Appunti di Biochimica alimentare

Scienze e tecnologie alimentari - UniMi

Appunti di lezioni di biochimica alimentare

Orari delle lezioni

Biochimica alimentare 01

• Martedì: 9.00 - 10.30
• Giovedì: 13.45 - 15.30

Marzo: 11-18-25
Aprile: 1-8-15

Esame completo secondo modulo 04/06/19

Controllo delle interazioni tra i diversi componenti

Proteina / ambiente (modalità di conservazione)

Proteina / proteina (impasti)

Lipidi / proteina (burro)

Amido / proteine (paste)

Amido / lipidi (pane)

Controllo delle modifiche strutturali in proteine e biopolimeri

Modificazioni strutturali di:

• Proteine strutturali degli alimenti (actina/miosina)
• Conversione muscolo in carne
• Proteine di riserva (semi/uovo)
• Impasti, meringa, maionese
• Secreti proteici (latte)
• Latte alimentare, formaggio

Modificazioni funzionali di:

• Enzimi nei metodi di conservazione

Definizione/quantificazione delle modificazioni:

• Strutturali: Impieghi analitici
• Funzionali: Impieghi analitici

Markers diretti ed indiretti di trattamento
Determinazione della presenza di metaboliti

Acqua

Il contenuto di acqua negli alimenti: L'acqua è presente in qualsiasi alimento trattato, anche se ha subito processo, nessun prodotto alimentare è anidro. In ogni alimento abbiamo acqua di diversi tipi, acqua che ha diversa attività.

Quattro tipi di acqua in base alla sua attività:

• Acqua di tipo IV —> Acqua pura: aw = 1 è possibile qualsiasi trasformazione
• Acqua di tipo III —> Acqua libera: aw = 0,8 - 0,9

Acqua disponibile per la crescita microbica, per reazioni enzimatiche, reazioni idrolitiche, ossidative, imbrunimento non-enzimatico (Maillard)

• Acqua di tipo II —> Acqua coordinata: aw = 0.8 - 0.25 attività enzimatiche, reazioni idrolitiche e ossidative, imbrunimento non-enzimatico
• Acqua di tipo I —> Acqua legata aw = 0,25 - 0.0 sotto un livello minimo incremento autossidazione lipidi

Permette la compartimentazione all'interno della struttura dell'alimento. Questo garantisce la struttura interna dell'alimento. Questa acqua fa in modo tale che alcune macromolecole all'interno dell'alimento non interagiscano. Definita acqua fortemente legata, quindi strutturata con legami non covalenti rigidi. È legata nell'alimento, non è mobile, non migra, non interagisce con altre macromolecole. È un'acqua che è utile rimanga sempre presente per mantenere una struttura (dell'alimento). È un'acqua che non congela mai. Tutti gli alimenti hanno tipologia di acqua II e I. ES: al burro chiarificato viene tolta acqua III e II in modo che non imbrunisca.

Funzioni dell’acqua negli alimenti:

• Solvente (piccoli o grandi composti solo solubili in un alimento sia liquido sia solido. Non necessariamente il solvente deve essere in fase liquida. Con l’impasto si ottiene un materiale omogeneo) su Molecole semplici con effetto su equilibri osmotici e di pH (anche nei cambiamenti di stato) su Macromolecole con effetto di solubilità es: Prosciutto con aggiunta di sale
• Strutturante su Molecole semplici con effetto di biodisponibilità su Macromolecole con effetto di modifica proprietà es: capacità di water holding (capacità di trattenere acqua) —> una texture della pasta. La struttura delle proteine definisce la capacità di trattenere acqua.
• Mezzo di reazione su Trasformazioni enzimatiche con effetto di crescita microbica

Proprietà delle proteine in un alimento

Interazione acqua - proteine

—> Solubilità: interazione delle proteine con il solvente con quanto è sciolto nel mezzo.

Interazioni con macromolecole

—> Legame e rilascio controllato di aromi e nutrienti

Interazioni interfacciali

—> Formazione e stabilizzazione di schiume

—> Formazione e stabilizzazione di emulsioni

Interazioni macromolecolari

—> Formazione e stabilizzazione di gel

Fattori che influenzano la solubilità

1. Ambiente: (Il mezzo in cui si trova la proteina, il solvente che solitamente è l’acqua. In alcuni casi il solvente viene modificato e può diventare meno idrofilico. ES: birra. Alcune proteine sono più solubili in un ambiente rispetto ad un altro. La matrice in cui si trova la proteina)
   • a. Forza ionica (salting in/out) concentrazione di ioni dell’ambiente.
   • b. pH (P.I.) concentrazione soluto dissociato ruolo di metalli (ES: Ca++) soprattutto metalli bivalenti, variano la solubilità della proteina.
2. Caratteristica della struttura proteica: (determinanti nel trattamento che andrò a fare. Quindi la modificazione della proteina, della sua struttura in base al trattamento che si fa. La solubilità cambia in base alla struttura della proteina che parte da una struttura nativa).
   • Nativa —> solubile (la struttura più solubile nel mezzo in cui naturalmente si trova.)
   • Denaturata —> insolubile (più la proteina tende a formare aggregati, varia la solubilità, diventa meno solubile.)

