Analisi strumentali dei principali costituenti dei prodotti alimentari

Acqua e il suo ruolo negli alimenti

L'acqua è il componente dominante di molti alimenti. È sia un mezzo che favorisce le reazioni chimiche, che un reattivo che partecipa direttamente alle reazioni (idrolisi). Di conseguenza, la sua rimozione o immobilizzazione (ad esempio mediante l'aggiunta di sali o zuccheri) rallenta molte reazioni e inibisce la crescita dei microrganismi, aumentando la shelf life. Attraverso l'interazione con proteine, polisaccaridi, lipidi e sali minerali contribuisce alla consistenza dell'alimento.

Contenuto in acqua di alcuni alimenti

La funzione dell'acqua in un alimento può essere compresa quando ne vengono specificati la sua struttura e il suo stato fisico in quell'alimento. L'acqua non deve essere presente nell'olio, a causa dell'idrolisi dei trigliceridi tramite la lipasi, che porta alla formazione di glicerolo e acidi grassi.

Le proprietà dell'acqua

È una molecola tetraedrica, con ossigeno ibridato sp H – O – H 104,5°. È, inoltre, una molecola a carattere parzialmente ionico (33%). Ogni tetraedro è coordinato con altre molecole attraverso legami idrogeno (legami deboli, 24 kJmol). I doppietti :O: sono accettori di H. I legami H – O sono donatori di H. Il legame idrogeno si instaura tra l’idrogeno e un atomo elettronegativo (F, O, N), il quale attrae a sé gli elettroni di valenza, lasciando l’H con una parziale carica positiva. La presenza contemporanea di 2 siti accettori e di 2 siti donatori permette l’associazione delle molecole in network tridimensionali stabilizzati da legami H. Questa struttura spiega le proprietà chimico-fisiche dell’acqua, diverse da quella di molecole simili a piccola taglia, come NH₃ e HF, che formano solo associazioni lineari o bidimensionali. Si spiegano così anche le eccezionali proprietà solventi dell’acqua.

Acqua liquida e ghiaccio

La struttura del ghiaccio è un esempio della forza cumulativa di molti legami H. Ogni molecola d’acqua è circondata da 4 altre molecole disposte a tetraedro, con cui forma ponti H (2 sono accettori e 2 donatori). Come conseguenza di questa struttura “aperta”, l’acqua è una delle pochissime molecole che si espande quando passa allo stato solido. L’acqua conserva l’85% dei legami H passando allo stato liquido.

Sostanza secca

Tradizionalmente, invece di indicare il contenuto in acqua di un alimento, si preferisce indicare il suo contenuto in sostanza secca (SS), cioè il completamento a 100 della percentuale di acqua. Quindi è la parte di alimento costituita da tutto ciò che non è acqua.

100 - %H = % SS

100 - %Umidità = %SS

Metodo di riferimento (tradizionale)

In stufa a 65°C fino a raggiungere perso costante (≈ 24-36h) a 65°C per non ossidare le molecole organiche o distruggere le proteine.

• Tempi lunghi, scarsa accuratezza, interferenze (es. insilati)
• Presenza di sostanze volatili che con il calore possono essere allontanate (A.G.V, NH₃, acido lattico, etanolo)
• È necessario usare fattori di correzione per queste componenti

Un campione essiccato tende a riprendere l’acqua dall’ambiente (umidità). Quindi il campione deve essere inserito in un essiccatore, che è un contenitore nel quale si può creare il vuoto.

Metodo strumentale

Spettroscopia del vicino infrarosso (NIR)

I legami chimici iniziano a vibrare in maniera specifica a certe lunghezze d’onda che sono diverse per ogni gruppo. Il legame chimico dell’acqua è un legame semplice tra l’H e l’O.

Determinazione dell’acqua ad alta sensibilità (Titolazione di Fisher)

La titolazione di Karl Fisher è una tecnica analitica utilizzata per la misura del contenuto di acqua (umidità totale) in composti liquidi o solidi, che prende il nome del chimico tedesco che l’ha elaborata. Consiste in una titolazione il cui punto finale è rilevato per via elettrochimica o volumetrica. Si tratta di un metodo sensibile dove vengono utilizzati dei reagenti, come un titolante e un solvente, permettendo di rilevare tracce di acqua fino a pochi ppm. Oggi sono disponibili da parte di varie ditte le versioni commerciali comprendenti kit di reattivi e l’apparecchiatura per l’analisi in automatico.

