Tuttavia, la maggior parte delle polveri può essere classificata in base alla struttura molecolare: amorfa, cristallina o una combinazione delle due. Il rapporto tra cristallino e amorfo e il modo in cui interagiscono influenzerà quasi tutte le caratteristiche della polvere.

Inoltre, la dimensione delle particelle ha un impatto significativo sulle caratteristiche delle polveri (e sui problemi comuni ad esse associati). Ogni volta che le particelle di polvere entrano in contatto tra loro, può verificarsi il fenomeno del bridging, ovvero la formazione di ponti, che costituisce il primo passo verso l'agglomerazione e la formazione di grumi. Più piccola è la dimensione delle particelle, maggiore è la probabilità di formazione di ponti, che porta all'adesione, quindi all'agglomerazione e ad ulteriori problemi. Le polveri cristalline possono essere particolarmente difficili da trattare perché (fino a un certo punto) la loro struttura ordinata consente all'umidità di aderire solo all'esterno della struttura.

La ricerca indica che la miscelazione di due polveri cristalline con diverse dimensioni delle particelle può causare la deliquescenza della miscela (passaggio dallo stato solido a quello liquido) a livelli di attività dell'acqua inferiori rispetto a quelli di ciascuna delle singole polveri.

Le polveri amorfe tendono ad avere fessure e forme irregolari, rendendo più facile l'adesione dell'acqua alle loro particelle.

Contenuto di umidità, attività dell'acqua e isoterme della polvere

Esistono due parametri fondamentali relativi all'acqua: il contenuto di umidità e l'attività dell'acqua. Entrambi sono importanti per comprendere se si desidera controllare i problemi di stabilità fisica, chimica o microbica nelle polveri.

La maggior parte delle persone che lavorano nell'industria alimentare o farmaceutica ha familiarità con il concetto di contenuto di umidità. Per alcuni, invece, l'attività dell'acqua potrebbe essere un concetto nuovo. Il contenuto di umidità misura la quantità di acqua presente, mentre l'attività dell'acqua misura l'energia dell'acqua, ovvero ciò che l'acqua è in grado di fare. Questi due parametri vengono misurati in modi completamente diversi.

Il contenuto di umidità viene misurato in percentuale della massa complessiva, ovvero la quantità di acqua presente nel campione in base al peso.

Sebbene il contenuto di umidità sia un metodo diffuso, non è particolarmente preciso. Ciò può rendere difficile individuare e risolvere i problemi. Il contenuto di umidità da solo non è in grado di fornire un quadro completo, specialmente nel caso delle polveri.

Per controllare l'attività dell'acqua, un dispositivo misurerà la pressione del vapore. Può essere utile pensare all'attività dell'acqua come all'umidità equilibrata rilasciata da un campione.

L'attività dell'acqua viene spesso erroneamente definita come "disponibilità di acqua". Questo non è del tutto corretto. L'attività dell'acqua è un principio termodinamico: è l'energia dell'acqua. È importante saperlo perché tale energia può essere utilizzata nelle reazioni chimiche, nei cambiamenti di consistenza e in altre reazioni.

Quando si rappresenta graficamente la relazione tra attività dell'acqua e contenuto di umidità, il risultato è chiamato isotermica. Se utilizzata correttamente, un'isotermica può fornire molte informazioni preziose. Tra le altre cose, può:

• Rivelare i livelli di attività dell'acqua in cui iniziano i cambiamenti di consistenza e struttura (isoterme DDI)
• Mostra il punto in cui un prodotto inizia ad assorbire più rapidamente una maggiore quantità di umidità.
• Identificare la struttura molecolare (amorfa o cristallina)
• Determinare quanto tempo richiedono specifici cambiamenti o reazioni o quanto velocemente si verificano (isoterme DVS)

Fattori chiave nella stabilità fisica

Per comprendere la stabilità fisica delle polveri, occorre considerare tre fattori principali: umidità, temperatura e tempo.

Umidità

L'umidità ha un impatto significativo sulla stabilità fisica. L'acqua può essere un solvente o un reagente e può persino attenuare le reazioni chimiche. In generale, una maggiore umidità comporta reazioni più rapide, ma un isotermo può fornire informazioni specifiche caso per caso.

Temperatura

Gli effetti della temperatura sono simili a quelli dell'acqua: il cambiamento avviene più rapidamente quando la temperatura aumenta (vedi figura sopra). Aumentare la temperatura significa aggiungere energia al sistema, il che consente maggiori cambiamenti fisici a livelli di attività dell'acqua più bassi.

Tempo

Con il tempo necessario, ogni processo giungerà al termine. Alcuni processi possono avvenire così lentamente da essere impercettibili – ad esempio, la deformazione dei vetri delle finestre molto vecchie – ma continuano comunque a verificarsi, anche se fattori come la temperatura e l'umidità sono controllati.

Caso di studio sulla stabilità fisica: aggregazione e formazione di grumi nelle miscele di spezie

Sappiamo che i livelli di attività dell'acqua determinano il movimento dell'umidità tra le sostanze. Ma di quanto si sposta, quali equazioni e modelli possono essere utilizzati per prevederne il movimento e quanto è accurata la previsione?

Il METER Food R&D Lab ha condotto la seguente ricerca su sei diverse miscele di spezie per illustrare le risposte alle domande sopra riportate.

