Domande e risposte Biochimica alimentare - modulo 2

Federico Tagliabue - domande biochimica alimentare

Intro, composizione, qualità, biodisponibilità

1) Citare alcuni dei fattori che contribuiscono alla qualità «oggettiva» di un alimento *

-I fattori che contribuiscono alla qualità oggettiva di un alimento sono: parametro compositivo, nutrizionale, strutturale e culturale. Essi sono determinabili attraverso esperimenti e dati.

-I fattori che contribuiscono alla qualità “oggettiva” sono parametri misurabili sperimentalmente del prodotto, modificabili attraverso le operazioni dei processi produttivi.

Differenziamo i fattori in:

• Compositivi: in termini di macronutrienti (carboidrati, proteine, lipidi) e in termini di micronutrienti (vitamine e sali minerali);
• Nutrizionali: accessibilità o meno della componente strutturale, biodisponibilità;
• Strutturali: caratteristiche fisiche;
• Organolettici: presenza in maggiore o minore quantità di composti volatili, misurabile attraverso l’analisi sensoriale del prodotto;

2) Qual è il significato dei termini «food safety» e «food-security»? Citare alcuni dei fattori che contribuiscono alla qualità «soggettiva» di un alimento *

-I termini “food safety” e “food security” sono due termini che fanno riferimento alla sicurezza alimentare e indicano quanto sia importante che qualsiasi alimento noi assumiamo o trattiamo sia sicuro e sano, oltre che buono e nutriente.

I fattori che contribuiscono alla qualità soggettiva di un alimento sono: parametro edonistico, economico e culturale. Essi non sono determinabili tramite dati ed esperimenti poiché dipendono dai gusti, dalle tradizioni e dalla disponibilità economica del soggetto, della persona.

-Con il termine “Food safety” intendiamo la sicurezza intesa come igiene e salubrità di un alimento, mentre con “Food security” vogliamo intendere gli aspetti etici e sociali che riguardano la nutrizione.

3) Perché alimenti con la stessa composizione non hanno lo stesso valore nutritivo? *

-Alimenti differenti, ma con la stessa composizione possono non avere lo stesso valore nutritivo perché può cambiare il processo con cui sono stati trattati e perciò, di conseguenza, cambia anche la loro biodisponibilità e i loro valori nutrizionali. Un uovo crudo è diverso da un uovo cotto, la biodisponibilità dei suoi nutrienti è totalmente diversa, pur essendo gli stessi.

-Alimenti con medesima composizione possono non avere il medesimo valore nutrizionale. Ciò è dovuto alla biodisponibilità, ovvero; la capacità o meno del nostro organismo di assimilare micro e macronutrienti contenuti nell’alimento.

Dovuta a:

• Fattori anti-nutrizionali (fitati, fibra, …)
• Trattamenti produttivi a cui si sottopone l’alimento
• Caratteristiche intrinseche dell’alimento

4) Citare e commentare brevemente un esempio di come l’acqua possa contribuire al valore edonistico di un alimento *

-Mangiare una patata cruda o mangiare una patata lessa o bollita è completamente differente. Questo perché, oltre ad essere stata trattata con un processo termico, essa ha anche inglobato e assorbito parzialmente l’acqua in cui è stata cotta, che la ha resa commestibile andando a variare di molto la consistenza, il valore edonistico e l’appetibilità.

- Con valore edonistico vogliamo intendere tutto ciò che nell’alimento riguarda aspetto, aroma e/o sapore. L’acqua contribuisce notevolmente alla variazione di questi parametri, ad esempio possiamo osservare come la semplice cottura in acqua bollente della pasta ne alteri: l’aspetto (cambio di colore e struttura), aroma (liberazione di aromi) e sapore.

5) Sapreste citare un semplice esempio di come alcuni componenti degli alimenti contribuiscono al loro colore? *

-Il prosciutto è un alimento composto da grasso, proteine, coloranti endogeni e acqua. Il colore è dovuto dall’interazione tra mioglobina del muscolo del maiale e il ferro. Se cambia questa interazione, cambia automaticamente anche il colore dell’alimento, infatti il prosciutto crudo ha un colore diverso dal prosciutto cotto proprio perché questa interazione è diversa.

- Il colore degli alimenti dipende sia dalla loro composizione che dai trattamenti a cui vengono sottoposti.

