Appunti di chimica degli alimenti

Gli alimenti

Gli alimenti sono prodotti commestibili da assumere periodicamente dall’esterno per assicurare, insieme alla respirazione, il normale svolgimento delle funzioni fisiologiche dell’organismo. Sono organismi o parte di organismi viventi (carne, frutta e verdura), oppure prodotti derivati o ottenuti da derivati di organismi viventi (latte, oli vegetali, pasta).

Categorie di alimenti

Si distinguono in quattro categorie:

• Alimenti semplici: acqua, zucchero, oli e grassi.
• Alimenti complessi: contengono diversi principi alimentari o nutrienti.
• Nutrienti inorganici: acqua e sali minerali.
• Nutrienti organici: protidi, lipidi, glicidi e vitamine.

Funzioni degli alimenti

Gli alimenti hanno diverse funzioni principali: nutrienti energetici, plastici e regolatori.

• Come nutrienti energetici, forniscono materiale energetico per la produzione di calore, lavoro o altre forme di energia per il mantenimento della temperatura corporea e l’attività fisica.
• Come nutrienti plastici, forniscono materiale plastico per la crescita e riparazione dei tessuti e devono essere reintegrati nell’adulto.
• Come nutrienti regolatori, forniscono materiale regolatore per le reazioni metaboliche.

Specifiche dei nutrienti

In particolare, ogni nutriente alimentare ha una propria funzione particolare:

• Protidi (proteine): nutrienti plastici che forniscono anche energia e agiscono anche come regolatori (enzimi, ormoni, anticorpi).
• Lipidi: nutrienti energetici che costituiscono anche le strutture cellulari (fosfolipidi).
• Glicidi (carboidrati): nutrienti energetici che costituiscono anche strutture cellulari come DNA e RNA e agiscono anche come regolatori.

I nutrienti, però, non possono raggiungere le cellule per svolgere la loro funzione prima di essere modificati fisicamente e chimicamente. Quindi devono essere digeriti per mezzo di catalizzatori enzimatici.

La digestione

La digestione è dunque l’idrolisi graduale del cibo nell’apparato digerente o gastrointestinale. Questo è un sistema composto da diversi organi che trasformano gli alimenti complessi in sostanze nutritive adatte a essere assimilate dall’organismo.

Nutrienti inorganici

Si dividono in macro e microelementi. I macroelements sono quelli necessari in quantità elevata che hanno principalmente funzioni strutturali. Tra questi troviamo Ca, Mg, K, Na, Cl, solfati e fosfati. Invece, i microelementi sono quelli necessari in piccole quantità che spesso coadiuvano l’attività dei sistemi enzimatici. Tra questi ricordiamo Co, Cu, Fe, Mn, Zn, Cr, Si, I, F.

Le quantità di micro e macroelementi in ogni alimento sono scritte in tabelle di composizione degli alimenti elaborate dal Centro di Ricerca per gli alimenti e la nutrizione (CREA-AN) che, però, non tiene conto della loro biodisponibilità e bioaccessibilità.

Acqua e sali minerali

Acqua

L’acqua è indispensabile per animali e vegetali: i primi sono costituiti da circa il 65% di acqua in equilibrio dinamico con l’esterno. L’acqua funge da solvente per quasi tutte le reazioni biochimiche e veicola i principi nutritivi e le scorie metaboliche. Inoltre, è un reagente nell’idrolisi di digestione, quindi durante questa reazione si consuma.

Sali minerali

Sono presenti nell’acqua potabile e negli organismi vegetali e animali (nell’uomo rappresentano circa il 5% del peso corporeo), solamente NaCl viene aggiunto agli alimenti dall’esterno. Contribuiscono al sapore dell’alimento. La quantità di sali minerali introdotta nell’organismo, però, non coincide con quella biodisponibile, che è quella effettivamente assorbita e metabolizzata: il loro assorbimento è influenzato da dieta, assunzione di farmaci e integratori alimentari e vitamine (la D aumenta l’assorbimento di Ca, P e Mg).

Principali macroelementi nei sali minerali

Principali microelementi nei sali minerali

Carboidrati o glicidi

Sono sintetizzati dai vegetali partendo da CO₂ e H₂O e utilizzando l’energia solare in presenza di clorofilla: 6CO₂ + 6H₂O --> C₆H₁₂O₆ + 6O₂. I più abbondanti nel mondo vegetale sono amido, utilizzato come materiale di riserva, e cellulosa, usata come materiale di sostegno.

Si dividono in quattro tipi: monosaccaridi, disaccaridi, oligosaccaridi (per idrolisi danno 4-10 monomeri) e polisaccaridi.

