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La gelatina è uno dei biopolimeri più versatili e ha numerose applicazioni in prodotti alimentari, dolciari, farmaceutici/medici, cosmetici e tecnici. Ciò si riflette anche nelle oltre 300.000 tonnellate di gelatina prodotte ogni anno in tutto il mondo. La gelatina è stata studiata dagli scienziati almeno dall’inizio del XX secolo, ma viene utilizzata negli alimenti anche da molto più tempo.
La gelatina oggi è prodotta principalmente dalla pelle e dalle ossa suine e bovine, ma la gelatina può anche essere estratta da pesce e pollame. A causa della loro limitazione e della crescente domanda di gelatine halal e kosher, fonti alternative per la produzione di gelatina, altri mammiferi come il cammello e la capra, e anfibi hanno guadagnato maggiore attenzione. A causa delle diverse proprietà molecolari e funzionali, varie sono le gelatine che vengono impiegate con scopi diversi e per applicazioni particolari, in cui è possibile ottenere il massimo beneficio.
⊃ è un ingrediente alimentare naturale, quindi NON è un ADDITIVO e non ha un numero E.
⊃ forma un GEL TERMOREVERSIBILE che si scioglie a temperatura corporea
⊃ assicura un OTTIMO SAPORE e un’intensa esperienza gustativa
⊃ è un polimero unico e MULTIFUNZIONALE, quindi molto versatile in varie applicazioni
⊃ la grande VARIETA’ di gelatine permette di soddisfare singole specifiche di utilizzo
⊃ è in grado di produrre gel entro parametri di pH ampi
⊃ non richiede aggiunta di sale, zucchero o acidi
Per la produzione di gelatina la materia prima può essere qualsiasi tessuto contenente collagene. Ad oggi, la maggior parte delle materie prime per la produzione di gelatina proviene dalla macellazione degli animali o dalla lavorazione di alimenti di origine animale, generalmente da ossa o pelli bovine e suine, ma le gelatine sono prodotte anche dalle pelli di specie di pesci d’acqua fredda e calda, nonché da quantità minori di pollame. La gelatina estratta dagli avanzi della lavorazione del pesce, come pelle, spine e squame di pesce, ecc., ha forti limitazioni applicative, avendo un caratteristico odore di pesce.
Il processo di produzione prevede la pulizia dei tessuti di origine seguita da pretrattamento, estrazione della gelatina, filtrazione / purificazione / sterilizzazione, concentrazione, essiccazione e infine macinazione.
All’inizio la materia prima viene lavata per rimuovere le impurità. Le ossa frantumate e sgrassate, sono esposte a condizioni acide (di solito acido cloridrico al 4±7%) per un minimo di due giorni. Questo processo noto come “macerazione”, rimuove i minerali contenuti nell’osso. Dopo il trattamento preliminare, la materia prima viene sottoposta a un pretrattamento acido o alcalino a seconda della fonte del collagene e della qualità richiesta della gelatina finale.
La gelatina acida di pelle di maiale è il principale prodotto fabbricato in Europa e Nord America, mentre la pelle bovina è la principale materia prima per la produzione di gelatina in Sud America.
Se il pretrattamento avviene in condizioni acide dà origine a gelatine di tipo A. In questo processo la materia prima lavata, viene immersa in acido minerale diluito a freddo (pH 1,5±3,0) per 18±24 ore a seconda dello spessore e delle dimensioni della materia prima. Dopo il trattamento, il materiale viene lavato in acqua corrente e neutralizzato fino al raggiungimento del pH di estrazione.
Le gelatine di tipo B sono invece il prodotto finale del pretrattamento alcalino. Per questo trattamento può essere utilizzata una gamma di agenti alcalini, ma l’acqua di calce (Ca(OH)2, pH 12) è generalmente il liquido di polimerizzazione più utilizzato. Il processo alcalino dura da un minimo di 20 giorni fino a 6 mesi (di solito 2±3 mesi) a seconda dello spessore e del tipo di materia prima.
Per estrarre la gelatina, la materia prima pretrattata viene posta in bollitori e coperta con acqua calda. Una serie di estrazioni vengono effettuate con lotti consecutivi di acqua calda (di solito da tre a cinque), ogni estrazione eseguita a temperature crescenti nell’intervallo di 55±100 °C. La combinazione di pre-trattamento ed estrazione rende il prodotto finale di gelatina una miscela di catene polipeptidiche con diverse composizioni e pesi molecolari.
