Appunti Biochimica alimentare

Appunti biochimica alimentare: Modulo 2

Prof. Stefania Iametti

Biochimica alimentare

Biochimica alimentare si occupa di controllare le interazioni all’interno di un alimento.

Controllo delle interazioni tra i diversi componenti

Proteina/ambiente: l’ambiente condiziona le modalità di conservazione di un alimento (interazioni deboli).

Proteina/proteina: come le proteine si associano è alla base degli impasti (esempio: formaggio) – (interazioni sia covalenti che non covalenti).

Lipidi/proteina: associazione tra lipidi e proteine caratterizzano ad esempio il burro.

Amido/proteine: in base a come le proteine si associano all’amido, possiamo distinguere i diversi tipi di pasta.

Amido/lipidi: in base a come i lipidi si associano all’amido, possiamo distinguere i diversi prodotti da forno (pane) – (interazioni non covalenti).

Le modificazioni delle proteine all’interno dell’alimento hanno un peso sulle trasformazioni dei prodotti.

Controllo delle modificazioni strutturali in proteine e biopolimeri

Modificazioni strutturali di:

• Proteine strutturali degli alimenti (actina/miosina: costituiscono il muscolo)
• Conversione muscolo in carne (la carne è una trasformazione del muscolo che attraverso la frollatura fa sì che un muscolo non edibile lo diventi)
• Proteine di riserva (semi, uovo: vengono trasformati per ottenere altri prodotti)
• Impasti, meringa, maionese
• Secreti proteici (latte)
• Latte alimentare, formaggio, burro

Modificazioni funzionali

• Enzimi (proteine): importanti per l’attività catalitica che svolgono; questi enzimi hanno due funzioni principali: quando sono naturalmente presenti, i quali possono essere attivi o non attivi (blocco dell’attività enzimatica: cambiamento della struttura) e quindi sono legati ai metodi di conservazione, e l’altra funzione è che gli enzimi possono essere utilizzati per fare delle trasformazioni, ad esempio possono essere utilizzati per modificare le proteine.

Il ruolo dell'acqua negli alimenti

Il principale componente degli alimenti è l’acqua. L’acqua negli alimenti è presente in diversi modi, ovvero è presente non come acqua pura in soluzione ma essa interagisce con i diversi componenti.

In un alimento sono presenti diversi gruppi di acqua.

Bisogna quindi analizzare il ruolo dell’acqua nell’alimento e non la quantità. In base alla funzione strutturante (interazione con i diversi componenti), l’acqua viene classificata in 4 categorie che definiscono la capacità delle macromolecole (proteine) di trattenere (legare) l’acqua (water holding capacity).

I tipi di acqua sono:

• Tipo IV: acqua pura aw 1 - acqua limpida
• Tipo III: acqua libera aw 0.8-0.9 - è a disposizione per la crescita microbica, per le attività enzimatiche, per le reazioni redox di ossidazione e anche per le reazioni di Maillard (imbrunimento non enzimatico)
• Tipo II: acqua coordinata aw 0.8-0.25 - serve per le attività enzimatiche (se tolgo acqua libera, non si avrà crescita microbica), reazioni idrolitiche e ossidative e per l’imbrunimento non enzimatico. Acqua coordinata perché è legata alle proteine.
• Tipo I: acqua legata aw 0.25-0.0 - è un’acqua che non congela mai; sotto un livello minimo serve ad un incremento dell’autossidazione dei lipidi

La distribuzione di questi livelli di acqua può condizionare anche la conservabilità. Se in un alimento è presente tanta acqua libera, la possibilità di crescita microbica è elevata rispetto ad un alimento che presenta acqua coordinata. La diversa percentuale dell’acqua condiziona anche la water holding. Se in un alimento non viene trattenuta l’acqua, ovvero è libera, vi è oltre alla crescita microbica, la migrazione dell’acqua verso la superficie e quindi l’aspetto dell’alimento viene perso. Water holding: dipende da carica e da polarità superficiale.

Per verificare se l’acqua è legata o libera, il primo parametro da analizzare è l’attività dell’acqua ma esistono anche strumenti che misurano la quantità dei vari tipi di acqua all’interno di un alimento. Questi sono degli apparecchi di risonanza che utilizzano le onde microonde per fare una sorta di “radiografia” dell’alimento e mi dicono di che tipo di acqua si tratta.

