Introduzione

Il mais, tra tutte le materie prime agricole, è quella che più d’ogni altra ha saputo adattarsi ai diversi ambienti agronomici rappresentando una fonte insostituibile per l’utilizzo diretto e per le trasformazioni industriali. 

Le mutate esigenze alimentari primarie, unitamente allo sviluppo di nuove conoscenze in ambito chimico e microbiologico, oltre all’acquisizione di tecnologie industriali sempre più sofisticate, hanno consentito, a partire dalla metà del milleottocento, di guardare al mais come alla materia privilegiata per l’impiego industriale. È così che, grazie alle sue proprietà chimico-fisiche e all’elevato potere calorico, intuito più di quattromila anni fa dai popoli del centro America, si sono sviluppate numerose attività industriali in grado di sfruttare, esaltandole, le proprietà di questa meravigliosa “miniera verde”. Tra queste le principali sono rappresentate dall’estrazione a umido dell’amido e dall’impiego nell’industria molitoria e nella chimica verde, che ricorre al mais per la produzione di energia rinnovabile e per la sostituzione di materiali plastici con prodotti biodegradabili.

Dal mais all’amido: storia dell’amideria dalle sue origini a oggi

La tecnica di estrazione dell’amido è nota fin dai tempi antichi quando era ottenuto da un impasto di farina di frumento e orzo. Il ritrovamento di fogli di papiro dell’antico Egitto fanno risalire l’impiego dell’amido a 3500-4000 anni prima della venuta di Cristo: in quell’epoca il riso e il frumento erano ampiamente coltivati e venivano utilizzati oltre che per l’alimentazione umana anche per usi tecnologici seguendo il cammino della civilizzazione. Nel primo secolo dopo Cristo, lo scienziato greco Dioscoride nel suo trattato sulle sostanze con effetti benefici sulla salute dell’uomo “Perí haplón pharmákon” (Trattato sulla pratica medica) parla per primo di una sostanza di origine vegetale utilizzata per la produzione di medicamenti e impieghi domestici, non esclusivamente alimentari. Si deve ai Romani inizialmente e successivamente ad altre popolazioni europee il merito di aver migliorato e diffuso la tecnica di estrazione dell’amido da cereali, che è rimasta pressoché invariata fino al tardo medioevo. La storia moderna dell’industria dell’amido, estratto per via umida, si sviluppa alle origini negli Stati Uniti di America dove, nei primi anni del XIX secolo, l’amido era ottenuto dal frumento e dalla patata. Il merito della nascita della prima amideria di mais è comunemente riconosciuto a Wm. Colgate & Company, che convertì a mais il preesistente impianto di Jersey City, N.J., dove precedentemente si lavorava frumento: era l’anno 1844. Da questo momento ha preso inizio la grande diffusione dell’amideria negli Stati Uniti e il mais è ben presto diventata la materia prima per eccellenza. L’impiego per la bozzima, quale coadiuvante nella filatura delle fibre vegetali e il confezionamento dei tessuti, in qualità di appretto ha rappresentato il primo rilevante sbocco commerciale per l’amido. Negli stessi anni in Europa muoveva i primi passi l’estrazione dell’amido dal frumento e dalla patata. La produzione nel 1866 del destrosio, zucchero semplice che rappresenta l’elemento di base della molecola complessa dell’amido, ha segnato un momento importante a partire dal quale ha mosso i suoi primi passi e poi si è sviluppata la chimica degli zuccheri: il destrosio è divenuto ben presto il supporto energetico privilegiato per l’industria delle fermentazioni. Negli anni che seguono si affina la tecnica di idrolisi dell’amido, che consente la produzione di miscele di zuccheri destinate ai più svariati impieghi, specialmente nel settore alimentare, svolgendo la funzione di edulcoranti in sostituzione dello zucchero di canna. Nel momento in cui l’attività d’estrazione dell’amido si realizza su scala industriale, gli amidieri incominciano a valorizzare tutti quei prodotti “fatali” che, essendo anch’essi al pari dell’amido costituenti della cariosside del mais, sono separati nel corso delle successive fasi di separazione dell’amido. È così che il pericarpo, sottile strato di rivestimento della cariosside ricco in fibra, il glutine che rappresenta la frazione proteica, il germe dal contenuto elevato in olio e l’acqua di macerazione ricca d’elementi solubili, trovano il loro sbocco naturale nel settore dell’alimentazione zootecnica e della fermentazione. Solo agli albori del 1900 si sviluppa la chimica dell’amido capace di sfruttare a pieno ed esaltare le sue principali caratteristiche reologiche quali la viscosità e la fluidità. Dopo aver messo a punto tecnologie capaci di elevare i livelli di purezza, prende inizio la produzione di amidi tostati, le destrine, gli amidi precotti solubili a freddo e quella di amidi modificati per via chimica. Negli anni venti del XX secolo la ricerca in campo microbiologico dà un grosso impulso al settore, introducendo l’impiego di enzimi in grado di agire in modo mirato e specifico sulla molecola dell’amido per la fabbricazione dei primi prodotti di idrolisi, del destrosio cristallizzato e quindi del destrosio anidro (disidratato) e delle maltodestrine. La possibilità di produrre destrosio purificato e cristallizzato, unitamente alla disponibilità di nuovi e più efficienti enzimi, ha consentito successivamente la fabbricazione di prodotti di isomerizzazione quali il fruttosio che miscelato con il destrosio da origine all’isoglucosio, succedaneo del saccarosio, zucchero di barbabietola e di canna. Gli sciroppi di mais grazie agli elevati standard di purezza hanno quindi concorso alla crescita esponenziale dell’industria della fermentazione per la fabbricazione di lieviti, enzimi, acidi organici, produzioni molto spesso integrate a valle dell’amideria. Parallelamente all’evoluzione della chimica degli zuccheri si è affinata, nel secondo novecento, la trasformazione dell’amido che ha consentito di differenziare l’offerta di prodotti modificati per via chimica ed enzimatica. Si sono spalancate quindi le porte per l’impiego degli amidi nel settore alimentare, farmaceutico, industriale (fonderie, filature, cementifici, colori), della carta e cartone e solo più recentemente è stato utilizzato per la produzione di materiali plastici biodegradabili. La ricerca dell’efficienza massima nella gestione degli impianti, legata a economie di scala sempre più elevate, ha visto lo svilupparsi negli Stati Uniti, nel secondo dopoguerra, accanto all’amideria, la produzione di etanolo fabbricato a partire direttamente dal mais o da suoi prodotti di idrolisi (zuccheri di mais). Solo recentemente in Europa si è cominciato a parlare della produzione d’etanolo da mais e frumento, decisione che, a causa degli elevati prezzi della materia prima, è oggi messa in discussione. Il mais continua invece a rappresentare la principale materia prima per l’amideria essendo gli amidi di mais e i suoi derivati destinati a essere impiegati in una miriade di impieghi nei campi più disparati.

