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Le emulsioni alimentari contengono tipicamente un’ampia varietà di ingredienti diversi, tra cui oli, emulsionanti, addensanti, agenti gelificanti, sistemi tamponanti, conservanti, antiossidanti, agenti chelanti, dolcificanti, sali, coloranti, aromi, ecc. Ognuno di questi ingredienti ha le sue proprietà molecolari, fisiche e funzionali uniche. In definitiva, le proprietà fisico-chimiche, sensoriali e nutrizionali di un prodotto alimentare a base di emulsione dipendono dal tipo di ingredienti presenti, dalla loro posizione fisica e dalle loro interazioni reciproche.
N.B. in questo articolo parleremo dei macroingredienti, come i grassi e l’acqua, ma anche degli aromi e dei colori focalizzandoci sulle loro funzioni nelle emulsioni. Nell’ articolo, gli stabilizzanti delle Emulsioni, entreremo invece, più nel dettaglio di tutti quegli ingredienti funzionali alla stabilità e alla riuscita delle emulsioni, come gli emulsionanti, i modificatori di consistenza e gli agenti di ponderazione.
Ogni costituente delle emulsioni svolge uno o più ruoli specifici nel determinare le proprietà complessive di un’emulsione alimentare e questi ruoli sono spesso influenzati dalla presenza degli altri componenti. È quindi importante identificare il ruolo o i ruoli multipli che ciascun ingrediente funzionale svolge all’interno di una particolare emulsione alimentare e capire come questi ruoli sono influenzati dalla presenza di altri costituenti. Questa conoscenza faciliterà la selezione razionale della combinazione ottimale di ingredienti necessari per produrre le proprietà fisico-chimiche e sensoriali desiderate del prodotto finale.
Il ventesimo secolo ha visto lo sviluppo di operazioni di produzione industriale su larga scala in cui gli alimenti sono stati prodotti in serie. La produzione di massa ha portato alla disponibilità di un’ampia varietà di alimenti economici che sono veloci e facili da preparare e sono quindi attraenti per i consumatori. Tuttavia, la crescente dipendenza dalla produzione di massa ha significato che i produttori di alimenti hanno dovuto sviluppare una comprensione più approfondita del comportamento degli ingredienti alimentari prima, durante e dopo la lavorazione. Questa conoscenza è necessaria per una serie di motivi:
⊃ Le proprietà degli ingredienti che entrano in una fabbrica alimentare spesso variano da lotto a lotto. I produttori di alimenti utilizzano la loro conoscenza del comportamento degli ingredienti alimentari in condizioni diverse per regolare le operazioni di trasformazione alimentare in modo che il prodotto finale abbia proprietà coerenti.
⊃ oggi si è sempre più spesso alla ricerca di alternative più economiche agli ingredienti esistenti, per ingredienti con proprietà funzionali migliorate o per ingredienti più “label friendly”. La comprensione del ruolo che l’ingrediente originale svolge in un alimento facilita la selezione razionale di un ingrediente alternativo.
⊃ per migliorare la qualità, la varietà, la convenienza e la competitività degli alimenti trasformati; la conoscenza delle proprietà degli ingredienti consente di sviluppare questi alimenti in modo più sistematico e informato.
⊃ per sviluppare prodotti di alta qualità con quantità ridotte di costituenti alimentari associati a problemi di salute, per esempio, grassi saturi, acidi grassi trans, colesterolo, zucchero e sale o che vengono integrati con costituenti alimentari che sono stati associati al mantenimento o al miglioramento della salute come, acidi grassi ω-3, fibre alimentari, minerali specifici, e nutraceutici. Ma la rimozione di alcuni ingredienti o l’aggiunta di nuovi ingredienti può causare cambiamenti non apprezzabili nel gusto, nella consistenza o nell’aspetto. Prendiamo l’esempio delle versioni “light”, molti prodotti senza grassi o a basso contenuto di grassi non presentano il gusto desiderabile o le caratteristiche strutturali dei prodotti grassi che devono sostituire. Di conseguenza, è importante comprendere il ruolo che ogni ingrediente svolge nel determinare le proprietà fisico-chimiche e organolettiche complessive degli alimenti, in modo che questo ruolo possa essere imitato da un ingrediente alternativo più sano.
