I CEREALI E I PRODOTTI DERIVATI

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1 DALLA MATERIA PRIMA AGLI ALIMENTI I CEREALI E I PRODOTTI DERIVATI M. Ambrogina Pagani Gabriella Bottega DeFENS [email protected]

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3 LA FILIERA DEI CEREALI Il valore della piramide alimentare DIETA MEDITERRANEA: PATRIMONIO CULTURALE IMMATERIALE UMANITÀ è duplice: da un lato rappresenta una eccellente sintesi delle principali conoscenze acquisite dalla medicina e dagli studi sulla alimentazione, dall altro è un potente strumento di educazione al consumo. ITALMOPA (molini) Produzione (t/anno) Fatturato (M ) Unità produttive Produzione (t/anno) Fatturato (M ) UNIPI (pastifici) Unità produttive ~ ~ ~ 90 ~ ~ ~ 150 CIISCAM / INRAN, AIDI (prodotti da forno) Produzione (t/anno) ~ Fatturato (M ) ~ Unità produttive ~ 60

4 DEFINIZIONE CEREALI dal dizionario della LINGUA ITALIANA DEVOTO OLI : cereale agg. e s.m. Pianta c., o più com. cereale sost. masch., ogni pianta erbacea delle Graminacee che produce frutti dai quali si ottiene farina; estens., il frutto già raccolto (dal latino cerealis attinente alla dea Cerere ). DRAFT INTERNATIONAL STANDARD ISO/DIS 5527 PROJECT DE NORME INTERNATIONALE ISO/DIS 5527 ISO/TC 34/SC 4 Secretariat / Secrétariat: MSZH 1.3 cereals: Food grains of plants, usually cultivated, belonging to the Gramineae family 1.3 cereals: Graines alimentaires issues de plantes généralement cultivées, appartenant à la famille des graminées M. M. A. Pagani A. Pagani DISTAM & G. Bottega DeFENS Tecnologia I Cereali dei e i Prodotti Cereali e Derivati dei Derivati

5 OTTO PRINCIPALI CEREALI frumento o grano (wheat; blé) 2. riso (rice; riz) 3. mais (corn/maize; maïs ) 4. orzo (barley; orge) 5. avena (oat; avoine) 6. segale (rye; seigle) 7. miglio (millet; millet) 8. sorgo (sorghum; sorgho) Coarse Grains (FAO) Il triticale è un ibrido creato dall uomo da grano e segale

6 Il prezzo dei cereali è aumentato fortemente, raggiungendo i livelli record del Diminuizione raccolto in alcuni Paesi-chiave - Fluttuazioni DOLLARO - Diminuizione scorte Grande attenzione alle future semine

7 FAO s latest estimate of the world cereal production in 2010 stands at 2230 million tonnes, slightly more than the previous forecast in November but still 1.4 percent down from the previous year. FAO s latest forecast confirms a tightening of the global cereal supply and demand balance in 2010/11. A decline in world production in 2010 in the face of growing demand is expected to result in a sharp drawdown of world stocks. Reflecting this prospect, international cereal prices have increased sharply with export prices of major grains up at least 70 percent from this time last year. Food: ~ 50% Feed: ~ 35% Consumo pro-capite: ~150 kg/anno

8 SCENARIO MONDIALE E PROSPETTIVE

9 AUMENTO POPOLAZIONE MONDIALE All aumento della popolazione mondiale corrisponde un aumento della produzione cerealicola mondiale: tale incremento è sufficiente a soddisfare la richiesta del mercato?

