Modifiche a carico dei carboidrati: fermentazioni e caramellizzazione

Fermentazioni

Le fermentazioni determinano una o più trasformazioni riduttive a carico dell'acido piruvico. Si svolgono in condizioni di anaerobiosi e differiscono per la maggior parte nei passaggi finali.

I substrati delle fermentazioni sono rappresentati in genere da: zuccheri semplici glucosio, fruttosio, ecc. disaccaridi saccarosio, maltosio, ecc. amido Disaccaridi e amido subiscono prima l'idrolisi enzimatica, che porta alla formazione degli zuccheri semplici. Questi seguono inizialmente la via metabolica della glicolisi, per poi differenziarsi nella fase finale.

Le più importanti fermentazioni sfruttate nell'industria agroalimentare sono:

Fermentazione alcolica

La fermentazione alcolica ha come risultato la trasformazione degli zuccheri in alcol etilico e anidride carbonica. La fermentazione alcolica è una forma di metabolismo energetico che avviene in alcuni lieviti in assenza di ossigeno. Essa è responsabile di diversi fenomeni che vediamo ogni giorno, quali la lievitazione del pane o la trasformazione del mosto in vino. Essa è operata da una particolare classe di microrganismi, i Saccharomyces, dei quali il più comune è senz'altro il S.cerevisiae, presente sulla buccia dell'uva come nel lievito di birra

Fermentazione lattica

La fermentazione lattica ha come risultato la trasformazione degli zuccheri in acido lattico.

Questa fermentazione è utilizzata nella preparazione dello yogurt, nella maturazione dei formaggi e nella conservazione dei vegetali (crauti, cetrioli, olive in salamoia) La fermentazione lattica è una forma di metabolismo energetico che avviene in alcuni batteri e nella cellula animale in assenza di ossigeno. Consiste nella trasformazione di una molecola di glucosio, o di altro zucchero fermentabile, in due molecole di acido piruvico che vengono successivamente ridotte ad acido lattico

Fermentazione acetica

La fermentazione acetica trasforma l'alcool etilico in acido acetico.

Questa fermentazione, sfruttata per la produzione dell'aceto, può manifestarsi spontaneamente nel vino se non viene tenuto al riparo dall'aria.

Fermentazione propionica

La fermentazione propionica, a partire da acido lattico, forma acido propionico, acido acetico e anidride carbonica.

Questa fermentazione è sfruttata per la maturazione dell'emmenthal, cui conferisce la tipica occhiatura.

Fermentazione butirrica

La fermentazione butirrica, a partire da acido lattico, forma acido butirrico, acido acetico, CO2 e H2.

In questo caso il processo ossidativo produce sostanze indesiderate: è infatti responsabile del gonfiore tardivo dei formaggi ed è considerata quindi un'alterazione.

Modifiche dei glucidi dovute al calore

L'azione delle alte temperature determina notevoli variazioni a carico dei caratteri chimici, fisici e organolettici dell'alimento. Alcune di queste trasformazioni sono sfruttate per migliorare le caratteristiche del prodotto, ma in genere risultano indesiderate.

Le principali modificazioni degli zuccheri dovute al calore riguardano la fase di cottura.

Gli zuccheri possono reagire con le proteine (Reazione di Maillard). Le altre trasformazioni dipendono dal tipo di zucchero e di trattamento.

1. Gli zuccheri semplici, essendo solubili, tendono a passare nell'acqua durante la cottura. Il saccarosio, ma anche il glucosio, il maltosio e il fruttosio, subiscono la caramellizzazione. Questa reazione, a differenza della Reazione di Maillard, avviene a temperature molto più elevate (da 110 a 180℃; 160℃ per il saccarosio) e ad un range di pH più vasto (3-9) e soprattutto non coinvolge gli amminoacidi. Si tratta di un insieme di reazioni che portano alla formazione di centinaia di composti, tra cui le sostanze volatili responsabili dell'aroma e i pigmenti bruni responsabili del colore. L'amido, con il calore secco (circa 160℃) si idrolizza a destrine (destrinizzazione), a volte fino a maltosio, conferendo consistenza croccante e colore dorato al prodotto, oltre ad un sapore leggermente dolce (crosta del pane) e ad un aumento della digeribilità. La cellulosa, cuocendo, si idrolizza, diventando più tenera e rendendo morbidi i vegetali. In ambiente alcalino, per esempio aggiungendo bicarbonato di sodio, l'effetto aumenta; al contrario, in ambiente acido, diminuisce.
2. Le pectine, durante la cottura, liberano per idrolisi acidi pectinici, che in presenza di zucchero e in ambiente acido sono in grado di gelificare (marmellate).