I grassi e gli oli fanno parte di un gruppo di composti noti come lipidi. Per definizione un lipide è un composto solubile in solventi organici, ma insolubile o solo scarsamente solubile in acqua. Questo gruppo di composti contiene un gran numero di diversi tipi di molecole, tra cui triacilgliceroli, diacilgliceroli, monoacilgliceroli, acidi grassi liberi, steroli e fosfolipidi. I triacilgliceroli sono di gran lunga il lipide più comune negli alimenti ed è questo tipo di molecola che viene solitamente indicato come grasso o olio. A causa della loro grande importanza nelle emulsioni alimentari, in questo articolo ci occupiamo principalmente delle proprietà dei triacilgliceroli. Tuttavia, va detto che ci sono altri tipi di lipidi che sono ancor più importanti in alcuni tipi di alimenti e bevande a base di emulsioni, per esempio, la principale fonte lipidica in molte emulsioni di bevande sono gli oli essenziali.
Gli attributi tessiturali caratteristici di alcune emulsioni alimentari sono dovuti alla capacità della fase oleosa di cristallizzare. Le caratteristiche strutturali delle emulsioni sono importanti in numerosi prodotti commerciali, tra cui creme, dessert, condimenti e
maionese. Per esempio, la “spalmabilità” delle emulsioni W→O, come margarine e burri, è determinata dalla formazione di una rete tridimensionale di cristalli di grasso aggregati in fase continua che conferisce al prodotto una certa rigidità meccanica. La creazione di prodotti come il gelato e la panna montata dipende dalla destabilizzazione controllata delle goccioline di olio parzialmente cristallino nella miscela del gelato (emulsione O→W). La tendenza di una crema ad addensarsi o “coagulare” quando viene raffreddata al di sotto di una certa temperatura è dovuta alla formazione di cristalli di grasso nelle goccioline di olio, che le fa aggregare. L’aspetto caratteristico e la reologia delle emulsioni alimentari sono in gran parte il risultato dell’immiscibilità di olio e acqua. Le emulsioni alimentari di solito appaiono torbide, perché la luce che le attraversa è dispersa dalle goccioline al suo interno; sia il colore che l’opacità delle emulsioni alimentari sono fortemente influenzati dal loro contenuto di grassi. Anche la reologia dipende dal contenuto di grassi, poiché la viscosità dell’emulsione aumenta con l’aumentare della concentrazione di goccioline. Il sapore è un altro attributo indirettamente influenzato dalla presenza della fase lipidica delle emulsioni; il sapore percepito è spesso fortemente influenzato dal tipo e dalla concentrazione dei lipidi presenti. La fusione dei cristalli di grasso in bocca provoca una sensazione di raffreddamento che è un importante attributo sensoriale di molti cibi grassi. La fase lipidica può anche agire come solvente per vari altri importanti componenti alimentari, tra cui vitamine solubili in olio, antiossidanti, e conservanti.
Molte delle proprietà fisico-chimiche di massa dei grassi e degli oli commestibili hanno un’influenza importante sulla formazione e sulla stabilità delle emulsioni alimentari. Per esempio, la stabilità all’affioramento delle emulsioni dipende dal contrasto di densità tra la fase oleosa e quella acquosa, e quindi i cambiamenti nella densità della fase oleosa possono causare cambiamenti nella stabilità a lungo termine di un’emulsione. La capacità di produrre un’emulsione contenente piccole goccioline, non dipende solo dalle condizioni di omogeneizzazione, ma può dipendere anche dalla natura dell’olio utilizzato. La dimensione delle goccioline prodotte durante l’omogeneizzazione, è influenzata dalla tensione interfacciale presente nell’interfaccia olio-acqua; la rottura delle goccioline di solito è più facile se la tensione interfacciale diminuisce. La tensione interfacciale di un olio dipende dalla polarità delle principali molecole lipidiche presenti (ad esempio, triacilgliceroli o terpeni), nonché dalla presenza di eventuali componenti tensioattivi minori (per esempio, acidi grassi liberi, monoacilgliceroli, diacilgliceroli o fosfolipidi). Ci possono essere variazioni significative nelle tensioni interfacciali prodotte dagli oli a seconda della loro origine e purezza. La polarità dell’olio può anche influenzare la ripartizione dei costituenti funzionali (come gli aromi, gli antiossidanti, i conservanti o i colori) tra l’olio e le fasi acquose, che possono alterare le proprietà fisico-chimiche o sensoriali del sistema.
Le proprietà fisico-chimiche di massa di molti oli liquidi di triacilglicerolo sono abbastanza simili, e questo potrebbe far pensare che la scelta del tipo di olio potrebbe non avere una grande influenza sulle proprietà complessive di molti prodotti alimentari a base di emulsione. In realtà, alcuni tipi di olio hanno proprietà significativamente diverse nell’ottica delle emulsioni, tanto da poter influenzare le loro prestazioni funzionali. Tenere conto di questo aspetto può essere particolarmente importante soprattutto quando si cerca di sostituire un tipo di olio con un altro chimicamente diverso, per esempio, passare da un olio ricco di lipidi monosaturi, ad un olio ricco di lipidi polinsaturi, o ancor di più sostituire un olio convenzionale con un sostituto del grasso (fat replaces).