10 CRESCITA DELLA POPOLAZIONE MONDIALE E PRODUZIONE CEREALI Alcune Riflessioni L Africa, prima della colonizzazione Europea, era un continente AUTOSUFFICIENTE per quanto riguarda la produzione di cereali. L attuale situazione è il risultato di nuove leggi, uso del territorio per agricoltura intensiva per colture da esportare nei Paesi occidentali (caffè, cacao, thè, ecc.), nuovi utilizzatori territorio (es. Cina), mancanza di fonti di energia, ecc.; Con la fine del colonialismo, i nuovi Stati si ritrovarono impreparati a fronteggiare l incremento delle nascite e mal equipaggiati da un punto di vista tecnologico: DIPENDENZA DAI PAESI INDUSTRIALIZZATI e VALUTAZIONE DEI CEREALI COME PRODOTTO DA COMMERCIALIZZARE e NON COME ALIMENTO; La Cina è oggi il maggior produttore di FRUMENTO (da 14x10 6 ton/1961 a > 90x10 6 ton/2005) ma il raccolto non garantisce l autosufficienza. PRODUZIONE MONDIALE CEREALI ca 2000x10 6 ton/anno POPOLAZIONE MONDIALE ca 7 x 10 9 DISPONIBILITA TEORICA PRO-CAPITE ca 290 kg/anno (ca 1 kg /die) FABBISOGNO ENERGETICO FABBISOGNO PROTEICO pro-capite ca 2500 kcal/die ca 70 g/die ca kcal/anno ca 25 kg/anno mondiale ca 6400x10 12 kcal/anno ca 175 x10 9 kg/anno CEREALI forniscono: ca 3000 kcal/kg QUANTITA CEREALI (su base annua) in grado di soddisfare i fabbisogni ENERGETICI della popolazione mondiale: ca 2130x10 6 ton /anno

11 DEFINIZIONE CARIOSSIDE Dal dizionario della LINGUA ITALIANA DEVOTO OLI cariosside s.f. Frutto secco indeiscente, uniseminato, col tegumento del seme aderente strettamente al pericarpo (es., mais, orzo)(comp. del gr. Cario- nucleo, noce e del gr. opsis eos aspetto ) Indeiscente: caratteristica di frutto che non si apre a maturità per lasciare uscire i semi (es. noce, ghianda) FRUMENTO TENERO FRUMENTO DURO SEGALE ORZO AVENA RISO MAIS SORGO

12 COMPOSIZIONE CEREALI CEREALE AMIDO e ZUCCHERI PROTEINE GRASSI FIBRA (NSP) SALI MINERALI AVENA 61.0 (± 8) 13.5 (± 3) 6.0 (± 2) 16.0 (± 2) 3.5 (± 0.5) FRUMENTO 75.6 (± 5) 13.5 (± 4) 2.0 (± 1) 5.7 (± 1) 2.2 (± 0.3) MAIS 69.8 (± 6) 11.6 (± 3) 5.8 (± 2) 11.6 (± 1) 1.2 (± 0.1) ORZO 70.5 (± 5) 11.8 (± 3) 2.6 (± 1) 12.0 (± 1) 3.0 (± 0.2) SEGALE 74.2 (± 4) 13.5 (± 4) 2.0 (± 0.5) 8.0 (± 1) 2.3 (± 0.2) TRITICALE 74.4 (± 5) 14.5 (± 4) 2.0 (± 0.5) 6.8 (± 1) 2.3 (± 0.2) CARBOIDRATI TOTALI rappresentano circa 80% in peso della cariosside

13 STRUTTURA DELLA CARIOSSIDE (es. FRUMENTO) Lunghezza = 5.8 mm Spessore = mm Peso = mg (37 g) sezione longitudinale endosperma amilaceo (o albume o mandorla o noce) aleurone tegumenti del seme pericarpo tegumenti del frutto aleurone germe M. A. Pagani & G. Bottega DeFENS I Cereali e i Prodotti Derivati

14 LA CARIOSSIDE DEL FRUMENTO CRUSCA (TEGUMENTI) carboidrati strutturali (cellulosa, ecc.) strato aleuronico ENDOSPERMA macromolecole di riserva (amido) pericarpo e tegumenti GERME carboidrati e proteine solubili (zuccheri) Nella cariosside di tutti i cereali si distinguono TRE REGIONI (dall esterno verso l interno): pericarpo e tegumenti del seme germe (embrione + scutello) endosperma (strato aleuronico + endosperma amilaceo)

