Biochimica alimentare Mod 2

La definizione biochimica della qualità di un alimento

La qualità degli alimenti è definita da diverse discipline:

• Biologia
• Fisica: per i trattamenti subiti dall’alimento
• Economiche: costo per il consumatore e guadagno per il produttore
• Etica: ad esempio scelte alimentari particolari come mangiare tutto km 0
• Estetica

Qualità oggettiva e soggettiva

La qualità può essere oggettiva e soggettiva.

Oggettiva

• Compositiva: cosa porta al metabolismo assumere un certo alimento. Non basta aggiungere un prodotto scrivendo “con aggiunta di”, ma bisogna vedere se siamo in grado di assorbire una determinata sostanza.
• Strutturale: qualità sono le caratteristiche del prodotto finito. Esempio: non possiamo assumere la farina contenuta in una pizza sotto forma di farina cruda.
• Nutrizionale: cosa mi serve e cosa sono in grado di utilizzare delle componenti utili che ci sono nell’alimento. Non è costante nel corso dell’avanzare dell’età, ad esempio: il calcio nell’età adulta serve a fissare il calcio nelle ossa, mentre per i bambini serve per la crescita.

Soggettiva

• Edonistica: aspetto del cibo, ciò che lo rende invitante
• Culturale: legata a scelte culturali e atteggiamenti personali verso il cibo.

L'impegno dell'alimentarista

L’impegno dell’alimentarista è garantire che un alimento sia SICURO, buono, sano e nutriente.

Cosa c’entra la biochimica in questo

• Contribuisce a generare alimenti migliori dall’aspetto o per soddisfare particolari esigenze
• Serve per conoscere le molecole della materia prima e come esse si trasformano durante il processo
• Come si possono evitare guai

Principali componenti degli alimenti e loro funzione

• Acqua: non ha calorie, svolge la funzione plastica, regolatrice (regola gli equilibri osmotici e diluisce i principi attivi presenti nell’alimento), edonistica (es: lo spaghetto cotto, quindi idratato, è più appetibile dello spaghetto crudo)
• Carboidrati
• Lipidi
• Proteine
• Vitamine: sono importanti per la shelf life (vita di scaffale) del prodotto. Ad esempio l’acido ascorbico è un antiossidante, utilizzato moltissimo per evitare l’irrancidimento se l’alimento è ricco di grassi. L’acido ascorbico è anche un complessante, impedisce quindi le reazioni della chimica di Fenton.
• Minerali: importanti dal punto di vista nutrizionale, ad esempio le chinasi non funzionano senza il magnesio.
• Aromi: non nascono volatili. Ad esempio gli aromi del vino sono presenti attaccati agli zuccheri, quindi il profumo resta nell’acqua e per sentire il profumo devo separare lo zucchero dall’alcol.
• Pigmenti: possono essere marcatori di provenienza. Ad esempio il salmone norvegese è rosa, il finlandese è bianco perché nel Mar Baltico non c’è microplancton che dà la colorazione.

La biotecnologia alimentare

La biotecnologia alimentare controlla le interazioni tra i diversi componenti, vediamo degli esempi:

• La patata lessa è commestibile perché l’acqua e i carboidrati interagiscono modificando la consistenza della patata cruda.
• La maionese è complessa da punto di vista biochimico perché comprende grasso, acqua, zucchero e proteine. È quindi composta da più fasi.
• Prosciutto: è composto da proteine, grasso e coloranti endogeni. Il colore è dovuto dall’interazione tra mioglobina del muscolo del maiale e ferro. Il prosciutto crudo ha un colore diverso perché cambiano le interazioni.
• Pane e pasta: l'amido assorbe acqua e cambia colore.
• Avidina: è un fattore antinutrizionale (perché si lega irreversibilmente alla biotina) è presente nel bianco dell'uovo. L'avidina è presente perché l'uovo non si può difendere dai predatori, quindi causa avitaminosi come meccanismo di difesa. L'avidina è arginabile con la cottura.

