Perché le polveri si comportano male

Ma forse non avete visto i pericoli che la polvere può causare altrove. Questi problemi meno visibili e meno noti possono essere molto gravi, come i rischi per la salute e i richiami dei prodotti. Ignorarli è a vostro rischio e pericolo.

Unitevi a Mary Galloway, responsabile del METER Food R&D Lab, e al dottor Zachary Cartwright, capo ricercatore nel campo alimentare, mentre presentano i nuovi risultati della ricerca e analizzano i numerosi motivi per cui le polveri si comportano in modo anomalo.

Imparerai:

• Quante aziende descrivono erroneamente i benefici funzionali dei propri prodotti alimentari?
• I rischi microbici degli alimenti a basso contenuto di umidità e le pericolose idee sbagliate su di essi
• La moltitudine di fattori che influenzano la stabilità delle polveri e quali sono i più importanti da tenere sotto controllo
• Come individuare dove si verificheranno i problemi legati alla polvere e come prevenirli prima che si verifichino

Informazioni sui relatori

Mary Galloway è a capo del Laboratorio di Ricerca e Sviluppo Alimentare METER. È specializzata nell'utilizzo e nella verifica di strumenti che misurano Attività dell'acqua la sua influenza sulle proprietà fisiche. Ha collaborato con decine dei marchi alimentari più grandi e di maggior successo al mondo per risolvere problemi relativi all'umidità dei prodotti.

Il dottor Zachary Cartwright è capo ricercatore alimentare presso METER Group. Ha conseguito un dottorato in scienze alimentari presso la Washington State University e una laurea in biochimica presso la New Mexico State University. È esperto in analisi isotermica e nell'uso dell'analizzatore di assorbimento di vapore (VSA).

Trascrizione, modificata per maggiore chiarezza

Zachary:

Ciao a tutti. Benvenuti a "Perché le polveri si comportano male". Mi chiamo Zachary Cartwright.

Maria:

E io sono Mary Galloway.

Zachary:

Cominciamo con una breve panoramica di ciò che vi aspetta oggi. Parleremo di cosa sono le polveri, cercheremo di darne una definizione e poi ci concentreremo principalmente su tre diversi aspetti delle polveri. Esamineremo la stabilità fisica, come l'agglomerazione, la formazione di grumi e la perdita di scorrevolezza. Mary ha alcuni dati di laboratorio che condividerà con noi, poi passeremo alla stabilità chimica, considerando l'irrancidimento o le reazioni di imbrunimento. Credo che anche tu abbia alcune ricerche da presentarci.

Maria:

Sì. Abbiamo condotto uno studio in laboratorio sul degrado della vitamina C.

Zachary:

Infine, esamineremo alcuni aspetti relativi alla stabilità microbica. Anche se si tratta di un Attività dell'acqua caratterizzato Attività dell'acqua bassa Attività dell'acqua , permangono comunque alcune preoccupazioni di natura microbica, e mi sembra di capire che tu stessi proprio lavorando a un articolo, o che fossi stato citato in un articolo, su cui ci soffermeremo.

Polveri 101: Fondamenti e definizioni

Zachary:

Mary, cos'è una polvere? Come definiresti una polvere?

Maria:

Beh, la maggior parte delle persone sa cos'è una polvere in teoria, perché la troviamo in tanti posti. Quando ne abbiamo discusso prima, il mercato era importante. Quando parlavamo della categoria delle polveri, potevamo includere spezie, ingredienti. Anche l'industria farmaceutica usa questo termine per gli eccipienti e i principi attivi, che hanno tante funzioni diverse.

Fondamentalmente, una polvere è un prodotto granulare di piccole dimensioni. Abbiamo trovato una buona definizione in un articolo di Bandari del 2017. Parafrasando, si parla della struttura come della definizione principale di una polvere. Amorfa, cristallina o una combinazione delle due. Il modo in cui queste due interagiscono e la dimensione delle particelle influenzano la funzionalità, l'applicazione e la produzione della polvere.

Questo spiega perché le polveri rappresentano un mercato così vasto e perché sono così difficili da trattare: perché abbracciano tanti mercati e gruppi funzionali diversi.

Zachary:

Abbiamo già tenuto un webinar sulle polveri in cui abbiamo approfondito l'argomento delle sostanze amorfe e cristalline. Fondamentalmente, dal punto di vista della struttura molecolare, esistono alcune differenze fondamentali. Una struttura cristallina presenta una struttura ripetitiva ben definita. Si tratta di qualcosa che è possibile osservare a livello molecolare. Anche visivamente è possibile notare queste differenze nelle polveri e disponiamo di alcune immagini che lo dimostrano.

L'ultima volta abbiamo parlato della miscelazione di queste polveri e abbiamo esaminato alcuni degli effetti combinati. Se siete interessati ad approfondire l'argomento, potete rivedere il nostro precedente webinar. Abbiamo anche parlato della dimensione delle particelle e vorrei approfondire questo argomento. In che modo la dimensione delle particelle influisce su alcune caratteristiche delle polveri?

Maria:

La dimensione delle particelle ha un impatto significativo sulle caratteristiche delle polveri e sul motivo per cui possono essere così difficili da lavorare. Quando le particelle sono di piccole dimensioni, possono formarsi ponti tra loro in modo imprevisto, rendendole appiccicose e causando agglomerati e fenomeni simili.

Oltre alla dimensione generale delle particelle, ci sono altri fattori da considerare. Anche la forma delle particelle è importante. Alcune ricerche hanno dimostrato che quando si mescolano polveri cristalline, si verifica un fenomeno chiamato deliquescenza, che consiste nel passaggio dallo stato solido a quello liquido prima di quanto ci si aspetterebbe da ciascuna delle polveri singolarmente. Ciò è dovuto alla diversa dimensione delle particelle.