Cariosside del mais

Prima di addentrarsi a esplorare le varie fasi di lavorazione che sono realizzate in una industria di estrazione del mais per via umida, comunemente detta “amideria” è opportuno mettere brevemente sotto la lente di ingrandimento la cariosside di mais evidenziando la sua conformazione, la composizione e le proprietà principali degli elementi che la compongono. La solubilità in acqua, il peso specifico, la densità e l’idrofobicità sono proprietà specifiche di ciascuno degli elementi presenti nella granella, caratteristiche fondamentali per la realizzazione dei processi di separazione e purificazione dei componenti estratti dalla granella.

Cos’è l’amido

L’amido costituisce il principale materiale energetico di deposito presente nel mondo vegetale. I cereali (mais,frumento, orzo, riso unitamente ai tuberi di patata e alla tapioca) rappresentano la fonte primaria di amido reperibile in natura e utilizzata per impieghi industriali. Visivamente le molecole di amido appaiono di varia forma in funzione della propria origine: osservandole al microscopio e utilizzando una soluzione di contrasto, si individuano strutture poliedriche tipiche del mais; forme tondeggianti di dimensione irregolare sono invece caratteristiche dell’amido di frumento. I granuli dall’aspetto lenticolare contraddistinguono l’amido di patata definito comunemente fecola. La molecola d’amido può esser paragonata per semplicità a un gomitolo in cui sono arrotolati filamenti costituiti da una sequenza lineare di molecole di destrosio detti amilosio, cui si contrappongono catene ramificate definite amilopectina. L’amilosio e l’amilopectina sono disposti radialmente nel granulo e sono quindi tenuti coesi dalla presenza di una fitta rete di legami di natura chimica. Comunemente l’amido contenuto nei cereali è formato per circa il 15- 25% da amilosio e il 75-85% da amilopectina. È interessante a questo punto ricordare che l’amido non è solubile in acqua a causa della particolare struttura dei suoi granuli nei quali si osserva la disposizione tangenziale dei terminali idrofobi che, non avendo alcuna affinità con l’acqua, lo rendono insolubile. Per solubilizzarlo è necessario disperderlo in acqua e quindi, a seguito del riscaldamento a una temperatura superiore ai 60/70°, si forma una sospensione densa in cui i filamenti che compongono il granulo d’amido si distanziano consentendo l’inserimento di molecole d’acqua: si forma quindi la così detta salda d’amido. La presenza dell’acqua all’interno del granulo è temporanea e poco stabile: a seguito del successivo raffreddamento che segue alla cottura e al relativo scoppio dell’amido, l’acqua viene espulsa dalla salda e si riformano dei legami chimici, specialmente tra i filamenti di amilosio. Questo fenomeno è noto con il termine di retrogradazione. Ogni tipo d’amido, in funzione della sua origine botanica, presenta una propria temperatura di cottura e una risposta specifica al ciclo di riscaldamento e successivo raffreddamento, che si esprime in ultima analisi nel differente livello di retrogradazione. L’amido di mais waxy, per esempio, grazie all’elevato contenuto di amilopectina (99,8%) è in grado di stabilizzare l’acqua assorbita nel corso del riscaldamento e presenta quindi un livello bassissimo di retrogradazione. Un’ulteriore caratteristica dell’amilopectina è rappresentata dalla capacità di complessare lo iodio: ne consegue che se si spruzza l’amido di mais waxy con una soluzione acquosa di ioduro di potassio, resta evidente la colorazione rossa del liquido di contrasto. Al contrario, nel caso dell’amido di mais comune, la presenza d’amilosio fa comparire una colorazione blu scura, quasi nera, la stessa che si osserva su tutti gli altri tipi di amido. Il test allo iodio è comunemente impiegato per verificare in modo semplice, ma certo, la purezza dell’amido waxy e della granella da cui esso è ottenuto. Il comportamento in fase di cottura e successivo raffreddamento è molto importante per caratterizzare la reologia degli amidi nativi, ottenuti dalle singole materie prime. Ricorrendo al metodo analitico Brabhender viene monitorata la variazione di viscosità della salda d’amido descrivendo un tracciato tipo per ogni tipo di amido. Come si può osservare nel grafico a lato, il Brabender registra le variazioni di viscosità nelle singole fasi del ciclo di cottura: parte con il riscaldamento iniziale (A), cui segue il rigonfiamento e lo scoppio dei granuli d’amido (B), per concludersi con la caduta di viscosità conseguente al raffreddamento della salda d’amido (C). Grazie a precisi trattamenti chimici è possibile modificare il comportamento dell’amido nelle diverse fasi della cottura, descrivendo quindi tracciati modificati rispetto a quelli propri degli amidi nativi. Restano in ogni modo fondamentali le caratteristiche iniziali tipiche delle singole materie su cui si lavora, esaltate grazie alle modifiche chimiche apportate. Oltre alla viscosità vi sono anche altre caratteristiche reologiche che caratterizzano le diverse materia prime, che vengono riportate nella tabella seguente.