Monosaccaridi

Non idrolizzabili a zuccheri più semplici. Sono molecole a struttura cristallina con gusto dolce e solubili in acqua. Hanno formula bruta (CH₂O)_n con n>=3 e chimicamente si dividono in aldosi (che hanno un gruppo funzionale aldeidico, come il D-glucosio) e chetoni (che hanno un gruppo funzionale chetonico, come il D-fruttosio).

In base al numero di carboni, invece, si dividono in triosi (3 atomi di carbonio), tetraosi (4 atomi di carbonio), pentosi (5 atomi di carbonio), esosi (6 atomi di carbonio), eptosi (7 atomi di carbonio) e così via.

Alcuni monosaccaridi hanno degli stereoisomeri, molecole con la stessa formula bruta e stessa formula di struttura ma diversa disposizione degli atomi e dei gruppi funzionali nello spazio. Questi stereoisomeri vengono indicati con D e L in base alla disposizione nello spazio dei gruppi -H e -OH legati al carbonio asimmetrico: gli zuccheri naturali sono della serie D. Per esempio, nel D-glucosio il gruppo -OH del 3^o carbonio sta a sinistra mentre nel D-galattosio il gruppo -OH del 5^o carbonio sta a sinistra. Inoltre, gli stereoisomeri vengono anche indicati con (+) e (-) in base al senso di rotazione, orario o antiorario, del piano della luce polarizzata.

Glucosio

Il glucosio è molto diffuso nei vegetali dolci ed è la più importante fonte di energia. Si presenta come cristalli bianchi, solubili in acqua e poco solubili negli alcol. Può fare fermentazione alcolica dando etanolo e CO₂ e si ottiene per idrolisi di molti carboidrati (saccarosio, maltosio, cellulosa, amido e glicogeno). Ha inoltre proprietà riducenti perché ha un gruppo -OH anomerico libero.

È destrosio perché il D-glucosio ruota il piano della luce polarizzata in senso orario. In soluzione acquosa rimane poco tempo in forma aperta e dopo poco prende dunque la forma chiusa che prende il nome, in base alla posizione dell’ossidrile legato al carbonio 1, di α-D-glucosio o β-D-glucosio. Il primo ha una posizione assiale, il secondo equatoriale. In soluzione acquosa avviene dunque una mutarotazione finché α-D-glucosio (37%) e β-D-glucosio (62.9%) sono in equilibrio: rimane una percentuale di 0.1% in cui il carbonio rimane aperto.

Fruttosio

Anche il D-fruttosio assume una forma chiusa ma, a differenza del glucosio, ci sono delle complicazioni perché l’anello del fruttosio si può chiudere a 5 o a 6 atomi. Negli anelli a 5 atomi (furanosidiche) le posizioni assiali ed equatoriali si differenziano meno da un punto di vista energetico. Dunque, più strutture spaziali convivono in soluzione sfavorendo la cristallizzazione del fruttosio: il D(-)-Fruttopiranosio (70%) e il β-D-fruttofuranosio (30%).

Disaccaridi

Per idrolisi danno due monosaccaridi uguali o diversi. Sono molecole a struttura cristallina con gusto dolce e solubili in acqua. Derivano dalla condensazione di due monosaccaridi uguali o diversi, con formazione di un legame 1,2-, 1,4- oppure 1,6- glicosidico tra l’-OH di un monosaccaride e un -OH del secondo zucchero. Si dividono in riducenti (che subiscono mutarotazione) e non riducenti.

Maltosio

Il maltosio è costituito da due monomeri uguali di α-D-glucosio legati con un legame 1,4- ed è uno zucchero riducente. Può effettuare la fermentazione panaria e si forma per idrolisi dell’amido.

Lattosio

Il lattosio è costituito da due monomeri uguali di β-D-glucosio legati con un legame 1,4- ed è uno zucchero riducente. È presente nel latte come unico zucchero ed è scarsamente dolce. Può fermentare solo dopo idrolisi come nello yogurt.

Saccarosio

Il saccarosio è costituito da un α-D-glucosio legato con un legame 1,2- a un β-D-fruttofuranosio. È lo zucchero usato a tavola e viene ricavato dalle barbabietole nei paesi freddi e dalla canna da zucchero nei paesi caldi. Non è riducente, lo diventa solo dopo idrolisi con acidi o enzimi producendo glucosio e fruttosio.

Polisaccaridi o glicani

Polimeri che per idrolisi danno numerosi monosaccaridi uguali o diversi. Sono dunque costituiti da un grande numero di monosaccaridi legati con un legame glicosidico α o β. Si dividono in omoglicani (per idrolisi danno un solo monomero) oppure eteroglicani (per idrolisi danno più monomeri diversi). Sono solidi amorfi, insolubili in acqua e che se la assorbono si gonfiano. Quelli a basso peso molecolare, però, sono idrosolubili e danno soluzioni colloidali e non diffondono nelle membrane. Non sono dolci né riducenti.

