Appunti Chimica degli alimenti

Chimica degli alimenti e dei metaboliti naturali bioattivi

Modulo prof. Medana

• Esame (scritto, 35 domande aperte): febbraio, aprile, giugno, luglio, settembre, novembre - 45 min; max 4 righe.

Spettrometria di massa

Capace di vedere ioni volatili. Non si parla di frammenti, ma segmenti. Frammenti nello spettro di massa.

Omologia BPA

BPA (bis fenolo A, un plastificante) ha un'omologia con estradiolo - ora tutto BPA free, è un interferente endocrino.

Parametri chimico-fisici

Livello di ossidazione, elettronegatività, dipoli, legami ionici, forze intermolecolari, volatilità, solubilità.

LogP e LogD

logP: ci dice quanto una molecola è più solubile in acqua rispetto ad altri solventi. logD: coefficiente di ripartizione in funzione del pH.

pKa

Ionizzabilità acida/basica dei composti organici. ADME: assorbimento, distribuzione, metabolismo, eliminazione.

La chimica degli alimenti

La chimica degli alimenti studia le proprietà chimiche, fisiche e biologiche degli alimenti dal punto di vista molecolare. Noi studiamo sia animali sia vegetali post-mortem e post-raccolto. Rapporti causa-effetto e relazione struttura-funzione; le proprietà sono importanti per la sicurezza del cibo. Alterazioni alla texture, al sapore, al colore, al valore nutritivo, per la sicurezza.

Reazioni coinvolte

• Imbrunimento enzimatico (es. taglio frutta che diventa nera).
• Non enzimatico (prodotti da forno, ecc.).
• Interazione con metalli, perossidazione lipidica, idrolisi.

Il nostro metabolismo è ossidativo. La CO2 non può essere ulteriormente ossidata, perciò viene eliminata (da noi tramite la respirazione, dalle macchine ecc.). Man mano che il C si ossida ci sarà qualcosa che si riduce. Il legame CH va interpretato come legame elettronegativo in cui H è carico positivo e il C carico negativo.

Gradi di ossidazione

• Primo grado di ossidazione: ossidazione per introduzione di un'insaturazione o eteroatomo (contenenti N, O, alogeni, S).
• Secondo grado di ossidazione: derivati carbonilici. Aldeidi, chetoni, (emi)acetali, enoli e simili. La formalina è un'aldeide idrata, non è un alcol!
• Terzo grado di ossidazione: derivati carbossilici. Includono anidridi e alogenuri di acile.
• Quarto grado di ossidazione: carbonio completamente ossidato e circondato da eteroatomi, es. CO₂.

Solubilità

La solubilità è una concentrazione. Coefficiente di ripartizione P: a parità di volume, solubilità relativa tra l’ottanolo e l’acqua. logP: rapporto tra la concentrazione in fase organica e quella in fase acquosa sia in fluidi biologici che nei solventi di estrazione. Può dipendere dal pH (logD).

Acidi e basi

Per l’acido acetico è 5: a pH 5 ho il 50% di specie tendenzialmente idrofobica e il 50% idrofila. Se so che la pKa è 5 e metto il mio composto in un campione, se questo è inferiore a 5 prevarrà il logP neutro; se è superiore a 5, prevarrà la forma ionizzata. Un acido è forte quando la pKa è piccola (per HCl è <0, per CH₃COOH è 5). Se la pKa è superiore a 14, in acqua non c’è ionizzazione.

Alcaloidi

Un alcaloide deve essere: 1) di origine naturale 2) basico. Composti acidi: acidi carbossilici, fenoli, sulfonamidi. Nel mondo dei viventi il pH non sale mai sopra il 9 (min stomaco 1.5, max 9 nel duodeno).

Esempi di composti

MAF: metaminofenolo ha un gruppo acido debole (è un fenolo, pKa 10) e un gruppo basico debole (pKa 4). PABA: acido para-amminobenzoico; COOH è abbastanza forte (pKa 2.5), mentre l’ammina è debole. Nello stomaco si avrà sempre e solo carica positiva, ma nel sangue prevarrà la forma negativa.

Zwitterioni

GLY, Glicina: COOH forte con pKa 2 e amino gruppo pKa 10. Nel sangue zwitterione vero, che funziona a pH 3-10.

Concentrazione

Per i farmaci: margine di sicurezza tra concentrazione attiva e tossica. Per alimenti c’è solo eventualmente la dose tossica. Curva di concentrazione di qualunque sostanza venga assunta per via orale.

Acqua

Solvente e reattivo; reazioni di idrolisi = composti organici ed inorganici interagiscono con l’acqua dando luogo a nuovi legami covalenti in cui l’acqua è coinvolta. In altre reazioni l’acqua è un prodotto, ad esempio nelle reazioni di disidratazione termica. In altri casi coesistenza di acqua come solvente e come reattivo.

