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Panna Montata, Burro, Yogurt, Gelato, Formaggi e Dressing.
La conoscenza della scienza e della tecnologia delle emulsioni è importante per coloro che lavorano nell’industria alimentare e nell’industria correlata per una serie di motivi. In primo luogo, molti alimenti naturali e trasformati consistono parzialmente o interamente in emulsioni, o sono stati in uno stato emulsionato durante la loro produzione. Per citarne alcuni: latte, panna, gelati, bevande, pastelle per torte, dressing, maionese, liquori cremosi, burro e margarina. In secondo luogo, le emulsioni sono sempre più utilizzate come sistemi di consegna per ingredienti alimentari funzionali, come colori, aromi, conservanti, vitamine e nutraceutici. I sistemi di somministrazione basati su emulsioni sono solitamente progettati per incapsulare, proteggere e rilasciare questi ingredienti funzionali in modo da migliorarne la manipolazione, la stabilità o l’efficacia.
I prodotti alimentari a base di emulsioni e i sistemi di consegna presentano una vasta gamma di caratteristiche fisico-chimiche, sensoriali e biologiche a seconda del tipo di ingredienti e delle condizioni di lavorazione utilizzate per crearli. Nonostante questa diversità, ci sono una serie di caratteristiche che sono comuni a questo gruppo di prodotti che li rende suscettibili di studio dalla disciplina scientifica nota come scienza delle emulsioni, che combina aspetti di fisica, chimica, biologia e ingegneria. Tuttavia, poiché la scienza delle emulsioni si è evoluta all’interno dell’industria alimentare, incorporando una serie di altre discipline scientifiche, come la scienza sensoriale e la fisiologia umana, poiché i ricercatori tentano di correlare le qualità organolettiche (come gusto, odore, sensazione in bocca e aspetto) e le risposte biologiche (come la digestione, l’assorbimento e il rilascio di ormoni) alla composizione, alla struttura e alle proprietà fisico-chimiche dell’emulsione.
La produzione di un prodotto a base di emulsione con attributi funzionali specifici dipende dalla selezione dei tipi e delle concentrazioni più adatti di materie prime (ad esempio, acqua, olio, emulsionanti, addensanti, minerali, acidi, basi, vitamine, aromi, coloranti e conservanti) e dalle condizioni di lavorazione, conservazione, trasporto e utilizzo più appropriate (ad esempio, miscelazione, omogeneizzazione, pastorizzazione, sterilizzazione, raffreddamento, congelamento e cottura). Tradizionalmente, l’industria alimentare si affidava in gran parte all’artigianato e alla tradizione per la formulazione di prodotti alimentari e la creazione di condizioni di lavorazione ottimali. Questo approccio non è adatto per l’industria alimentare moderna, che deve rispondere rapidamente ai cambiamenti nelle preferenze dei consumatori per una maggiore varietà di alimenti più economici, di qualità superiore, più sani, più esotici e più convenienti. Inoltre, l’industria alimentare moderna si affida sempre più a operazioni di produzione su larga scala per produrre grandi quantità di alimenti a costi relativamente bassi. La progettazione di nuovi alimenti, il miglioramento degli alimenti esistenti e il funzionamento efficiente dei processi di produzione alimentare richiedono una rigorosa comprensione scientifica delle proprietà degli alimenti. Due sono i fattori principali che hanno contribuito alla progettazione e alla fabbricazione di prodotti a base di emulsione con proprietà nuove o migliorate:
1. Sviluppo di un approccio scientifico più rigoroso alla comprensione delle proprietà delle emulsioni alimentari: c’è stata una crescente tendenza all’interno dell’industria alimentare a correlare le proprietà fisico-chimiche, organolettiche e nutrizionali delle emulsioni alimentari al tipo, concentrazione, struttura e interazioni dei loro componenti costitutivi. La ricerca in questo settore viene condotta a molti diversi livelli, che vanno dallo studio della struttura e delle interazioni di molecole e particelle colloidali allo studio della reologia, della stabilità e delle proprietà ottiche delle emulsioni, allo studio del gusto, dell’olfatto, della sensazione in bocca e dell’aspetto dei prodotti finali. La migliore comprensione delle basi fisico-chimiche delle proprietà delle emulsioni alimentari che è risultata da questo approccio ha permesso ai produttori di creare prodotti alimentari di alta qualità a basso costo in modo più sistematico e affidabile.