Dal punto di vista chimico, il metodo di Karl Fisher è una titolazione redox iodometrica non acquosa. La reazione chiave di questo processo è l’ossidazione di anidride solforosa (SO₂) da parte dello iodio (I₂), ecco perché si parla di titolazione iodometrica. Il solvente in cui si esegue la titolazione è anidro, solitamente metanolo (CH₃OH), in presenza di una base che sia in grado di neutralizzare l’acido solforico prodotto dalla reazione. In passato si faceva uso della piridina, oggi si predilige l’uso del meno tossico imidazolo.

La reazione cardine è la reazione di Bunsen: I₂ + SO₂ + 2H₂O → 2HI + H₂SO₄.

Si tratta di una reazione di ossido-riduzione, in cui lo iodio molecolare viene ridotto a ioduro, e l’anidride solforosa, in cui lo zolfo ha lo stato di ossidazione +4, si ossida e passa a +6. La reazione è in realtà più complessa, e studi recenti suggeriscono che avvenga in 2 step:

1. L’anidride solforosa reagisce prima col metanolo a dare un monometil solfito (si noti che a questo stadio non cambiano i numeri di ossidazione). B rappresenta una base generica: → CH₃OH + SO₂ + B → CH₃SO₃ + HB
2. Il monometil solfito reagisce con lo iodio (che viene ossidato): → CH₃SO₃ + H₂O + I₂ + 2B → CH₃SO₄ + 2HB + 2I^-

Questa rappresentata è la reazione fondamentale della titolazione di Karl Fisher. Siamo finalmente arrivati al passaggio chiave. La reazione di ossido-riduzione procede fintanto che è presente acqua nella cella di reazione (l'acqua si misura misurando i reagenti che vengono usati). La titolazione può essere di 2 tipi, volumetrica (tradizionale) o elettrochimica. Nel secondo caso l’apparato per la titolazione si compone di 2 compartimenti separati da una membrana permeabile agli ioni. In uno è immerso l’anodo, nell’altro il catodo, entrambi nella soluzione anodica. Nella soluzione anodica mettiamo il metanolo (CH₃OH), la sostanza che cui si intende misurare il contenuto in H₂O esattamente pesata, anidride solforosa (SO₂), e la base. Lo iodio (I₂) viene generato per via elettrochimica, facendo passare corrente tra i 2 elettrodi. Verrà prodotta una mole di iodio per ogni mole di elettroni (legge di Faraday). A questo punto la titolazione segue la reazione mostrata prima. Il punto finale è determinato per via bipotenziometrica.

Preparazione dei campioni

I campioni devono essere preparati diversamente secondo il loro stato. I solidi hanno acqua legata, adsorbita o tenuta come acqua di cristallizzazione, o bloccata nella molecola. Di conseguenza, devono essere dissolti in un solvente adatto.

Applicazioni della titolazione di Fisher

Il contenuto di acqua di molte matrici può essere risoluto facendo uso della titolazione di KF. Questi includono le derrate alimentari; i prodotti trasformati, gli integratori. La sensibilità può scendere sotto 1 ppm. Ciò comprende sia l’acqua di superficie che quella adsorbita.

Ferme e funzioni dell’acqua negli alimenti

Le funzioni dell’acqua dipendono dall’interazione con gli altri componenti presenti nell’alimento. Il contenuto d’acqua è inversamente proporzionale al valore economico. Ma più importante: le proprietà dell’acqua sono legate alle operazioni di ingegneria sugli alimenti (congelamento, concentrazione ed essiccamento).

• Cambiamento di stato
• Calore specifico
• Calore latente di fusione
• Calore di evaporazione
• Conduttività termica
• Diffusione termica

Le interazioni con gli altri componenti del sistema determinano la stabilità fisica e biochimica dell’alimento, impartendo le proprietà colligative (tensione di vapore, tensione superficiale, punto di congelamento, punto di ebollizione, viscosità, gradiente di pressione osmotica).