Un esempio di composizione: carotenoidi, clorofilla, flavonoidi, … Federico Tagliabue

Un esempio di trattamento: trattamenti termici che portano alla formazione di basi di Shiff e conseguenti riarrangiamenti di Amadori, portando ad un viraggio di colore tendente al marrone (caramello).

6) Quali componenti macromolecolari negli alimenti sono in grado di interagire con tutte le altre molecole presenti nel sistema? *

Le proteine sono il componente macromolecolare più importante negli alimenti poiché sono in grado di formare tante interazioni, di tutti i tipi, sia con l’ambiente che con tutti gli altri componenti e nutrienti presenti negli alimenti.

Abbiamo infatti interazioni tra proteine e ambiente, tra gruppi diversi di proteine, tra proteine e amido, tra proteine e micromolecole, tra proteine e lipidi.

7) Provate a riflettere sulle ragioni (biochimiche) per cui il latte nei paesi del Nord-Europa viene pagato in base al contenuto in grasso, mentre da noi viene pagato in base al contenuto in proteine *

La diversa valutazione economica del latte (a livello biochimico) è dovuta all’utilizzo principale che ne faranno i caseifici.

Nel nord Europa viene valutato il tenore in grassi, in quanto il latte viene principalmente utilizzato per la produzione di burro; dove conta principalmente il tenore lipidico.

Nelle regioni europee che affacciano sul mediterraneo, il latte viene utilizzato principalmente per la produzione di formaggi, dove è il tenore proteico a interessare i casari; per questo è il parametro valutato per determinare il prezzo al produttore.

8) La maionese dovrebbe essere fatta con olio e tuorlo d’uovo, ma in etichetta appare che il contenuto di carboidrati è circa il doppio del contenuto in proteine (che sono solo lo 0.8 %). Provate a ipotizzare una spiegazione…*

Il contenuto di carboidrati nella maionese è dovuto all’utilizzo dell’amido come gelificante o addensante, aumentandone la corposità e variandone la consistenza.

9) Quali aspetti contribuiscono a definire la qualità proteica di un alimento?

-In campo alimentare con qualità proteica di un alimento si intende la quantità di AA essenziali, cioè quegli AA che non siamo in grado di autoprodurci (non dimentichiamo i semiessenziali cioè che siamo in grado di produrre ma partendo da AA essenziali). Maggiore è la quantità di questi AA maggiore sarà la biodisponibilità e maggiore sarà la qualità proteica. In campo tecnologico ci sono vari aspetti che influiscono sulla qualità proteica. 1 di questi è il trattamento fisico (temperatura ma anche pressione) in quanto in generale le proteine native hanno la caratteristica di essere solubili ed non digeribili quando native. Se invece denaturate tramite trattamento termico ma anche pressorio. (alta pressione) queste proteine assumono la caratteristica di essere digeribili. Un esempio classico è il comportamento di ovoalbumina in albume crudo e cotto. Sempre la denaturazione di proteine può aumentare la loro qualità nel senso che spesso la proteina nativa può fungere da sequestrante di micronutrienti (avidina con la biotina o complessi proteici con la niacina).

-La qualità proteica di un alimento è determinata dalle interazioni della proteina con le altre componenti presenti nell’alimento. Ad esempio la relazione tra la proteina e l’ambiente influisce sulla texture del prodotto e sulla sua conservabilità. Importante è anche la relazione con altre macromolecole (es. relazione proteina-amido nella pasta determina la qualità della pasta stessa). In base alle relazioni con gli altri macronutrienti, le proteine possono quindi avere funzioni diverse: esistono proteine strutturanti come nel caso di actina e miosina; proteine con funzione di riserva come quelle che troviamo nei semi e nelle uova. La composizione amminoacidica della proteina determina la struttura primaria che a sua volta determina le strutture di ordine superiore, questo influisce fortemente sulla biodisponibilità della proteina e su come il nostro corpo è in grado di metabolizzarla e riutilizzarla.

H₂O e proteine

1) Cosa sono le «scleroproteine»?

All’interno della classificazione di Osborne del 1909 sono distinte delle famiglie di proteine alimentari in base alla loro solubilità in mezzi diversi: le scleroproteine in particolare sono proteine fibrose, insolubili in acqua in ambiente neutro (condizioni normali), difficilmente attaccabili dagli enzimi proteolitici in quanto presentano nella loro struttura legami disolfuro, ovvero legami covalenti, per questo sono molto resistenti. Hanno funzione di sostegno e di protezione negli organismi animali; ne sono esempi la cheratina, il collagene, l'elastina.