2. Sviluppo di nuove tecniche analitiche per caratterizzare le proprietà degli alimenti: i confini della nostra comprensione delle basi fisico-chimiche delle proprietà delle emulsioni alimentari sono spesso determinati dalla disponibilità di tecniche analitiche in grado di indagare le caratteristiche appropriate del sistema. Man mano che la strumentazione analitica progredisce, siamo in grado di studiare cose che non erano possibili prima, il che spesso si traduce in una comprensione più profonda e più ampia dell’argomento. Negli ultimi anni sono state rese disponibili molte nuove e migliorate tecniche analitiche o protocolli sperimentali per sondare le proprietà molecolari, interfacciali, colloidali, fisico-chimiche e biologiche delle emulsioni. L’applicazione di queste tecniche ha portato a notevoli progressi nella ricerca di base, nello sviluppo del prodotto e nel controllo di qualità nell’industria alimentare. Queste tecniche, sono utilizzate anche nelle fabbriche per monitorare le proprietà degli alimenti durante la lavorazione in modo da garantire che soddisfino le specifiche di qualità richieste e per fornire informazioni che possono essere utilizzate per ottimizzare le condizioni di lavorazione necessarie per produrre prodotti costantemente di alta qualità. Man mano che la nuova strumentazione analitica continua a diventare disponibile, ci saranno sicuramente ulteriori sviluppi nelle capacità degli scienziati alimentari di comprendere, prevedere e controllare le proprietà dei prodotti alimentari a base di emulsione.
La panna montata si forma battendo l’aria nella panna a temperature relativamente basse; è costituita da bolle d’aria disperse in un mezzo lipidico-acquoso strutturalmente complesso. Durante il processo di montatura, si formano bolle d’aria stabilizzate da una combinazione di proteine adsorbite e globuli di grasso aggregati. Si ritiene che le proteine globulari adsorbite subiscano una denaturazione superficiale, che porta alla formazione di uno strato viscoelastico attorno alle bolle d’aria. Montare la panna quando è relativamente fredda (0-7°C) porta alla parziale coalescenza dei globuli di grasso, che forma una rete abbastanza rigida attorno alle bolle d’aria e in tutto il mezzo che separa le bolle d’aria. La rete di globuli di grasso aggregati fornisce quindi stabilità e consistenza al prodotto finale. A volte alla panna da montare vengono aggiunti degli idrocolloidi per migliorare le sue proprietà montanti. Aumentando la viscosità della fase acquosa della panna, rallentano il movimento delle bolle d’aria. L’aggiunta di zuccheri alla panna da montare può essere sia dannosa che vantaggiosa per la qualità della sua schiuma. Se gli zuccheri vengono aggiunti prima della montatura, il volume e la stabilità della schiuma possono essere influenzati negativamente perché gli zuccheri stabilizzando la struttura globulare delle proteine del siero di latte, ritardano la denaturazione e l’aggregazione della superficie delle proteine e riducono la tendenza dello strato proteico viscoelastico di formarsi intorno alle bolle d’aria. Mentre, se gli zuccheri vengono aggiunti dopo la montatura, la stabilità della schiuma è spesso migliorata perché aumentano la viscosità della fase acquosa e quindi ritardano il movimento delle bolle d’aria.