Ogni volta che si verificano questi punti di contatto, possono insorgere problemi di ponteggio. Le polveri cristalline possono essere particolarmente insidiose perché, come hai detto, hanno una struttura molto ordinata, il che significa che l'umidità aderisce essenzialmente solo alla parte esterna della struttura. Si tratta solo di un'interazione superficiale, al contrario di quanto accade con una polvere amorfa, che presenta molte fessure e forme e dimensioni irregolari e con cui l'acqua può legarsi più facilmente. Questo le rende funzionalmente diverse, ma ha anche un impatto quando devi utilizzarle come formulatore.

Zachary: L'ultima volta che abbiamo parlato, abbiamo esaminato le cinque fasi della formazione di grumi. Ci sono diversi passaggi per arrivare all'agglomerazione e poi, infine, alla liquefazione.

Non è necessario approfondirli proprio oggi, ma vorrei sottolineare che l’agglomerazione e la formazione di grumi possono iniziare a verificarsi già in una fase precoce. Un modo per controllare questo fenomeno è quello di considerare l’umidità e Attività dell'acqua queste polveri. Lo facciamo nella maggior parte dei nostri webinar, ma è sempre utile definire cosa Contenuto di umidità e Attività dell'acqua discutere di come possiamo utilizzare questi parametri insieme per valutare i cambiamenti fisici e la stabilità chimica e microbica.

Cominciamo con l’analizzare il Contenuto di umidità Attività dell'acqua”. So che hai un grafico piuttosto chiaro al riguardo e una buona definizione. Come distingui queste due diverse grandezze?

Maria:

Per alcune delle persone con cui parliamo, Attività dell'acqua un concetto nuovo, mentre la maggior parte conosce molto bene Contenuto di umidità”. Mi piace distinguerli e dire che ci sono due misurazioni dell’acqua che possiamo effettuare. In un caso si considera la quantità d’acqua, ovvero il Contenuto di umidità». Nell’altro si considera l’energia dell’acqua: cosa è in grado di fare l’acqua? Queste due grandezze si misurano in modi completamente diversi.

Quando consideriamo Contenuto di umidità, si tratta di una percentuale in massa, quindi stiamo semplicemente considerando il peso. Quando invece consideriamo Attività dell'acqua, stiamo in realtà misurando quella che chiamiamo pressione di vapore, che è simile all’umidità che si sprigiona da un campione.

Se volete dare un'occhiata ad alcune delle nostre ricerche e ad altri nostri webinar, parliamo di Attività dell'acqua”. Potrebbe essere utile tenere presente che ci riferiamo fondamentalmente all’umidità in equilibrio che il campione emana, e questo potrebbe aiutare a comprendere meglio questi due aspetti. Inoltre, è importante considerare come alcune condizioni esterne e ambientali possano influire sul prodotto, un aspetto da tenere presente e da monitorare.

Zachary:

Ottima osservazione. Vedo ancora piuttosto spesso che Attività dell'acqua erroneamente Attività dell'acqua disponibilità d’acqua, e questo non è esattamente corretto. Attività dell'acqua un principio termodinamico. Si tratta in realtà dell’energia di quell’acqua, ed è importante saperlo perché l’energia dell’acqua può essere utilizzata per una reazione chimica, un cambiamento di consistenza o qualcos’altro. È bene approfondire questo punto. Con Attività dell'acqua» ci riferiamo all’energia dell’acqua.

Abbiamo clienti che si rivolgono a noi continuamente e che, pur avendo dati affidabili sul Contenuto di umidità, hanno davvero difficoltà a ottenere una misurazione precisa. Poiché non riescono a ottenere dati precisi sul Contenuto di umidità, è difficile collegare alcuni dei problemi che stanno affrontando proprio a Contenuto di umidità. Contenuto di umidità non fornisce tutte le informazioni necessarie, specialmente nel caso delle polveri.

Combinando Attività dell'acqua Contenuto di umidità, possiamo analizzare l’isoterma; si tratta di un argomento di cui parliamo sempre molto, ma è perché rappresenta un modo unico per esaminare l’acqua presente in questi prodotti e ottenere un quadro completo del suo comportamento all’interno del prodotto stesso. Come si rileva un’isoterma? Come si osserva la sua forma e la si mette in relazione con le diverse caratteristiche di una polvere?

Maria:

Uno dei modi in cui utilizziamo le isoterme è per definire un punto critico, Attività dell'acqua critica Attività dell'acqua inizieremo a osservare cambiamenti di consistenza e altre variazioni all’interno della struttura del prodotto. In sostanza, a che punto inizia a cambiare e ad assorbire molta più umidità? Generalmente, se parliamo di una polvere, quello è il punto in cui si iniziano a notare fenomeni di agglomerazione e formazione di grumi. Se abbiamo un altro tipo di prodotto, come uno snack, questo può iniziare ad ammorbidirsi; quindi questi sono i punti critici da individuare. Possiamo anche osservare la pendenza o la forma dell’isoterma stessa e riuscire a identificare la struttura, come abbiamo discusso in precedenza, distinguendo tra amorfo e cristallino. Possiamo esaminare questo aspetto. Possiamo inoltre esporre questi campioni all’aria umida e, praticamente in tempo reale, osservare come si comportano; in questo modo possiamo ottenere molte informazioni preziose su quel prodotto che possono essere utili per un cliente.

Zachary:

È importante sottolineare che disponiamo di un metodo unico chiamato isoterma dinamica del punto di rugiada, che rappresenta il modo migliore per ottenere un grafico o un'immagine ad alta risoluzione del comportamento dell'acqua. Esistono altri metodi di cui parleremo più avanti, ma utilizzando l'isoterma dinamica del punto di rugiada e l'analizzatore di assorbimento del vapore, questo è il modo migliore per caratterizzare l'acqua e quindi esaminare alcuni dei fattori che prenderemo in considerazione, a partire dalla stabilità fisica. Nella prossima sezione parleremo della stabilità fisica e di cosa significa per le polveri.

