Composizione degli alimenti

Composizione degli alimenti

L'acqua negli alimenti

L'acqua è importante per le caratteristiche compositive e strutturali, oltre che per la composizione degli alimenti. Le funzioni all'interno degli alimenti includono:

• È un solvente per tutte le molecole polari: i sali, le vitamine idrosolubili, gli zuccheri, i gas come O₂. È molto importante perché causa modifiche negli alimenti ed è importante per la stabilità degli stessi, i pigmenti idrosolubili cioè tutte quelle molecole che portano colore e derivano da prodotti presenti nel regno animale/vegetale (salvo casi particolari come l'olio).
• Capacità di dissociare cioè partecipare come catalisi.
• Influenza la struttura e la consistenza cioè il modo in cui è strutturata in un alimento.
• Reazioni chimiche, favorite/sfavorite a seconda della presenza dell'acqua.
• Sistemi colloidi o gel vengono stabilizzati dalla presenza di acqua.
• Necessaria per lo sviluppo dei microrganismi.

Gli alimenti hanno diverse percentuali di acqua (carne 65/75%, olio 0%...), anche in alcuni alimenti in polvere è presente una minima quantità di acqua, gli stessi alimenti degradano molto facilmente a causa di ossidazioni infatti conoscere il contenuto d'acqua aiuta il metodo di conservazione. Tramite la separazione di carica può solvatare = sciogliere composti polari (non hanno un carica netta ma hanno polarizzazione della carica) o ionici (hanno cariche nette).

Legame a idrogeno

Il legame a idrogeno è un legame debole a confronto di un covalente, tra legami non covalenti è considerato forte in quanto richiede più energia rispetto ad altri legami; è un legame importante perché molto presente negli alimenti. È un legame debole formato dall'interazione di un doppietto di non legame di un atomo con elevata elettronegatività (es. azoto) e un atomo di H polarizzato positivamente da un legame con elevata elettronegatività (es. ossigeno). Ogni molecola d'acqua è in grado di legare altre 4 molecole d'acqua via legame idrogeno.

I passaggi di stato

• Solido → liquido = fusione, + disordine
• Liquido → solido = congelamento, - disordine
• Liquido → gas = evaporazione, + disordine
• Gas → liquido = condensazione, - disordine
• Gas → solido = brinamento
• Solido → gas = sublimazione

L'acqua è un solvente polare che può solubilizzare composti polari e composti ionici; nel caso di soluti non polari come l'olio viene creata una struttura più organizzata che “circonda” la goccia d'olio, avviene uno svantaggio termodinamico causato da una riduzione di entropia. L'acqua assume uno svantaggio/ordine nelle molecole per ridurre la superficie esposta al solvente, si ha la formazione di micelle e foglietti lipidi (lipidi).

Attività dell'acqua

L'attività dell'acqua individua le caratteristiche fisiche, chimiche, meccaniche e microbiologiche di un alimento; l'acqua influenza:

• Crescita di microrganismi,
• Reazione di Maillard/imbrunimento non enzimatico,
• Reazioni enzimatiche,
• Ossidazione lipidica.

L'acqua si trova negli alimenti in forma libera (non è legata ancora e quindi può creare nuovi legami) o in forma legata (ha legami con altre molecole e quindi non può più creare legami).

Esempio:

1. In un bicchiere d'acqua distillata pongo un cucchiaio di sale;
2. Il sale per sciogliersi viene solvatato dall'acqua;
3. Le molecole solvatate (NaCl) interagiscono con legami ionici;
4. Non tutti i legami dell'acqua saranno occupati dalle molecole del sale, in quanto la quantità di acqua (quindi anche i suoi legami) è maggiore della quantità del sale.

Non è importante la presenza di acqua in un alimento ma è importante quanta acqua libera c'è perché è quella che sarà dedicata/usata dai microrganismi per crescere (è lo stesso principio della salamoia).

Descrizione dell'acqua negli alimenti

Gli approcci:

• Contenuto di acqua tradizionale,
• Attività dell'acqua (a_w) dice la quantità di acqua libera e descrive precisamente l'interazione che l'acqua ha con i composti, descrive gli effetti dei soluti e le differenze tra gli alimenti. (Definizione libro: definita come l'abbassamento della pressione parziale del vapore dell'acqua dai soluti).
• Molecular mobility (= mobilità) cioè come si spostano le molecole a seconda del cambiamento; pone gli alimenti = matrici polimeriche e acqua = plastificante chiave.