Il burro è un’emulsione acqua-in-olio, tipicamente composta per l’80% da grassi del latte, per il 18% da acqua e per il 2% da solidi del latte; si forma dalla panna effettuando un’inversione di fase controllata. La panna utilizzata nella produzione di burro viene separata dal latte intero e viene normalmente pastorizzata. Viene poi raffreddata a una temperatura in cui le goccioline sono parzialmente cristalline (12-18°C), quindi agitata meccanicamente (zangolata). Il fenomeno fisico-chimico responsabile dell’inversione di fase della panna è simile a quello visto per la panna montata, ma è più esteso. Quando i globuli di grasso parzialmente cristallini si scontrano tra loro durante il processo di zangolatura, subiscono una coalescenza parziale, che porta alla formazione di agglomerati di globuli di grasso. La presenza di bolle d’aria incorporate nella panna durante il processo di zangolatura facilita questo processo causando la rottura e la diffusione dei globuli di grasso sulla loro superficie. Gli agglomerati di globuli di grasso, durante il processo di zangolatura, diventano progressivamente sempre più grandi unendosi l’uno con l’altro, fino a quando alla fine si verifica l’inversione di fase. Alla fine della zangolatura, il sistema è costituito da goccioline d’acqua, bolle d’aria e alcuni globuli di grasso intatti sospesi in una rete di cristalli di grasso. La consistenza e la stabilità del burro a una particolare temperatura dipendono in gran parte dal contenuto di grassi solidi e dalla morfologia e dalle dimensioni dei cristalli di grasso all’interno della rete, che a loro volta dipendono dalla composizione del grasso del burro e dalla storia termica e di taglio del prodotto.
Molti yogurt possono essere considerati emulsioni olio-in-acqua costituiti da globuli di grasso del latte sospesi in una fase acquosa semisolida. La fase acquosa contiene una rete tridimensionale di proteine aggregate di caseina e siero di latte, che conferisce allo yogurt i suoi caratteristici attributi tessiturali. Lo yogurt è formato principalmente da latte e/o panna, ma possono essere presenti anche una varietà di altri ingredienti, inclusi dolcificanti (ad esempio, zucchero e aspartame), aromi (ad esempio, vaniglia, caffè, banana e fragola) e altri ingredienti (ad esempio, stabilizzanti, frutta e conserve). Un mix di yogurt, formato mescolando insieme i vari ingredienti, viene pastorizzato a una temperatura che inattiva gli organismi patogeni e deterioranti e provoca la denaturazione termica delle proteine del siero di latte globulari, ad esempio 85°C per 30 minuti o 95°C per 10 minuti. Le proteine del siero di latte denaturate formano un complesso con le caseine che si traduce in una struttura più fine e una consistenza più solida nel prodotto finale. La miscela di yogurt viene quindi omogeneizzata e raffreddata ad una temperatura di circa 43°C, vengono aggiunti batteri produttori di acido lattico (tipicamente Lactobacillus bulgaricus e Streptococcus thermophilus) e il sistema viene fatto maturare per alcune ore. I batteri utilizzano il lattosio nel latte come fonte di energia e producono acido lattico come prodotto di scarto. Di conseguenza, il pH della fase acquosa diminuisce da circa 6,7 a 4,5, il che porta ad un’ampia aggregazione delle proteine perché le molecole di caseina vengono rilasciate dalle micelle di caseina e poiché il pH finale è vicino al punto isoelettrico delle proteine del latte, quindi la repulsione elettrostatica non impedisce più loro di avvicinarsi. L’aggregazione proteica porta alla formazione di una rete di gel tridimensionale che si estende in tutto lo yogurt e conferisce al prodotto le sue caratteristiche proprietà tessiturali. Dopo un certo periodo, il prodotto viene raffreddato a temperature di frigorifero, il che ritarda l’attività dei batteri. Lo yogurt viene conservato a temperature di refrigerazione (5°C) per rallentare la degradazione fisica, chimica e microbiologica.
Il sapore dello yogurt dipende in gran parte dalla presenza di sostanze aromatizzanti aggiunte, dal contenuto di grassi e dalla natura del processo di fermentazione utilizzato. Una delle maggiori sfide della moderna industria dello yogurt è quella di produrre yogurt magri che hanno caratteristiche sensoriali simili alle loro controparti integre. Quando il grasso viene rimosso, il profilo aromatico dello yogurt può essere alterato negativamente. La struttura degli yogurt a ridotto contenuto di grassi può essere migliorata aggiungendo particolato non grasso che disperde la luce, mentre il profilo aromatico può essere migliorato incapsulando i globuli di grasso in particelle di gel per rallentare il rilascio del sapore.
