Appunti di Chimica degli alimenti

Appunti chimica degli alimenti: i nutrienti e i sali minerali

Qualsiasi sostanza o prodotto trasformato, parzialmente trasformato o non trasformato, è destinato ad essere ingerito o si prevede ragionevolmente che possa essere ingerito da esseri umani. Sono quindi organismi o parti di organismi viventi come carne, frutta e verdura. Sono derivati o ottenuti da derivati di organismi viventi come latte, formaggi, yogurt, oli vegetali… Gli alimenti si dividono in semplici, contenenti un solo nutriente, e in alimenti complessi, contenenti diversi principi alimentari o nutrienti. Troviamo nutrienti inorganici come l’acqua e i sali minerali e organici come le proteine, i lipidi, i carboidrati e le vitamine.

La digestione

La digestione è un’idrolisi graduale del cibo nell’apparato digerente. L’apparato digerente è un sistema composto da diversi organi deputati alla trasformazione degli alimenti, contenenti nutrienti alimentari complessi, in sostanze nutritive adatte ad essere assimilate dall’organismo. I nutrienti non possono raggiungere le cellule senza essere prima modificati fisicamente e chimicamente, ossia digeriti per mezzo di catalizzatori enzimatici quali pepsina, tripsina, lipasi ed amilasi.

I nutrienti

I nutrienti sono divisi in energetici, plastici e regolatori. Gli energetici forniscono materiale energetico per la produzione di calore, lavoro o altre forme di energia per il mantenimento della temperatura corporea e l’attività fisica. Alcuni sono usati immediatamente mentre altri sono accumulati come materiale di riserva. I plastici forniscono materiale plastico per la crescita e la riparazione dei tessuti. Comprendono le proteine, i lipidi strutturali e i minerali. Nell’adulto i tessuti vengono invece reintegrati. I regolatori forniscono materiale regolatorio indispensabile per le reazioni metaboliche. Comprendono gli oligoelementi e le vitamine.

Le proteine, i lipidi e i glicidi

Le proteine sono utilizzate principalmente come materiale plastico nei muscoli, ma possono anche fornire energia nelle diete molto spinte. Entrano a far parte di composti con attività regolatoria come gli enzimi, gli ormoni proteici e gli anticorpi.

I lipidi svolgono una funzione essenzialmente energetica (uso immediato/riserva), ma fanno anche parte di strutture cellulari (funzione plastica) e composti regolatori.

I glicidi sono essenzialmente energetici con utilizzo immediato, ma sono utilizzati anche come materiale di riserva (glicogeno) e fanno parte di strutture cellulari (DNA e RNA) e di composti con attività regolatoria.

I nutrienti inorganici

L’acqua è una risorsa indispensabile per animali e vegetali. Gli organismi animali sono costituiti per circa il 65% di acqua in equilibrio dinamico con l’esterno. Funge da solvente per quasi tutte le reazioni che avvengono nell’organismo. Veicola i principi nutritivi e le scorie metaboliche. È un reagente di idrolisi nella digestione, consumandosi. È presente un’assunzione-eliminazione di acqua.

I sali minerali rappresentano circa il 5% del peso corporeo nell’uomo. Sono presenti naturalmente nell’acqua potabile e negli organismi animali e vegetali. Solo NaCl viene aggiunto agli elementi dall’esterno. Contribuiscono anche al sapore dell’alimento. Sono fondamentali in quanto contribuiscono alla formazione di denti e ossa, regolano l’equilibrio idrosalino intra ed extracellulare, mediano l’attivazione e la regolazione di molti cicli metabolici e presentano una azione protettiva.

I macroelementi

I sali minerali vengono divisi in macroelementi e microelementi. I macroelementi sono necessari in quantità elevata (g o mg) e hanno prevalentemente funzioni strutturali. I principali sono il calcio, il magnesio, il potassio, il sodio, i cloruri, i solfati e i fosfati.

I microelementi

I microelementi sono necessari in piccola quantità (mg o microg) e spesso coadiuvano l’attività dei sistemi enzimatici. I principali sono il ferro, lo zinco, il rame, il cobalto, il manganese, il cromo, il selenio, la silice, gli ioduri e i fluoruri.

Il sodio e il potassio

Il sodio è un fondamentale costituente extracellulare. È importante per il mantenimento della pressione osmotica dei fluidi extracellulari. Importanti quantità di sodio si trovano in alimenti conservati soprattutto di origine animale, ma anche vegetale. Aumenta l’escrezione urinaria del calcio.