Maria:

Va bene.

Caratterizzazione della stabilità fisica delle polveri

Zachary:

Approfondiamo il concetto di stabilità fisica. Quando pensiamo alla stabilità fisica e alle polveri, ci sono tre fattori principali da considerare: umidità, temperatura e tempo. Vi lascio approfondire questi aspetti e aggiungere ulteriori informazioni se necessario.

Maria:

Per quanto riguarda l'umidità, in sostanza, se abbiamo una maggiore disponibilità di umidità, avremo più processi da modificare, più strutture da modificare. Quando parlavi del DDI, il mio primo pensiero è stato quello di considerarlo in termini di latte in polvere spray essiccato, dove passiamo da uno stato vetroso a uno stato gommoso.

Ora, se utilizzassimo uno stile isotermico diverso, più tradizionale, quella transizione non sarebbe visibile perché essenzialmente la salta. Normalmente si mantengono le cose a determinati livelli di umidità e si osserva cosa succede. Ma nel DDI, il processo è in tempo reale ed è possibile vedere effettivamente queste transizioni. Questo è ciò che intendo specificamente quando parlo di utilizzare le isoterme per poter vedere i dati in tempo reale e quando iniziano a verificarsi quei punti critici. L'umidità ha un impatto importante su questi processi perché l'acqua tende ad accelerare le cose.

Può essere un solvente, può essere un reagente e può anche fungere da tampone nelle reazioni chimiche. A volte i ruoli cambiano man mano che il processo procede o quando viene aggiunta più umidità al processo, e allora si possono osservare cambiamenti nelle velocità di reazione. Oltre all'umidità, vogliamo anche considerare la temperatura. Abbiamo un grafico che ci piace mostrare perché è un ottimo modo per esprimere come il punto critico di cui abbiamo parlato cambierà man mano che aggiungiamo calore o aumentiamo la temperatura di un prodotto. Ciò che accade, e che ha senso se ci pensate, è che il cambiamento avviene più rapidamente. Si aggiunge energia al sistema e il sistema scorre più velocemente. Questi cambiamenti avverranno a livelli di attività dell'acqua inferiori o più rapidamente in quel processo.

L'ultima cosa è il tempo. Se si concede abbastanza tempo a un processo, questo cambierà. Anche se fosse possibile mantenere statiche le altre variabili, come la temperatura e l'umidità, se si concedesse abbastanza tempo, il cambiamento avverrebbe comunque. Proprio l'altro giorno stavo pensando a questo esempio. Se si misurassero la parte superiore e quella inferiore di vecchie finestre in vetro, si scoprirebbe che la parte inferiore è più spessa di quella superiore, perché ha avuto più tempo per fluire. È questa l'idea: se si concede a qualcosa un tempo sufficiente, il processo giungerà a compimento. Tutti e tre questi fattori influiscono sulla stabilità fisica.

Zachary:

È inoltre importante notare che, a seconda della domanda che si vuole porre, esistono diversi metodi o diversi tipi di isoterme che è possibile utilizzare. Tornando all’isoterma del punto di rugiada dinamico, è possibile utilizzarla per individuare quel punto critico e comprendere esattamente a quale Attività dell'acqua a quale combinazione di umidità relativa e temperatura si verifichi quell’effetto. Una volta individuato il punto critico, è possibile eseguire anche un test DVS, ovvero un test dinamico di assorbimento del vapore, per rispondere alla domanda relativa al tempo.

Tornando al tuo esempio della finestra, quanto tempo ci vorrà per raggiungere effettivamente questo punto critico in determinate condizioni? Abbiamo un modo per rispondere a questa domanda. Disponiamo di un analizzatore di assorbimento del vapore che consente di eseguire entrambi questi metodi, uno strumento unico e davvero l'unico in grado di farlo. Se hai un problema di stabilità fisica, poter accedere a entrambi questi tipi di test può essere efficace.

Passiamo ora al tuo progetto di miscelazione delle spezie. In cosa consisteva questo progetto? Qual era il suo obiettivo e cosa hai imparato da esso?

Maria:

Come sappiamo, l’umidità si sposta a causa delle differenze nell’attività dell’acqua. La domanda è: di quanto si sposta? Possiamo prevederlo e quanto è accurata la previsione? Abbiamo uno strumento a disposizione. Esistono sicuramente delle equazioni che cercano di modellare tale interazione tra i prodotti. Per il nostro progetto, essenzialmente, ho preso sei miscele diverse: alcune a base di spezie, altre a base di maltodestrina in sorbitolo, amido di mais e sale alla cipolla, e poi alcune con spezie come salvia, origano e cumino. Le abbiamo mescolate insieme. Per prima cosa, abbiamo fatto in modo che tutte avessero Attività dell'acqua ben specifica. Poi abbiamo anche eseguito le isoterme su tutti quegli ingredienti perché questo è un fattore fondamentale: non solo Attività dell'acqua iniziale Attività dell'acqua un rapporto di massa nel sangue, ma quali sono le caratteristiche di quell’isoterma e come si comporta in presenza di umidità.

