Lo scopo di questo studio è valutare l’effetto delle diverse temperature utilizzate nel processo di estrusione sulla componente funzionale e sulle caratteristiche tecnologiche di pasta a base di riso nero.

Mauro Crespi

Università Cattolica del Sacro Cuore (Sede di Piacenza) – Tesi di Laurea magistrale in Scienze e Tecnologie Alimentari (Luglio 2024) – mauro.crespi1@unicatt.it; Relatore Luigi Lucini (luigi.lucini@unicatt.it); Correlatore Gianluca Giuberti (gianluca.giuberti@unicatt.it).

Il riso nero è una tipologia di riso diffusa già da centinaia di anni in Oriente, ma introdotta in Italia solamente a partire dalla fine degli anni 90’, e viene coltivato principalmente nel Nord del nostro Paese. Si caratterizza per un profilo nutrizionale molto più ricco in fibra e componenti funzionali rispetto al riso bianco, comunemente più consumato, e per un quantitativo di carboidrati leggermente maggiore, del quale il 99% è dato dall’amido, costituito a sua volta da amilosio (composto semplice lineare) e amilopectina (composto ramificato), la quale risulta esser presente in percentuale maggiore.

Deve la sua colorazione alla presenza di pigmenti antocianici, un gruppo di composti facenti parte della famiglia dei flavonoidi. Attualmente il riso nero, oltre ad essere una valida scelta per le persone celiache, viene consumato per i benefici che può portare alla salute, quali un’attività antinfiammatoria e proprietà antiossidanti, antidiabetiche e anticancerogene. Il riso nero, negli ultimi anni, vanta una crescente attenzione nel campo della ricerca grazie ai suoi attributi orientati al miglioramento della salute umana, e di conseguenza si stanno sviluppando nuove applicazioni di utilizzo per questo prodotto. Quella che si sta diffondendo maggiormente, soprattutto nel nostro Paese, è la produzione di pasta arricchita con riso nero, tramite l’utilizzo di due tecniche di produzione differenti:

• La sostituzione parziale della semola di grano duro per un 20-25% con la farina di riso integrale, ed è la scelta più comune negli scaffali dei supermercati italiani;
• Integrazione di crusca di riso nero alla semola di grano duro, un metodo ancora in fase sperimentale, dato che un superamento del 15% di crusca abbassa notevolmente le qualità organolettiche del prodotto.

SCOPO

Lo scopo del seguente elaborato di tesi è quello di valutare l’effetto delle diverse temperature utilizzate nel processo di estrusione sulla componente funzionale e sulle caratteristiche tecnologiche di pasta a base di riso nero. Inoltre, è stato costruito il percorso dei polifenoli liberi e legati, lungo tutto il processo di produzione, cottura e digestione della pasta, per verificare quali fossero le modifiche apportate durante questi passaggi e per verificare l’impatto della temperatura di estrusione sul prodotto finito. Per condurre questo studio sono state svolte principalmente due tipologie di analisi su diversi campioni: analisi tecnologiche e nutrizionali, e analisi metabolomiche.

MATERIALI E METODI

Il primo passaggio è stato quello di preparazione delle due tipologie di pasta, una estrusa a freddo e una estrusa a caldo. La realizzazione è avvenuta con soli due ingredienti, ovvero acqua e farina di riso Nerone integrale BIO, e volutamente non sono stati aggiunti altri ingredienti, al fine di valutare l’influenza dei soli parametri di estrusione sulla qualità della pasta. Lo strumento utilizzato per l’estrusione della pasta è stato l’Estrusore Brabender KE19.

Utilizzando un software è stata calcolata la combinazione ideale di RPM da impostare sia per l’entrata della farina, sia per l’entrata dell’acqua, supponendo di voler un prodotto all’uscita dall’estrusore con 50% di umidità, e avendo una farina che aveva come umidità iniziale 10%. La velocità consigliata per il liquido è risultata di 20,8 RPM, mentre per il feed (farina) di 5,3 RPM.

La velocità della vite interna dello strumento è stata impostata a 100 RPM, e la pressione di lavoro è stata impostata tra 5 e 10 bar, con picchi fino a 20-25 bar solamente nel caso in cui si formassero dei piccoli grumi di farina, che provocassero uno sforzo maggiore per l’estrusore. Sono state ottenute due tipologie di pasta, una con estrusione a freddo e una con estrusione a caldo. I valori di temperatura sono riportati nella Tabella 1.