Qualità del mais utilizzato dall’amideria

Il processo produttivo realizzato in amideria ben si adatta al mais che rappresenta, quindi, la parte più rilevante della materia prima utilizzata. Accanto al mais comune sono anche utilizzati i così detti mais speciali (waxy, amylo-mais), in misura ridotta rispetto al mais comune, ma molto interessanti in relazione alle rispettive caratteristiche reologiche del proprio amido. Accanto a questi, per alcune lavorazioni, viene impiegato il mais bianco, interessante per la sua caratteristica naturale legata al colore bianco della cariosside dovuta all’assenza di xantofilla (pigmento giallo), che consente la produzione di amido completamente non pigmentato definito extra-bianco. Tutti i tipi di mais speciali condividono la caratteristica che il gene determinante la singola specificità è recessivo: ne consegue che, nel caso in cui l’ovulo di uno di questi mais è fecondato da un granulo di polline proveniente da una pianta normale, perde la propria natura originaria, dando origine a una cariosside inquinata. Trattandosi di geni recessivi che si esprimono quantitativamente, la recessività si manifesta puntualmente su ogni cariosside, caratterizzando tutto l’amido che la stessa contiene. Ne consegue che è possibile trovare sulla stessa spiga tutte le cariossidi pure o, in caso di contaminazione con polline estraneo, possono coesistere quelle pure al 100%, accanto ad altre il cui amido è completamente contaminato. Il numero delle cariossidi contaminate rapportate al numero totale presenti sulla spiga indica il livello di inquinamento del mais. Per convenzione commerciale i mais speciali sono ritenuti puri quando l’inquinamento non supera il 2% per il mais bianco e il 5% per il waxy e l’amylo-mais. L’esistenza di questi geni in natura è nota da secoli, ma solo a seguito dello sviluppo dell’amideria e in accordo all’esigenza di individuare nuovi tipi di amidi da destinare a impieghi tecnologici, i ricercatori hanno sviluppato progetti di miglioramento genetico mendeliano specifici per consentirne la produzione su scala industriale. Passando all’aspetto legato all’utilizzo industriale è fondamentale che i mais speciali siano puri, cioè esenti da contaminazione dovuta a polline estraneo. La produzione deve avvenire nel rispetto scrupoloso di alcune precauzioni: – impiegare solo sementi pure; – utilizzare macchinari per la semina, la raccolta, l’essiccazione, lo stoccaggio e il trasporto perfettamente puliti da altri mais, evitando le cause di ogni occasionale contaminazione; – seminare solo appezzamenti “isolati”, distanti cioè da campi coltivati a mais di altro tipo in modo da scongiurare la contaminazione da polline estraneo. Bisogna adottare, cioè, le stesse regole per la produzione delle sementi ibride. La trasformazione in amideria rappresenta, per il mais waxy e l’amylo-mais, il solo impiego che ne giustifica la produzione, fornendo uno sbocco di mercato certo per i produttori. Questi mais speciali, unitamente al mais a cariosside bianca, sono coltivati sulla base di un contratto di filiera stipulato prima delle semine con l’industria trasformatrice. A fronte del rispetto scrupoloso di capitolati specifici, finalizzati alla produzione in isolamento e in purezza, viene riconosciuto un differenziale di prezzo, purché le partite rispondano agli standard qualitativi richiesti. Fatta eccezione per la purezza dei mais speciali, la trasformazione in amideria non richiede caratteristiche supplementari del mais: la qualità commerciale intesa come “merce sana, leale e mercantile” nel rispetto delle normative vigenti in materia sanitaria, risponde a pieno alle esigenze dell’industria dell’amido. La qualità della granella è controllata puntualmente all’entrata negli stabilimenti al fine di verificare la conformità ai parametri commerciali. L’obbligo al rispetto della normativa nazionale e Comunitaria in materia di sanità e salubrità degli alimenti impone, inoltre, che il mais lavorato sia esente da contaminazioni d’origine fungina (aflatossine e più in generale micotossine), chimica (prodotti fitosanitari) e radioattiva. Dal punto di vista sanitario la qualità del mais è correlata strettamente alle corrette pratiche agronomiche, a partire dalla scelta degli ibridi adeguati all’ambiente in cui devono essere coltivati in assenza di stress e mantenuti esenti da attacchi parassitari, e dall’espletamento in modo corretto e tempestivo delle successive operazioni di raccolta, essiccazione e stoccaggio. Oltre ai tradizionali criteri contrattuali di controllo della materia prima, le amiderie dispongono di un metodo interno di controllo, il promatest, utilizzato per verificare la qualità del mais da utilizzare. Si tratta di un metodo analitico che, quantificando la denaturazione delle proteine causata da una non buona pratica di essiccazione, consente di prevedere, analizzando un campione rappresentativo, la qualità del mais che sarà lavorato in stabilimento. Tenuto conto della capacità di una amideria, che in Europa può variare dalle 1000 alle 2000 t di mais lavorato al giorno, il promatest ha un significato nel momento in cui viene effettuato su campioni rappresentativi di grosse partite omogenee di mais, come avviene per esempio in Francia, dove buona parte della produzione è concentrata in grossi centri di raccolta. Risulta essere invece di scarso interesse pratico, perché non rappresenativo, nel caso in cui l’offerta di mais sia frammentata, come accade in Italia. Al fine di rispondere adeguatamente alle esigenze espresse dal settore alimentare in merito alla “non derivanza” degli amidi e loro derivati da mais modificato geneticamente, le amiderie Europee e Italiane in particolare hanno implementato procedure certificate per la tracciabilità e la rintracciabilità degli amidi e derivati ottenuti esclusivamente da mais convenzionale.

