In questo lavoro è stato utilizzato il metodo di progettazione degli esperimenti basato sulla mixture design per identificare la formulazione ottimale di una crema spalmabile a base di pistacchio senza zuccheri aggiunti e utilizzando un oleogel di olio di oliva come sostituto dell’olio di palma.

Eleonora Muccio – Tesi di Laurea Magistrale in Ingegneria Alimentare (febbraio 2023) – Università degli Studi di Salerno – docente relatore Donatella Albanese – emuccio@unisa.it; dalbanese@unisa.it

Il mercato delle creme spalmabili è in costante crescita, infatti, si assiste al cosiddetto spread trend americano in cui famosi marchi dolciari propongono in formato spalmabile le relative versioni cremose dei propri snack più popolari (Pan di Stelle – Barilla, Rossana – Fida, Twix-Bounty-M&Ms, Mars). A detenere il primato nel settore rimane, però, l’orgoglio italiano della crema alla nocciola commercializzata con il nome Nutella della Ferrero. In risposta alle esigenze salutistiche dei consumatori, si stanno diffondendo nel mercato creme alimentari con alto contenuto in proteine, creme senza lattosio, creme senza zuccheri aggiunti e creme realizzate con oli vegetali diversi dall’ olio di palma.

La necessità di sostituire l’olio di palma è dettata sia dall’elevato impatto ambientale generato dalla sua coltivazione (deforestazione, perdita della biodiversità e uso del suolo) ma anche dai rischi legati al suo eccessivo consumo in quanto ricco in acidi grassi saturi e contente 3-MCPD, e relativi esteri, sostanze cancerogene/genotossiche prodotte durante la raffinazione dell’olio di palma. Così come, a preoccupare sempre più i consumatori, è la crescente assunzione di zucchero, principalmente saccarosio, associata a problemi di salute come l’obesità, il diabete e malattie cardiovascolari.

La maggior parte delle formulazioni di creme spalmabili è, però, costituita da particelle solide provenienti da saccarosio (circa il 30-50%), frutta a guscio macinata, latte e derivati disperse in una rete continua di cristalli di grasso (olio di palma e suoi frazionamenti). Pertanto, le creme spalmabili possono essere definite come un sistema multifase complesso costituito da particelle solide disperse in una fase grassa continua. L’interazione tra la frazione solida non grassa e la fase grassa influenza le proprietà microstrutturali della crema condizionando in modo sostanziale la percezione sensoriale complessiva.

La qualità tecnologica delle creme anidre è, senza dubbio, correlata alle proprietà reologiche del prodotto che, a loro volta, influenzano importanti parametri per i consumatori quali la spalmabilità e la scioglievolezza in bocca. È importante sottolineare che la riduzione dello zucchero, principale componente della frazione solida non grassa, e la tipologia di grasso influenzano le proprietà reologiche della crema e la sua stabilità all’affioramento durante il periodo di shelf life. Pertanto, data la crescente consapevolezza degli effetti negativi sulla salute umana legati all’eccessiva assunzione di zuccheri il settore dolciario spinge la ricerca ad individuare formulazioni di creme anidre rispondenti alle esigenze dei consumatori e con paragonabili proprietà reologiche e sensoriali delle creme spalmabili convenzionali.

Obiettivo

Il presente lavoro di tesi ha avuto come obiettivo lo sviluppo e l’ottimizzazione di una crema spalmabile a base di pistacchio senza zuccheri aggiunti ne olio di palma. Per la totale sostituzione dell’olio di palma è stato utilizzato un oleogel ottenuto attraverso l’aggiunta di agenti strutturanti, noti anche come oleogelatori (monoacilgliceroli, diacilgliceroli, acidi grassi/alcoli, steroli, e cere), all’olio vegetale. Gli oleogelatori sono in grado formare una struttura solid-like conferendo all’olio vegetale un comportamento simile ad un solido. Lo zucchero è stato totalmente sostituito dai ben noti glicosidi steviolici estratti dalla stevia il cui potere dolcificante è circa 200-300 volte maggiore di quello del saccarosio.

Al fine di identificare la formulazione ottimale della crema spalmabile al pistacchio senza olio di palma e senza saccarosio è stato utilizzato il metodo di progettazione degli esperimenti (design of experiment – DoE) prendendo come riferimento le proprietà fisiche e sensoriali delle creme spalmabili. Il presente lavoro ha previsto l’analisi delle proprietà fisiche che caratterizzano le creme spalmabili come la capacità legante l’olio, texture (spalmabilità e durezza) e la dimensione dei solidi presenti al suo interno.

Inoltre, le creme spalmabili prodotte sono state sottoposte ad una valutazione sensoriale per analizzare l’accettabilità delle stesse da parte dei consumatori. I risultati delle analisi sono, poi, state introdotte in un software di analisi statistica (JMP) come elementi di base per la modellazione con lo scopo ultimo di definire la composizione ottimale della crema spalmabile al pistacchio senza olio di palma e senza zuccheri aggiunti.