Unico caso in cui il solido ha densità minore rispetto al liquido - concetto strettamente correlato con la vita. Attività dell'acqua - correlato alla vita media degli alimenti e alla loro shelf life. Acqua potabile - drinking water: sottoposta a diversi trattamenti per evitare il rischio microbiologico, integrato col rischio chimico (conservanti, disinfettanti). È la molecola più abbondante sulla Terra e all’interno di una cellula: è un solvente biomolecolare.

Proprietà dell'acqua

• Densità max a 4°C (fase liquida) = ghiaccio galleggia sull'acqua, permettendo la vita in profondità anche a T fredde.
• Elevato punto di ebollizione (leg H).
• Serve per il trasporto di composti polari e ionici nei sistemi biologici.
• Gli ioni si muovono in soluzione circondati da una sfera di idratazione di molecole d'acqua.
• Assorbe la radiazione infrarossa (capacità di interagire con le onde EM); tampona le temperature.
• Tensione superficiale consente la formazione delle gocce d'acqua.
• Costituente principale di molti alimenti.
• Struttura molecolare e caratteristiche: permette dissociazione in ossigeno e protoni.

Tutti gli atomi semplici della tavola periodica danno composti con l'acqua quasi sempre gassosi o che liquefano a T basse (CH₄, NH₃, H₂S...). Densità circa 1g/ml per acqua e 0,91g/ml per il ghiaccio. Attraverso i ponti idrogeno si formano strutture poligonali, che possono coinvolgere soluti o cosolventi.

Nel caso della copresenza di sali, gli elettroni di non legame vanno a occupare gli orbitali liberi degli elementi elettropositivi/dei cationi, formando i complessi acquosi (aqua complexes). Gli anioni sono coinvolti in interazioni ioni-dipolo.

Acqua legata e interazioni

La quantità di acqua legata che interagisce coi cationi o con i carboidrati o con i polimeri i carboidrati, è in equilibrio con la quantità totale di acqua che abbiamo nell’alimento che funge da solvente: questo equilibrio dipende da T e dall’umidità esterna. L’acqua legata, dando interazioni con altre specie molecolari, rimane "unfrozen", non congelata anche a T molto basse (fino a -40°C). Quindi non è disponibile a fare da solvente per reazioni, che diventano dunque lente (non portano avanti il decadimento chimico dell'alimento).

Produce l’allargamento di banda negli esperimenti che coinvolgono la risonanza magnetica protonica. Si muove insieme alle macromolecole negli esperimenti che coinvolgono velocità di sedimentazione, viscosità o diffusione. Costituisce dunque la sfera di idratazione di anioni e cationi che sono presenti in soluzione anche quando il solvente diminuisce. (NB: molecole sotto i 1500 Dalton sono "micromolecole").

Interazioni

Spontanee in due casi.

• Energia libera ΔG < 0; sia in vivo, sia in ambito analitico - interazioni idrofiliche (leg. H, ioni-dipolo, dipolo-dipolo). Facili da indicare.
• ΔG > 0; interazioni idrofobiche; più complesse da identificare. Diventano spontanee quando l'entropia S si abbassa (micelle intorno all'acqua).

La shelf life è aumentata aumentando l'acqua legata -- l'essiccamento o la conservazione a basse T sono tra i metodi più antichi per conservare per un tempo prolungato gli alimenti.

Water activity

Pressione parziale dell'acqua contenuta nell'alimento in questione / pressione parziale dell'acqua pura. Glicerolo e sorbitolo, sale e saccarosio riescono a trattenere tantissima acqua, riducendo la water activity e migliorando la shelf life del cibo. Per abbassare aw si può abbassare la temperatura, aggiungere zuccheri e sali. La velocità di una reazione aumenta all'aumentare di aw.

Transizione di fase

Più si abbassa la T di transizione vetrosa (tra lo stato amorfo e cristallino), più diminuisce la probabilità che avvengano delle reazioni. La probabilità di arrivare a un sistema solido cristallino (da permettere delle reazioni chimiche) è più difficile. Il contenuto di acqua influisce sulla T di transizione vetrosa. Per aumentarla e migliorare la storage life si può estrarre acqua (drying), congelare (immobilizzare acqua), aggiungere polisaccaridi.

Transizione di fase di cibo contenente acqua

Durante il raffreddamento di una soluzione acquosa al di sotto del punto di congelamento, parte dell'acqua cristallizza, facendo sì che la sostanza dissolta diventi arricchita della restante fase fluida (acqua non congelata). A Tg, la fase vetrosa della soluzione concentrata diventa in forma rubber-like (simil-gomma).