Una delle caratteristiche più importanti dei grassi e degli oli è la loro capacità di subire transizioni di fase solido-liquido a temperature che si verificano durante la lavorazione, la conservazione e la manipolazione delle emulsioni alimentari. La consistenza, la sensazione in bocca, la stabilità e l’aspetto di molte emulsioni alimentari dipendono dallo stato fisico della fase lipidica. Per esempio, la conversione del latte in burro si basa sulla destabilizzazione controllata di un’emulsione olio-in-acqua (latte) in un’emulsione acquosa-olio (burro), che inizia dalla formazione di cristalli nei globuli di grasso del latte, mentre la sua spalmabilità è regolata dalla quantità e dal tipo di cristalli di grasso formati.
LA CRISTALLIZZAZIONE DEI GRASSI NELLE EMULSIONI
L’influenza della cristallizzazione dei grassi sulle proprietà fisico-chimiche di massa delle emulsioni alimentari dipende dal fatto che il grasso formi la sua fase continua o la sua fase dispersa, dipende dai casi. La caratteristica stabilità e le proprietà reologiche delle emulsioni acqua-in-olio, come burro e margarina, è determinata dalla presenza di una rete di cristalli di grasso aggregati all’interno della fase continua (olio). La rete di cristalli di grasso impedisce alle goccioline d’acqua di sedimentarsi sotto l’influenza della gravità, e determina la spalmabilità del prodotto. Se sono presenti troppi cristalli di grasso il prodotto è troppo sodo e difficile da diffondere, ma quando ci sono troppo pochi cristalli presenti il prodotto è morbido e collassa sotto il suo stesso peso.
La selezione di un grasso con le caratteristiche di fusione appropriate è quindi uno degli aspetti più importanti della produzione di margarina. Il profilo di fusione dei grassi naturali può essere ottimizzato per applicazioni specifiche con vari metodi fisici o chimici, tra cui miscelazione, interesterificazione, frazionamento e idrogenazione. La cristallizzazione del grasso ha anche una marcata influenza sulle proprietà fisico-chimiche di molte emulsioni olio-acqua, come latte, panna o condimenti per insalata. Quando le goccioline di grasso sono parzialmente cristalline, un cristallo da una goccia può penetrare in un’altra goccia durante una collisione che fa sì che le due goccioline si attacchino insieme. Questo fenomeno è noto come coalescenza parziale e porta ad un notevole aumento della viscosità di un’emulsione, nonché ad una diminuzione della stabilità all’affioramento. Un’ampia coalescenza parziale può portare all’inversione di fase, cioè alla conversione di un’emulsione olio-in-acqua in un’emulsione acqua-in-olio. Questo processo è una fase delle più importanti nella produzione di burri, margarine e creme spalmabili. La coalescenza parziale è fondamentale anche nella produzione di gelati e di panna montata. In questi casi un’emulsione olio-in-acqua (miscela del gelato) viene raffreddata a una temperatura in cui il grasso emulsionato cristallizza parzialmente e viene quindi agitato meccanicamente per promuovere collisioni e aggregazioni di goccioline.
Le goccioline aggregate formano un guscio attorno alle bolle d’aria e una rete tridimensionale in fase continua che contribuiscono alla stabilità e alla consistenza del gelato.
La creazione di emulsioni alimentari con proprietà desiderabili dipende quindi dalla comprensione dei principali fattori che influenzano la cristallizzazione e la fusione dei lipidi negli alimenti. Vedi approfondimento sulle Proprietà dei lipidi. Il tipo e la concentrazione di molecole all’interno della fase lipidica possono cambiare nel tempo a causa di reazioni chimiche. I due cambiamenti chimici più importanti che si verificano nei grassi e negli oli commestibili sono la lipolisi e l’ossidazione. La lipolisi è il processo in cui i legami estere di grassi e oli vengono idrolizzati da alcuni enzimi o da una combinazione di calore e umidità. Il risultato della lipolisi è la liberazione degli acidi grassi liberi, che possono essere dannosi o desiderabili per la qualità del cibo. La lipolisi ha effetti deleteri sulla qualità di alcuni prodotti alimentari perché porta alla generazione di sapori rancidi e odori, che è noto come “rancidimento idrolitico”. Vedi approfondimento.