Lavorazioni in amideria umida

La trasformazione del mais in amideria rappresenta il tipico processo industriale a cascata, nel quale il risultato di una singola tappa di lavorazione può essere al tempo stesso un prodotto finito destinato alla vendita o materia prima per le successive fasi industriali. In ogni modo, alla fine del processo produttivo, gli amidi e i derivati ottenuti costituiscono la materia prima per l’impiego in vari settori industriali e solo in limitatissimi casi (come per i coprodotti per uso zootecnico) sono essi stessi prodotti finiti. Un aspetto importante risiede nel fatto che nulla viene perduto dei componenti della cariosside di mais: tutti i suoi costituenti sono estratti, isolati e trovano un impiego utile. La maggior parte delle lavorazioni è effettuata in ambiente acquoso e a condizioni di temperatura elevata, grazie all’impiego di vapore: ne consegue che l’amideria oltre a utilizzare ingenti quantitativi di materia prima agricola richiede anche l’impiego di elevati volumi d’acqua e un consumo molto rilevante di energia, oltre che per il funzionamento dei macchinari, anche per la produzione di vapore, per l’evaporazione dell’acqua, fino all’essicazione dei prodotti finiti. Per dare un’idea del fabbisogno energetico, basti pensare che la domanda di energia elettrica di uno stabilimento medio che lavora 1500 t di mais al giorno è comparabile a quella consumata da una cittadina di 20.000 abitanti. Entrando nel dettaglio del processo produttivo, si procede in primo luogo alla vagliatura e pulitura accurata della granella, allo scopo di eliminare tutte le impurità e i piccoli frammenti: solo le cariossidi pressoché integre sono destinate alla lavorazione. La prima vera tappa del processo avviene in amideria umida dove il mais è messo a macerare in acqua per più di trenta ore a una temperatura costante superiore a 50° C. Scopo della macerazione è di ammorbidire la granella per rendere possibile la sua successiva separazione, recuperando nel contempo tutti gli elementi solubili. La separazione è agevolata anche dall’impiego di ridotti quantitativi di bisolfito di sodio: uno scambio osmotico consente la diffusione dei materiali solubili dalla cariosside all’acqua di macerazione arricchendola di sali minerali, aminoacidi, proteine e acido lattico,(formatosi naturalmente grazie all’instaurarsi di una fermentazione lattica degli zuccheri liberi presenti nella granella), portando nel complesso alla formazione del così detto corn steep liquor. A conclusione della macerazione si separa quindi il corn steep liquor che, dopo esser stato concentrato e talora atomizzato, è pronto per la commercializzazione. Una parte non trascurabile è inoltre addizionata alla semola di mais, per elevarne il tenore proteico, formando la farina glutinata di mais o corn gluten feed. La granella, dopo essere stata separata dall’acqua di macerazione, è avviata a grossi macinatori a piastre che, in modo energico ma delicato, spappolano il mais preservando l’integrità dei germi e trasformando il tutto in una poltiglia densa. Prende quindi inizio la fase di separazione meccanica del mais, nel corso della quale si opera sfruttando le differenti caratteristiche di densità e di peso specifico dei costituenti della cariosside.I germi sono molto leggeri in considerazione dell’elevato contenuto in olio. Quindi, grazie all’impiego di grossi idrocicloni, sono separati per primi dato che si trovano a “galleggiare” sulla sospensione costituita da latte d’amido, glutine e crusca. Iniettando nella parte apicale degli idrocicloni tale sospensione e grazie alla forza centrifuga si genera un vortice in cui le parti più leggere, cioè i germi, sono spinti verso l’alto per essere estratti. Il germe è quindi lavato ripetutamente e l’acqua in eccesso è eliminata, prima di procedere alla essiccazione. Il germe così condizionato è pronto per essere spremuto o, in via alternativa, trattato con solventi per estrarne l’olio, ottenendo come coprodotti rispettivamente il panello di germe o la farina di estrazione di germe di mais, impiegati nell’alimentazione animale. La tappa successiva di lavorazione riguarda la separazione della crusca (il pericarpo, ossia la parte esterna della cariosside) dal latte d’amido e glutine, effettuando successivi passaggi su setacci, intervallati a ripetuti lavaggi. Si effettua quindi una leggera pressatura del germe per eliminare l’acqua in eccesso e consentire l’aggiunta del corn steep liquor concentrato che era stato separato in precedenza. Dopo l’essiccazione la semola è macinata e condizionata per essere anch’essa impiegata nel settore zootecnico. Da ultimo si procede alla separazione delle proteine dall’amido attraverso l’impiego di centrifughe a piatti. Le proteine, che hanno una densità inferiore e che galleggiano sul latte d’amido più denso, sono raffinate per affioramento (overflow) attraverso passaggi successivi su casse di flottazione. L’acqua in eccesso è quindi allontanata ricorrendo all’impiego di filtri a tamburo che operano in depressione. L’essiccazione e il condizionamento concludono la lavorazione delle proteine che sono quindi destinate all’alimentazione degli animali. A questo punto, dopo aver isolato l’acqua di macerazione e recuperato il germe, setacciata la semola ed estratto il glutine, non resta che occuparsi del latte d’amido. Bisogna anzitutto ripetere più volte il lavaggio del latte d’amido attraverso un processo a stadi in controcorrente con acqua potabilizzata, al fine di abbattere il tenore proteico dall’originale 2-4% allo 0,3-0,4% finale. La ricerca della purezza del latte d’amido è fondamentale, dato che da essa dipende l’esito delle successive applicazioni tecnologiche cui sono destinati gli amidi e i suoi derivati, con particolare attenzione agli sciroppi e agli zuccheri di mais: si vuole cioè scongiurare la presenza residua di proteine che possono causare l’imbrunimento degli sciroppi, degradandone la qualità, quando questi sono riscaldati per l’instaurarsi della nota reazione di Maillard. È bene ricordare che vi è una correlazione diretta tra la separazione dell’amido dalle proteine: se l’essiccazione del mais avviene in condizioni non ottimali, si causa l’incollamento della frazione proteica a quella amilacea. La centrifugazione in filtri a tela di una parte del latte d’amido puro consente di procedere quindi all’essicazione in corrente d’aria calda e alla macinazione dell’amido, preludio al condizionamento finale per la vendita, come amido nativo. La parte più rilevante del latte d’amido rappresenta la materia prima per ulteriori trasformazioni, realizzate nei reparti a valle dell’amideria umida per la produzione di amidi modificati, sciroppi e zuccheri di mais, prodotti idrogenati, acidi organici ecc.

