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(CAS # 9000-07-1) INS.407
Solubilità: a seconda del tipo
Funzionalità: Addensante, Gelificante
La carragenina è un galattano lineare solfato composto da unità di β-D-galattopiranosio, α-D-galattopiranosio e 3,6-anidro-α-D-galattopiranosio. Oltre ai gruppi galattosio e solfato, possono essere presenti anche altri residui di carboidrati (ad esempio, xilosio, glucosio o acidi uronici) e sostituenti (ad esempio, eteri metilici e gruppi piruvati). Questi polisaccaridi caricati negativamente sono tipicamente classificati in sei forme di base, vale a dire iota- (ι), kappa- (k), lambda- (l), mu- (m), nu- (n) e theta- (q) carragenina in base al numero e alla posizione dei gruppi solfato e alla presenza di 3,6-anidro-ponte nei residui di galattosio.
I tipi di carragenina più rilevanti dal punto di vista industriale sono kappa, lambda λ e iota– mentre mu- e nu-sono precursori biologici di k- e λ-carragenina. La composizione chimica delle carragenine varia tra le specie di alghe rosse e dipende dal metodo di estrazione.
La k- e l’iota-carragenina sono prevalentemente estratte da Kappaphycus alvarezii ed Eucheuma denticulatum, mentre la λ-carragenina proviene principalmente da Gigartina skottsbergi e Sarcothalia crispata.
La carragenina viene prodotta utilizzando due metodi di estrazione che determinano l’isolamento di polveri semi-raffinate o raffinate. Durante il processo di isolamento della carragenina semiraffinata, la soluzione calda di KOH reagisce con gli esteri solfato dei precursori della carragenina (m- e n-) con conseguente aumento del 3,6-anidrogalattosio (3,6-AG) e produzione di k- o iota-carragenina, rispettivamente. Inoltre, i cationi di potassio promuovono la formazione di gel, impedendo così alla carragenina di dissolversi nella soluzione alcalina calda. In questa fase, l’estratto di alghe è in forma di gel, successivamente viene essiccato e macinato per ottenere una polvere. Questo metodo è applicabile solo per le specie di alghe rosse che contengono principalmente k- e iota-carragenina perché formano gel con sali di potassio, al contrario delle alghe contenenti λ-carragenina che non gelificano in presenza di potassio e andrebbero quindi perse durante il trattamento alcalino. L’estrazione della carragenina raffinata inizia con il riscaldamento delle alghe in soluzione di NaOH seguito dalla precipitazione con alcool o dall’induzione della gelificazione con sali di potassio (ad esempio, KCl). Il metodo di precipitazione dell’alcol può essere utilizzato per qualsiasi tipo di carragenina, mentre il metodo del gel è applicabile solo alla k-carragenina.
Dal punto di vista chimico le tre carragenine differiscono per la diversa percentuale di 3 gruppi molecolari presenti oltre che per la loro sequenza che, nonostante potrebbe sembrare causale, in realtà le molecole si alternano per via dei diversi legami α (1→3) e β (1→4)
Tutte le forme di carragenina sono solubili in acqua anche se il tipo di carragenina, la temperatura, il pH, la forza ionica del mezzo e la presenza di cationi sono tutti fattori che ne influenzano i gradi di solubilità.
Il loro carattere idrofilo origina dai gruppi solfato e ossidrile mentre l’idrofobicità deriva dalla presenza di unità 3,6-AG con conseguenti differenze di solubilità in acqua tra i diversi tipi di carragenina.
Ad esempio, la λ -carragenina ha tre gruppi solfato e nessun contenuto di 3,6-AG, è facilmente solubile in acqua a temperatura ambiente e ancora più facilmente solubile a 80°C. La solubilità delle carragenine iota e K dipende dallo dallo ione positivo alle quali sono legate: con gli ioni di Na+, si solubilizzano facilmente, mentre quelli con gli ioni di Ca2+ necessitano di acqua calda. La solubilità in acqua della carragenina segue l’ordine (dal più al meno solubile): λ – > iota- > k-carragenina.
La presenza di cationi nella soluzione induce l’aggregazione tra le eliche carragenine con conseguenti alterazioni della solubilità. Ad esempio, tutti i sali di λ – e i sali di sodio di k- e iota-carragenina sono solubili in acqua fredda, mentre i sali di potassio di k- e iota-carragenina sono solubili solo in acqua calda. La viscosità delle soluzioni di carragenina diminuisce a valori di pH inferiori a 4,3 e in particolare ad alte temperature (70-120 C) a causa della depolimerizzazione della spina dorsale.
La viscosità delle soluzioni di carragenina diminuisce a valori di pH inferiori a 4,3 e in particolare ad alte temperature (70-120°C) a causa della depolimerizzazione della spina dorsale.
