Formaggi, un sistema molto complesso
Nel mondo migliaia sono i tipi di formaggi differenti per storia, tradizioni, usi alimentari e valori commerciali, principalmente determinati dalle proprietà fisico-chimiche (consistenza, aspetto della pasta, attitudine alla fusione, stiramento, colore ecc.), dalla conservabilità, da attributi sensoriali specifici (profumo e aroma, sapore, gusto e retrogusto, consistenza e sensazione in bocca), dalle caratteristiche d’uso (come cibo o componente anche caratterizzante una cucina ecc.), dal costo e convenienza economica e dalle proprietà nutrizionali (valore energetico, rapporto grassi/proteine, caratteristiche degli acidi grassi, profilo nutrizionale, biodisponibilità dei componenti, digeribilità ecc.). Dalla ricerca scientifica e tecnologica risulta che queste caratteristiche organolettiche, nutrizionali e funzionali sono determinate o influenzate dalla struttura del formaggio. Per mantenere caratteristiche tradizionali (per esempio presenza o assenza di un’occhiatura) o progettare funzionalità adeguate alle richieste dei consumatori o adatte ai cambiamenti del mercato, è richiesta quindi un’adeguata comprensione delle relazioni tra struttura e funzionalità. In un sistema molto complesso e nel quadro di una panoramica di una vasta gamma sulle proprietà funzionali dei formaggi, di come sono influenzati dall’organizzazione strutturale dei loro componenti e dalle loro interazioni, nonché di come sono influenzati da fattori ambientali (ad esempio, pH e temperatura), dopo una chimica dei formaggi si è sviluppata una fisica dei formaggi, nel quadro di una fisica della materia soffice.
Fisica della materia soffice dei formaggi
La recente espressione di materia soffice (soft matter) è utilizzata per descrivere un vasto insieme di materiali, apparentemente anche molto diversi, con proprietà intermedie tra lo stato solido e liquido, che si presentano a volte come solidi disordinati e molto deformabili, altre volte come fluidi parzialmente ordinati e molto viscosi, come sono indubbiamente i formaggi con le loro differenti tipologie. Pierre-Gilles de Gennes, Premio Nobel per la fisica (1991), è il padre di quel ramo della fisica che studia la materia soffice (soft matter food physics) che ha comportamenti imprevedibili o molto difficili da prevedere, e che comprende anche gran parte degli alimenti che hanno strutture fisiche a dimensioni mesoscopiche, intermedie tra la scala microscopica dell’atomo o molecola e quella macroscopica di più noti e studiati materiali.
Le proprietà e le interazioni di queste strutture mesoscopiche determinano il comportamento macroscopico dei formaggi. Ad esempio, le bolle che si formano nei formaggi sono formazioni mesoscopiche perché individuano un vasto numero di molecole. Altre strutture mesoscopiche studiate dalla fisica della materia soffice nei formaggi sono la struttura della pasta che permette di separare delle scaglie, la spalmabilità di molti formaggi, la cremosità di molti prodotti caseari e il ruolo che la struttura fisica dell’alimento ha nel rilascio degli aromi e soprattutto nella palatabilità ecc. Le ricerche di fisica della materia soffice dei formaggi iniziano ad avere una grande varietà di applicazioni tecnologiche che sono inoltre strettamente collegate agli studi della biofisica, e di conseguenza alle biotecnologie alimentari, come dimostrano molte pubblicazioni e tra queste quelle di Thomas A: Vilgis (Thomas A Vilgis – Soft matter food physics — The physics of food and cooking – Rep. Prog. Phys. 78, 5 november 2015) e di Prabin Lamichhane e collaboratori (Prabin Lamichhane, Alan L. Kelly, Jeremiah J. Sheehan – Symposium review: Structure-function relationships in cheese – J. Dairy Sci. 101:2692–2709, 2018).
Struttura fisica e funzionalità dei formaggi
I consumi globali di formaggio sono in costante aumento e ampliamento di tipologie, come dimostra anche il sempre maggiore interesse delle popolazioni asiatiche per questi alimenti. Attualmente, i consumatori e gli utenti finali dei formaggi chiedono che questi abbiano proprietà fisico-chimiche migliorate e una qualità sensoriale e nutrizionale e caratteristiche di utilizzo ottimali: il tutto a un costo ragionevole. Contemporaneamente diviene sempre più evidente che la struttura del formaggio influenza il rilascio e l’apprezzamento degli aromi e dei sapori che, attraverso l’esperienza sensoriale, determinano gli usi dei formaggi come ingredienti di cucina e come alimenti di consumo diretto: da qui quindi nasce e si sviluppa il successo delle vendite. Queste crescenti richieste dei consumatori hanno innescato l’attenzione dei ricercatori alimentari e dei produttori di formaggi verso il miglioramento della qualità dei formaggi esistenti o la progettazione di nuovi prodotti caseari innovativi.
È ormai noto che molte delle proprietà desiderabili del formaggio sono in gran parte determinate dalla sua struttura. Ad esempio, la struttura gioca un ruolo importante nel determinare le proprietà meccaniche, reologiche e di cottura del formaggio, la formazione degli occhi in diversi tipi di formaggi a stagionatura lunga (ad esempio formaggi tipo svizzero o Emmental) o breve (ad esempio formaggio Maasdam) e la percezione della loro consistenza. Più recentemente, è anche riferito che la struttura del cibo gioca un ruolo chiave nel rilascio degli aromi e nella digestione e assorbimento dei nutrienti. Oltre a comprendere componenti nutrizionali, i formaggi contengono importanti elementi con attività extranutrizionali bioattive che promuovono la salute, come polifenoli e peptidi. In questo contesto, la matrice dei formaggi può essere utilizzata come veicolo di composti bioattivi e probiotici. Per questo una migliore comprensione della complessa interrelazione tra struttura e funzionalità sta divenendo necessaria per progettare tipi di formaggio con funzionalità specifiche.
