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La carbossimetilcellulosa di sodio, è il più importante idrocolloide derivato dalla cellulosa utilizzato nell’industria alimentare. È un polimero anionico e, oltre alla sua capacità di addensare e di modificare la reologia delle soluzioni acquose, ha la proprietà unica di poter reagire con proteine e altre molecole cariche all’interno di specifici intervalli di pH. Queste proprietà funzionali hanno portato al suo ampio uso nell’industria alimentare in molte applicazioni di prodotti diversi.
La carbossimetilcellulosa è un sale sodico parziale di un etere carbossimetilico della cellulosa, e viene ottenuta direttamente da ceppi naturali di fibre vegetali.I polimeri contengono unità di anidroglucosio sostituite con la seguente formula generale: C6H7O2(OR1)(OR2)(OR3), dove R1, R2 R3 possono essere:
— H
— CH2COONa
— CH2COOH
Peso molecolare Superiore a 17 000 circa (grado di polimerizzazione circa 100)
Gli idrocolloidi, come la CMC, sono prodotte trattando o aprendo prima la struttura molecolare dell’α cellulosa in modo che possa essere modificata chimicamente. In termini generali, la polpa di cellulosa viene dispersa in soluzione alcalina (generalmente idrossido di sodio, 5-50%) per formare alcalinocellulosa. Le cellulose alcaline sono composti con determinate relazioni stechiometriche tra alcali e cellulosa. Successivamente, la cellulosa alcalina viene trattata con reagenti specifici, in condizioni rigorosamente controllate, per sostituire i monomeri anidroglucosio della catena della cellulosa. Nel caso specifico della carbossimetilcellulosa sodica (E466), l’eterificazione della cellulosa alcalina viene ottenuta con cloroacetato di sodio (fino al 30%) in un mezzo alcool-acqua. Durante il processo di sostituzione, la miscela di cellulosa alcalina e il reagente vengono riscaldati (50-75°C) e agitati. Il DS della cellulosa modificata risultante può essere controllato dalle condizioni di reazione e dall’uso di additivi come i solventi organici (isopropanolo). La reazione di sostituzione è seguita da fasi di purificazione e lavaggio per rimuovere i sottoprodotti e raggiungere i livelli di purezza specificati per l’additivo alimentare.
SOLUBILITA’
Come per tutte le cellulose modificate chimicamente, anche la solubilità della CMC dipende dal suo Grado di sostituzione (DS). Per esempio, con un DS <0,3 è solubile solo negli alcali. Quando il DS si avvicina a 0,7 la CMC può essere facilmente sciolto in acqua, mentre al di sopra di 1, la CMC diventa meno solubile in acqua.
Comunque, in senso più generale, la CMC si gonfia nell’acqua, con formazione di una soluzione colloidale e viscosa, da limpida a opalescente. Insolubile in etanolo, è invece solubile sia in acqua calda che fredda e le sue soluzioni hanno un sapore neutro.
VISCOSITA’
La viscosità delle soluzioni di CMC, dipende fortemente dal Grado di Polimerizzazione (DP), ma in genere la CMC all’1% in acqua, presenta una viscosità di 5.000 mPas a temperatura ambiente.
Anche la granulometria della CMC influenza la viscosità, o meglio il tempo di sviluppo. Con le polveri che presentano una granulometria fine è possibile ottenere uno sviluppo estremamente rapido della viscosità.
TEMPERATURA
Queste soluzioni mostrano una riduzione reversibile della viscosità al riscaldamento, ma nei sistemi alimentari possono non gelificare da soli o con altri idrocolloidi.
REOLOGIA
Il DS, insieme all’uniformità della sostituzione, influenza la reologia delle soluzioni. Le soluzioni di DS inferiore sono tissotropiche, mentre quelle con DS superiore tendono alla pseudoplasticità. L’uniformità della sostituzione favorisce la reologia pseudoplastica e soluzioni di questo tipo danno una sensazione in bocca particolarmente “liscia”.
INTERAZIONE DI CMC CON PROTEINE
La CMC è un polimero ionico e questo permette la formazione di complessi con proteine solubili come caseina e soia a, o intorno, alla regione isoelettrica della proteina. Sebbene l’effetto sul sistema dipenda principalmente dal pH, è influenzate anche dalla composizione e dalla concentrazione della proteina, dalla temperatura, dalla concentrazione e dal tipo di CMC.
A pH inferiore a 3,0 o superiore a 6,0, la CMC reagisce a freddo con le proteine del latte per formare un complesso, che può essere rimosso come precipitato. Nell’intervallo di pH da circa 3,0 a 5,5, si forma invece, un complesso stabile. Alla massima stabilità la viscosità è particolarmente elevata rispetto ai singoli componenti. Il sistema contenente il complesso CMC e caseina è relativamente sensibile al taglio, e la viscosità diminuisce sotto agitazione.
Il complesso è stabile al calore ma si osserva una piccola diminuzione della viscosità durante il riscaldamento. La caseina viene denaturata in misura molto minore rispetto a quanto avverrebbe in assenza di CMC.
I tipi di CMC si distinguono per viscosità, dimensione delle particelle e, in misura più limitata, per ds e caratteristiche speciali della soluzione. È necessario verificare la concentrazione delle soluzioni per le quali sono specificate le viscosità, poiché non esiste un unico valore standard per la concentrazione.