Funzioni dell’acqua negli alimenti

Elementi chiave dell’interazione tra acqua e polimeri in un alimento:

1. L’acqua conferisce plasticità (texture) ai materiali amorfi;
2. Le transizioni di fase sono parametri fisico-chimici che regolano la produzione, le proprietà del prodotto, la qualità e la stabilità;
3. Gli stati di non equilibrio vetrosi ed elastici determinano le proprietà di texture, reologiche e termomeccaniche.

Forme di acqua negli alimenti

L’acqua può essere presente negli alimenti in almeno 3 forme:

• Acqua libera (nei pori, spazi intermolecolari) non interagisce con gli altri componenti
• Acqua adsorbita sulla superficie (dei colloidi: amidi, pectine, proteine) crea un film intorno ai componenti
• Acqua legata (es. di idratazione) è legata ai componenti presenti negli alimenti

La separazione non è così netta. L’acqua nella farina non può essere eliminata perché è legata. Modello semplificato rispetto alla situazione reale, che è difficile da verificare sperimentalmente.

Isoterme di adsorbimento

Sono dei diagrammi che mettono in relazione il contenuto di umidità con l’attività dell’acqua in un alimento. aw = P_s / P₀ = ERH / 100

• P_s Tensione di vapore dell’acqua negli alimenti
• P₀ Tensione di vapore dell’acqua pura
• ERH Umidità relativa all’equilibrio

A = formazione di mostrato

B = guscio di coordinazione (molecole fisse, non congelabili)

C = acqua mobile che riempie i capillari

1 H NMR

Calorimetria differenziale

In genere le due curve di adsorbimento e di desorbimento non coincidono (isteresi). Farina a 25°C Grano a 25°C. La divisione tra acqua libera, adsorbita e legate è arbitraria, ma consente una grossolana divisione degli alimenti in LMC, IMC e HMF (alimenti a basso, medio e alto contenuto di umidità).

L’acqua nella farina e nella produzione di impasti e pane

Farina:

• Amido = 70-75%
• Proteine = 13-14%

Quando la farina viene impastata, i lipidi passano in forma legata e costituiscono il glutine. Il livello critico di umidità a cui ciò avviene è 20-30%. Questa transizione conferisce le caratteristiche reologiche dell’impasto e la qualità del pane dopo la cottura (sofficità della crosta, croccantezza, indurimento della crosta). L’acqua costituisce circa il 40% dell’impasto e il 35% del pane. Costituisce il 14% della farina al 70% di umidità (la farina conservata a questo valore di umidità si conserva bene). L’acqua nella farina si lega con legami idrogeno agli OH dell’amido (46%) e all’O del legame peptidico delle proteine (31%), con le catene laterali degli AA e con pentosani (23%). L’assorbimento dell’acqua da parte della farina nell’impasto dipende dalla quantità e qualità di proteina, dal danneggiamento meccanico dell’amido.

Area superficiale estesa: 235 m²/g. Idratazione rapida.

• Troppa acqua sospensione
• Poca acqua impasto non coeso

Additivi

• Sali: tempi di sviluppo lunghi, minore assorbimento di acqua per la denaturazione delle proteine
• Grassi: minore assorbimento di acqua
• Emulsionanti: maggiore assorbimento di acqua

Il processo di produzione delle “farine istantanee”:

I cambiamenti chimico-fisici dovuti all’“agglomerazione” sono sfruttati nella preparazione di farine istantanee (o agglomerate), caratterizzate da caratteristiche di umidificazione superiori (brevetti US a partire dal 1915). Le normali particelle di farina hanno difficoltà a umidificarsi per la piccola dimensione che non riesce a vincere la tensione superficiale dell’acqua. Le farine istantanee sono prodotte mediante agglomerazione di particelle di farina convenzionali (5 μm) con un fluido per formare cluster che poi sono liofilizzati mediante spray-dryer. Le particelle risultanti sono dotate di maggiore uniformità, disperdibilità e umidificabilità.

L’acqua nei processi di produzione di snack e merendine

L’acqua nei processi di produzione di snack e merendine: si ha perdita di croccantezza per assorbimento di umidità. Il contenuto di acqua determina la plasticità e la sofficità della matrice amido-proteina, che altera la forza meccanica del prodotto. Es: l’industria considera non vendibili le patatine con umidità del 3%. In UK i crackers con 3,5% sono considerati inaccettabili. L’aw critica per patatine e popcorn è 0,4 (0,35-05). 0,4 è il valore della transizione vetroso-cristallino nei sistemi modello di zuccheri in cui comincia la mobilizzazione dei costituenti.