Tabella 1. Settaggi di temperatura per le due tipologie di pasta, dalla zona di entrata fino alla zona di uscita.

Gli spaghetti ottenuti sono stati posti sopra una griglia con carta assorbente e sono stati lasciati ad essiccare per 48 ore a temperatura ambiente (Figura 1 e Figura 2). Non sono state riscontrate particolari differenze a livello visivo.

In seguito, i due campioni sono stati analizzati, tramite analisi nutrizionali e tecnologiche, per:

• Optimum cooking time (O.C.T.), un’analisi visiva che permette di capire qual è il tempo di cottura ottimale necessario, espresso in minuti.
• Water holding capacity (W.H.C.), la capacità di ritenzione idrica del prodotto, ovvero la capacità di trattenere acqua, rigonfiandosi, durante la fase di cottura.
• Analisi colorimetrica, svolta con uno strumento di misurazione rapida del colore, al fine di misurare i parametri della scala Hunter: L*, a* e b*.
• Cooking loss (CL), fornisce un’indicazione di quanto sia la perdita di sostanza secca durante la cottura.
• Texture, tramite lo strumento TX-700, costituto da una pressa che simula la masticazione dei denti molari, al fine di calcolare la durezza (hardness), l’adesività (adhesiveness) e l’appiccicosità (stickiness) del campione, con una compressione del 90%.
• Determinazione della sostanza secca (SS) e dell’umidità (U) post-cottura.
• Determinazione delle ceneri, per capire la percentuale di sostanze non organiche presente nei campioni.
• Determinazione delle proteine tramite il Metodo Kjeldahl.
• Determinazione dei lipidi tramite metodo Soxhlet.
• Determinazione degli zuccheri con un kit enzimatico.
• Determinazione dell’amido totale con un kit enzimatico.
• Digestione in vitro (metodo Englyst), al fine di simulare ciò che avviene nel tratto gastro-intestinale umano a carico dell’amido contenuto negli alimenti. L’amido SDS (amido lentamente digeribile) è digerito tra i 20 e i 120 minuti dall’ingestione, mentre l’amido RDS (amido rapidamente digeribile) è assorbito entro i primi 20 minuti dall’ingestione.

In particolare, è stato effettuato questo tipo di analisi, al fine di valorare le percentuali di amido rapidamente digeribile (RDS) e di amido lentamente digeribili (SDS).

• Digestione in vitro (Infogest), effettuata al fine di ottenere dei campioni di pasta cotta e digerita per l’analisi metabolomica. È una digestione che simula il tratto gastro-intestinale umano, attraverso fase orale, gastrica e intestinale/duodenale.

Inoltre, sono state condotte analisi metabolomiche (estrazione dei polifenoli liberi e legati) con lo scopo di definire il profilo fenolico dei campioni e ricostruire il percorso dei polifenoli liberi e legati, lungo tutto il processo di produzione, cottura e digestione della pasta, per verificare l’impatto della temperatura di estrusione sul prodotto finito. I campioni analizzati sono la farina di riso nero, l’impasto post-estrusione, la pasta cruda ed essiccata, la pasta cotta e la pasta cotta e digerita.

L’analisi metabolomica è stata effettuata mediante cromatografia liquida ad altissime prestazioni accoppiata alla spettrometria di massa ad alta risoluzione a tempo di volo quadrupolare (UHPLC/QTOF-HRMS), utilizzando un sistema UHPLC 1290 e una sorgente di ionizzazione elettrospray (ESI), dotata di spettrometro di massa iFunnel QTOF G6550 (Agilent Technologies®, Santa Clara, CA, USA). La separazione cromatografica è stata ottenuta in modalità a fase inversa (fase stazionaria più apolare di quella mobile), utilizzando una colonna C18 (100 mm × 2,1 mm, 1,8 μm) e un gradiente binario costituito da acqua e acetonitrile con una 32 portata di 200 μL min–1.

Lo spettrometro di massa funziona con polarità positiva e in modalità SCAN (intervallo di 100-1200 m/z con impostazioni di gamma dinamica estesa). I dati acquisiti sono stati elaborati dal software MassHunter Profinder v.10.0 (Agilent®), e l’annotazione dei composti è stata ottenuta mediante massa monoisotopica accurata e pattern isotopico (spaziatura e rapporto isotopico accurati), in conformità con il Livello 2 della COSMOS Metabolomics Standard Initiative, utilizzando l’algoritmo “Find-by-formula” rispetto al database Phenol-Explorer v.3.6 per la determinazione del profilo fenolico.