15 FRAZIONI CARIOSSIDE: FUNZIONI, STRUTTURA, UTILIZZO FINALE Frazione % Funzione Struttura Utilizzo finale Tegumenti (del frutto e del seme) 5 Protezione del seme da: - attacco insetti - attacco microrganismi (muffe) - scambi di acqua - cellule con pareti spesse - assenza di spazi intercellulari - elevata quantità di sostanze minerali Crusca Strato aleuronico 8 Avvolgimento dell endosperma (ad eccezione della zona dello scutello) - cellule rettangolari con parete grossa - elevata quantità proteine solubili Crusca Endosperma amilaceo 84 Sostanze di riserva (amido e proteine) - cellule di diversa forma e dimensione, con pareti fini Farina Embrione 1 Radice rudimentale germoglio Germe Scutello 2 - sostanze di riserva per l embrione - mobilizzazione delle sostanze di riserva dell embrione Germe

16 LA CARIOSSIDE DEL FRUMENTO CRUSCA (TEGUMENTI) carboidrati strutturali (cellulosa, ecc.) strato aleuronico ENDOSPERMA carboidrati di riserva (amido) pericarpo e tegumenti GERME carboidrati di riserva (zuccheri) componenti distribuiti in maniera disomogenea nel chicco REGIONE (% massa) amido zuccheri proteine lipidi NSP (cellulosa, ecc.) sali minerali Pericarpo (4%) 16 ( ± 2) 12 (± 2) 1 (±0,2) 67 (± 7) 4 (± 1) Tegumenti (1%) 10 ( ± 1) 16 (± 3) 4 (± 1) 58 (± 5) 12 (± 3) Strato aleuronico (8%) 12 ( ± 2) 32 (± 3) 8 (± 1) 38 (± 3) 10 (± 5) Endosperma amilaceo (84%) 75 (± 10) 11 (± 3) 2 (± 0.1) 2 (±1.5) 0.5 (± 0.2) Germe (3%) 20 (± 1.5) 35 (± 2) 20 (± 2) 2.2 (± 2) 5 (± 1) Chicco intero (100) 76 ( ± 5) 14 (± 4) 2 ( ±1) 6 (±1) 2.2 (± 0.3)

17 STRUTTURA DELLA CARIOSSIDE (FRUMENTO) Lunghezza = 5.8 mm Spessore = mm Peso = mg (37 g) sezione longitudinale regione solco sezione trasversale endosperma amilaceo (o albume o mandorla o noce) tegumenti del seme pericarpo tegumenti del frutto sezione trasversale germe M. A. Pagani & G. Bottega DeFENS I Cereali e i Prodotti Derivati

18 I cereali sono tutti equivalenti per proprietà tecnologiche? Simile organizzazione delle cariosside ma esistono importanti differenze strutturali (es. presenza solco e adesione strati esterni al chicco) che influenzano la trasformazione

19 CARATTERISTICHE STRUTTURALI CARIOSSIDE FARRO cariosside vestita dopo decorticazione FRUMENTO RISO (risone)

20 PRINCIPALI FASI DEL PROCESSO TECNOLOGICO FRUMENTO MATERIA PRIMA d ELEZIONE Frumento tenero PANE (prodotti da forno) Frumento duro PASTA dosaggio materie prime miscelazione e impastamento lievitazione spezzatura - formatura cottura in forno dosaggio materie prime miscelazione e impastamento formatura (estrusione) essiccamento cottura in acqua bollente IL PROCESSO TECNOLOGICO PREVEDE SEMPRE IDRATAZIONE e TRATTAMENTI TERMICI

21 CARATTERISTICHE CARIOSSIDI E LORO INFLUENZA SULLE TECNOLOGIE DI TRASFORMAZIONE Il FRUMENTO (tenero e duro) viene consumato prevalentemente come prodotto trasformato e raffinato (dopo essere stato macinato): - PANE o altri PRODOTTI DA FORNO; - PASTA ALIMENTARE (secca o fresca) previa MACINAZIONE del chicco per ottenere FARINA o SEMOLA Il RISO viene consumato prevalentemente sotto forma di CHICCO INTERO Il MAIS viene consumato prevalentemente sotto forma di SFARINATO (POLENTA), come PRODOTTO da PRIMA-COLAZIONE (CORN-FLAKES) oppure trasformato mediante fermentazione (GRITS per birra) GRANO TENERO GRANO DURO CARATTERISTICA FRUMENTO o GRANO MAIS RISO CARIOSSIDE NUDA glume e glumelle sono spontaneamente e facilmente eliminate PRESENZA SOLCO particolare processo di macinazione estrazione farina NUDA glume e glumelle sono spontaneamente e facilmente eliminate ASSENZA SOLCO il processo di macinazione avviene per frammentazione VESTITA è indispensabile la decorticazione (brillatura) per eliminare la lolla ASSENZA SOLCO il processo di macinazione avviene per frammentazione RISO MAIS