Proprietà delle proteine in un alimento

Interazione acqua/proteina

• Solubilità: in base al tipo di interazione una proteina può essere solubile o insolubile (sciogliersi o no). Esempio: le sieroproteine sono solubili e quindi ho il latte, quando scaldo le sieroproteine si denaturano e si forma una sorta di pellicina sopra il latte e quindi non sono più solubili.

Interazioni con micromolecole (piccole molecole)

• Legame e rilascio controllato di aromi e nutrienti: le proteine servono a rendere solubili alcuni micronutrienti, alcuni minerali come il ferro (aspetto positivo); alcune proteine legano fortemente delle vitamine (biotina). Le proteine hanno un ruolo importante (positivo o negativo) nel far permanere piccole molecole aromatiche.

Interazioni interfacciali

• Formazione e stabilizzazione di schiume
• Formazione e stabilizzazione di emulsioni

Le proteine servono a stabilizzare tra loro la fase idrofilica e la fase idrofobica.

Interazioni macromolecolari

• Formazione e stabilizzazione di gels: ad esempio i polisaccaridi e i lipidi interagiscono con le proteine per formare strutture tridimensionale chiamate gels.

Fattori che influenzano la solubilità di una proteina

Ambiente: (interazione tra la proteina e l’ambiente)

• Forza ionica (salting in/out): se in un ambiente abbiamo una diversa concentrazione di sali, questi influenzeranno in senso positivo o negativo la solubilità della proteina.
• pH (punto isoelettrico): in base alla carica superficiale netta (carica globale su una proteina) si può avere una diversa interazione con l’ambiente e quindi una diversa solubilità all’interno dell’ambiente. Il punto isoelettrico è il pH dell’ambiente al quale la proteina ha carica netta uguale a 0 e in generale esso corrisponde anche al minimo di solubilità di una proteina.
• Ruolo di metalli (es. Ca⁺⁺)

Caratteristiche della struttura proteica: la solubilità di una proteina è influenzata dall’organizzazione strutturale della proteina.

• Nativa, solubile: la proteina è più solubile quando è nella struttura nativa.
• Denaturata, insolubile (aggregati): è meno solubile quando assume una struttura denaturata.

Classificazione delle proteine sulla base della solubilità

Le proteine vengono classificate in base alla solubilità nei diversi pezzi all’interno di vegetali, cereali ecc.

• Proteine solubili in acqua definite albumine; esempio: sieroalbumina e lattoalbumina. Nei cereali le albumine sono alcuni importanti enzimi.
• Proteine solubili in soluzioni saline (sistemi in cui il sale è presente in concentrazioni ragionevoli) e queste vengono definite globuline; esempio: immunoglobuline, viciline (presenti nei legumi) e legumine. Nei cereali ci sono globuline che fanno parte del patrimonio enzimatico presente in questi alimenti. Alcune sono definite come fattori antinutrizionali, ovvero inibitori di proteasi o amilasi.
• Proteine solubili in soluzioni debolmente acide o alcali (0,1% acido) e queste vengono definite gluteline (tipiche dei cereali); esempio: nel caso del frumento si chiamano glutenine e caseina presente nel latte.
• Proteine solubili in alcol che vengono definite prolamine (tipiche dei cereali); esempio: gliadine (frumento), segaline (segale).
• Proteine che non sono solubili in condizioni applicabili in un sistema alimentare e queste sono definite scleroproteine.

Variazioni di solubilità

Se la variazione di solubilità dipende da un fattore ambientale, la proteina non ha cambiato la sua struttura; se invece dipende da una caratteristica della struttura proteica, la proteina ha cambiato la sua struttura.