Tutte le analisi sono state effettuate almeno in triplicato, ad eccezione delle analisi tecnologiche per preservare il campione per tutte le tipologie di analisi che sono state effettuate. I valori riportati sono quelli medi con relative deviazioni standard. Le differenze tra i campioni sono state valutate mediante analisi della varianza a una via (ANOVA) test Post-Hoc di Tukey, con un livello di confidenza del 95% (IBM SPSS Statistics, v.27).

RISULTATI E DISCUSSIONI

Le tabelle 2, 3, 4 e 5 riportano i risultati ottenuti per le due diverse tipologie di pasta. Per quanto riguarda la tabella 2 la maggior parte dei valori delle analisi sono rimasti invariati, ad eccezione della percentuale di amido lentamente (SDS) e rapidamente (RDS) digeribile. Questo è causato da una maggiore gelatinizzazione dell’amido durante la fase di estrusione a caldo del prodotto, con successiva retrogradazione, che ha portato all’ottenimento di valori diversi tra i due campioni.

Tabella 2. Analisi nutrizionali (*indica una differenza significativa di p < 0,05) in cui si evince una differenza nei valori di RDS e SDS dovuti dalle diverse temperature di estrusione.

Nella tabella 3, invece, sono riportati i risultati delle analisi tecnologiche, dalla quale si può dedurre che la differenza delle temperature di estrusione ha inciso su tutti e tre i parametri indicati. La gelatinizzazione dell’amido nella pasta estrusa a caldo ha aumentato l’O.C.T., con conseguente aumento anche della CL poiché il tempo di cottura più lungo ha causato una perdita di sostanza secca maggiore.  Per quanto riguarda la W.H.C, si può vedere come la percentuale di acqua trattenuta durante la cottura è maggiore per la pasta estrusa a freddo (80,69%) poiché, non essendo avvenuta la gelatinizzazione dell’amido in estrusione, al momento della cottura i granuli di amido non si erano ancora rigonfiati assorbendo acqua.

Tabella 3. Analisi tecnologiche (*indica una differenza significativa di p < 0,05) in cui emergono differenze importanti tra i due campioni analizzati.

Nella tabella 4 viene riportata la valutazione colorimetrica, da dove emerge che non sono state riscontrate differenze significative tra la pasta estrusa a freddo cruda e la pasta estrusa a caldo cruda. Entrambe le tipologie di pasta, però, alla fine del processo di cottura hanno avuto un aumento del valore L* (seppur non significativo), il che indica una colorazione più luminosa rispetto al loro corrispettivo crudo, e questo è stato apprezzabile anche a occhio nudo, poiché durante la cottura, una parte delle molecole pigmentate è passata in soluzione acquosa, colorando l’acqua. Per quanto riguarda, invece, il leggero, ma significativo, aumento post-cottura dei valori di a* può essere giustificato con una colorazione più tendente al violaceo, rispetto a prima, sempre collegato alla perdita di molecole pigmentate, che hanno favorito un colore meno intenso.

Tabella 4. Valutazione colorimetrica (* e *¹indica una differenza significativa di p < 0,05), dal quale si può dedurre che post-cottura la pasta ha assunto una colorazione più tendente al violaceo a causa della perdita di molecole pigmentate in cottura.

Infine, i risultati inerenti alla texture della pasta cotta sono riportati in tabella 5. La pasta estrusa a freddo ha una durezza maggiore rispetto alla sua controparte estrusa a caldo, poiché durante il processo di cottura ha avuto una CL minore, e grazie a ciò si è verificato un miglior mantenimento della struttura. L’appiccicosità è maggiore per la pasta estrusa a caldo, ciò può essere dovuto al tempo di cottura ottimale maggiore, che ha causato anche una CL più elevata durante la cottura. Ne consegue una perdita maggiore di costituenti dal campione, in particolare amilopectina, che aderiscono alla superficie della pasta cotta, rendendola più collosa. Infine, l’adesività, è risultata essere leggermente più alta per la pasta estrusa a freddo, seppure in maniera poco considerevole, a causa di una mancata o parziale gelatinizzazione dell’amido durante la fase di estrusione.