Il gelato è un sistema alimentare colloidale strutturalmente complesso costituito da bolle d’aria (∼50-80 μm), cristalli di ghiaccio (∼30-50 μm) e globuli di grasso (∼1 μm) dispersi in una fase acquosa fluida che contiene zuccheri, minerali e proteine.
I gelati variano considerevolmente nel sapore, nell’aspetto, nella consistenza e nella durata di conservazione a seconda della natura precisa degli ingredienti, delle operazioni di lavorazione e delle condizioni di conservazione utilizzate. Una miscela viene preparata mescolando insieme latte o panna, zuccheri, aromi e vari altri ingredienti (ad esempio, stabilizzanti ed emulsionanti). La miscela viene quindi solitamente pastorizzata, omogeneizzata e raffreddata. Viene quindi lasciata maturare a temperature di frigorifero (0-5°C) per alcune ore (circa 4) per consentire al grasso di cristallizzare parzialmente e agli ingredienti idrosolubili di idratarsi completamente. Gli emulsionanti a piccole molecole vengono spesso aggiunti alla miscela di gelato prima della maturazione perché spostano le proteine dalle superfici dei globuli di grasso, il che facilita la coalescenza parziale dei globuli di grasso durante il successivo processo di mantecazione. Dopo la fase di maturazione, la miscela di gelato viene raffreddata ad una temperatura sensibilmente inferiore al normale punto di congelamento dell’acqua, che provoca la cristallizzazione di una frazione della stessa. Il resto dell’acqua rimane allo stato liquido a causa della depressione nel suo punto di congelamento causata dalla presenza dei solidi (più che altro zuccheri) disciolti. La consistenza e la sensazione in bocca del prodotto finale sono fortemente influenzate dalla natura dei cristalli di ghiaccio formati durante il processo di congelamento. Il raffreddamento lento tende a portare alla formazione di un piccolo numero di cristalli di ghiaccio relativamente grandi, che conferiscono al prodotto finale una consistenza granulosa e una sensazione di ghiaccio in bocca. Il raffreddamento rapido combinato con l’agitazione meccanica porta alla formazione di un gran numero di cristalli di ghiaccio distribuiti uniformemente e relativamente piccoli, che conferiscono una consistenza morbida e una sensazione cremosa in bocca. Le bolle d’aria si formano e vengono incorporate nella miscela di gelato durante il processo di mantecazione, e contribuisce alla formazione di gelati con trame più morbide e leggere. Il raffreddamento e l’agitazione meccanica fanno sì che i globuli di grasso subiscano una coalescenza parziale e formino una rete aggregata che circonda le bolle d’aria e si estende per tutta la fase acquosa, che fornisce ulteriore stabilità e consistenza al prodotto. Dopo la fase di mantecatura, i gelati
subiscono un’ulteriore fase di indurimento. In questa fase, il prodotto viene confezionato e conservato in assenza di agitazione meccanica, che provoca la cristallizzazione di una frazione maggiore dell’acqua e aumenta la resistenza meccanica del prodotto. Una volta che il gelato è stato prodotto, deve essere conservato a temperature di frigorifero (tipicamente da -18 a -23 ° C) per mantenere il suo aspetto e consistenza desiderabili. È importante evitare un eccessivo ciclo di gelo-disgelo in quanto porta alla formazione di grandi cristalli di ghiaccio. Gli stabilizzanti polisaccaridici sono spesso incorporati nella miscela di gelato per ritardare la formazione di grandi cristalli di ghiaccio durante la produzione e lo stoccaggio, oltre che per fornire un corpo e una consistenza più desiderabili al prodotto finale.
N.B. Per il gelato è stato riportiamo solo un riassunto di quello che potrai trovare sviluppato maggiormente nella sezione “GELATI”.
