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Come si comportano gli idrocolloidi in acqua ?
perchè alcuni formano un gel ?
Indipendentemente dalla temperatura necessaria, che è diversa per ogni idrocolloide, la dissoluzione in acqua di ogni idrocolloide, non è immediata, ma consiste in almeno due fasi:
⊃ Idratazione (assorbimento di acqua)
⊃ Dissoluzione completa
Quando un granello di idrocolloide incontra l’acqua, comincia ad assorbirla e si ingrossa (idratazione intermedia). Questa fase può essere più o meno veloce perchè dipende dalla solubilità dell’idrocolloide, ma in ogni caso è facilizzata e velocizzata, dall’agitazione e dalla temperatura. Gli idrocolloidi sono in grado di aumentare la viscosità di una soluzione, o di gelificare solo quando sono completamente dissolti dopo la loro idratazione. A livello microscopico quando un idrocolloide, come il guar e la CMC, è completamente dissolto presenta catene separate e indipendenti completamente circondate da molecole d’acqua, situazione che porta all’aumento della viscosità. Nel caso invece di idrocolloidi in grado di formare un gel, come la Carruba e la Carragenina, le loro catene si dispongono in modo più regolare, appaiandosi tra loro e creando un reticolo tridimensionale (gel).
Bisogna anche tenere sempre presente che, la dimensione delle particelle e la densità apparente della polvere di un idrocolloide, influenzano le caratteristiche di dissoluzione del prodotto. Di solito, un materiale granulare è meno soggetto ad aggregazione o “balling”, ma impiega più tempo a dissolversi. Il materiale in polvere fine, al contrario può dare un’idratazione molto rapida, ma non si disperde così facilmente e sono necessarie buone tecniche di agitazione o miscelazione.
Se le catene di un’idrocolloide sono in grado di interagire con se stesse, si forma un GEL. In pratica, dopo che l’idrocolloide si è idratato (come visto sopra nell’interazione con l’acqua), inizia questo processo di appaiamento. Queste interazioni possono avvenire tra catene diverse dello stesso idrocolloide (intermolecolare), oppure tra porzioni della stessa catena (intramolecolare). Il gel risultante può essere forte e rigido come nel caso dell’agar e della gelatina, o più debole e flessibile come nella carruba, nello xantano e nella carragenina.
La formazione di uno stato gel di solito si verifica come conseguenza della formazione di legami tra molecole interagenti o particelle colloidali all’interno di un mezzo solvente. Questo può portare alla costituzione di una struttura che è essenzialmente in grado di immobilizzare la fase solvente, passando uno stato di materiale da uno stato sol a uno stato gel.
Alcuni idrocolloidi, in particolare la gomma xantana, hanno la tendenza a subire una debole associazione di catene intermolecolari in soluzione che porta alla formazione di una struttura a rete tridimensionale (gel). Le zone di giunzione formate possono essere facilmente interrotte anche a velocità di taglio molto basse e la struttura della rete viene distrutta. Ma come abbiamo visto, poi si riformano (vedi comportamento tixotropico). Altri idrocolloidi, ad esempio carragenina e gomma di gellano, possono formare regioni intermolecolari stabili di associazione (denominate zone di giunzione) e di conseguenza producono gel forti.
I gel degli idrocolloidi sono indicati come “gel fisici” perché le zone di giunzione sono formate attraverso l’interazione fisica, ad esempio, mediante legame idrogeno, associazione idrofobica, reticolazione cationico-mediata, ecc. Alcuni idrocolloidi formano “gel termoreversibili” in cui la gelificazione avviene durante il raffreddamento o il riscaldamento, mentre altri formano gel non termoreversibili (vedi interazione con sali minerali). In questi casi la gelificazione può essere indotta reticolando le catene polimeriche con cationi bivalenti. I gel possono essere otticamente trasparenti o torbidi. La formazione di gel avviene al di sopra di una concentrazione minima critica specifica per ciascun idrocolloide. La forza del gel aumenta con l’aumentare della concentrazione. Anche la massa molecolare è importante. È stato dimostrato che la forza del gel aumenta significativamente quando la massa molecolare aumenta fino a ~ 100.000, ma poi a valori più alti diventa indipendente dalla massa molecolare.
La forza dei geI può essere influenzata da vari fattori: dalla concentrazione proteica, dalle condizioni ioniche e dal pH oltre che da interazioni con altri ingredienti alimentari.
Nella Gelatina e nell’ Agar il gel si forma nella fase di raffreddamento. Le molecole subiscono una transizione bobina-elica seguita dall’aggregazione delle eliche.
Anche con la Κ e la ι-Carragenina, i gel si formano per raffreddamento ma in questo caso sono determinati dalla presenza di sali in particolare quelli di potassio. Le molecole subiscono una transizione bobina-elica seguita dall’aggregazione delle eliche. Gli ioni di potassio si legano specificamente alle eliche riducendo la repulsione elettrostatica tra le catene, favorendo l’aggregazione. O ancora, i gel di pectina a basso metossile (LM) formati in presenza di cationi bivalenti, in particolare calcio a basso pH (3±4.5). Il basso pH riduce le repulsioni elettrostatiche intermolecolari.
Gel di gomma di gellano sono formati per raffreddamento in presenza di sali. I gel di gellano acilico basso sono termoreversibili a basse concentrazioni di sale ma non termoreversibili a contenuti salini più elevati (> 100mM) in particolare in presenza di cationi bivalenti.
Gel di metilcellulosa e idrossipropilmetilcellulosa, sono formati per riscaldamento. Le molecole si associano al riscaldamento a causa dell’interazione idrofobica dei gruppi metilici.
Gomma xantana e farina di semi di carrube o konjac mannano Gel formati con raffreddamento. Le catene xantane e polimannane si associano seguendo la transizione bobina-elica xantana. Nella farina di carrube sono le regioni carenti di galattosio ad essere coinvolte nell’associazione.
Gel di alginato formati dall’aggiunta di cationi polivalenti, in particolare calcio o a basso pH (< 4). Molecole reticolate dagli ioni polivalenti. I residui di acido guluronico danno una conformazione increspata fornendo un sito di legame efficace per i cationi (modello di scatola delle uova).
Gel di pectina ad alto metossile (HM) si formano ad alto contenuto di solidi solubili (ad esempio 50% di zucchero) a basso pH < 3,5. L’alto contenuto di zucchero e il basso pH riducono le repulsioni elettrostatiche tra le catene. Associazione di catena incoraggiata anche dalla ridotta attività dell’acqua.
Konjac mannano Gel formati con l’aggiunta di alcali. L’alcale rimuove i gruppi acetilici lungo la catena polimerica e si verifica l’associazione della catena.
Un certo numero di polisaccaridi sono in grado di sottoporsi a gelificazione. Ciò può essere ottenuto attraverso vari meccanismi di interazione tra cui il legame idrogeno (come per l’agar), la reticolazione elettrostatica (pectina a basso metossilato, alginato di sodio in combinazione con ioni calcio) e le interazioni idrofobiche (idrossimetilcellulosa). Le proprietà del gel possono essere influenzate come conseguenza della concentrazione di polisaccaridi (idrocolloide), del numero e della disponibilità dei siti di giunzione e dalle condizioni del solvente.