Drinking water

Chiara, fresca, non colorata, priva di odore, di patogeni (batteriologicamente pura) e gusto gradevole. Presenza di soluti (soprattutto sali inorganici) in limiti stretti, minerali < 1g/L. Da sorgenti, pozzi sotterranei, acque superficiali (rischi superiori), acque desalinizzate in zone molto aride. Per un'acqua si indica sempre la T, il pH, la conducibilità elettrica (num ioni disciolti), residuo fisso, ossidabilità, durezza, poi tutti i singoli costituenti. Non si può più scrivere che la quantità di qualcosa è zero; lo zero analitico si chiama limite di rilevanza/limit of detection/LOQ=limit of quantification.

Nell'acqua alcuni elementi sono indesiderati perché alterano le proprietà organolettiche (ferro), altri come tallio, mercurio, arsenico sono tossici. Per acque particolari (es. destinate all’infanzia) ci sono normative particolari. L'acqua potabile immessa nell'acquedotto viene trattata; prima di tutto la filtrazione (l'acqua deve essere chiara, rimozione di particelle sospese) attraverso sabbia/materiali inorganici.

Sostanze umiche (polimeri fenolici che derivano da materiali vegetali in decomposizione) servono a flocculare l'alluminio e farlo precipitare. Il Fe(OH)₃ viene precipitato con l'aria contenente ossigeno (quasi tutti i metalli precipitano come idrossidi a pH neutro). Precipitazione di MnO₂ con aumento di pH (> 8.5) (come ossido). Deacidificazione eliminando acido carbonico (precipitazione con calcio). Questi trattamenti eliminano microcomponenti chimici.

Poi disinfezione, eliminazione mo anche patogeni con clorazione oppure derivati HClO, Cl₂, H₂N-Cl (cloramina); ozonizzazione O₃, potere ossidante molto maggiore dell’O₂ e si decompone spontaneamente. Si possono anche usare altri metodi di disinfezione, come tracce di ioni argento. Presenza di DBPs (disinfection byproducts = prodotti collaterali della disinfezione, si formano nell'acqua; esempio è il cloroformio. Tracce di prodotti carboniosi in presenza del Cl, molto reattivo, può dare questi prodotti).

Durezza dell'acqua

• Uno dei parametri misurati; si può ottenere dalla concentrazione totale di Ca e Mg in mM/L.
• Soft water < 1.3 mM. Hard water > 2.5 mM; si usano i gradi tedeschi, inglesi, francesi.
• Tramite ebollizione si elimina la durezza dell'acqua; HCO₃^- si converte in CO₃^2-, precipitando.

Analisi dell'acqua

Gran parte dei componenti disciolti sono sali inorganici. Residuo fisso: ciò che rimane dopo aver trattato l'acqua a 180°C per evaporazione. Oggi si sfrutta la cromatografia ionica; tecnica separativa basata sulla diversa affinità per l'eluente (fase mobile) e stazionaria, che interagisce più o meno fortemente con le molecole nella soluzione esaminata. Si usano resine o con forte interazione per anioni (cr. anionica/a scambio anionico) o per cationi (cr. cationica/a scambio cationico). Normalmente il risultato della cromatografia degli ioni positivi è uguale a quella degli ioni negativi. Na, Mg, Cloruri, Solfati, Fosfati - in quest'ordine.

I contaminanti organici per antonomasia sono i composti organici apolari che vengono analizzati per GC-MS gas cromatografia, adatta proprio per componenti volatili, che sono apolari. Invece i contaminanti organici polari vengono analizzati per LC-MS (cromatografia liquida accoppiata allo spettrometro di massa). I metalli pesanti (e altri componenti inorganici) per ICP-MS (plasma accoppiato induttivamente/inductively coupled plasma) - non è una tecnica cromatografica: sorgente che funziona a 700°C distruggendo ogni molecola organica, permettendo di esaminare solo quella inorganica.

Contaminanti: industriali, metalli (dipende dal terreno), componenti organici di tipo farmaceutico, prodotti per la cura personale (detergenti, tensioattivi, profumi...), fitofarmaci, insetticidi, microrganismi, combustibili, ritardanti di fiamma. Ci sono casi di acqua minerale estratta da una falda sotterranea dove si trovano residui di diserbanti, pesticidi.

Università e ARPA. Acque naturalmente effervescenti; non escono gasate alla fonte, ma la CO₂ addizionata deriva da lì (non dalle bombole).

Noi beviamo una soluzione

Noi beviamo una soluzione molto diluita di sostanze inorganiche, con pochi composti organici.