Materiali & Metodi

La formulazione di controllo della crema spalmabile al pistacchio è stata ottenuta attraverso esperimenti preliminari incentrati sulla selezione del rapporto tra gli ingredienti normalmente utilizzati per la produzione di creme spalmabili a base di frutta a guscio. La crema di controllo è stata poi modificata mediante l’eliminazione totale dello zucchero e la sostituzione dell’olio di palma rispettivamente con stevia pura e oleogel di olio di oliva utilizzando come agente strutturante il glicerolo monostearato (GMS).

Esperimenti preliminari hanno permesso l’individuazione dell’intervallo delle frazioni massiche di oleogel, latte scremato in polvere e sieroproteine per sopperire alla eliminazione della quantità di saccarosio impiegata nella crema di controllo. Al fine di determinare gli effetti della sostituzione sulle proprietà fisico-chimiche delle creme spalmabili e per ottenere una formulazione ottimale è stato applicato l’approccio del disegno degli esperimenti (DoE) e, in particolare, una mixture design.

Questo approccio ha permesso di ottenere 12 diverse formulazioni utilizzando come variabili indipendenti gli ingredienti aggiunti (oleogel-x₁, sieroproteine- x₂ e latte scremato-x₃) e come variabili dipendenti le proprietà fisiche (spalmabilità-y₁ e capacità legante dell’olio-y₂) e sensoriali (scioglievolezza-y₃, adesività al palato-y₄, altro sapore-y₄ ed accettabilità complessiva-y₅) caratterizzanti le creme spalmabili. Di seguito è riportata l’equazione del modello matematico per l’analisi dei dati sperimentali.

Le 12 formulazioni ottenute dal modello matematico presentano una percentuale di oleogel compresa tra il 20-30%, un quantitativo di sieroproteine comprese tra l’8-20% ed una percentuale di latte in polvere compresa tra il 10-32%. Per ogni formulazione la somma in peso dei tre ingredienti corrisponde al 59% della crema di controllo la cui composizione è la seguente: saccarosio 34%, olio di palma 15%, pasta di pistacchio 40%, sieroproteine 1%, latte scremato in polvere 9%, lecitina di soia 0.7% e vanillina 0.3%. La crema di controllo (CS) e le 12 formulazioni sono state preparate in un robot da cucina (TM21 Thermomix, Vorwerk, DK) a 55°C per 1 ora e 30 minuti e successivamente raffinate con un Chocolate Melanger (Wet Grinder PG503, IND). Tutte le analisi, di seguito descritte, sono state eseguite dopo un periodo di conservazione delle creme di 7 giorni a temperatura ambiente.

Capacità di legare l’olio (oil binding capacity – OBC): il rilascio dell’olio dalla crema riflette la capacità della struttura interna di trattenerlo ed è un indice importante per misurare la stabilità fisica della crema. Le creme sono state sottoposte a centrifugazione a 130000 rpm per 15 min a 20°C. L’OBC è stato espresso come il complemento a cento della percentuale dell’olio rilasciato dalla crema determinato come il rapporto tra il peso di olio rilasciato e il peso del campione di partenza.

Texture: le proprietà di durezza e spalmabilità sono state misurate mediante texturometro (LRX Plus, Lloyd Instruments) dotato di una cella di carico di 50N e una sonda a cono. La velocità di affondamento è stata impostata pari a 30 mm/min e la profondità di affondamento pari a 18mm. Dal grafico di spalmabilità sono stati determinati i parametri di durezza, espressa in N, definita come il picco massimo della curva; mentre, la spalmabilità (N*mm) come area sottesa alla curva.

Analisi delle dimensioni delle particelle: la dimensione delle particelle è stata quantificata come volume relativo delle particelle attraverso la curva di distribuzione dimensionale mediante l’utilizzo di un Mastersizer dotato di unità di dispersione Hydro 3000 (Malvern Instruments, UK). Dalla curva sono state determinate le dimensioni delle particelle.

Colore: il colore è stato determinato con un colorimetro a riflettanza Minolta Chroma Meters CR 300 (Konica Milta Sensing Americas, USA) secondo il sistema cromatico CIELab (L, a*, b* croma (C*) e angolo HUE).

Valutazione sensoriale: gli attributi sensoriali investigati da un gruppo di assaggiatori selezionati e addestrati sono stati la lucentezza, adesività al cucchiaio, spalmabilità, sapore di pistacchio, altro sapore, scioglievolezza e adesività al palato.

Tutte le analisi sono state effettuate in triplicato. I risultati sono stati riportati come media e deviazione standard e sottoposti ad analisi della varianza a una via (ANOVA). Le differenze significative tra i campioni (livello di significatività del 95%) sono state determinate mediante il test di Duncan (JMP, SAS Institute, USA).

Risultati

Le creme spalmabili contenenti una minore percentuale di oleogel hanno mostrato valori di OBC più elevati rispetto alle creme spalmabili con un’alta percentuale di oleogel, come riportato in Figura 1. Tale comportamento può essere dovuto alla presenza di diversi acidi grassi, per la combinazione tra olio di pistacchio ed oleogel, che potrebbero destabilizzare la rete tridimensionale diminuendo la sua capacità di intrappolare l’olio.

