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Emulsioni per bevande
In questo articolo parleremo di due categorie di prodotto: emulsioni aromatizzanti per bevande, che vengono utilizzate per fornire una combinazione di aroma, torbidità e colore e di emulsioni intorbidanti, che vengono utilizzate principalmente per dare solo la torbidità. Le emulsioni per bevande sono solitamente preparate in una forma relativamente concentrata (10-30% in peso di olio) in quanto questo facilita il loro trasporto e la loro conservazione. Il prodotto finito (<0,1 wt% olio) viene quindi preparato diluendo l’emulsione concentrata con una soluzione acquosa. L’industria delle bevande sta affrontando nuove sfide nella formulazione dei prodotti in quanto sono sempre più richieste bevande che promuovono la salute, quindi fortificate con vitamine, minerali o altri nutraceutici.
Fase dispersa dell’emulsione
Le emulsioni per bevande sono emulsioni olio-in-acqua O→W; quindi, la fase dispersa consiste principalmente di olio e vari altri componenti che sono parzialmente o totalmente insolubili nella fase acquosa, ad esempio aromi solubili in olio, coloranti, antiossidanti, vitamine e agenti di ponderazione.
Il tipo di olio presente all’interno delle goccioline dipende principalmente dal fatto che l’emulsione della bevanda sia aromatica o solo intorbidante.
Le goccioline negli intorbidanti sono costituite principalmente da oli non aromatizzati (ad esempio, oli vegetali o oli terpenici), mentre le goccioline nelle emulsioni aromatiche sono costituite da oli aromatizzanti (ad esempio, oli di agrumi) o ancora miscele di oli aromatizzanti e oli non aromatizzati.
Gli oli non aromatizzati non contribuiscono direttamente al profilo aromatico delle emulsioni di bevande e vengono utilizzati principalmente per la loro capacità di formare goccioline d’olio che diffondono la luce.
Gli oli aromatici più comunemente usati sono gli oli di agrumi, come arancia, limone, lime e pompelmo, e sono sostanze altamente complesse che contengono una varietà di diversi tipi di molecole, con diversi pesi molecolari, strutture e polarità.
Gli oli di agrumi sono costituiti principalmente da terpeni idrocarburici (monoterpeni e sesquiterpeni) che hanno poco odore o sapore. Tuttavia, gli oli di agrumi contengono anche molti terpenoidi ossigenati che contribuiscono al profilo aromatico generale, ad esempio alcoli, chetoni, acidi ed esteri. Molti oli aromatici contengono componenti che hanno una certa solubilità in acqua, di conseguenza, le emulsioni di bevande contenenti questi oli sono più suscettibili alla maturazione di Ostwald rispetto alle emulsioni contenenti oli convenzionali.
Alcuni dei componenti degli oli aromatici sono suscettibili alla degradazione chimica (ad esempio, ciclizzazione o ossidazione) e, pertanto, potrebbe essere necessario controllare attentamente le condizioni ambientali (pH, temperatura, luce, minerali) o incorporare conservanti per migliorare la loro stabilità.
Un altro problema con gli oli aromatizzati è che la loro densità (∼845-890 kg m-³) è relativamente bassa rispetto a quella della fase acquosa (∼1000-1050 kg m-³), il che significa che le emulsioni olio-in-acqua preparate interamente da questi oli sarebbero instabili all’affioramento. È per questo motivo che in queste emulsioni sono normalmente incorporati nella fase oleosa, degli agenti di ponderazione. Lo scopo degli agenti di ponderazione è quello di ridurre il contrasto di densità tra le goccioline d’olio e la fase acquosa circostante, riducendo così la forza motrice dell’affioramento. Una varietà di agenti di ponderazione naturali e sintetici sono disponibili per l’utilizzo nelle emulsioni per bevande. ma i più usati sono olio vegetale bromurato (E443_BVO), ammesso negli USA, ma non ammesso in Europa, che può essere sostituito dall’ Acetato isobutirrico di saccarosio E444, e dagli Esteri della glicerina della resina del legno E445. L’agente ponderante viene incorporato nella fase oleosa prima dell’omogeneizzazione. La densità dell’agente di ponderazione determina la quantità necessaria per avvicinare le densità dell’olio e della fase acquosa: E444=1150 kg m−³; E445=1080 kg m−³. Tuttavia, il tipo e la quantità di agenti di ponderazione che possono essere utilizzati nelle emulsioni per bevande è limitato dalla normativa europea. Per esempio, l’E444 è permesso nelle bevande torbide fino a 300mg/lt, mentre l’E445 solo fino a 100mg/lt. Questo significa che spesso non è possibile arrivare alla stessa densità della fase acquosa utilizzando gli agenti di ponderazione, in quel caso per migliorare la stabilità dell’emulsione, risulta molto utile inserire una concentrazione di goccioline il più bassa possibile, pur mantenendo gli altri attributi desiderabili del prodotto, come l’aspetto e il sapore.
