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(CAS. 11138-66-2) INS.415
Solubilità: solubile già in acqua fredda
Funzionalità: Gelificante, Addensante, Stabilizzante,
La gomma xantana è un polisaccaride extracellulare secreto dal microrganismo Xanthomonas campestris. La gomma xantana è solubile in acqua fredda e le soluzioni mostrano un flusso altamente pseudoplastico. La sua viscosità ha un’eccellente stabilità in un ampio intervallo di pH e temperatura e il polisaccaride è resistente alla degradazione enzimatica. La gomma xantana mostra un’interazione sinergica con galattomannani come la gomma di guar e la farina di semi di carrube e il konjac. Questo si traduce in una maggiore viscosità se usato con la gomma di guar e gel morbidi ed elastici termicamente reversibili se usato con la farina di semi di carrube o con il konjac.
Il batterio Xanthomonas campestris, mediante un complesso processo enzimatico, produce il polisaccaride sulla superficie della sua parete cellulare durante il suo normale ciclo vitale. I batteri si trovano naturalmente sulle foglie delle verdure Brassica come il cavolo. Commercialmente, lo xantano è prodotto da una coltura pura del batterio mediante un processo di fermentazione aerobica. I batteri vengono coltivati in un terreno ben aerato contenente glucosio, una fonte di azoto e vari oligoelementi. Quando la fermentazione finale è terminata, il brodo viene pastorizzato per uccidere i batteri. La gomma xantana viene recuperata tramite la precipitazione con alcool isopropilico o etanolo. Infine, il prodotto viene essiccato, macinato e confezionato.
Lo xantano presenta una conformazione particolare, con delle catene laterali trisaccaridiche allineate con la spina dorsale, stabilizzate mediante interazioni non covalenti, principalmente legami idrogeno. In soluzione le catene laterali avvolgono la spina dorsale proteggendo così i labili collegamenti dagli attacchi esterni. Si pensa che questa protezione sia responsabile dell’eccellente stabilità della gomma in condizioni avverse. Le soluzioni di gomma xantana subiscono una transizione conformazionale durante il riscaldamento che si ritiene sia associata al passaggio da uno stato rigido ordinato a bassa temperatura a uno stato più flessibile e disordinato ad alte temperature. Questo cambiamento di conformazione determina un cambiamento nella viscosità. La temperatura alla quale avviene la transizione conformazionale dipende principalmente dalla forza ionica della soluzione e da caratteristiche strutturali come l’acido piruvico e il contenuto di acido acetico della molecola di xantano.
La presenza di bassi livelli di sali aiuta a mantenere la rigida conformazione ordinata della gomma xantana e la relativa insensibilità della viscosità al sale aggiuntivo e alle temperature elevate è il risultato di questa rigidità molecolare.
La funzionalità della gomma xantana dipende dalla corretta preparazione della soluzione. Un’inadeguata preparazione può portare a una scarsa funzionalità nell’applicazione finale. Pertanto, prima di tutto, è importante capire come preparare correttamente la soluzione con la gomma xantana.
Per ottenere la funzionalità ottimale, la gomma xantana deve essere adeguatamente idratata prima dell’uso. L’idratazione dipende da quattro fattori:
– Dispersione
– Velocità di agitazione del solvente
– Composizione del solvente
– Dimensione delle particelle.
Per idratare correttamente le particelle devono essere ben disperse, al contrario, una scarsa dispersione porta all’aggregazione delle particelle durante la miscelazione che si traduce nella formazione di grumi di gomma parzialmente gonfi (a volte chiamati “occhi di pesce”). Il grumo impedisce la completa idratazione e riduce la funzionalità. Idealmente, lo xantano dovrebbe essere disperso e idratato in condizioni di miscelazione ad alto taglio. Attrezzature come un mulino colloidale, un imbuto di dispersione o miscelatori a pale ad alta velocità sono tutti adatti per la preparazione di soluzioni di gomma xantana. Dove non sono disponibili attrezzature di miscelazione ideali, la dispersione della gomma con altri ingredienti secchi come zucchero, amido o sale aiutano l’idratazione della gomma xantana. La miscelazione con questi materiali separa fisicamente le particelle di gomma xantana e migliora la dispersione. Un rapporto di miscela ideale disperdente:xantano è di circa 10 : 1, ma possono essere utilizzati anche rapporti di 5 : 1. La dispersione può anche essere migliorata separando le particelle di gomma xantana con alcool, glicerolo o oli. Lo xantano può essere disperso nel liquido non acquoso e versato nell’acqua durante la miscelazione. Le dispersioni di glicerolo dovrebbero essere utilizzate entro pochi minuti dalla preparazione poiché la gomma xantana tenderà a gonfiarsi e parzialmente idratarsi.
