Biochimica alimentare

Biochimica alimentare

Interazione delle proteine con l’acqua

In molti alimenti l’acqua è il componente principale; in alcuni è il 50%. Condiziona la shelf life del prodotto, l’interazione e la trasformabilità.

L’acqua non è tutta uguale; si suddivide in 4 tipi che possono essere tutti presenti o solo alcuni in un alimento:

• Tipo IV: acqua pura, con un’attività dell’acqua pari a 1.
• Tipo III: acqua libera, con attività dell’acqua attorno a 0,7-0,9, in cui sono solubilizzati dei sali.
• Tipo II: acqua coordinata. Si organizza intorno a una proteina e ha un’attività compresa fra 0,1-0,25.
• Tipo I: acqua fortemente legata alle macromolecole, come polisaccaridi, lipidi e altre sostanze.

Il tipo di acqua influenza le funzioni che può avere l’acqua all’interno di un alimento perché condiziona la funzione solvente, cioè sciogliere al suo interno un composto piccolo, uno ione, e quindi condizionare gli equilibri osmotici, il pH. Può avere una funzione strutturante, condiziona la struttura tridimensionale di una molecola. È un mezzo di reazione, gli enzimi ne hanno bisogno.

Come questi tipi di acqua influenzano gli alimenti?

Per la crescita di un MO e un’attività enzimatica, l’acqua di tipo III è quella più importante. Facilita certi enzimi piuttosto che altri, come quelli dell’imbrunimento non enzimatico. L’acqua coordinata condiziona la struttura di una proteina, quindi la capacità di avere un certo livello.

Se l’acqua è coordinata, tipo II, non sarà disponibile per altre reazioni e quindi conferisce la capacità di trattenere acqua, perché essendo coordinata con la proteina non si separa dal resto dell’alimento. Questo tipo di acqua condiziona attività enzimatiche, ed è anche una protezione da reazioni ossidative e dall’imbrunimento non enzimatico. C’è una compartimentazione nell’alimento dovuta all’acqua; se questa si toglie l’interazione fra trigliceridi e proteine è favorita e molecole che prima non erano facilmente ossidabili lo diventano. L’acqua di tipo II viene mantenuta all’interno di un alimento.

L’acqua di tipo I non congela. In un processo di essiccamento non avviene l’eliminazione di questo tipo di acqua, si spenderebbe una grande quantità di energia, e anche qui le proteine potrebbero interagire con i lipidi, che erano protetti dall’acqua. Se l’ossigeno viene in contatto con i lipidi provoca l’irrancidimento.

In un alimento sono presenti in proporzioni diverse questi tre tipi di acqua.

Proprietà delle proteine in un alimento

Interazione acqua/proteina: può avvenire una separazione totale della proteina, effetto indesiderato, oppure si solubilizza. Solubilizzazione: rendere proteine solubili. Solubilità intesa nel senso più alto del termine, come struttura tridimensionale di una proteina e la sua capacità di fare anche da ponte con altre sostanze che potrebbero non essere presenti in maniera uniforme nell’alimento.

Interazione proteine/micromolecole: condiziona il fatto che queste piccole molecole siano disponibili. Possono avere effetti positivi e alcuni negativi. Esempio: alcune proteine sono legate, in origine, a delle vitamine. Alcune proteine legano composti aromatici, che nell’alimento è un fattore positivo poiché, essendo volatili, evitano che se ne vadano dall’alimento.

Interazione proteine/lipidi: interfacciali. Una proteina può stare in un ambiente idrofilico mentre un lipide è idrofobico. La proteina ingloba il lipide che va a trovarsi sull’interfaccia nella regione idrofobica che forma la proteina, si forma l’emulsione. Un altro esempio sono le schiume, interazioni tra ambiente idrofobico, aria, che dà una certa struttura; il resto dell’ambiente è acqua. Questi due ambienti diversi sono stabilizzati da proteine.

Interazione proteine/proteine: formano reticoli tridimensionali proteici, i gel.

Fattori che influenzano la solubilità

Forza ionica: concentrazione salina presente in un ambiente. Si può aumentare o diminuire e oltre certi limiti può aumentare o diminuire la solubilità della proteina SENZA cambiarne la struttura.

pH: la solubilità di una proteina è legata al pH e al punto isoelettrico in cui la proteina ha una solubilità minima.

