)
• Stabilizzanti
• Formazione di pellicole
• Auto agglomeranti
• Testurizzanti
• Leganti d’acqua
• Stabilizzanti del sistema durante il congelamento-scongelamento
• Estensione della shelf-life
• Agenti che controllano l’espansione del gas nel sistema
• Sostituti dell’uovo
• Emulsionanti: aggiunti ad ingredienti liquidi per stabilizzare la miscela. Sono utilizzati per prevenire la separazione e per rendere appetibile il prodotto migliorandone la resistenza e la texture.

I sistemi standard sono combinazioni di almeno due ingredienti secchi in sinergia con una texture distintiva per ogni tipo di applicazione. I sistemi composti sono dati dall’unione di vari additivi per ottenere caratteristiche specifiche già predefinite.

Sono usati per:

• Succhi di frutta
• Prodotti da forno
• Carne
• Derivati del latte

Prodotti o alimenti funzionali: processati per avere effetti benefici sulla salute o promuovono effetti autistici o prevengono malattie. Sono molto diversi dagli ingredienti funzionali che invece sono legati all’aspetto tecnico, fisico e produttivo. La strutturazione di un alimento può essere rappresentata su un piano cartesiano, con la grandezza in x e il tempo in y. Le più basse sono le reazioni chimiche, a salire chimica macromolecolare strutture auto assemblate fasi disperse ingegneria di processo prodotto reale e finito. È importante capire le relazioni tra formulazione, struttura e attività del prodotto (tecnologia di formulazione). La scienza dei materiali alimentari permette di legare le caratteristiche sensoriali, chimiche, di trasporto, dei nutrienti di prodotti alimentari.

Sistemi dispersi e/o colloidali

Il sistema in cui uno stato è finemente disperso nell’altro sistema. La natura e le caratteristiche della dispersione sono strettamente legate alla dimensione delle particelle solide disperse. I solidi possono essere dispersi sotto varie forme.

• Soluzioni
• Dispersioni colloidali
• Sospensioni

Come possiamo classificarli?

• Per la dimensione.
• Con il metodo di separazione della particella dal solvente.
• Visibilità della particella sospesa.
• In funzione della dimensione della particella che si muove per meccanismo diverso (cinetica, browniani, convettivi).
• Luce; tyndall le dimensioni sono grandi e deviano il raggio di luce.

Sono anche influenzati dai moti browniani a corto raggio dettati dall’energia termica, più aumenta la temperatura più aumentano i moti. I sistemi citati sono indipendenti tra di loro e non sono stabili. Una proprietà dei sistemi colloidali è il rapporto con la luce (effetto tyndall); è un effetto ottico per cui se le particelle del sistema colloidale sono abbastanza grandi deviano il raggio luminoso che le colpisce, rendendo il sistema più o meno opaco (importante per le bevande). Se decresce la dimensione aumenta il numero di particelle a parità di composizione, come conseguenza aumenta l’area di contatto interfacciale.

Disegno

Nei colloidi liofili le particelle hanno alta affinità per il solvente (se il solvente è H₂O), quindi sono presenti forti energie attrattive e il sistema è stabile. Le particelle non tendono ad aggregarsi l’una all’altra e il colloide è stabilizzato dalla solvatazione delle particelle e si ha una forte tensione interfacciale. Nei colloidi liofobi (es. gomme in acqua) le particelle colloidali non hanno affinità per il solvente; nel colloide le particelle subiscono forze gravitazionali e di diffusione termica (moti browniani). Il vero responsabile della stabilità è la zona dell’interfaccia tra la zona continua e dispersa (caratteristiche e composizione dell’interfaccia). Variando l’area di contatto varia la stabilità del sistema.

Tendenza alla rottura

• Liofobo: bassa tensione interfacciale forze che agiscono sull’interfaccia
• Liofilo: alta tensione interfacciale forze che rompono i vari sistemi colloidali

Colloidi idrofilici

Tipicamente formati da grandi molecole organiche che diventano idratati (solvatati). Sono termicamente stabili nella loro forma solvatata. Presentano nelle molecole gruppi ionizzabili che le trasformano in macroioni quando sono in soluzione. Sono agglomerati di colloidi idrofilici, il che comporta l’aggiunta di una grande quantità di ioni che competono con i colloidi per le molecole di acqua, così da portare alla deidratazione delle particelle colloidali.