Quando sono disponibili solo apparecchiature di miscelazione a taglio relativamente basse, sono stati specificamente elaborati diversi gradi di xantano per facilitarne la dispersione. Se le condizioni di dispersione e miscelazione sono buone, gli xantani con particelle di dimensioni più piccole, si idratano più rapidamente rispetto agli xantani con granulometria più grande. Se le particelle di polvere secca vengono disperse correttamente, è possibile ottenere un gel in pochi minuti. Concentrazioni di sale superiori all’1±2% nell’acqua rallentano l’idratazione della gomma xantana e quindi è consigliabile di idratare la gomma in assenza di sale in eccesso. Mentre, una volta idratato, il sale può essere aggiunto fino al 10±20% senza effetti negativi. Sono comunque disponibili gradi speciali di gomma xantana che possono idratarsi direttamente in soluzioni saline fino al 20%.
Nonostante il tasso di idratazione dello xantan gum è migliore in acqua, la gomma xantana si idrata in molte soluzioni acide. Ad esempio, è direttamente solubile in acido acetico al 5%, acido solforico al 5%, acido nitrico al 5% e acido fosforico al 25%. Inoltre, la gomma xantana si idrata anche con il 5% max di idrossido di sodio. Il tasso di idratazione, tuttavia, è migliorato quando viene sciolto in acqua prima di aggiungere l’acido o alcali.
L’attuale conoscenza della struttura e della conformazione della gomma xantana può spiegare molte delle proprietà uniche delle sue soluzioni.
Le soluzioni di gomma xantana sono altamente pseudoplastiche. Quando lo sforzo di taglio aumenta, la viscosità progressivamente si riduce, ma dopo la rimozione del taglio, la viscosità iniziale viene recuperata quasi istantaneamente. Questo comportamento deriva dalla capacità delle molecole di xantano, in soluzione, di formare aggregati intermolecolari attraverso legami idrogeno e intrecci polimerici. Questa rete altamente ordinata di molecole rigide e intrecciate si traduce in un’elevata viscosità a basse velocità di taglio e, in termini pratici, spiega le eccezionali proprietà di sospensione delle soluzioni della gomma xantana. Le soluzioni di gomma xantana all’1% o superiore appaiono quasi gelatinose a riposo, sebbene queste stesse soluzioni si versano facilmente e hanno una bassa resistenza alla miscelazione e al pompaggio. Queste stesse qualità si osservano a livelli di utilizzo tipici dello 0,1±0,3%. L’elevata viscosità delle soluzioni di gomma xantana a basse velocità di taglio spiega la loro capacità di fornire stabilità a lungo termine ai sistemi colloidali.
Sono state confrontate le viscosità di alcune gomme comuni con quella dello xantano,su una gamma di velocità di taglio e si è visto che a basse velocità di taglio, le soluzioni di gomma xantana hanno circa 15 volte la viscosità della gomma di guar e significativamente più viscosità della carbossimetilcellulosa (CMC) o dell’alginato di sodio, il che spiega le sue prestazioni superiori nello stabilizzare le sospensioni. A velocità di taglio superiori tutte le gomme presentano una viscosità simile. Al di sopra di un certo valore (100 s-1), tuttavia, la viscosità delle soluzioni di gomma xantana diminuisce bruscamente rispetto alle altre gomme rendendole facili da versare, pompare o spruzzare.
