Appunti di Biochimica Alimentare - modulo 2

Biochimica alimentare

Definizione qualità di un alimento

La qualità di un alimento è creata dal sovrapporsi di tante considerazioni (alcuni elementi vengono dalla biologia, dal mondo della fisica, dall'economia e dall'etica estetica). Gli elementi che determinano la qualità di un alimento si distinguono in elementi oggettivi (misurabili) e soggettivi:

• Oggettiva, che nasce da due aspetti:
  • Compositiva: cosa c'è dentro prima e dopo la trasformazione.
  • Strutturale: quali sono le caratteristiche fisiche del prodotto finito (es. aspetto strutturale diverso tra pane e farina). Queste modificazioni strutturali che contribuiscono alla qualità non sono solo importanti dal punto di vista estetico ma anche dal punto di vista del nostro metabolismo.
  • Nutrizionale: cosa mi serve e cosa sono in grado di utilizzare delle componenti utili di un alimento. Entrambe le cose non sono costanti (al variare dell'età variano i nostri fabbisogni).
• Soggettiva che nasce da due aspetti:
  • Edonistico: aspetto del cibo, ciò che lo rende invitante che coinvolge molti aspetti molecolari.
  • Culturale: può essere legato a scelte, tradizioni o atteggiamenti mentali di chi si pone di fronte a un certo prodotto alimentare (vegani, etc.).

Questi ultimi due aspetti sono importanti perché la biochimica contribuisce a generare cose migliori, almeno dal punto di vista del loro aspetto, e a generare cose che rispondano alle aspettative di consumatori particolari. L'impegno fondamentale dell'alimentarista è di produrre innanzitutto un alimento sicuro, buono e nutriente e la biochimica ci aiuta a capire:

• Quali sono le caratteristiche dei nutrienti presenti in una materia prima.
• Cosa diventano nel processo e come lo diventano.
• Come si possono evitare i guai.
• Come si può rendere il cibo "migliore".

Principali componenti degli alimenti e la loro funzione

Gli alimenti sono generalmente composti da macronutrienti (acqua, carboidrati, lipidi e proteine) e da micronutrienti e altre sostanze (vitamine, minerali, aromi, pigmenti). Questi elementi possono presentare una funzione energetica (mantenere costante la temperatura del corpo, e dare l'energia per compiere movimenti), plastica (costruire, mantenere e rinnovare tutti i tessuti dell'organismo), regolatoria (apportare elementi indispensabili alle trasformazioni chimiche che avvengono nell'organismo, fondamentali per la vita) ed edonistica (per rendere più appetibile un alimento):

• L'acqua non ha nessuna funzione energetica, però ha una funzione plastica, regolatoria (infatti è indispensabile per assicurare gli equilibri osmotici dentro l'alimento e dentro l'organismo) ed edonistica (se si cuoce uno spaghetto in acqua bollente si arriva ad un'umidità del 60% partendo dal 12%. Ha cambiato così la sua struttura e infatti lo spaghetto cotto è più appetibile rispetto ad uno spaghetto crudo).
• I carboidrati hanno una funzione energetica ed edonistica.
• I lipidi hanno una funzione energetica, plastica ed edonistica.
• Le proteine hanno una funzione energetica, plastica, regolatoria ed edonistica.
• Le vitamine e i minerali hanno una funzione regolatoria. Essi sono importanti dal punto di vista nutrizionale perché molti enzimi richiedono ioni metallici come cofattori (nessuna chinasi funziona se non c'è lo ione magnesio, l'emoglobina non funziona senza il ferro e il citocromo della catena respiratoria mitocondriale non funzionerebbe senza ferro e rame perché non si produrrebbe energia nei mitocondri) e vitamine.

La loro funzione non è soltanto quella di regolare, in quanto questi hanno anche un impatto importante sulla durata commerciale di un qualunque alimento; molti alimenti contengono acido ascorbico (vitamina C) perché impedisce le reazioni di ossidazione e quindi che un alimento, soprattutto se ricco in grassi, irrancidisca. Per i metalli vale lo stesso discorso, infatti questi scatenano le reazioni di Fenton (sono in grado di ossidare altri componenti presenti nell'alimento, tipicamente i lipidi). Per questo vengono aggiunti all'alimento dei composti in grado di sequestrare i metalli (acido citrico o chelanti specifici a quel preciso metallo).