Composizione e qualità di un alimento

La composizione di un alimento è necessaria ma non sufficiente alla qualità dell'alimento, vanno considerate anche:

• Biodisponibilità: devono essere in grado di passare dal di fuori dell'uomo all'interno, valicando quindi la mucosa intestinale. Dipende dall'alimento, da cosa c'è dentro e da come è formulato. Ad esempio, il latte è formulato in modo che le sue proteine vengano assimilate con facilità, ma aggiungendo cacao al latte le proteine rimangono adese alla superficie idrofobica del cacao diventando difficili da scindere e quindi non assimilabili (fattore antinutrizionale).
• Processo: la cottura cambia la struttura delle macromolecole del mio alimento perché vengono denaturate. Se esagero con la cottura dell'uovo sodo cambio le caratteristiche chimiche di alcuni amminoacidi sia dal punto di vista della digestione che della sicurezza.
• Valori edonistici: aroma, aspetto e sapore.

Esempio di questi parametri nel caso dell’uovo

• Biodisponibilità: la digeribilità proteica cresce con la cottura (dell'albume ma non del tuorlo) perché vengono inattivati fattori anti nutrizionali come avidine, serpine e allergeni. Ho delle perdite nutrizionali se l'uovo è esageratamente cotto. La superficie del tuorlo diventa verde perché le cisteine dell'albume perdono zolfo che se ne va sotto forma di acido solfidrico (classica puzza di uovo marcio). L'acido solfidrico migra dall'albume verso il tuorlo e si lega all'emoglobina al posto dell'ossigeno dando la sulfo-emoglobina (composto verde) che rimane sulla superficie del tuorlo perché è solido e non riesce a passare.
• Processo: se l'uovo è troppo cotto le cisteine non sono più disponibili causando un decremento nutrizionale. Ci sono processi che alterano la struttura come la produzione delle meringhe e della maionese.
• Edonistico: il pH elevato dell'uovo crudo (circa pH=9 perché deve assorbire la CO2 prodotta dal pulcino) è una complicazione dal punto di vista edonistico perché percepiamo ciò che ha un pH elevato come saponoso. Il caso dei tuorli verdi influenza l'aspetto edonistico. Maillard e l'uovo nero: succede con l'uovo essiccato, perché durante l'essiccazione si ottengono aldeide (glucosio) e ammina che reagiscono a formare una base di Schiff a temperatura e pH elevato. La temperatura converte il glucosio in caramello che diventa molto nero se a contatto con ammine (infatti il caramello industriale è prodotto in corrente di ammoniaca). Posso prevenire l'uovo nero controllando la temperatura e il pH, oppure aggiungere un enzima che converte il glucosio in acido gluconico che non diventa caramello (e abbassa anche il pH).

Modificazioni e processi alimentari

Al centro delle modificazioni e dei processi alimentari ci sono le proteine:

• Proteina e ambiente: come nelle modalità di conservazione
• Proteina e proteina: negli impasti
• Lipidi e proteina: nel burro
• Amido e proteine: nelle paste
• Amido e lipidi: nel pane

Importanza dell'acqua negli alimenti

L’acqua è la specie chimica più abbondante e più importante per determinare:

• Le proprietà chimiche, fisiche e microbiologiche
• La conformazione dell’alimento
• Le modalità di trasformazione
• Le caratteristiche di conservazione

L’acqua influenza anche la scelta del consumatore, perché dall’acqua ne dipende anche l’aspetto estetico; ad esempio, comprando un pezzo di carne il consumatore non sceglierebbe mai una confezione in cui è presente l’acqua separata dalla carne, oppure non vorrebbe mai uno yogurt in cui l’acqua si presenta separata.

Funzioni dell’acqua

• Solvente: mantiene le sostanze in soluzione a patto che ce ne sia abbastanza e che le sostanze in soluzione vogliano starci. L’acqua si muove e impedisce al soluto di sedimentare, vale per molecole semplici ma anche per macromolecole. Se prevalgono le interazioni con il solvente, la molecola è solubile; se prevalgono le interazioni tra molecole, la molecola è insolubile perché si formano complessi troppo grossi per mantenerle in soluzione. In base a cosa in una molecola prevalgono le interazioni con l’acqua o tra molecole? In base alla polarità e alle dimensioni. Le proteine in acqua possono cambiare le loro caratteristiche e quindi essere insolubili o solubili (sono proteiformi) perché possono esistere nella conformazione nativa o nella conformazione denaturata.
• Strutturante: l’acqua è nemica della struttura macromolecolare (infatti ad es. le proteine sono fatte in modo da proteggere i legami idrogeno dall’acqua). Ma oltre ad essere nemica della struttura macromolecolare è anche un potente agente strutturante grazie ai legami idrofobici (fatti per diminuire l’entropia e avere una struttura più ordinata), infatti l’elica si forma per non lasciare superfici idrofobiche in vista al solvente.
• Mezzo di reazione: serve per le reazioni idrolitiche. Se si lascia lo stracchino per giorni, lo si ritrova “spaccato” perché è presente acqua e quindi viene degradato. Il grana invece rimane inalterato perché presenta meno acqua.