La percentuale di acqua è utile perché è importante per i calcoli nutrizionali, formulazione di ricette, composizione e controllo dei processi di produzione; si ottiene attraverso metodi per disidratazione, per distillazione, metodi chimici e spettroscopici.

Per capire più precisamente si deve ragionare sul concetto di attività dell'acqua, viene calcolato come rapporto matematico e va a indicare quanta acqua è impegnata tramite interazioni con le altre molecole presenti nell'alimento. L'attività dell'acqua descrive lo strato energetico/la tendenza ad evaporare dell'acqua in un campione e serve per indicare quanta acqua è legata strutturalmente o chimicamente ad un prodotto.

Ci sono alimenti con umidità e attività di acqua molto uguali/molto diversi/che sono simili a diversi alimenti, diversi metodi cercheranno di rendere alimenti più stabili per un tempo molto più lungo. a_w = p/p₀ il valore che si ottiene con questo calcolo indica la stabilità degli alimenti dopo le alterazioni causate da microrganismi; a_w = ERH (umidità relativa di equilibrio)/100.

Esempi attività dell'acqua:

• Carne/verdure: a_w 0,98/0,99 (crescita batterica con optimum 0,99-1).

A seconda dell'attività dell'acqua abbiamo zone più sicure riguardo la stabilità sanitaria; 0,9 è la soglia (formaggio, salsicce), sopra è molto pericoloso dove non si ha una stabilità mentre sotto lo 0,6/0,7 (miele, frutta secca) si ha una zona di sicurezza igienico sanitaria (etichette con scadenza più lunga). Intorno allo 0,2 come i prodotti liofilizzati, dal punto di vista chimico possono subire reazioni e un decadimento dal punto di vista sensoriale/organolettico/gustativo.

Carboidrati (= idrati del carbonio)

Sono i composti organici più abbondanti in natura e diffusi nei metabolismi (vegetali/animali); la formula generale è C_n(H₂O)_m; ma non tutti la rispettano in quanto ne esistono anche di altri tipi.

Le funzioni in natura:

• Riserva energetica (amido nelle piante/glicogeno negli animali),
• Componenti strutturali di piante (cellulosa),
• Pareti delle cellule batteriche (mucopolisaccaridi),
• Componenti essenziali degli acidi nucleici (D-ribosio e 2-deossi-D-ribosio),
• Componenti essenziali nel meccanismo di riconoscimento cellulare cioè rientrano a far parte del riconoscimento dei gruppi sanguigni.

Il ruolo negli alimenti:

• Principale riserva energetica (energia di rapido utilizzo, considerando il ciclo del glucosio sviluppa 4kcal/g),
• Dolcificante a seconda delle molecole, il potere dolcificante non è correlato al concetto energetico,
• Influenza le proprietà reologiche (legate alla struttura e idratazione, es. gel),
• Precursori di aromi e colori.

Hanno variabilità chimica:

1. Vario stato di polimerizzazione (monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi);
2. Soggetti a diverse modifiche chimiche, la diversità di composti zuccherini è immensa in quanto ogni pianta ha diverse caratteristiche:

• Deossi-zuccheri – deossi-ribosio,
• Zuccheri ridotti – alditoli,
• Ammino-zuccheri – e.g. N-acetilglucosammina,
• Zuccheri acidi – e.g. acido glucuronico.

Monosaccaridi

Lo stato di polimerizzazione dei monosaccaridi: sono i saccaridi più semplici e chimicamente sono poliidrossi-aldeidi/poliidrossi-chetoni. È sempre presente un C carbonilico che se è in testa, è aldeidico dà aldosi (triosi, pentoso..) se è nella seconda posizione è un chetonico e dà chetosi (triuloso, pentuloso). La suddivisione tra aldosi e chetosi tiene conto del gruppo funzionale; i monosaccaridi variano a seconda delle serie 3C, 4C, 5C e 6C, cioè a seconda del numero di C nella catena. Fruttosio, chetoso più importante, serie 6C. Glucosio, aldoso più importante, serie 6C.

