Impiego del glutine per il design di alimenti e materiali innovativi

L’11 February 2021 un portale svizzero a carattere scientifico (http://link.springer.com) pubblicava un interessante trattato sull’utilizzo del glutine dall’industria alimentare.

Questo articolo, in data 20 Maggio 2022, è stato approfondito dalla testata on line Food Hub

Euroricette, dato l’interesse dello stesso, lo ripropone ora integralmente:

Con l’emergere di tecnologie finalizzate allo sviluppo di un’alimentazione sostenibile e prodotta con energie rinnovabili, è importante sviluppare alimenti che siano nutrienti e sicuri, sia per l’uomo che per l’ambiente. Il glutine è una componente alimentare che si inserisce perfettamente in questo contesto come proteina modello per personalizzare le consistenze di alimenti innovativi che possono imitare alimenti tradizionalmente apprezzati come la carne, ma a un costo ecologico molto inferiore.

Il ruolo del glutine nella formulazione di alimenti

Il cibo ha un ruolo importante in quasi ciascuno dei diciassette obiettivi* definiti dalle Nazioni Unite (ONU) per un futuro sostenibile . 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.

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.

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.

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. 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.

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. 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, 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.

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. 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.

Quali sono i 17 obiettivi dell’ONU:

90 paesi mondiali hanno annunciato il proprio impegno per raggiungere gli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile proposti dalle Nazioni Unite. Lo scopo è realizzare progressi sui 17 obiettivi (SDGs- Sustainable Development Goals) facendo leva sull’interconnessione dei sistemi alimentari per sfide globali come la fame, il cambiamento climatico, la povertà e la disuguaglianza.

I sistemi alimentari sostenibili non aiutano solo a porre fine alla fame. Possono aiutare il mondo a raggiungere progressi critici su tutti i 17 Obiettivi di Sviluppo Sostenibile.

Zero povertà
Si prevede che circa 600 milioni di persone vivranno ancora in povertà entro il 2030. Dopo la pandemia, i sistemi alimentari sostenibili potranno contribuire alla lotta contro la povertà creando buoni posti di lavoro, migliorando l’accesso al cibo e sostenendo le comunità.

Zero fame
La malnutrizione è aumentata circa del 9,9% nel 2020 (in parte causa Covid-19), con stime di persone affamate che raggiungono tra 720 e 811 milioni a livello globale. Ricostruire i nostri sistemi alimentari per renderli più sostenibili, produttivi e resilienti è essenziale per risolvere il problema della fame a lungo termine.

Buona salute e benessere
Nel 2020** 45,4 milioni di bambini** sotto i cinque anni sono stati considerati deperiti, una condizione che riduce l’aspettativa di vita. Dopo la pandemia, i sistemi alimentari sostenibili sosterranno una nutrizione adeguata, che aiuterà le persone di tutte le età a raggiungere una buona salute.

Educazione
101 milioni di bambini e ragazzi sono scesi al di sotto del livello minimo di competenza di lettura a causa della pandemia. L’obiettivo dei sistemi alimentari sostenibili è permettere agli studenti di avere una dieta sana ed equilibrata, fondamentale per il successo scolastico.

Uguaglianza di genere
A livello globale, le donne rappresentano solo il 13% dei proprietari terrieri agricoli. Causa Covid-19 la differenza di genere si è accentua, portando le donne ad affrontare una maggiore insicurezza alimentare. I sistemi alimentari sostenibili mirano a dare potere e sostegno alle donne e rafforzare i loro mezzi di sussistenza in tutto il mondo.

Acqua pulita e servizi igienici
Nel 2020 2 miliardi di persone non avevano ancora acqua potabile sicura, di cui 771 milioni senza acqua potabile di base. I sistemi alimentari sostenibili mirano a garantire l’uso sostenibile di questa preziosa risorsa e aumentare l’accesso per coloro che non hanno acqua potabile, riducendo anche la quantità di inquinamento nei nostri sistemi idrici naturali.

Energia accessibile e pulita
Attualmente 759 milioni di persone non hanno accesso all’elettricità in tutto il mondo. Investire in sistemi alimentari sostenibili che massimizzano l’uso di fonti di energia pulita e rinnovabile ridurrà l’impatto ambientale del settore alimentare e migliorerà l’accesso delle persone all’energia pulita e accessibile.