• 1^o caso: la proteina cambia la sua solubilità in funzione della forza ionica; quando ho una bassa forza ionica si ha una proteina solubile, quando la concentrazione di sali aumenta si ha un aumento della forza ionica, continuando ad aggiungere sali, la proteina non è più solubile e si ha la formazione di aggregati, i quali sono stabilizzati da interazioni idrofobiche ed elettrostatiche quindi l’aggregato diventa via via più grosso e la proteina precipita, ovvero non è più solubile. Il sale sulla proteina fermerà le sue cariche superficiali e quindi piano piano le cariche verranno schermate e la carica netta sarà piano piano 0. Il fenomeno di precipitazione della proteina viene definito salting out, mentre salting in quando la proteina è perfettamente solubile. L’aspetto importante è che la proteina non ha cambiato la struttura, ma mantiene la struttura nativa; è meno solubile perché le condizioni ambientali la rendono meno solubile; una proteina precipitata associata è molto più stabile di una proteina libera in soluzione.

Questo sistema è utilizzato per separare selettivamente proteine presenti in miscela in condizione nativa (esempio: separazione degli anticorpi dal siero di sangue). Molti enzimi (alimentari) vengono venduti come sospensioni ad alto tenore salino. Man mano che aumento la concentrazione salina, la sfera ottimale di idratazione diminuirà perché se aggiungo altri ioni, gli altri ioni competeranno e gli ioni aggiunti hanno bisogno di acqua quindi la solubilità diminuisce, gli ioni tenderanno ad associarsi.

Il grafico rappresenta la solubilità in funzione della forza ionica delle due principali proteine (albumine e globuline); per le albumine, se aumento la forza ionica la loro solubilità è influenzata poco mentre dopo un certo punto la proteina precipita. Nel caso delle globuline, la solubilità aumenta in funzione della forza ionica, aggiungendo fino ad un certo livello di forza ionica, le globuline poi precipitano. La linea rossa (forza ionica) rappresenta che le due proteine si comporteranno in modo diverso, nel caso delle albumine, esse continuano ad essere solubili mentre nel caso delle globuline sta iniziando lentamente la precipitazione. La variazione di solubilità dipende dalla forza ionica. La diversa solubilità di diverse specie proteiche sta alla base della separazione di due frazioni proteiche, esempio la separazione degli anticorpi dal siero nel sangue. Si prende il siero, si aggiunge una quantità di sale, in quelle concentrazioni precipitano tutte le globuline del siero (immunoglobuline), che mantengono la loro struttura nativa. Rimangono solubili le albumine del siero, ovvero la sieroalbumina. Per riportare le proteine ad essere solubili abbasso la forza ionica, con una dialisi oppure diluendo.

• 2^o caso: alcuni sali modificano la solubilità con variazione della struttura. Tutti i sali nei confronti delle proteine non si comportano in modo uguale. Di solito i sali schermano le cariche superficiali e competono nella sfera di idratazione per portare le proteine a precipitare; alcuni sali possono avere un’azione più o meno violenta nei confronti delle proteine, ovvero alcuni sono in grado non solo di schermare le cariche e portare alla precipitazione le proteine ma possono anche comportare delle modifiche della struttura tridimensionale. Bisogna tener conto del sale utilizzato. La differenza rispetto a prima è che la proteina in questo caso precipita a causa del cambiamento della struttura quindi non si parla di un vero e proprio salting out (processo non reversibile). Per capire quale sale bisogna usare per avere un vero salting in e salting out, una vera precipitazione delle proteine con mantenimento della struttura nativa è stata fatta una classificazione dei sali o ioni (positivi o negativi dei sali) in base alla loro affinità verso l’acqua. Una sostanza che ama l’acqua è idrofilica mentre una sostanza che non ama l’acqua è idrofobica. Questi vengono chiamati sali liofilici, ovvero sali strutturanti nei confronti delle proteine, sono grossi ovvero hanno una sfera di idratazione elevata, sono sali che si trovano sulla superficie delle proteine per schermare le cariche. Mentre i sali che non amano l’acqua ovvero destrutturanti sono sali lipofilici, sono sali molto piccoli ovvero non hanno una sfera di idratazione elevata e quindi sono sali che non stanno sulla superficie ma penetrano all’interno della proteina e rompono le coppie ioniche interne, ovvero destrutturano la proteina. Si possono avere cationi e anioni che possono essere più o meno liofilici o lipofilici (esempio: NaCl è liofilico). Di solito le proteine vengono vendute in solfato di ammonio perché è molto destabilizzante. È importante la forza ionica, ma anche conoscere che sale contribuisce a determinare la forza ionica.
• 3^o caso: il pH può causare una variazione della solubilità. Se si ha un pH elevato, la proteina è perfettamente solubile (deprotonata), ovvero al punto isoelettrico la proteina è perfettamente carica ovvero con carica netta uguale a 0 (vuol dire che c’è un bilancio di cariche). Quindi le proteine con carica 0 tenderanno ad associarsi ovvero a formare aggregati. Al punto isoelettrico si ha il minimo di solubilità (carica netta 0 quindi tende ad associarsi la proteina) e la struttura della proteina è nativa. Sopra o sotto il punto isoelettrico avremo una prevalenza di cariche positive o di cariche negative e quindi avremo che la proteina avrà una carica netta negativa o positiva. Se tutte le proteine sono cariche negativamente/positivamente tenderanno a respingersi. Quindi avremo la diversa solubilità. Man mano che mi avvicino al punto isoelettrico raggiungo una carica netta 0 e tendono ad associarsi mentre man mano che mi allontano, aumento la solubilità. Un aspetto importante è che queste variazioni di pH non alterano la dissociazione dei gruppi degli amminoacidi e quindi la proteina mantiene perfettamente la sua struttura nativa. Se si ha un pH basso, la proteina è solubile (protonata).

