Tecnologia della Formulazione dei Prodotti Alimentari - Lezioni

SOSTANZE LIPIDICHE

(S1) Le funzioni delle sostanze lipidiche sono molteplici. Veicolo di calore (processi di frittura),

agenti lubrificanti di emulsioni solide (prodotti da forno), emulsionanti, controllo di un punto di

fusione di una formulazione (caramelle), plasticità (lubrificante nelle strutture), solubilità (possono

essere la matrice che ospitano certe sostanze aromatiche), texture, apporto nutrizionale e

saziabilità.

(S3-4) E’ necessario gestire la temperatura durante tutte le fasi in cui sono utilizzate.

I trigliceridi possono essere cis o trans, aventi ruolo strutturale molto importanti cosi come la

lunghezza di catena, peso molecolare.

(S5-6) I grassi solidi.

Tutti i grassi, anche quelli liquidi, hanno in realtà un indice di plasticità. La plasticità è il rapporto

tra componenti solide e liquide, oppure il rapporto in volume di cristalli di grasso e volume di olio.

L’indice più utilizzato è il Solid Fact Index (SFI) che esprime la quantità delle componenti solide in

un lipide. (S7)Non è un parametro costante in quanto dipende dalla temperatura.

La plasticità può essere anche intesa come caratteristica di morbidezza, sofficità della struttura, o

anche di azione di lubrificante.

Tutto ciò è dovuto al fatto che la componente lipidica può cristallizzare.

Possiamo dare per ogni prodotto una temperatura di fusione, detta melting point, che può essere

volutamente gestita intervenendo sulle caratteristiche chimiche del lipide. Se devo avere un

prodotto che deve essere cotto avrò bisogno di un punto di fusione alto, se invece uso dei prodotti

da conservare a temperature più basse avrò bisogno di punti di fusione più bassi. Il range di

fusione può essere molto ampio. Gli shoortening vengono utilizzati in prodotti che richiedono

melting point alti (ovvero si vuole che le sostanze lipidiche rimangano solide ad alte temperature,

per esempio nei prodotti da forno consentirà alla sostanza lipidica di inglobare molta aria nel

prodotto).

(S8) Quando invece ci si riferisce alla plasticità in termini di consistenza, questo indice è facilmente

misurabile attraverso un dinamometro che calcola la forza necessaria per avere una certa

penetrazione in una struttura di grasso solida ed è un indice della durezza del prodotto.

(S9-10) Il punto di fusione dipende molto dalle caratteristiche di lunghezza della catena di acido

grasso (quanto più è corta tanto più basso è il punto di fusione), dal grado di insaturazione (tanto

più insaturo, tanto più basso sarà il punto di fusione), dalla conformazione cis-trans. (S11) Quanto

più saranno impaccate e strutturate in una forma ordinata le catene degli acidi grassi, tanto più

alto sarà l’energia di fusione.

Il punto di fusione viene raggiunto quanto tutta la componente solida è uguale a zero.

(S12) La componente solida cristallizza. Cristallizza a partire dalla forma di grasso più liquida e le

caratteristiche della fase cristallina delle componenti solide delle sostanze cristalline ha un ruolo

importante sulle caratteristiche di qualità, di texture e di shelf life dei prodotti che contengono

sostanze grasse.

In un sistema complesso abbiamo però la presenza di altre fasi cristalline. 25

La cristallizzazione è una sequenza di differenti fenomeni che portano alla formazione di un lattice

cristallino, nel senso che quando la componente liquida cristallizza le molecole si orientano in una

struttura regolare chiamata lattice.

Questa struttura cristallina ha un ordine strutturale più alto rispetto alle componenti amorfe (non

cristalline) del sistema, in cui regna una mobilità molecolare più ampia e sono più disordinate.

Cristallizzare vuol quindi dire raggiungere un ordine strutturale.

Le caratteristiche del lattice cristallino dipenderanno dalle singole molecole lipidiche che andranno

ad interagire tra loro e dalla natura della forza motrice che ha portato alla cristallizzazione di

queste sostanze.

(S13) Quando la temperatura di un grasso fuso viene ridotta sotto il punto di fusione della

sostanza siamo in una condizione di supersaturazione della componente trigligeridica (fenomeno

detto SOTTORAFFREDDAMENTO) .

Prima che avvenga la cristallizzazione la componente lipidica si trova in una regione metastabile.

Gestendo il processo di raffreddamento a partire da una soluzione lipidica alla stato fuso, si può

gestire questa zona di transizione tra la fase liquida e solida e gestirò le caratteristiche dei cristalli

che ottengo.

Quindi la cristallizzazione è una sequenza di operazioni che partono da una sostanza fusa liquida

che porteranno ad un solido e la transizione da una all’altra fase è controllo labile dalla

temperatura con cui si fa avvenire la cristallizzazione.

(S14) La cristallizzazione avviene essenzialmente in 4 steps.

1. Si raggiunge uno stato super saturato

2. Fase di nucleazione. A partire dalla sostanza grassa fusa abbiamo la formazione dei primi nuclei

cristallini.

3. Fase di crescita dei nuclei formatasi nella fase precedente.

4. Fase di ricristallizzazione, che può avvenire o meno in base alle temperature del sistema e porta

ad una riorganizzazione delle forme solide cristalline e una organizzazione verso lo stato

energetico più basso, termo dinamicamente più favorevole, che non cambia la quantità di cristalli

presenti, ma semplicemente è una modificazione della loro posizione spaziale.

