Domande teoria da esame biochimica alimentare

Proteine e acqua negli alimenti

1) Con quali componenti possono interagire le proteine in un alimento?

Le proteine in un alimento possono interagire: con l’ambiente, attraverso interazioni non covalenti e quindi deboli, dipendenti in minor parte dalla sequenza amminoacidica e in maggior parte dalla struttura tridimensionale assunta dalla proteina (condizionano le trasformazioni e quindi anche la conservabilità); con altri gruppi di proteine, attraverso interazioni covalenti o non covalenti, determinando la struttura del prodotto (es. impasti); con l’amido presente nell’alimento; con lipidi; con il solvente che compone l’alimento; con i sali presenti nell’alimento (fenomeni di salting in e salting out delle proteine e anche denaturazione delle stesse in alcuni casi, con alcuni sali).

2) Qual è il ruolo dell’acqua in un alimento?

L’acqua in un alimento ha funzione di solvente, di elemento strutturante e di mezzo di reazione.

Come solvente scioglie e tiene in soluzione piccole molecole, condizionando gli equilibri osmotici, il pH e i cambiamenti di stato.

Come elemento strutturante l’acqua determina la struttura di una macromolecola disciolta in essa (es. la parte idrofilica della macromolecola è rivolta verso l’esterno) e anche di una piccola molecola (es. vitamina) e ciò determina una variazione della biodisponibilità e l’holding capacity della molecola.

Come mezzo di reazione l’acqua è indispensabile ad enzimi e microrganismi per lo svolgimento di reazioni degradanti (dal punto di vista della mobilità dell’acqua si intende l’acqua libera con aw=0,8-0,9, e l’acqua coordinata con aw=0.8-0.25).

3) Quali sono le tipologie di acqua in un alimento?

L’acqua in un alimento è presente sotto 4 forme diverse, che tengono conto della mobilità della stessa e della sua capacità di essere in grado di fungere da mezzo di reazione per reazioni enzimatiche, chimiche ecc.

L’acqua di tipo IV è acqua pura con aw=1 e poco importante dal punto di vista delle modifiche strutturali; l’acqua di tipo III è l’acqua libera, con aw=0,8-0,9 e viene utilizzata da enzimi, microbi e reazioni chimiche (imbrunimento non enzimatico, reazioni idrolitiche ed ossidative).

L’acqua di tipo II è quella coordinata, con aw=0.8-0.25 e regola l’attività enzimatica, le reazioni ossidative e l’imbrunimento non enzimatico.

L’ultimo tipo di acqua è il tipo I, l’acqua legata, con aw=0.25-0, che è la frazione incongelabile e anche quella che non viene tolta nemmeno con l’essiccamento ed è quella che consente la compartimentalizzazione.

4) Qual è il ruolo di una proteina nella definizione di “water holding”?

Se cambio la struttura delle proteine in un alimento cambio anche la capacità delle stesse di trattenere (interagire) con l’acqua e ciò si riflette in maniera positiva o negativa nel prodotto finale.

Definendo l’holding capacity di una proteina posso utilizzarla e manipolarla, attraverso la variazione di pH, la variazione di forza ionica utilizzando sali destrutturanti, il trattamento termico ecc. per ottenere determinate caratteristiche organolettiche, legate alla consistenza ad esempio, del mio prodotto finale.

Nel controllo dei trattamenti posso anche utilizzare questa possibilità di variazione della capacità di ritenzione dell’acqua delle proteine per operare ad un controllo sul trattamento subito dall’alimento.

Ad esempio un trattamento termico provoca una diminuzione della solubilità delle sieroproteine nel latte prendendo come riferimento la solubilità delle sieroproteine nel latte crudo a pH 4,6.

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

La qualità proteica dell’alimento è contribuita dalla biodisponibilità delle stesse, dai processi subiti dall’alimento e da altri valori edonistici.

La biodisponibilità delle proteine può essere influenzata da:

• Caratteristiche intrinseche dell’alimento (es. la biodisponibilità proteica del pesce è maggiore della carne) legata anche al contenuto amminoacidico e dalla loro strutturazione in proteine (es. proteine più idrofobiche e compatte sono difficili da digerire).
• Dal trattamento termico che causa una denaturazione parziale delle proteine aumentando in certi casi la biodisponibilità, mentre in altri può diminuirla perché se c’è forte presenza ad esempio di residui cisteinici questi fanno scambio di disolfuri e si legano con altre proteine, diventando meno biodisponibili (es. la caseina con le beta-lattoglobuline nella sterilizzazione) e in più imbrunimenti non enzimatici rendono le proteine meno attaccabili dalle proteasi;
• Fattori antinutrizionali presenti nell’alimento (es. avidina nell’uovo che si lega alla biotina e ne diminuisce l’assorbimento) che possono anche essere inibitori di enzimi come le proteasi.
• Presenza o formazione di peptidi bioattivi.

