Appunti chimica bromatologica

Chimica bromatologica

Qualità degli alimenti

La qualità di un alimento dipende da vari fattori quali:

• Qualità nutrizionale: un alimento è di qualità quando contiene nutrienti essenziali (che il nostro organismo non è in grado di sintetizzare) come per esempio i nove amminoacidi essenziali: fenilalanina, isoleucina, istidina, leucina, lisina, metionina, treonina, triptofano, valina; gli acidi grassi essenziali: l’acido α linoleico appartenente alla serie degli omega 3 (a partire dal quale il nostro organismo sintetizza gli acidi grassi polinsaturi a lunga catena) e l’acido linoleico appartenente alla serie degli omega 6; i minerali e le vitamine. La qualità nutrizionale è inoltre determinata dalla presenza di componenti funzionali ovvero bioattivi quali gli antiossidanti, gli acidi grassi a lunga catena, le fibre, i prebiotici e i probiotici.
• Qualità igienica: gli alimenti non devono essere veicolo di microorganismi patogeni o sostanze tossiche.
• Qualità merceologica: si riferisce invece all'origine del prodotto e alla sua autenticità o genuinità. Un alimento è autentico quando non subisce processi di adulterazione ossia modifiche che lo rendano differente da quanto dichiarato in etichetta. Uno degli alimenti che più spesso subisce un processo di adulterazione è l’olio extravergine di oliva.
• Qualità organolettica: è data dalle caratteristiche percepite dal consumatore.
• Qualità ambientale ed etica: la produzione alimentare deve avvenire nel pieno rispetto dell’ambiente e dei lavoratori.

Nel 1996 la FAO diede una definizione di sicurezza alimentare: la sicurezza alimentare esiste quando ciascun individuo, in ogni momento, ha accesso a una quantità di cibo sufficiente, sicuro e nutriente in modo da soddisfare i bisogni dietetici e le preferenze alimentari per garantire una vita sana e attiva.

Food security e food safety

La traduzione inglese di sicurezza alimentare assume un duplice significato: la food security consente un accesso fisico, economico e sociale a un’alimentazione sufficiente, sicura e nutritiva, adeguata a tutti. Dall’altro lato, la qualità del cibo deve essere garantita dalla food safety, con cui la sicurezza è intesa soprattutto come assenza di tossicità e prende in esame un insieme di aspetti che riguardano la produzione, manipolazione, preparazione e conservazione degli alimenti in grado di assicurare la salubrità dei prodotti ed evitare l’insorgenza di malattie nell’uomo.

Alimentazione e salute

L’alimentazione è strettamente correlata alla salute. Già Ippocrate nel 400 a.C aveva capito l’importanza di una corretta nutrizione ed affermava che: “Se fossimo in grado di fornire a ciascuno la giusta dose di nutrimento ed esercizio fisico, né in eccesso né in difetto, avremmo trovato la strada per la salute.”

Esistono infatti varie malattie causate dall’alimentazione; queste si dividono in malattie trasmissibili causate da virus, batteri, prioni e malattie non trasmissibili come ad esempio intossicazioni alimentari, malattie da carenza nutrizionale che non sono propriamente solo dei paesi sottosviluppati, malattie da eccessi alimentari, allergie.

Dal punto di vista regolamentare la SINU (Società Italiana di Nutrizione Umana) pubblica delle tabelle contenenti i LARN (livelli di assunzione giornaliera raccomandata dei nutrienti) che variano in base al sesso e all’età. Nelle tabelle è anche presente il massimo livello giornaliero per ciascuna sostanza che non causa effetti avversi. Per alcuni alimenti il livello raccomandato e quello massimo tollerato sono molto vicini tra loro.

Organizzazioni internazionali

La sicurezza alimentare è garantita a livello mondiale dalle organizzazioni FAO e OMS. In Europa l’EFSA assiste le decisioni dell’UE in materia di salute e sicurezza degli alimenti. A questa commissione scientifica vengono sottoposti degli health claims ovvero un messaggio che promuove un effetto positivo sulla salute di un alimento; in seguito ad analisi della letteratura scientifica esistente da parte dell’EFSA il claim può essere accettato o rifiutato.

Nutrigenetica e nutrigenomica

Vi sono alcune scienze che si occupano dello studio dell’interazione tra nutrizione e genetica; queste scienze sono la nutrigenetica e la nutrigenomica. La nutrigenetica spiega come il corredo genetico, genotipo e fenotipo, può influenzare la risposta ai componenti presenti negli alimenti. La nutrigenomica studia gli effetti dei costituenti degli alimenti sull’espressione genica degli individui.