Si distinguono in pentosani (la catena principale è costituita da pentosi) o esosani (la catena principale è costituita da esosi). In particolare, i β-glucani sono polisaccaridi lineari con legami 1,3- o 1,4-. Sono contenuti in cereali (orzo, avena, grano e segale) e sono agenti strutturanti utilizzati al posto dei grassi. Sono poco solubili in acqua e danno soluzioni più viscose maggiore è il loro peso molecolare.

Amido

L’amido è un α-glucano molto diffuso nel regno vegetale, in tessuti o organi di riposo (tuberi, semi e gemme). Si presenta come polvere bianca, sottile, granulosa, amorfa e insolubile in etanolo. In presenza di poca acqua dà una massa gelatinosa, con molta acqua invece dà una soluzione colloidale opaca. È costituito da due frazioni: amilosio e amilopectina.

Amilosio

L’amilosio prevale nei legumi ed è invece il 20% nell’amido di frumento. È costituito da catene lineari legate con legami α-glicosidici 1,4- e ha una conformazione a doppia elica. È parzialmente solubile in acqua.

Amilopectina

L’amilopectina, invece, è circa l’80% nell’amido di frumento e nel riso quasi il 100%. È costituita da catene di glucosio con legami α-glicosidici 1,4- e ramificazioni di circa 25 unità legate al carbonio 6. È insolubile in acqua, dopo cottura è più digeribile dell’amilosio dunque a temperature maggiori di 80°C forma un gel assorbendo acqua (gelificazione).

Glicogeno

Il glicogeno è un α-glucano che costituisce la riserva di glucosio negli animali depositandosi nel fegato e nei muscoli. Se fa idrolisi totale dà glucosio, se fa idrolisi parziale dà maltosio. È una polvere bianca, inodore, insapore, non riducente e insolubile in acqua. Ha una struttura simile all’amilopectina, ma con più ramificazione.

Cellulosa

La cellulosa è invece un β-glucano con legami 1,4- ed è un polimero del glucosio con struttura lineare. Il legame β è più stabile termodinamicamente quindi determina la grande inerzia chimica. È molto diffusa in natura infatti costituisce le pareti cellulari e si trova in tutti gli alimenti vegetali, mentre negli animali rimane indigerita perché non abbiamo enzimi per l’idrolisi. Nei mammiferi monogastrici favorisce la peristalsi e costituisce la fibra alimentare. È insolubile in tutti i solventi, resistente agli agenti chimici e spesso è cristallizzabile. Ha grande capacità di gonfiarsi e assorbire acqua, soprattutto quando viene trasformata in carbossimetilcellulosa. Questo è un legante inerente e dà struttura agli alimenti. Si trova in cibi a basso apporto calorico, in dessert, gelati e salse: ritarda la cristallizzazione dello zucchero nelle caramelle e del ghiaccio nei gelati.

Alla cellulosa si lega fortemente la lignina, che non è un carboidrato ma un polimero molto complesso non idrolizzabile e non digeribile. Serve per facilitare il funzionamento intestinale.

Emicellulosa

L’emicellulosa è costituita da una catena lineare di glucosio con brevi ramificazioni di esosi o pentosi. Ha minore resistenza chimica della cellulosa e ha consistenza gelatinosa. Si trova come pentosani nei cereali.

Inulina

L’inulina è un β-glucano del fruttosio che è indigeribile e arriva quindi indigerita all’intestino dove favorisce la crescita di microrganismi come il prebiotico. Viene utilizzata per la preparazione di alimenti per diabetici perché è quasi priva di glucosio. Ha inoltre effetto lassativo e viene utilizzata per la produzione di fruttosio puro. Si trova nei tuberi di dalia, nella cicoria e nell’aglio. Si presenta come polvere bianca, inodore, insapore ed è solubile in acqua calda.

Gli alginati sono polimeri dell’acido glucuronico e galatturonico. Vengono estratti dalle alghe per trattamento basico e servono per chelare fortemente il calcio e stabilizzare i gel negli alimenti.

Le pectine sono polimeri del metilestere dell’acido galatturonico, con diversi gradi di metilazione. Stabilizzano i gel nelle marmellate dando forti legami a idrogeno. Sono prodotti naturali presenti soprattutto nella frutta e si usano anche come additivi alimentari. Durante la fermentazione possono anche liberare metanolo.

Lipidi

Vengono classificati in base alla loro funzione svolta nell’organismo in: di deposito (98%): svolgono funzione di riserva e trasporto di energia.