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Cos’è la reologia?
La reologia (dal greco reo “fluire” e logia “scienza del”) è la branca della fisica che studia la relazione tra uno stress meccanico (misurato in Pa) applicato a un corpo e la relativa deformazione (γ).
Entrando in un supermercato ci si rende conto della diversità di consistenze dei prodotti alimentari acquistabili.
Si pensi a come si comportano l’acqua, il latte, il miele o la maionese quando si prova a versarli.
Oppure quanto è diverso mangiare un orsetto di gomma, un cucchiaino di crema spalmabile al cioccolato o una gomma da masticare.
Da anni l’industria alimentare si avvale della reologia per progettare formulazioni più funzionali e processi più efficienti con l’obiettivo di migliorare l’ingegnerizzazione dei processi e dei prodotti alimentari.
Alcune delle principali proprietà che possono essere misurate con tecniche reologiche sono:
- Viscosità – la resistenza di un materiale a fluire;
- Yield stress – lo stress meccanico minimo da applicare a un corpo per farlo fluire;
- Tempo di rilassamento – il tempo caratteristico per il processo di rilassamento di un sistema ossia il conseguimento di stati di energia più bassi con il passare del tempo [1].
Formulazione e texture design di alimenti funzionali: il ruolo della reologia
La reologia riveste un’importanza chiave in molteplici settori, tra cui l’industria alimentare, poiché permette di investigare le relazioni tra la microstruttura e le proprietà fisiche di un materiale.
Gli alimenti sono sistemi strutturalmente complessi nei quali acqua, aria, carboidrati, fibre, proteine e grassi coesistono all’interno della stessa matrice.
Tale complessità si riflette anche in svariati prodotti alimentari che presentano comportamenti viscoelastici come, ad esempio, emulsioni concentrate (e.g. maionese) e schiume (e.g. mousse al cioccolato).
Parte della risposta a uno stress meccanico applicato a tali matrici avrà natura dissipativa – tipica di un liquido – e al contempo potrà presentare una risposta elastica – caratteristica dei solidi elastici.
Le proprietà reologiche degli alimenti dipendono da molteplici fattori e possono essere finemente controllate attraverso la formulazione e il processing, per attribuire caratteristiche sensoriali e funzionali desiderate a uno specifico alimento.
Ad esempio, è possibile applicare tecniche reologiche per sviluppare il design funzionale di alimenti come il ketchup.
In questo caso si desira che la viscosità diminuisca con l’aumento del tasso di deformazione.
In fluidodinamica questo fenomeno è conosciuto come assottigliamento al taglio.
Questo comportamento è di interesse per tali applicazioni poiché consente al consumatore di dispensare agevolmente il prodotto contenuto nel packaging.
Una volta che il prodotto viene versato, deve essere in grado di riguadagnare la viscosità (totalmente o in parte) in un tempo funzionale per l’uso desiderato.
In questo modo si garantisce che il ketchup non fluisca sul piatto o su di un alimento come un liquido molto meno viscoso.
Tale fenomeno è chiamato “tixotropia” e viene usato anche in altri settori industriali per la formulazione di prodotti come le vernici che una volta applicate non dovrebbero sgocciolare (fenomeno del “dripping”).
Lo stesso vale per l’applicazione di molti prodotti cosmetici.
Queste sono solo alcune delle proprietà dei materiali che possono essere ingegnerizzate attraverso un design microstrutturale targettizzato per l’uso finale.
La microstruttura degli alimenti gioca un ruolo fondamentale anche nella texture dei prodotti alimentari.
Diversi studi hanno mostrato la correlazione tra proprietà reologiche e percezione sensoriale [2].
Ad esempio, la compattezza dello yogurt è fortemente correlata con l’yield stress [3].
La presenza di una correlazione tra le proprietà reologiche e la percezione sensoriale di un alimento è di notevole impatto dal punto di vista industriale e commerciale.
Attraverso misurazioni reologiche, accurate e ripetibili, è possibile predire la percezione sensoriale di un alimento da parte dei consumatori e si richiede, inoltre, meno tempo e risorse economiche rispetto al training e alla gestione di un panel sensoriale.
Questo garantisce un considerevole vantaggio finanziario per l’industria alimentare.
Smart processing design
Come menzionato in precedenza, l’eterogeneità strutturale degli alimenti si traduce in altrettanto complesse caratteristiche reologiche.
Il comportamento del flusso dei materiali riveste una notevole importanza per la progettazione di impianti più efficaci ed efficienti.
Ad esempio, conoscere la variazione della viscosità in relazione al tasso di deformazione in un materiale non-newtoniano consente di progettare impianti più efficienti [4] scegliendo tubature e pompe adatte oltre che ottimizzare molteplici processi industriali [5] (e.g. centrifugazione, omogenizzazione, filtrazione, estrusione).
Monitorare e predire le proprietà reologiche di un materiale durante la sua lavorazione consente di avere un processo più efficiente, apportando un vantaggio economico, più sostenibile e con un maggiore controllo qualitativo.
Conclusioni
La reologia è la scienza che studia le relazioni tra uno stress meccanico applicato a un materiale e la conseguente deformazione.
Questa disciplina ha un ruolo chiave per lo sviluppo di prodotti più performanti e processi industriali più efficienti e sostenibili.
Per questa ragione ha trovato largo uso in svariati settori industriali, tra i quali l’industria alimentare.
In conclusione, la reologia può essere applicata per sviluppare nuovi prodotti o migliorarne di già esistenti, caratterizzare alcune proprietà fisico-chimiche di un materiale, ma anche per creare modelli predittivi tra le proprietà fisiche di un alimento e le percezioni sensoriali dello stesso.
Inoltre questa disciplina può essere utile nella stima della shelf-life di prodotti alimentari, come ad esempio fenomeni indesiderati causati dalla differenza in densità delle componenti, dalla sedimentazione e dal “creaming”.
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[1] Tabilo-Muzinaga, G.; Barbosa-Cánovas, G. V.; Rheology for the food industry, Journal of Food Engineering, 2005. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2004.05.062
[2] Stokes, J. R.; Boehm, M. W.; Baier, S. K.; Oral processing, texture and mouthfeel: From rheology to tribology and beyond, Current Opinion in Colloid & Interface Science, 2013. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2013.04.010
[3] Harte, F.; Clark, S.; Barbosa-Cánovas, G. V.; Yield stress for initial firmness determination on yogurt, Journal of Food Engineering, 2007. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2006.06.027
[4] Boger, D. V.; Rheology of Slurries and Environmental Impacts in the Mining Industry, Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering, 2013. https://doi.org/10.1146/annurev-chembioeng-061312-103347
[5] Chhabra, R. P.; Richardson, J. F.; Chapter 1 – Non-Newtonian Fluid Behaviour in Non-Newtonian Flow and Applied Rheology (Second Edition), 2008.
Gabriele D'Oria
È dottorando all’Università di Copenaghen nella sezione Ingredient and Dairy Technology, occupandosi di reologia e fisica della materia soffice condensata. È stato Junior Research Assistant presso Nestlé. Ha un master in Food Technology presso la Wageningen University and Research con una tesi in fisica e chimica fisica degli alimenti in collaborazione con Nestlé.
