Analisi chimiche dei prodotti alimentari

Analisi chimiche dei prodotti alimentari

Alimento

La definizione di alimento è presente nell’articolo 2 del regolamento 178 del 2002: un alimento è una qualsiasi sostanza o prodotto trasformato (prodotti caccia, agricoltura, zootecnia con limiti stabiliti), parzialmente trasformato o non trasformato, destinato ad essere ingerito, o di cui si prevede ragionevolmente che possa essere ingerito, da esseri umani. Sono comprese le bevande, gomme da masticare e qualsiasi sostanza, compresa l’acqua, intenzionalmente incorporata negli alimenti nel corso della loro produzione, preparazione o trattamento. Non sono compresi i mangimi, gli animali vivi, i vegetali prima della raccolta, i medicinali, i cosmetici, il tabacco, le sostanze stupefacenti o psicotrope, i residui e i contaminanti. Tutto ciò che viene ingerito da esseri umani deve avere una storia di consumo e come tale non deve creare danno alla salute umana in termini di sicurezza d’uso. Quando si decide di commercializzare un prodotto alimentare che non ha una storia prima del regolamento del 97 deve essere inquadrato come novel food (es insetti) a seguito di una richiesta alla commissione europea per richiedere il permesso di consumo, l’autorizzazione.

La chimica degli alimenti considera gli alimenti dal punto di vista della composizione e nutrizionale: tutto ciò che viene ingerito deve avere una sicurezza d’uso e degradato con un processo metabolico per fornire energia e per permettere lo svolgimento di funzioni vitali evitando le carenze e squilibri. Un alimento è costituito da macronutrienti, ovvero carboidrati, grassi e proteine, che vengono demoliti e da micronutrienti indispensabili presenti in piccole quantità. Altre sostanze presenti nell’alimento sono gli acidi organici, i coloranti, gli aromi che definiscono le varie categorie di alimenti e la loro composizione. Possono poi essere presenti sostanze indesiderate che possono essere sostanze naturali come glicosidi, micotossine, estrogeni; oppure residui di varia natura che derivano da una contaminazione per gli imballaggi, le tecnologie di elaborazione, l’ambiente, gli scarichi industriali; oppure additivi volontari che servono per salvaguardare il processo alimentare come antiossidanti e sostanze non nutrizionali.

I fattori che determinano la qualità di un alimento sono sicuramente l’assenza di rischio, ovvero la sicurezza d’uso, e il valore nutritivo che comprende la biodisponibilità, il valore biologico e il contenuto totale di nutrienti. Un alimento è soggetto ad alterazione a causa di una variazione della quantità d’acqua presente (umidità) in quanto l’acqua rovina e deteriora gli alimenti, oppure a fattori fisici come la temperatura, la luce (irrancidimento grassi) e la presenza di microorganismi che sono cause involontarie a incuria del produttore. Vi sono anche le alterazioni e le modifiche volontarie per poter aumentare la qualità di un alimento come la sofisticazione (aggiunta di zucchero o di alcol etilico al vino) e l’adulterazione (annacquamento del latte, scremature del latte dichiarato intero peggioramento qualità) che sono delle frodi alimentari non legali. Vi sono poi le falsificazioni (margarina al posto del burro) e le contraffazioni (si sostituisce un prodotto con un altro in termini di brand e marchio). Non si commettono frodi nel caso di surrogati (caffè e orzo), ossia di prodotti che hanno caratteristiche intrinseche con una composizione chimica diversa ma con caratteri esteriori analoghi; anche nel caso di succedanei non si commette frode perché si ha la stessa composizione chimica ma caratteri esteriori diversi (caviale da uova di storione, se di salmone succedaneo; il caviale è nero, mentre da altre uova sono colorati artificialmente), si hanno delle difformità dichiarate dall’inizio.

La chimica degli alimenti

La chimica degli alimenti studia la composizione chimica degli alimenti e le proprietà dei loro costituenti che contribuiscono a definirne il loro valore nutrizionale e merceologico. Inoltre, studia le modificazioni chimiche che i costituenti degli alimenti subiscono nel loro percorso “dalla fattoria alla tavola” (alimento e prodotto alimentare), in seguito ai trattamenti casalinghi ed industriali a cui sono sottoposti che nel corso della loro conservazione. L’analisi degli alimenti viene effettuata con scopi diversi: accertare la conformità di un dato alimento ai requisiti stabiliti dalla legge o alle caratteristiche dichiarate in etichetta dal produttore; definire la qualità di un prodotto o il suo valore nutrizionale; rivelare frodi ed alterazioni; individuare la presenza di sostanze xenobiotiche potenzialmente dannose per la salute umana.