• Gli aromi e i pigmenti invece hanno una funzione edonistica. Gli aromi si sentono solo se sono volatili, ma non nascono come tali; gli aromi del vino sono presenti con un composto idrofobico attaccato a degli zuccheri, ma non essendo volatili restano nell'acqua e non si possono sentire. Per poterlo sentire bisogna intervenire biochimicamente separando lo zucchero, non volatile, dall'alcol, volatile.
• Per quanto riguarda i pigmenti, ciò che distingue il salmone norvegese da quello finlandese è il diverso colore (il primo proveniente dal mare del nord è rosa, il secondo proveniente dal Baltico è bianco). Questo perché il Baltico, essendo un mare interno con acque molto fredde senza rimescolamenti con altre parti dell'Oceano, non consente l'entrata dei microplancton colorati in rosso che danno il colore ai salmoni. Quindi un pigmento è un indicatore di provenienza.

I pigmenti sono la cosa su cui è più facile intervenire, in quanto in molti casi basta aggiungerli o modificarli (la molecola avente la più alta affinità con l'emoglobina è il monossido di carbonio. Il sangue legato al monossido di carbonio assume un colore rosso-ciliegia (molto diverso dal colore più blu del sangue venoso, e molto più rosso del sangue arterioso). In alcuni paesi infatti si impacca la carne in atmosfera contenente monossido di carbonio per farla mantenere di un colore rosso intenso e usando un'illuminazione adeguata dei comparti frigoriferi permette di far sembrare la carne totalmente fresca).

Biotecnologia alimentare

La biotecnologia alimentare si basa sul controllo delle interazioni tra i diversi componenti che consentono di trasformare la materia prima in alimento. Esempi di biotecnologia sono:

• Interazione di acqua e carboidrati che determinano la differenza di consistenza di una patata cotta da una cruda. Succede la stessa cosa quando cuociamo la pasta o facciamo il pane: importante è anche la presenza delle proteine, in quanto se non ci fossero la pasta si scioglierebbe nell'acqua di cottura fino a diventare "colla".
• Interazione di lipidi, acqua, zuccheri e proteine nella maionese.
• Interazione di proteine, lipidi e coloranti endogeni. Infatti il prosciutto cotto deve il suo colore rosa al legame tra l'emoglobina nel muscolo del maiale e il ferro. Il prosciutto cotto è rosa e quello crudo è rosso perché dipende dalle diverse modalità di interazione della proteina con l'eme; questo è un esempio di come la biotecnologia influisce sulle caratteristiche organolettiche di un alimento.
• Interazioni che riguardano le vitamine: l'avidina è un fattore antinutrizionale presente nel bianco dell'uovo (pesci, rane, uccelli, serpenti, galline..) e si lega quasi irreversibilmente con alta affinità ad una delle vitamine più importanti del nostro organismo, ossia la biotina (importante nella conversione del piruvato in Acetil CoA e nella conversione del piruvato in ossalacetato all'inizio delle cosiddette vie anaplerotiche). L'avidina è presente perché è uno strumento di difesa, infatti se si mangiano troppe uova si rischia di andare in avitaminosi.

Non basta che un certo componente sia presente nella materia prima, infatti ci sono 3 punti da considerare:

• Biodisponibilità del componente:
  • Ossia deve essere in grado di valicare la barriera rappresentata dalla mucosa intestinale, passando dal lume alla parte basale delle cellule epiteliali dell'intestino ed entrando così nel metabolismo. Ciò dipende dall'alimento, cioè da cosa c'è dentro e da come è formulato:
  • Le proteine del latte nascono già destrutturate (ogni 10-15 residui c'è una prolina che impedisce loro di assumere una struttura) in modo che le proteasi del tratto digerente le possano tagliare con facilità.
• Ma ciò che determina la biodisponibilità di un alimento è anche il trattamento a cui lo sottoponiamo, infatti:
  • Se prendiamo un bicchiere di latte e lo mischiamo con del caffè in polvere o polvere di cacao, una buona parte delle sue proteine finiscono adese sulle componenti idrofobiche di questi alimenti e ciò ha come conseguenza l'impossibilità di digerire il latte (a causa dell'impossibilità di tagliare le sue proteine).
• L'ultimo aspetto incidente sulla biodisponibilità di un componente è la presenza di fattori antinutrizionali:
  • Una delle principali proteine dell'albume dell'uovo è l'ovoalbumina, la quale è una serpina, ossia un inibitore delle proteasi a serina (tripsina e chimotripsina in quanto presentano un residuo di serina sul loro sito attivo). Questo è il motivo per il quale l'uovo crudo non è digeribile.