Panoramica del processo:

1. Generata un'isoterma per ogni singolo ingrediente
2. Mescolare gli ingredienti nei rapporti di massa indicati (vedere tabella sottostante)
3. Livello finale previsto di attività dell'acqua per ciascuna miscela utilizzando le isoterme, le equazioni matematiche e i coefficienti
4. Misurato il livello di attività dell'acqua di ciascuna miscela di spezie dopo l'equilibrio
5. Confrontato le previsioni con le misurazioni

Risultati:

• La previsione basata sull'amido di mais e il sale di cipolla era estremamente vicina all'attività dell'acqua misurata alla fine.
  • Entrambi gli ingredienti hanno particelle di dimensioni ridotte, il che tende a significare un maggiore contatto tra le particelle e un equilibrio più rapido.
• Anche le previsioni relative ad altre miscele di spezie si sono rivelate estremamente accurate.
• La previsione meno accurata nel test è stata quella relativa alla miscela di salvia, cumino e origano. Tuttavia, era comunque molto vicina al risultato finale, con uno scarto di soli 0,05 punti rispetto al livello di attività dell'acqua misurato.

Il processo descritto in questo caso di studio può essere utile a qualsiasi scienziato alimentare, in particolare a coloro che sono sotto pressione per formulare rapidamente nuovi prodotti. I modelli, gli strumenti e le equazioni possono fornire informazioni sulle caratteristiche finali delle miscele di ingredienti secchi prima che vengano miscelati.

La creazione di una libreria di isotermiche può richiedere tempo inizialmente. Tuttavia, una volta creata, i formulatori sono liberi di sperimentare modifiche alle ricette, prevedere la durata di conservazione finale, i livelli di attività dell'acqua all'equilibrio e prendere decisioni relative al confezionamento dalla propria scrivania, senza necessità di condurre studi fisici.

Fattori chiave nella stabilità chimica

I produttori devono essere consapevoli di come l'attività dell'acqua possa influire sulla velocità delle reazioni chimiche e quali reazioni possano compromettere la durata di conservazione dei loro prodotti. Senza una solida comprensione della stabilità chimica, è facile promettere benefici maggiori di quelli che un prodotto è effettivamente in grado di offrire.

Monitorare la velocità delle reazioni chimiche può essere complicato, ma è possibile. Spesso spetta al produttore decidere quando sono stati raggiunti i limiti di durata di conservazione. Per individuare con precisione tale momento sono necessarie alcune delle informazioni relative alla previsione della durata di conservazione menzionate nel caso di studio sopra riportato.

Caso di studio sulla stabilità chimica: degradazione della vitamina C

Come può un produttore di integratori alimentari determinare le condizioni di conservazione ideali? A quale velocità si degrada un determinato ingrediente e quando il prodotto non sarà più conforme a quanto dichiarato in etichetta?

La ricerca descritta di seguito, condotta dal METER Food R&D Lab, può aiutare a rispondere a queste domande. Lo studio è stato condotto sulla vitamina C (acido ascorbico), ma i principi e le tecniche applicati sono validi per qualsiasi sostanza che possa degradarsi o reagire nel tempo.

Durante lo studio, l'acido ascorbico è stato esposto a due diversi livelli di attività dell'acqua e a tre diverse temperature. Il degrado è stato monitorato utilizzando la spettroscopia UV-Vis e ne è stato calcolato il tasso. L'obiettivo era quello di scoprire in che modo la temperatura e l'attività dell'acqua influenzano il tasso di degrado.

In primo luogo, il team ha deciso quali temperature (30 °C, 40 °C e 50 °C) e livelli di attività dell'acqua (0,76 aw e 0,948 aw) utilizzare come riferimento. Ha quindi stabilito quando considerare conclusa la durata di conservazione, ovvero quando rimaneva il 75% della quantità iniziale di vitamina C. Ha inserito le informazioni necessarie nel Moisture Analysis Toolkit e ha eseguito uno studio accelerato sulla durata di conservazione, che ha prodotto i seguenti risultati:

Fattori chiave nella stabilità microbica

L'attività dell'acqua è un ottimo modo per limitare la crescita microbica. A livelli di attività dell'acqua inferiori a 0,6, nulla crescerà.

Questo fatto dà a molti produttori un falso senso di sicurezza: credono che se il loro prodotto ha un basso livello di attività dell'acqua, la contaminazione microbica non debba preoccuparli. Si tratta di una percezione pericolosa che ha portato a numerosi richiami e focolai epidemici in alimenti come il burro di arachidi, la farina e il latte in polvere per neonati.

L'attività dell'acqua può impedire la crescita microbica, ma non è un fattore letale. I microbi con bassi livelli di attività dell'acqua possono sopravvivere in condizioni di stasi. Se esposti a un ambiente con maggiore attività dell'acqua, ad esempio mescolando la farina nell'impasto dei biscotti, possono iniziare a proliferare e diventare pericolosi.

Un prodotto a bassa attività dell'acqua può essere sicuro, ma non è necessariamente sterile.

Sebbene esistano numerose misure di controllo microbico e precauzioni che possono essere adottate, l'argomento rimane complesso e impegnativo. Sono in corso numerose ricerche sulla sterilizzazione o la pastorizzazione degli alimenti a basso contenuto di umidità. Per ora, politiche igienico-sanitarie rigorose rappresentano il modo più efficace per prevenire la contaminazione e garantire la stabilità microbica.

Ulteriori risorse

Per approfondire la scienza delle polveri, guarda il webinar gratuito on demand qui sotto. In esso, il dottor Zachary Cartwright e Mary Galloway approfondiscono ulteriormente il flusso delle polveri, l'agglomerazione, la struttura molecolare e le isoterme.