Il potassio è un importante costituente intracellulare. È coinvolto nel trasporto di sostanze a livello delle membrane cellulari. Coadiuva l’azione di numerosi enzimi glicolitici e della catena respiratoria. Importanti quantità di potassio si trovano in alcuni alimenti principalmente vegetali come le lenticchie, i legumi, i funghi, il glutine e le banane. I diuretici e gli antibiotici aumentano significativamente la sua escrezione.

Il cloruro e il calcio

Il cloruro è il controione del sodio nei fluidi extracellulari e dell’idrogeno nei succhi gastrici. Sia l’assorbimento che l’eliminazione urinaria sono processi molto rapidi. Le principali fonti alimentari sono il sale da cucina e il calcio.

Il calcio è un costituente fondamentale del tessuto osseo e di altri tessuti corporei. È importante per la formazione e il mantenimento delle ossa, per la coagulazione del sangue e la contrazione della muscolatura. Si trova in quantità importanti nel latte e nei latticini. È presente, inoltre, nella frutta secca da guscio, semi di sesamo, vegetali, cereali, acqua potabile, carne, pesce e uova che contengono quantità inferiori di calcio.

Il magnesio e il fosforo

Il magnesio contribuisce alla riduzione della stanchezza e dell’affaticamento fisico e mentale. Sostiene il normale funzionamento del sistema nervoso e la funzione del sistema muscolare. Favorisce il metabolismo energetico e la buona struttura di ossa e denti. Stabilizza le membrane plasmatiche, intracellulari e degli acidi nucleici. È definito un elemento life-supporting per il suo ruolo fisiologico. Importanti quantità di magnesio si trovano nei vegetali a foglia verde, verdure ed ortaggi, cereali e derivati ed in minor misura in uova, pesci e latte. Antibiotici, diuretici, vitamine liposolubili, ed un eccesso di calcio e fosfati interagisce con il magnesio.

Il fosforo è un nutriente essenziale. Sotto forma di fosfato libero o legato come estere o anidride ha un ruolo fondamentale nel metabolismo. La forma organica presente nei cibi viene idrolizzata ad opera della fosfatasi e l’assorbimento avviene principalmente come fosfato inorganico. I polifosfati sono additivi alimentari. Formano sali molto insolubili con calcio, magnesio e altri ioni bivalenti, diminuendone la biodisponibilità. Importanti quantità di fosfati si trovano in formaggi, tuorlo d’uovo e gemme di grano.

Lo zolfo e il ferro

Lo zolfo nell’organismo è un elemento strutturale e plastico. È presente in forma organica all’interno di aminoacidi, glutatione, coenzima A, timina, biotina, insulina e in forma inorganica come solfato. La principale fonte alimentare dello zolfo organico è costituita dalle proteine, mentre il solfato si trova nell’acqua e nei vegetali.

Il ferro nell’organismo umano è per il 75% legato all’eme mentre il restante 25% è presente in altre forme. Il ferro emico si trova nel gruppo eme dell’emoglobina, ma in parte anche nella mioglobina presente nella muscolatura rossa e nella transferrina. Il ferro inorganico è poco biodisponibile. Il ferro non emico si trova sotto forma di ferritina a livello di milza, fegato e midollo. Il ferro contenuto negli elementi di origine animale è ferro emico che viene facilmente assorbito. Nel latte è tenuto in soluzione e reso biodisponibile dalla lattoferrina. Il ferro contenuto negli alimenti di origine vegetale è inorganico. A volte è legato all’acido fitico e presenta una ridotta biodisponibilità. Il ferro come eme viene utilizzato per la sintesi di emoglobina.

Lo zinco e il rame

Lo zinco nell’uomo si trova legato alla metallotioneina che è una proteina dimerica che presenta una grande affinità per il metallo. È un cofattore di numerosi enzimi. In particolare, è indispensabile al rilascio della vitamina A nel fegato. È importante per il funzionamento di molti ormoni come l’ormone della crescita, gli ormoni sessuali, l’insulina, la vista, l’olfatto e la memoria. Le sue fonti principali sono alimenti di origine animale. L’alcol ne aumenta l’escrezione, mentre il caffè ne riduce l’assorbimento. Si trova anche nel pesce, nei cereali, nei legumi, nella frutta secca, ma anche nei semi come i seni di zucca.

Il rame è un cofattore di alcuni enzimi coinvolti in processi di trasferimento di elettroni (ossidasi). Le sue principali fonti alimentari sono le frattaglie, i molluschi e la frutta secca. Eccessi di ferro e zinco riducono l’assorbimento del rame.

Il manganese, il cobalto e il cromo

Il manganese è un cofattore ed attivatore di molti enzimi come decarbossilasi, idrolasi e transferasi. Solo una parte del manganese di origine alimentare viene assorbito. Per la maggior parte viene legato come ione bivalente alla transferrina. Le sue fonti principali sono i cereali, i legumi, i crostacei, il pesce e la carne.