Presenza di metalli e il loro stato: quello più utilizzato per cambiare la solubilità di una proteina è il calcio. In queste modificazioni indotte dall’ambiente, la proteina mantiene la sua struttura nativa. Nel caso dei sali una proteina può non essere più solubile ma mantiene la struttura nativa, o una proteina che non è più solubile ma con struttura denaturata.

Proteine che si solubilizzano in acqua: albumine. Nei cereali sono molti enzimi, le amilasi sono albumine.

Proteine che si solubilizzano in soluzioni acquose contenenti sali: globuline. Esempio: immunoglobuline, beta-lattoglobulina.

Proteine solubili in alcol: prolamine. Nel caso del frumento sono chiamate gliadine.

Proteine solubili solo in ambienti acidi o alcalini: glutenine, nel caso di cereali e frumento. Le gliadine e le glutenine costituiscono il glutine.

Forza ionica

Come condiziona la solubilità di una proteina la forza ionica?

Concentrazione a forza ionica molto bassa che facilita la solubilizzazione di una proteina, salting in.

Salting in: forza ionica per la quale si ha la solubilizzazione di una proteina.

Si aggiungono dei sali e aumenta la forza ionica, si arriva alla condizione per cui la forza ionica favorisce l’aggregazione delle proteine, diventano meno solubili, fino a punto tale in cui precipitano.

Altro aspetto importante: nelle condizioni in cui ho salting in e salting out, la struttura tridimensionale della proteina non cambia. Nel primo caso si avrà una proteina con la sua struttura tridimensionale nativa che è perfettamente solubile. Nel caso in cui è precipitata, la sua struttura non è cambiata ma è variata solo la sua solubilità. Molto spesso il salting out è usato per conservare proteine la cui struttura è molto importante per l’attività che svolgono. Se una proteina è aggregata in forma nativa è una struttura più stabile, una forma per conservare maggiormente la sua struttura.

In salting in e salting out varia solo la solubilità di una proteina senza alterarne la sua struttura tridimensionale.

Se nell’alimento si ha una proteina modificata perché la concentrazione salina è cambiata, la sua struttura tridimensionale non è cambiata. Se la struttura cambia non è dovuto a salting in e salting out.

Perché un sale va a modificare la solubilità di una proteina?

Nel momento in cui aggiungo ad un solvente il sale, il sale si scioglie perché intorno allo ione, catione e anione, si forma una sfera di idratazione, sfera d’acqua che si organizza e solubilizza intorno allo ione. Ad un certo punto, si avrà uno ione negativo e uno positivo. Come primo effetto, una volta che lo ione si idrata avrà una carica netta e può interagire con le cariche superficiali delle proteine. Nel caso di uno ione positivo interagirà con le cariche negative, andrà a schermarle in parte e quindi faciliterà anche la dispersione, la solubilizzazione delle proteine perché dà una certa stabilità.

Aumento ancora la concentrazione degli ioni, cosa succede?

Primo effetto: gli ioni vanno a schermare le cariche superficiali delle proteine quindi una proteina avrà meno cariche nette. Le forze delle proteine presenti in soluzione vengono a diminuire e viene favorita l’associazione tra proteine perché non ci sono più le cariche superficiali che le tengono lontane.

Se si continua ad aggiungere sale la soluzione diventa satura perché non c’è più a disposizione dell’acqua per idratare; ci sarà anche un secondo effetto di competizione tra il sale che si deve disciogliere e la proteina presente in soluzione. Il sale va a toccare i primi due livelli dell’acqua. L’effetto è favorire l’associazione tra proteine, formare forti polimeri associati che non sono più solubili, quindi precipitano.

Diagramma con solubilità in ordinata e la forza ionica in ascissa. Le albumine sono proteine che si solubilizzano in acqua. A piccole quantità di albumine si ha un piccolo aumento della solubilità, si arriva a un certo valore di forza ionica dove la proteina è solubile sempre allo stesso livello. Arrivo a un certo valore di forza ionica e si ha una drastica perdita di solubilità.

