La cottura degli alimenti

La cottura degli alimenti comporta delle modificazioni di carattere sensoriale, nutrizionale e igienico-sanitario. Tuttavia, spesso il processo termico produce degli effetti indesiderati che potrebbero rendere l’alimento inadatto al consumo. Individuare le migliori condizioni di cottura atte a massimizzare gli effetti desiderati, limitando il più possibile quelli dannosi, risulta necessario. A tal fine, una valida strategia consiste nello sviluppo di modelli cinetici capaci di descrivere l’evoluzione dei diversi parametri qualitativi nel corso della cottura e di integrarli all’interno di apparecchiature per la cottura, allo scopo di renderle più efficienti.

food technology

Indice

Introduzione: cosa si intende per cottura degli alimenti?

Charles Darwin attribuì il successo dell’evoluzione umana a tre aspetti fondamentali. Le abitudini sociali e l’anatomia erano sicuramente molto importanti,, ma la caratteristica peculiare dell’uomo era la sua intelligenza, capace di guidarlo verso nuove scoperte come il linguaggio, le armi, le barche e il controllo del fuoco. Tra tutti il controllo del fuoco era “probably the greatest ever [discovery] made by man, excepting language” [1].

Questo evento ha segnato l’inizio della trasformazione degli alimenti. Col sorgere dell’agricoltura (10 000 a.C. circa), nacque la necessità di conservare i frutti della terra il più a lungo possibile dopo la raccolta e questo avvenne grazie allo sviluppo di tecniche di conservazione, quali la cottura degli alimenti, l’utilizzo del freddo, l’essiccamento, la salagione e la fermentazione [2].

In cosa consiste la cottura degli alimenti?

Col termine cottura si intende una operazione unitaria di trasformazione che implica un trasferimento del calore dal mezzo riscaldante all’alimento, e talvolta della massa dall’alimento all’ambiente o viceversa [2]. Il trasferimento di calore è un tema molto importante nelle tecnologie alimentari poiché l’industria fa ampio uso del riscaldamento, per cucinare, pastorizzare, sterilizzare, asciugare, disidratare, concentrare, essiccare, ecc.

Il trasferimento di calore avviene principalmente attraverso tre meccanismi: conduzione, convezione e radiazione [3]. In cucina, i metodi di cottura che prevedono il riscaldamento sono denominati in base al mezzo di trasferimento del calore e alla sua temperatura. In particolare:

  • Aria: cottura al forno, rosolatura, tostatura,
  • Acqua calda: bollitura, brasatura,
  • Olio caldo o grasso: frittura, confiting,
  • Fuoco diretto: grigliatura,
  • Vapore: cottura a vapore [4,5].

Spesso una modalità di riscaldamento predominante è accompagnata da un meccanismo secondario. Ad esempio, all’interno di un forno il calore viene trasferito all’alimento da cucinare per convezione attraverso l’aria circolante, per conduzione attraverso il contatto con i vassoi su cui l’alimento è posizionato, e per irraggiamento attraverso le pareti [6].

Un sistema di riscaldamento più recente, utilizzato anche per la cottura, è quello volumetrico. In questo caso il calore non viene trasferito dall’esterno all’interno del prodotto, ma viene “generato” istantaneamente nel prodotto per effetto dell’interazione con onde elettromagnetiche, quali microonde e onde radio, oppure attraverso il passaggio di corrente, come nel caso del riscaldamento ohmico [7].

cottura degli alimenti metodi tecniche e trasformazione dei nutrienti

La cottura: effetti desiderati e indesiderati

Come operazione unitaria di trasformazione, il principale obiettivo della cottura consiste nella modificazione della qualità sensoriale, al quale si associa anche un miglioramento della qualità igienica e della qualità nutrizionale.

Durante un processo di cottura, l’alimento subisce numerosi cambiamenti sensoriali, in termini di colorazione, aroma, gusto e texture, tali da aumentare l’accettabilità da parte del consumatore [8]. Un esempio pratico può essere fornito dalla cottura del pane: se un impasto, ottenuto mescolando farina, acqua e lievito viene sottoposto a un processo termico, l’alta temperatura darà il via a numerose reazioni chimico-fisiche in grado di trasformarlo nel prodotto che tutti conosciamo.

In particolare, le reazioni coinvolte sono la gelatinizzazione dell’amido, la denaturazione delle proteine per formare la maglia glutinica, la migrazione e l’evaporazione dell’acqua dalla superficie per formare la crosta e reazioni di imbrunimento non enzimatico, quali caramelizzazione (reazione tra zuccheri) e reazione di Maillard (reazione tra proteine e zuccheri), responsabili dello sviluppo del tipico colore e flavour del pane [9].