Il cobalto è legato alla cobalamina (vitamina B12) ed è un cofattore di numerosi enzimi. Le sue principali fonti alimentari sono il fegato, i molluschi, la carne, il pesce, il latte e le uova. È poco presente negli alimenti vegetali e i vegani possono avere gravi carenze.

Il cromo III facilita l’azione dell’insulina nell’utilizzo del glucosio. Interviene nel metabolismo dei grassi. La forma inorganica trivalente è presente in alimenti vegetali ed animali. È tossico solo a dosaggi molto elevati.

Il selenio, lo iodio e il silicio

Il selenio è presente nell’organismo sia in forma organica che inorganica. I seleno-aminoacidi contengono un atomo di selenio al posto dello zolfo nelle strutture di metionina e cisteina. Sono presenti in metalloproteine ad attività enzimatica come la glutatione perossidasi, coinvolte nella protezione delle membrane cellulari dai radicali liberi, quindi dall’ossidazione ed all’invecchiamento. Il contenuto di selenio nei cibi dipende dal tipo di alimento e dalla sua origine geografica. In Italia sono ricchi in selenio cereali integrali, germe di grano, pesci, molluschi, crostacei, fegato, rognone e prodotti lattiero-caseari. La vitamina C aumenta l’effetto antiossidante, ma ne riduce l’assorbimento.

Lo iodio presente in forma organica costituisce gli ormoni tiroidei T3 e T4. Partecipa alla regolazione della termogenesi, del metabolismo glucidico, lipidico, proteico ed alla fissazione ossea del calcio. È principalmente presente nel pesce marino, alghe, latte, uova e sale iodato o iodurato.

Il silicio è presente sotto forma di acido silicico che viene assorbito rapidamente. Deriva principalmente dai cereali.

Il fluoro e la biodisponibilità dei sali minerali

Il fluoro mantiene integro lo scheletro e previene le carie dentali. Deriva principalmente dall’acqua, il cui contenuto di fluoro dipende dalla composizione del terreno di provenienza. Quantità eccessive rendono invece fragile lo scheletro.

La quantità di sali minerali introdotta nel nostro organismo con gli alimenti spesso non coincide con quella biodisponibile, che è invece la quantità effettivamente assorbita e metabolizzata. Un aspetto rilevante che riguarda i sali minerali è costituito dalla loro stabilità durante la digestione, il loro effettivo rilascio dalla matrice alimentare di origine e l’efficienza di trasporto a livello intestinale. Fattori inerenti alla dieta, assunzione di farmaci e/o integratori alimentari possono influenzare l’assorbimento dei sali minerali. Alcune vitamine influenzano l’assorbimento dei sali minerali. Ad esempio, la vitamina D aumenta l’assorbimento di calcio fosforo e magnesio. Il lattosio presente nel latte favorisce l’assorbimento del calcio.

I carboidrati

Il consumo di 1 g di carboidrati ha un apporto di 4 kcal, simile a quello delle proteine. I carboidrati o glicidi sono sintetizzati dai vegetali partendo da CO₂ e acqua, utilizzando l’energia solare in presenza di clorofilla tramite la fotosintesi clorofilliana che avviene nei cloroplasti. I più abbondanti nel mondo vegetale sono l’amido e la cellulosa. Hanno formula generale C (H₂O)_n con n >= 3. I carboidrati si classificano in monosaccaridi, disaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi. I mono non sono idrolizzabili a zuccheri più semplici. I disaccaridi si idrolizzano dando due monosaccaridi uguali o diversi. Gli oligosaccaridi per idrolisi danno pochi monomeri (4-10). I polisaccaridi sono polimeri che per idrolisi danno numerose molecole di monosaccaridi, uguali o diversi. Mono e disaccaridi sono molecole a struttura cristallina, dal gusto dolce e sono solubili in acqua. I polisaccaridi sono solidi amorfi insolubili in acqua che in acqua si gonfiano.

Gli zuccheri sono particolarmente difficili da rappresentare in un piano. Uno dei metodi più semplici è la proiezione di Fischer.

I monosaccaridi

Chimicamente si dividono in aldosi che presentano un gruppo funzionale aldeidico e chetosi che presentano un gruppo funzionale chetonico. Il glucosio è un aldoso mentre il fruttosio è un chetoso. Gli stereoisomeri dei monosaccaridi sono divisi in D e L. Gli zuccheri naturali sono della serie D. Si guarda il gruppo -OH del carbonio chirale più lontano dal gruppo funzionale aldeidico/chetonico. Quelli della serie D hanno l’-OH a destra mentre quelli della serie L hanno l’OH a sinistra. Troviamo inoltre i segni + e – che indicano il senso di rotazione del piano della luce polarizzata. I monosaccaridi sono classificabili in base alla lunghezza in triosi (gliceraldeide), tetraosi (eritrosio), pentosi (ribosio, xilosio), esosi (galattosio, glucosio), eptosi etc. Troviamo varie epimeri che presentano lo stesso numero di C ma una diversa orientazione di un sostituente. I più importanti tra gli aldoesosi sono il glucosio e il galattosio mentre tra i chetoesosi il più importante è il fruttosio.