Vogliamo sapere in che modo l'assorbono, o non l'assorbono, o comunque sia. Dobbiamo conoscere queste informazioni relative a quel prodotto per poter realizzare un buon modello predittivo. Abbiamo fatto questo, poi li abbiamo miscelati in rapporti di massa noti. Quindi abbiamo effettuato le misurazioni per determinare esattamente quale Attività dell'acqua dopo aver lasciato che raggiungessero l’equilibrio. Abbiamo poi effettuato anche la previsione, ottenendo risultati molto buoni. In sostanza, sto mostrando le combinazioni che abbiamo realizzato; quella in alto, amido di mais e sale alla cipolla. Abbiamo miscelato un grammo e mezzo di amido di mais, che partiva da Attività dell'acqua 0,435. Per il sale alla cipolla, ne abbiamo usato un grammo, ma Attività dell'acqua era inferiore. Come potete vedere, partiva da Attività dell'acqua di 0,35; dopo averli miscelati, Attività dell'acqua effettiva della nostra miscela Attività dell'acqua 0,429.

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Quando abbiamo applicato il modello predittivo che teneva conto delle isoterme, della massa iniziale e delle attività dell’acqua iniziali, abbiamo effettivamente previsto che Attività dell'acqua finale Attività dell'acqua stata pari a 0,431, quindi estremamente, estremamente vicina al valore reale. Questi hanno funzionato bene. Hanno infatti particelle di dimensioni molto fini, quindi presentano molti punti di contatto, il che consente di ottenere un equilibrio più rapido. Non è stata una grande sorpresa, ma è stato bello che abbia funzionato così bene. Come potete vedere da alcuni dei nostri altri esempi, i risultati sono stati ottimi. Abbiamo testato anche la maltodestrina e il sorbitolo. Abbiamo variato le quantità e i valori iniziali. In un caso la quantità era maggiore rispetto all’altro, poi abbiamo invertito i valori. Abbiamo provato diverse combinazioni solo per testare un po’ il sistema. Infine abbiamo testato anche le spezie sul fondo: salvia, cumino e origano.

Hanno funzionato piuttosto bene. Lo scenario peggiore che abbiamo considerato nella configurazione era proprio l’ultimo esempio. — Forse non dovrei dirlo, ma lo scienziato che è in me mi dice che devo farlo. Vedrete che il nostro valore previsto era 0,35 Attività dell'acqua quello effettivo era 0,395. Era inferiore di circa 0,05. Volevo solo spiegare come funziona e poi illustrare i confronti che abbiamo effettuato.

Qui vedrete tutte le isoterme relative alla salvia, al cumino, all’origano e un modello combinato, ovvero dove abbiamo messo insieme tutti questi elementi. Volevo anche mostrare da dove siamo partiti. Questo è il punto di partenza con tutti gli ingredienti, con Attività dell'acqua iniziale e il Contenuto di umidità iniziale, Contenuto di umidità sull’isoterma e sui rapporti di massa. Una volta inseriti tutti i dati, potete vedere che abbiamo ottenuto Attività dell'acqua finale Attività dell'acqua 0,349.

Ora, per questo, ciò che è importante è che lo stiamo facendo matematicamente, quindi vogliamo assicurarci di avere una buona rappresentazione, una buona equazione matematica e coefficienti per ciascuno dei nostri ingredienti. Una volta ottenuto questo, abbiamo ottenuto la nostra previsione, che era piuttosto accurata, e ne sono stato molto soddisfatto. La dimensione delle particelle, forse con le spezie, forse non avendo un contatto così buono, è possibile che, lasciandole insieme più a lungo, avremmo potuto ottenere un risultato leggermente diverso. Ma sono rimasto molto soddisfatto del risultato ottenuto. Volevo anche prendere questo risultato e guardarlo da un altro punto di vista.

Abbiamo modellato l’isoterma come vi mostro qui nella curva rossa, ma poi ho voluto confrontarla anche con l’isoterma reale perché, dopo aver preparato questa miscela, abbiamo effettivamente eseguito un’isoterma su di essa per vedere cosa si potesse ottenere. Da qui potete notare le differenze tra l’isoterma reale e quella modellata, che corrispondono molto, molto bene, specialmente nell’area di interesse che stiamo esaminando. Se cerchiamo valori compresi tra 0,2 e 0,4, in genere si trovano proprio Attività dell'acqua . Noterete che l’adattamento è davvero ottimo. Sono molto, molto soddisfatto dei dati del nostro studio. Questo, come ho detto, è il caso peggiore che abbiamo riscontrato. Gli altri casi hanno infatti dato risultati molto migliori.

Zachary:

Vorrei solo fare un passo indietro e riflettere sull’applicazione pratica di tutto questo nel mondo reale. Parlo continuamente con scienziati che subiscono una forte pressione per lanciare nuovi prodotti il più rapidamente possibile. Se si utilizza questo tipo di modellizzazione per una miscela di ingredienti secchi, è un modo veloce per ottenere molte informazioni sul prodotto finale prima ancora di realizzarlo. Ci vuole un po’ di tempo per creare una libreria e disporre delle isoterme per ciascun ingrediente, ma una volta fatto ciò, è possibile sedersi al computer e capire molto rapidamente quale Attività dell'acqua all’equilibrio. Con il nostro nuovo programma nel Moisture Analysis Toolkit, fornito in dotazione con il nostro analizzatore di assorbimento di vapore, il software del toolkit fa tutto il lavoro al posto vostro. Hai menzionato quelle equazioni e in effetti ci sono delle equazioni alla base del calcolo, ma invece di dover creare un foglio di calcolo o fare tutto da solo, tutto quel lavoro viene svolto per te e rende facile determinare quale Attività dell'acqua all’equilibrio.

Ora puoi anche ottenere i coefficienti relativi al modello di cui parlavi. Utilizzando tali coefficienti, puoi iniziare a porti domande quali: qual è la durata di conservazione prevista? Quanto tempo ci vorrà per raggiungere Attività dell'acqua critica Attività dell'acqua quale tipo di confezione dovrei utilizzare? Ci sono molte possibilità se ti prendi il tempo di esaminare queste isoterme e capire esattamente come utilizzare questi dati per rispondere a numerose domande diverse. Volevo solo sottolineare che i grafici che stai mostrando provengono dal software Moisture Analysis Toolkit. Si tratta di uno strumento che molti dei nostri clienti, sia che producano integratori alimentari sia che collaborino con alcuni dei maggiori produttori di spezie del Paese, utilizzano per accelerare la loro produzione.