Non necessariamente la proteina deve essere denaturata affinché sia insolubile. Bensì può essere nativa ma insolubile.

Ambiente

a. Forza ionica (salting in/out)

Nella matrice proteica vengono aggiunti dei sali.

- Primo momento: Condizione di salting in: condizioni di forza ionica in cui la proteina è perfettamente solubile perché la proteina ha una struttura tridimensionale organizzata in struttura geometrica.

1. Intorno ha una sfera di idratazione.
2. La proteina ha una carica netta che tenderanno a non associarsi ma a rimanere in soluzione.

- Secondo momento —> aggiunta di sali:

1. Il sale si scioglie dissociandosi e intorno agli ioni si crea una sfera di idratazione.
2. Gli ioni carichi + o - man mano sciolti andranno ad interagire con le cariche superficiali delle proteine. (+ con - e - con +) andranno a schermare parzialmente le cariche delle proteine. Schermatura parziale delle cariche delle proteine.

- Terzo momento —> Salting out: aggregazione di proteine. Tendono ad associarsi le proteine e quindi diventano meno solubili. Precipita.

NB: la proteina finale, non è più solubile ma ha la stessa struttura della sua forma primaria nativa. Non si rende più solubile una proteina nativa, non si modifica la struttura 3D della proteina nativa. Gli ioni vanno a schermare parzialmente le cariche senza modificare la struttura della proteina.

Utilizzato per eliminare delle proteine da una soluzione. Utilizzato per conservare a lungo gli enzimi. Una proteina associata con altre proteine è molto rigida, quindi nel tempo è più stabile perché ha meno modi per muoversi. Utilizzato per separare le proteine da una miscela complessa. Non tutti i sali hanno questa proprietà di svolgere forza ionica. NaCl / solfato di ammonio può attuare precipitazione con salting in/out. Ogni proteina ha una forza ionica diversa che fa salting in / out. Per allontanare gli ioni da una soluzione, si diluirà e poi si attuerà una dialisi (filtrazione). ES: stessa forza ionica dei due sali. Una proteina in una sale con una certa concentrazione è solubile, salting in ma insolubile in un altro sale con un’altra concentrazione, è in salting out. In questo caso dipende dalla concentrazione degli ioni che si sono dissociati (ioni bivalenti / monovalenti). Il Ca può mettersi da ponte tra due proteine cariche negativamente, mentre il Na no perché è monovalente. Avviene in tutti i processi di salatura. ES: la concentrazione di un sale non è la stessa della forza ionica di un sale.

pH (P.I.)

Somma delle cariche superficiali presenti = 0. Carica complessiva = 0. pH = P.I. La proteina sarà meno solubile quando si trova al suo punto isoelettrico perché non si ha presenza di cariche. Si attua un concetto di S. in / out.

• pH >: proteina solubile deprotonata (-)
• pH <: proteina solubile protonata (+)
• PI: aggregati proteici (+ e -)

ES: si utilizza per il lisozima (ha PI circa 9) quindi porterà ad un pH in cui si estrae solamente il lisozima. NB: la proteina finale ha la stessa struttura della sua forma primaria nativa.

Classificazione delle proteine dei cereali in base alla solubilità

Variazione di solubilità associato ad una modifica della struttura:

• Alcuni sali modificano solubilità con variazione di struttura
• Trattamenti

Classificazione delle proteine sulla base della solubilità

— Scleroproteine Sistema ancora utilizzato in industria per identificare le proteine dei cereali.

Proteine citoplasmatiche

Classe: albumine —> solubili in acqua
Classe: globuline —> solubili in soluzioni saline

Proteine di riserva

Classe: prolamine (nel caso del frumento gliadine) —> solubili in alcol
Classe: gluteline (nel caso del frumento glutenine) —> solubili in soluzioni alcaline deboli o acide deboli

Caratteristica della struttura proteica

c. Denaturazione

Trattamento

Una variazione di solubilità in seguito al trattamento identifica una legge per normare alcuni prodotti. ES: la legge che stabilisce se un latte è stato UHT, sterile, pastorizzato dipende dalla modifica della solubilità in base al trattamento che ha subito.

Latte in toto —> proteine totali (caseine insolubili + sieroproteine solubili a pH 4.6) la precipitazione delle caseine acidificano al punto isoelettrico delle caseine pH 4.6 comporta anche l'insolubilizzazione delle sieroproteine denaturate. Frazione solubile —> proteine solubili (sieroproteine 15% - 20%) la quantità di sieroproteine varia (diminuisce) in base al trattamento termico che ha subito il latte. A pH del punto isoelettrico delle caseine. Insolubili (caseine)

2. Utilizzo di alcuni sali. Alcuni sali modificano la struttura della proteina.

S. IN ES: NaCl stessa concentrazione —> solubile mantiene struttura e attività
NaClO₄ stessa concentrazione —> insolubile
Ioni (anioni/cationi): non hanno sfera di idratazione molto grande e quindi possono penetrare all’interno della struttura proteica. Quindi è capace di entrare all’interno, conseguentemente si modifica la struttura della proteina dall’interno. Si ha perdita di struttura e attività. Si sviluppa una struttura meno solubile.
S. OUT ES: NaCl stessa concentrazione —> insolubile La proteina precipita ma ha la stessa struttura nativa.
NaClO₄ stessa concentrazione —> insolubile La proteina precipita ma non ha mantenuto la struttura nativa.