Il glucosio è molto diffuso nei vegetali dolci. È la più importante forma di energia. Si presenta come cristalli bianchi solubili in acqua e poco solubili negli alcoli. In seguito a fermentazione alcolica porta alla formazione di anidride carbonica ed etanolo. Si ottiene per idrolisi di molti carboidrati come saccarosio, maltosio, cellulosa, amido e glicogeno. Ha proprietà riducenti in quanto possiede il gruppo -OH anomerico libero. In natura gli zuccheri sono presenti in forma emiacetalica chiusa. La reazione avviene tra il carbonio aldeidico e il carbonio che funge da centro chirale più lontano. L’-OH del carbonio in posizione uno nella forma chiusa è detto anomerico. Questo gruppo OH può essere orientato in modo assiale dando una configurazione alfa e una beta in cui è in posizione equatoriale. La conformazione beta è la più stabile in quanto presenta un ingombro sterico minore. L’alfa glucosio presenta un potere ottico rotatorio di +113° mentre il beta glucosio ha un potere di +19°. All’equilibrio troviamo un 37% di alfa e un 63% di beta, dando un potere rotatorio netto di +52,5°.

Il fruttosio può dare una forma chiusa a 5 carboni. Troviamo delle complicazioni in quanto negli anelli a 5 atomi le posizioni assiali ed equatoriali si differenziano meno da un punto di vista energetico. Ne consegue che più strutture spaziali convivono in soluzione rendendo difficoltosa la cristallizzazione del fruttosio.

I disaccaridi

Derivano dalla condensazione di due monosaccaridi uguali o diversi, con la formazione di un legame glicosidico tra l’OH emiacetalico di un monosaccaride e un -OH del secondo zucchero. Il legame che si forma può essere di tipo 1,2-; 1,4-; oppure 1,6-glicosidico. I disaccaridi si distinguono in riducenti e non riducenti. I primi subiscono mutarotazione, contrariamente ai secondi. I principali disaccaridi sono maltosio, lattosio e saccarosio.

Il maltosio è uno zucchero riducente fermentescibile utile nella fermentazione panaria. Si forma per idrolisi dell’amido, ad esempio, trattando con diastasi da malto d’orzo. C’è un legame alfa-1,4-glicosidico.

Il lattosio è uno zucchero riducente costituito da galattosio e glucosio. È presente nel latte come unico zucchero (2-8,5% a seconda della specie). È scarsamente dolce e può fermentare solo dopo idrolisi. Presenta un legame beta-1,4-glicosidico. È meno digeribile del maltosio in quanto il legame è più forte.

Il saccarosio è il comune zucchero da tavola costituito da glucosio e fruttosio. È estratto prevalentemente dalle barbabietole da zucchero nei paesi freddi, dalla canna da zucchero nei paesi caldi. Non è riducente in quanto presenta un legame alfa-1,2. Diventa riducente dopo idrolisi con acidi o enzimi, producendo glucosio e fruttosio.

I polisaccaridi

Sono costituiti da un numero elevato di monosaccaridi legati tra loro da un legame glicosidico. Per idrolisi chimica o enzimatica totale danno monosaccaridi. Si distinguono in omoglicani che danno un solo monomero ed eteroglicani che danno monomeri diversi. Il legame glicosidico può essere alfa o beta. In genere sono insolubili in acqua. Quelli idrosolubili con un basso peso molecolare danno soluzioni colloidali e non diffondono nelle membrane. Non sono dolci a causa della dimensione. Non sono riducenti. Si distinguono in pentosani in cui la catena principale è costituita da pentosi (come gli xilani) e in esoani composti da esosi (glucani e fruttani). Sono molto importanti i polisaccaridi del glucosio. Troviamo alfa-glucani e beta-glucani. I principali polisaccaridi sono l’amido, il glicogeno, la cellulosa, l’inulina, gli alginati e le pectine.

L’amido è un alfa-glucano importante. È molto diffuso nel regno vegetale, nei tessuti o organi di deposito della pianta. Lo troviamo in tuberi, semi e gemme. È una polvere bianca, sottile, granulosa, amorfa, insolubile in acqua ed etanolo. La struttura del granulo di amido è tipica della...