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Il ruolo del glutine nella formulazione di alimenti
Il cibo ha un ruolo importante in quasi ciascuno dei diciassette obiettivi definiti dalle Nazioni Unite per un futuro sostenibile [1]. L’obiettivo comune di produttori e consumatori è una produzione alimentare sostenibile, sana e distribuita in modo equilibrato a livello globale.
Il ruolo della ricerca nell’industria, quanto a livello accademico è quello di trovare soluzioni innovative che permettano di raggiungere questi obiettivi.
Il glutine del grano può svolgere un ruolo importante nel contesto di ideare e sviluppare cibi nuovi.
È un prodotto secondario dell’industria produttrice di amido che in forma disidratata, detto anche glutine vitale, è usato soprattutto nell’industria della panificazione per standardizzare il contenuto proteico nelle farine e, in forma reidratata, per migliorare la lavorabilità degli impasti.
Il glutine differisce dalle altre proteine di riserva vegetale per la sua capacità di formare una rete viscoelastica attraverso l’idratazione. Come rete coesiva, il glutine conferisce le proprietà caratteristiche del pane e dei prodotti da forno, come un’elevata capacità di ritenzione dei gas, una dimensione degli alveoli specifica per il prodotto e una consistenza morbida e ariosa.
Inoltre, la maglia glutinica garantisce una ritenzione di umidità che nei prodotti da forno migliora la consistenza e le proprietà organolettiche. Oltre che in panificazione, il glutine viene utilizzato anche come additivo nelle salse, nei prodotti sostitutivi della carne e talvolta anche nei cosmetici [2] [3].
La proteina è di particolare interessante anche in industrie diverse da quelle alimentari poiché la sua capacità di creare una rete viscoelastica la rende interessante nello sviluppo di materiali nuovi.
La ricerca sul glutine vitale non riguarda solo la sua caratterizzazione, ma anche il suo comportamento in combinazione con specifiche condizioni come la temperatura, lo stress meccanico o l’aggiunta di altre sostanze che, interagendo direttamente con il glutine, ne cambiano la struttura e la funzionalità [4].
Conoscendo come il glutine cambia a seconda dell´influenza di fattori esterni, si possono sviluppare processi definiti per cambiare specificamente le proprietà della proteina e impiegarla per diversi scopi produttivi.
Proprietà e caratteristiche della proteina del grano
Il glutine è stato identificato nella frazione proteica del grano. Infatti, secondo il frazionamento di Osborne, che suddivide le proteine del grano in quattro frazioni in base alla loro solubilità in acqua (leucosina), in soluzione salina (elastina), in soluzione etanolica (gliadina) e una quarta frazione insolubile (glutenina), le ultime due frazioni costituiscono la maggior parte delle proteine del grano e sono spesso raggruppate come “glutine”.
La gliadina globulare è responsabile delle proprietà viscose e, in base alla sua struttura primaria, può essere suddivisa nelle sub-frazioni α/β-, γ-, ω1,2 e ω5-gliadine [5], [6].
La glutenina definisce la parte elastica della rete glutinica e può essere suddivisa in base al peso molecolare.
A causa della reticolazione intra- e intermolecolare, non esiste una formula strutturale definita per la glutenina, ma piuttosto sequenze ripetitive e combinate.
Oltre ai legami covalenti e ai legami idrogeno, sono principalmente i legami disolfuro che mantengono la coesione nella rete del glutine.
In forma secca, il glutine vitale è molto stabile all’incremento della temperatura. Infatti, con la Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), le strutture secondarie risultano essere ancora intatte a 170°C.
Nelle analisi termogravimetriche con spettrometria di massa (TGA-MS), invece, si vede che a queste temperature non viene degassato azoto. Però, la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) mostra che a 170 ° C c’è meno azoto sulla superficie del glutine. Questo porta ad assumere che, anche ad elevate temperature, l’azoto sia ancora presente e che quindi le strutture proteiche siano ancora ripiegate.
Allo stato idratato, invece, il glutine si denatura già a temperature molto più basse.
Studi reologici mostrano una prima denaturazione parziale nell’ intervallo di temperatura tra 56 a 64 °C, che dipende dal rapporto tra glutenina e gliadina, infatti la gliadina è più stabile a questa temperatura. Quindi, il glutine contenente più gliadina mostra effetti di denaturazione a temperature più elevate. Una rete con più glutenine, invece, è meno stabile e mostra una denaturazione parziale già a temperatura più bassa. Una seconda fase di denaturazione si ha in un intervallo di temperatura più ristretto (79-81°C), dove avviene una residua denaturazione delle gliadine [7]. La conoscenza delle dinamiche di denaturazione delle proteine e di come variano le proprietà della rete glutinica, rende possibile prevederne i comportamenti.