Il formaggio è un altro esempio di emulsione olio-in-acqua costituita da globuli di grasso del latte sospesi in una fase acquosa semisolida. Ci sono un numero enorme di diversi tipi di formaggi consumati a livello internazionale che variano nella loro consistenza, aspetto, gusto e durata di conservazione. Tuttavia, la maggior parte dei formaggi sono prodotti con un metodo di produzione abbastanza simile. Inizialmente, i batteri che producono acido lattico, e il caglio vengono aggiunti al latte caldo. I batteri convertono il lattosio nel latte in acido lattico, che riduce il pH della fase acquosa al valore ottimale per la funzione efficiente dell’enzima caglio. Questo enzima fende la κ-caseina nel legame Phe(105)–Met(106) nella catena peptidica, che divide la molecola in una porzione idrofila altamente carica (caseina macropeptide) e una porzione relativamente idrofobica (para-κ-caseina). La κ-caseina costituisce parte integrante della struttura delle micelle di caseina e la sua porzione idrofila normalmente aiuta a prevenire l’aggregazione delle micelle di caseina. Una volta che questa parte viene rimossa dall’azione del caglio, le micelle di caseina coagulano rapidamente per formare una cagliata che intrappola la maggior parte dei globuli di grasso, lasciando una fase acquosa, nota come “siero di latte” che contiene lattosio, proteine del siero di latte, vitamine idrosolubili e minerali. Dopo un certo tempo, la maggior parte del siero viene drenata dalla cagliata. La cagliata viene quindi solitamente tagliata, pressata, cotta e salata.
Tradizionalmente, il siero di latte era considerato un prodotto di scarto, ma ora è utilizzato dall’industria lattiero-casearia per produrre una varietà di ingredienti funzionali a valore aggiunto, tra cui concentrati e isolati di proteine del siero di latte. Una volta che la maggior parte del siero è stato rimosso dalla cagliata, viene invecchiato (maturato) in condizioni di conservazione attentamente controllate (temperatura e umidità). Durante il processo di maturazione, gli enzimi microbici scompongono i lipidi e le proteine in una moltitudine di diverse molecole di gusto e aroma (ad esempio, acidi grassi, prodotti di reazione degli acidi grassi, peptidi e amminoacidi) che conferiscono al formaggio il suo sapore caratteristico. Inoltre, le proteine subiscono interazioni chimiche e fisiche tra loro che alterano le caratteristiche tessiturali del prodotto. Ogni tipo di formaggio ha le sue caratteristiche
fisico-chimiche e sensoriali uniche a causa delle differenze nel tipo di latte o panna utilizzata (contenuto di grassi, pastorizzazione, omogeneizzazione), batteri o muffe aggiunte e condizioni di conservazione utilizzate durante la stagionatura, nonché altri perfezionamenti del processo generale. Le indagini microstrutturali dei formaggi mostrano che di solito sono costituiti da globuli di grasso intrappolati in una rete tridimensionale di proteine aggregate. Se per preparare il formaggio si utilizza latte non omogeneizzato, i globuli di grasso non tendono ad interagire con la rete proteica, ma se si utilizza latte omogeneizzato, i globuli di grasso interagiscono con la rete perché sono principalmente coperti dalle proteine stesse. I globuli di grasso possono quindi dare un contributo importante alla consistenza di molti formaggi. Ad esempio, quando il formaggio cheddar viene riscaldato al di sopra della temperatura di fusione delle goccioline di grasso, c’è un collasso irreversibile della sua struttura e viene rilasciato l’olio liquido.
I liquori Cremosi sono emulsioni O/W che contengono etanolo nella sua fase acquosa continua. La presenza di etanolo (fino al 20% in peso) migliora l’emulsione e produce goccioline più fini, poiché abbassa la tensione interfacciale. Tuttavia, l’aumento del contenuto alcolico può alla fine portare all’aggregazione proteica, con precipitazioni osservate a > 30% in peso di etanolo. Il caseinato di sodio è lo stabilizzatore primario nei liquori cremosi perchè è in grado di formare uno strato interfacciale di submicelle di caseinato attorno alle goccioline di grasso per stabilizzarle. Se ai liquori cremosi vengono aggiunti tensioattivi a basso peso molecolare, si posizioneranno nello strato interfacciale primario insieme all’etanolo; mentre, gli strati interfacciali secondari conterranno i caseinati adsorbiti. Ma a causa della capacità emulsionante intrinseca dei liquori cremosi, l’aggiunta di tensioattivi a basso peso molecolare non influenza significativamente la distribuzione delle dimensioni delle goccioline. Il contenuto di etanolo riduce anche la viscosità superficiale del film di caseinato adsorbito all’interfaccia, e questo contribuisce alla fluidità dei liquori cremosi, ben apprezzata dai consumatori.