Amidi ottenuti dal mais

Il latte d’amido concentrato e purificato è la materia prima per la produzione di vari tipi di amidi.

Amido nativo. Si tratta dell’amido nello stato naturale, così come è stato estratto dal mais senza subire alcun trattamento :è ottenuto direttamente dalla centrifugazione del latte d’amido ed essiccato in corrente d’aria calda. L’amido nativo trova impiego come ingrediente per confezionare dolci, come addensante nell’industria alimentare (budini, creme e dessert) o come base per le colle nel settore cartotecnico.

Amidi precotti. L’amido per sua natura è insolubile in acqua fredda: per renderlo solubile è necessario che venga cotto prima di essere essiccato. Si procede quindi al trattamento termico del latte d’amido a una temperatura superiore a 120 °C, generata da vapore sotto pressione. La sospensione di latte d’amido ad alti livelli di concentrazione è fatta poi colare su di un tamburo che, grazie a rulli controrotanti, crea un impasto contemporaneamente cotto ed essiccato. La sfoglia che ne risulta è quindi macinata finemente prima di essere condizionata. Il prodotto che si ottiene è una polvere solubile in acqua a freddo. Con un trattamento termico dell’amido, un tenore d’acqua ridotto e in ambiente leggermente acido è possibile tostare l’amido ottenendo le destrine che trovano naturale impiego come elemento di base per la produzione di colle e appretti. Queste destrine, normalmente chiamate “destrine gialle” a causa del caratteristico colore paglierino, non devono essere confuse con le maltodestrine, impiegate per uso alimentare.

Amidi modificati. A partire dall’amido nativo può prendere avvio una serie di trasformazioni di natura esclusivamente chimica finalizzata alla produzione di amidi modificati. A questa categoria appartengono: – gli amidi fluidificati. Il trattamento di fluidificazione, che avviene in ambiente acido a una temperatura superiore ai 40°C, ha lo scopo di ridurre la viscosità dell’amido e di elevarne la fluidità, rendendolo più facilmente utilizzabile a concentrazione di sostanza secca elevata, come richiesto nella formulazione di colle per la preparazione di cartone ondulato o per la formazione del cartongesso. – gli amidi eterificati ed esterificati. Sono ottenuti inserendo gruppi dinatura chimica sulla catena dell’amido. Nel caso degli amidi eterificati, apportando cariche positive, si formano i così detti amidi cationici che, interagendo con l’anionicità (cariche negative) delle fibre di cellulosa, migliorano la resistenza e le caratteristiche generali della carta. In considerazione dei diversi reagenti chimici utilizzati, la reazione di esterificazione consente la fabbricazione degli amidi acetilati e reticolati. La reologia modificata di questi amidi è in grado di esprimere una elevata resistenza agli attacchi di natura chimica e alle sollecitazioni meccaniche, stabilizzando quindi la salda d’amido nel corso delle relative applicazioni prevalentemente nel settore alimentare, ad esempio per la produzione di cibi precotti. È inoltre possibile produrre amidi in grado di combinare due e più delle citate modifiche chimiche consentendo l’attribuzione all’amido di proprietà emulsionanti. – le fibre alimentari. Sottoponendo l’amido nativo a un trattamento di destrinizzazione in condizioni strettamente controllate, si realizza un processo di ripolimerazione che porta alla formazione di nuove strutture che risultano resistenti agli enzimi del tratto dell’intestino medio dell’uomo ma che sono in grado di fermentare nel successivo tratto del colon. Le fibre alimentari solubili sono impiegate praticamente in tutti quei prodotti alimentari in cui si intende accrescere il tenore in fibre allo scopo di migliorare la funzione digestiva, entrando talora nella formulazione di alimenti particolari.