Analisi dell'acqua

• Anioni e cationi (cromatografia ionica).
• Elementi minori (possono essere in forma ionica, salina, oppure in forma organo-metallica - sono tutti gli altri elementi della tavola periodica) (ICP-MS).
• Composti organici totali (COM) - soprattutto correlati alla presenza di inquinanti.
• Composti organici volatili (VOCs) (P&T purge and trap, Gas cromatografia GC, spettrometria di massa MS) apolari, idrofobici.
• Composti organici polari (soprattutto pesticidi, fitofarmaci) (solid phase extraction SPE, HPLC, spettrometria di massa).
• Parametri chimico-fisici (pH, T, 1/Ω).

Anioni e cationi

Prevalgono i cationi sodio e anioni cloruro - NaCl principale componente salino di qualunque acqua. Altri cationi sono K, Mg, Ca... e anioni fosfato, carbonato. Cromatografia: tecnica separativa, anche a scopo analitico. Far transitare in una colonna la soluzione da purificare; tubo contiene una fase stazionaria e la separazione avviene per un equilibrio che si instaura per una fase stazionaria e una mobile. La stazionaria è un solido, polimero sintetico con caratteristiche per separare gli ioni. Quella mobile liquido, gas, fluido supercritico.

Rilevatore

Il rilevatore è conduttimetrico, cioè misura il passaggio di corrente.

• Scambiatore anionico: sarà un catione, una resina con cariche (+) - hanno catene con atomi di azoto quaternario, una sottostruttura organica che non può perdere la carica, quindi è sempre ionizzato perché all'azoto sono legati 4C). SAX: strong anion exchange (scambiatore anionico forte).
• Scambiatore cationico: anione (es. PS-DVB, polistirene divinilbenzene) - i gruppi SO₃^- saranno quelli che tratterranno i cationi. Resine abbastanza labili; sono le stesse nei depuratori per l'acqua casalinghi. SCX: strong cation exchange.

Cromatogramma: prima inietto uno standard; ogni picco deve essere caratterizzato dal segnale di ritenzione. Ogni picco rappresenta dunque un diverso anione/catione, preventivamente calibrato. Sulle y: abbondanza. Sulle x: qualità dello ione che caratterizziamo. Più il picco è alto, più il segnale è intenso e la concentrazione elevata - più che l'altezza è l'area sottesa (lo strumento misura l'area, che è proporzionale alla concentrazione).

Anioni

Regola in cromatografia: più la sostanza rimane dentro la colonna, più c'è una diffusione e quindi un allargamento del picco. Spesso i picchi tardivi sono allargati rispetto a quelli che escono molto presto. Il rilevatore misura la carica elettrica, il picco è una misura della concentrazione. Anioni: F-, BrO₃^-, Cl-, NO₂^-, Br-, NO₃^-, PO₄^3-, SO₄^2-, I-

Cationi

Cationi: Li⁺, Na⁺, NH₄⁺, K⁺, Mg⁺⁺, Ca⁺⁺, Sr⁺⁺

Metalli nell'acqua

Per elementi presenti in minori quantità si usa la ICP-MS (Inductively coupled plasma – Mass Spectrometry). Tutto ciò che è materiale organico brucia e noi vediamo un responso analitico (spettrometro di massa), misurando sia quantità che qualità (peso atomico). Per generare questo plasma si usa l'Argon a 15 ml/min, usando una radiofrequenza e microonde. L'output non è più un cromatogramma, ma uno spettro (di massa di metalli di un campione di acqua). Spettro se sulle x ho m/Z e sulle y l'intensità.

VOC e gas-cromatografia

Gas-cromatografia, per cui la fase mobile è un gas (He) e durante il tempo (50 min) di analisi cambia la temperatura. I primi ad essere eluiti sono i composti alto-bollenti, gli ultimi i più basso-bollenti. Se due sostanze hanno stessa T di ebollizione o simile, come si separano? C'è anche una fase stazionaria: è tutta adesa alle pareti; spesso è un liquido, un olio di silicone. Il punto di ebollizione della fase stazionaria, dell'olio di silicone, deve quindi essere ben superiore della T a cui si fa bollire, così non esce.

Ciascun composto ha un tempo di ritenzione e un'intensità - ottengo un cromatogramma, con l'intensità in funzione del tempo. C'è di nuovo bisogno di iniettare una miscela standard. Rampa di temperatura (riscaldamento progressivo), non obbligatorio. Posso anche scegliere di lavorare in condizioni isoterme. Splitless: lo split è un device che consente di iniettare solo una parte del campione, scartando parte del campione e analizzandone una piccola parte. Splitless quindi se si lavora a campione intero.

Sistema di preconcentrazione

Costituisce la fase pre-analitica. Composti organici polari: La fase stazionaria è un solido polimerico, una silice modificata, che lega infatti catene di carbonio lunghe 18C. Interagiscono con le parti alifatiche o aromatiche, cioè che danno interazioni idrofobiche. Reverse phase chromatography, perché la fase stazionaria qui è apolare; è quindi la fase mobile che è polare.