Tecnologia della Formulazione dei Prodotti Alimentari - Lezioni

Appunti di lezioni di tecnologia della formulazione dei prodotti alimentari

Lezione 1 - 26 febbraio

Introduzione

Formulare vuol dire permettere agli ingredienti di esprimere al meglio le loro potenzialità per fornire alcune proprietà specifiche. È una disciplina emergente e applicata a più settori. Per avere un buon prodotto finale si deve partire da una buona materia prima. Le nuove formulazioni alimentari rispondono a nuove esigenze dei consumatori, devono essere etiche, le produzioni devono essere economicamente sostenibili, i prodotti devono essere salutari e non pericolosi. Ora si punta principalmente sull’aspetto salutistico e sul fatto che debba avere comunque buoni aspetti sensoriali. Soprattutto l’attività antiossidante, il benessere intestinale, antinfiammatorio, ipertensione, controllo della glicemia, controllo del peso e della sazietà.

L'ingrediente è una sostanza parte di una dispersione. (Slide 14)

Domanda esame: cos’è un ingrediente funzionale?

(S17) Gli ingredienti funzionali sono ingredienti che esprimono una funzionalità di tipo fisico all’interno di una matrice alimentare. Differisce attenzione dal termine functional food. Molti ingredienti hanno proprietà fisiche uniche e specifiche. Esempio sono in grado di emulsionare sostanze lipidiche con acquose, oppure di formare dei gel, di dar vita a schiume o modificare la viscosità del prodotto. Hanno quindi un ruolo fisico fondamentale per far avere determinate caratteristiche sensoriali dell’alimento. Non tutti questi ingredienti devono essere aggiunti in modo artificiale ma molti al contrario sono dei composti naturalmente presenti. (S18)

Le funzionalità di questi ingredienti sono relazioni sul colore del prodotto, aroma, caratteristiche di struttura della carne, sostituzione dei grassi, stabilità delle emulsioni, potere gelante, miglioratori di texture, controllo della sineresi (espulsione, per semplice riposo, di piccole quantità di liquido dalle particelle di un gel), modificatori aw, stabilizzatori strutturali nei passaggi congelamento e scongelamento, promoting functionality. Talvolta un solo ingrediente può anche svolgere più funzioni e quindi bisogna vedere come fare convivere certe potenzialità o come fare per aumentare le loro funzioni.

Una dispersione alimentare (S19-20) (es. schiuma della birra) è composta da due fasi, una continua liquida e una dispersa gassosa, che convivono tra loro, ed è un sistema instabile. (S22) Per la birra chi dà stabilità a questo sistema sono le proteine che si applicano all’interfaccia aria-liquido e vanno a stabilizzare le bolle d’aria. C’è quindi in generale bisogno di agenti antischiumogeni (per esempio impiegati in fermentatori, in processi di depurazione, di lavaggio) (S23)

Additivi alimentari

(S24)(S25) Gli scopi del loro utilizzo sono quelli di conservare il prodotto, di modificare il profilo taste e aromatico del prodotto, di migliorare la consistenza, colore, texture, di apportare sostanze che migliorano la funzionalità di certi alimenti. (S27) Sono sostanze che devono essere conosciute tutte tecnicamente e che sono state regolamentate. Secondo la legislazione europea devono avere una funzionalità specifica, devono essere sicuri non recando danni al consumatore. Posso utilizzare un additivo per migliorare la qualità del prodotto, ma non per coprire alterazioni evidenti del prodotto. (S28-29) Spetta all’EFSA controllare la sicurezza degli alimenti. Gli additivi sono classificati con un codice europeo unificato. (S30) EFSA ha stabilito anche una dose giornaliera accettabile (ADI) per ogni additivo, che è la quantità di sostanza che può essere assunta giornalmente per tutta la vita senza che rappresenti un rischio per la salute.

