Chimica degli alimenti

Esame scritto: struttura e domande

1Esame Scritto: 5 domande, 3 a risposta breve e 2 da articolare in un’ora (doppio se si fa tutto da 8 crediti ma con tecniche alimentari). Probabilmente l’ultima lezione del corso (seconda settimana di gennaio per parziale).

Definizione di alimento

Alimento (o prodotto alimentare / derrata alimentare) = qualsiasi sostanza o prodotto trasformato o non trasformato, destinato ad essere ingerito o di cui si prevede ragionevolmente che possa essere ingerito da esseri umani.

Dopo scandali all'inizio del 2000 nel settore alimentare (es.: Mucca Pazza), la UE ha capito che nel suo territorio c’erano dei problemi in relazione alla sicurezza alimentare, ciò ha portato alle prime regolamentazioni:

• Reg CE 178/2002 del 28 gennaio 2002 -> prima normativa cogente (= deve essere tassativamente seguita da chi opera nel sistema Vs normativa volontaria = enti di normazione internazionali pubblici o privati emanano norme che non è necessario seguire); stabilisce i principi ed i requisiti generali della legislazione alimentare:
  • Art 14: definisce alimenti sicuri -> conformi a norme comunitarie sulla sicurezza alimentare.
• Regolamento CE n. 178 del 2002 -> stabilisce i principi e i requisiti generali della legislazione alimentare, istituisce l’Autorità europea per la sicurezza alimentare e fissa procedure nel campo della sicurezza alimentare.

Regolamenti post 2002

• Regolamento CE n. 852 del 2004 -> riguarda l’igiene dei prodotti alimentari, qui vengono introdotti i principi della HACCP (analisi del rischio di quali sono i pericoli che devono essere gestiti per far sì che i prodotti siano definiti sicuri a partire dalle sue trasformazioni).
• Regolamento CE n. 853 del 2004 -> stabilisce regole specifiche in materia di igiene per gli alimenti di origine animale, definiti “pacchetto igiene”

Uniformando le norme si rende possibile la libera circolazione di alimenti sicuri contribuendo in maniera significativa al benessere dei cittadini e ai loro interessi economici.

La sicurezza alimentare

Rappresenta un bene primario per la popolazione. L’Unione Europea ha adottato una strategia di intervento che si traduce nella formula: “sicurezza dai campi alla tavola”: sicurezza sotto responsabilità degli OSA (operatori del settore); riguarda le materie prime, la produzione, la trasformazione, la commercializzazione (supermercato, ristorante, centro di donazione del cibo, ...) e il consumo dell’alimento.

Alimenti a rischio

È da garantire il fatto che non vengano venduti e consumati “alimenti a rischio”.

• Reg. 178-2002: alimenti a rischio non possono essere messi sul mercato.
• Dannosi: insalubri -> probabili effetti sulla salute a breve o lungo termine (contaminanti dannosi per la salute).
• Inadatti al consumo: inaccettabili -> per l’uso previsto a causa del deterioramento (hanno perso le loro caratteristiche chimico-fisico-sensoriali, es. prodotto mal conservato, importanza “shelf-life”).

Pericolo

Agente biologico, chimico o fisico (anche allergeni) contenuto in un alimento / condizione in cui un alimento o un mangime si trova; in grado di provocare un effetto nocivo sulla salute (Reg. CE 178/2002).

• Biologico -> includono i batteri patogeni per l’uomo, le muffe, i virus, i parassiti e gli infestanti (insetti, ratti, farfalline) provenienti dall’ambiente o delle derrate alimentari (pericolo salute o alterano caratteristiche consumo).
• Fisico -> includono frammenti di corpi estranei (vetro, legno, pietre, frammenti di metallo, plastica), oggetti personali anche del personale (orecchini, anelli, piercing).
• Chimici -> legati alla presenza di contaminanti chimici di varia natura e provenienza:
  • Usati nella catena alimentare -> pesticidi, antibiotici, ormoni, …
  • Contaminanti ambientali -> metalli pesanti, diossine, idrocarburi, residui di scarichi industriali, veleno per infestanti, …
  • Contaminanti di processo -> a seguito dei processi tecnologici che l’alimento può subire, es.: acrilamide: ritrovata nei prodotti amidacei cotti ad alte temperature.
  • Contaminanti da imballaggio -> composti chimici ceduti dall’imballo al prodotto.

Perché chimica degli alimenti?