Processo:

• Osservando l'esempio dell'uovo, si può notare che se lo processiamo la digeribilità dell'albume cresce (ma non del tuorlo, la cui cottura peggiora la sua biodisponibilità poiché viene alterata la struttura dei fosfolipidi rendendo difficile il loro assorbimento. Per questo la forma d'uovo più raccomandata è l'uovo alla coque) poiché l'ovoalbumina viene denaturato attraverso il processo di cottura impedendo ad essa di esercitare la sua funzione.
• Valori edonistici:
  • Il processo incide sull'aspetto, aroma o sapore dell'alimento (per esempio la patata fritta è diversa da una patata lessa anche se presentano la stessa composizione).
  • Se esagero con il processo però, rischio di cambiare le caratteristiche chimiche di alcuni AA con conseguenze che possono essere nefaste sia dal punto della digeribilità che della sicurezza:
    • Se infatti l'uovo viene lasciato cuocere per più di 10 minuti, la superficie del tuorlo diventa verde. Questo perché le cisteine presenti nelle proteine dell'albume perdono lo zolfo andandosene sottoforma di acido solfidrico, il quale migra verso il tuorlo e si lega con l'emoglobina al posto dell'ossigeno formando il composto di colore verde.
    • A livello edonistico noi percepiamo tutti gli alimenti a pH elevato come qualcosa di saponoso e questo è un'accomplicanza, poiché in realtà maggiore è il pH e maggiore è la freschezza dell'alimento. Per questo per mangiare un filetto alla tartara (carne di manzo cruda) si usa aggiungere del succo di limone per limitare la sensazione saponosa avvertita dall'organismo.
    • Le aziende alimentari molto spesso usano l'albume sotto forma di polvere per ragioni di praticità (per esempio come legante dei tortellini). L'essiccamento dell'albume porta però al suo annerimento e ciò è causato dal fenomeno di glicazione facilitato dal pH elevato dell'uovo, dall'alta temperatura necessaria per tale operazione e dalla presenza di proteine ricche in residui di lisina e zuccheri come il glucosio. Per evitare il colore nerastro si può:
      • Lavorare con rendimenti più bassi ma con temperatura più bassa.
      • Titolare l'albume con acido pampurionico in modo che il pH sia inferiore.
      • Inserire un enzima che trasforma il glucosio in acido gluconico, il quale:
        • Non essendo più un aldeide non forma la base di schiff.
        • Essendo un acido porta all'abbassamento del pH.

Proteine

Il protagonista principale delle caratteristiche di qualità dell'alimento è rappresentato dalle proteine, le quali hanno una serie di funzioni su cui possiamo giocare per gestire i diversi livelli di qualità. Importanti sono:

• Modificazioni strutturali:
  • Tutti gli interventi che noi facciamo vanno a toccare la struttura delle proteine.
• Modificazioni funzionali:
  • Si possono privare le proteine della loro attività funzionale inattivando degli enzimi oppure sfruttando le proprietà funzionali per introdurre delle modificazioni. Questo intreccio di attività che hanno come bersaglio le proteine sono anche interessanti perché offrono una serie di strumenti che servono per verificare come i cambiamenti da noi indotti si siano compiuti, quanto e anche con quale velocità, perché nel materiale biologico la trasformazione da una cosa all'altra dipende da due fattori:
    • Termodinamico: qual è la forma più stabile?
    • Cinetico: con che velocità si arriva a un certo prodotto o a un certo intermedio.
• Controllo della struttura/funzione: sicurezza
  • Il tutto va fatto senza toccare il requisito fondamentale dell'alimento, ossia la sicurezza per il consumatore. Al centro della rete di interazioni ci sono le proteine poiché sono in grado di interagire, essendo anfoteriche (cambiando di carica) ed essendo anfifiliche (disponendo di regioni con diversa polarità), con tutti gli elementi macro e micromolecolari presenti negli alimenti:

Interazione tra proteine e acqua

L'acqua non è solo la specie chimica più abbondante in gran parte del materiale alimentare, ma anche il componente più importante nel:

• Determinarne le proprietà fisiche, chimiche, microbiologiche etc..
• Controllarne le modalità di conservazione degli alimenti
• Determinarne le modalità di trasformazione.