Cottura degli alimenti: qualità igienica e nutrizionale

Per quanto riguarda la qualità igienica, il calore è in grado di distruggere microorganismi patogeni e alterativi, spore e tossine. L’elevata temperatura è inoltre in grado di denaturare gli enzimi alterativi, come lipasi, protesi, cellulasi, polifenolossidasi, capaci di contribuire al naturale deterioramento degli alimenti. A seconda della combinazione tempo-temperatura del processo e delle caratteristiche di termoresistenza di microorganismi e enzimi considerati, la distruzione termica sarà più o meno efficace e ne deriverà una proporzionale estensione della shelf life dell’alimento [10,11].

Un’ulteriore conseguenza della cottura è la modificazione della qualità nutrizionale. La cottura può infatti migliorare l’aspetto nutrizionale degli alimenti grazie alla distruzione di composti anti-nutrizionali termolabili, come estrogeni, fitati o allergeni [12]. Può, inoltre, favorire la formazione di antiossidanti in seguito a reazione di Maillard [9], migliorare la digeribilità degli alimenti e la bioaccessibilità dei nutrienti, modificando o distruggendo la matrice alimentare originaria e facilitando il rilascio di molecole benefiche, come le molecole bioattive.

Ad esempio, nel caso della carne, la cottura provoca la denaturazione delle proteine (sarcoplasmatiche e miofibrillari), seguita da una significativa e rapida perdita di fluidi dai tessuti, un accorciamento delle fibre muscolari e una gelatinizzazione del collagene. Queste modifiche strutturali della matrice permettono alla carne di essere digerita più facilmente e velocemente dagli enzimi digestivi del nostro organismo [13,14].

metodi di cottura degli alimenti

Cottura degli alimenti: effetti indesiderati

Tuttavia, se la cottura non è adeguatamente controllata, può dare origine a numerosi cambiamenti indesiderati. L’alta temperatura favorisce infatti l’ossidazione lipidica, che può determinare lo sviluppo di cattivi odori e sapori, a seconda del prodotto alimentare che si considera [15].

L’ossidazione può coinvolgere anche tutti quei composti bioattivi di natura lipidica, come antiossidanti polifenolici, pigmenti (carotenoidi, clorofilla, antocianine, antoxantine) e vitamine liposolubili (vitamine A, D, E, K). Anche le vitamine idrosolubili sono molto sensibili al calore, come ad esempio la vitamina C [7].

Inoltre, la sovracottura può dare origine a nuovi composti pericolosi, quali acrilammide e idrossimetilfurfurale, molecole che derivano da una incontrollata reazione di Maillard e che si possono trovare soprattutto in prodotti da forno, derivati di patata, caffè e suoi surrogati. La reazione di Maillard induce anche una riduzione del valore biologico delle proteine a causa del coinvolgimento degli amminoacidi, i quali possono essere distrutti anche dal solo calore [9].

Ottimizzazione dei processi di cottura: i modelli matematici cinetici

Alla luce delle precedenti considerazioni, il processo di cottura degli alimenti può essere ridefinito, affermando che il suo obiettivo dovrebbe essere quello di massimizzare gli effetti desiderati e minimizzare quelli indesiderati, attraverso l’ottimizzazione del processo tecnologico. A tal proposito, una valida strategia è quella che prevede lo sviluppo e l’impiego di modelli matematici cinetici.

I modelli matematici cinetici sono espressioni matematiche capaci di descrivere fenomeni fisici di varia natura in funzione dei fattori che li influenzano, nel corso del tempo. I modelli sono ottenuti a partire da dati sperimentali, i quali descrivono il modificarsi di parametri di qualità significativi, di natura chimica, fisica, microbiologica o sensoriale, in funzione del tempo di cottura.

Questi parametri, o indicatori. possono essere misurati attraverso l’utilizzo di metodiche analitiche e strumentazioni appropriate. Ad esempio, nel caso della cottura di biscotti, alcuni indicatori utili per il monitoraggio del grado di cottura nel tempo potrebbero essere l’analisi del colore, la quantificazione delle sostanze volatili liberate, la misurazione del grado di consistenza e il monitoraggio dell’ossidazione lipidica.

I modelli cinetici sono capaci, dunque, di descrivere la modificazione nel tempo di trattamento di parametri di qualità significativi (sapore, colore, consistenza, ecc) in funzione delle condizioni del processo di cottura (temperatura, umidità, dimensioni, pretrattamenti, ecc.). Le espressioni matematiche, rappresentate anche graficamente, potrebbero essere degli utili strumenti al fine di individuare le condizioni ottimali di cottura degli alimenti [7,16].

cottura degli alimenti aspetti positivi e negativi

Digitalizzazione e cottura degli alimenti: cosa succede?