L’acqua nella carne

La capacità di mantenere l’acqua è importante per la qualità della carne e dei prodotti derivati. Nel muscolo striato, l’acqua (75% in peso) è legata alle proteine miofibrillari: solo il 5% è acqua legata, il resto è nella struttura del tessuto. La capacità di mantenere l’acqua dipende dalle proteine del reticolo sarcoplasmatico.

Interazioni elettrostatiche

Actomiosina pI = 5.0. Repulsione decresce la coesione assorbimento d’acqua (oltre un certo limite si ha un gel)

• Acidi o basi = aumento di carica netta = immobilizzazione di acqua
• Iniezione ante-mortem di adrenalina = diminuzione del glicogeno = assorbimento acqua
• Sali (NaCl, polifosfati) alterano il pH
  • Immobilizzazione acqua a pH maggiore di pI
  • Liberazione acqua a pH minore di pI

Il NaCl usato nella salatura può far raddoppiare il volume del muscolo. Subito dopo la macellazione la capacità di trattenere acqua diminuisce per l’esaurimento di ATP che blocca il meccanismo di scorrimento actina/miosina. Successivamente il muscolo si rilascia per l’intervento dei fenomeni proteolitici aumentando la capacità di trattenere l’acqua.

Proprietà delle carni legate alla capacità di immobilizzare acqua

• Distribuzione del grasso
• Tenerezza
• Succosità
• Colore

Esempi:

• Riscaldamento denaturazione proteine rafforzamento del network actina-miosina perdita di acqua carne meno succosa.
• Macinazione per salsicce distruzione del network assorbimento di acqua lavorazione prima del rigor mortis in presenza di ATP, salsicce migliori.

Acqua e preservazione della qualità

Secondo Labuza, la tensione di vapore dell’acqua libera negli alimenti si avvicina a quello dell’acqua pura. La variazione è data dalla legge di Raoult.

• n_s = P_s = %H_Rs
• x = x = 1 – x_H2O
• n_s + n_H2O

% HR umidità relativa percentuale di equilibrio. aw attività dell’acqua o umidità relativa. L’osservanza della legge di Raoult è solo teorica. Molti alimenti mantengono aw alta anche con umidità molto al di sotto del 50%.

Conservazione degli alimenti

Rallentamento (refrigerazione) o distruzione (sterilizzazione) dell’attività microbica ed enzimatica.

• aw = 0,91 batteri
• aw = 0,88 lieviti
• aw = 0,80 protozoi
• aw = 0,75 batteri alofili
• aw = 0,68 funghi
• aw = 0,60 lieviti osmofili

In alternativa, rimozione (deidratazione) o abbassamento dell’attività (sali).

• aw = 1,0 – 0,8 molalità: 0 – 6 14 – 18

aw accelera le reazioni di imbrunimento dei cibi con un massimo di aw = 0,7 (IMF). Nell’ossidazione a valori più bassi di aw aumenta la velocità della reazione, perché quando si rimuove l’acqua i componenti iniziano ad avvicinarsi ed è più facile che gli agenti ossidanti trovano più facilmente i lipidi. Inoltre, gli ioni metallici sono catalizzatori dell’ossidazione, ma se l’acqua aumenta crea delle sfere di idratazione che annullano questa caratteristica, mentre se viene allontanata l’acqua le sfere di idratazione diventano sempre più piccole e gli ioni catalizzano la reazione.

Il range di massima stabilità per un alimento è aw = (0,2-0,4).

• Refrigerazione: Alti costi di impianto e di gestione.
• Disidratazione: Deterioramento di struttura, della texture, della qualità globale, imbrunimento. Si può avere precipitazione di componenti. Un esempio è quello dei carboidrati, che precipitano allo stato amorfo vetroso dall’elevata mobilità e igroscopicità.

È importante nei processi di:

• Cristallizzazione dello zucchero
• Produzione di latte in polvere
• Produzione e conservazione di tè e caffè solubile
• Mantenimento dei composti volatili nella produzione

• Congelamento: L’acqua legata degli alimenti non è disponibile e non è congelabile, perché interagisce con i componenti di natura polare. Anche a -20°C restano mediamente 0,3g di acqua non congelabile per grammo di solido sgrassato.