22 CARIOSSIDE CEREALI (es. FRUMENTO ) Estrazione semola e farina (RECUPERO MANDORLA) I componenti bioattivi sono presenti soprattutto nelle regioni che vengono eliminate con la macinazione (CRUSCA E GERME)

23 OBIETTIVO MACINAZIONE: SEPARAZIONE DEI TEGUMENTI DALLA MANDORLA (ESTRAZIONE FARINA/SEMOLA) risone frumento mandorla tegumenti solco ASSENZA SOLCO PRESENZA SOLCO eliminazione dei tegumenti DALL ESTERNO VERSO DALL INTERNO VERSO L INTERNO L ESTERNO nome del processo DECORTICAZIONE MACINAZIONE condizione necessaria DUREZZA E VITROSITÀ ELASTICITÀ DEI DELLA MANDORLA TEGUMENTI

24 ORGANIZZAZIONE CARIOSSIDE FRUMENTO TEGUMENTI = CRUSCA carboidrati strutturali FIBRA, MINERALI, GRASSI EMBRIONE = GERME carboidrati di riserva (ZUCCHERI) proteine strutturali (ENZIMI) ENDOSPERMA GRASSI E VITAMINE = SEMOLA / FARINA carboidrati di riserva (AMIDO) OBIETTIVI MACINAZIONE proteine di riserva (GLUTINE) 1. SEPARAZIONE DELL ENDOSPERMA AMILACEO DA TEGUMENTO E GERME 2. RIDUZIONE DIMENSIONI ENDOSPERMA EFFETTI MACINAZIONE 1. SEPARAZIONE NON E QUANTITATIVA 2. SFARINATO HA COMPOSIZIONE CHIMICA DIVERSA DA QUELLA DELLA CARIOSSIDE (ARRICCHIMENTO DI ALCUNI COMPONENTI IMPOVERIMENTO DI ALTRI) 3. PRODUZIONE; SEMOLA DA GRANO DURO (DIMENSIONI MEDIE: µm) FARINA DA GRANO TENERO (DIMENSIONI MEDIE 100 µm) 4. DANNEGGIAMENTO DELL AMIDO

25 MACINAZIONE DEL GRANO: MODERNO MOLINO COME SI PRESENTA UN MOLINO AI NOSTRI GIORNI

26 CONFIGURAZIONE (LAY( LAY-OUT) ) DI UN MODERNO MOLINO SILOS FARINA SILOS FRUMENTO MACINAZIONE SILOS DI CARICO PULITURA

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28 EFFETTI MACINAZIONE PRODOTTO granella (%) proteine (%) lipidi (%) ceneri (%) amido (%) amido danneggiato (%) pentosani (%) zuccheri (%) granella farina farina integrale n.d crusca germe composizione chimica della granella e dei prodotti di macinazione del frumento (espressi sul 14% di umidità) composizione in nutrienti della farina a diverso tasso di estrazione (confronto con la composizione della cariosside intera)

29 SEMOLA E FARINA: CONFRONTO CARATTERISTICHE COMPOSITIVE È denominato «farina di grano tenero» il prodotto ottenuto dalla macinazione e conseguente abburattamento del grano tenero liberato dalle sostanze estranee e dalle impurità. È denominato «semola di grano duro», o semplicemente «semola», il prodotto granulare a spigolo vivo ottenuto dalla macinazione e conseguente abburattamento del grano duro, liberato dalle sostanze estranee e dalle impurità. CARATTERISTICA RESA % (tasso estrazione) AMIDO % PROTEINE % GRASSI % FIBRA % (cellulosa, lignina, pentosani, ecc.) CENERI % (sali minerali) SEMOLA di GRANO DURO (15) FARINA di GRANO TENERO (14)

