Biochimica della nutrizione e degli alimenti

Biochimica degli alimenti, della nutrizione

Docente: Iametti Stefania

Perché la biochimica degli alimenti serve per la nutrizione?

In relazione alla qualità delle proteine, un concetto sfuggente che riguarda diversi aspetti che verranno analizzati di seguito.

Sicurezza

Allergeni "in buona fede" (contrattuale? Intesa come reciproca lealtà di condotta e fondamentale canone di correttezza)

• Possono essere pericolosi per la vita, rilevante per soggetti sensibili: allergici/intolleranti (ad es. celiaci). Devo sapere come eliminare l'allergene e quindi
• Conoscere la proteina, capire perché e cosa della stessa fa male (es. allergene delle nocciole: Cor a 8, una LPT Lipid Transfer Protein resistente e stabile a calore e digestione).

Esempi di sequenze di cereali tossiche per i celiaci.

Attività anti-nutrizionale:

• Agenti sequestranti la vitamina es. complesso avidina-biotina: legami deboli che però non si rompono nell'apparato digerente in quanto la proteina non è digeribile e ciò priva l'alimento di alcune caratteristiche nutrizionali, ma cambiando la struttura della proteina es. tratt. termico il problema non si verifica.
• Inibitori della proteasi es. la superfamiglia di proteine chiamate "serpine" (acronimo dell'inglese serine protease inhibitors) in grado di inibire le serin proteasi che sono una classe di enzimi con molteplici attività. Esempio alfa-1-antitripsina (è una serpina) in grado di bloccare la tripsina ovvero l'enzima che scinde le proteine in amminoacidi durante la digestione. Sia i legumi che i cereali sono ricchi di tripsina, nei legumi sono presenti anche inibitori di amilasi i trattamenti come ad esempio la cottura modificano la proteina evitando questo problema.

I linfociti neutrofili (un tipo di globuli bianchi) secernono la elastasi (enzima che taglia le proteine) nei siti di infiammazione, questa rompe il tessuto connettivo e permette alle cellule del sangue di entrare per svolgere il loro compito di difesa e riparazione (per questo il tessuto infiammato è gonfio, arrossato e dolente). La serpina protegge le aree vicine ed assicura che l'elastasi non si diffonda in tutto il corpo, questo è un aspetto positivo.

Malattie metaboliche

Rilevante per le malattie metaboliche ad es. fenilchetonuria (PKU): mancata capacità di degradare normalmente la fenilalanina (manca l'enzima fenilalanina idrossilasi per convertirla in tirosina) che così si accumula nel sangue ed essendo tossica per il cervello in mancanza di trattamento determina deficit intellettivo. Questi individui devono consumare alimenti che abbiano un contenuto di fenilalanina tendente a zero, quindi perlopiù vegetali. L'aspartame è un dipeptide (acido aspartico + metilestere di fenilanina) e rappresenta una comune "fonte nascosta" di fenilalanina.

Aspetto nutrizionale

Problemi compositivi: amminoacidi essenziali / non essenziali.

• I cereali sono tutti poveri di lisina, ma hanno molta cisteina; il latte e i fagioli non contengono quasi cisteina, ma molta lisina quindi complementarietà: pizza, pasta e fagioli, tortilla e fagioli, polenta e latte.

Digeribilità / biodisponibilità. Dipende da:

• Sequenza: anche le proteasi più aggressive non possono agire nei punti/bersagli che non riescono a raggiungere. Questo è il motivo per cui molte proteine per il nutrimento (dalle caseine nel latte alle proteine di conservazione nei cereali) sono abbondanti negli aminoacidi destrutturati e hanno strutture di alto ordine (struttura quaternaria) allentate o assenti. Esempio: la tripsina agisce sugli aa basici (istidina, arginina, lisina) quindi se non ci sono la proteina non è digeribile da parte della tripsina.
• Processo: nella maggior parte dei casi le proteine denaturate possono diventare più accessibili a proteasi, infatti queste hanno un sito catalitico (un ripiegamento in cui si inseriscono) in cui è situato il bersaglio, che può diventare più accessibile, ma d'altro canto possono formarsi aggregati intra o intermolecolari a cui le proteasi non possono accedere. Per questo alcuni alimenti sono più digeribili crudi e altri cotti.
• Cibo: non è composto solo da proteine! Le regioni idrofobiche possono finire in fasi apolari (come accade in emulsioni comuni es. gelato, maionese) e gli altri co-soluti (come acidi, zuccheri, sale o altri additivi) possono influenzare la forza delle interazioni polari rilevanti per la stabilità strutturale delle proteine. Gli aa possono subire delle modifiche come nel caso di quelli solforati in cui il gruppo -RH viene spesso perso o modificato con conseguente eliminazione dell'aa poiché non può essere eliminato. Oltre a ciò solitamente introduciamo alimenti trasformati…