Lo studio dei modelli cinetici è diventato possibile grazie ai progressi della tecnologia, utilizzando risorse computazionali sempre più avanzate e precise [17]. Alcuni esempi di modelli sviluppati per studiare l’evoluzione di indicatori di qualità sono: i cambiamenti di colore o perdite che avvengono durante la cottura [18,19]; l’evoluzione della texture [20,21];  il grado di idratazione; i cambiamenti fisici e strutturali c [23-25]; la velocità di estrazione di molecole, quali polifenoli e flavonoidi  [26,27]; la fusione e cristallizzazione della frazione lipidica  [28,29].

Negli ultimi anni sono state sviluppate diverse tipologie di software allo scopo di simulare e ottimizzare i processi termici [17]. Ad esempio, esistono programmi per simulare un processo termico per alimenti in scatola sottoposti ad agitazione meccanica [30], oppure software di interfaccia utente grafica (GUI) per il computo e previsione del processo termico [17,31] o ancora, altri software capaci di prevedere temperature interne, restringimento, perdita di umidità, perdita di resa e letalità di gamberi di diverse dimensioni [32].

Alcuni modelli cinetici sono stati utilizzati in particolar modo da cuochi, in quanto si sono rivelati strumenti particolarmente utili per prendere decisioni in fase di cottura. I modelli cinetici potrebbero essere vantaggiosi sia per le cucine professionali che a livello domestico, dove permetterebbero di limitare i rischi associati a cotture non ottimali [32].

L’integrazione dei modelli cinetici all’interno di moderne strumentazioni come forni convenzionali, sono una realtà in costante crescita. I ristoranti e le cucine professionali stanno oramai subendo importanti cambiamenti tecnologici, guidati dalle tecnologie dell’informazione e della comunicazione. Forni e altri sistemi di cottura diventano ogni giorno più intelligenti e intuitivi, grazie a interfacce user-friendly e sensori integrati per il monitoraggio della cottura del prodotto. [33,34].

Esistono ad esempio sensori di temperatura nei forni, studiati allo scopo di essere inseriti all’interno degli alimenti da cucinare. Durante il processo termico, tali sensori monitorano continuamente la temperatura, permettendo alla macchina di regolare la cottura in automatico sulla base degli input da essi ricevuti [35].

Conclusioni

Al giorno d’oggi una delle principali preoccupazioni del mondo dei consumatori e della ristorazione collettiva riguarda l’aspetto salutistico e nutrizionale degli alimenti: le perdite di nutrienti durante la cottura, assieme allo sviluppo di sostanze pericolose, sono tra gli aspetti che destano più preoccupazione a chi cucina.

Da qui nasce la necessità di sviluppare e disporre di metodologie ad hoc e strumenti utili per la prevenzione e il controllo degli eventi indesiderati, tra queste i modelli matematici cinetici, i software avanzati di elaborazione dati, gli strumenti di analisi e misurazione, i sensori di controllo e monitoraggio, il tutto supportato da una approfondita conoscenza teorica e pratica degli eventi alterativi degli alimenti.

Questi strumenti permetterebbero di sviluppare forni o elettrodomestici sempre più intuitivi e tecnologici, capaci di rispondere in maniera sempre più mirata alle attuali esigenze dei consumatori [16,36,37].

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Qui un nostro articolo sulla Pasta Funzionale

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  2. Fellows, P. J. (2009). Food processing technology: Principles and practice (3rd ed.). Woodhead Publishing Limited. Cambridge, UK.
  3. Singh, R. P. & Heldman, D. (2013). Introduction to food engineering (5th ed.). Academic Press, New York, NY.
  4. Crosby, G. (2012). The science of good cooking. America´s Test Kitchen, Brookline, MA.
  5. Myhrvold, N., Young, C., & Bilet, M. (2011). Modernist cuisine: The art and science of cooking. The Cooking Lab, Bellevue, WA.
  6. Calabrò, E. & Magazù, S. (2014). Non-Thermal Effects of Microwave Oven Heating on Ground Beef Meat Studied in the Mid-Infrared Region by Fourier Transform Infrared Spectroscopy. Spectroscopy Letters, 47, 649–656.
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Giulia Romano

Giulia Romano

Laureata in Scienze e Tecnologie Alimentari presso l’Università di Udine, vincitrice di un assegno di ricerca finanziato dalla regione FVG (Progetto HEaD) riguardante lo sviluppo di un dispositivo per la conservazione iperbarica di alimenti, in collaborazione con Electrolux Professional. Attualmente dottoranda di ricerca in “Alimenti e Salute Umana” dell’Università di Udine presso l’azienda Electrolux Professional, dove conduce il suo progetto di ricerca riguardante l’ottimizzazione dei processi di cottura per la ristorazione collettiva attraverso lo sviluppo di modelli cinetici utili a caratterizzare le cotture e a guidare lo sviluppo di sensori di monitoraggio in real-time.

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