Importanza di conoscere la composizione chimica degli alimenti e dell’analisi degli alimenti: aspetti di legalità/garanzia della salubrità/accettabilità della conformità di un dato alimento ai requisiti stabiliti dalla legge o alle caratteristiche dichiarate in etichetta dal produttore in termini di composizione e sicurezza per tutela consumatore.

La chimica serve per valutare gli aspetti nutrizionali -> qualità nutrizionale degli alimenti, fatta da:

• Contenuto totale dei nutrienti.
• Presenza di costituenti minori.

Definizione “nutrizionale” di alimento

Alimento -> sostanza in grado di fornire all’organismo umano i nutrienti che, dopo essere stati metabolizzati, sono utili per la produzione di:

• Energia.
• Calore.
• Materia di reintegro.
• Accrescimento per organi e tessuti, garantendo il normale svolgimento delle funzioni vitali per l’organismo.

Si definisce alimento qualsiasi sostanza in grado di esercitare una o più di queste funzioni:

• Fornire materiale energetico.
• Fornire materiale plastico.
• Fornire materiale regolatore delle funzioni metaboliche.

I costituenti degli alimenti

Macronutrienti -> molecole complesse che vengono degradate in molecole più semplici dall’apparato digerente, che possono essere assorbite ed utilizzate nelle specifiche condizioni metaboliche. Devono essere assunte in quantità misurabili in grammi e servono per la produzione di energia (grassi / carboidrati) e per la sintesi di materiale plastico (proteine).

Micronutrienti -> come tali possono essere assorbiti e metabolizzati. Sono assunte nell’ordine di mg o µg e hanno funzione regolatrice nei processi biologici (sali minerali / vitamine).

Alimenti classificati sulla base della loro natura o della loro funzione principale.

Costituenti minori (micronutrienti)

Molecole che possono essere presenti negli alimenti in piccole quantità ma che impattano comunque sulla salute. Possono avere diversi effetti:

Effetti positivi

• Precursori di vitamine (betacarotene -> vitamina A).
• Antiossidanti (carotenoidi / polifenoli / vitamina E [nell’olio extra vergine d’oliva]).
• Polisaccaridi con effetto positivo sulla flora intestinale (fibra).

Effetti negativi

• Fattori antinutrizionali:
  • Inibitori enzimatici (alcune leguminose hanno proteine inibitorie delle proteasi).
  • Composti chelanti dei sali minerali (fibra lega a sé sali minerali e li rende a noi indisponibili).
• Antivitamine.
• Composti nocivi che si formano in seguito a trattamenti tecnologici:
  • Acrilamide (fritture / cotture a temperature elevate).
  • Acroleina (fritture).
  • Acidi grassi trans (raffinamento / idrogenazione / ossidazione grassi).

Fattori che determinano la qualità nutrizionale di un alimento

Fattori che determinano la qualità nutrizionale di un alimento:

• Contenuto di nutrienti -> quali e quanti.
• Biodisponibilità -> i nutrienti contenuti nell’alimento non vengono mai completamente utilizzati dall’organismo. Biodisponibilità -> percentuale del contenuto totale di nutrienti di un alimento assorbita e successivamente utilizzata dall’organismo per le sue funzioni specifiche.

Fattori che influiscono sulla biodisponibilità

Esempio sulla biodisponibilità: fattori influenzanti la biodisponibilità di sali minerali.

• Fattori intrinseci della dieta:
  • Forma chimica del minerale e sua idrosolubilità -> forme chelate poco assorbibili (ferro eme più assimilabile del non eme / ioni di sali solubili che troviamo in acqua [K⁺ / Na⁺] sono maggiormente assorbibili).
  • Attività redox di componenti dell’alimento -> sostanze riducenti aumentano l’assorbimento del Fe, sostanze ossidanti lo riducono.
  • Interazioni tra minerali -> la vitamina C fa assorbire maggiormente Fe perché ne controlla la quantità Vs alte concentrazioni Zn inibiscono l’assorbimento del Fe.
  • Presenza di fibra, fitati, ossalati e tannini -> si legano ai minerali rendendoli indisponibili per l’assorbimento.
• Fattori intrinseci all’organismo:
  • Regolazione omeostatica dei minerali -> l’assorbimento di alcuni minerali (calcio, ferro, zinco) aumenta in carenza di questi.
  • Acloridria -> riduce l’assorbimento di Ca e Fe.
  • Malassorbimento -> dovuto all’età o a situazioni patologiche, diminuisce l’assorbimento dei minerali.