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Interfaccia dell’emulsione
La composizione e la struttura dello strato interfacciale che circonda le goccioline di olio nelle emulsioni per bevande è in gran parte determinata dal tipo di emulsionante utilizzato per stabilizzare il sistema. Gli emulsionanti attualmente più utilizzati nelle emulsioni per bevande sono i polisaccaridi anfifilici Gomma Arabica e Amido Modificato.
Tradizionalmente, la gomma arabica era l’emulsionante più comunemente usato a causa della sua elevata solubilità in acqua, bassa viscosità della soluzione e buona capacità di formare uno strato protettivo attorno alle goccioline d’olio. Tuttavia, ci sono stati molti problemi associati al suo utilizzo a causa delle variazioni nella sua disponibilità, qualità e prezzo. Queste variazioni sono state associate alla variabilità naturale delle specie vegetali da cui viene estratto, nonché alla natura delle condizioni di estrazione, lavorazione e conservazione.
Di conseguenza, sono state condotte ricerche per identificare fonti alternative di emulsionanti da utilizzare nelle emulsioni per bevande. Gli amidi idrofobicamente modificati hanno dimostrato di essere uno dei sostituti più promettenti della gomma arabica. Tipicamente, un amido viene modificato chimicamente per contenere gruppi laterali non polari contenenti tra 5 e 18 atomi di carbonio. Questi gruppi laterali ancorano la molecola alla superficie delle goccioline, mentre le catene di amido idrofilo sporgono nella fase acquosa e proteggono le goccioline dall’aggregazione attraverso la repulsione sterica. Gli amidi modificati tendono ad essere leggermente anionici in soluzioni acquose e hanno attività superficiali simili a quelle della gomma arabica. Uno dei principali vantaggi dell’amido modificato è che è molto meno suscettibile alle variazioni batch-to-batch nell’efficienza dell’emulsionante rispetto alla gomma arabica. Può anche essere sciolto in acqua fredda, ha una buona stabilità al pH e alle variazioni di temperatura e può essere spesso utilizzato a livelli inferiori rispetto alla gomma arabica.
Fase Continua dell’emulsione
Il componente principale nella fase continua delle emulsioni di bevande è ovviamente l’acqua, che in genere costituisce tra il 60% e il 95% dell’emulsione.
La stabilità fisica e chimica a lungo termine delle emulsioni per bevande dipende fortemente dall’utilizzo di acqua di buona qualità; per questo motivo, viene solitamente trattata per rimuovere minerali, molecole di sapore e odore indesiderabili, materia colloidale e microrganismi prima dell’utilizzo. Alcune emulsioni per bevande contengono nella fase continua degli agenti addensanti per fornire corpo, oltre che per rallentare la separazione gravitazionale delle goccioline d’olio o di altre sostanze sospese. Una varietà di agenti addensanti sono stati appositamente formulati per l’utilizzo in emulsioni di bevande, tra cui amidi modificati, xantano, pectina, gomma di guar, alginati, caragenina e carbossimetil-cellulose. Questi addensanti sono disponibili in un’ampia varietà di forme diverse (agenti singoli, miscele, pesi molecolari, cariche, ecc.) con diversi attributi funzionali (miglioramento della viscosità, sensibilità ambientale, dispersibilità, compatibilità degli ingredienti).
Le emulsioni per bevande contengono anche vari altri ingredienti idrosolubili che contribuiscono alla loro stabilità, al loro sapore, alla loro consistenza e al loro aspetto, come acidificanti, conservanti, aromi, coloranti, vitamine, minerali e antiossidanti.
La fase acquosa della maggior parte delle emulsioni di bevande è acida (pH 2,5-4,5) quindi contiene acidificanti, come acido citrico, malico, tartarico, fosforico o lattico. Questi acidi contribuiscono al profilo aromatico, aiutano a prevenire la crescita microbica e possono ritardare le reazioni di ossidazione chelando cationi multivalenti. Anche i conservanti, come l’acido benzoico o il benzoato di sodio, vengono solitamente aggiunti alle emulsioni delle bevande per prevenire la crescita microbica. Un’ampia varietà di diversi coloranti naturali, sintetici e artificiali vengono aggiunti a queste emulsioni per fornire il loro aspetto caratteristico, ad esempio i colouring food a base di antociani, i betacaroteni di sintesi o di origine naturale, ma anche gli azoici come la tartrazina e il giallo tramonto.