L'acqua sostanzialmente ha tre funzioni:

• Solvente: tiene le molecole in soluzione (l'acqua, ossia il solvente, continua a muoversi e impedisce alle molecole di sedimentare). Se prevalgono le interazioni con il solvente, una molecola piccola (come il solfato di sodio) è solubile, mentre se prevalgono le interazioni tra le molecole queste tenderanno ad associarsi in cristalli troppo grossi per essere mantenuti in soluzione e tenderanno a precipitare (come il solfato di bario). La tendenza a formare interazioni molecole-acqua o molecole-molecole dipende dalle loro caratteristiche di struttura, di solubilità e dallo stato di associazione. Proteiformi, le proteine sono in grado di cambiare le proprie caratteristiche di reattività nei confronti di altre specie presenti in soluzioni, di proteine e nei confronti del solvente. Infatti essa può esistere in più conformazioni.
• Strutturante: si può notare quando si parla di macromolecole in quanto l'acqua è contemporaneamente il principale nemico nella struttura macromolecolare, ma è anche il più potente agente strutturante perché se si forma la doppia elica non è solo per aver protetto i legami, ma è perché abbiamo impaccato le coppie di basi le une contro le altre per non lasciare superfici idrofobiche al solvente.
• Mezzo di reazione: serve per fare le cosiddette reazioni idrolitiche ("digestione proteolitica") usando l'acqua. Se si mettono in frigo dello stracchino e del parmigiano per molti giorni, si può notare che lo stracchino a differenza del parmigiano si è liquefatto. Questa è una conseguenza della digestione delle sue proteine, il quale è un fenomeno idrolitico. Nel parmigiano invece l'acqua è povera e quindi non va incontro a tale fenomeno). È inoltre indispensabile per la crescita microbica.

In chimica è importante sapere quanta acqua interagisce solo con altre molecole d'acqua, ossia quant'è l'acqua libera di comportarsi da acqua (sapere la sua attività, e non il suo contenuto):

• Nell'acqua distillata la sua attività è uguale a 1. Se c'è qualche minerale che si scioglie all'interno, l'attività dell'acqua tende a scendere di un punto per cento.
• Se si considera il salame cotto, l'acqua è molto meno libera di quanto non sia nella carne cruda.
• Se l'attività dell'acqua in un fiocco di cereale supera lo 0,65, diventa gommoso.

Per capire quanta acqua è libera e quanta è legata, sapendo quanta acqua c'è, si va a misurare quanta può evaporare e si calcola tramite il rapporto tra la pressione parziale del vapore di acqua nel sistema e quella di vapore dell'acqua pura alla stessa temperatura. Tradizionalmente l'acqua viene classificata in 4 tipologie, dalla più libera a quella maggiormente legata:

• Pura: l'acqua di tipo 4 ha un'attività che corrisponde alla sua concentrazione, ossia è pura (attività pari a 1).
• Libera: di tipo 3 è in grado di scambiarsi di posto con l'acqua presente nella soluzione (0,8-0,9).
• Coordinata: di tipo 2 è (0.8-0.25).
• Legata: di tipo 1 è (0.25-0.0).

I sistemi alimentari non sono sistemi "unari", in cui c'è solo un elemento, ma sono "complessi" nel quale i vari componenti sono in competizione tra loro in ragione di cosa c'è disponibile (quanta acqua c'è) e di interventi esterni (es. temperatura). Attraverso questo meccanismo l'acqua è trasferita tra macro e micromolecole e questo fenomeno viene definito Water Transfer.

• Questo avviene per esempio in una pizza cruda in cui l'acqua nell'impasto è legata alle proteine, mentre se la si mette in forno essa si legherà all'amido. Inoltre, la capacità del sistema di tenere l'acqua al suo interno condiziona la qualità del prodotto e la scelta del consumatore (es. uno yogurt separato dalla parte solida e dalla parte liquida, in un processo chiamato sineresi, non è di buona qualità). Questo fenomeno viene definito Water Holding.