Il calcio che a noi è biodisponibile fatto 100 quello assunto (se ci va bene) è del 30%.

Acido ossalico e acido fitico

Acido fitico: il ferro nell’alimento non siamo in grado di usarlo, è molto presente nei vegetali (es.: spinaci sono ricchi di ferro ma complessato con acido fitico; quindi non utilizzabile dal nostro organismo).

Carboidrati

Fonte primaria di energia, più facilmente e rapidamente digeriti ed utilizzati dei grassi.

1 gr carboidrati -> circa 4 kcal = 17 KJ. In una dieta equilibrata devono fornire più della metà della quota energetica complessiva della dieta giornaliera (-> 55-60% ma zuccheri semplici solo 10-15% di questi).

Classificazione chimico/fisiologica

Fatta in base al loro grado di polimerizzazione:

• Carboidrati semplici -> zuccheri; monosaccaridi/disaccaridi (due monosaccaridi legati da legame glicosidico)/oligosaccaridi (massimo 9 monosaccaridi legati):
  • Disponibili
  • Non disponibili (cioè non utilizzabili)
• Carboidrati complessi -> polisaccaridi:
  • Disponibili -> amidacei
  • Non disponibili -> non amidacei (FIBRA; amido)

I principali carboidrati alimentari disponibili

Carboidrati maggiormente presenti nei prodotti alimentari

• Monosaccaridi:
  • Glucosio -> frutta, verdura, ortaggi
  • Fruttosio -> frutta, verdura, ortaggi
  • Galattosio -> latte per idrolisi del lattosio
• Disaccaridi:
  • Saccarosio -> bietole, canna da zucchero
  • Lattosio -> latte
  • Maltosio -> malto
• Polisaccaridi:
  • Amido -> patate, riso, cereali
  • Glicogeno -> fegato, muscoli, funghi
  • Cellulosa -> fibra; simile all’amido ma non si può usare per energia

Monosaccaridi

Singole unità di poliidrossialdeidi o poliidrossichetoni -> molecole che presentano un gruppo carbonilico che può essere aldeidico o chetonico + hanno una catena con n° atomi di C che legano dei gruppi OH.

Si classificano in base a:

• Gruppo carbonilico
• Lunghezza della catena carboniosa -> n° atomi di C legati tra loro; da 3 a 6: TRIOSI, TETROSI, PENTOSI, ESOSI

Polidrossialdeidi

• Importanti:
  • Ribosio
  • Xilosio -> molto diffuso in polisaccaridi in natura detti xilani noti anche come disaccaridi del legno perché costituiscono la corteccia con la cellulosa; può essere usato come dolcificante ed essendo poco disponibile ha un apporto energetico limitato + può essere usato con i polialcol.
  • Galattosio -> aldoesoso
  • Manosio -> non disponibile e poco diffuso come mono ma molto diffuso in polisaccaridi detti mannani; origine vegetale e diffuso nelle leguminose

Polidrossichetoni

Poco diffusi in natura; il più importante è il fruttosio.

Centro chirale

Isomeri -> composti diversi aventi la stessa formula molecolare:

• Strutturali -> differiscono tra loro per il fatto che gli atomi sono legati con un ordine differente (butano Vs isobutano)
• Stereoisomeri -> i loro atomi sono legati con lo stesso ordine ma cambia la disposizione spaziale (cis 2 butene Vs trans 2 butene), possono essere:
  • Diasteroisomeri: non possono essere l’uno l’immagine speculare dell’altro
  • Isomeria ottica o enantiomeri -> possono essere uno l’immagine speculare dell’altro

La chiralità è la condizione necessaria e sufficiente per l’esistenza di enantiomeri. Centro chirale o stereocentro atomo di C che lega 4 atomi o gruppi atomici differenti.

Epimeri stereoisomeri che differiscono nella configurazione di un solo atomo di C chirale in una molecola con più centri chirali.