Una varietà di grassi e oli commestibili è possibile utilizzare nelle emulsioni alimentari e la scelta del tipo più appropriato per una particolare applicazione dipende dalle caratteristiche nutrizionali, fisico-chimiche e sensoriali desiderate per quel prodotto specifico. Alcune delle caratteristiche più importanti da considerare quando si seleziona una fonte lipidica sono:
⊃ Profilo nutrizionale; una tendenza importante nell’industria alimentare è quella di migliorare la salubrità degli alimenti, diminuendo il livello di quei lipidi associati a problemi di salute (come il colesterolo, i grassi saturi e gli acidi grassi trans) o aumentando il livello di quei lipidi associati a una migliore salute e benessere umano (come i grassi polinsaturi, ω-3 acidi grassi, vitamine solubili in olio e nutraceutici). Molti produttori alimentari stanno quindi riformulando i loro prodotti per sostituire le fonti di olio esistenti con lipidi con profili nutrizionali più salutari. Tuttavia, la modifica del profilo nutrizionale di un olio può anche causare cambiamenti apprezzabili nelle sue caratteristiche fisico-chimiche e sensoriali (ad esempio, profilo aromatico, caratteristiche di cristallizzazione e viscosità), che possono influenzare negativamente i suoi attributi funzionali all’interno di un prodotto specifico (ad esempio, formazione di emulsione, stabilità o proprietà). Per questo motivo, sono attualmente in corso ricerche per produrre emulsioni contenenti oli con profili nutrizionali migliorati, ma che mantengono anche i loro attributi funzionali desiderabili.
⊃ Profilo aromatico; i triacilgliceroli sono molecole relativamente grandi che hanno una bassa volatilità e quindi hanno poco sapore intrinseco. Tuttavia, diverse fonti naturali di grassi e oli commestibili hanno profili aromatici distintivi a causa dei caratteristici prodotti volatili di degradazione e delle impurità che contengono. L’olio proveniente da una specifica fonte naturale può quindi essere selezionato per l’utilizzo in un particolare prodotto alimentare perché contribuisce al profilo aromatico complessivo. La fase oleosa può anche influenzare indirettamente il profilo aromatico a causa della sua capacità di agire come solvente per molecole volatili non polari. La ripartizione delle molecole aromatiche tra olio, acqua e regioni gassose e la loro velocità di rilascio durante la masticazione dipende da fattori quali la polarità, la viscosità e la cristallinità della fase lipidica, che possono variare da una fonte di olio all’altra.
⊃ Comportamento di cristallizzazione; l’idoneità dei grassi e degli oli alimentari per molte applicazioni all’interno delle emulsioni alimentari dipende dalle loro temperature di fusione e cristallizzazione, dal profilo di temperatura, dalla morfologia dei cristalli e dalla tendenza polimorfica. In alcune emulsioni, è importante che il grasso non cristallizzi durante la vita del prodotto poiché ciò porterebbe all’instabilità attraverso la coalescenza parziale. Per esempio, è importante che gli oli utilizzati per produrre condimenti per insalata non cristallizzino quando esposti alle temperature del frigorifero. Ciò può essere ottenuto utilizzando fonti di olio che hanno naturalmente bassi punti di fusione, rimuovendo frazioni ad alta fusione mediante cristallizzazione selettiva o aggiungendo componenti che ritardano la formazione dei cristalli, come i tensioattivi solubili in olio. In altre emulsioni alimentari, invece la cristallizzazione della fase lipidica è parte integrante della loro produzione e determina i loro attributi fisico-chimici e sensoriali desiderabili, come nella margarina, nel burro, nella panna montata e nel gelato. In questi prodotti, di solito è importante selezionare un olio che abbia un particolare profilo rispetto alla temperatura, e che formi cristalli della dimensione, della forma e della forma polimorfa appropriate. Sono disponibili varie tecniche analitiche per caratterizzare il comportamento di cristallizzazione degli oli. Le caratteristiche di cristallizzazione desiderate possono essere ottenute selezionando un olio naturale con una specifica composizione di triacilglicerolo, oppure la composizione del triacilglicerolo della fase oleosa può essere ottenuta mediante miscelazione, frazionamento, interesterificazione o idrogenazione degli oli.