2) Quali basi molecolari accomunano comuni metodi di conservazione di alimenti deperibili: a) essiccazione; b) aggiunta di sale; c) utilizzo di salamoia; d) utilizzo di sciroppi? * Federico Tagliabue

I principali metodi di conservazione per gli alimenti deperibili elencati in domanda riguardano la limitazione dell’acqua libera all’interno della matrice.

L’acqua non associata infatti risulta essere un ottimo substrato per la crescita microbica e gli alimenti ricchi della stessa possono subire effetti di water transfer.

I metodi sopraelencati si occupano di allontanare l’acqua direttamente, come l’essiccazione, oppure di ridurre l’acqua libera facendola interagire con altre molecole, come ad esempio gli ioni Na⁺ e Cl^- (con l’aggiunta di sale o l’utilizzo di salamoia), o legandola agli zuccheri con l’utilizzo di sciroppi.

3) Spiegate le possibili ragioni per cui la beta-lattoglobulina nativa è solubile a pH 4.6, mentre non lo è la proteina denaturata *

A pH 4,6 (pH inferiore al punto isoelettrico) la repulsione delle cariche tra le proteine comporta un mantenimento in soluzione dovuto all’eccesso di cariche positive. (così come a pH superiori al punto isoelettrico).

La beta-lattoglobulina a seguito della denaturazione tenderà ad esporre i siti idrofobici inducendo così i fenomeni di aggregazione che porteranno alla formazione di agglomerati proteici che andranno a precipitare, diventando così insolubili.

4) Per quali ragioni molti alimenti rilasciano acqua quando si aggiunge sale (NaCl) sulla loro superficie? *

-NaCl, il comune sale da cucina, è un sale strutturante o liofilico che, una volta scisso nei suoi due ioni, libera Na⁺ e Cl^- che, essendo NaCl un sale strutturante, hanno una grossa sfera di solvatazione, ossia attirano a sé molta acqua, aumentando di molto le dimensioni. Ciò comporta il fatto che, non essendo in una soluzione acquosa, ma su un alimento, essi attirano l’acqua presente nell’alimento (unica fonte di acqua disponibile).

I sali strutturanti non vanno a modificare la struttura delle proteine poiché non riescono ad entrare all’interno di esse.

- Le ragioni per cui molti alimenti rilasciano acqua quando aggiungiamo sale sulla superficie è da ricercare nei fenomeni di osmosi e di solvatazione.

Per quanto riguarda l’osmosi; noi sappiamo che il solvente fluisce dalla soluzione meno concentrata a quella a concentrazione più alta.

Con la solvatazione invece abbiamo la formazione di sfere di acqua dovute alla formazione di legami dipolo-dipolo e forze di Van Der Waals tra gli ioni Na⁺ e Cl^- con le molecole di H₂O.

5) Perché si usa il gesso (CaSO₄) per convertire estratti solubili di proteine di soia in una massa semisolida come il tofu? *

Utilizziamo il gesso CaSO₄ come sale “destrutturante” grazie alle ottime capacità lipofile dello ione SO₄^2- così da ottenere, da una massa di proteine solubili (del latte di soia), una massa insolubile come il tofu.

6) Presentare e commentare un esempio di sineresi nella precipitazione di proteine indotta dal pH *

L’acidificazione del latte comporta la formazione di una miscela cremosa e coesa (yogurt, le proteine si legano all’acqua) mentre in prossimità del punto isoelettrico (poco sopra) la perdita di capacità di interazione con l’acqua porta ad una inevitabile sineresi.

Durante la conservazione il pH tenderà naturalmente a crescere portandosi sempre più in prossimità del punto isoelettrico causando un’incapacità di trattenere l’acqua e il suo conseguente allontanamento.

7) Perché la solubilità di proteine è minima al loro punto isoelettrico? *

-La solubilità di una proteina è in funzione del pH della soluzione. Per tutte le proteine si raggiunge un minimo di solubilità quando il pH della soluzione è uguale al PI della proteina: al punto isoelettrico una proteina ha carica netta pari a zero; le cariche positive eguagliano quelle negative, non si respingono e la proteina avrà la minima capacità di trattenere acqua. Prevalgono così le interazioni tra proteina e proteina, che danno luogo all’associazione reversibile di proteine a formare aggregati troppo grossi affinché l’acqua le disperda. Invece lontano dal PI, in ambienti acidi o basici, le cariche (positive o negative) si respingono, facendo prevalere l’interazione col solvente.