Classificazione degli ioni in base alla liofilicità

Cationi / anioni liofilici (amano l'acqua): Cs⁺, Rb⁺…
Cationi / anioni lipoliofilici (non tollerano l'acqua): Li⁺, NH₄⁺….

“Structuring” salts liofilici, altamente solvatati, agiscono sulle cariche sulla superficie delle proteine, possono togliere acqua dalla proteina. “De-structuring” salts lipofili, scarsamente solvatati, possono agire sulle cariche sulla superficie della proteina e profondamente all'interno della struttura proteica, non si preoccupano dell'acqua superficiale.

Esempi di modificazioni tecnologiche della solubilità delle proteine

Biochimica alimentare - lezione 02

Definizione di gel

GEL = Sostanza che evidenzia proprietà simili ad un sistema solido dove grandi quantità di solventi sono presenti. (con polisaccaridi, proteine…) Nel caso di GEL proteici: base di partenza sono gli arrangiamenti spaziali degli aggregati che hanno un impatto sulle proprietà reologiche, sensoriali e sulla capacità di trattenere acqua. Per inglobare grande quantità di solvente, si ha una geometria ben definita. (rete proteica solida che mantiene acqua). Affinché si mantenga una rete, si deve avere una struttura di proteine ben definite, devono essere non native e non tutte le proteine sono adatte.

GELS: proprietà colligative interproteina

Sono praticamente tutti irriversibili, tranne uno. Sono interazioni diverse, di ogni tipo: H / S / Ca..

Classificazione dei gels in base ai legami che li stabilizzano

Gelatina

1. Riscaldamento in acqua, rottura dei legami idrogeno.
2. Raffreddamento, formazione di legami idrogeno intermolecolari.
3. Struttura reticolare in grado di trattenere acqua al suo interno. Con legami covalenti.

Tofu

Le proteine dei legumi sono proteine acide, quindi hanno una grande quantità di residui acidi (glutammato e aspartato). Inoltre allo stato nativo hanno una struttura molto compatta.

1. Cariche negative dalla dissociazione di carbossili sulle catene laterali di aspartato o glutammato (proteine di soia - tofu). Quindi alcalinizzo in modo di dissociare. (—> pH 7/8). Facilito la dissociazione dei gruppi acidi, quindi li carico negativamente. Le proteine molto negative tenderanno a dissociarsi perché si ha una forte concentrazione di cariche negative. Tenderanno a dissociarsi e quindi sarà più semplice l’entrata di solvente.
2. Ioni calcio (o altro metallo bivalente) coordinati dalle cariche negative sulle proteine. Si crea una interazione tra ioni bivalenti e cariche negative dei carbossili delle catene laterali. Sarà più tenace la rete proteica quando si avrà: pH >> pKa si avrà sicuramente una maggiore dissociazione delle proteine acide, quindi si potranno avere molte più interazioni con ioni bivalenti. Maggiormente dissociate le proteine, maggiore possibilità di avere legami con Ca++. —> Maggiori legami, struttura più tenace.

Ricotta

Sieroproteine (alpha-lattoglobulina; beta-lattoglobulina) Gel costituito da: lipidi residui - proteine (sieroproteine) - acqua.

Preparazione: Siero/latte - sale - 90°C; acidificazione (acido citrico) - 20-40 minuti sosta. Stabilizzazione del gel: Interazioni idrofiliche (H) - interazioni elettrostatiche - interazioni idrofobiche. All’interno della rete abbiamo acqua e residuo di lipidi.

Beta-lattoglobulina Alpha-lattoglobulina Struttura ben definita, hanno zone imputate per interazione con altri composti. Alpha: ha una tasca idrofobica in cui si infila il retinolo. Beta: ha struttura quaternaria, in soluzione ha un dimero associato idrofobicamente e un legame elettrostatico tra un residuo acido e uno basico.

Trattamento a caldo. Scaldando, questa proteina ha una struttura denaturata, e quindi una esposizione a delle regioni idrofobiche che prima erano nascoste. Si ha una modificazione della proteina data dalla modificazione solvente che arriva ad una temperatura di 90°C. Acidificazione. Va ad interagire sulle interazioni elettrostatiche che si indeboliranno. La proteina tende ad avere una struttura diversa. Con il citrato o il limone (a. ascorbico) si ha una funzione di chelare gli ioni metallici, soprattutto il Ca++. Tutto ciò rende meno stabile la struttura —> denaturata.

Raffreddamento. Il solvente si riorganizza.