L’acqua è importante anche per la crescita microbica, infatti maggiore è la quantità di acqua, più viene attaccata da microrganismi. Non è importante quanta acqua è presente negli alimenti, ma quanta è in grado di interagire con altre molecole. Nell’acqua distillata l’attività dell’acqua è massima e quindi pari a 1. In presenza di sali minerali scende dell’1%. L’1% dell’acqua è legato a qualcosa e quindi non disponibile.

La disponibilità di acqua attiva influisce sulle caratteristiche fisiche di un alimento: se l’acqua attiva supera il 65%, il cereale perde la sua consistenza croccante. Per misurare l’acqua attiva la faccio evaporare, perché solo l’acqua attiva può evaporare; e vale la relazione:

aw = p/p*

Dove p è la pressione parziale di vapore dell’acqua nel sistema, e p* è la pressione parziale di vapore dell’acqua pura alla stessa temperatura.

Tipi di acqua

• IV: tutta l’acqua è libera di fare ciò che vuole e quindi anche di evaporare
• III: l’acqua è libera di scambiarsi di posto con l’acqua presente nella soluzione
• II: c’è tanta acqua legata che non si sposta e non può essere scambiata
• I: solo una piccolissima parte di acqua può essere scambiabile e solo in condizioni estreme (è il caso degli alimenti essiccati)

Ma l’acqua a chi è legata? Perché quando scongeliamo una pizza surgelata non si scioglie anche l’acqua presente nell’impasto? Non può legarsi alla farina perché l’amido non assorbe acqua se non si alza la temperatura, l’acqua è quindi legata alle proteine. L’acqua una volta giunti ad alte temperature (nel forno) viene ceduta all’amido — questo fenomeno è detto water transfer ed è definito come il trasferimento di acqua tra macromolecole e micromolecole in sistemi complessi. Se ho a che fare con una farina integrale è presente la crusca — non avviene water transfer perché la crusca è in grado di assorbire l’acqua — non diventerà mai croccante.

La solubilità di proteine in acqua

La solubilità di proteine in acqua dipende dallo stato di carica della proteina, più cariche ci sono più è solubile. Non basta che siano presenti cariche, perché queste devono essere anche disponibili e dipende da altre specie (es. presenza dello ione calcio).

La solubilità dipende da:

• Ambiente
• pH, punto isoelettrico
• Forza ionica: salting in/salting out
• Metalli nel sistema (es. Ca++)
• Caratteristiche della struttura proteica
• Composizione e modificazioni post traduzionali
• Effetti del processo
• Conformazione nativa: solubile
• Conformazione denaturata: insolubile

Le proteine solubili riescono a staccarsi le une dalle altre, nelle proteine insolubili prevalgono le interazioni tra proteine e danno luogo alla formazione di aggregati troppo grossi. Per tutte le proteine si raggiunge il minimo della solubilità quando il pH della soluzione è uguale al punto isoelettrico della proteina. Perché al punto isoelettrico la carica netta è pari a zero (il numero delle cariche positive è uguale al numero delle cariche negative), quindi non ci sono cariche che si respingono — le proteine si possono avvicinare — si formano aggregati e quindi diminuisce la solubilità. Il valore del pH che corrisponde al punto isoelettrico corrisponde anche al valore in cui la proteina avrà il numero di cariche minore possibile, quindi la minima capacità di trattenere l’acqua.

Un esempio è il processo di produzione dello yogurt. I Lactobacillus producono acido lattico e si abbassa quindi il pH, si arriva al punto isoelettrico della caseina che diventa insolubile formando lo yogurt. Come facciamo ad evitare la separazione tra siero e caseine? Dobbiamo evitare che si arrivi al punto isoelettrico, ci fermiamo ad un pH leggermente più alto del punto isoelettrico, in modo che la caseina conservi un po’ di carica, così che possa trattenere un po’ di acqua — struttura dello yogurt compatta. La solubilità delle proteine è utilizzata anche a fini analitici e fornisce indicazioni sul tipo di trattamento subito dal latte.