Aspetto edonistico

Fonte

• Aspetti culturali: conigli e calamari contro cavalli e insetti
• Componenti associate

Tipo di processo

• Comodità dell'utente finale
• Prezzo
• Questioni etiche o religiose
• "Gusto" personale

Aspetto tecnologico

Qualsiasi processo determina un cambiamento della struttura nativa della proteina, andando a modificare:

• Sequenza: modifica della stessa o formazione di peptidi. Esempio lisina con attaccato il lattosio quindi proteina non digeribile da parte della tripsina
• Strutture di alto ordine (struttura quaternaria): attraverso modifiche delle interazioni deboli (legami H, ionici, forze di Van der Waals, interazioni dipolo-dipolo, forze idrofobe) e/o dei legami covalenti (ponti disolfuro tra due residui di cisteina) che stabilizzano la struttura. Questo porta proprio a una modifica del ruolo della proteina nell'alimento, ad esempio un ruolo potrebbe essere quello di trattenere acqua (rilevante per masticabilità, texture, crescita microbica)
• Equilibrio idrofobo-idrofilo: la modifica di questo equilibrio influenza a sua volta la stabilità termodinamica delle proteine in riferimento all'ambiente in cui si trovano. Dal punto di vista pratico l'interazione del contenuto proteico con gli altri elementi presenti quali solventi e componenti idrofobiche es. lipidi, micronutrienti viene modificata aumentandone o riducendone la veicolazione, la solubilità e l'assorbimento.

Le proprietà chimico-fisiche interessate sono le seguenti (per queste proprietà è più interessante indagare la struttura delle proteine rispetto alla quantità di proteine presenti):

• Assorbimento d'acqua / capacità di trattenere l'acqua (più in generale capacità del sistema di interagire con un solvente, che nel 90% degli alimenti è acqua): il gruppo più carico lega più acqua. La glutammina (aa neutro) rappresenta quasi il 50% degli aminoacidi totali nell'endosperma dei cereali, per questo le farine sono secche, ma facilmente la glutammina si trasforma in acido glutammico, sono interscambiabili; al prosciutto cotto vengono aggiunte proteine del siero di latte (ci sono anche quelle dell'uovo o del sangue, quest'ultime non vengono più utilizzate per la BSE)
• Solubilità: se le proteine sono solubili il sistema si presenta omogeneo (ad esempio l'impasto), mentre se non sono solubili si avrà la formazione di polimeri come le fibrille con formazione di precipitati.
• Capacità di formare / stabilizzare sistemi misti quali gel: rete proteica in grado di trattenere acqua e/o altri composti (es. lipidi nel formaggio, amido nell'impasto) stabilizzati prevalentemente da interazioni deboli

Emulsioni / schiume (dispersione di una fase idrofilica acquosa e una fase idrofobica, la cui stabilità è garantita dalla presenza delle proteine all'interfaccia)

Collagene

È la principale proteina del tessuto connettivo: conferisce solidità ai nostri denti, alle nostre arterie e consente la trasmissione alle ossa della forza esercitata dai muscoli. Le sue proprietà meccaniche dipendono dalla sua sequenza e dalla sua struttura. Esso subisce modificazioni post-traduzionali che portano alla formazione di legami covalenti tra catene polipeptidiche individuali nella "tripla elica" (a) e tra diverse "triple eliche" nelle microfibrille (b).

Sequenze ripetitive:

• -X-Pro-Gly-
• -X-HyP-Gly-

La stabilizzazione della "tripla elica" da soli legami a idrogeno intercatena renderebbe la struttura "fragile", dato che il tessuto che contiene il collagene deve sopportare sforzi meccanici di una certa intensità la struttura è irrobustita con legami covalenti trasversali (crosslinks) tra le tre catene. Questo irrobustimento richiede l'ossidazione di residui di lisina presenti sul collagene in una reazione in cui la lisinossidasi richiede vitamina C (acido ascorbico) come cofattore. È per questo che in carenza di acido ascorbico si va incontro allo "scorbuto": caduta denti, epistassi (sangue dal naso), ecchimosi (lividi), etc.