30 FARINA E SEMOLA: CARATTERISTICHE DI LEGGE (DPR 22 febbraio 2001, n 187) TIPO E DENOMINAZIONE FARINA 00 UMIDITÀ MASSIMA % 14.5 SU 100 PARTI DI SOSTANZA SECCA minimo - CENERI 0.55 PROTEINE minimo (azoto x 5.70) 9 FARINA FARINA FARINA FARINA INTEGRALE TIPO E DENOMINAZIONE SEMOLA SEMOLATO SEMOLA INTEGRALE DI GRANO DURO FARINA DI GRANO DURO UMIDITÀ MASSIMA % SU 100 PARTI DI SOSTANZA SECCA minimo CENERI massimo PROTEINE minimo (azoto x 5.70) È tollerato un tenore massimo del 15.5% sempre che tale valore risulti sul cartellino o sugli involucri

31 TASSO DI ESTRAZIONE E QUALITA DEL PANE tipo integrale tipo 0 tipo 00

32 I cereali sono tutti equivalenti? Simile organizzazione delle cariosside ma esistono importanti differenze strutturali (es. presenza solco e adesione strati esterni al chicco) che influenzano trasformazione Simile composizione chimica ma esistono importanti differenze, soprattutto a livello di frazioni proteiche/composizione aa che influenzano le proprietà tecnologiche

33 CARATTERISTICHE DI PANI OTTENUTI DA FRUMENTO, SEGALE O RISO PROPRIETA PANE FARINA SEMOLA SFARINATO SEGALE RISO Volume specifico (ml x g -1 ) Porosità (%) assente Proteine (% s.s.) Fibra (% s.s.) Ceneri (% s.s.) Amido (% s.s.)

34 Perchè il frumento possiede migliori proprietà tecnologiche rispetto agli altri cereali?

35 Cottura spaghetti il reticolo del glutine si deforma anziché rompersi, consentendo l aumento in volume della massa GLUTINE GLUTINE (80% proteine totali): IMPALCATURA DELL IMPASTO DURANTE LA LIEVITAZIONE E LA COTTURA

36 FORMAZIONE DEL RETICOLO GLUTINICO - proteine - amido FARINA - proteine - amido - acqua FARINA + H 2 O - proteine - amido alveolo inizio impastamento fine impastamento fine lievitazione GLUTINE - gliadine - glutenine - lipidi AMIDO resta intrappolato IMPASTO

37 FRAZIONI PROTEICHE DEL FRUMENTO PROTEINE TOTALI NON GLUTINE GLUTINE 15-20% proteine solubili 85% proteine insolubili o di riserva nessuna formazione di impasto ALBUMINE (60%) GLOBULINE (40%) Peptidi Aminoacidi Enzimi Proprietà schiumogene Proteine coagulabili GLIADINE formazione di impasto BASSO ALTO PESO MOLECOLARE PESO MOLECOLARE ( ) (> ) sol. 70% EtOH sol. CH 3 COOH 0.5M GLUTINE GLUTENINE Estensibili Bassa elasticità Solubili in soluzioni alcooliche Proprietà viscoelastiche Bassa estensibilità Elastiche, solubili in acidi e basi Complessi con lipidi

38 PROTEINE DEL GLUTINE GLUTINE LA PREDOMINANAZA DELLE GLIADINE O DELLE GLUTENINE INFLUENZA LE PROPRIETA DELL IMPASTO GLIADINE MONOMERI (ponti disolfuro intracatena) GLUTINE (GLIADINE + GLUTENINE) MOLECOLE REALTIVAMENTE PICCOLE, DI FORMA GLOBULARE E SIMMETRIA CON AREA SUPERFICIALE RIDOTTA ECCESSO GLIADINE MINOR TENDENZA AD INTERAGIRE CON ALTRE PROTEINE (limitate regioni interazione) IMPASTO MOLTO ESTENSIBILE GLIADINE GLUTENINE POLIMERI (ponti disolfuro intercatena) GRANDE SUPERFICIE ECCESSO GLUTENINE SONO FAVORITE LE INTERAZIONI MOLECOLARI (estese regioni per l interazione) IMPASTO MOLTO RIGIDO E FORTE (ELASTICO) GLUTENINE