Colloidi idrofobici

Sono costituiti da piccole particelle colloidali aventi poca o nessuna affinità con l’acqua. La stabilità a causa della presenza di una carica che attrae altre specie ioniche presenti in acqua provoca la formazione di uno strato elettricamente carico attorno alle particelle colloidali. Sono termodinamicamente instabili: se il livello di carica viene rimosso queste particelle tendono ad agglomerarsi spontaneamente.

Doppio strato associato con particelle colloidali

• Se una particella colloidale è elettricamente carica attrae ioni e altre particelle colloidali di segno opposto.
• Attaccato da forze elettrostatiche per lo strato di particelle colloidali forma un primo strato interno di cariche
• Le particelle e gli ioni di segno opposto formano un doppio strato elettrico.
• Ulteriori ioni di segno opposto a quello della particella colloidale si accumulano anche vicino allo strato di Stern, strato di ioni vicino alla particella.

Punto isoelettrico

Quando le particelle colloidali sono in presenza di ioni opposti diventano elettricamente neutre. Al punto isoelettrico, le particelle hanno un forte potenziale di agglomerazione.

Sistemi stabili

Nel corso del tempo i prodotti devono mantenere le caratteristiche qualitative che hanno nel momento della loro produzione. Dobbiamo quindi rendere i sistemi stabili. I sistemi di stabilità sono:

• Termodinamica: fisica
• Cinetica: nel tempo

I sistemi colloidali hanno una loro dinamica, movimenti su piccola scala dovuti a forze termiche casuali che mettono in movimento la molecola. Questi movimenti si possono calcolare con il cammino medio, dipendente dal tempo (Einstein):

Ex = √(2Dt) oppure (2Dt)^1/2 t = tempo; D = coefficiente di diffusione locale

Sono stabilizzati con:

• Cariche (interazioni elettrostatiche): il colloide può sviluppare una sua carica superficiale in base alla soluzione in cui si trova. Si organizza attorno al primo strato di carica uno strato elettrico di carica opposta (contro ioni) detto Strato di Stern
• Bilancio tra forze attrattive e repulsive: le particelle colloidali si attraggono o si respingono. Un sistema colloidale stabile è quello in cui le particelle resistono alla flocculazione o all’aggregazione e hanno una lunga shelf-life. È dipendente dall’equilibrio delle forze repulsive e attrattive.

Teoria DLVO

Teoria che descrive la stabilità del sistema in funzione delle forze attrattive e repulsive che agiscono sulle particelle.

Vt: energia totale di attrazione Va: energia attrattiva forze di Van der Waals Vr: energia repulsiva forze elettrostatiche Vs: energia potenziale dovuta al solvente Vt = Va + Vr + Vs Va e Vr possono avere segno opposto. L’energia netta è data dalla somma delle forze A e R.

La stabilizzazione è determinata dalla somma delle forze attrattive e repulsive quando le particelle si avvicinano l’una all’altra con moti browniani. Se le particelle non sono stabilizzate, le forze attrattive sono più forti e le particelle collidono.

Stabilità dei colloidi

Un tipico esempio di colloide sono le emulsioni: è una dispersione liquido in liquido, dove non c’è miscibilità tra le due fasi. Le particelle in una dispersione colloidale possono aderire ad un altro e formare aggregati, successivamente queste possono aumentare di volume e diventare stabili influenzate dalla gravità. Nella forma iniziale l’aggregato è chiamato fiocco e il processo è flocculazione. Se l’agglomerato diventa più denso può avvenire la coagulazione. È separato per sedimentazione o creaming (se è meno denso del mezzo). La coagulazione è irreversibile, la flocculazione invece può essere reversibile.

Nei sistemi alimentari i due elementi sono sempre acqua e olio (dove si trova sempre l’interfaccia che separa le due fasi); si presenta come un sistema disomogeneo. Possono essere qualificate grazie all’analisi dell’immagine della fase dispersa (praticamente grazie a dei software è quantificato lo stato del sistema; poche gocce di grosse dimensioni contengono la maggior parte di fase dispersa). La frazione volume: è il rapporto fra il volume totale della fase dispersa e il volume totale dell’intero sistema. Il simbolo utilizzato è Φ (fi) e questo valore è tanto più basso tanto più il sistema è disordinato (si trova meno fase dispersa).

Due meccanismi di stabilità della dispersione per evitare agglomerazione

Repulsione sterica

Prevenire che le superfici delle particelle entrino in stretto contatto. Termodinamicamente stabile. Insensibile agli elementi, efficace in dispersioni acquose e non, efficace ad alte e basse temperature, possibile flocculazione reversibile.