Maria:

Ottima osservazione. Vorrei anche aggiungere che, una volta ottenute le isoterme, posso ripetere questa previsione all'infinito. Posso modificarne qualsiasi parte e ripeterla in pochi istanti. Ad esempio, potrei modificare il rapporto di massa se scoprissimo che questa miscela non ci piace particolarmente, o se non ci piacesse la sua fluidità o qualcosa del genere, o magari se il sapore non fosse buono. Forse contiene troppo cumino o qualcosa del genere. È possibile modificare la ricetta direttamente nel software. Oppure, per fare un esempio, nei webinar precedenti abbiamo parlato della stagionalità e di come questa possa influire sugli ingredienti in entrata.

Attività dell'acqua ad essere più elevata in estate e più bassa in inverno. È importante monitorare i valori rilevati al momento della consegna, in modo da evitare sorprese e l'ingresso nel prodotto di umidità non prevista o indesiderata. Questo è un aspetto che potresti modificare qui. È possibile modificare Attività dell'acqua iniziale Attività dell'acqua uno qualsiasi di questi prodotti e quindi rieseguire la previsione. Una volta ottenute queste informazioni, è possibile sfruttarle in molti modi.

Zachary:

Bene, quanto detto finora riguardava principalmente la stabilità fisica. Passiamo ora alla stabilità chimica e vediamo come possiamo utilizzare Attività dell'acqua fornire informazioni o comprendere meglio la stabilità chimica.

Caratterizzazione della stabilità chimica delle polveri

Zachary:

Passando alla stabilità chimica, vorrei tornare al diagramma di stabilità che abbiamo visto prima.

Il motivo per cui questo è importante è che bisogna valutare se la polvere offre effettivamente i benefici per la salute promessi. Le vitamine sono presenti come promesso o si è verificato qualche tipo di cambiamento chimico di cui bisogna essere consapevoli? Se si osserva quel diagramma di stabilità, vi sono diversi punti in cui i tassi di degradazione o di reazione cambiano; ad esempio, intorno a Attività dell'acqua di 0,6, si potrebbe verificare un aumento delle reazioni di imbrunimento. A livelli molto bassi di attività dell’acqua, è qui che osserviamo un aumento dell’ossidazione dei lipidi.

Devi solo capire in che modo Attività dell'acqua sulle velocità di reazione e quali reazioni sono correlate alla scadenza del prodotto. So che di recente hai lavorato a un esperimento sulla vitamina C, analizzando la sua relazione con una determinata attività. Puoi spiegarmi questo esperimento e cosa hai scoperto?

Maria:

I tassi di reazione chimica sono un po' più complicati da monitorare, ma se si riesce a farlo è fattibile. Per poter monitorare i tassi di reazione, possiamo utilizzare queste informazioni per prevedere la durata di conservazione e una tempistica essenziale per stabilire quando hanno raggiunto un punto in cui consideriamo conclusa la durata di conservazione. Il nostro studio ha riguardato l'acido ascorbico, che abbiamo esposto a due diverse attività dell'acqua e a tre diverse temperature. Abbiamo quindi monitorato il suo degrado utilizzando UV-Vis e siamo stati in grado di calcolarne le velocità.

Uno degli aspetti fondamentali di questo contesto è che stavamo utilizzando l'equazione di Arrhenius, molto comune in questo tipo di reazioni. In sostanza, si tratta di mettere in relazione la velocità di reazione con la temperatura e l'energia. Sappiamo già che è possibile mettere in relazione l'energia Attività dell'acqua con Attività dell'acqua .

Stiamo conducendo uno studio in cui partiamo dal tempo zero e, nell’arco di diversi giorni o settimane, esponiamo l’acido ascorbico a una specifica comunità e a una determinata temperatura; poi ne osserviamo l’evoluzione e la rappresentiamo graficamente. Questo è il nostro studio. In sostanza, vorremmo capire in che modo la temperatura e Attività dell'acqua il tasso di degradazione. Qui abbiamo questi grafici temporali che mostrano l’andamento. Abbiamo valori di attività dell’acqua pari a 0,76 e 0,948, oltre alle temperature che abbiamo utilizzato, e stiamo conducendo questo studio in regime accelerato. Abbiamo 30 °C, 40 °C e 50 °C. In sostanza, inseriremo questi dati nel calcolatore e useremo l’equazione di Arrhenius per ricavare le informazioni e mettere in correlazione tutti i dati. Una volta inseriti tutti i nostri dati e quelli dello studio, potremo indicare al programma in modo specifico quale sia il nostro obiettivo.

A quale temperatura siamo interessati? A quali Attività dell'acqua interessati? Inoltre, nello studio dobbiamo definire a che punto considereremo conclusa la durata di conservazione. Quale percentuale rimane? Nel nostro caso, abbiamo deciso che la fine sarebbe stata raggiunta quando fosse rimasto il 75% della vitamina C. Perdiamo essenzialmente il 25% della nostra vitamina C, e a quel punto definiamo quella fase come la fine della durata di conservazione. Se sei un formulatore o un produttore, e hai una vitamina come quella di cui parlavi, hai delle indicazioni relative alla quantità di vitamina o alla potenza del tuo prodotto. Baseresti la durata di conservazione su quel valore.