Per quanto riguarda il processo si intende una possibile omogeneizzazione, o filtrazione, centrifugazione o denaturazione enzimatica delle proteine che può andare ad alterare la struttura tridimensionale delle proteine, rendendole più o meno attaccabili dalle proteasi e quindi più o meno facilmente digeribili ed assorbibili.

Se il trattamento termico o se il processo sono sufficientemente intensi si può anche andare incontro a rottura del legame peptidico tra gli amminoacidi delle proteine.

Per valori edonistici si intendono tutti gli aspetti organolettici che il consumatore preferisce di un alimento (es. la croccantezza del pane fresco, la cremosità del latte omogeneizzato) che sono poi quelli, la cui necessità di soddisfarli porta a procedere con i processi sopra elencati per standardizzare e rendere più appetibile il prodotto.

6) Come sono tradizionalmente classificate le proteine in base alla loro solubilità?

Citoplasmatiche:

• Albumine (solubili in soluzioni acquose: sieroalbumine e lattoalbumine),
• Globuline (solubili in soluzioni saline: viciline, legumine, immunoglobuline).

Di riserva:

• Prolamine (solubili in soluzioni alcoliche: nel frumento le gliadine),
• Gluteline (solubili in soluzioni debolmente acide o alcaline: nel frumento le glutenine).

Scleroproteine: non sono solubili in nessun mezzo (presenti in molti semi).

7) Descrivere le ragioni per cui la solubilità di una proteina varia al variare del pH

Al pH equivalente il punto isoelettrico della proteina, questa ha carica netta uguale a zero e quindi è insolubile e tende ad aggregarsi e a precipitare.

Se vario il pH varia la schermatura superficiale delle cariche e può succedere che questa variazione determini anche un cambiamento della struttura (pH elevato = proteine deprotonata; pH basso = proteina protonata).

Acidificando e cambiando la struttura di certe proteine del latte può determinare la perdita della capacità di legare il calcio, quindi ne diminuisco la disponibilità (ottengo yogurt o formaggi da fondere).

8) Descrivere le ragioni per cui la solubilità delle proteine varia al variare della forza ionica

La forza ionica si basa sulla % di sali aggiunti.

Una proteina dipendentemente dal mezzo, ha una carica ben definita e tende a respingersi con proteine della stessa specie e stessa carica (salting-in), quindi la proteina è solubile.

Aggiungendo un sale questo interagisce con l’acqua libera intorno alla proteina e oltre una certa concentrazione il sale scherma le cariche superficiali, modificando la carica della proteina, causando l’inizio dell’aggregazione mediante interazioni elettrostatiche idrofobiche con le altre proteine, formando un polimero proteico che precipita (salting-out).

In base ai sali che utilizzo posso modificare o meno la struttura nativa delle proteine: i sali destrutturanti (lipofilici) sono molto piccoli e non hanno un potere di solvatazione elevato, ma possono penetrare all’interno della proteina andando ad interagire con le coppie ioniche che stabilizzano la struttura.

In altri casi anche se la forza ionica di due sali è la stessa, possono variare in modo diverso la solubilità della proteina, e ciò a dipendenza dello ione che compone il sale (es. Na+ è monovalente; Ca++ è bivalente).

9) Motivare le ragioni per cui alcuni sali stabilizzano la struttura di molecole proteiche

I sali strutturanti sono normalmente sali grossi e sono liofilici, che schermano le cariche superficiali della proteina e non intervengono nella struttura interna.

I sali lipofilici sono sali piccoli e sono in grado di entrare ad interagire con le coppie ioniche che stabilizzano la struttura.

I sali però stabilizzano la struttura delle proteine perché variano la concentrazione di cariche dell’ambiente, dando origine a fenomeni di salting-in/salting-out.

In un gel proteico formato da proteine ricche di cariche negative (es. proteine della soia isolate) lo ione Ca++ fa da ponte tra le catene proteiche e stabilizza la struttura proteica formando un reticolo e donando una texture al gel.

Questo tipo di gel è irreversibile.

10) Cosa si intende per denaturazione interfaccia?

Per denaturazione interfaccia si intende quando due fasi non miscibili entrano in contatto e si ha una fase dispersa e una prevalente. Quindi è una situazione in cui coesistono due fasi.

Se la denaturazione avviene troppo velocemente, le proteine tenderanno ad associarsi.

11) Cosa contribuisce alla stabilità di una schiuma?

Le emulsioni si formano per denaturazione meccanica controllata, anche a temperatura.

Nel caso della formazione di una schiuma si tratta dell’incorporamento di una fase idrofobica (aria) in una fase liquida.

Per creare l’alveolatura occorre che il gas (CO2 nella lievitazione) venga intrappolato nel sistema grazie alle proteine che espongono le zone idrofobiche verso la schiuma e quelle idrofiliche verso il sistema.

La cottura stabilizza la struttura.

Nella formazione della schiuma ci sono dei punti nodali in cui l’acqua presente tende a scorrere, compromettendo la stabilità della struttura.

Per evitare il collasso della struttura devo rendere il sistema viscoso (tramite sali o zuccheri), devo avere proteine con composizione bilanciata o viscose dopo la cottura, devo aumentare la solubilità e devo stabilizzare con la cottura.