⊃ Stabilità ossidativa; molti grassi e oli commestibili contengono naturalmente quantità significative di lipidi polinsaturi, che sono altamente suscettibili all’ossidazione lipidica. L’ossidazione lipidica porta ad una riduzione della concentrazione di questi lipidi polinsaturi che promuovono la salute, nonché alla generazione di composti volatili che possono causare un sapore rancido indesiderato. Gli oli aromatici contengono anche componenti suscettibili alle reazioni di degradazione ossidativa che portano alla perdita di sapori desiderabili e/o alla produzione di sapori indesiderati. Quando si seleziona un olio da utilizzare in un prodotto alimentare a base di emulsione, è spesso importante assicurarsi che non abbia subito una quantità significativa di ossidazione lipidica prima dell’uso e che abbia una buona stabilità ossidativa per tutta la durata del prodotto. Sono disponibili test analitici per valutare l’entità dell’ossidazione lipidica che si è già verificata in un olio e per prevedere la suscettibilità degli oli all’ossidazione. La stabilità ossidativa di un’emulsione può essere migliorata utilizzando una fonte di olio naturalmente povera di grassi polinsaturi o riducendo il contenuto di grassi polinsaturi di un olio naturale, ad esempio mediante idrogenazione parziale. Tuttavia, molti produttori alimentari vogliono aumentare la concentrazione di grassi polinsaturi nei prodotti alimentari a causa dei loro potenziali benefici per la salute. Per questi prodotti, è importante sviluppare strategie efficaci per prevenire o ritardare l’ossidazione dei lipidi durante la shelf-life del prodotto.
⊃ Proprietà fisico-chimiche di massa; il tipo e la concentrazione di molecole all’interno di una fase oleosa determinano le sue proprietà fisico-chimiche di massa, ad esempio viscosità, densità, indice di rifrazione, costante dielettrica, polarità e tensione interfacciale. Queste proprietà possono avere un’influenza apprezzabile sulla formazione, la stabilità e la qualità di un’emulsione alimentare. Quindi, oli provenienti da diverse fonti naturali o che sono stati elaborati in modo diverso possono comportarsi in modo diverso quando vengono utilizzati in un’emulsione. Queste differenze potrebbero dover essere prese in considerazione quando si riformula un’emulsione per cambiare il tipo di lipide utilizzato per comporre la fase oleosa.
⊃ Qualità dell’olio; oltre alle impurità sopra menzionate, gli oli utilizzati per preparare le emulsioni possono contenere una varietà di altre impurità che influiscono negativamente sulla loro idoneità per particolari applicazioni, inclusi sapori sgradevoli, pigmenti, fosfolipidi e acidi grassi liberi. Per questo motivo, i componenti che hanno un impatto negativo sulla qualità dell’emulsione vengono solitamente rimossi dagli oli prima del loro utilizzo nei prodotti alimentari, ad esempio, mediante deodorizzazione, neutralizzazione, sgommatura e sbiancamento. Una varietà di procedure analitiche sono abitualmente utilizzate dagli scienziati alimentari per testare la qualità di un olio in modo da garantire che sia adatto per l’utilizzo in un prodotto, come metodi classici, enzimatici, spettroscopici, spettrometrici e cromatografici.
L’acqua svolge un ruolo estremamente importante nel determinare le proprietà fisico-chimiche e organolettiche delle emulsioni alimentari. Le sue proprietà molecolari e strutturali uniche determinano in gran parte la solubilità, la conformazione e le interazioni degli altri componenti presenti nelle soluzioni acquose. Risulta quindi fondamentale comprendere il contributo che l’acqua apporta alle proprietà complessive delle emulsioni alimentari. È la capacità delle molecole d’acqua di formare legami relativamente forti (legami idrogeno) tra loro e con altri tipi di molecole polari o ioniche, che determina molte delle proprietà caratteristiche delle emulsioni alimentari. La cristallizzazione dell’acqua ha un effetto pronunciato sulle proprietà fisiochimiche di massa delle emulsioni alimentari. Per esempio, la presenza ddei cristalli di ghiaccio nella fase acquosa di un’emulsione olio-in-acqua, come il gelato, contribuisce alla caratteristica sensazione in bocca e alla consistenza del prodotto.
Quando questi cristalli di ghiaccio diventano troppo grandi, un prodotto viene percepito come “granuloso” o “sabbioso”, fenomeno che avviene quando il gelato per esempio, viene sciolto e poi ricongelato. Molti alimenti a base di emulsioni sono progettati per essere stabili al gelo-scongelamento, cioè la loro qualità non dovrebbe essere influenzata negativamente una volta che il prodotto è congelato e poi scongelato. La fase acquosa della maggior parte delle emulsioni alimentari contiene una varietà di costituenti idrosolubili, tra cui minerali, acidi, basi, aromi, conservanti, vitamine, zuccheri, tensioattivi, proteine e polisaccaridi. La solubilità, la partizione e la conformazione, le interazioni e la reattività chimica di molti di questi ingredienti alimentari sono determinate dalle loro interazioni con l’acqua. È quindi importante comprendere la natura delle interazioni soluto-acqua e la loro influenza sulle proprietà fisico-chimiche e organolettiche delle emulsioni alimentari.