Esempi pratici

Esempio 1

(S40) Formaggi a basso contenuto di grasso rischiano di avere un profilo sensoriale pessimo, proprio dovuto alla componente grassa tolta. Per risolvere questa carenza bisogna passare ad una scala microscopica e scendere a una dimensione diversa che ci consentirà di identificare quali sono le funzionalità del prodotto che portano poi a un impoverimento di qualità del prodotto. Al di sotto di una microscala abbiamo una mesoscala che ci consente di osservare la coalescenza del grasso all’interno della matrice. Con indagine di tipo morfologico, ottico si è notato che un parametro importante per lo studio di questo formaggio era la coalescenza della fase grassa in quanto ha verificato una correlazione diretta tra coalescenza e gusto cremoso percepito. L’esperto in formulation technology dovrà quindi fare in modo che questa coalescenza raggiunga un livello specifico e si lavorerà sulla tipologia di sostituto del grasso che viene introdotto nel sistema e del fatto che questo sostituto cambierà le condizioni di aggregazioni delle goccioline di grasso. Alla fine si controllerà

Esempio 2

(S41) Bastoncini di pesce panati surgelati. Capita spesso che la panatura si stacca in quanto ci sono fluttuazioni della temperatura durante la conservazione che causano la migrazione di acqua dal pesce alla crosta e viene percepita una minore croccantezza della crosta. Il formulatore indaga sugli equilibri dell’acqua all’interno del prodotto con una tecnica detta risonanza magnetica nucleare che è andata sugli equilibri dell’acqua tra prodotto congelato e scongelato. Sapendo poi come si muove questo elemento sarà premura del formulatore trovare gli ingredienti che diminuiscono la mobilità dell’acqua all’interno del sistema.

Esempio 3

(S42) Cioccolata calda. Uno dei parametri più ricercati in questo prodotto è la viscosità-densità. Il problema è quello di avere una polvere che garantisce delle proprietà di solubilità ottimali. Ma non è l’unico problema. Infatti, una volta che la polvere viene solubilizzata nel suo solvente (il latte caldo) la dispersione che si forma potrà essere più o meno viscosa; il lavoro del formulatore sarà quello di andare a studiare la reologia del sistema e identificare il comportamento al flusso della dispersione (polvere di cacao nel latte caldo) per eventualmente integrare la formulazione con agenti addensanti che possono modificare la viscosità della bevanda. Quindi la prima proprietà (solubilità della polvere nel latte) dipenderà dalla materia prima e potrò correggere eventuali problemi con l’aggiunta di addensanti.

Esempio 4

(S43) Gelato salutare. Un obiettivo è quello di produrre un gelato che faccia bene e si ha facendo un controllo sulla componente grassa. Cambiare una componente lipidica di un prodotto significa fare una revisione delle temperature di processo. Le sostanze grasse cristallizzano in modi diversi e non tutte le forme di cristallizzazione hanno poi un'efficienza dal punto di vista sensoriale. Alcune sono basso fondenti e altre alto fondenti, che rimangono solide fino a temperature elevate. Il profilo sensoriale che noi percepiamo non è attribuibile solo ai cristalli di acqua, ma anche a una componente grassa. Se quindi voglio avere un prodotto più salutare e gioco sulla componente grassa, starò attento alla tipologia del sostituto del grasso che voglio usare e dovrò dare indicazioni su modifiche di condizioni di processo (temperatura soprattutto).

Struttura gerarchica

(S4) Un alimento è il risultato di stadi di strutturazioni diversi che si verificano a livelli diversi della struttura. Ogni scala strutturale ha un suo tempo caratteristico. Nel grafico a fianco abbiamo sulle ascisse la lunghezza di scala (dimensione) e in ordinata il tempo caratteristico. La rappresentazione ci dice che ci sono diversi livelli che sottostanno al livello macroscopico e vanno dal livello nano (vicino agli assi) al livello molecolare, e crescendo a livello di mesoscala, poi microscala e macroscala. I fenomeni che caratterizzano questi livelli strutturali hanno tempi caratteristici diversi. Quindi a livello di nanoscale (chimica) abbiamo reazioni chimiche con tempi caratteristici molto bassi.

Sopra abbiamo la scala molecolare, che è una scala di grande interesse e è la scala delle aggregazioni detta self-assembles. Poi abbiamo la mesoscala in cui si formano i sistemi dispersi (aggregati macromolecolari che convivono tra loro). Poi si ha la scala micro e macro scala, che è quella con tempi caratteristici maggiori (produzione del panettone per esempio).

Ogni prodotto alimentare avrà quindi una gerarchia di struttura in un tempo caratteristico. Nella slide S5, support sciences dice la disciplina a cui sono applicate le diverse scale. (S6) Nei laboratori è possibile trovare strumentazioni che permettono di effettuare l’analisi termica (consente di studiare il rapporto tra fenomeni che avvengono in un prodotto in funzione della temperatura), reologica (valuta il comportamento alla deformazione di un prodotto) e dimensionale (indagine di tipo ottico che porta a identificare la dimensione della distribuzione delle particelle in una dispersione).