Molti di questi coloranti possono subire reazioni di degradazione chimica nelle bevande con conseguente sbiadimento del colore nel tempo, quindi sono necessarie strategie efficaci per inibire i cambiamenti indesiderati nell’aspetto del prodotto. I dolcificanti naturali (ad esempio, saccarosio, sciroppi di glucosio ad alto contenuto di fruttosio) e/o edulcoranti artificiali (ad esempio, aspartame, acesulfame k e sucralosio) vengono spesso aggiunti alle emulsioni di bevande per produrre un profilo aromatico desiderabile. Quando si formula un’emulsione per bevande, è importante assicurarsi che tutti gli ingredienti siano compatibili tra loro e che rimangano stabili durante la vita prevista del prodotto. I tipi di ingredienti selezionati per un particolare prodotto bevanda sono anche regolati da varie considerazioni legali, economiche e di marketing.
Microstruttura
Il prodotto finito è un’emulsione olio-in-acqua diluita, costituita da goccioline d’olio disperse in un mezzo acquoso. Le goccioline, nelle emulsioni di bevande, sono di solito così piccole che non possono essere osservate al microscopio ottico; la loro dimensione è vicina al limite di risoluzione del microscopio oltre al fatto che si muovono molto rapidamente a causa del moto browniano. La microscopia elettronica può essere utilizzata per fornire informazioni sulla distribuzione delle dimensioni delle gocce delle emulsioni per bevande, ma è una tecnica costosa, dispendiosa in termini di tempo e laboriosa da utilizzare. Per questo motivo, la microstruttura delle emulsioni per bevande viene solitamente determinata indirettamente utilizzando strumenti di dimensionamento delle particelle, come la diffusione della luce. Nelle emulsioni stabili per bevande, le goccioline devono essere isolate; di solito, i produttori stabiliscono alcuni criteri di distribuzione granulometrica per valutare l’efficienza del processo di omogeneizzazione e prevedere la stabilità a lungo termine del prodotto finale. Per esempio, si può stabilire che la maggior parte delle goccioline d’olio deve essere inferiore a un diametro di particelle specificato affinché un prodotto sia accettabile, come definire che il 90 vol% di goccioline sia al di sotto di un diametro di 0,5 μm. Lo spessore e la struttura dello strato interfacciale dipendono dal tipo di emulsionante utilizzato, per esempio, i tensioattivi a piccole molecole o le proteine globulari tendono a formare strati compatti relativamente sottili, mentre i polisaccaridi tendono a formare strati aperti relativamente spessi.
Produzione
Le bevande vengono solitamente preparate utilizzando un processo di due fasi:
- prima viene preparato un’emulsione concentrata (olio al 10-30% in peso),
- che viene poi diluita per creare il prodotto finito (<0.1 wt% di olio).
L’emulsione viene normalmente immagazzinata e trasportata in forma concentrata per ridurre i costi associati alla presenza di grandi quantità di acqua.
Emulsioni Concentrate
I concentrati possono essere formati utilizzando metodi di omogeneizzazione ad alta energia o a bassa energia a seconda del tipo di olio ed emulsionante utilizzato.
I metodi ad alta energia sono usati con gomma arabica, amido modificato, proteine e tensioattivi a piccole molecole, mentre quelli a bassa energia vengono utilizzati solo per alcuni tipi di olio e solo con tensioattivi a piccole molecole (polisorbati).
Per l’omogeneizzazione ad alta energia, tutti i componenti delle due fasi acquosa e oleosa vengono preventivamente miscelati insieme. Si ottengono così due diverse soluzioni (una acquosa e una oleosa), che possono quando necessario essere preparate riscaldando e agitando meccanicamente per facilitare la dissoluzione e la dispersione dei vari ingredienti.