Influenza dei soluti sulle proprietà fisico-chimiche delle soluzioni
La formazione, la stabilità e le proprietà dell’emulsione sono fortemente influenzate dalle proprietà fisico-chimiche della fase acquosa, come densità, viscosità, indice di rifrazione, capacità termica specifica, conduttività termica e costante dielettrica. Per esempio, la capacità di produrre piccole goccioline di emulsione durante l’omogeneizzazione dipende dalla viscosità e dalla tensione interfacciale della fase acquosa. La stabilità alla mantecatura delle emulsioni olio-in-acqua (gelati) dipende dalla densità e dalla viscosità della fase acquosa. La stabilità alla flocculazione e alla coalescenza delle emulsioni dipende dalla forza delle interazioni attrattive e repulsive tra le goccioline, che è influenzata dalla forza ionica, dalla costante dielettrica e dall’indice di rifrazione della fase acquosa. L’aspetto di un’emulsione è influenzato dal contrasto nell’indice di rifrazione tra l’olio e le fasi acquose, poiché questo determina la frazione di luce diffusa dalle goccioline. Il sapore delle emulsioni dipende dalla ripartizione e dalla velocità di rilascio delle molecole aromatiche in un alimento, che sono influenzate dalla polarità e dalla viscosità della fase acquosa. Le proprietà fisico-chimiche di massa di una fase acquosa dipendono dal tipo, dalla concentrazione e dalle interazioni dei vari soluti presenti. I soluti possono influenzare le proprietà di massa dell’acqua direttamente attraverso le loro interazioni molecolari con le molecole d’acqua, o indirettamente a causa di effetti termodinamici “colligativi” (vedi nota sotto). Per esempio, la presenza di soluti in una soluzione acquosa provoca una diminuzione del punto di fusione, un aumento del punto di ebollizione e una diminuzione dell’attività dell’acqua delle soluzioni acquose. Ogni tipo di soluto influenza le proprietà fisico-chimiche di massa dell’acqua in modo diverso a causa delle differenze nelle sue caratteristiche molecolari intrinseche (per esempio, peso molecolare, dimensioni, forma e carica) e nella sua capacità di alterare le proprietà delle molecole d’acqua nelle sue vicinanze.
È anche utile delineare i vari modi in cui i soluti ionici possono influenzare le interazioni goccia-gocciolina nelle emulsioni olio-in-acqua poiché ciò ha un impatto importante sulla stabilità e sulle proprietà di queste emulsioni, in particolare quelle stabilizzate dagli emulsionanti ionici:
⊃ A concentrazioni relativamente basse (500 mM), i soluti ionici (e altri) aumentano l’attrazione tra le goccioline di emulsione (e altri tipi di particelle colloidali) a causa di un effetto di esclusione sterica. Gli ioni idratati sono significativamente più grandi delle molecole d’acqua, quindi, c’è una regione che circonda la superficie di una goccia di emulsione dove le molecole d’acqua possono entrare, ma gli ioni idratati ne sono esclusi. Ciò genera un gradiente di concentrazione del soluto tra la regione impoverita di soluto e la soluzione acquosa, che è termodinamicamente sfavorevole e genera una forza attrattiva tra le goccioline di emulsione.
⊃ A concentrazioni relativamente elevate (>500 mM), i soluti ionici alterano l’organizzazione strutturale dell’acqua, che influenza la forza delle interazioni idrofobiche.
⊃ I soluti ionici possono causare cambiamenti nella conformazione delle molecole di biopolimero adsorbite sulla superficie delle goccioline di emulsione o disperse nella fase continua, che altereranno la forza delle interazioni steriche e di deplezione tra le goccioline.
⊃ Il legame degli ioni idratati alla superficie delle goccioline di emulsione può aumentare la repulsione dell’idratazione tra le goccioline.
Il fatto che gli ioni influenzino le interazioni tra le goccioline di emulsione in così tanti modi diversi, significa che è spesso difficile prevedere o quantificare con precisione il loro effetto sulle proprietà dell’emulsione.Si ritiene che l’idratazione dei gruppi polari di molecole tensioattive sia in parte responsabile della loro stabilità all’aggregazione. Quando i tensioattivi vengono riscaldati, i gruppi di testa diventano progressivamente disidratati, il che alla fine provoca l’aggregazione delle molecole. Queste forze di idratazione svolgono anche un ruolo importante nel prevenire l’aggregazione di goccioline di emulsione stabilizzate da tensioattivi non ionici.
La conoscenza delle proprietà fisico-chimiche della fase acquosa è quindi importante per prevedere, comprendere e controllare il comportamento delle emulsioni alimentari.