Caramellizzazione

La caramellizzazione è la un complesso di reazioni di imbrunimento non enzimatico degli zuccheri che produce composti aromatici e composti ad alto peso molecolare di colore marrone. la caramellizzazione è pirolitica. .

La caramellizzazione dello zucchero è definita come la produzione di aromi caratteristici e dI pigmenti marroni dagli zuccheri mediante l'applicazione di calore in assenza di composti amminici.

Per termolisi, gli zuccheri vengono disidratati mediante 1-2 e 2-3-enolizzazione, dipendenti dal pH, e quindi frammentati in composti reattivi che polimerizzano in polimeri bruno colloidali e formano anche aromi tipici.

Per Ironia della sorte, il caramello al latte (tipo le caramel caramelle toffee milk o le mou) non soddisfano la definizione di caramellizzazione di cui sopra, in quanto le reazioni coinvolgo anche i residui amminoacidici che sono presenti nel latte nella reazione di Maillard che vedremo nelle prossime lezioni.

Il processo dipende dalla temperatura. Zuccheri specifici hanno ciascuno il proprio punto in cui le reazioni iniziano a procedere prontamente. Le impurità nello zucchero, come la melassa che rimane nello zucchero di canna , accelerano notevolmente le reazioni.

Temperature di caramellizzazione

zucchero Temperatura Fruttosio 110°C galattosio 160°C

Glucosio 160°C Saccarosio 160℃ Maltosio 180 ℃

Le reazioni di caramellizzazione sono anche sensibili all'ambiente chimico. Controllando il livello di acidità ( pH ), la velocità di reazione (o la temperatura alla quale la reazione si verifica prontamente) può essere alterata. La velocità di caramellizzazione è generalmente più bassa con acidità quasi neutra (pH intorno a 7) e accelerata sia in condizioni acide (soprattutto pH inferiori a 3) che basiche (in particolare pH superiori a 9).

Il prodotto finale della caramellizzazione, contiene una miscela complessa di composti polimerici formati da composti ciclici insaturi (anelli a cinque e sei membri); che conferiscono il tipico sapore ed aroma.

Il colore marone è ottenuto da tre gruppi di polimeri: caramellani (C 24 H 36 O 18 ), caramelleni (C 36 H 50 O 25 ) e caramellini (C 125 H 188 O 80 ).

Mentre il processo si verifica, sostanze chimiche volatili come il diacetile vengono rilasciate, producendo il caratteristico sapore di caramello

Esistono quattro classi riconosciute di caramello, che possono ottenuti impiegando un acido o una base durante la preparazione, oltre alle condizioni specifiche indicate di seguito per ciascuna classe.

Il caramello di classe I (chiamato anche semplice caramello o caramello caustico) viene preparato riscaldando un carboidrato senza una fonte di ioni di ammonio o di solfito.

Il caramello di classe II (chiamato anche caramello al solfito caustico) viene preparato riscaldando un carboidrato in presenza di un solfito ma in assenza di ioni di ammonio. Questo caramello, che è usato per aggiungere colore alle birre e ad altre bevande alcoliche, è marrone rossastro, contiene particelle colloidali con cariche leggermente negative e ha un pH della soluzione di 3-4.

Il caramello di classe III (chiamato anche ammonio caramello) viene preparato riscaldando un carboidrato in presenza di una fonte di ioni ammonio ma in assenza di ioni solfito. Questo caramello, che viene utilizzato in prodotti da forno, sciroppi e budini, è marrone rossastro, contiene particelle colloidali con cariche positive e dà un pH della soluzione di 4,2-4,8.

Il caramello di IV classe (chiamato anche caramello di ammonio solfito) viene preparato riscaldando un carboidrato in presenza sia di ioni di solfito che di ammonio. Questo caramello, che viene utilizzato in bibite analcoliche, altre bevande acide, prodotti da forno, sciroppi, caramelle, alimenti per animali domestici e condimenti secchi, è marrone, contiene particelle colloidali con cariche negative e dà un pH della soluzione di 2-4.5. In questo caso, il sale acido catalizza la scissione del legame glicosidico del saccarosio e lo ione ammonio