Analisi chimica degli alimenti

L’analisi chimica degli alimenti è importante per conoscere la composizione qualitativa e quantitativa degli alimenti utile alla valutazione nutrizionale e salutistica.

La composizione degli alimenti viene riportata indicando la percentuale dei principali nutrienti espressa come grammi su 100 grammi di prodotto; è essenziale valutare il contenuto di acqua, proteine, lipidi, carboidrati e ceneri che costituisce la componente inorganica degli alimenti.

Questa descritta è una valutazione sommaria; per avere informazioni più dettagliate è necessario conoscere la concentrazione dei singoli elementi inorganici e organici: per esempio è indispensabile avere il profilo amminoacidico delle proteine ottenibile con le tecniche cromatografiche; con la cromatografia chirale è anche possibile separare le forme enantiomeriche degli amminoacidi.

Componenti lipidici

È importante valutare nel dettaglio anche la componente lipidica determinando la percentuale di acidi grassi saturi (a corta, media e lunga catena), monoinsaturi (acido oleico) e polinsaturi (omega 3 e omega 6). La composizione percentuale della componente degli acidi grassi influenza infatti la salubrità degli alimenti. Andrebbero evitati gli acidi grassi saturi che tuttavia vengono talvolta utilizzati in quanto conferiscono alcune proprietà organolettiche come per esempio la friabilità ai prodotti da forno.

Individuazione dei contaminanti

Con le tecniche analitiche è inoltre possibile l’individuazione dei contaminanti chimici e microbiologici e mettere in evidenza l’autenticità o genuinità degli alimenti: si può infatti evidenziare la presenza di markers di prodotto o di processo.

I contaminanti alimentari possono essere di vario tipo: derivanti da pratiche agronomiche o zootecniche come ad esempio fitofarmaci o farmaci veterinari; derivanti da contaminazioni ambientali come le diossine o i metalli; derivanti da microrganismi come le micotossine o le tossine algali o derivanti da tecniche di processo che usano spesso le elevate temperature come l’acrilamide o il furano.

Metodologie analitiche

Le metodologie analitiche si dividono in: analisi targeted e analisi non targeted. Le analisi targeted sono rivolte all’individuazione di un singolo composto mentre le analisi non targeted hanno un più ampio spettro e prendono in considerazioni profili molto complessi. Le tecniche maggiormente impiegate sono quelle cromatografiche e quelle spettroscopiche.

Con le tecniche spettroscopiche è possibile effettuare la speciazione dei metalli ovvero distinguere le diverse specie chimiche in cui si trova uno specifico elemento: è ad esempio possibile distinguere le diverse forme del selenio che potrebbe essere presente sia in composti organici che inorganici. Con la spettroscopia si può anche determinare il rapporto isotopico di un elemento e ciò dà informazioni sulla sua autenticità e sulla provenienza geografica.

Spesso si usano anche tecniche combinate di cromatografia e spettroscopia in modo tale che gli analiti separati con la cromatografia possano essere identificati con la spettroscopia di massa. Talvolta vengono utilizzate anche tecniche di biologia molecolare e di biochimica come gli immunosaggi.

Nutrienti e alimenti

I nutrienti sono molecole semplici e vengono liberati dagli alimenti durante il processo di digestione. Nei classici alimenti si possono trovare nutrienti organici (amminoacidi, acidi grassi, zuccheri semplici, vitamine) e inorganici (sali minerali e acqua). I nutrienti organici sono nutrienti energetici ad eccezione delle vitamine mentre i nutrienti inorganici non sono nutrienti energetici.

Oltre a fornire energia i nutrienti forniscono materiale plastico per la crescita e la riparazione dei tessuti e materiale regolatore rendendo possibili le reazioni metaboliche (in particolare vitamine e sali minerali). I sali minerali infatti fungono da cofattori in molte reazioni e diversi enzimi sono metallo-proteine.

Tipi di alimenti sul mercato

• Nutraceutici: prodotti contenenti composti bioattivi tipici degli alimenti che vengono somministrati in forme tipicamente farmaceutiche: capsule, compresse, soluzioni. Sono dei prodotti molto attuali, non ancora sottoposti a una regolamentazione precisa ma possono essere accostati dal punto di vista legislativo agli integratori alimentari.
• Novel food: alimenti o ingredienti che non sono stati utilizzati come alimenti umani prima del marzo 1997.
• Superfood: alimenti particolarmente ricchi di composti bioattivi come per esempio alcuni tipi di frutta molto ricchi di antiossidanti.