Selezione di una fase acquosa appropriata
L’acqua è generalmente considerata una sostanza chimicamente distinta con formula chimica H20, ma in pratica, l’acqua utilizzata nella preparazione delle emulsioni alimentari non è pura, ma contiene tipicamente quantità significative di contaminanti organici e inorganici che influenzano le sue proprietà fisico-chimico e sensoriali. Per esempio, acidi, basi, minerali, microrganismi e potenziali sapori sgradevoli. Molti di questi contaminanti possono avere un effetto negativo sulla qualità dei prodotti alimentari a base di emulsione e, pertanto, vengono spesso rimossi trattando l’acqua prima dell’utilizzo, per esempio utilizzando metodi di precipitazione, centrifugazione, filtrazione o evaporazione.
Le proprietà colligative sono proprietà delle soluzioni che dipendono dal numero di particelle in un volume di solvente (la concentrazione) e non dalla massa o dall’identità delle particelle di soluto. Anche le proprietà colligative sono influenzate dalla temperatura. Il calcolo delle proprietà funziona perfettamente solo per soluzioni ideali. In pratica, ciò significa che le equazioni per le proprietà colligative dovrebbero essere applicate solo per diluire soluzioni reali quando un soluto non volatile viene sciolto in un solvente liquido volatile. Per ogni dato rapporto massa soluto/solvente, ogni proprietà colligativa è inversamente proporzionale alla massa molare del soluto. Quando un soluto viene aggiunto a un solvente per fare una soluzione, le particelle disciolte spostano parte del solvente nella fase liquida. Ciò riduce la concentrazione del solvente per unità di volume. In una soluzione diluita, non importa quali siano le particelle, ma quante di esse sono presenti. Quindi, per esempio, dissolvendo completamente il cloruro di calcio CaCl2 , si produrrebbero tre particelle (uno ione calcio e due ioni cloruro), mentre la dissoluzione di NaCl produrrebbe solo due particelle (uno ione sodio e uno ione cloruro). Il cloruro di calcio avrebbe un effetto maggiore sulle proprietà colligative rispetto al sale da cucina. Questo è il motivo per cui il cloruro di calcio è un agente antigelo più efficace a temperature più basse rispetto al sale normale. Esempi di proprietà colligative includono l’abbassamento della pressione di vapore, la depressione del punto di congelamento, la pressione osmotica e l’elevazione del punto di ebollizione. Per esempio, l’aggiunta di un pizzico di sale a una tazza d’acqua fa congelare l’acqua a una temperatura inferiore a quella che farebbe normalmente, fa bollire a una temperatura più alta, le fa avere una pressione di vapore inferiore e le fa cambiare la sua pressione osmotica. Mentre le proprietà colligative sono generalmente considerate per i soluti non volatili, l’effetto si applica anche ai soluti volatili (anche se può essere più difficile da calcolare). Per esempio, l’aggiunta di alcol (un liquido volatile) all’acqua abbassa il punto di congelamento al di sotto di quello normalmente visto per l’alcol puro o l’acqua pura. Questo è il motivo per cui le bevande alcoliche tendono a non congelare in un congelatore domestico.
Il sapore di un’emulsione alimentare è uno dei fattori più importanti che ne determinano la qualità complessiva. E’ fondamentale che ogni alimento debba essere progettato in modo che abbia il profilo aromatico caratteristico che i consumatori si aspettano per quel tipo di prodotto. Un profilo aromatico desiderabile può essere ottenuto sia con l’aggiunta di aromi, ma anche incorporando ingredienti che esaltano il gusto, come il sale, il saccarosio e, l’acido citrico. Una valida integrazione del sapore è conferita anche da ingredienti che contengono naturalmente molecole aromatiche come il succo di limone, le erbe, le spezie. Il profilo aromatico di un alimento trasformato può essere generato o modificato da vari fattori, dai trattamenti termici che subisce il prodotto durante la produzione (per esempio, la reazione
di Maillard o la caramellizzazione), ma anche da reazioni chimiche o biochimiche (tendenzialmente da evitare) che avvengono durante la conservazione ( per esempio l’ossidazione lipidica. Decidere il tipo e la quantità di componenti aromatizzanti che devono essere incorporati in un’emulsione alimentare non è affatto un compito semplice, poiché il sapore percepito di un’emulsione alimentare è governato non solo dal tipo e dalla concentrazione degli aromi e degli ingredienti presenti, ma soprattutto dalla loro ripartizione e velocità di rilascio. Caratteristiche che dipendono dalla composizione e dalla microstruttura dell’emulsione. I fattori più importanti che dovrebbero essere considerati quando si selezionano gli aromi da utilizzare nelle emulsioni alimentari sono