Stabilizzazione elettrostatica

È un effetto di un’interazione di particelle a causa della distribuzione delle specie cariche nel sistema. Cineticamente stabile. Se le forze repulsive sono significative le particelle colloidali non saranno in grado di entrare in stretto contatto per agglomerare quindi, per la presenza di forze di attrazione, coaguleranno. Destabilizzazione meccanica: dipende dal tipo di sospensione colloidale:

• Repressione del doppio strato
• Neutralizzazione delle cariche dei colloidi per assorbimento di controioni sulla superficie del colloide
• Ponte di particelle colloidali tramite aggiunta di polimeri
• Repressione del doppio strato ottenuta aumentando la forza ionica della soluzione

Che cosa o chi è responsabile della viscosità del sistema?

Tanto è più alta la fi tanto più elevata è la viscosità del sistema.

Come varia la relazione tra viscosità e volume?

La viscosità dipende da ciò che è disperso: η / ηo = 1+2,5 Φ η = viscosità totale del sistema; ηo = viscosità della sola fase continua. Se si deve far fluire l’emulsione in un impasto perché serve per una farcitura, si dovranno conoscere le caratteristiche di flusso dell’emulsione: tante più goccioline sono presenti nel sistema tanto più il flusso è lento perché c’è più volume della fase dispersa (quindi c’è più resistenza al flusso).

Meccanismi d'instabilità

• Affioramento (creaming): instabilità del sistema che porta all’affioramento della fase dispersa; ad esempio nella produzione del grana le particelle affiorano a causa di due forze:
  1. Principio di Archimede
  2. Legge di Stokes-Einstein: Vs = d²Δρg/18 ηc Vs è la velocità di Stokes

L’instabilità deriva dalla dimensione delle particelle e delle caratteristiche fisiche reciproche della fase continua e dispersa (che nel caso del Grana sarebbe la diversità delle due fasi).

• Flocculazione
• Coalescenza
• Metodi combinati

Disegno emulsioni

Emulsioni: dispersione di un liquido in un secondo liquido, in gran parte liquidi immiscibili.

Composizione chimica

Strato interfacciale essenziale per stabilizzare l’emulsione. Le goccioline di grandi dimensioni contribuiscono maggiormente all’instabilità.

Viscosità emulsione

Frazione in volume: Φ = volume totale della fase dispersa / totale volume del sistema. Un aumento della viscosità della fase continua ritarda la coalescenza e flocculazione.

Meccanismi d'instabilità

• Affioramento (creaming): instabilità del sistema che porta all’affioramento della fase dispersa; ad esempio nella produzione del grana le particelle affiorano a causa di due forze:
  1. Principio di Archimede
  2. Legge di Stokes-Einstein: Vs = d²Δρg/18 ηc Vs è la velocità di Stokes
• Flocculazione
• Coalescenza
• Metodi combinati

Creaming

Stabilità dei sistemi dispersi: emulsioni in questi sistemi agiscono due forze:

• Forze d’interazione: si contrappongono alle forze di repulsione; sono forze di Van der Waals che portano all’avvicinamento di superfici originariamente distaccate dalla dispersione.
• Forze di repulsione: repulsivo o attrattivo dipende dal segno della carica.

Queste due forze contribuiscono alla stabilità del sistema (legge DLVO) e collaborano all’interazione elettrostatica variando la carica del sistema. L’interazione elettrostatica funziona su lungo raggio e diventa sempre più debole man mano che ci si allontana nel sistema. Per stabilizzare il sistema si può attuare un intervento sterico attraverso l’utilizzo di sulfattanti, cioè molecole che hanno stabilità di superficie. I surfattanti sfavoriscono la coalescenza della fase dispersa. Sono ingredienti con tante proprietà funzionali e nelle emulsioni emulsificano. I sulfattanti/tensioattivi sono particelle piccole che hanno una larga area superficiale. La superficie ha energia associata per la loro tensione interfacciale. Le dispersione tenderanno ad aggregarsi per ridurre l’area interfacciale. Le proteine e le piccole molecole superficiali assorbono la superficie riducendo la tensione superficiale e aumentando la stabilità. Sono ampiamente utilizzati come emulsionanti, detergenti per solubilizzare, lubrificanti, ausili per il recupero del petrolio e la dispersione, la catalisi e la lisi cellulare.