12) Descrivere il ruolo di una proteina nella formazione di un’emulsione

Le emulsioni si formano per denaturazione meccanica anche a temperatura, tra due fasi. Interessano le lipoproteine nel caso della maionese.

Nell’emulsione, le proteine vanno incontro ad una denaturazione controllata tale da fare interagire le regioni idrofobiche esposte con la fase idrofobica che aggiungo.

Se opero una denaturazione meccanica troppo intensa le proteine tendono ad associarsi tra di loro tramite interazioni idrofobiche.

È importante che le proteine abbiano una composizione bilanciata e non siano orientate (non devono avere un’estremità idrofilica e una idrofobica).

13) Quali sono le caratteristiche strutturali di una proteina importanti per la sua proprietà?

Le proteine possono avere quattro strutture grazie al quale possono avere forma e caratteristiche (anche funzionali) differenti.

Nella struttura primaria, quindi guardando solo la sequenza amminoacidica, ci sono i legami peptidici che tengono uniti tra loro gli amminoacidi.

Per la formazione della struttura secondaria necessito di legami H tra i gruppi CO e NH dello scheletro amminoacidico e ho la formazione di strutture come a-elica, b-foglietto e b-ripiegamento (b-turn).

La struttura terziaria di una proteina è definita dai legami e dalle interazioni tra i gruppi R degli amminoacidi e comprende legami ionici, interazioni idrofobiche, legami H e ponti disolfuro.

La struttura quaternaria coinvolge più catene polipeptidiche uguali o diverse tra di loro a formare un polimero che può svolgere una o più funzioni specifiche in un organismo (es. ormoni, enzimi, proteine di trasporto, di riserva, immunologiche…).

14) Quali sono i tipi di interazioni che possono stabilizzare un gel formato da caseine?

Un gel formato da caseine è stabilizzato da interazioni di tipo elettrostatico ed idrofobiche.

La caseina ha una forte incidenza di prolina, che crea punti di rigidità nella proteina e poi ha anche una distribuzione abbastanza uniforme di residui idrofobici (rivolti verso l’interno in soluzione acquosa per essere solubile) e ha una serie di residui di serina che possono andare incontro a modificazioni post-traduzionali, glicosidazione o fosforilazione.

La b-caseina è ricca in residui idrofobici e ha zone fosforilate ben posizionate in una piccola porzione; as1-caseina e as2-caseina sono importanti per il mantenimento della struttura; k-caseina ha nella parte C-terminale residui di treonina glicosilati (siti di riconoscimento).

In acqua queste submicelle tendono ad unirsi a formare micelle.

Acidificando cambio le interazioni elettrostatiche con lo ione Ca++, il quale tende a legarsi meno e la struttura proteica tende ad aggregarsi (il Ca++ non solvata più e quindi le proteine hanno carica negativa e quindi idrofobica) e a precipitare.

Attraverso enzimi specifici (chimosina) per i residui 105-106 (phe-Met) della k-caseina faccio esporre alla proteina le zone idrofobiche e questa tende a raggiungere l’equilibrio tramite l’associazione con le nuove zone esposte.

15) Per quali motivi molecolari alcuni gel sono reversibili ed altri no?

Nel caso di gel proteici si tratta di una modificazione strutturale delle proteine con formazione di aggregati con grande capacità di trattenere acqua.

L’unico gel reversibile è quello stabilizzato da interazioni H, ossia la gelatinizzazione del collagene, una struttura di idrossiprolina ad elica stabilizzata da interazioni H e covalenti.

Quando fornisco calore si rompono i legami H ma non quelli covalenti e nel momento in cui la struttura si raffredda questi legami tra le proteine denaturate si riformano (la proteina non deve essere in agitazione).

Tutti gli altri gel sono irreversibili e sono:

• Gel stabilizzati da interazioni elettrostatiche: proteine della soia isolate e trattate con ioni di Ca++ per avere una texture. Il calcio fa da ponte tra le catene proteiche e forma un reticolo.
• Gel stabilizzato da interazioni idrofobiche: il siero del latte è formato da acqua, lipidi residui, lattosio e sieroproteine. Viene acidificato e scaldato a 90°C. L’acidificazione va a toccare la protonazione dei gruppi carichi e favorisco l’interazione tra gruppi che prima non potevano interagire e la temperatura aiuta la denaturazione delle proteine e la loro associazione per esposizione delle zone idrofobiche. Si formano legami idrofobici, elettrostatici e legami H.
• Gel stabilizzati da legami covalenti: l’albume d’uovo è per il 20% proteine, delle quali l’80% è ovoalbumina che nella sua forma nativa ha ponti disolfuro intracatena. L’ovoalbumina ha anche un residuo di cisteina -SH facilmente ossidabile e quando vado a scaldare, esso viene esposto e interagisce con un gruppo S-S intracatena, facendo uno scambio di disolfuri e creando un ponte disolfuro intercatena.
• Gel stabilizzati da