Lavoro dignitoso e crescita economica
La spesa pubblica per l’agricoltura è rimasta stagnante rispetto alla quota dell’agricoltura nel PIL globale e la produttività e i redditi dei piccoli produttori sono in media inferiori a quelli dei grandi produttori alimentari. I sistemi alimentari sostenibili mirano a creare posti di lavoro dignitosi e sostenere i redditi di miliardi di persone.

Industria, innovazione e infrastrutture
Dal 2006 al 2020 quasi una piccola impresa industriale su tre ha richiesto e beneficiato di un prestito o di una linea di credito. L’accesso al credito rimane ineguale nei vari paesi del mondo. Aumentando le innovazioni e investendo nelle infrastrutture, i sistemi alimentari sostenibili possono offrire benefici diffusi alle persone e al pianeta.

Riduzione delle disuguaglianze
Il 25 % della popolazione vive con meno della metà del reddito medio. Dal 2017 al 2020 i prodotti esportati dai paesi meno sviluppati e dai paesi in via di sviluppo che ricevono l’esenzione dai dazi rimangono al 66 e al 52 per cento. I sistemi alimentari sostenibili mirano a ridurre la povertà e fornire un lavoro dignitoso e un buon reddito.

Città e comunità sostenibili
Le disuguaglianze nell’accesso ai servizi di base sono visibili all’interno delle aree urbane in oltre 800 milioni di persone che vivono in condizioni di miseria. I poveri delle città sono particolarmente vulnerabili alle crisi finanziarie o alle impennate dei prezzi degli alimenti. Sistemi alimentari sostenibili possono aiutare a garantire che gli abitanti delle città abbiano potere d’acquisto e siano adeguatamente nutriti.

Consumo e produzione responsabili
Solo 50 politiche e attività di attuazione nell’ambito dei programmi sul consumo e di produzione sostenibili sono state riportate nell’Africa sub-sahariana. I sistemi alimentari sostenibili riducono lo spreco e il deterioramento e permettono ai consumatori di fare scelte intelligenti nella loro spesa alimentare.

Azione per il clima
Le concentrazioni di gas serra hanno raggiunto nuovi massimi nel 2020. I sistemi alimentari sostenibili mirano a ridurre questo impatto abbassando le emissioni di gas critici per il riscaldamento del clima, tra cui il metano e l’anidride carbonica.

La vita sott’acqua
Più di 3 miliardi di persone dipendono dall’oceano per il proprio sostentamento e oltre l’80% del commercio mondiale di merci si svolge via mare. Ogni anno si stima che da 5 a 12 milioni di tonnellate di plastica entrino nell’oceano, con un costo di circa 13 miliardi di dollari all’anno; compresi i costi di pulizia e le perdite finanziarie nella pesca. I sistemi alimentari sostenibili possono assicurare la vitalità a lungo termine della pesca mondiale, proteggendo allo stesso tempo la salute degli ecosistemi che li ospitano.

La vita sulla terraferma
La percentuale di superficie forestale è scesa dal 31,9% della superficie totale del mondo nel 2000 al 31,2% nel 2020. Questo si traduce in una perdita netta di quasi 100 milioni di ettari. L’agricoltura sostenibile può ridurre la deforestazione e sostenere ecosistemi terrestri sani, fornendo anche sostentamento.

Pace, giustizia e istituzioni forti
Alla fine del 2020 circa l’1% della popolazione mondiale – 82,4 milioni di persone – era stata sfollata con la forza a causa di persecuzioni, conflitti o violenza generalizzata, e la pandemia COVID-19 ha esposto e intensificato disuguaglianze e discriminazioni. I sistemi alimentari sostenibili possono ridurre gli stress critici delle famiglie, preparando il terreno affinché la pace e le istituzioni forti prendano piede.

Allenza per gli obiettivi
Tra il 2017 e il 2019 la media tariffaria ponderata mondiale è rimasta stabile intorno al 2% e le esportazioni dei paesi in via di sviluppo e dei paesi meno sviluppati hanno ricevuto un trattamento preferenziale dai paesi sviluppati. L’agricoltura, una preoccupazione particolare per i paesi in via di sviluppo, ha rappresentato la tariffa più alta imposta dai paesi sviluppati nel 2019 al 7,9%.