Le globuline sono proteine solubili in concentrazione moderata di sale, quindi l’aggiunta di sale facilita la solubilizzazione di questa classe di proteine. L’andamento del grafico nella prima parte, nel caso delle globuline si ha un aumento della solubilità fino a un valore di forza ionica dove le albumine erano già solubili. Se aumento il valore di forza ionica si ha una diminuzione, salting out. La linea rossa rappresenta il valore di forza ionica alla quale le globuline sono insolubili, fase di salting out. A quel valore di forza ionica le albumine sono ancora solubili.

Il valore di forza ionica viene usato per separare o favorire la formazione di certi aggregati formati da una classe di proteine rispetto ad altri. Un sistema è quello per separare gli anticorpi.

La forza ionica non è la concentrazione del sale; NaCl e Na₂SO₄ non hanno la stessa forza ionica anche se hanno la stessa concentrazione.

Altro aspetto importante è quello in cui la forza ionica in generale regola la solubilità, ma molto spesso dipende dalla natura del catione coinvolto. Una proteina può essere solubile in 1,2 M NaCl ma insolubile in 0,4 M di CaCl₂, cambia solo la carica del catione. Il catione 2+ può fare 2 interazioni elettrostatiche con due cariche negative che sono su due diverse proteine, fa ponte e facilita la formazione di aggregati tra due proteine. A parità di forza ionica attenzione anche al tipo di catione presente perché può influenzare oppure no la solubilità. Finora si è parlato di modificazione della solubilità mantenendo la struttura proteica inalterata, mantenendo la sua funzione.

Non tutti i sali sono in grado di fare salting in e salting out. Ci sono alcuni sali che modificano la solubilità di una proteina perché cambiano e modificano la struttura tridimensionale, fanno assumere alla proteina una struttura diversa da quella nativa. Primo caso: solubile e insolubile.

Esempio: solubilità di una proteina in 1 M di NaCl e in 1 M NaClO₄; nel primo caso è solubile mentre nel secondo è insolubile. Nel secondo caso, l’anione va a modificare la struttura tridimensionale della proteina. Questi ioni hanno la proprietà di rompere la struttura terziaria e secondaria di una proteina, vuol dire modificare le interazioni che la stabilizzano.

Secondo caso: variazione della solubilità. Si aggiungono sempre i due sali, in tutti e due i casi la proteina precipita. Queste due proteine precipitate hanno la stessa struttura o struttura diversa?

Nel caso del NaCl è precipitata per il salting out. Nel caso del secondo motivo è precipitata sia per aumento della forza ionica ma soprattutto perché la proteina ha cambiato la sua struttura.

Ci sono ioni destrutturanti sia positivi che negativi, lipofilici, molto piccoli e poco solvattati, quindi sono ioni che possono penetrare all’interno della struttura proteica e vanno a rompere le coppie ioniche. Nella scelta salting in e out bisogna porre attenzione al fatto che si sono scelti sali strutturanti o destrutturanti.

I sali strutturanti fanno salting in e salting out: amano l’acqua, hanno una sfera di idratazione elevata che con l’interazione con una proteina sta alla superficie.

Come ioni strutturanti ho il solfato, il fosfato. A sinistra ci sono quelli negativi, il ClO₄, il Litio. NaCl non è strutturante e nemmeno destrutturante.

• Non tutti i sali hanno lo stesso effetto.
• Il fatto che la proteina precipiti o meno, dipende dalla forza ionica e non dalla concentrazione.

Variazione della solubilità dovuta al pH

Molto difficile da controllare sulle proteine. Varia la solubilità perché variando il pH variano i pK di tutte le catene R degli aa. C’è un certo valore di pH alla quale la carica netta dei gruppi R è uguale, carica 0, quindi punto isoelettrico. La somma globale dei gruppi carichi degli aa è uguale a 0, le proteine tendono ad associarsi e ha il minimo di solubilità. Al punto isoelettrico si ha il minimo di solubilità, sopra e sotto il massimo aumento di solubilità. Questo parametro si trova perché è il sistema con il quale vengono favoriti i sistemi alimentari.

Applicazione di variazione della solubilità negli alimenti

Quanto glutine è presente in un determinato cereale?

Il glutine inteso come insieme di proteine solubili in acidi o basi deboli, glutenine, o in alcoli, prolamine. È importante perché tutto il resto delle proteine sono solubili in soluzione di acqua o saline, albumine e globuline. Se si prendono due pannocchie di frumento, il rapporto prolamine/glutenine sarà maggiore rispetto a quello di albumine e globuline. Se si ha il grano saraceno, il rapporto presenterà molte più albumine o globuline rispetto alle altre due.