Apporto energetico e principi della termodinamica

Per fare alcune considerazioni sull’apporto energetico degli alimenti bisogna prendere in considerazione i primo principi della termodinamica applicati agli esseri viventi; il nostro organismo è eterotrofo e si procura energia dall’ingestione di composti organici. Il primo principio della termodinamica che afferma che l’energia interna di un sistema termodinamicamente isolato è costante, viene utilizzato per calcolare il valore energetico dei singoli nutrienti e degli alimenti.

L’apporto energetico si misura in Kjoule per grammo di nutriente e può essere facilmente convertibile in Kcal per grammo. La misura del valore calorico si effettua con uno strumento chiamato bomba calorimetrica di Mahler. All’interno di questo strumento è presente una camera di combustione circondata da acqua in cui l’alimento viene completamente ossidato. L’energia che si ricava dalla combustione degli alimenti viene misurata dall’aumento della temperatura dell’acqua.

Da tali analisi si ricava che i lipidi sono tra i macronutrienti quelli con un maggior apporto calorico seguiti da proteine e infine dagli zuccheri. I valori ottenuti in vitro con la bomba calorimetrica necessitano tuttavia di una correzione tenendo in considerazione i processi che avvengono in vivo.

Bisogna innanzitutto tener conto della biodisponibilità. I glucidi hanno una maggiore biodisponibilità seguiti da lipidi e infine dalle proteine. Altro fattore di correzione da applicare è quello relativo al metabolismo in quanto l’azoto amminico degli amminoacidi non può essere ossidato nell’organismo umano. Applicando questi fattori di correzione si giunge ai seguenti valori calorici: lipidi 9 Kcal/g, proteine e glucidi 4 Kcal/g.

Processi catabolici

L’energia si ottiene dai processi catabolici degli alimenti e viene immagazzinata sotto forma di ATP. È in questo caso rispettato il secondo principio della termodinamica in quanto sappiamo che l’energia ottenuta dalle reazioni cataboliche che sono reazioni esoergoniche non può essere direttamente trasferita alle reazioni anaboliche che sono reazioni endoergoniche.

I processi catabolici sono costituiti da 3 stadi: nel primo stadio si ha la liberazione dei nutrienti dagli alimenti; in questo stadio non avviene liberazione di energia. Nel secondo stadio avvengono specifiche reazioni cataboliche sui nutrienti che portano alla liberazione dell’acetilcoA con formazione di ATP e quindi di energia. L’acetilcoA entra nel ciclo di Krebs e l’ultimo stadio è quello della fosforilazione ossidativa in cui si ha la formazione della maggior parte delle molecole di ATP.

L'acqua negli alimenti

L’acqua è un nutriente essenziale ma non energetico; è il componente più rappresentato negli alimenti: alcuni ne contengono fino al 90%.

L’acqua può essere presente nell’alimento in diverse forme in base alle interazioni che essa può formare con i costituenti non acquosi. Si parla ad esempio di idratazione quando costituenti non acquosi adsorbono acqua formando un legame reversibile. I fattori che sono in grado di influenzare la capacità di idratazione sono: la natura chimica del costituente non acquoso, la presenza di sali, la temperatura, il pH.

Alcuni processi tecnologici e industriali possono determinare una diminuzione della capacità di legare acqua; ad esempio in seguito a congelamento e scongelamento si ha perdita di acqua: questo fenomeno viene definito sineresi e comporta effetti negativi sul prodotto quali modificazione delle proprietà organolettiche e nutrizionali; infatti la perdita di acqua comporta la perdita di nutrienti idrosolubili come ad esempio alcune vitamine e sali minerali.

Negli alimenti si possono avere anche molecole di acqua non legate a costituenti non acquosi ma legate soltanto tra loro. Questa viene definita acqua libera ed è confinata nelle strutture tissutali. La distinzione tra acqua legata e acqua libera è importante per la valutazione della conservazione dei prodotti alimentari: gli alimenti che contengono soprattutto acqua libera sono maggiormente deperibili.