Aldoesosi, epimeri del glucosio

Gli aldoesosi hanno 4 centri chirali (nei pentosi sono 3), glucosio e galattosio qui sopra sono epimeri; scambiata solo la posizione di OH e H. Gli esosi possono esistere in 2 serie in funzione di dove è posizionato il gruppo idrossilico relativamente all’ultimo carbonio chirale (quello che sta in fondo guardando la molecola dal gruppo carbonilico/aldeidico):

• Serie D -> gruppo ossidrilico a dx (+ diffusi in natura)
• Serie L -> gruppo ossidrilico a sx

Enantiomeri: composti otticamente attivi

D-glucosio ed L-glucosio sono l’uno l’immagine speculare dell’altro. Enantiomeri sono in gradi di ruotare il grado della luce polarizzata -> fonte luminosa dove le radiazioni sono onde elettromagnetiche che vanno in direzione perpendicolare al raggio; se faccio passare questa luce attraverso una lente i composti estraggono la radiazione solo su una lunghezza d’onda che viene detta luce polarizzata. Ruotano questo piano verso dx (molecole destrogire indicate con +) o sx (molecole levogire indicate con -) dello stesso angolo (a) ma in direzione opposta.

Nota: i carboidrati con 3 o + atomi di C presentano nella molecola centri chirali per cui possono esistere diverse forme stereoisomere in numero pari a 2ⁿ dove n rappresenta il numero di centri chirali. Per gli aldosi esistono 4 centri chirali e quindi sono possibili 16 stereoisomeri cioè 8 coppie di enantiomeri.

Forma semiacetalica ciclica

Forma semiacetalica = forma chiusa di molte molecole in natura:

• Fatta da gruppo carbonilico (aldeidico o chetonico) + ossidrilico che dista 4 o 5 atomi di carbonio dal carbonilico.
• La forma si origina in seguito alla reazione tra il gruppo carbonilico dello zucchero e uno dei gruppi alcolici si crea un ponte ad H e la struttura si chiude.
• Le forme cicliche sono dette:
  • Furanosiche -> quando hanno un anello da 4 C + ponte ossigeno (FRUTTOSIO)
  • Piranosiche -> l’anello è costituito da 5 C + ponte ossigeno (GLUCOSIO)

A seguito della chiusura il C1 diventa un centro chirale

La chiusura porta alla formazione di un altro centro chirale e quindi la formazione di 2 nuovi stereoisomeri per 2ⁿ; si formano gli steroisomeri:

• Anomero -> gruppo H a dx
• Anomero -> gruppo H a sx

Entrambe le molecole hanno potere rotatorio positivo ma diverso angolo di rotazione perché non sono l’una la speculare dell’altra.

Fenomeno della mutarotazione

In soluzione acquosa le due forme α e β coesistono in una situazione di equilibrio che si instaura per passaggio attraverso la struttura aperta il potere rotatorio specifico assume un valore intermedio tra quello delle due forme:

• α-glucosio -> +112 gradi all’equilibrio presente al 36%
• β-glucosio -> +19 gradi all’equilibrio presente al 64%
• Forma aperta presente al 0,02%

All’equilibrio il potere rotatorio specifico è di +52 gradi.

Formule di Haworth

Rappresentazione semiacetalica; per passare a questa struttura:

• Gruppi OH a sx -> sopra
• Gruppi OH a dx -> sotto

Le reazioni dei monosaccaridi

Ossidazione degli zuccheri

I monosaccaridi hanno potere riducente dovuto alla presenza del gruppo aldeidico libero, anche gli a-idrossichetoni si ossidano facilmente. L’ossidazione può avvenire in vari modi:

• Con i reattivi di Tollens o di FEHLING
• Con acido nitrico (HNO₃)
• Con acido periodico (HIO₄)

Ossidazione blanda: ossidazione del gruppo aldeidico (COH) → acidi aldonici (COOH).

Ossidazione spinta -> ossida anche il gruppo alcolico primario: (CH₂OH) → (COOH): acidi saccarici (acidi bicarbossilici perché contengono 2 gruppi COOH: una derivante dall’ossidazione del gruppo carbossilico e l’altro del COH).

Riduzione degli zuccheri

Si può effettuare con diversi mezzi; in laboratorio si può trattare lo zucchero con sodio boroidruro. Dalla riduzione degli zuccheri si ottengono i POLIALCOLI (esistono anche in natura).

Per esempio dal:

• Glucosio deriva il sorbitolo usato come sostituto del saccarosio perché è dolce.
• Mannosio deriva mannitolo che c’è in olive, cipolle e funghi.
• Sorbitolo e mannitolo derivano il fruttosio.
• Galattosio deriva galattilolo.
• Ribosio deriva ribitolo.

• Comporta la formazione del gruppo idrossilico in corrispondenza del gruppo aldeidico o chetonico.
• Dalla riduzione del fruttosio derivano due stereoisomeri: maltitolo e sorbitolo.

Caratteristiche

Alto potere dolcificante.