Queste analisi possono aiutare a prevedere la funzionalità di certi ingredienti e di come reagiscono agli stress meccanici, termici e a come saranno le caratteristiche dei prodotti finali, sono una via strumentale per studiare le caratteristiche sensoriali apprezzate dal consumatore. (S7) Spiega come dalla molecola semplice (amilosio e amilopectina) seguendo le frecce si ottiene l’amido, che sarà poi intrappolato nella maglia glutinica (quindi dal livello molecolare a quello macromolecolare). (S8) Sapere bene dimensioni prodotti e saperli definire (es. cos'è caseina e la sua dimensione).

Sistemi dispersi

(S9) Sono sistemi in cui una sostanza che chiameremo fase dispersa è distribuita in una seconda sostanza, chiamata fase continua che tipicamente ha una massa molto maggiore rispetto a quella dispersa. Ognuna di queste fasi può esistere in diversi stati fisici, solido, liquido, gas. L’interfaccia è la zona di confine tra fase continua e dispersa, che regolerà il comportamento della dispersione. (S10) Classificazione in base alla grandezza della fase dispersa.

Le soluzioni (true solution) sono soluzioni in cui la fase dispersa ha una dimensione molto ridotta (<1nm, minore di un nanometro) e sono dei sistemi omogenei, come soluzioni di sali, di acidi e basi. Un livello diverso è quello delle dispersioni colloidali in cui si ha una fase dispersa di dimensioni maggiori 1-500 nm, possono essere sistemi microeterogenei con caratteristiche diverse, soluzioni macromolecolari (proteine o carboidrati in un solvente o il plasma). Poi abbiamo le dispersioni eterogenee (>500nm), solvente con molti soluti, che non è più una dispersione semplice (latte, sangue).

(S11) Ognuno di questi tre sistemi ha caratteristiche tipiche. Per esempio vediamo come si comportano queste dispersioni quando devono essere sottoposte a un trattamento di frazionamento fisico (passaggio in una membrana). Le dispersioni colloidali possono o meno passare (dipende), le dispersioni eterogenee non passano, mentre passano le true solutions. Caratteristiche di visibilità delle particelle una dispersione eterogenea si vede a occhio nudo, la dispersione colloidale si vede con il microscopio elettronico e non si vede invece la soluzione. La separazione gravitazionale o sedimentazione in una dispersione eterogenea si può ottenere, la dispersione colloidale si ottiene con una ultracentrifugazione e le soluzioni non possono essere separate. Per quanto riguarda invece i moti termici (sistemi con mobilità interne dei componenti che possono essere accelerati dalla temperatura) sono altissimi per le soluzioni, media per la dispersione colloidale, e bassa per una dispersione eterogenea.

(S14) I colloidi sono sistemi dispersi in cui le particelle disperse hanno dimensioni comprese tra 1-1000 nm. Abbiamo due tipi di dispersione: idrofilica o idrofobica. C’è una grande area di contatto tra fase dispersa e continua.

(S15) Una fonte luminosa che investe una soluzione riesce a passare indisturbata, in un sistema colloidale invece abbiamo uno scattering del fascio luminoso in quanto abbiamo strutture che deviano il cammino della luce.

(S16-17) Un’altra classificazione delle dispersioni è stata fatta da Ostward, in cui abbiamo una matrice a doppia entrata dove le dimensioni della matrice sono date dallo stato fisico dei componenti (solido, liquido e gas) (per esame sapere dire la differenza solido-liquido-gas in generale).

(S17) Si definisce gel una forma di acqua strutturata, fase liquida trattenuta da una fase solida. Unset gelly è un solido (esempio pectina + acqua) mescolato con acqua (pectina fase dispersa e acqua fase continua).