39 IPOTESI DI STRUTTURA LINEARE DELLE GLUTENINE CONCATENAZIONI ALLINEAMENTI E CONCATENAZIONI

40 MODIFICAZIONI STRUTTURALI INDOTTE DA TRATTAMENTI TERMICI SUL GLUTINE A. Glutine VITALE - proprietà VISCOELASTICHE - grande capacità di assorbimento di acqua Immagini TEM (Resmini e Pagani, 1981) B. Glutine COTTO - perdita proprietà VISCOSE - ridotta capacità di assorbimento di acqua M. A. Pagani & G. Bottega DeFENS I Cereali e i Prodotti Derivati

41 I CARBOIDRATI NEI CEREALI POLISACCARIDI (n unità monosaccaridiche > 20 fino a svariate miglia ia) amilopectina amilosio amido DP: molecole flessibili legame α(1-4) Sia amido che cellulosa sono omopolisaccaridi, costituiti da solo glucosio molecola rigida legame β(1-4) porzione di una molecola di cellulosa DP: fino cellulosa

42 MICROSCOPIA OTTICA IMMAGINI SEM M A I S G R A N O P A T A T A LUCE NORMALE LUCE POLARIZZATA

43 GELATINIZZAZIONE AMIDO avviene se sono soddisfate entrambe le seguenti CONDIZIONI: 1. sufficiente acqua disponibile (almeno 0,4 g/g amido) 2. temperatura > 50 C GRANULI NATIVI GRANULI RIGONFIATI/ GELATINIZZATI

44 GELATINIZZAZIONE E RETROGRADAZIONE DELL AMIDO rigonfiamento formazione di una pasta fase continua (amilosio solubilizzato) amido ricco in amilopectina assorbimento gelatinizzazione gelificazione retrogradazione T ( C) La GELATINIZZAZIONE avviene se sono soddisfate entrambe le seguenti CONDIZIONI: sufficiente acqua disponibile (almeno 0.4 g/g amido) e temperatura > 50 C ma non avviene uniformemente: per una popolazione di granuli: transizione in intervallo C (per ogni granulo: transizione in C )

45 GELATINIZZAZIONE AMIDO SOSPENSIONE AMIDO : H 2 O = 10: C 75 C 90 C SOSPENSIONE AMIDO : H 2 O = 65:100

46 GELATINIZZAZIONE E RETROGRADAZIONE DELL AMIDO rigonfiamento formazione di una pasta fase continua (amilosio solubilizzato) amido ricco in amilopectina assorbimento gelatinizzazione gelificazione retrogradazione T ( C) RETROGRADAZIONE coinvolge sia le macromolecole di AMILOSIO che di AMILOPECTINA. Ogni macromolecola tendera ad organizzarsi per conto proprio, escludendo l altra, dando origine a nuove strutture compatte ordinate

47 rammollimento con perdita di croccantezza Diminuzione dell accettabilità del prodotto da parte del consumatore causata da cambiamenti della crosta e della mollica indurimento con perdita di sofficità maggior tendenza allo sbriciolamento perdita di aroma caratteristico comparsa di aroma raffermo migrazione acqua dalla mollica alla crosta retrogradazione dell amido migrazione dell acqua intra e inter-molecolare interazione composti aromatici con macromolecole fenomeni ossidativi

48 PRINCIPALI FASI DEL PROCESSO TECNOLOGICO Frumento tenero PANE (prodotti da forno) dosaggio materie prime miscelazione e impastamento lievitazione spezzatura - formatura cottura in forno FRUMENTO MATERIA PRIMA d ELEZIONE PER SAPERNE DI PIU.ci vediamo alle lezioni TECNOLOGIE TRADIZIONALI ED INNOVATIVE SETTORE CEREALI! (secondo semestre) Frumento duro PASTA dosaggio materie prime miscelazione e impastamento formatura (estrusione) essiccamento cottura in acqua bollente IL PROCESSO TECNOLOGICO PREVEDE SEMPRE IDRATAZIONE e TRATTAMENTI TERMICI