La gelificazione di k- e iota-carragenina è composta di due fasi consecutive:
1) una transizione da bobina ad elica dopo raffreddamento e 2) l’aggregazione di eliche indotta da cationi.
In primo luogo, le dispersioni di carragenina vengono riscaldate a circa 80°C. In questa fase, le catene raggiungono la conformazione casuale della bobina a causa delle repulsioni elettrostatiche tra catene polimeriche adiacenti.
Al raffreddamento a circa 40-60° C, le soluzioni di carragenina mostrano un marcato aumento della viscosità e subiscono una transizione conformazionale da bobina a doppia elica.
La transizione finale in gel avviene in presenza di cationi che porta all’aggregazione elica-elica delle catene a spirale adiacenti che contengono gruppi solfatici e alla formazione di una rete tridimensionale stabile.
λ-carragenina non gelifica, ma forma soluzioni polielettrolitiche ed è utilizzato come agente addensante nei prodotti lattiero-caseari. Mentre K- e iota-carragenina formano gel termoreversibili a concentrazioni fino allo 0,5% e concentrazioni cationiche comprese tra 0,2% e 0,8%. La forza dei gel di carragenina dipende dalla concentrazione del biopolimero, dal tipo di sale (ad esempio, KCl, CaCl2, NaCl) e dalla concentrazione del catione gelificante. Ad esempio, la k-carragenina in presenza di K+ forma gel rigidi e fragili, mentre la iota-carragenina richiede Ca2+ e forma gel morbidi ed elastici. K-carragenina ha una temperatura di gelificazione più bassa (35-65°C) rispetto alla iota-carragenina (40-70°C) a condizioni di gelificazione equivalenti.
Normalmente, maggiore è la concentrazione cationica, maggiore è la temperatura di gelificazione e la forza del gel. Anche la presenza di altri soluti, come il saccarosio, aumenta le temperature di gelificazione delle carragenine. I gel di carragenina sono termicamente reversibili (fusione a temperature 5-20°C al di sopra della temperatura di gelificazione e rigelificano al raffreddamento).
Le proprietà tessiturali e le applicazioni dei gel di k-carragenina possono essere migliorate con l’aggiunta di altri idrocolloidi (ad esempio, galattomannani o xantano). Le soluzioni calde di k-carragenina e galattomannani formano gel forti ed elastici con bassa sineresi in contrasto con i fragili gel di k-carragenina. Gli effetti sinergici tra i sistemi k-carragenina-galattomannano dipendono dal rapporto mannosio/galattosio della spina dorsale del galattomannano . Le regioni libere da mannosio dei galattomannani, in particolare della farina di semi di carrube, sono in grado di associarsi con eliche carragenine con conseguente formazione di gel. Un’altra notevole interazione sinergica della carragenina è con le proteine del latte, principalmente con le micelle di caseina dove la carragenina forma dei gel deboli nella fase acquosa e assorbe la superficie delle micelle di caseina attraverso interazioni con amminoacidi caricati positivamente.
Le carragenine grazie alle loro proprietà di incrementare la viscosità, formare un gel rigido e fragile, o morbido ed elastico, trovano le maggiori applicazioni:
⊃ come addensante nelle glasse
⊃ come addensante e stabilizzante nelle salse e nei topping
⊃ per allungare il tempo di conservazione nella panna da montare
⊃ come gellificante nella produzione di latticini, budini e filling per torte
⊃ come stabilizzante di prodotti a base di cacao
⊃ nel gelato per prevenire la separazione del siero di latte e la formazione di cristalli di ghiaccio.
Oltre che nel settore dolciario, le carragenine sono utilizzate nei prodotti di base carne, in quanto ne migliorano la qualità e/o la resa. La carragenina è utilizzata a concentrazioni comprese tra 0,005% e 2,0% p/p, e nonostante sia un agente gelificante più debole dell’agar, la sua capacità di produrre gel con un’ampia varietà di trame viene molto apprezzata. Per esempio, nell’industria delle bevande, vengono utilizzati a basse concentrazioni (0,2%) per stabilizzare eventuali sospensioni presenti nei succhi di frutta polposi. Nell’industria della panificazione, la carragenina è stata esplorata con particolare interesse per il miglioramento che sembra conferire alla lievitazione dell’impasto e nella formulazione di pani senza glutine.
La carragenina presenta anche interessanti interazioni sinergiche con i galattomannani e sono ampiamente utilizzate nella produzione di sorbetti di frutta, e prodotti a base di carne.
Inoltre, la natura tixotropica dei gel di iota-carragenina viene applicata per esempio nelle formulazioni dei dressing per stabilizzare le erbe sospese e le particelle vegetali.