In termini di consistenza, la minor percentuale di oleogel, che determina un incremento dei solidi non grassi nella formulazione, ha mostrato una maggiore durezza e spalmabilità delle creme. Al contrario, per le creme con un maggior percentuale di oleogel e, quindi, una minore percentuale di solidi non grassi, hanno mostrato una minore durezza e spalmabilità. I risultati sono mostrati in Figura 2.

La distribuzione granulometrica influenza l’accettazione del prodotto finale da parte del consumatore. Il 90% delle particelle solide presenti nelle creme prodotte presenta una dimensione media pari a 29.32 μm, ed inferiore a 35 μm, individuato come limite di accettabilità oltre il quale si ha la percezione di “sabbioso” al palato. Pertanto, il processo di raffinazione è stato significativo nella riduzione delle dimensioni delle particelle solide. Dall’analisi colorimetrica, la tinta delle creme prodotte mostra valori nella scala del verde non riscontrando differenza significative tra i diversi campioni. Tuttavia, la crema di controllo (CS) ha mostrato differenze significative solo in termini di L* rispetto alle 12 creme prodotte come riportato in Figura 3.

Per quanto riguarda la valutazione sensoriale, le creme spalmabili con una minore percentuale di oleogel risultano meglio distribuite sulle fette biscottate confermando la maggiore forza necessaria a spalmare la crema, una migliore capacità a mescolarsi e una maggior tendenza a rimanere adese al palato. Ciò è coerente con i dati di texture, in cui le stesse creme hanno mostrato valori più elevati di durezza e spalmabilità a causa di una rete cristallina più densa e, quindi, una struttura più coesa che richiede una forza maggiore per essere spalmata o mescolata. Infatti, le creme con una minore percentuale di oleogel presentano una distribuzione più compatta sulle fette biscottate, come si evince dalla Figura 4.

Viceversa, le creme con una maggiore percentuale di oleogel e, quindi, una minore percentuale di solidi totali, sono preferite in termini di scioglievolezza e ciò potrebbe essere dovuto alla quantità di grassi presenti. Infine, la presenza della stevia, identificata in un “sapore amaro” o “liquirizia” è risultata più equilibrata nelle creme con una minore percentuale di oleogel. I dati sperimentali ottenuti per tutte le creme preparate sono stati analizzati statisticamente per identificare il modello più adatto per ciascun parametro investigato. Le funzioni del modello hanno mostrato un coefficiente di determinazione pari a 0.9, indicando un buon accordo tra le risposte previste e quelle osservate.

Sulla base dei modelli sviluppati, i risultati hanno evidenziato che la quantità di latte scremato influenza, con un livello di significatività pari al 95%, tutte i parametri investigati mentre, le sieroproteine e l’oleogel, hanno influenzato significativamente la spalmabilità, l’OBC e la scioglievolezza. Inoltre, i parametri fisici (spalmabilità e OBC) sono stati influenzati dall’interazione tra tutti gli ingredienti indagati (latte scremato, sieroproteine ed oleogel). Infine, i modelli sviluppati hanno consentito di individuare la formulazione ottimale della crema a base di pistacchio con oleogel all’olio di oliva e senza zuccheri aggiunti massimizzando i valori per ogni parametro fisico e sensoriale investigato nello studio. Pertanto, la formulazione ottimale della crema risulta essere composta dal 20% di oleogel di olio di oliva, 13.6% di sieroproteine e 26.8% di latte scremato in polvere.

Conclusioni

In questo lavoro è stato utilizzato il metodo di progettazione degli esperimenti basato sulla mixture design per identificare la formulazione ottimale di una crema spalmabile a base di pistacchio senza zuccheri aggiunti e utilizzando un oleogel di olio di oliva come sostituto dell’olio di palma.

Sulla base dei risultati sperimentali ottenuti su 12 campioni di creme differenti per la quantità di oleogel, sieroproteine e latte scremato in polvere, è stato identificato un modello matematico per ciascuna proprietà fisica e sensoriale studiata, il quale ha reso possibile calcolare la formulazione ottimale in termini di spalmabilità, capacità di trattenere l’olio, scioglievolezza, adesività in bocca, ed altro sapore legato alla stevia.

La formulazione ottimale ottenuta utilizzando i risultati delle analisi sperimentali all’interno del modello matematico è risultata essere costituita da oleogel di olio di oliva al 20%, sieroproteine al 13.6 % e latte scremato in polvere al 26.8%. In Figura 4 è mostrata la crema ottimale realizzata con oleogel e senza zuccheri aggiunti. I risultati ottenuti hanno evidenziato che all’aumentare della percentuale di solidi non grassi presenti nelle creme aumenta la capacità delle creme di trattenere l’olio così come aumenta la consistenza e la sua spalmabilità. La maggiore percentuale di sieroproteine e latte scremato in polvere nelle creme spalmabili realizzate ha comportato, infatti, una maggiore interazione interparticellare tra le particelle disperse, producendo una matrice alimentare più compatta.