Le prove e le analisi condotte in questo lavoro di tesi hanno portato alla creazione di un prodotto innovativo sfruttando la struttura dell’emulgel, ovvero un gel caricato con un’emulsione.

Andrea Migliorini – Tesi di Laurea Magistrale in Scienze e Tecnologie Alimentari (Ottobre 2024) – Università Cattolica del Sacro Cuore – docente relatore Roberta Dordoni, correlatore Marco Panzanini. andreamigliorini46@gmail.com; roberta.dordoni@unicatt.it; marco.panzanini@unicatt.it

L’obiettivo del lavoro di tesi è stata la creazione di un prodotto per disfagici. La struttura scelta è stata quella del gel caricato con un’emulsione o anche detto “Emulgel”. Per la sua formulazione è stata impiegata purea di albicocca come fase disperdente, olio di nocciola come fase dispersa, panello di nocciola come emulsionante, pectine da agrumi come gelificante e fibra depectinizzata di agrumi (FA) come emulsionante e strutturante. Proprio la FA, residuo del processo di estrazione delle pectine dalle bucce di agrumi, è stato l’ingrediente che ha permesso l’adattabilità del prodotto ai disfagici.

Il panello di nocciola è stato l’altro coprodotto impiegato, ottenuto a seguito dell’estrazione meccanica a freddo dell’olio con pressa idraulica (senza impiego di solventi) e particolarmente ricco in grassi monoinsaturi e proteine (30 g su 100 g prodotto). L’estrazione è relativamente performante con rese di estrazione anche del 60% in peso. Il processo preserva le proprietà organolettiche originali e non altera il contenuto in composti bioattivi come i tocoferoli (Vit.E). La scelta della purea di albicocca è legata alla vasta disponibilità nel mercato italiano come purea sterilizzata.

Inoltre, se usata come fase disperdente, la purea garantisce un pH acido con conseguente miglior conservabilità del prodotto finale. Per la gelificazione dell’emulsione sono state impiegate quattro tipologie di pectine, due basso metossile standard (BM-12 e BM-18) e due basso metossile amidate (BMA-10 e BMA-20) con diversi gradi di metossilazione e amidazione. Le diverse pectine sono state testate con lo scopo di realizzare prodotti con consistenze variabili data la loro diversa natura e capacità di interazione con la fase disperdente.

Siccome la disfagia può provocare tosse, malnutrizione e perdita di peso, l’alimento per disfagici deve essere facilmente deglutibile. Gli alimenti per disfagici attualmente disponibili hanno generalmente una consistenza omogenea (liquida o semi-liquida) e sono percepiti come cibo per malati. È importante evitare che i pazienti si sentano esclusi e l’introduzione di una stimolazione tattile piacevole nelle prime fasi della masticazione potrebbe migliorare significativamente l’accettazione del cibo e contribuire al loro benessere psicologico e nutrizionale.

Materiali e metodi

Le materie prime utilizzate (fibra insolubile di agrumi “FA”, pectine, olio di nocciola, panello di nocciola e purea di albicocca) sono state caratterizzati per umidità, ceneri, proteine, lipidi, zuccheri, fibra totale, fibra insolubile e solubile, e pH. Per meglio comprendere l’interazione a livello di microstruttura si è ricorsi all’analisi della dimensione delle particelle. Dapprima, sono state create delle emulsioni a freddo a base acqua o purea di albicocca con FA e olio per identificare la quantità di FA più adatta allo scopo basandosi sull’analisi della separazione di fase e particle size della fase dispersa.

La separazione di fase è stata valutata sottoponendo i campioni a uno stress fisico (centrifugazione) e misurando l’olio rilasciato. Successivamente si è proceduto alla realizzazione dell’emulgel. L’analisi della particle size ha fornito i parametri: SPAN (misura dell’ampiezza della distribuzione); SSA (Specific surface area, ovvero la superfice di contatto tra fase dispersa e disperdente in m² rispetto al peso in kg della fase dispersa; D[4:3] media pesata per i volumi o media di De Brouckere; e tre percentili, in particolare il decimo (Dv10), il cinquantesimo (Dv50) e il novantesimo (Dv90) per una visione più dettagliata della dimensione delle particelle.