Stereochimica

• Epimero: diasteroisomero che varia solamente per un legame OH, ha solo un centro chirale.
• Stereoisomeri: molecole con i gruppi legati allo stesso modo fra loro, ma differiscono solo per una disposizione spaziale.
• Centro chirale: quando un oggetto non è sovrapponibile alla propria immagine speculare e quindi non ha un centro di simmetria; sono speculari ma non sovrapponibili.
• Diasteroisomeri: 2 stereoisomeri che non sono speculari tra loro (es. D-glucosio e L-galattosio).
• Enantiomeri: 2 immagini speculari di un oggetto.
• Emiacetali: si possono trovare in equilibrio tra forma aperta e chiusa (barca o sedia), per comodità sono soprattutto in forma aperta; si forma con addizione di un alcol + g.carbonilico = alcoli.

Il glucosio si può trovare in 2 forme chiuse (ciclo a 6), la chiusura avviene tra C1 e C6; oppure troviamo 2 forme chiuse del fruttosio (ciclo a 5) e si chiudono tra C1 e C4. Può avvenire la mutarotazione, è un fenomeno che mostra il potere rotatorio della soluzione all’equilibrio; si ha un cambiamento di potere rotatorio in alcuni carboidrati in soluzione. Quando lo zucchero ha l'estremità emiacetalica libera (gruppo aldeidico/chetonico libero) si chiama riducente; quindi essi possono essere ossidati da deboli ossidanti. Viene studiato attraverso il test di Tollens (si forma lo specchio d’argento, ione d’argento si riduce a Ag⁺ + argento metallico)/test di Fehling (ione Cu²⁺ viene ridotto a Cu⁺, si forma un precipitato di colore rosso). Questi test sono utili per capire quanto zucchero riducente è presente in un alimento e si ottiene con l’aggiunta di saccarosio e se va a buon fine, si ha una differenza.

Esiste una reazione importante che modifica il gruppo carbonilico (H – C = O) si trasformi in un gruppo alcolico (CH₂OH); con essi si producono alditoli/alcoli per sintesi industriali attraverso la riduzione catalitica con H₂. Si ottengono in un modo (chimica pulita) molto simile a quello esistente in natura; gli alditoli sono sostituti nell’industria per cibi a basso contenuto calorico, sono dei polialcoli, sostituti del saccarosio, sono acariogeni (non metabolizzabili dai batteri nel tratto gastointestinale), sono presenti in caramelle, dentifricio, pastiglie, sciroppi e gomme da masticare. Hanno la capacità di ridurre l’attività dell’acqua e la tendenza a ridurre legami H. Dal glucosio si ottiene il sorbitolo (= precursore di sintesi industriale della vitamina C), si trova anche in natura e alla lunga avviene uno processo lassativo; dal mannosio si ottiene il mannitolo (zucchero lassativo/diuretico) oppure è presente anche lo xilitolo.

Gli zuccheri in natura si trovano anche come codine glicosidiche che non c’entrano con gli zuccheri (come terpeni, fenoli ecc) con lo scopo che queste molecole rimangono meglio in acqua. Esempio: i terpeni sono quelli che danno aromi/odore, ma per produrli deve staccarsi/volatilizzarsi la parte glicosidica. Glicosidi presenti in natura: amigdalina (mandorle amare) e solanina (patate verdi).

Oligosaccaridi

Da 2 a 4/5 “mattoncini” monosaccaridici legati tramite legami glicosidici e vengono scissi per idrolisi; oltre i 5 legami prendono il nome di polisaccaridi. Possono essere riducenti (l’ultima unità di zucchero rimane vuota e si hanno legami testa-coda) o non riducenti (se accoppio 2 teste emi-acetaliche si crea un legame testa-testa). Possono essere lineari o ramificati, con catena omosaccaridica o polisaccaridica.