Sciroppi e zuccheri di mais

Il latte d’amido sotto l’azione di acidi e/o enzimi è liquefatto, ossia la sua catena è tagliata in spezzoni di varia composizione, dando origine a miscele di zuccheri. Questo tipo di intervento è esattamente il contrario di quanto fatto dalla natura. Infatti, la pianta polimerizza gli zuccheri semplici ottenuti a conclusione del processo fotosinteteico, portando alla formazione dell’amido. Due sono gli enzimi impiegati per l’idrolisi dell’amido:l’α-amilasi, che spezza grossolanamente la catena glucosidica rendendo solubile l’amido, cui segue l’azione dell’ amiloglucosidasi, che spinge la separazione fino al singolo monomero, cioè il glucosio. A conclusione dei vari processi di idrolisi si procede a disattivare per via termica gli enzimi. I sughi ottenuti sono filtrati e purificati facendoli passare attraverso filtri di farine fossili, resine a scambio ionico e carboni attivi, allo scopo di eliminare ogni impurezza residua e rendere perfettamente trasparente e inodore la soluzione ottenuta. Dopo essere stati concentrati, gli zuccheri di mais possono quindi essere commercializzati. Le proprietà edulcoranti e organolettiche sono funzione diretta del grado di idrolisi e del relativo livello di destrosio equivalente. Ne consegue che, a parità di materia secca e a bassi livelli di idrolisi, gli sciroppi sono viscosi e poco dolci. Spingendo l’idrolisi fino alla produzione di destrosio si eleva progressivamente la viscosità e con essa aumenta la dolcezza. Tutti gli zuccheri sono contraddistinti da un numero proprio di destrosio equivalente (DE), che individua il grado di idrolisi raggiunto rispetto a quello del destrosio che, per convenzione, è assunto pari a cento, essendo il monomero frutto dell’idrolisi totale dell’amido. Attraverso la procedura sopra descritta vengono prodotte miscele con diversi livelli di idrolisi e quindi di viscosità e di dolcezza, in funzione del tipo di utilizzazione finale. Per la canditura della frutta, per esempio, si richiede un prodotto viscoso e non troppo dolce; al contrario nel confezionamento della frutta sciroppata o dei gelati o delle bibite si privilegia il grado di dolcezza. Agli sciroppi di mais appartengono anche gli idroli, sciroppi d’amido che non presentano livelli elevatissimi di purificazione. Questi sono destinati all’impiego nell’industria della fermentazione, trovandosi a competere direttamente con i melassi di barbabietola e di canna da zucchero. Non tutti gli sciroppi sono commercializzati e una parte non trascurabile è talora impiegata come materia prima per successive trasformazioni, nell’ambito della stessa amideria, per la produzione di acidi organici,di lieviti o anche di etanolo, come avviene spesso negli Stati Uniti.

Maltodestrine. Operando solo un leggero attacco con acidi inorganici si producono le maltodestrine, caratterizzate dalla presenza di maltosio (dimero costituito da due molecole di destrosio) e da un basso livello di DE, inferiore a 20; inoltre non cristallizzano facilmente e sono fermentescibili. Queste caratteristiche chimico-fisiche ne determinano l’impiego diffuso nei prodotti per l’infanzia, nelle bevande e negli alimenti per sportivi, negli insaccati, nelle salse e nelle zuppe alimentari.

Destrosio. Spingendo al massimo il processo enzimatico con amiloglucosidasi si arriva alla idrolisi totale dell’amido, ottenendo in tal modo il destrosio, costituente base dell’amido. Attraverso il successivo processo di purificazione e cristallizzazione si ottiene il destrosio in polvere e riducendo il contenuto d’acqua alla sola quota di cristallizzazione si ottiene il destrosio anidro. Questo trova grande impiego nell’industria alimentare dove, oltre che per il valore dolcificante viene impiegato come umettante, per favorire la maturazione e la conservazione delle carni. In condizioni di produzione rigorosamente controllate si producono anche le soluzioni di destrosio apirogeno, utilizzato come eccipiente ed energetico nelle soluzioni fisiologiche iniettabili in vena.

Isoglucosio. Facendo agire enzimi isomerizzanti sul destrosio è possibile ottenere fruttosio che, in miscela al 42% con il destrosio, costituisce l’isoglucosio, zucchero liquido edulcorante succedaneo del saccarosio (zucchero di barbabietola o di canna). Il tenore di fruttosio può essere elevato fino al 55% arricchendo l’isoglucosio per via cromatografia, procedimento molto dispendioso sul piano energetico. Questa pratica è molto diffusa negli Stati Uniti dove l’isoglucosio “55” rappresenta il dolcificante preferito per la fabbricazione di bevande carbonate, tipo cola. L’impiego principale dell’isoglucosio è rappresentato dall’incorporazione in bibite e nettari di frutta. Il suo impiego resta limitato in Europa a causa di una normativa Comunitaria che ne contingenta la produzione legandola a quote di produzione. Al contrario negli Stati Uniti l’isoglucosio (HFCS-High Fructose Corn Scyrup) rappresenta di gran lunga il dolcificante più utilizzato.