Il numero di legami covalenti tra i filamenti di tropocollageno cresce con l'età e il peso del soggetto: le "ossa di gomma" nei bambini consentono il parto, la carne di vitello è più tenera, le colle di pesce e vitello si usano per addensare.

Il tipo di cambiamento strutturale varia a seconda del processo e della sua intensità, inoltre è di difficile previsione perché il contenuto di un alimento è eterogeneo ed è formato non solo da diverse proteine che si influenzano a vicenda, ma anche da altri componenti che inevitabilmente condizionano il tipo di modifica.

La rilevanza dei cambiamenti strutturali delle proteine causate dai processi si manifesta a livello della:

• Struttura primaria: digeribilità, valore nutrizionale, sicurezza;
• Struttura secondaria e terziaria: interazioni acqua-proteine, soluto-proteine e proteine-proteine, legate per lo più a cambiamenti dell'idrofobicità;
• Struttura quaternaria: aggregazione e gelificazione.

Gli agenti chimici e fisici che hanno effetto sulle proteine alimentari possono agire da soli o in combinazione (spesso le reazioni sono catalizzate da enzimi).

Agenti chimici comuni

• pH
• Sali
• Agenti chelanti
• Composti attivi redox
• Solventi (ad esempio alcol o detergenti)
• Interfacce acqua / olio

Effetti del pH sulle proteine alimentari e non

Le variazioni del pH influenzano lo stato di ionizzazione delle catene laterali (pK costante di dissociazione acida di -R) degli aminoacidi e quindi influenza:

• Carica: sia locale dei singoli amminoacidi, sia complessiva netta della proteina (cambierà il punto isoelettrico, valore di pH al quale una molecola presenta carica elettrica netta nulla). La carica netta di una proteina influenza la sua possibilità di formare legami elettrostatici o con altre proteine o con micronutrienti carichi (ad esempio il formaggio è formato da un legame ionico elettrostatico tra gli ioni Ca+ e le caseine cariche negativamente, quindi con gruppi –R dissociati con una carica netta negativa; se la carica fosse positiva non potrebbe esservi un legame ionico, pertanto ne conseguirebbe una destabilizzazione del sistema).

La carica a sua volta influenza:

• Solvazione (formazione complesso solvente/soluto) ovvero la capacità di essere solubile
• Solubilità: dipende anche dalla struttura della proteina, solitamente la variazione di pH porta a formazione di polimeri più o meno solubili. La formazione di polimeri proteici poco solubili determina una minore possibilità di essere aggrediti da proteasi e una maggiore immuno-reattività rispetto alla proteina nativa (il punto isoelettrico è descritto anche come il punto con il pH al minimo valore di solubilità di una proteina)
• Capacità di interagire con gli ioni: ad esempio la capacità di alcune proteine di legare la riboflavina dipende dalla presenza di gruppi carichi in grado di legare questo cofattore, altro esempio l'azione di alcune proteine con i polifenoli di specifici enzimi dipende dalla presenza di una determinata carica sul gruppo amminico
• Capacità di interagire con cofattori organici / inorganici

"Proviamo a collegare alcuni di questi effetti del pH ai seguenti alimenti:

• La carne si scolorisce quando viene aggiunto il succo di limone (abbassamento del pH e conseguente modifica della struttura proteica)
• Nella formazione dello yogurt il latte forma coaguli quando acidificato, ciò è dovuto alla perdita di solubilità delle proteine
• La salatura nelle carni (soprattutto suine) riduce il pH con diminuzione del trattenimento di acqua da cui ne deriva un'eccessiva essudazione e un elevato trattenimento di sale .. non capisco cosa c'entri con la carne PSE (Pale, Soft, Exudative) che si verifica quanto la macellazione di animali non nutriti e non riposati produce carne di)
• Lo yogurt stantio si separa in fasi acquose e solide (sineresi ovvero espulsione quantità di liquido dal gel).

Effetto dei sali sulle proteine alimentari esempio NaCl

Una bassa concentrazione di sale fa sì che le cariche saline aggiunte sulla superficie proteica colpiscano gli aggregati formati da interazioni ioniche e questo porta ad un aumento della solubilità delle proteine (salting in), Ad alta molarità invece il sale aggiunto compete con i gruppi carichi di proteine per l'acqua libera (solvente) ciò fa diminuire la solubilità delle proteine (salting out). La solvatazione del sale aggiunto elimina l'acqua necessaria per la crescita di microrganismi dannosi (batteri e muffe) e le attività enzimatiche (attività idrolitiche).