Le soluzioni acquose di gelatina vengono continuamente concentrate per evaporazione fino a quando l’aumento della viscosità rende impraticabile un’ulteriore concentrazione. Questo di solito si verifica ad una concentrazione di circa il 20±25% nelle gelatine ad alto peso molecolare e anche sopra il 40% nel materiale a basso peso molecolare. Dopo la concentrazione e il filtraggio le soluzioni di gelatina vengono sterilizzate. La filtrazione e la chiarificazione sono necessarie per ottenere la gelatina con la chiarezza desiderata. La soluzione di gelatina viene trattata con farina fossile o carbone attivo.
Successivamente, la soluzione di gelatina viene sottoposta ad essiccazione. In generale, il metodo di essiccazione e le condizioni utilizzate hanno l’impatto sulle caratteristiche e le proprietà della gelatina risultante. Il contenuto di umidità delle gelatine commerciali può variare dall’8 al 12% e la determinazione del contenuto di acqua è quindi importante. Per le applicazioni alimentari, farmaceutiche il contenuto di ceneri deve essere < 2% per rispettare le normative.
La gelatina non è una proteina monodispersa, ma consiste piuttosto, in una miscela di diversi tipi di catene con pesi molecolari variabili, e con conseguente polidispersità.
La figura sopra, mostra i tre frammenti dominanti trovati nella gelatina; questo dimostra che la gelatina non è una proteina monodispersa come, ad esempio, le proteine globulari, e che tutti i parametri che descrivono le proprietà chimiche e fisiche delle gelatine sono valori medi. Le gelatine di alta qualità, si ottengono a temperature di estrazione più basse poiché si verifica una minore idrolisi della spina dorsale polipeptidica. Ogni estrazione successiva fornisce più gelatina depolimerizzata e un prodotto più colorato. Il colore della gelatina è causato dalla reazione di Maillard che coinvolge i gruppi amminoacidi della gelatina e le tracce di carboidrati presenti nella materia prima.
Il monomero di collagene (tropocollagene) è una barra a tripla elica composta da tre catene parallele. La molecola di collagene è lunga circa 300 nm, 1,5 nm di diametro e con un peso molecolare di circa 300.000 Da. Nella produzione di gelatina, la molecola di collagene si dispiega in una miscela di catene come nella figura sopra. La composizione aminoacidica di queste catene è piuttosto unica e le tre catene coinvolte in una molecola di collagene possono avere composizioni aminoacidiche leggermente diverse.
Il collagene è completamente insolubile in acqua, ma piccole frazioni sono solubili in soluzione acida diluita o salina. La solubilità del collagene, tuttavia, diminuisce a seguito di processi di invecchiamento che si verificano nella maggior parte dei mammiferi.
Il punto isoelettrico, la composizione di amminoacidi e la distribuzione del peso molecolare, sono considerati alcuni dei fattori più importanti che determinano le proprietà funzionali e le applicazioni della gelatina.
A seconda del processo di pre-trattamento (fase di rigonfiamento), le gelatine possiedono diversi punti isoelettrici. Il punto isoelettrico è il punto (range di pH) in cui , le cariche negative e positive si bilanciano. E’ un punto estremamente delicato in quanto, in questo intervallo, può avvenire la precipitazione delle proteine e l’annullamento del potere gelificante. Per prodotti più acidi si consiglia la gelatina di tipo A, perchè ha un pI tra 6 e 9, mentre quella di tipo B (pI tra 4,8 e 5,2) è invece consigliata per prodotti meno acidi. Le gelatine di tipo A hanno composizioni aminoacidiche più o meno identiche al loro collagene genitore e il punto isoelettrico medio delle gelatine di tipo A è quindi simile a quello del collagene che è tra 7 e 9. Un’eccezione è rappresentata dalle gelatine di pelle bovina di tipo A che hanno un punto isoelettrico inferiore tra 5,7 e 7,4 a causa di pre-trattamenti molto specifici. Alle gelatine di tipo B mancano molti residui di glutammina e asparagina “non ionizzabili” perché questi amminoacidi, vengono convertiti nelle loro forme carbossiliche mediante deamidazione alcalina e le gelatine diventano più acide. Pertanto, i punti isoelettrici medi delle gelatine alcaline lavorate sono inferiori e nell’intervallo 4,8 e 5,5.
La gelatina in base alla distribuzione del peso molecolare è una miscela polipeptidica eterogenea di catena α (catena singola), catena β (due catene α covalentemente reticolate) e catena ϒ (tre catene α reticolate covalentemente).
L’idrolisi di questi componenti si può verificare con le dure condizione di estrazione, in cui si formano peptidi con peso molecolare compreso tra 15 e 400 kDa. La rottura dei legami intra- e intermolecolari può favorire la degradazione di queste catene, in particolare quando l’estrazione viene eseguita ad alta temperatura. La degradazione di queste catene, in particolare quelle di tipo α, influisce negativamente sulla proprietà gelificante della gelatina.