Un’ampia varietà di dressing, condimenti e salse vengono utilizzati sulle insalate e in altri alimenti per migliorare la loro appetibilità e desiderabilità. Il mercato di questo tipo di prodotti sta crescendo man mano che vengono introdotti sapori e ingredienti più esotici e vengono sviluppate versioni più salutari. La maggior parte di questi condimenti sono emulsioni olio-in-acqua o prodotti senza grassi progettati per imitare le proprietà fisico-chimiche delle emulsioni olio-in-acqua. Il contenuto di grassi varia dallo 0% a oltre l’80%. Questi prodotti possono essere classificati come cucchiaiabili o versabili a seconda della loro composizione e delle caratteristiche reologiche. I prodotti cucchiaiabili tendono ad avere un alto contenuto di grassi come la maionese, mentre quelli versabili tendono ad avere un contenuto di grassi e un flusso inferiori quando versati da una bottiglia.
La maionese contiene fino al 70% -80% di grassi ed è considerata un’emulsione acida O→W. Il basso pH e l’alto contenuto di grassi della maionese la rendono altamente resistente al deterioramento microbico. Per mantenere la stabilità dell’emulsione, non devono esserci cristalli di grasso all’interno della fase di olio disperso. La fase acquosa continua consiste tipicamente di uova, zucchero, aceto, sale e spezie. Il tuorlo d’uovo contiene lecitina che funge da emulsionante e stabilizzatore. Il sale è anche un ingrediente importante in quanto aiuta a disperdere i granuli di tuorlo d’uovo e neutralizza le cariche proteiche. Ciò consente alle proteine di assorbire fortemente l’interfaccia e interagire meglio con le goccioline adiacenti. Per fare la maionese, il primo passo è mescolare insieme i componenti con la fase acquosa. Successivamente, l’olio deve essere aggiunto gradualmente durante la miscelazione continua. Questo è un passo importante in quanto la miscelazione di entrambe le fasi insieme tutte in una volta comporterebbe la formazione di una miscelazione senza emulsione. Le goccioline di olio all’interno della maionese sono distorte dalla loro normale forma sferica in quanto sono strettamente associate tra loro. Questa flocculazione è importante per la viscosità e la consistenza della maionese. Il pH della maionese deve essere vicino al punto isoelettrico delle proteine del tuorlo d’uovo (che è 3.9) per consentire la massima viscoelasticità e stabilità. Questa inversione di fase parziale si traduce in un’emulsione termostabile che può essere pastorizzata. Il riscaldamento della maionese a 60°C denatura le proteine dell’uovo, seguito dall’idrolisi per produrre fosfatidilcolina che è un efficace tensioattivo O→W. In alternativa, viene utilizzata la lecitina.
Lo sviluppo di versioni più sane delle salse, dei dressing e dei condimenti tradizionali è stato stimolato dall’aumento della consapevolezza dei consumatori sul consumo eccessivo di alcuni componenti alimentari (ad esempio, dei grassi saturi) e del sottoconsumo di altri (per esempio, acidi grassi ω-3). Ciò ha portato alla popolarità di versioni a ridotto contenuto di grassi, leggere, a basso contenuto di grassi o senza grassi dei prodotti tradizionali, nonché all’introduzione di prodotti fortificati con lipidi che promuovono la salute, come acidi grassi ω-3, o esteri di steroli vegetali. C’è stata anche una tendenza verso l’introduzione di condimenti contenenti sapori e ingredienti più esotici. Inoltre, c’è stata una spinta verso la creazione di etichette più pulite sostituendo gli ingredienti sintetici (come i polisorbati) con quelli più naturali (come le proteine del latte). Lo sviluppo di questi nuovi prodotti ha creato nuove sfide per il settore, per esempio, come poter incorporare questi nuovi ingredienti senza influenzare negativamente la stabilità fisica o chimica del sistema.
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