Una volta inserite tutte queste informazioni, il sistema potrà calcolare la durata di conservazione. Nel nostro caso specifico con l’acido ascorbico, se considerassimo una temperatura di 30 °C e un valore di Attività dell'acqua intorno a 0,8 — che è piuttosto elevato, ma che si potrebbe raggiungere in un bagno pieno di vapore —, ciò corrisponderebbe a circa l’80% di umidità relativa. Come ho detto prima, il 75% rappresenterebbe il limite massimo. Avremmo a disposizione 62 giorni prima che l’acido ascorbico non fosse più sufficientemente efficace.

È così che funziona fondamentalmente la stabilità chimica. Dobbiamo solo monitorarla e, se sei in grado di misurarla, allora puoi condurre questo studio.

Zachary:

Ancora una volta, si tratta di un altro strumento del Moisture Analysis Toolkit, specifico per la stabilità chimica. Anche se la raccolta dei dati può richiedere un po’ di tempo, una volta raccolti, è facile rappresentarli graficamente nel toolkit. Avete appena dimostrato che è possibile inserire un valore iniziale Attività dell'acqua, una temperatura di interesse e poi definire quale fattore determina la fine della durata di conservazione, ottenendo rapidamente i calcoli. Sebbene l’impostazione di uno studio possa richiedere un po’ di tempo – e si tratta di studi che possiamo condurre noi stessi o per i quali possiamo guidare i clienti nell’uso delle camere umidificatrici – una volta raccolti i dati, i calcoli offrono una grande flessibilità e consentono di ottenere numerose informazioni approfondite. Nel vostro caso ci siamo concentrati specificatamente sulla vitamina C, ma questo approccio è applicabile a qualsiasi parametro misurabile, a cui sia possibile assegnare un valore.

Maria:

Funziona in entrambi i sensi. In questo caso potrebbe trattarsi del tasso di degrado, ma si potrebbe anche ipotizzare un aumento di qualcosa, come ad esempio una reazione di imbrunimento o qualcosa di simile, che aumenta nel tempo e che quindi determina la fine della durata di conservazione. Potrebbe trattarsi di un valore cromatico specifico. Non importa, purché sia possibile misurarlo. Se esiste un modo per monitorare effettivamente tale cambiamento, è possibile trasformarlo in un tasso e ottenere grafici come questo.

Zachary:

Oggi ci sono così tanti integratori alimentari e così tanti prodotti in polvere che l'uso di questo tipo di strumento potrebbe aiutarli a capire qual è Attività dell'acqua loro Attività dell'acqua in termini Attività dell'acqua , quali sono le condizioni di conservazione o cosa ne determina la scadenza. Qual è la percentuale di perdita di una determinata vitamina o come possono garantire quanto dichiarato sull'etichetta? Come fanno a esserne certi? Questo è un ottimo modo per farlo.

Maria:

Ancora una volta, l'esempio che avete davanti può essere modificato in base ai vostri interessi: potete cambiare i vostri interessi. Potete modificare la temperatura e Attività dell'acqua vi interessa o persino la quantità che desiderate ottenere alla fine. Tutto questo può essere modificato facilmente: basta semplicemente rieseguire la previsione.

Caratterizzazione della stabilità microbica delle polveri

Zachary:

Infine, la stabilità microbica. Molte polveri presentano una bassa Attività dell'acqua, e talvolta non ci si rende conto che ciò può comunque comportare un rischio per la sicurezza. Voglio dire, le polveri potrebbero contenere un microrganismo potenzialmente pericoloso; il prodotto potrebbe essere sicuro, ma non è necessariamente sterile. Una volta reidratata la polvere, se è presente una spora o un microrganismo potenzialmente pericoloso, è proprio in quel momento che possono emergere alcuni problemi di sicurezza. So che recentemente ha contribuito alla stesura di un articolo e speravo potesse parlarmi del contenuto di quell’articolo.

Maria:

Hai detto proprio bene. C’è l’idea che, se si ha a che fare con un alimento a basso contenuto di umidità, non ci si debba preoccupare della proliferazione microbica e non sia necessario conoscere Attività dell'acqua in realtà ci sono stati molti, purtroppo, casi di richiamo di alimenti a basso contenuto di umidità in cui si sono verificati focolai di E. coli e salmonella, come nel burro di arachidi o nella farina, prodotti simili, o nel latte in polvere per neonati. È scoraggiante. È proprio così: Attività dell'acqua un ottimo modo per limitare la proliferazione microbica. Se Attività dell'acqua è Attività dell'acqua 0,6, nulla prolifera. Questo dà un falso senso di sicurezza: «Il mio prodotto ha un valore basso, non devo preoccuparmene», ma Attività dell'acqua non Attività dell'acqua una fase di inattivazione, proprio come dicevi tu, il che significa che i microrganismi sono ancora vivi, sono semplicemente in uno stato di stasi.

Se vengono esposti a un ambiente con umidità più elevata o maggiore Attività dell'acqua, e se si aggiunge la farina all’impasto dei biscotti – che è proprio ciò che si vorrebbe fare – si crea un ambiente in cui quei microrganismi possono crescere e proliferare, ed è facile capire come la salmonella, l’E. coli o altri agenti possano diventare pericolosi per la salute pubblica. Si tratta in realtà di un argomento molto vasto. Quando recentemente ho partecipato a un convegno sulla sicurezza alimentare, se ne è discusso a lungo, con numerose sessioni dedicate all’argomento, e al momento sono in corso anche molte ricerche su cosa si possa fare per sterilizzare o pastorizzare questi alimenti a basso contenuto di umidità. La ricerca è in corso, e conosciamo diversi ricercatori – e so che anche voi ne conoscete – che stanno lavorando molto attivamente su questo tema per cercare di ideare e trovare soluzioni che ci consentano di evitare la proliferazione microbica o questi focolai che si stanno verificando, in modo da poter pastorizzare o sterilizzare questi alimenti a basso contenuto di umidità.