Il modo in cui i sali influenzano la viscosità dipende dalla concentrazione di gomma xantana in soluzione. Al di sotto di circa lo 0,25% di concentrazione di gomma, i sali monovalenti come il cloruro di sodio causano una leggera diminuzione della viscosità. A concentrazioni di xantano più elevate, la viscosità aumenta quando viene aggiunto sale. Con una concentrazione di cloruro di sodio di circa lo 0,1%, viene raggiunto un plateau di viscosità, indipendentemente dalla concentrazione di gomma, e un’ulteriore aggiunta di sale ha scarso effetto sulla viscosità. Sali metallici bivalenti come calcio e magnesio hanno un impatto simile sulla viscosità. Gli ioni trivalenti come l’alluminio promuovono la gelificazione della gomma xantana. Per sviluppare una soluzione uniforme con proprietà reologiche ottimali, dovrebbero essere presenti dei sali, ma di solito i sali presenti naturalmente nell’acqua di rete sono sufficienti a generare questi effetti.
Le soluzioni di xantano mostrano una progressiva riduzione della viscosità al di sotto di circa pH 4. Questa riduzione della viscosità è più evidente a una bassa velocità di taglio, tuttavia, la viscosità viene completamente recuperata quando il pH della soluzione viene neutralizzato. Lo xantano è un polimero anionico e come tale la sua viscosità è sensibile al pH. Poiché le variazioni di pH comportano cambiamenti nella densità di carica dello xantano che a loro volta influenzano le associazioni molecolari tra le molecole di xantano. Si pensa che la riduzione del pH converta progressivamente i gruppi carbossilati dalla forma ionizzata a quella non ionizzata (COO–+ H+ = COOH), con conseguente soppressione della repulsione elettrostatica tra le catene laterali delle molecole di xantano. Questo sembra consentire una forma molecolare più compatta che potrebbe spiegare la riduzione della viscosità osservata. La neutralizzazione permetterebbe ai gruppi carbossilici di tornare alla forma ionizzata e consentirebbe allo xantano di riacquisire la conformazione caratteristica del pH neutro con il relativo recupero della viscosità originale. Sebbene la viscosità sia sensibile alle variazioni di pH inferiori a pH 4,0, la viscosità della soluzione è estremamente stabile. Ad esempio, una bassa viscosità di taglio praticamente costante viene mantenuta da una soluzione allo 0,3% di gomma xantana per 3 mesi a pH 2,5.
In presenza della maggior parte degli acidi organici, la stabilità è eccellente, ma a temperature elevate, l’idrolisi acida del polisaccaride viene accelerata e si verifica una riduzione della viscosità.
Le soluzioni di gomma xantana sono uniche nella loro capacità di mantenere la loro viscosità fino al raggiungimento di una definita “temperatura di fusione”. A questa temperatura la viscosità diminuisce bruscamente a causa del cambiamento reversibile della sua conformazione molecolare caratteristica. A concentrazioni di xantano fino a circa lo 0,3% in acqua deionizzata la transizione termica avviene a circa 40°C. Tuttavia, in presenza di bassi livelli di sale, tipici di quelli utilizzati nei prodotti alimentari, la transizione termica avviene a temperature superiori ai 90°C.
nonostante la gomma xantana non si dissolve direttamente in alcol, risulta compatibile con soluzioni acqua/alcol. Ciò consente il suo utilizzo come addensante in prodotti a base alcolica come cocktail e liquori al cioccolato.
La maggior parte degli idrocolloidi vengono degradati in una certa misura dagli enzimi normalmente presenti in alcuni alimenti. Gli enzimi comunemente presenti come proteasi, cellulasi, pectinasi e amilasi, non degradano la molecola della gomma xantana. Si pensa che questa resistenza agli enzimi sia dovuta alla disposizione delle catene laterali attaccate alla spina dorsale che proteggono i collegamenti sensibili. In pratica, questa resistenza viene sfruttata in sistemi alimentari come prodotti a base di ananas, sistemi a base di amido, miscele di spezie e molti altri prodotti contenenti enzimi attivi in cui lo xantano è in grado di mantenere una viscosità stabile.