Disaccaridi

• Saccarosio:
  • È un disaccaride del glucosio (glucosio + fruttosio),
  • Non riducente (legate le 2 unità di testa),
  • Legame α-1,2-glicosidico tra le 2 unità di testa,
  • Non da mutarotazione,
  • È lo zucchero più diffuso = zucchero da tavola,
  • Si trova in diverse strutture/categorie merceologiche (granulato, a velo, semolato),
  • Viene estratto da barbabietola e dalla canna da zucchero,
  • Da origine allo zucchero invertito tramite idrolisi in ambiente acido dei legami, (viene trasformato il saccarosio in glucosio + fruttosio) oppure anche tramite idrolisi enzimatica (= invertasi); viene chiamato così in quanto provoca un’inversione della luce ottica sul piano; oltre che avere un potere dolcificante maggiore del normale saccarosio.
• Lattosio:
  • Disaccaride → glucosio + galattosio,
  • È riducente (legame β – 1,4 testa-coda), solo da ruminanti.
  • Casi dove non può essere digerito:
    • Non viene più prodotta la galattosidasi (enzima lattasi),
    • Non viene prodotta galattosidasi dalla nascita,
    • Interruzione di produzione di galattosidasi per mancato consumo di prodotti con lattosio.
• Maltosio:
  • Disaccaride → glucosio + glucosio,
  • Ha un legame α (= digeribile) glicosidico (1,4),
  • Poco presente in natura, in poca quantità presente nella barbabietola,
  • È riducente,
  • Mutarotazione possibile.

Tri- e Tetra-saccaridi

• Raffinosio e Stachiosio:
  • Zuccheri più complessi, cioè formati da più molecole (es. galattosio + glucosio + fruttosio = raffinosio),
  • Poco digeribili,
  • Non riducenti,
  • Contenuti nelle leguminose,
  • Vengono idrolizzati da α-galattosidasi, l’uomo non li digerisce.

Polisaccaridi (o glicani)

Polimeri dei monosaccaridi formati >10 unità, calcolato con il grado di polimerizzazione (n° di unità presenti). Si possono trovare in forma lineare (cellulosa) o ramificata (glicogeno); la ramificazione a sua volta può essere random o periodica.

• Periodica: periodo contenente 1/+ unità strutturali;
• Parziale: periodi intervallati (es. alginati...);
• Aperiodica.

Possono essere:

• Omopolisaccaridi, se formati da un’unica unità strutturale zuccherina;
• Eteropolisaccaridi, se formati da più unità zuccherine.

Sono molto abbondanti in natura ed hanno numerose funzioni:

• Proprietà strutturale nei vegetali (cellulosa, pectine..) e negli animali (chitina, mucopolisaccaridi…);
• Riserva nutritiva nei vegetali (amido, destrine…) e negli animali (glicogeno…);
• Trattengono acqua nei vegetali (agar, alginati…) e negli animali (mucopolisaccaridi);
• Tecnologiche (addensanti e gelificanti, stabilizzanti per emulsioni..).

Amido

• È una struttura formata da:
  • Amilosio, è un’omopolisaccaride lineare formato dalla stessa unità ripetuta; è più piccola dell’amilopectina, in scala misura 310; ha una struttura lineare a nastro; viene stabilizzato da legami H.
  • Amilopectina, è un’omopolisaccaride ramificato, formato solo da un tipo di glucosio, legame α-D→1,4 glucopiranosio, ha ramificazioni periodiche cioè ogni X di unità di glucosio la corrispondente ramificazione è 1,6 più grosso ed è formato da 10; è fatta ad albero con una catena che si ramificano;
• È il mattone principale per la nutrizione (carboidrato digeribile),
• Variano le sue caratteristiche, l’apporto energetico e la percentuale a seconda dell’alimento (amilosio e amilopectina);
• Diverse qualità a seconda dei comportamenti fisici/fisico-chimici;
• Svolge azione di riserva nei cereali;
• Nel granulo di amido sono presenti strutture amorfe e cristalline;
• I granuli non sono tutti uguali ma variano a seconda del tipo di cereale/alimento (mais, riso, patate…);
• Grazie ad amilosio e amilopectina avviene la gelificazione (proprietà tecnologica), con il riscaldamento (50/70°C) del granulo la struttura originale si perde e viene riorganizzato: l'amilosio passa in soluzione (perché ha dimensione minore). All’abbassamento della temperatura/energia l’acqua viene intrappolata nella struttura e si ottiene una struttura diversa; la consistenza è diversa a seconda della struttura e della tecnologia usata.
• Esistono anche amidi modificati, come le maltodestrine:
  • Vengono ottenuti dall’idrolisi parziale dell’amido,
  • Sono oligosaccaridi,
  • Grado di polimerizzazione da 5 a 100,
  • Possono essere igroscopiche (basso peso molecolare, alto potere riducente) o non igroscopiche (alti pesi molecolari, basso potere riducente),
  • Insapore e incolore, modulano la texture di prodotti senza causarne l’alterazione,
  • Ruolo...