Polioli. Il processo produttivo prevede l’idrogenazione di zuccheri semplici (destrosio, fruttosio) o dimeri (maltosio), reazione che avviene in ambiente catalizzato e sotto rigoroso controllo. I prodotti che si ottengono, detti polioli (sorbitolo, mannitolo, xilitolo ecc.), costituiscono la categoria degli edulcoranti (dolcificanti) naturali e sono caratterizzati da un potere calorico ridotto (2 Kcal/g) rispetto a quello del saccarosio (4,1 Kcal/g). Sono inoltre acariogeni, dato che non sono fermentati dai batteri presenti naturalmente nella bocca. Ne consegue che i polioli trovano largo impiego come dolcificanti o semplicemente per la confettatura senza zucchero nella produzione di caramelle e nelle gomme da masticare. La particolare reologia nei confronti dell’acqua ne consente inoltre l’impiego come umettanti e stabilizzanti nell’industria cosmetica, che incorpora grandissimi volumi di sorbitolo nel dentifricio. Lo stesso sorbitolo è in grado di stabilizzare l’umidità del tabacco delle sigarette.

Ciclodestrine. Le ciclodestrine sono fabbricate a conclusione di un procedimento altamente tecnologico grazie all’azione di enzimi ciclizzanti agenti sulle maltodestrine che hanno subito preventivamente un processo di liquefazione. Gli enzimi sono in grado di organizzare in forma ciclica le molecole di maltodestrine, formando un anello capace di includere meccanicamente molecole le cui dimensioni sono compatibili con lo spazio vuoto interno alla ciclodestrina stessa. In funzione del numero di molecole che compongono l’anello si hanno le α-ciclodestrine con sei unità glicopiranosiche, le β-ciclodestrine con sette unità e le γ-ciclodestrine con otto unità glicopiranosiche. Essendo insolubili in acqua, le ciclodestrine sono in grado di esercitare una funzione by-pass di principi medicamentosi attraverso il primo tratto dell’apparato digerente umano, mentre sono fermentate dalla flora batterica del colon. Possono inoltre esercitare un’azione ritardante nel rilascio di aromi nelle gomme da masticare o rallentare l’ossidazione o semplicemente camuffare l’aroma sgradevole dell’olio di fegato di merluzzo, destinato ad assunzione orale, e da ultimo come cattura odori per ambienti domestici.

Caramello colorante. Il trattamento a temperature elevate oltre i 160-170°C di sciroppo dello glucosio concentrato induce l’imbrunimento della soluzione con conseguente produzione del caramello. In funzione delle condizioni di trattamento (temperatura e carica salina) è possibile modificare l’intensità del colore del prodotto finito. Il caramello, colorante naturale, trova largo impiego nell’industria dolciaria, nelle bibite, nelle bevande spiritose, nelle birre e nell’aceto.