Si verifica un’interazione sinergica tra gomma xantana e galattomannani come guar, carrube, cassia e gomma di tara e glucomannani come il konjac. Questa interazione si traduce in una maggiore viscosità o gelificazione. I galattomannani sono idrocolloidi in cui la spina dorsale del mannosio è parzialmente sostituita da catene laterali galattosio a singola unità. Il grado e il modello di sostituzione varia tra i galattomannani e questo influenza fortemente l’entità dell’interazione con la gomma xantana. I galattomannani con meno catene laterali di galattosio e più regioni non sostituite reagiscono più fortemente. Pertanto, la gomma di semi di carrube, che ha un rapporto mannosio/galattosio di circa 3,5: 1, reagisce più fortemente con lo xantano rispetto alla gomma di guar, che ha un rapporto mannosio/galattosio leggermente inferiore a 2: 1. È generalmente accettato che lo xantano interagisca con le regioni “lisce” non sostituite delle molecole di galattomannano. Le miscele Xantano/guar mostrano un aumento sinergico della viscosità, così succede anche per le miscele a bassa concentrazione con la farina di semi di carrube (< 0,03%). I gel di gomma xantana/farina di semi di carruba, sono termicamente reversibili e fondono a circa 55±60°C. Le soluzioni di miscele di xantano/guar possono essere preparate a temperatura ambiente utilizzando le linee guida già viste per la sola gomma xantano, anche se, il riscaldamento delle soluzioni al di sopra di 80°C comporta una maggiore interazione sinergica. Le miscele di xantano e farina di semi di carruba richiedono invece un riscaldamento a circa 90°C per idratare completamente la farina di semi di carruba e massimizzare l’interazione sinergica. L’interazione della gomma xantana con i galattomannani dipende comunque dal rapporto tra loro, ma anche dal pH, dalla forza ionica della soluzione, e dal peso molecolare dei galattomannani. I rapporti ottimali sono approssimativamente 80 : 20 guar:xantano e 60 : 40 per xantano : farina di semi di carruba. Generalmente, l’interazione sinergica con i galattomannani è massima in acqua deionizzata a pH 7 e si riduce ad alte concentrazioni saline o a basso pH.
La gomma xantana contribuisce alla morbidezza, all’incorporazione e alla ritenzione dell’aria degli impasti per torte, muffin, biscotti e miscele di pane. Nelle pastelle, lo xantano riduce la sedimentazione della farina; migliora la ritenzione di gas e conferisce stabilità enzimatica, di taglio e di gelo-disgelo, oltre a fornire un rivestimento uniforme e una buona aderenza. Nelle pastelle per pancake, la gomma xantana migliora il controllo della diffusione, il volume e la ritenzione d’aria. La gomma di xantano migliora il volume, la consistenza e la ritenzione di umidità nell’impasto refrigerato, nei prodotti da forno a ridotto contenuto calorico e nel pane senza glutine. Il controllo dell’umidità è essenziale in tutte le fasi della produzione di torte, anche quando si formula un mix di torte secche. Un controllo improprio dell’umidità può causare pastelle di torte grumose e una miscelazione irregolare, dando una struttura scadente che si traduce in torte collassate durante o dopo la cottura. La qualità complessiva della torta finita, in particolare dopo la conservazione, può essere influenzata da scarse caratteristiche di idratazione degli ingredienti secchi. Ad esempio, il volume può essere ridotto e la consistenza può essere non uniforme o fragile quando l’umidità non è distribuita uniformemente in tutta la torta. La gomma xantana miscelata con gli altri ingredienti secchi si idrata rapidamente e uniformemente per aiutare a prevenire l’aggregazione durante la fase critica di miscelazione iniziale. Questo aiuta nella distribuzione uniforme dell’umidità nelle pastelle, di conseguenza aiuta a stabilizzare le celle d’aria fine formate durante il processo di miscelazione. La stabilizzazione delle celle d’aria migliora il volume e la simmetria nella torta finita. Oltre a questo, l’elevata viscosità a basso taglio fornita dalla gomma xantana contribuisce a dare una distribuzione uniforme a eventuali inclusioni (pezzi di frutta, di cioccolato ecc.) all’interno della la torta. Lo xantano può essere aggiunto all’impasto in ragione dello 0,05% (del peso totale dell’impasto) senza la necessità di altre modifiche alla formulazione. Normalmente viene utilizzato un grado xantano a maglia fine per garantire una buona miscelazione con la farina e una rapida idratazione.