Per un’adeguata gelificazione, le pectine devono essere disperse a temperature elevate, variabili a seconda della tipologia ma generalmente intorno ai 90°C. I tocoferoli (Vit. E) sono antiossidanti naturali presenti nella frutta secca e la loro diminuzione a seguito di esposizione a calore e aria in fase di miscelazione determinerebbe una perdita di valore nutrizionale. Per questo si è valutato il numero di perossidi e il contenuto di tocoferoli dell’olio di nocciola prima e dopo il trattamento per valutare l’effetto protettivo della fase disperdente. Per verificare, invece, se l’effetto protettivo fosse a discapito della componente antiossidante fenolica della purea, sono stati quantificati i composti fenolici totali (tramite saggio di Folin) prima e dopo il trattamento.

Dopo le prime prove di ottimizzazione, sono stati realizzati emulgel impiegando il panello di nocciola in rapporto 1:1 con FA per migliorare la stabilità dell’emulsione alla base del sistema. Gli emulgel sono stati valutati per il profilo di texture tramite analisi TPA (texture profile analysis) con un test a doppia compressione con sonda cilindrica che simula la masticazione con i denti molari. Per la TPA i parametri presi in considerazione sono stati la durezza (forza opposta dal campione alla prima compressione);  l’elasticità del campione (ovvero il rapporto tra l’altezza originaria e quella dopo la prima compressione); la coesività (ovvero una misura della resilienza della microstruttura interna al campione e di come essa risponde alla prima compressione mettendo in rapporto l’area sottesa alla curva della seconda compressione con quella sottesa alla prima); e, infine la gommosità (data dal prodotto durezza e coesività). Il comportamento degli emulgel in fase di deglutizione è stato esaminato per confronto mediante analisi tribologica.

Risultati

Il panello di nocciola ha rivelato, come atteso, umidità e ceneri molto bassi (<5% p/p). Nonostante il panello derivi dal processo di estrazione dell’olio, il suo principale costituente rimangono i lipidi (37,48 ± 0,20%), seguiti dalle proteine (29,11 ± 0,36%). La restante frazione è costituita da fibra insolubile e una piccola percentuale di fibra solubile. Il pH del panello (disciolto in acqua) è vicino alla neutralità (6,14 ± 0,01), con un effetto sul pH del sistema finale che lo incorpora e quindi sulla struttura delle pectine impiegate. La purea di albicocca si caratterizza, viceversa, per un ridotto contenuto di sostanza secca (10,16 ± 0,05%), principalmente costituita da zuccheri, e un pH acido (3,47 ± 0,01).

Le emulsioni sono state create utilizzando tre diverse combinazioni di olio (20-25-30% p/p) e FA (3-4-5% p/p) con le due fasi disperdenti (acqua e purea). I risultati della separazione di fase (non riportati) hanno dimostrano come nei campioni a base albicocca la FA al 3% non fosse in grado di svolgere la sua funzione emulsionante e strutturante avendo un rilascio completo dell’olio contenuto e di una parte della purea. All’incrementare della presenza della FA aumenta la stabilità del sistema fino a un rilascio trascurabile dell’olio nei campioni al 5% di FA.