Mais nell’industria molitoria

La macinatura per la produzione di farine alimentari ha rappresentato in assoluto la prima lavorazione del mais. La tecnica di molitura si è evoluta moltissimo nei secoli: si è passati dalla macinatura in mulini azionati dall’energia di animali da tiro per poi sfruttare successivamente la forza dell’acqua e del vento catturata dai mulini stessi. Le lavorazioni che si effettuano nei moderni impianti consentono di sfruttare al meglio le caratteristiche fisiche della granella, ottenendo, con precisione voluta, un’ampia serie di prodotti destinati all’alimentazione umana, alla fermentazione e alla nutrizione degli animali. L’obiettivo della lavorazione nei mulini è di frantumare meccanicamente la cariosside, al fine di separare selettivamente il germe e la crusca dalle fratture di diverso calibro, limitando nel contempo la formazione di sfarinati. Tutti i tipi di mais possono essere utilizzati nei mulini; tuttavia è preferibile impiegare varietà con la frattura tendenzialmente vitrea, che meglio rispondono alle sollecitazioni meccaniche consentendo una migliore resa di fabbricazione e garantendo l’ottenimento di prodotti finiti idonei alle successive applicazioni industriali. Varie sono le tecniche utilizzabili per la molitura del mais, ma possono essere tutte ricondotte a due principi generali: la lavorazione a secco e quella con preventiva idratazione della granella. Innanzitutto è necessario procedere all’accurata vagliatura e pulitura del mais per eliminare tutte le impurità ed eventuali corpuscoli estranei. Il mais, pulito, viene quindi avviato ai degerminatori che per via meccanica determinano il distacco netto del germe, grazie alla elasticità di quest’ultimo che si contrappone alla compattezza della parte vitrea, e alla friabilità della parte farinosa della cariosside. Dopo una prima selezione delle fratture ottenute in funzione della granulometria, quelle più grosse sono riavviate ai laminatoi per essere nuovamente trattate. Il passaggio su tarare e su tavole densimetriche consente di isolare il germe e le fratture vitree dalla parte farinosa e dalla crusca. Le fratture vitree sono quindi macinate da molini a rulli (laminatoi) fino a raggiungere la granulometria desiderata consentendo la produzione di spezzati grossi-medi-fini, gritz da birra, semolina per polenta e farinetta zootecnica. La separazione del germe, abbinata alla calibratura degli spezzati vitrei, avviene grazie al suo diverso peso specifico. Il germe è quindi oggetto di un’ulteriore purificazione meccanica al fine di separare le ultime impurità residue ed essere avviato all’estrazione dell’olio. Oltre allo schema di lavorazione in mulino a secco, sono adottate tecniche più sofisticate che prevedono di ricorrere a diversi livelli di idratazione preventiva della granella per consentire la fabbricazione di tipologie differenti di prodotti finiti, processo che nulla ha a che vedere con la lavorazione in amideria dove la separazione del mais prevede una macerazione prolungata. L’aggiunta dell’acqua è finalizzata all’ammorbidimento della granella che avviene nell’arco di 8-10 ore e che conferisce maggiore elasticità al germe facilitando il distacco del pericarpo. Il passaggio finale nel canale del plansicher (macchina atta a separare i prodotti macinati dai laminatoi, dividendo la farina dalla crusca) cosente di classificare i seguenti prodotti: – hominy gritz: spezzati del calibro compreso tra 5700 e 4000 micron; – corn-rice: spezzati succedanei del riso (3160-1000 micron), sono impiegati per l’alimentazione umana nel sud-est asiatico; – spezzati di varia granulometria. In funzione delle diverse tecniche di lavorazione siano esse a secco, umido o semi-umido si possono stilare diversi bilanci produttivi, oltre all’ottenimento di prodotti finiti dalle caratteristiche diverse, le quali ne determinano l’impiego nei vari settori. La produzione della farina di mais, sia essa bramata o fioretto, è destinata alla preparazione della polenta o per cucinare dolci. Questo resta l’impiego più comune. L’evoluzione dei gusti e dei consumi legati alle proprietà intrinseche del mais, che rappresenta una importante fonte di carboidrati fermentescibili, ha indotto l’industria molitoria a modificare la natura dei suoi prodotti finiti in funzione delle nuove esigenze applicative. Alla tradizionale bramata si sono così affiancate le farine precotte, che si possono cuocere in pochi minuti e che rispondono efficacemente ai ritmi accelerati dei tempi moderni. Le stesse farine precotte, altamente digeribili, sono utilizzate nei baby-food e negli alimenti per lo svezzamento dei bambini. Negli ultimi anni si è sviluppato il mercato del corn-flakes, prodotti ricchi di fibra, consumati prevalentemente per la prima colazione. Gli spezzati grossi di mais decorticato sono preventivamente impastati con acqua, aromi, malto, additivi vari prima di essere cotti in autoclave. Dopo una fase di riposo, che può prolungarsi fino a 24 ore, sono laminati, essiccati e quindi confezionati. L’elevato contenuto d’amido totale, 70% circa, fa del mais il cereale privilegiato come materia prima per le fermentazioni e, in particolare, per la produzione di bevande alcoliche quali il whisky, il gin, il rhum, la vodka ecc. L’utilizzo di spezzati di mais degerminato, in questo campo di applicazione, consente di raggiungere rendimenti elevati, fino all’82-83%. La miscele di gritz di mais semolato (del calibro di 250-1250 micron), con il 35-40% circa di malto, costituisce la ricetta base per la produzione della birra.

Amido e chimica verde

L’amido recita un ruolo importante nel settore della “chimica verde”, che identifica quell’insieme di attività che trasformano materie prime agricole con l’obiettivo di sostituire progressivamente sostanze pericolose, tossiche e inquinanti, in accordo con la strategia europea di sviluppare attività industriali ecosostenibili. L’amideria può quindi essere definita a pieno titolo come una bioraffineria che, per produrre l’amido, utilizza esclusivamente materie prime rinnovabili quali il mais. L’amido, come si è visto, è un polimero perfettamente biodegradabile che si pone come valida alternativa all’impiego di prodotti che in larga misura sono abitualmente ottenuti a partire da materie prime di origine fossile. Attraverso processi fermentativi si produce acido citrico, acido lattico, acidi organici, enzimi, lieviti ed etanolo. Mediante processi chimici si producono resine, plastiche biodegradabili (polilattati), fibre tessili alternative ai poliesteri, solventi biodegradabili, lubrificanti, solventi, agrofarmaci, pneumatici d’auto, bande adesive, colle, nonché farmaci, film pacciamanti ecc.

La plastica biodegradabile

La plastica biodegradabile rappresenta un esempio evidente di come il mais, attraverso l’impiego dei propri derivati ottenuti in amideria, reciti un ruolo fondamentale nella diffusione dell’impiego di prodotti ecocompatibili, facilmente compostabili e completamente riciclabili. Il destrosio, zucchero semplice ottenuto dall’idrolisi dell’amido, rappresenta la materia prima per la realizzazione di un processo fermentativo naturale che conduce alla produzione di acido lattico, un acido organico che si ritrova in natura a conclusione di numerosi processi biologici. Grazie a un successivo processo di cristallizzazione è possibile eliminare l’acqua, tappa preliminare per un successivo processo di polimerazione, che conduce alla formazione di polilatti (PLA e PHA). Tali prodotti, dopo altri processi industriali, possono dare origine a resine o a fibre di vario aspetto, flessibilità, plasticità e resistenza. La plastica biodegradabile trova largo impiego nella produzione di contenitori per rifiuti organici, borse della spesa in sostituzione della carta da cellulosa, pellicole e imballaggi per alimenti, utensili vari. Ulteriori e sempre più sofisticate trasformazioni consentono di produrre fibre tessili assimilabili al poliestere o essere utilizzate nella fabbricazione dei pneumatici in sostituzione del nero fumo.