Una volta preparate le fasi oleosa e acquosa, vengono miscelate insieme utilizzando un miscelatore ad alto taglio per formare un’emulsione grossolana. La fase successiva è l’omogeneizzazione ad alta pressione per ottenere un’emulsione fine. L’omogeneizzazione può essere effettuata utilizzando un omogeneizzatore a uno o due stadi e l’emulsione può essere fatta passare attraverso l’omogeneizzatore più di una volta per garantire che la dimensione delle goccioline sia abbastanza piccola da prevenire la separazione durante la conservazione a lungo termine. Dopo l’omogeneizzazione, l’emulsione viene pastorizzata per ridurre la carica microbica e quindi immagazzinata o trasportata nel luogo in cui verrà utilizzata. Per un’omogeneizzazione a bassa energia, il tensioattivo solubile in acqua e la fase oleosa vengono inizialmente miscelati insieme e quindi aggiunti alla fase acquosa con agitazione continua. Se vengono utilizzati olio e tensioattivo appropriati, questo processo porta alla formazione spontanea di piccole goccioline d’olio senza la necessità di un omogeneizzatore.
Proprietà Chimico Fisiche
Stabilità
L’aspetto, il sapore e la stabilità di un’emulsione per bevande determinano in gran parte la sua qualità; ma è importante che gli attributi fisico-chimici di questa emulsione siano riscontrabili nella bevanda finita e mantenuti nella stessa fino al momento in cui viene consumata. Tuttavia, ci possono essere numerosi fattori che influiscono negativamente sulla loro stabilità.
Una migliore comprensione dei fattori che influenzano la stabilità delle emulsioni per bevande consente ai produttori di sviluppare prodotti con una maggiore qualità e durata di conservazione.
I meccanismi di instabilità più comuni osservati nelle emulsioni di bevande sono la formazione di un anello sul collo della bottiglia (ringing) e l’oliatura. L’inanellamento è la formazione di un anello attorno al collo del contenitore, mentre l’oliatura è la formazione di una chiazza di olio lucido sulla parte superiore del prodotto. Entrambi sono il risultato di una varietà di meccanismi fisico-chimici che si verificano all’interno dell’emulsione della bevanda, tra cui la separazione gravitazionale, la flocculazione, la coalescenza e la maturazione di Ostwald. Una varietà di metodi sono stati impiegati dall’industria delle bevande per rallentare questo fenomeno nelle bevande. La base fisica di questi metodi può essere compresa facendo riferimento all’equazione di Stokes :
⊃ Riduzione del contrasto di densità: la legge di Stokes prevede che la velocità di affioramento di una goccia sia proporzionale alla differenza di densità tra la goccia e il liquido circostante. La densità degli aromi tipici e degli oli (845-920 kg m-³) è sensibilmente inferiore alla densità delle fasi acquose delle emulsioni per bevande (1000-1050 kg m-³). Quindi, le goccioline di olio tenderanno a muoversi verso l’alto a causa della gravità. Per questo motivo, vengono aggiunti agenti di ponderazione per aumentare la densità della fase oleosa. Tuttavia, spesso non è possibile arrivare alla stessa densità delle fasi olio e acquosa a causa delle limitazioni legali sulla quantità massima di agente di ponderazione che può essere utilizzato. Per inciso, gli agenti di ponderazione possono anche essere in grado di inibire la maturazione di Ostwald nelle emulsioni di olio aromatizzante a causa della bassissima solubilità in acqua. La densità effettiva di una goccia d’olio può anche essere aumentata in qualche modo dalla presenza di uno spesso strato interfacciale densamente imballato, poiché la densità dello strato adsorbito è solitamente maggiore di quella dell’acqua. Questo effetto è significativo solo per goccioline relativamente piccole in cui lo strato interfacciale comprende una frazione significativa del volume totale effettivo della goccia.
⊃ Riduzione della dimensione delle particelle: la legge di Stokes prevede che la velocità di affioramento di una goccia sia proporzionale al suo raggio al quadrato. La stabilità di un’emulsione per bevande può quindi essere aumentata assicurando che la maggior parte delle goccioline sia al di sotto di una certa dimensione critica, in genere intorno a 0,3 μm di diametro. Inoltre, l’emulsione viene solitamente formulata per evitare processi che portano ad un aumento delle dimensioni delle particelle durante lo stoccaggio, ad esempio flocculazione, coalescenza o maturazione di Ostwald. Tuttavia, per alcuni prodotti, bisogna fare attenzione di non rendere le goccioline troppo piccole, o diventeranno meno efficienti nel diffondere la luce, e la bevanda perderà il suo aspetto torbido richiesto.