Tuttavia, si è scelto di formulare l’idrogel a partire dall’emulsione al 4% di FA e 20% di olio per potere valutare al meglio l’impatto degli altri ingredienti, altrimenti difficile partendo da un’emulsione già stabile. I campioni a base acqua, invece, sono risultati più stabili già a concentrazioni inferiori di FA. Il passaggio seguente è stata la creazione degli idrogel di pectina. È stato necessario scaldare le emulsioni per permettere la dissoluzione e gelificazione della pectina, e ottenere un emulgel. Il procedimento è stato ripetuto aggiungendo il panello di nocciola in fase di emulsionamento. Dall’analisi della particle size degli ingredienti di base (Tabella 1) è emersa una distribuzione più ampia ed eterogenea (maggiori valori di SPAN) delle particelle del panello e, invece, una distribuzione più ristretta e, quindi, particelle più uniformi per la purea e la FA.

Il D(4:3) (Tabella 1) mostra come la dimensione media delle particelle del panello sia notevolmente superiore a quella delle particelle di albicocca e di FA (le più fini). Analizzando l’SSA si nota come il panello sia quello con la maggior superficie di contatto poiché, incrociando il dato con il valore di Dv(10) e Dv(50), si rileva possedere una quota molto elevata di particelle di piccolissime dimensioni.

Si può ipotizzare che questa quota di particelle di piccole dimensioni sia la frazione proteica che gli permette di avere un ottimo potere emulsionante, potendosi interporre in maniera omogenea e diffusa all’interfaccia tra olio e fase disperdente. In relazione alle emulsioni di FA (Figura 1) l’aumento della concentrazione di FA porta alla diminuzione delle dimensioni delle particelle e, quindi, a uno spostamento verso sinistra della rispettiva curva di distribuzione. Dimensioni più piccole portano alla creazione di emulsioni più stabili con una minore separazione di fase.

Tabella 1. Analisi della distribuzione dimensionale delle particelle degli ingredienti. I valori sono riportati come valori medi ± d.s. Lettere uguali in apice indicano medie statisticamente non differenti all’interno dello stesso parametro (analisi ANOVA e test post-hoc di Tukey, p < 0.05).

Dopo aver scelto l’emulsione al 4% di FA e 20% di olio, si è proceduto alla preparazione degli idrogel. L’analisi dei tocoferoli, perossidi e composti fenolici totali è stata fondamentale per determinare il mantenimento dei valori nutrizionali del prodotto. I perossidi danno un’indicazione dello stato ossidativo dei grassi, per cui minore la loro presenza migliore la qualità dell’olio. Essi possono formarsi per lo stress termico e per il contatto con l’ossigeno. Gli idrogel hanno mostrato valori elevati di tocoferoli e di fenoli (Tabella 2). I tocoferoli (vitamina E) e i fenoli svolgono azione antiossidante andando potenzialmente a ridurre la formazione dei perossidi.

È possibile notare come i campioni a base acqua non mostrino differenze tra loro ma presentino una concentrazione inferiore rispetto all’olio di partenza. Al contrario, non ci sono differenze significative nel contenuto di tocoferoli tra campioni a base albicocca e l’olio in origine significando che impiegare l’albicocca come disperdente ha un effetto protettivo nei loro confronti. Sempre nei campioni a base albicocca non abbiamo valori statisticamente differenti per la concentrazione di fenoli totali.

Tabella 2 Analisi del contenuto in a-tocoferolo, perossidi (PV) e fenoli totali (equivalenti di acido gallico, GAE) degli emulgel. I valori sono riportati come valori medi ± d.s. Lettere uguali in apice indicano medie statisticamente non differenti per lo stesso parametro (analisi ANOVA e test post-hoc di Tukey, p < 0.05). n.d. non quantificabili.

Relativamente all’analisi TPA (Tabella 3), si è visto come l’Idrogel abbia una buona elasticità. Infatti, il range di valori di elasticità va da 0 a 1 e più il valore è vicino a 1 più il prodotto è elastico e quindi meno rigido. I valori ottenuti suggeriscono che l’alimento abbia una buona elasticità e tenda a riacquistare la forma originale dopo la deformazione (senza influenza della formulazione).