- La solubilità delle proteine risulta essere minima in prossimità del punto isoelettrico a causa delle interazioni tra di esse che portano alla formazione di agglomerati (pallozze proteiche) che precipiteranno.

A pH elevati e molto bassi prevarranno le interazioni con l’acqua e la conseguente capacità di trattenerla.

8) Cosa si intende per «salting in» e «salting out»? *

-Il salting in e out sono due fasi che caratterizzano il concetto di solubilità delle proteine e che spiegano come alcune proteine sono solubili in acqua (ad es le albumine), altre in acqua e sale (ad es le globuline). Federico Tagliabue

Nel salting in la solubilità aumenta al crescere della forza ionica, per schermatura delle forze elettrostatiche: le globuline sono solubili in acqua e sale perché quando la forza ionica è bassa, esse formano aggregati stabilizzati da forze elettrostatiche; aggiungendo sale, l’interazione degli ioni solvati con le cariche della proteina, che hanno attorno controione e acqua di solvatazione, portano a smorzare la carica della proteina. Queste ultime quindi stanno ad una certa distanza per la presenza di acqua e l’attrazione tra cariche di segno opposto decresce con il quadrato della distanza.

Nel caso del salting out, quando la forza ionica è elevata (aggiunta di un’eccessiva quantità di sale), la solubilità diminuisce: il sale in eccesso per potersi solvatare deve rubare l’acqua di solvatazione che riveste le proteine, favorendo così l’attrazione tra cariche opposte delle proteine.

-Prima di tutto sono due fenomeni che fanno variare la solubilità di una proteina senza andare a variare la struttura di quest’ ultima che rimane nativa. La differenza tra i due trattamenti sta nella forza ionica del sale quindi uno stesso sale può determinare sia salting in /out in base alla sua quantità e in base alla sua forza ionica cioè quanto si dissocia in termini di equivalenti nella reazione. Infatti due sali che hanno concentrazione uguali ma rapporti stechiometrici diversi, determinavano uno salting in o uno out. Se io ho sale a bassa forza ionica e quindi con una bassa capacità di attrarre in modo elettrostatico le molecole di acqua, io vado a schermare una piccola quantità di cariche. Quindi questo sale non è in grado di allontanare tutte le molecole di acqua dalla proteina, ma per esempio possono schermare interazione elettrostatica tra due proteine che dipende da una quantità di carica inferiore rispetto alla totalità di cariche scambiare tra la proteina ed il solvente acquoso. Il sale a bassa forza ionica quindi annulla interazione elettrostatica tra due proteine e quindi la mia solubilità aumenterà. Salting out quanto invece ho sale ad alta forza ionica che è in grado di strappare tutte le molecole di acqua dalla superficie delle proteine e di conseguenza le proteine per forze di natura entropica e quindi per favorire una situazione di equilibrio termodinamico, le proteine tenderanno ad agglomerarsi e quindi perdere la capacità di solubilizzazione.

- La solubilità delle proteine può essere modificata tramite l’aggiunta di varie concentrazioni di sali inorganici.

Una bassa concentrazione di sale porta ad un aumento della solubilità (salting in), viceversa una bassa concentrazione di sale ne fa diminuire la solubilità (salting out).

Ciò è dovuto alla bassa forza ionica del sale che contribuisce ad abbassare quella della soluzione.

Salting-in: quando viene aggiunto il sale gli ioni da esso derivanti interagiscono con le cariche elettriche di superficie delle proteine neutralizzandole e impedendo la formazione di aggregati.

Salting-out: aumentando la concentrazione di sale, e quindi facendo aumentare la forza ionica in soluzione, si ottiene un eccesso di cariche che, dopo aver saturato la proteina, la destabilizzano entrando in competizione con essa per il solvente.

9) Perché le prolammine sono solubili solo in soluzioni alcooliche concentrate? *

-Le prolammine sono una classe di proteine solubili in soluzioni alcoliche concentrate, come etanolo e isopropanolo, poiché essendo delle proteine con funzione di deposito e riserva contenute nei cereali, hanno caratteristiche molto apolari poiché sono costituite da glutammina e asparagina, due amminoacidi apolari.

- In presenza di alte concentrazioni di alcoli miscibili con l’acqua (etanolo o propanolo), la struttura viene alterata. Mancando la “spint