⊃ Aumento della viscosità della fase acquosa: la legge di Stokes prevede che la velocità alla quale una goccia si muove verso l’alto a causa della gravità è inversamente proporzionale alla viscosità del fluido circostante. La stabilità può essere quindi migliorata aumentando la viscosità della fase continua. La viscosità della fase continua può essere aumenta con l’aumentare della concentrazione di zucchero, ma questo si tradurrebbe un aumento del contrasto tra la densità delle due fasi. Alcuni idrocolloidi, possono essere aggiunti alla fase acquosa in concentrazioni relativamente basse per aumentarne la viscosità senza influenzare la densità. Tuttavia, bisogna fare attenzione a non alterare le caratteristiche di scorrimento desiderabili o la sensazione in bocca del prodotto finale.
Reologia
La reologia delle emulsioni per bevande è in gran parte determinata dalle caratteristiche reologiche della fase acquosa, in quanto la concentrazione della fase oleosa è estremamente bassa. Quindi, la reologia in questo caso, è determinata principalmente dalla concentrazione di eventuali addensanti e zuccheri presenti. Da un punto di vista pratico, è importante avere un concentrato di bevande che abbia un contenuto di umidità il più basso possibile per ridurre i costi di spedizione e stoccaggio, ma che non sia così viscoso da non poter essere facilmente utilizzato. Le caratteristiche reologiche dei concentrati di bevande che offrono il miglior compromesso tra basso contenuto di umidità e manipolazione possono essere ottenute selezionando una concentrazione appropriata di oli e stabilizzanti.
Aspetto
L’aspetto generale delle emulsioni per bevande è determinato principalmente dalla dispersione della luce da parte delle goccioline dell’emulsione e dall’assorbimento selettivo della luce da parte di qualsiasi colorante. L’aspetto della bevanda dipende quindi dalle caratteristiche delle goccioline (dimensioni, concentrazione e indice di rifrazione) e dalle caratteristiche del colorante (tipo e concentrazione). La torbidità delle emulsioni per bevande aumenta con l’aumentare della concentrazione di goccioline e dipende dal loro raggio tenendo conto che il loro valore massimo è intorno a 0,5 μm.
Una varietà di diversi coloranti naturali e sintetici sono utilizzabili nelle emulsioni per bevande. L’aspetto di un’emulsione per bevande può cambiare durante lo stoccaggio a causa di alterazioni delle caratteristiche delle goccioline o dei coloranti. L’aggregazione di goccioline (flocculazione o coalescenza) o la maturazione di Ostwald possono modificare la dimensione delle particelle presenti, il che altera i loro profili di diffusione della luce, e quindi di torbidità o leggerezza dell’emulsione. La degradazione chimica dei colori può essere controllata a seconda dei casi con l’aggiunta di antiossidanti come l’acido ascorbico o utilizzando molti degli stessi metodi utilizzati per controllare la degradazione degli aromi, ad esempio aggiungendo conservanti, e controllando le condizioni di conservazione (come i livelli di ossigeno, l’esposizione alla luce e la temperatura).
Profilo Aromatico
Il profilo aromatico desiderato per un particolare prodotto di emulsione di bevande dipende dal suo tipo e dalla descrizione dell’etichetta, ad esempio, arancia, limone, fragola, cola, ecc.
Il profilo aromatico complessivo di un prodotto è determinato dal contributo di molti ingredienti diversi, tra cui acidi, dolcificanti, aromi solubili in olio presenti all’interno delle goccioline, aromi solubili in acqua dispersi nella fase acquosa e aromi volatili presenti nello spazio di testa.
La distribuzione di equilibrio e la velocità di rilascio degli aromi dipendono anche dalla presenza di ingredienti non aromatizzanti, come lo zucchero o gli edulcoranti artificiali, o a causa della suddivisione degli aromi tra fasi oleose, acquose o interfacciali. Pertanto per ottenere il profilo aromatico più idoneo, non andrebbe sottovalutato nessuno di questi fattori, tenendo conto anche che, il profilo aromatico può cambiare nel tempo; alcuni composti aromatizzanti sono suscettibili alla degradazione chimica (ad esempio, ossidazione, idrolisi o polimerizzazione) durante lo stoccaggio o la lavorazione, il che porta alla perdita del profilo aromatico originale e/o alla formazione di sapori indesiderabili.
Per evitare o ridurre al minimo questi cambiamenti, è spesso importante aggiungere conservanti (ad esempio, antiossidanti e agenti chelanti), controllare la composizione del prodotto (ad esempio, ossigeno, acidità, contenuto di minerali e contenuto di biopolimeri) e controllare le condizioni di conservazione (ad esempio, esposizione alla luce e fluttuazioni di temperatura).
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