La propensione alla disgregazione è misurata dalla coesività, dove valori vicino a 1 indicano un prodotto più resistente e meno deformabile. I valori misurati, quindi, indicano una struttura che si disgrega facilmente. L’aggiunta del panello nella formulazione non ha comportato differenze significative a livello di elasticità e coesività dei campioni, mentre ha modificato notevolmente gommosità e durezza, nei campioni a base acqua, a causa dell’aumento di sostanza secca.

Tabella 3 – Analisi della texture degli emulgel base acqua e base purea. I dati sono presentati come media ± d.s. Valori con lettera differente, per lo stesso parametro e a pari fase disperdente, sono significativamente differenti (analisi ANOVA e test post-hoc di Tukey, p<0.05).

Infine, i campioni sono stati sottoposti ad analisi tribologica con lo scopo di quantificare la frizione data dall’interazione del cibo con le superfici, in questo caso una simulazione dell’attrito dato dalla deglutizione degli idrogel. L’analisi fornisce un grafico che riporta l’andamento del fattore di frizione (μ) in funzione della velocità di scorrimento (Vs) (Figura 2). Relativamente alla lubrificazione periferica dei campioni senza panello, l’idrogel a base di acqua ha un valore di frizione più alto rispetto all’idrogel a base di purea di albicocca imputabile alla maggiore dimensione delle particelle degli ingredienti (Tabella 1).

L’emulsione base acqua è più stabile a stress fisici, quindi, quando la sonda tribologica comprime il campione non rilascia immediatamente l’olio come avviene invece nei campioni a base purea albicocca. La FA crea una struttura simile a quella di una spugna nella quale, a seguito di uno stress fisico come una compressione, si rilascia olio che crea uno strato lubrificante tra la sonda e l’alimento. Durante la lubrificazione mista, i ruoli si invertono con l’idrogel a base acqua che offre una frizione significativamente più bassa. Nel campione a base purea si nota l’effetto dato dalla presenza di fibre di dimensioni maggiori (Tabella 1) che aumentano l’attrito. Nella lubrificazione idrodinamica le curve si allineano in quanto determinano l’effetto lubrificante dell’olio, le fibre si riordinano e aumenta l’attrito, seppure i valori misurati possano essere categorizzati come bassi.

A differenza di quanto accaduto negli emulgel senza panello, in quelli con il panello (grafico non mostrato) il comportamento tra gli idrogel a base acqua e quelli a base purea è sovrapponibile a quello degli emulgel a base albicocca in Figura 2. Questo effetto è causato dalle particelle del panello il cui attrito con la sonda sovrasta l’effetto delle altre perticelle presenti nell’emulsione.

Conclusioni

Le prove e analisi condotte in questo lavoro di tesi hanno portato alla creazione di un prodotto innovativo sfruttando la struttura dell’emulgel. La fibra di agrumi depectinizzata usata ha mostrato di essere un ottimo agente emulsionante se si supera la soglia limite per occupare appieno il volume dell’emulsione e legare tutta l’acqua presente. Il panello di nocciola si è distinto per la sua funzione emulsionante che rende il prodotto più consistente. Si è visto come la variazione nella composizione degli ingredienti vada a determinare dei cambiamenti nelle caratteristiche strutturali del prodotto.

La percentuale di FA influisce sulla stabilità dell’emulsione in quanto al 3% p/p non è in grado di creare una struttura stabile come invece accade a concentrazioni del 4 e 5%. L’aggiunta della pectina, agente gelificante, permette la gelificazione dell’emulsione. In particolare, si è ottenuto un prodotto con un pH acido che, insieme al trattamento termico a 90°C, contribuisce alla stabilità del prodotto. Il prodotto finale ha un buon contenuto di fenoli totali e tocoferoli in grado di esercitare un’azione protettiva contro la formazione di perossidi durante il processo produttivo. La microstruttura conferisce compattezza all’inizio della fase di masticazione garantendo, però, una frizione bassa in fase di deglutizione, come dimostrato dalle analisi di texture e tribologia.