Lezione 3 - 5 marzo

Emulsioni liquide

(S18-19) Lettura esempi. Le emulsioni sono una dispersione di un liquido in un secondo liquido, che è ampiamente immiscibile nel primo. (S20) Nell’alimentare i due liquidi immiscibili che ne fanno da protagonisti sono l’olio e l’acqua, e possono essere combinati in una dispersione nel caso di dispersione olio in acqua (in cui l’olio è la fase continua e l’acqua quella dispersa) oppure acqua in olio (l’opposto). La stabilizzazione delle emulsioni: le emulsioni sono sistemi altamente instabili, sono lontani dall’equilibrio termodinamico ed è molto facile destabilizzarle. Devo quindi cercare di stabilizzare queste dispersioni. La stabilizzazione avviene all’interfaccia tra le due fasi. Es. se ho una sola gocciolina della fase dispersa (idrofobica come l’olio) in una fase continua (acqua), gestisco i componenti all’interfaccia tra le due fasi, le componenti che stabilizzano le due interfacce sono chiamate emulsionanti (o surfattanti o cosurfattanti). Un emulsionante è una componente presente in una formulazione alimentare (naturalmente presente o aggiunto come additivo) che ha il ruolo di stabilizzare una emulsione.

Gel

Un gel invece è una forma strutturata di acqua. Per avere un gel devo partire necessariamente da una soluzione (sistema disperso che contiene acqua e una sostanza gelante) e parto da una soluzione colloidale in cui ho un soluto disperso in acqua e in opportune condizioni ambientali darà forma a un gel. Una soluzione colloidale potrebbe essere quella di proteine in acqua, di polisaccaridi in acqua e in funzione delle caratteristiche di composizione di queste macromolecole è possibile che mettendoci in condizione di temperature e di pH opportuni, la molecola in questione si strutturi a dare un reticolo tridimensionale polimerico e tratterrà al suo interno l’acqua che prima invece era il suo solvente. I reticoli formatasi possono essere diversi: alcuni più elastici, altri più flessibili, con una densità di maglia diversa (numero di congiunzioni che si creano tra i vari filamenti del polimero). Il gel può dar luogo al fenomeno della sineresi ovvero espelle acqua (yogurt vecchio può accadere che sulla superficie separa una fase liquida che era contenuta nel reticolo iniziale del gel a causa dei micromovimenti).

Schiume

(S24) Le schiume sono un altro tipo di dispersione di un gas in un liquido o in solido. Infatti, possiamo avere schiume liquide o solide (es. panna o bianco d’uovo). Devono anch’essi essere stabilizzati. Per il bianco d’uovo (schiuma liquida) montato utilizzato per fare le meringhe con la cottura blocco effettuando una denaturazione proteica tale per cui è termostabile. Nelle schiume solide la stabilizzazione (es. prodotto lievitato con CO₂) è data dalla temperatura.

Colloidi liofilici e liofobici

I colloidi si differenziano in liofilici e liofobici. (S25) Un colloide è liofilico se ha un’alta affinità per il suo solvente e otterrò un sistema stabile ottenuto dalla presenza di forze di attrazione molto forte tra la particella colloidale e il liquido. Se un colloide è stabilizzato vuol dire che non va incontro a fenomeni di destabilizzazione (come la precipitazione o l’affioramento a seconda della densità del colloide). Un colloide liofilico è un sistema reversibile (si riesce quindi a ricostruire il sistema originale). Un esempio di soluzione liofilica è la gomma (idrocolloide), amidi. Un colloide è liofobico invece se non ha affinità con il suo solvente. (S26)

Di conseguenza le particelle simili (che non hanno affinità con le altre presenti) si aggregheranno a formare dei cluster al fine di ottenere una maggiore stabilità finale. Queste particelle che non hanno affinità con il solvente possono essere fatte precipitare aggiungendo basse concentrazioni di elettroliti o scaldando o fornendo un lavoro meccanico importante (agitazione). (S27). (S28) La stabilità di una dispersione dipende da vari fattori: la dimensione della fase dispersa, la viscosità della fase continua, la concentrazione della fase dispersa e la differenza di densità tra le due fasi. Se riesco a tenere sottocontrollo e a ottimizzare questi parametri, alla fine avrò un sistema colloidale stabile. Se invece non riuscirò a controllare uno solo di questi parametri, ho un forte rischio di instabilità e di creare una situazione in cui la fase dispersa si aggrega e in cui sedimenta se è pesante o affiora se è leggera.

Cosa avviene se controllo la dimensione della fase dispersa: l’immagine a fianco si riferisce a un sistema con composizione costante e in cui il rapporto in massa tra fase dispersa e continua è uguale in tutti e tre i casi, ma differisce la dimensione della fase dispersa (blu scuro). Ho una maggiore area di contatto quanto più piccole sono le goccioline disperse. Qui a fianco vediamo una emulsione olio in acqua, a sinistra abbiamo 20 cm³ di olio omogeneizzato.