Zachary:

Una delle ricercatrici con cui abbiamo parlato di recente è la dottoressa Jennifer Acuff, che sta studiando gli alimenti a basso contenuto di umidità e gli ambienti in cui vengono prodotti, valutando diversi approcci o tecniche igienico-sanitarie per impedire che gli agenti patogeni di origine alimentare siano presenti anche negli alimenti a basso contenuto di umidità. Abbiamo registrato di recente quel podcast con lei, ed è proprio un argomento di cui ha parlato. Dal mio punto di vista, è fondamentale mantenere un elevato livello di igiene e assicurarsi che l’ambiente sia il più pulito possibile. È un argomento di cui abbiamo parlato di recente anche con il dottor Minto Michael della Washington State University, analizzando la microbiologia e comprendendo che esistono diverse combinazioni di temperatura, tempo e Attività dell'acqua; tuttavia, come hai menzionato, non è possibile riscaldare ogni tipo di alimento perché si causerebbero alterazioni strutturali.

Potrebbero esserci altri metodi, come il trattamento a microonde o ad alta pressione, o altre soluzioni che potremmo utilizzare in combinazione con il concetto di Attività dell'acqua garantire che questi alimenti siano il più sicuri possibile. Se lo desiderate, potete ascoltare il podcast con il dottor Acuff o il dottor Michael per saperne di più sulla sicurezza alimentare.

Maria:

Ho anche pensato a come Attività dell'acqua abbia Attività dell'acqua un ruolo quando si esegue la fase di pastorizzazione. Anche se si è in grado di farlo, diciamo nel caso del beef jerky o qualcosa di simile, c’è una combinazione di tempo, temperatura e umidità necessaria per renderla efficace. L’altro aspetto da considerare è: se si riesce a farlo, si sta creando un ambiente in grado di uccidere effettivamente i microrganismi che si desidera eliminare? Se si rispettano i tempi e la temperatura corretti ma l’umidità è bassa, anche la sterilizzazione non sarà altrettanto efficace. Dipende sicuramente da tutti questi fattori.

Riepilogo e raccomandazioni

Zachary:

Per ricapitolare brevemente:

• Oggi abbiamo esaminato le polveri, abbiamo cercato di definirle.
• Abbiamo esaminato la stabilità fisica, chimica e microbica.
• Abbiamo parlato di alcuni dei prodotti AQUALAB che abbiamo utilizzato per la ricerca e per documentarci su ciò di cui abbiamo discusso oggi.

Una cosa che volevo sottolineare è che, sebbene realizziamo soluzioni che misurano i prodotti finali o gli ingredienti, disponiamo anche di una soluzione in linea chiamata SKALA Dry che può essere davvero utile per i prodotti essiccati a spruzzo.

Se hai difficoltà a ottenere un prodotto di qualità costante al variare della temperatura e delle stagioni, SKALA Dry può aiutarti automaticamente a raggiungere il giusto livello Attività dell'acqua quel prodotto.

Inoltre, date un'occhiata al podcast che abbiamo menzionato, Water In Food. Abbiamo anche un canale YouTube. Ascoltatelo e iscrivetevi.

A questo punto, apriamo la discussione e rispondiamo alle domande.

1. Esiste un modo per misurare o monitorare l'igroscopicità delle polveri con cui lavoro?

Zachary:

Ottima domanda. Per quanto riguarda l'igroscopicità, possiamo osservare la forma della curva isotermica. È un argomento che abbiamo già trattato in precedenza e che probabilmente potremo riprendere ora, ma quello che dovete osservare è la pendenza delle curve.

In questo caso stiamo esaminando diversi eccipienti e maggiore è la pendenza della curva, maggiore è l'igroscopicità e maggiore è la quantità di acqua che la polvere specifica assorbe. Semplicemente osservando la forma della curva, possiamo vedere molto rapidamente e visivamente la differenza nell'igroscopicità di queste polveri. Non so se c'è qualcosa che vorresti aggiungere.

Maria:

È una buona spiegazione. In sostanza, più ripida è la pendenza, maggiore è l'igroscopicità, il che significa anche che sarà in grado di apportare più umidità al prodotto finale, qualunque esso sia. È sicuramente importante comprendere questa relazione e quanto sia igroscopico un determinato materiale.

Zachary:

Aggiungo solo che, a seconda della formula o dell'obiettivo o del risultato finale, potresti preferire un prodotto con una maggiore inclinazione o meno. Il tipo di inclinazione che cerchi dipenderà esclusivamente dal prodotto e dalla formula.

Maria:

Se vuoi un ingrediente che aumenti o si leghi all'acqua a tuo piacimento, questo è un buon modo per farlo. Puoi scegliere un ingrediente che, grazie alla sua elevata capacità di assorbimento, assorba molta umidità e sia in grado di apportarne molta al tuo prodotto; in questo modo potrai formulare la miscela in base Attività dell'acqua specifica Attività dell'acqua considerando. Ma non è necessariamente un aspetto negativo, è solo qualcosa che è bene sapere.

2. Quale dei due fattori ha influito maggiormente sulla degradazione della vitamina C: la temperatura o Attività dell'acqua?

Maria:

Va bene, me ne occupo io. Attività dell'acqua sicuramente il fattore principale nella degradazione della vitamina C, più della temperatura. Se tornassi indietro a controllare i dati, potresti constatarlo anche tu, perché se confronti le reazioni in cui abbiamo variato solo la temperatura con quelle in cui abbiamo variato Attività dell'acqua, in questo caso specifico risulta chiarissimo quale sia il fattore più importante: Attività dell'acqua.