Tipologie di alimenti

La prima suddivisione degli alimenti avviene in base ai gruppi tradizionali che tiene conto della tradizione di una popolazione e secondo il componente maggiormente presente; si definiscono così due classi di alimenti tradizionali:

• Di origine vegetale: ovvero i cereali e i tuberi per la presenza di amido, fibra e vitamine (gruppo B antibiotici distruzione flora microbica servono per rinvigorirla); gli ortaggi e la frutta per i sali minerali, la fibra e le vitamine (antiossidanti e polifenoli); legami per proteine vitamine e ferro (biodisponibilità con processo digestivo).
• Di origine animale: latte e derivati per le proteine e il calcio; la carne, le uova e il pesce per le proteine, il ferro e le vitamine.

Vi sono poi gli alimenti alternativi il cui ruolo si differenzia da quelli tradizionali perché sono leggermente diversi; il loro ruolo si integra con quello dei tradizionali; essi sono nati per gli input e i bisogni della popolazione: il sistema industriale si attiva in funzione della moda del momento e dei problemi. Si provvede così a dare una risposta ai problemi della nutrizione (stimolazione malattie cardiovascolari, alimentazione non sana, eccessivo consumo alcolici, non equilibrati problemi gestione controllo calorie dieta adeguata e varia) producendo alimenti alternativi per dare un sostegno alla popolazione. Questi alimenti si differenziano per i costituenti:

• Gli alimenti leggeri (light) sono alimenti che vengono alleggeriti di alcuni costituenti, fondamentalmente grassi (9 kcal per grammo, latte intero 3,5% grasso PS 1,5-1,8% scremato 0,5-0,8%), zuccheri e alcol (7 kcal per grammo). In un alimento light i grassi sono sostituiti da proteine vegetali, gli zuccheri da edulcoranti che tendono a degradare più velocemente e vengono quindi protetti di più; la lista degli ingredienti aumenta perché sono necessari degli additivi per migliorare la gradevolezza e la consistenza (conservativi) e degli antimicrobici per una maggiore tutela. Si tratta di una categoria utile perché il consumatore può scegliere un prodotto nato dall’industria con possiede un ruolo che lo privilegia per una problematica.
• Gli alimenti fortificati mantengono le caratteristiche in termini di micronutrienti e macronutrienti, lo stesso apporto energetico e vengono fortificati in elementi che non sono nutrienti come ad esempio vitamine e sali minerali al posto di usare integratori alimentari; un esempio è il latte con omega 3.
• Gli alimenti biologici derivano da un’agricoltura biologica con fondi coltivati senza uso di fertilizzanti chimici ma solo prodotti naturali o composti organici. Vengono sempre imballati con un contenitore con un regime di controllo e con un’etichetta con le informazioni.
• Gli alimenti integrali sono prodotti ottenuti che derivano dall’utilizzo di farine integrali ovvero con un tasso di abburatamento del 100%, ovvero la quantità di farina che si ottiene da una macinazione di 100 kg di grano (cariosside), non si toglie niente; la farina integrale non è stata per niente raffinata, non è stata toccata dal punto di vista della composizione iniziale. Con la raffinazione si toglie il guscio esterno che contiene fibre e sali minerali, ovvero la crusca (domanda: classificazione proteine cariosside di frumento da esterno a interno crusca frazione fibra ottimale proteine elevato valore biologico); un prodotto integrale è di moda e costa di più.
• Gli alimenti funzionali vengono additivati di due tipologie di sostanze: i prebiotici (frutto oligosaccaridi ovvero aggiunta di fibra) e i probiotici (microrganismi usati per produrre alimenti potenziano funzioni fisiologiche e difese immunitarie bio-modulatori interferiscono con flora colica).
• Gli alimenti innovativi sono i novel food: tutto ciò che non ha storia di consumo precedente al 15 maggio del 97 e che viene prodotto con una tecnologia di lavorazione diversa.