I dosaggi più bassi di CMC con gradi di viscosità più elevati, producono una sensazione in bocca più accettabile e meno gommosa, rispetto ai dosaggi necessari (superiori) con CMC con viscosità media e bassa.
La CMC, è disponibile con una gamma di granulometrie. Sebbene la dimensione standard delle particelle sia adatta a molte applicazioni, le particelle più grossolane, vengono preferite quando lunghi tempi di miscelazione (ca. 30 minuti) non risultano essere un problema. D’altra parte, le polveri extra fini sono la scelta preferibile per esempio per i distributori automatici o per altre applicazioni che necessitano di viscosità istantanea. In queste applicazioni la CMC, normalmente non da un accumulo di viscosità più rapido rispetto alla gomma di guar.
Prodotti istantanei
Con prodotti istantanei come distributori automatici di bevande e miscele di bevande in polvere, viene utilizzato CMC per fornire il rapido accumulo di viscosità richiesto. Se sono richieste viscosità elevate e di conseguenza vengono utilizzate alte concentrazioni di CMC, potrebbe esserci la percezione di una sensazione “gommosa” in bocca.
Prodotti surgelati
La viscosità prodotta da CMC contribuisce alla stabilizzazione di prodotti surgelati come gelati, ghiaccioli e graniti. I benefici osservati includono la conservazione della consistenza e l’ inibizione della formazione di cristalli di ghiaccio, una lenta fusione e una migliore resistenza al gocciolamento. Quando prodotti come i ghiaccioli hanno un pH basso, può essere opportuno utilizzare un CMC che tolleri le condizioni acide senza perdita di viscosità. La CMC può anche essere usata come stabilizzante primario nel gelato per controllare le dimensioni e la crescita dei cristalli di ghiaccio durante la conservazione, per conferire una consistenza alimentare liscia e per aumentare la resistenza agli shock termici. Rispetto alla gomma di semi di carrube o alla gomma di guar, c’è un sovraccarico più elevato, il che significa che CMC è particolarmente adatto per l’uso in prodotti soft serve. L’uso di CMC tende a produrre la separazione del siero di latte, ma questo può essere evitato con l’uso abbinato di carragenina e CMC in un rapporto di circa 1: 6.
Salse da tavola e Topping
Gli effetti addensanti della CMC possono essere utilizzati in prodotti come dressing e salse di pomodoro. Le proprietà della CMC che lo rendono adatto a queste applicazioni includono la sua rapida solubilità sia in acqua calda che fredda, il suo buon legame con l’acqua e la buona tolleranza a bassi livelli di pH. Il ketchup è un’altra applicazione per la CMC, ed è particolarmente interessante perché a seconda del tipo di CMC si può variare la struttura del prodotto.
Bevande analcoliche
Le proprietà viscosizzanti della CMC sono ampiamente utilizzate anche nelle bevande analcoliche Ready to Drink. Alle bevande a basso contenuto calorico addolcite con dolcificanti intensi, possono conferire maggior corpo per replicare più fedelmente la sensazione in bocca ottenuta con saccarosio o sciroppo di glucosio. I livelli di utilizzo sono in genere 0,025±0,5% della bevanda.
La CMC è ampiamente utilizzata per mantenere in sospensione la polpa dei frutti e per inibire l’anello sul collo, da parte degli oli aromatizzanti o di coloranti inseriti sottoforma di emulsioni.
Poiché la CMC sviluppa la sua viscosità in modo più efficace se disciolta in acqua prima dell’aggiunta di acidi o dolcificanti sfusi, è buona norma produrre una soluzione madre all’1% di tipi ad alta viscosità che possono quindi essere aggiunti secondo necessità.
Prodotti da forno
Un’ulteriore applicazione in cui è richiesto lo sviluppo della viscosità è nelle miscele per torte e pastelle. L’incorporazione di CMC può migliorare la resa in volume di alcuni impasti a causa della sua caduta di viscosità durante la cottura e migliora la sospensione e la distribuzione di ingredienti come la frutta secca. È necessaria acqua aggiuntiva rispetto alle ricette senza CMC, e questo oltretutto si traduce in un aumento della resa e una migliore umidità, in particolare durante lo stoccaggio. I tipi di macinatura fine saranno normalmente utilizzati nei concetti di mix di prodotti da forno. In questo caso non solo la granulometria è più compatibile con la farina, ma anche la macinatura fine permette un migliore assorbimento d’acqua in competizione con altri componenti come farina e zucchero.
Prodotti lattiero-caseari a basso pH
A causa della sua natura ionica, la CMC può reagire con le proteine solubili per formare un complesso in corrispondenza o intorno al punto isoelettrico della proteina. In un mezzo di latte acido tra pH 3,8 e 5,0 la CMC reagisce con la caseina per formare un complesso solubile, stabile al trattamento termico e allo stoccaggio. In pratica questo effetto è meglio utilizzato nella parte superiore di questo intervallo di pH poiché a pH inferiore a 4,2 tende ad esserci una variazione troppo grande nella viscosità con anche piccole variazioni del pH. A livelli di pH da 4,3 a 3,8 la pectina è spesso lo stabilizzante preferito. Nonostante questo, non è raro l’utilizzo di CMC a questi livelli di pH, soprattutto se l’economia del prodotto è di primaria importanza.