Zachary:

Dipenderà specificamente da ciascuna vitamina, ed è un argomento di cui abbiamo parlato proprio di recente. Ma anche se la vitamina C si è comportata in questo modo specifico, dovrai esaminare ogni singola vitamina o ogni singolo principio attivo, a seconda di ciò che ti interessa. Non sarà sempre questa la tendenza. Non sarà sempre Attività dell'acqua un’influenza maggiore. È necessario condurre questo tipo di studi per capire quale avrà l’impatto maggiore.

Maria:

Giusto. Perché potrebbero essere l’ossigeno o la vitamina E a irrancidire. Si potrebbe monitorare questo aspetto e magari adottare una strategia diversa in tal caso. Ma per la vitamina C era Attività dell'acqua”.

3. In che modo Attività dell'acqua Contenuto di umidità sulla velocità di dissoluzione di una polvere?

Maria:

Direi che non si tratta necessariamente Attività dell'acqua Contenuto di umidità , ma piuttosto della struttura della polvere stessa, della velocità con cui può dissolversi e dell’ambiente in cui si troverà. Se si tratta, ad esempio, di una bevanda in polvere, si troverà in un Attività dell'acqua elevata Attività dell'acqua , quindi si dissolverà rapidamente. Ma dipende. Ad esempio, se si ha a che fare con un prodotto che contiene un idrato, in genere questo ha già dell’acqua legata al suo interno, il che tende a favorirne una dissoluzione più rapida. Dipende tutto dal contesto. Non è così semplice come conoscere Attività dell'acqua Contenuto di umidità una polvere; è più una questione di struttura e di quanto velocemente questa possa dissolversi.

Zachary:

Aggiungo che, osservando anche l'isoterma e un test DVS, se si è in grado di identificare un punto di deliquescenza o un punto in cui tutto entra in soluzione, allora possiamo usare un test DVS per capire quanto tempo ci vorrà. Forse osservando la struttura e poi anche informandosi dall'isoterma.

Maria:

Esatto. Una caratteristica importante di una polvere è che sia solubile, perché la maggior parte delle polveri che conosciamo dovrebbe esserlo. Se avete solo una miscela per bevande, dovrete aggiungerla a qualcos'altro. Ma cosa succede se volete evitare che si formi un impasto e si aggreghi prima di essere confezionata? Tutti abbiamo provato questa esperienza o abbiamo avuto una miscela per bevande o qualcosa del genere, ed è difficile. Forse abbiamo esaminato l'isotermico, capiremo qual è il punto critico per quella miscela e poi ci assicureremo di avere un imballaggio che garantisca che non lo superi, o forse dovremo aggiungere un agente antiagglomerante o qualcosa del genere. Tutti questi fattori influiscono sulla solubilità di una polvere.

4. Qual è la differenza tra la durata di conservazione della polvere amorfa e quella della polvere cristallina?

Zachary:

Dipenderà da cosa sta determinando la fine della durata di conservazione. Si tratta di un cambiamento di consistenza o di un cambiamento chimico? Per prima cosa dovremmo definire come si presenta quel punto finale, e poi cosa aggiungeresti a questo?

Maria:

Ottima domanda. Le polveri cristalline hanno un punto di deliquescenza, come ho già detto. So che, ancora una volta, passano dallo stato solido a quello liquido, e questo dipende dall'umidità a cui sono esposte. Se si riesce a mantenere l'ambiente intorno alla polvere cristallina al di sotto di quel punto, allora può cambiare rapidamente l'attività senza modificare la struttura della polvere. Si può ottenere una durata di conservazione davvero lunga. Si pensi al saccarosio o al NACL o qualcosa del genere. Con questi prodotti si ottiene una lunga durata di conservazione.

Ma se è superiore, allora ci sono problemi. Contrariamente a quanto hai detto, tutto è importante: qual è la durata di conservazione? A quale ambiente sarà esposto? Allora cosa ha senso? Abbiamo anche tenuto un webinar sugli edulcoranti, e quella è stata una parte interessante sugli edulcoranti e sulle loro caratteristiche di solubilità, e stiamo passando da strutture amorfe a strutture cristalline, e come questo possa essenzialmente precipitare fuori da un prodotto è una questione complicata. C'è una risposta definita? Forse cercherò di semplificarla. Le strutture cristalline, se riesci a mantenerle al di sotto di quel punto critico, possono essere esposte a qualsiasi cosa al di sotto di esso. In realtà non cambieranno perché ogni interazione con l'acqua è come una superficie. Ma poi, di nuovo, se sono al di sopra di quel punto o se si tratta di una reazione chimica o di qualcos'altro, allora è un altro argomento di cui dobbiamo parlare.

Zachary:

Aggiungo solo che, per i solidi cristallini o le polveri, i loro punti di deliquescenza sono solitamente piuttosto elevati, forse 0,9 Attività dell'acqua comunque in quel range, mentre una polvere amorfa può subire un cambiamento fisico già a valori compresi tra 0,3 e 0,6 Attività dell'acqua. Se si considera esclusivamente la consistenza, e se questa dovesse determinare la durata di conservazione, immagino che la maggior parte dei solidi cristallini abbia una durata di conservazione più lunga. Ma se ciò che ci interessa è la stabilità chimica o una reazione chimica, occorrerà un’analisi più approfondita e un esperimento per rispondere a questa domanda.

Maria:

Un altro aspetto relativo ai cristalli che non abbiamo menzionato è che se abbiamo particelle di piccole dimensioni o strutture o forme irregolari o dimensioni diverse, ciò può influire sul punto in cui inizierà a formarsi il ponte, con sorpresa, all'umidità ambiente. Anche se diciamo che se si mantiene il cristallo al di sotto del punto di deliquescenza non ci sono problemi, la dimensione delle particelle influirà sicuramente sulla stabilità della struttura cristallina.

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