Affinché avvenga la cristallizzazione delle sostanze lipidiche e la crescita dei nuclei serve una forza

motrice del processo, ovvero deve essere termodinamicante spinto (abbassamento della

temperatura sotto il punto di fusione, per i grassi). Per lo zucchero invece la cristallizzazione

avviene se si ci trova in una condizione di sovra saturazione.

(S15) Nel grafico abbiamo due curve gaussiane, una più stretta e una più larga e sull’asse delle y

abbiamo la velocità di nucleazione e sull’asse delle x la forza motrice del processo. Vengono

rappresentate due situazioni:

cristallizzazione dello zucchero

(avente come forza motrice la

solubilità) e sostanze lipidiche (con

forza motrice che è il punto di

fusione). La glass transiction

(transizione vetrosa) è quando il

sistema perde la mobilità molecolare

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e quindi si arresta. Una curva è omogenea e l’altra è eterogenea (quella più ampia).

Se un materiale che deve essere cristallizzata è soggetta a una cristallizzazione di tipo eterogenea

avremo una accelerazione del processo più lenta rispetto all’accelerazione di processo che

abbiamo con le nucleazioni di tipo omogeneo.

Quindi diverse sostanze lipidiche possono cristallizzare con velocità di nucleazioni diverse,

influenzate dalla supersaturazione, dalla temperatura, dalla viscosità, dalla velocità di

raffreddamento, l’entità di agitazione e la presenza di additivi che possono interagire con le

sostanze lipidiche.

(S15) Importante è dopo la fase di nucleazione, la crescita dei cristalli che è possibile finche c’è

mobilità dei cristalli, ovvero finche all’interno del lattice cristallino le molecole solide che si

formano possono muoversi e mettersi nella conformazione più adatta.

Quando il nostro sistema raggiungerà una fase di equilibrio, la fase di crescita cristallina si

bloccherà.

Il grafico a sinistra descrive la cinetica cristallina (guassiana), che ha due estremi (avvio del

processo e transizione vetrosa).

A destra invece abbiamo la curva di cristallizzazione che è data dalla somma della curva di

nucleazione e di propagazione e crescita dei cristalli.

Cristallizzo formando i nuclei e lascio che i nuclei si propagano e crescano, la somma di questi due

fenomeni ci dà una curva di cristallizzazione.

Quindi la cinetica di cristallizzazione è la somma di due fenomeni distinti: un fenomeno di

nucleazione e di propagazione.

(S18) La cristallizzazione va controllata per portare alle formazione di cristalli della forma e

dimensione desiderata e per prevenire una propagazione dei cristalli in momenti non desiderati

(es. stoccaggio).

Un altro parametro da tenere sotto controllo durante la cristallizzazione è la distribuzione delle

dimensioni dei cristalli, i sistemi monodispersi sono sempre favoriti rispetto a sistemi poli dispersi.

Le tre fasi principali della cristallizzazione, quindi nucleazione primaria, di crescita (o nucleazione

secondaria) e di crescita del cristallo sono quindi descritti con una cinetica che viene riportata

dell’equazione di Avrami, che è espressa da: 27

Prende come indice di cristallizzazione il Solid Fact Content (SFC) ad un tempo generico t e il SFC

max che è il grado di cristallizzazione massimo ottenibile per quel certo tipo di lipide di cui ci

stiamo occupando. È quindi un indice che da uno stato dell’avanzamento della cristallizzazione e

sarà basso all’inizio della cristallizzazione in quanto la frazione cristallizzata all’inizio

(denominatore) sarà molto bassa.

Può essere rappresentato in un grafico in cui sell’asse y abbiamo il grado di avanzamento della

cristallizzazione e sull’asse x il tempo.

La funzione che lega la x e la y è di tipo esponenziale.

L’equazione di Avrami ci dice che il grado di avanzamento della cristallizzazione è uguale a 1- e-ktn.

Abbiamo due costanti: n (Avrami esponente, che rappresenta un indice del meccanismo di

cristallizzazione) e K (Avrami costante, è una costante cinetica di cristallizzazione).

La curva permette di identificare attraverso una tangente alla parte centrale della curva un tempo

(t0) che è il tempo necessario per avere la nucleazione, mentre tutto quello che avviene dopo t0 è

la fase di crescita dei cristalli, fino a quando la curva piega (dove il sistema non ha più mobilità e

quindi la velocità di crescita cristallina diminuisce) e si ha l’arresto della cristallizzazione.

La cinetica è la modificazione di una entità nel tempo

(S19) Il polimorfismo è una formazione di forme cristalline più stabili.

Ostward ripening è la maturazione dei cristalli, il fenomeno in cui i cristalli piccoli fondono e

vanno ad ingrossare i cristalli grossi.

Un altro elemento da gestire è legato alle fluttuazioni di temperatura che si hanno durante lo

stoccaggio dei prodotti, che possono portare a modificazioni della struttura cristallina.

I fattori che possono influire questi quattro fenomeni di cristallizzazione sono a carico di condizioni

di processo e sono legate alla velocità di trasferimento di calore e di massa, oppure a fattori di

formulazione (presenza di certi ingredienti), fluttuazioni d