Puoi spiegare perché "salting out" è più efficace (richiede meno sale) vicino al punto isoelettrico (pl ovvero pH neutro) della proteina? Puoi citare alcune applicazioni di questi concetti?

Effetto dei chelanti su proteine alimentari e non

Agenti chelanti comuni utilizzati nella tecnologia alimentare:

• Polifosfati: non più ammessi in UE perché complessavano anche importanti micronutrienti tra cui il calcio (diversamente il calcio legato all'acido citrico è ancora assimilabile) inoltre l'elevato trattenimento d'acqua era sfruttato nei salumi cotti sia per la texture sia per avere un prodotto maggiore in peso a basso costo.
• Acido citrico (citrato)
• Acido lattico (lattato)
• EDTA

Tutti competono efficacemente con le catene laterali di aminoacidi nell'interazione con cofattori metallici o con metalli che stabilizzano singole regioni strutturali o multiproteiche interazioni. I citrati (e i fosfati) oltre sono inoltre ioni solvatati in grado di trattenere acqua e vengono utilizzati soprattutto in prodotti come i formaggi fusi: la stabilità del gel di caseine è garantita da legami elettrostatici con ioni Ca, i citrati, oltre a trattenere acqua, sono in grado di sottrarre gli ioni favorendo la perdita della struttura ordinata e la formazione di un gel disorganizzato e ricco di acqua tipico (diventa subito marrone in forno proprio perché ricco in acqua). Gli acidi citrico e lattico abbassano anche il pH, ma vengono soprattutto aggiunti perché in grado di chelare i metalli, ad esempio ferro o rame, che sono cofattori di enzimi ossidasici che favoriscono reazioni redox con formazione di pigmenti bruni (ad esempio nella mela a spicchi viene aggiunto l'acido citrico per chelare ferro, cofattore di enzimi naturali presenti nella mela ed esposti nel momento del taglio).

Di conseguenza ad esempio:

• Le caseine nel formaggio possono dissociarsi (e «fondersi» a temperature più basse)
• Gli enzimi metallo-dipendenti sono inattivati (proteasi, ossidasi e simili)
• La chimica metallo-dipendente (reazioni di Fenton) viene sensibilmente rallentata in quanto servono i metalli come catalizzatori di reazioni che portano alla formazione di radicali liberi (ROS): sono molto utlizzati in prodotti in cui la formazione di specie radicaliche è molto elevata.

(*La reazione di Fenton si basa sulla interazione, in ambiente acquoso, tra acqua ossigenata e ioni di ferro ferroso. In queste condizioni, condotte ad un pH acido (3-4), si ottiene la formazione di radicali ossidrilici dotati di un elevatissimo potere ossidante. Questi radicali reagiscono con la maggior parte delle molecole organiche, sia aromatiche che alifatiche, inserendosi e portando alla rottura dei legami C-C e quindi, per una serie di meccanismi a catena, alla degradazione delle sostanze stesse)

Effetto della chimica riducente sulle proteine alimentari e non

Gli agenti riducenti intervengono ossidandosi in modo da ridurre un composto. Quelli comuni negli alimenti sono:

• Solfiti e metabisolfiti
• Acido ascorbico
• Cisteina
• Fenoli e polifenoli

Agenti ossidanti comuni negli alimenti:

• Perossido di idrogeno come tale o come prodotto di reazioni enzimatiche (ad es. glucosio ossidasi)
• Bromato

L'effetto riducente sulle proteine determina un cambiamento del gruppo –R (in senso positivo o negativo). Ad esempio, i solfiti vengono aggiunti per mantenere un ambiente riducente: evitano la crescita microbica, ma al tempo stesso possono innescare reazioni chimiche con formazione di composti non naturali che se ingeriamo poi dovremo anche smaltire. I disolfuri possono essere spezzati riducendo gli agenti e generando tioli liberi richiesti per reazioni di scambio del disolfuro. Il bersaglio degli agenti ossidanti è quasi invariabilmente rappresentato dai tioli di cisteina (che sono ossidati a formare ponti disolfuro intra e intermolecolare).