Attività dell'acqua

È possibile definire un parametro chiamato attività dell’acqua. L’attività dell’acqua è il rapporto tra la tensione di vapore dell’acqua nell’alimento e la tensione di vapore dell’acqua pura: aw=p/p0. I valori di attività dell’acqua dipendono fortemente dalla temperatura all’aumentare della quale aumenta l’attività dell’acqua. L’attività dell’acqua è un parametro adimensionale che varia da 0 a 1; ha valore di 1 quando nell’alimento è presente solo acqua pura, assume valore 0 quando l’acqua nell’alimento è totalmente legata a componenti non acquosi.

L’attività dell’acqua può anche essere espressa come umidità relativa all’equilibrio nell’ambiente quando il prodotto in esame si trova in un sistema chiuso/100. Un’ultima definizione dell’attività dell’acqua si basa sulla legge di Rault: l’attività dell’acqua è espressa come frazione molare dell’acqua dell’alimento (n1/ntot) dove n1 indica le moli di acqua e ntot le moli totali.

Il contenuto di acqua di un alimento e attività dell’acqua sono concetti molto differenti ma tra loro correlati. Nel grafico osserviamo una curva isoterma, ottenuta sperimentalmente a una temperatura fissa calcolando l’attività dell’acqua a vari valori di contenuto di acqua. Queste curve isoterme possono essere di due tipi: di adsorbimento (da non confondere con il fenomeno di assorbimento in quanto l’adsorbimento è un fenomeno di superficie e reversibile) e desorbimento.

Le isoterme di adsorbimento si ottengono partendo dal prodotto secco aggiungendo acqua gradualmente; al contrario le curve di desorbimento si ottengono dall’alimento con maggior contenuto di acqua eseguendo un essiccamento graduale. Queste curve misurate ad una temperatura fissa possono avere un diverso andamento per prodotti diversi. Inoltre le curve di adsorbimento e desorbimento possono variare per uno stesso prodotto: la curva di desorbimento si trova al di sopra della curva di adsorbimento; questo fenomeno viene chiamato isteresi e avviene per prodotti ricchi di zuccheri semplici.

Durante il desorbimento di un prodotto alimentare ricco di zuccheri semplici l’acqua viene allontanata e gli zuccheri (che sono sostanze che legano l’acqua) vengono concentrati e dunque l’attività dell’acqua è bassa. Durante l’adsorbimento alla stessa percentuale di acqua si ha una maggiore attività dell’acqua perché gli zuccheri semplici sono meno concentrati.

Il fenomeno dell’isteresi deve essere tenuto in considerazione quando si reidrata un prodotto secco: il valore di attività dell’acqua è spesso molto più elevato di quanto ci si aspetterebbe aggiungendo minime quantità di acqua al prodotto causandone una maggiore deperibilità. Le isoterme possono essere ottenute sperimentalmente a temperature differenti per valutare l’influenza della temperatura sulla stabilità del prodotto.

Tipi di acqua negli alimenti

L’acqua legata si distingue in:

• Acqua costituzionale
• Acqua vicinale
• Acqua multistrato

Mentre l’acqua libera viene anche detta bulk-phase.

L’acqua costituzionale è l’acqua che è parte integrante dei costituenti non acquosi (es: acqua che si trova nei siti interstiziali delle proteine). L’acqua costituzionale non è congelabile fino a -40°C, non ha capacità solvente, non ha mobilità traslazionale, l’energia che occorre per portare in fase vapore questa tipologia di acqua è molto aumentata rispetto all’acqua pura. L’acqua costituzionale negli alimenti ricchi di acqua è presente in una percentuale molto bassa: 0,03% dell’acqua totale. L’alterazione che può avvenire quando è presente questo tipo di acqua è l’ossidazione dei lipidi.

L’acqua vicinale è considerata anch’essa acqua legata perché le molecole di acqua sono legate con i componenti non acquosi attraverso legami H₂O-ione o H₂O-dipolo. L’acqua vicinale non è congelabile fino a -40°C, non ha proprietà solventi e l’entalpia di vaporizzazione è fortemente aumentata rispetto all’acqua pura. La percentuale di acqua vicinale negli alimenti ad alta umidità è circa lo 0.5% dell’acqua totale. In queste condizioni si ha la massima stabilità dei prodotti alimentari perché le reazioni di alterazione avvengono alla minima velocità. Il valore di attività dell’acqua vicinale è tra 0,2 e 0,3.

L’acqua multistrato si dispone attorno al primo strato acquoso (quello formato dall’acqua vicinale). Le interazioni tra l’acqua e i componenti non acquosi sono interazioni idrogeno.