Generalmente, la gelatina estratta a temperatura più elevata con una catena più corta presenta una resa più elevata ma una proprietà gelificante inferiore, rispetto a quella ottenuta da un processo di estrazione più delicato.
Le composizioni aminoacidiche della gelatina, variano con, le specie animali, i processi di pre-trattamento e, il tipo di estrazione. Nel complesso, la gelatina mostra una composizione aminoacidica simile al collagene di partenza. I principali aminoacidi della gelatina sono: glicina (33%), prolina (12%), alanina (11%) e idrossiprolina (10%) , e un basso contenuto di istidina, metionina e tirosina. La prolina e l’idrossiprolina, sono gli amminoacidi che svolgono un ruolo fondamentale nelle proprietà gelificanti, in particolare nelle proprietà reologiche e nella forza del gel di gelatina.
Le catene di gelatina e collagene sono costituite da regioni “polari” intervallate da regioni “non polari”. La presenza e la distribuzione degli amminoacidi carichi, polari e non polari conferisce alla gelatina proprietà uniche. E’ grazie alla loro presenza che la gelatina si scioglie facilmente in acqua nelle giuste condizioni e forma soluzioni colloidali. Grazie alla sua chimica, la gelatina è un idrocolloide multifunzionale che presenta anche una notevole attività superficiale.
I dati sulla viscosità di una gelatina sono generalmente forniti dal fabbricante in quanto questa proprietà è di importanza critica in molte applicazioni e poiché la viscosità riflette in misura maggiore il peso molecolare medio di un campione di gelatina rispetto alla forza di Bloom. i valori di viscosità sono espressi in mPas.
Le proprietà gelificanti della gelatina, compresa la forza del gel e le temperature di impostazione/fusione, sono gli indici che determinano l’applicazione delle gelatine. La proprietà fisica più importante della gelatina è il cosiddetto grado Bloom, che viene espresso in gradi. Esso varia tra i 50 e i 300 e indica la solidità e la forza gelificante della gelatina. Quanto più elevato è il grado di Bloom, tanto maggiore è la forza gelificante della gelatina. Le gelatine commerciali sono classificate in base ai loro valori di Bloom come tipi a basso Bloom (<150 g), medio Bloom (150–200 g) e alto Bloom (> (220 g).
Non esiste una buona correlazione tra i valori di Bloom e il peso molecolare medio e la distribuzione del peso molecolare delle gelatine, come non esiste una chiara coerenza tra i gradi Bloom e i valori di viscosità. I valori di viscosità rappresentano i volumi idrodinamici delle molecole in soluzione ed è quindi ovvio che sono le frazioni ad alto peso molecolare che influenzano la viscosità. Il grado di Bloom invece, è il risultato di una misurazione a un punto singolo e non rivela informazioni sulla cinetica gelificante della specifica gelatina.
Diversi studi hanno dimostrato che la rete del gel della gelatina, una volta formata, viene continuamente riorganizzata per includere giunzioni di crescente stabilità termica. A tutte le temperature la forza di un gel di gelatina aumenta con il tempo anche se, il valore di “equilibrio” per la forza del gel viene raramente o quasi mai raggiunto.
I punti di forza dei gel di gelatina, sia per le gelatine di mammifero che per quelle di pesce, risultano essere piuttosto indipendenti dal pH nell’intervallo tra 4 e 10, almeno per i sistemi concentrati. Al di fuori di questo intervallo di pH la gelificazione è molto inibita e ciò riflette probabilmente il fatto che a questi valori di pH estremi, le catene portano un’elevata carica positiva o negativa, e le forze elettrostatiche inibiscono la capacità delle catene di entrare in posizioni adatte per la formazione di zone di giunzione.
I sistemi di gelatina, formano facilmente reti di gel anche in presenza di soluti come sali, zuccheri e alcoli di zucchero, ma sia le temperature di gelificazione che quelle di fusione di questi sistemi, differiscono da quelle dei sistemi di gelatina pura. Anche le temperature di gelificazione e di fusione, oltre alla forza finale del gel, possono essere influenzate sia positivamente che negativamente, dalla presenza di co-soluti. E questo avviene specialmente ad alte concentrazioni di co-soluto e/o gelatina.
Le proprietà funzionali della gelatina possono essere divise in due gruppi. Nel primo gruppo troviamo le funzionalità associate al comportamento superficiale o interfacciale, come la formazione di emulsioni, di schiume e di film; mentre nel secondo troviamo funzionalità legate alle proprietà gelificanti. La gelatina, può essere utilizzata come agente gelificante o fornire elasticità, consistenza e stabilità dei prodotti alimentari.