La precipitazione delle caseine acidificando al punto isoelettrico comporta anche l’insolubilizzazione delle sieroproteine denaturate. Legge 169/89 e successive integrazioni: Pastorizzato (sieroproteine almeno 11% delle proteine totali), Fresco Pastorizzato (sieroproteine solubili almeno 14% delle proteine totali), il latte Microfiltrato Fresco Pastorizzato, con le stesse caratteristiche del precedente, Fresco Pastorizzato di Alta Qualità, che deve contenere almeno il 15,5% di sieroproteine e almeno il 3,5% di grassi. Dizioni come "Qualità Superiore" non hanno alcun significato. UHT trattato a temperatura ultra alta, in confezioni che riportano la dicitura “Da consumarsi preferibilmente entro” con un termine massimo di 90 giorni a temperatura ambiente. Sterilizzato con la dicitura “Da consumarsi preferibilmente entro” e con un termine massimo 180 giorni a temperatura ambiente.

Classificazione delle proteine

In funzione del mezzo di dispersione le proteine vengono classificate in: (classificazione di Osborne del 1909)

• Albumine: solubili in acqua (es. sieroalbumina, lattoalbumina)
• Globuline: solubili in soluzioni saline (viciline, legumine, BLG)
• Gluteline: sono quelle solubili solo a valori estremi di pH. Esempi sono:
  • Glutenine: si sciolgono solo in acido acetico glaciale perché dobbiamo far sparire tutte le cariche negative delle proteine
  • Caseine: per smontarle bisogna alzare il pH e si ottiene il caseinato di sodio (che viene inserito nella pasta ripiena perché è in grado di mantenere la consistenza)
• Prolamine: si sciolgono in alcol etilico al 60% o alcool isopropilico. Si trovano solo nei cereali, dove svolgono la funzione di proteine di deposito. (Es. gliadine, responsabili della celiachia). In alcol perché sono composti molto apolari, composte da glutammina e asparagina. (Glutammina e non glutammato, perché lega meno acqua e quindi il seme è secco, perché ha un peso minore quindi posso immagazzinare il doppio dell’azoto)
• Scleroproteine: sono di norma insolubili in tutte le soluzioni, non si sciolgono perché legate da una quantità enorme di legami covalenti ponte di solfuro oppure formati facendo una base di Schiff. (Es. cheratine di unghie e capelli).

Perché alcune proteine sono solubili in acqua e basta e altre in acqua e sale? Perché esistono albumine e globuline? Per spiegare le ragioni molecolari ricorriamo ad un semplice grafico. In ascissa poniamo la forza ionica della mia soluzione, in ordinata la solubilità delle mie proteine. Come distinguo albumine e globuline? Se la forza ionica è 0 le globuline non si sciolgono mentre le albumine sono già solubili. Andando avanti ad aggiungere sale, quindi aumento la forza ionica, le mie proteine migliorano la loro solubilità, anche le albumine che erano già solubili lo diventano ancora di più. Perché? Ho degli aggregati stabilizzati da attrazioni elettrostatiche, aumentando la forza ionica c’è una competizione degli ioni che ho aggiunto alla mia soluzione con le cariche che non interagiscono più tra di loro sulle proteine, ma interagiscono con le cariche fornite dagli ioni. Questa fase è dedica fase di salting in, la fase di aumento della solubilità delle proteine al crescere della forza ionica. Quando la forza ionica si alza troppo si ha un crollo della solubilità delle proteine: fase di salting out. Avviene perché il sale ruba acqua alle proteine per solvatare, esse non interagiscono più con l’acqua e formano aggregati insolubili.

Domande frequenti

• Perché una proteina può essere solubile in 2 M NaCl, ma insolubile in 2M Na₂SO₄?

La forza ionica del solfato è sufficiente a portare via acqua dalle proteine solvatate. Non tutti i sali sono uguali ed efficaci nel mantenere le proteine in forma nativa, se utilizziamo il perclorato la proteina si scioglie ma si ottiene la forma denaturata della proteina. Distinguiamo sali con azione strutturante e sali con azione destrutturante, la differenza sta nella capacità di interagire con l’acqua, più sono solvatati più non possono entrare nelle proteine, se entrano “disturbano” le interazioni di carattere elettrostatico, se entrano c’è un allentamento delle interazioni e si verifica il collasso della proteina.

Esistono due tipi di sali:

• Sali liotropi: si solvatano e non danno fastidio (Good liophilic)