Tabella 5. Valutazione della texture (*indica una differenza significativa di p < 0,05), in cui si notano risultati diversi per tutti i valori presi in considerazione.

Per quanto riguarda le analisi metaboliche, i composti fenolici, suddivisi in classi e sottoclassi, sono stati quantificati utilizzando soluzioni standard di composti fenolici puri analizzati con lo stesso metodo utilizzato per l’analisi dei campioni. Il database utilizzato per l’annotazione dei composti è il Phenol-Explorer. In generale, le classi di fenoli in ordine di presenza, sono flavoni e altri flavonoidi (44 composti), antociani (42 composti), flavonoli (39 composti) e acidi fenolici (32 composti). Per quanto riguarda, invece, quelli più presenti in termini di abbondanza, possiamo annoverare gli antociani e gli acidi fenolici, in particolare quelli liberi. Per ottenere una visione più approfondita delle modifiche nel profilo fenolico indotte dal processo di produzione della pasta è stata utilizzata un’analisi supervisionata definita “Hierarchiacal cluster analysis” (HCA – Figura 3).

Per quanto riguarda i polifenoli liberi, attraverso la heatmap, è stata riscontrata un’importante similitudine tra impasto estruso a freddo, pasta estrusa a freddo essiccata e pasta estrusa a freddo cotta. Questo significa che i processi di essicazione e cottura non hanno influito molto sull’abbondanza di polifenoli liberi; infatti, partendo dall’impasto le differenze sono poche dopo i due processi. Le similitudini sono anche visibili tra impasto estruso a caldo, pasta estrusa a caldo essiccata e pasta estrusa a caldo cotta, e quindi si può ancora affermare che i processi di essicazione e cottura non comportano un notevole abbassamento del profilo di polifenoli liberi.

Inoltre, la heatmap ha evidenziato somiglianze tra il profilo fitochimico degli impasti estrusi a caldo ed estrusi a freddo, anche se si potrebbe affermare che la pasta estrusa a temperature minori conservi leggermente meglio il quantitativo in polifenoli liberi. Infine, si può affermare che le differenti temperature di estrusione non hanno influenzato la bioaccessibilità dei polifenoli liberi, dato che dopo il processo di digestione i due campioni sono risultati molto simili tra di loro. Per quanto riguarda, invece, i polifenoli legati vi è una somiglianza tra i campioni estrusi a freddo ed estrusi a caldo in tutti i processi (estrusione, essiccazione, cottura e digestione).

CONCLUSIONI

Il processo di estrusione a caldo ha conferito alla pasta a base di farina di riso nero delle caratteristiche tecnologiche di basso livello, poiché è stata rilevata una W.H.C. bassa e una CL piuttosto alta, ma dal punto di vista nutrizionale, a causa di una maggiore gelatinizzazione dell’amido con successiva retrogradazione, è stata calcolata una percentuale di RDS su amido totale minore rispetto alla pasta estrusa a freddo e una percentuale di SDS su amido totale maggiore.

Il processo di estrusione a freddo, invece, ha dato alla pasta a base di farina di riso nero delle caratteristiche tecnologiche migliori, avendo riscontrato una W.H.C. molto più alta e una CL leggermente più bassa, mentre dal punto di vista nutrizionale, come già riportato precedentemente, la percentuale di RDS calcolato su amido totale è più alta rispetto a quella calcolata nella pasta estrusa a caldo, mentre l’SDS su amido totale è minore. Un approccio di metabolomica untargeted è stato utilizzato per valutare l’impatto dell’estrusione a caldo e a freddo sul profilo fitochimico della pasta ottenuta.

Per quanto riguarda i polifenoli legati non sono state riscontrate differenze significative, ma per i polifenoli liberi c’è stata una maggiore conservazione nel prodotto estruso a temperature minori, dato che i composti funzionali analizzati sono molto termosensibili. La bioaccessibilità di questi composti, invece, non ha subito differenze significative. In conclusione, si può affermare che l’estrusione a freddo, in questo elaborato, ha avuto dei risultati più soddisfacenti, avendo delle caratteristiche tecnologiche, e una conservazione del contenuto polifenolico migliori. Tuttavia, mostra delle caratteristiche nutrizionali leggermente peggiori della pasta estrusa a caldo ma, considerando l’incertezza del kit enzimatico utilizzato, la differenza è minima.