Le proprietà più importanti della gelatina sono:
⊃ formazione di gel termoreversibile
⊃ texturing
⊃ ispessimento
⊃ elevata capacità di legare l’acqua
⊃ formazione e stabilizzazione dell’emulsione
⊃ formazione di schiuma
⊃ funzione colloidale protettiva
⊃ adesione/coesione.
La gelatina è un agente tensioattivo, che è in grado di agire come agente emulsionante e schiumogeno. Un’emulsione è una dispersione o sospensione di due liquidi immiscibili, mentre una schiuma è una fase gassosa dispersa in liquido. E’ grazie ai domini idrofobici o residui sulla catena peptidica che la gelatina presenta proprietà emulsionanti. Le proprietà interfacciali della gelatina sono condizionate dalla fonte della materia prima, dalla distribuzione del peso molecolare e dall’ambiente dell’emulsione (pH, temperatura e sale) e/o dai metodi di preparazione della schiuma.
L’aumento della concentrazione di gelatina, comporta una diminuzione della capacità emulsionante, ma un aumento della stabilità dell’emulsione, e della capacità schiumogena e della stabilità. In genere gelatine contenenti peptidi a peso molecolare più elevato tendono ad avere migliori proprietà emulsionanti.
La gelatina fonde a temperatura corporea (35°-37°C), questo rende i prodotti che la contengono, particolarmente piacevoli al palato perché si sciolgono facilmente donando una piacevole sensazione gustativa. Un altro parametro che può avere un certo valore in base all’utilizzo della gelatina è la viscosità, ma da non sottovalutare anche caratteristiche come la trasparenza che mantiene la gelatina nel prodotto finito, molto apprezzata in applicazioni come gli aspic di frutta e le glasse trasparenti.
La gelatina è stata ampiamente utilizzata in prodotti alimentari e non. Per le applicazioni alimentari, la gelatina viene utilizzata come come stabilizzante, addensante, gelificante, film, agente montante, agente chiarificante, ecc. Inoltre, la gelatina trova ampio impiegato in applicazioni biomediche, farmaceutiche (produzione di capsule dure e molli, medicazioni, assorbenti e integratori per la salute), e industrie cosmetiche (shampoo, balsami, rossetti ecc).
Le caratteristiche più interessanti della gelatina sono sciogliersi in bocca e la formazione di gel termoreversibile. Inoltre, ha un’elevata solubilità e stabilità su un ampio intervallo di pH.
Le principali applicazioni della gelatina possono essere riassunte in 5 gruppi, tra cui dessert, prodotti lattiero-caseari, prodotti a base di carne, bevande e altre applicazioni, come salsa, zuppa, prodotti congelati, e rivestimenti commestibili.
L’industria dolciaria utilizza la gelatina non solo per le sue proprietà gelificanti termoreversibili, ma anche per la formazione e la stabilizzazione della schiuma, il legame, l’emulsione e il controllo della cristallizzazione dello zucchero. Le gelatine più utilizzate in questo settore sono quelle di medio Bloom (150–200 g).
Esempi di prodotti contenenti gelatina sono caramelle gommose alla frutta, meringhe, caramelle, prodotti da bar e caramelle ricoperte di zucchero. L’industria alimentare è ancora uno dei principali consumatori di gelatine. I dessert alla gelatina, tutti i tipi di gelatine, sono esempi di prodotti alimentari che sfruttano la formazione di gel termoreversibile e la consistenza “sciolta in bocca” della gelatina.
Il latte è principalmente una complessa emulsione olio-in-acqua. L’aggiunta di gelatina ai prodotti lattiero-caseari migliora la capacità emulsionante in quanto le molecole di gelatina si associano alla superficie delle goccioline di grasso e quindi riducono la tensione superficiale verso la fase acquosa. La sineresi è il fenomeno del liquido che trasuda da un gel e questo di solito è indesiderabile poiché un prodotto diventerà meno attraente per i consumatori. La gelatina può essere aggiunta ai prodotti lattiero-caseari per legare il siero di latte e in questo modo ostacolare la secrezione di siero acquoso da, ad esempio, yogurt, cagliata e crema di formaggio. Aggiungendo gelatina a dessert a base di latte schiumato come yogurt, cagliata, gelati e mousse, si limita la tensione superficiale dell’acqua, consentendo la formazione di schiuma mediante frusta meccanica o iniezione di gas.
L’industria della lavorazione della carne applica anche la gelatina ai propri prodotti per diversi motivi, ma la capacità di legare acqua e succhi di carne e di garantire una buona consistenza e gusto è molto importante. La gelatina è anche ampiamente utilizzata in prodotti alimentari a basso contenuto di grassi (sostituti del grasso), a basso contenuto di carboidrati (agente legante) e a basso contenuto calorico (sostituto del grasso e agente legante).