Caseine e struttura del formaggio
Le caseine sono il principale componente strutturale del formaggio, formando una rete o matrice nella quale sono contenuti globuli di grasso, acqua, minerali, batteri e soluti disciolti, come lattosio, acido lattico, sali solubili e peptidi. Dal punto di vista della scienza dei materiali, il formaggio può essere visto come un materiale composito a due fasi, considerato anche come un gel riempito o un’emulsione gelificata che contiene globuli di grasso in una matrice di gel proteico. Questa concezione ha portato a studiare il ruolo che la rete proteica contenente i globuli di grassi ha sulle proprietà meccaniche e reologiche del formaggio.
La disposizione spaziale di questi componenti e le loro interazioni determinano la struttura del formaggio, che è influenzata dalle quantità e soprattutto dalle dimensioni (volume) e dalle proprietà (composizione della membrana dei globuli di grasso, forma strutturale dei minerali ecc.) di ciascun componente, il tutto influenzato dalle procedure di produzione e dalle condizioni e ambiente di maturazione. La struttura dei formaggi ne determina le caratteristiche (per esempio la formazione di precipitati e granuli caratteristici dei formaggi grana come il Parmigiano Reggiano) ma anche i difetti (occhi, fessure o crepe, spaccature ecc.).
Se a livello microscopico, come si è detto, il formaggio risulta essere composto da una rete di caseina, globuli di grasso e goccioline d’acqua, a livello submicroscopico e a scala nano o molecolare, i componenti microstrutturali del formaggio sono formati da molecole e atomi. Tutte le strutture a livello macro, micro, nano e molecolare del formaggio hanno un ruolo importante nelle sue varie proprietà e ogni livello di struttura ha le tecniche adatte per essere studiato, come la microscopia, reologia, la risonanza magnetica e la diffusione dinamica della luce oggetto di studio da parte della fisica della materia soffice.
Fisica della materia soffice e prospettive casearie
Una migliore conoscenza delle relazioni struttura-funzione nel formaggio e di come la struttura del formaggio influenzi le sue caratteristiche e funzionalità è necessaria per progettare formaggi con proprietà fisico-chimiche migliorate e di qualità sensoriali e nutrizionali ottimali. Questo tipo di conoscenza è particolarmente importante per il miglioramento della qualità di formaggi con basso contenuto di grassi, perché la riduzione del grasso si associa spesso a indesiderati cambiamenti di consistenza, sapore e proprietà durante la cottura. In modo analogo, anche la riduzione del sodio è stata collegata a difetti dell’aroma dei formaggi.
Le strutture del formaggio svolgono un ruolo importante nella percezione della consistenza e nel rilascio di composti aromatici durante la maturazione e la stagionatura. Sono inoltre coinvolte nel rilascio controllato di nutrienti e di componenti bioattivi e probiotici, un’area di importanza fondamentale nello sviluppo di formaggi funzionali con proprietà extranutrizionali. Una conoscenza dettagliata delle interazioni molecolari e delle forze che agiscono tra i componenti del formaggio è fondamentale per comprendere le caratteristiche dei formaggi e le loro proprietà fisico-chimiche anche durante la cottura o nel rilascio di composti aromatici o nutrienti in bocca durante la masticazione o nell’intestino durante la digestione.
In una prospettiva futura, ma già iniziata, il miglioramento dei formaggi e delle attività casearie avverrà con lo sviluppo di metodi analitici per la determinazione delle forze molecolari o delle interazioni all’interno della matrice del formaggio, unitamente a tecniche avanzate d’analisi delle immagini, di modellazione matematica e di simulazioni al computer per arrivare a una maggiore conoscenza del legame tra struttura e funzionalità.
Giovanni Ballarini, dal 1953 al 2003 è stato professore dell’Università degli Studi di Parma, nella quale è Professore Emerito. Dottor Honoris Causa dell’Università d’Atene (1996), Medaglia d’oro ai Benemeriti della Scuola, della Cultura e dell’Arte del Ministero della Pubblica Istruzione della Repubblica Italiana, è stato insignito dell’Orde du Mérite Agricole della Repubblica Francese. Premio Scanno – Università di Teramo per l’Alimentazione nel 2005, Premio Giovanni Rebora 2014, Premio Baldassarre Molossi Bancarella della Cucina 2014, Grand Prix de la Culture Gastronomique 2016 dell’Académie Internationale de la Gastronomie.
Da solo e in collaborazione con numerosi allievi, diversi dei quali ricoprono cattedre universitarie, ha svolto un’intensa ricerca scientifica in numerosi campi, raggiungendo importanti e originali risultati, documentati da oltre novecento pubblicazioni e diversi libri.
Da trenta anni la sua ricerca è indirizzata alla storia, antropologia e in particolare all’antropologia alimentare e anche con lo pseudonimo di John B. Dancer, ha pubblicato oltre quattrocento articoli e cinquanta libri, svolgendo un’intensa attività di divulgazione, collaborando con riviste italiane, quotidiani nazionali e partecipando a trasmissioni televisive. Socio di numerose Accademie Scientifiche è Presidente Onorario dell’Accademia Italiana della Cucina e già Vicepresidente della Académie Internationale de la Gastronomie.