L’aggiunta di gomma xantana ai ripieni di prodotti da forno e torte di frutta lavorati a freddo o a caldo migliora la consistenza e il rilascio del sapore. I vantaggi aggiuntivi nelle farciture in crema e frutta sono la stabilità estesa sullo scaffale, la stabilità al gelo-disgelo e il controllo della sineresi.
Le miscele di gomma xantana, carragenina e galattomannani sono eccellenti stabilizzanti per una gamma di prodotti lattiero-caseari congelati e refrigerati, come i gelati, i sorbetti, la panna acida, la panna da montare sterile e latte ricostituito. Sul mercato sono disponibili miscele già preparate di queste gomme che forniscono viscosità ottimale, stabilità a lungo termine, migliore trasferimento di calore durante la lavorazione, protezione dagli shock termici e controllo dei cristalli di ghiaccio. La gomma xantana aiuta a mantenere la cremosità spesso persa in prodotti dietetici con basse % di grasso.
Questa è probabilmente la più grande area di applicazione per la gomma xantana. La sua stabilità a basso pH, la tolleranza al sale, l’alta viscosità a basso taglio e la reologia pseudoplastica lo rendono un addensante e stabilizzante ideale per i prodotti culinari. Ad esempio, i dressing con gomma xantana hanno un’eccellente stabilità a lungo termine e una viscosità relativamente costante in un ampio intervallo di temperature. A causa della reologia psudoplastica impartita dalla gomma xantana si versano facilmente ma si aggrappano bene all’insalata. Il livello di utilizzo è tipicamente compreso tra 0,2 e 0,4% di xantano a seconda del contenuto di olio. Generalmente, con l’aumentare del contenuto di olio nella formulazione, è necessaria meno gomma xantana per la stabilizzazione.
Bassi livelli di gomma xantana forniscono un’elevata viscosità nelle salse e nei sughi sia a pH acido che neutro. La viscosità è stabile anche alle variazioni di temperatura e viene mantenuta in una varietà di condizioni di conservazione a lungo termine. Salse e sughi contenenti gomma xantana si aggrappano ai cibi caldi. Sebbene la gomma xantana fornisca una viscosità elevata e stabile in un intervallo di temperature, questa viscosità viene temporaneamente ridotta alle temperature di sterilizzazione, garantendo una buona penetrazione termica negli alimenti sterilizzati in autoclave. Allo stesso tempo, la capacità della gomma xantana di recuperare la sua viscosità al momento del raffreddamento, fornisce una buona ricostituzione del particolato garantendo un prodotto uniforme e di alta qualità. La gomma xantana può essere utilizzata per sostituire parzialmente l’amido in queste applicazione per migliorare la stabilità al calore e dare una sensazione in bocca più pulita e meno pastosa. In genere lo xantano viene utilizzato a una concentrazione dello 0,1±0,2%.
Stabilità, controllo della sineresi e viscosità costante durante i cicli di gelo-scongelamento e riscaldamento si ottengono aggiungendo gomma xantana a una varietà di prodotti surgelati come condimenti montati, salse, sughi, pastelle, piatti pronti e soufflé. Ad esempio, i condimenti montati surgelati non caseari e i concentrati di topping montati congelati hanno consistenza soda, elevato sovraccarico ed eccellente stabilità al gelo-disgelo.
Nelle miscele secche, la gomma xantana più fine fornisce uno sviluppo rapido e ad alta viscosità in sistemi freddi o caldi e produce un’eccellente consistenza e rilascio di sapore. Permette inoltre una facile preparazione di dessert, condimenti per insalate, salse, zuppe, frappè, salse, sughi e bevande. Nei preparati in polvere per bevande, la gomma xantana migliora la corposità delle bevande ricostituite. Per le bustine monodose di integratori che necessitano di diluizione in acqua prima del consumo, la gomma xantana viene combinata con un disperdente come la maltodestrina per produrre un prodotto che fornisca uno sviluppo di viscosità molto rapido con una miscelazione minima.