Nel mais ci sono più albumine rispetto alle prolamine.

Nella semola si guarda la quantità di prolamine e glutenine rispetto a globuline e albumine.

Nel frumento si vuole capire se è germinato. Se il frumento è germinato si avrà una maggiore attività enzimatica rispetto a uno non germinato. Bisogna separare e arricchire la frazione che è ricca di questa attività. Gli enzimi sono prevalentemente presenti nei cereali, ovvero albumine e globuline. Si fa una solubilizzazione in sali e quello che rimane si usa per fare l’attività enzimatica e capire se questa farina deriva da frumento germinato. Se deriva da frumento germinato è negativo perché si hanno attività che possono fare reazioni di Maillard; se si aggiunge acqua gli enzimi agiscono; ci può essere una proteolisi delle proteine.

Solubilità in funzione del trattamento termico

Calore: agente fisico.

Il calore può portare a una modificazione strutturale e rendere la proteina meno solubile, più denaturata, che favorisce la formazione di aggregati meno solubili.

Questa osservazione è del principio per definire un latte se è stato pastorizzato, crudo, ad alta qualità o UHT. È noto che il latte ha una certa quantità di proteine solubili nel latte crudo. Se si porta il latte a pH isoelettrico delle caseine, 4,6, le caseine saranno insolubili quindi precipitano. Le sieroproteine, dato che non hanno il punto isoelettrico delle caseine, saranno solubili. A pH 4,6 precipitano tutte le caseine ed è presente un certo valore di sieroproteine. Se il latte non era crudo ma termizzato, quando si andava al punto isoelettrico delle caseine, queste precipitano, ma anche le sieroproteine in dipendenza del trattamento termico subito. Se il latte aveva subito un trattamento UHT o di pastorizzazione a pH 4,6, la quantità delle sieroproteine solubili a quel pH dipende da quanto queste sono denaturate. Se il latte UHT o sterile, se il latte viene portato a 4,6 sieroproteine solubili = 0. Nel latte pastorizzato sieroproteine solubili 0%. Il trattamento di pastorizzazione o di alta qualità, nel primo caso non si erano denaturate e nel secondo caso denaturate. Da questo è stata fatta la legge:

Nel latte pastorizzato c’è almeno l’11% di sieroproteine sulle proteine totali. In quello fresco pastorizzato le sieroproteine sono almeno il 14% delle proteine totali; il latte Microfiltrato Fresco Pastorizzato come il precedente; il latte Fresco Pastorizzato di Alta Qualità deve contenere almeno il 15,5% di sieroproteine sulle totali e il 3,5% di grassi. Certe proteine in base alla loro struttura variano la solubilità.

Si ha quindi una variazione di solubilità in dipendenza dalla modifica strutturale.

Interazione fra proteine e proteine

Interazione più semplice: fra diverse proteine.

Queste interazioni possono essere determinate da diversi fattori, e sono alla base di una serie di modificazioni che si traducono come GELS.

Il GEL è una sostanza che è solida ma ha la caratteristica di contenere una grande quantità di solvente. Ci interessano quelli proteici. Hanno modificazioni strutturali a carico delle proteine, che danno origine a una struttura solida proteica che è alla base della texture di diversi prodotti. Ci sono tanti modi per classificarli.

• I gel sono reversibili o irreversibili.
• In base alle interazioni tra proteine che generano il gel.

Gels reversibili e irreversibili

Tutti i gels sono irreversibili tranne quello in cui le proteine che lo generano sono stabilizzate da interazioni a idrogeno. La gelatina è reversibile. Tutti gli altri esempi sono irreversibili.

Le interazioni prevalenti che stabilizzano le associazioni di gel possono essere elettrostatiche mediate dal calcio. Un esempio sono i formaggi fusi, perché al loro interno ci sono proteine che vengono riorganizzate in un’associazione stabilizzata dagli ioni calcio; si crea così una struttura proteica ricca di acqua che dà la texture. Altre interazioni sono rappresentate da un’unione di interazioni elettrostatiche e idrofobiche. Le proteine che vanno a costituire il gel sono associate.