la loro ripartizione tra le fasi oleosa, acquosa, interfacciale e dello spazio di testa, oltre al loro tasso di trasporto di massa ai recettori del gusto e dell’odore durante il consumo. A causa della difficoltà di prevedere il sapore di un’emulsione alimentare già dalle prime fasi di progettazione, la creazione di un prodotto finale, con un profilo aromatico desiderabile, richiede spesso un’ampia serie di prove, di riformulazioni e di test analitici e sensoriali. Oltretutto, la tendenza dell’industria alimentare è sempre più orientata a: utilizzare aromi più naturali e a ridurre la concentrazione di zuccheri, sali e di additivi. Per esempio, i dolcificanti come il saccarosio, lo sciroppo di mais ad alto contenuto di fruttosio, i succhi di frutta e il miele, che sono stati ampiamente utilizzati per produrre profili aromatici desiderabili in molti alimenti e bevande, vengono ora sostituiti con dolcificanti ipocalorici a base di alcoli polivalenti (mannitolo, xilitolo e sorbitolo) o dolcificanti intensivi non nutritivi (come l’ aspartame, l’acesulfame K, e il sucralosio). E’ importante però essere consapevoli che la modifica del livello dei dolcificanti, dei sali e l’uso di additivi percepiti come più innocui, può alterare anche in modo sensibile le caratteristiche fisico-chimiche complessive di un’emulsione. Per questo motivo è necessario che per ogni modifica, il sistema debba essere riformulato per garantire un prodotto con la più simile percezione qualitativa o che sia ugualmente apprezzabile.
L’aspetto gioca un ruolo importante nel determinare se un consumatore acquisterà o meno un determinato prodotto, nonché la sua percezione della qualità del prodotto una volta consumato. L’aspetto desiderato per un particolare prodotto dipende principalmente dal tipo di prodotto e dalla sua descrizione sull’etichetta. L’aspetto generale del colore è determinato dalla qualità e dalla quantità di luce che assorbe e disperde attraverso la regione visibile dello spettro elettromagnetico, ma per le emulsioni alimentari, c’è un altro elemento determinante dell’aspetto che è la torbidità. L’opacità di un’emulsione è determinata principalmente dal particolato presente (goccioline di emulsione, bolle d’aria, aggregati biopolimerici, cristalli di grasso e cristalli di ghiaccio) che disperdono la luce. Le sostanze
che contribuiscono al colore di un prodotto a base di emulsione possono essere o naturalmente presenti negli altri ingredienti principali utilizzati per formulare il prodotto (come gli oli e i tuorli delle uova) o possono essere aggiunte come sostanze coloranti specifiche. È disponibile un’ampia varietà di soluzioni coloranti per conferire colore alle emulsioni alimentari, e sono inclusi i colouring food e i coloranti E.Number. I coloranti possono essere usati solubili in olio o solubili in acqua, il che determinerà la fase in cui devono essere dispersi durante la produzione delle emulsioni. Quando si usa un colore in un’emulsione o in un prodotto emulsionato, è sempre utile tenere presente che molte formulazioni commerciali, soprattutto quelle a base di pigmenti oleosolubili (per esempio carotenoidi, curcumina e clorofille), contengono agenti tensiottivi che potrebbero interferire con la struttura del prodotto finito, in particolar modo con i prodotti aerati. Molti coloranti subiscono reazioni di degradazione chimica che portano a un cambiamento o sbiadimento del colore nel tempo. Di conseguenza, potrebbe essere necessario sviluppare strategie efficaci per prevenire questi cambiamenti indesiderati, ad esempio controllando i livelli di luce, il contenuto di ossigeno, il pH e le temperature di conservazione o aggiungendo conservanti e antiossidanti. Il tipo e la concentrazione di coloranti utilizzati in un prodotto dipendono dall’aspetto finale desiderato, nonché dalla composizione e dalla microstruttura della matrice. Per esempio, per produrre una certa intensità di colore in un’emulsione O→W ad alto contenuto di grassi è necessaria una maggiore concentrazione di colorante rispetto ad un’emulsione con un più basso contenuto di grassi; e questo è dovuto alla maggiore riflettanza della luce da parte delle goccioline di grasso disperse. Oltre a queste indicazioni molto generali,
Avevamo già anticipato che per formare emulsioni che siano cineticamente stabili (metastabili) per un periodo di tempo ragionevole (alcuni giorni, settimane, mesi o anni), è necessario includere sostanze note come Stabilizzanti. Siccome uno stabilizzante è un qualsiasi ingrediente e/o additivo che può essere utilizzato per migliorare la stabilità cinetica di un’emulsione, questa classe di prodotti è talmente ampia che la affronteremo in un articolo a parte: vedi “Gli stabilizzanti nelle emulsioni”.