Il valore energetico di un alimento esprime il numero di calorie che una sostanza alimentare sviluppa per completa combustione, riferito a 100 g di sostanza. Esso è proporzionale al contenuto di macronutrienti, alla quantità di zuccheri, proteine, lipidi ed eventualmente, alcool. L’unità di misura è Kcal o KJ. La piramide alimentare è il simbolo della sana ed equilibrata alimentazione che guida la scelta giornaliera degli alimenti. È formata da 6 sezioni contenenti vari gruppi di alimenti. Ciascun gruppo deve essere presente nella nostra dieta in modo proporzionale alla grandezza della sua sezione. Alla base della piramide troviamo gli alimenti che possiamo utilizzare più liberamente mentre al vertice troviamo quelli che è meglio limitare.

Acqua

L’acqua è il primo nutriente, è un dipolo, è il principale ingrediente della dieta e svolge tante funzioni. L’acqua entra nell’organismo e costituisce gli organi e tessuti: il 65% del corpo è rappresentato da acqua. Il fabbisogno idrico è importante per le reazioni idrolitiche 1 mL/Kcal, è il mezzo con cui avvengono tutte le funzioni digestive. L’acqua può essere libera o legata, ovvero impegnata in legami, non disponibile; tanto più un alimento è in soluzione meno è soggetto ad alterazioni. Gli alimenti secchi presentano una percentuale d’acqua del 10-15% come i cereali, gli sfarinati, gli impasti alimentari; le carni possiedono un range abbastanza ampio pari al 60-80%; il latte ha un’alta percentuale pari al 86-88%. L’acqua può essere più o meno disponibile negli alimenti: è presente in quantità variabili ma anche in forme diverse molto importanti per poter definire la stabilità di un alimento.

• L’acqua libera è evaporabile, non legata ai soluti quindi disponibile per le attività dei microrganismi e a interagire con sostanze indesiderabili; essa rende un alimento più deteriorabile e soggetto ad alterazioni. Esiste la possibilità di aumentare la conservabilità essiccando l’alimento.
• L’acqua legata interagisce in modo differente con i soluti: l’acqua di idratazione reagisce con ioni positivi e negativi grazie a un’interazione elettrostatica, come ad esempio con NaCl dove gli ioni vengono solvatati oppure ioni positivi come il ferro, il cromo e il nichel formando dei complessi in cui l’acqua coordina i metalli di transizione. C’è anche l’acqua di struttura o di cristallizzazione che residua nei sali dopo l’essicamento dell’alimento; può residuare anche nelle molecole organiche come gli zuccheri, ma soprattutto nei sali come il solfato ferroso FeSO₄ dove l’acqua di cristallizzazione per essere allontanata deve essere scaldata a temperature intorno ai 100°C-105°C. Il residuo fisso viene ottenuto a 180°C, ovvero il contenuto di minerali nell’acqua in quanto è necessario essiccare l’acqua utilizzando temperature molto elevate. L’acqua dello strato monomolecolare è legata mediante legami idrogeno a gruppi polari di macromolecole. L’acqua immobilizzata risente delle interazioni dei soluti.

L’acqua libera e legata rientra nella definizione dell’attività dell’acqua che è il rapporto tra pressione di vapore dell’alimento (soluzione) e la pressione di vapore dell’acqua pura. Rappresenta l’umidità relativa, ovvero l’acqua presente rispetto a quella che ci potrebbe essere. Se è presente solo acqua pura, il rapporto è unitario e l’attività è elevata; con i soluti l’attività diminuisce in quanto la pressione di vapore dell’alimento diminuisce. Si creano così sistemi con attività dell’acqua che permettono a un microrganismo di crescere o no; gli alimenti stabili sono soprattutto i cereali perché l’attività è molto bassa, circa 0,65. Le muffe e i funghi necessitano valori di attività di acqua anche più bassi.

Metodi di analisi per la determinazione del contenuto di umidità

Esistono metodi diversi in base ai costi e alle disponibilità:

• Il metodo gravimetrico classico ufficiale avviene per essiccamento in stufa in cui viene posto l’alimento e con il calcolo del calo peso; è utilizzabile con alimenti con percentuali elevate di acqua e che non hanno una quantità elevata di sostanze volatili. Si valuta il calo peso che è determinato dalla quantità di campione che è soggetto a una perdita di umidità a causa dell’evaporazione; dopo essere stato essiccato in stufa a 105°C, il campione è soggetto a un controllo del peso finale per successive pesate fino al peso costante. È necessario valutare il peso che si ottiene tra pesate successive dopo il raffreddamento in essiccatore. Il campione è soggetto a temperature elevate quindi è necessario raffreddare in un ambiente secco, disidratato. Si utilizza una stufa che consiste in un recipiente di vetro con coperchio: a metà altezza del recipiente si trova un piano forato in ceramica su cui vengono poggiati i contenitori delle sostanze da essiccare. Al di sotto del piano viene posta una sostanza fortemente igroscopica, ad esempio gel di silice addizionato di sali di cobalto cha cambiano colore dal blu al rosa in funzione del loro grado di idratazione, dando un'indicazione visiva dell'efficacia disidratante della silice. Il bordo del coperchio viene in genere ingrassato con del silicone per isolare l'interno. Alla sommità del coperchio spesso è posta una valvola collegabile ad una pompa meccanica per porre sottovuoto l'interno e favorire l'evaporazione dell‘acqua contenuta nella sostanza da essiccare. Si necessita poi di una bilancia analitica a 4/5 decimali e di un essiccatore; il campione viene pesato strumenti adagiati sulla bilancia analitica, ovvero in crogioli che possono essere in vetro tirex, quarzo o porcellana. In genere si utilizzano circa 10 g di campione: circa esattamente con 4 decimali; il primo peso P1 è dato dal peso del crogiolo più 10 g di campione e successivamente il peso diminuirà. La stufa viene usata a 105°C per 6/8 ore, a cui segue un raffreddamento in essiccatore e poi la misura del peso; il campione deve avere un peso costante quindi deve essere controllato per successive pesate, caratterizzate dal ripetersi delle azioni di stufa, essiccatore e bilancia. È possibile vedere che il campione ha perso X grammi di acqua; dopo la prima pesata, il campione viene posto di nuovo in stufa per 10 minuti, messo nell’essiccatore e pesato. Il peso è considerato costante quando la differenza tra due pesate successive non è superiore a 1 mg e quindi alla terza cifra decimale; se la differenza è minore si può considerare il peso costante. In caso di prodotti sfarinati (elementi secchi) vengono posti in stufa per 1h e 30 minuti a 133°C; si ha quindi la possibilità di aumentare la temperatura riducendo così i tempi di trattamento (come si determina il contenuto d’acqua?). Con i prodotti con consistenza molle e pastosa (marmellata formaggio latte condensato) è necessario inserire della sabbia di silice, ovvero un composto inerte, e una piccola bacchetta di vetro per mischiare in modo da poter aumentare la superficie di evaporazione. Prima di essere inseriti nella stufa conviene che il campione con la sabbia sia tarato in modo da agire sul campione e riuscire ad allontanare l’acqua e raggiungere un peso costante; l’aggiunta aiuta l’essiccamento. Nel caso del latte, si ha un prodotto con tanta acqua e sostanze volatili e quindi non sempre il metodo gravimetrico è utilizzabile; non può essere messo nella stufa perché bollendo può schizzare. È quindi necessario lavorare a pressione ridotta con una stufa da vuoto 70-80°C con un tempo di essiccamento più elevato ma che consente il mantenimento del prodotto nel crogiolo. La determinazione del peso costante è più complicata, non si ottiene percentuale di umidità ma un valore di residuo valutando quello che rimane in g/L. La percentuale d’acqua si calcola come la differenza tra il peso della tara con il campione e il peso del campione secco che ha perso l’acqua con la tara moltiplicandola per 100. La differenza dei due pesi è l’umidità. %H₂O = Hu(calo peso) x 100/campione iniziale
• Lo stesso principio viene applicato nella termobilancia gravimetrica, ovvero un solo strumento usato in base al tipo di alimento. Viene utilizzata per campioni che contengono polveri granulati con sensibilità e precisioni diverse; la sorgente di calore è diversa: può essere un radiatore o degli infrarossi, grazie a cui l’energia viene convertita in calore e la superficie di acciaio permette di scaldare il campione posto sopra. Sono bilance meno costose rispetto al metodo classico e che possono essere utilizzate anche per campione liquidi.
• Il metodo di distillazione con solventi si utilizza per campioni che contengono sostanze volatili solubili nei solventi organici come oli essenziali. Si utilizza l’apparecchio di Marchinson con un tubo graduato in mL e un palloncino che viene chiuso ermeticamente tramite un raccordo in silicone che evita la fuoriuscita di vapori; è poi presente un refrigerante in alto per l’in-out