Dal glutine, nuovi alimenti ma anche nuovi materiali
La sfida più grande nella produzione di prodotti innovativi è l’ottenimento di una consistenza definita, e un colore e un gusto desiderato. Infatti, oltre i prodotti di forno, il glutine viene anche utilizzato per migliorare la textur di prodotti alternativi alla carne a base di seitan [2].
Tra i metodi più comuni per l’ottenimento di prodotti simili ci sono l’estrusione, la shear cell technology e il processo di filatura, con cui le proteine vengono disposte in lunghi fili [8]. Questo permette di ottenere strutture fibrose, che vengono compattate mediante successivo riscaldamento, raffreddamento e coagulazione.
Il glutine viene utilizzato anche come additivo per prodotti a base di proteine vegetali derivanti da soia o di piselli [9], in quanto il glutine vitale forma sottili film proteici che rimangono stabili ed elastici.
In più, i legami disolfuro intra- e intermolecolari contribuiscono a mantenere la struttura fibrosa stabile e controllata.
Nel complesso, il glutine vitale migliora le proprietà fisiche del prodotto avvicinandole a quelle tipiche della consistenza della carne [10].
Oltre ai prodotti sostitutivi della carne, il campo di applicazione di questa proteina si è ampliato. Il glutine vitale è ora oggetto di studio anche per il suo potenziale utilizzo per la produzione di materiali biodegradabili [2], [11], [12]. Essendo un biofilm elasticamente malleabile e idrorepellente, il glutine vitale è una proteina promettente per l’ottenimento di materiali sostenibili da imballaggio, ad esempio.
Conclusioni
Conoscere la capacità del glutine pone le basi per la personalizzazione delle proprietà di nuovi alimenti sostenibili e persino di nuovi materiali come packaging biodegradabili.
Speriamo che tu abbia trovato la lettura di questo articolo sull’impiego del glutine per il design di alimenti e materiali innovativi interessante. Per altri contenuti simili, consulta la sezione Qualità del nostro sito web. E se vuoi restare sempre al passo con le ultime novità in fatto di Agrifood, iscriviti alla nostra Newsletter!
[1] United Nations, “Transforming Our World: The 2030 Agenda for Sustainable Development.” doi: 10.1891/9780826190123.ap02.
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[4] M. Schopf, M. C. Wehrli, T. Becker, M. Jekle, and K. A. Scherf, “Fundamental characterization of wheat gluten,” Eur. Food Res. Technol., vol. 247, no. 4, pp. 985–997, 2021, doi: 10.1007/s00217-020-03680-z.
[5] H. Wieser, “Chemistry of gluten proteins,” Food Microbiol., vol. 24, no. 2, pp. 115–119, 2007, doi: 10.1016/j.fm.2006.07.004.
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[8] K. Kyriakopoulou, B. Dekkers, and A. J. van der Goot, “Plant-based meat analogues,” in Sustainable Meat Production and Processing, Elsevier Inc., 2018, pp. 103–126.
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[11] S. W. Cho, M. Gällstedt, E. Johansson, and M. S. Hedenqvist, “Injection-molded nanocomposites and materials based on wheat gluten,” Int. J. Biol. Macromol., vol. 48, no. 1, pp. 146–152, 2011, doi: 10.1016/j.ijbiomac.2010.10.012.
[12] L. S. Zárate-Ramírez, I. Martínez, A. Romero, P. Partal, and A. Guerrero, “Wheat gluten-based materials plasticised with glycerol and water by thermoplastic mixing and thermomoulding,” J. Sci. Food Agric., vol. 91, no. 4, pp. 625–633, 2011, doi: 10.1002/jsfa.4224.
Monika Wehrli
Monika Wehrli è ricercatrice presso l´Università Tecnica di Monaco (TUM) presso il dipartimento “Chair for Brewing and Beverage Technology” dal 2018. Il suo dottorato riguarda l’utilizzo dei cereali all’interno di nuove tecnologia di processo. È laureata presso l’Istituto Tecnico Federale di Zurigo (ETH) con una specializzazione in ingegneria dei processi alimentari.
Thomas Becker
Thomas Becker ha studiato presso l’Università Tecnica di Monaco (TUM) dove ha conseguito il dottorato nel 1995. È stato professore universitario presso l'Università di Hohenheim (Stoccarda), dove è stato responsabile del dipartimento di analisi di processo fino al 2005. Nel 2009 ha assunto la posizione di professore ordinario presso il “Chair for Brewing and Beverage Technology” a Freising. Da ottobre 2016 ad agosto 2021 è stato preside della TUM School of Life Sciences Weihenstephan.