Applicazioni di variazioni della solubilità in alimenti

Le proteine dei cereali vengono classificate in base alla loro solubilità:

Per verificare la quantità di proteine citoplasmatiche si prende la sospensione, si solubilizza in soluzioni saline e si verifica quanto è solubile. Bisogna verificare la quantità di proteine di riserva; in un cereale le proteine di riserva costituiscono il glutine, esse sono la somma di prolamine e gluteline. Bisogna avere una quantità di proteine citoplasmatiche e di riserva ottimale. Alla base di questa classificazione vi è la diversa solubilità dei diversi pezzi negli alimenti.

Ruolo dei trattamenti: esiste un altro importante utilizzo della solubilità delle proteine in un alimento per capire se un alimento ha subito un trattamento o no; se questo trattamento è stato di un certo tipo o se ha variato l’intensità. In base all’intensità del trattamento fatto sul latte in base all’intensità comportava una variazione di solubilità in certe condizioni solo su certe proteine presenti; da questa osservazione è stata fatta una legge della comunità economica europea. Legge 169/89.

Outline

Latte in toto certa quantità di proteine totali (principali proteine: caseine e sieroproteine). La precipitazione delle caseine acidificando al punto isoelettrico (pH 4.6) comporta anche l’insolubilizzazione delle sieroproteine denaturate, mentre le sieroproteine native sono solubili. Il punto isoelettrico delle caseine è diverso da quello delle sieroproteine.

Frazione solubile proteine solubili. Nella frazione che precipitava al punto isoelettrico c’erano anche sieroproteine e queste aumentavano tanto più intenso era il trattamento termico applicato. Dopo i trattamenti le sieroproteine che precipitavano non erano più native ma avevano una struttura denaturata. Il trattamento termico quindi cambia la struttura delle sieroproteine, ma questa struttura diversa era perfettamente solubile al pH del latte (3,5-3,6) ma quando il pH era 4,6 questa struttura denaturata delle sieroproteine non era più solubile.

Il dosaggio delle proteine per il monitoraggio di processi e prodotti

Esempio 1: Siero proteine nel latte:

• Pastorizzato (sieroproteine almeno 11% delle proteine totali)
• Fresco Pastorizzato (sieroproteine almeno 14% delle proteine totali)
• Il latte microfiltrato Fresco Pastorizzato, con le stesse caratteristiche del precedente, fresco Pastorizzato di Alta Qualità, deve contenere almeno il 15,5% di sieroproteine e almeno il 3,5% di grassi.
• Dizioni come "Qualità Superiore" non hanno alcun significato.
• UHT trattato a temperatura ultra alta, in confezioni che riportano la dicitura “Da consumarsi preferibilmente entro” con un termine massimo di 90 giorni a temperatura ambiente. Non vi sono più sieroproteine.