Biochimica 2

Corso di biochimica alimentare

Prof.ssa Stefania Iametti © Laila Pansera

Sommario

• Introduzione .........................................................................................................................................................4
• L’acqua ..................................................................................................................................................................5
• Le proteine ............................................................................................................................................................7
• Interazione tra acqua e proteine ......................................................................................................................7
• Classificazione delle proteine in base alla loro solubilità .............................................................................7
• Variazione di solubilità: la forza ionica .........................................................................................................8
• Variazione di solubilità: il pH ..................................................................................................................... 11
• Applicazione di variazioni della solubilità negli alimenti ............................................................................... 11
• Gels stabilizzati da interazioni elettrostatiche .......................................................................................... 15
• Gels stabilizzati prevalentemente da interazioni idrofobiche ................................................................... 15
• Gels stabilizzati da interazioni covalenti .................................................................................................... 15
• Gels stabilizzati da interazioni idrofobiche ed elettrostatiche .................................................................. 16
• Interazioni con piccole molecole ................................................................................................................... 19
• Utilizzo di enzimi per diagnostica alimentare ................................................................................................... 24
• Utilizzo di un enzima come analisi di processo ............................................................................................. 24
• Utilizzo di un enzima per finalità analitiche .................................................................................................. 30
• Denaturazione da processi di proteine alimentari ............................................................................................ 37
• Denaturazioni dovute ad agenti fisici ............................................................................................................ 38
• Denaturazione termica .............................................................................................................................. 38
• Denaturazione legata ad alte pressioni ..................................................................................................... 48
• Denaturazione all’interfaccia ........................................................................................................................ 55
• Ruolo nelle proteine nella stabilizzazione di queste interfacce ................................................................ 55
• Come una proteina interagisce con un’interfaccia e come cambia la sua struttura ................................. 58
• Stabilizzazione di emulsioni da parte delle proteine della soia ................................................................. 62
• Denaturazione meccanica ............................................................................................................................. 63
• Modificazioni che si verificano ai principali componenti della matrice alimentare in cui abbiamo una denaturazione meccanica .......................................................................................................................... 63
• Omogeneizzazione..................................................................................................................................... 70
• Denaturazione enzimatica ............................................................................................................................. 73
• Eventi determinati dalla presenza di alcuni enzimi nell’alimento................................................................. 79
• Peptidi bioattivi ......................................................................................................................................... 80
• © Laila Pansera - 2
• Il muscolo........................................................................................................................................................... 92
• Reticolo sarcoplasmatico ............................................................................................................................... 92
• Miofibrille ...................................................................................................................................................... 93
• Filamenti sottili .............................................................................................................................................. 93
• Filamenti spessi ............................................................................................................................................. 94
• Contrazione muscolare .................................................................................................................................. 95
• Tappe della contrazione muscolare .......................................................................................................... 96
• Modificazioni degli alimenti per fasce di consumatori sensibili ........................................................................ 99
• Allergie ......................................................................................................................................................... 100
• Strategie per produrre alimenti anallergici ............................................................................................. 103
• Metodi per verificare che ho ottenuto prodotti anallergici .................................................................... 105
• Valutazione dell’immunoreattività .......................................................................................................... 107
• Gestione del rischio ................................................................................................................................. 108
• Intolleranze .................................................................................................................................................. 109
• Intolleranza al lattosio ............................................................................................................................. 110
• Celiachia ................................................................................................................................................... 110
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Introduzione

Che cosa differenzia la biochimica alimentare rispetto alla biochimica classica. La biochimica alimentare si occupa di controllare le interazioni all’interno di un alimento, fra tutti i diversi componenti dell’alimento. Per esempio:

• Interazioni tra proteine e ambiente, che in buona parte degli alimenti è acquoso l’ambiente; queste interazioni sono importanti perché condizionano moltissime trasformazioni a carico degli alimenti, come la conservazione, oppure la tenerezza del prodotto. Tutte le interazioni proteine-ambiente sono non covalenti, quindi sono interazioni deboli. Queste interazioni dipendono in minor parte dalla sequenza degli amminoacidi e in parte maggiore dalla struttura tridimensionale assunta dalla proteina.
• Interazioni tra gruppi diversi di proteine, sia covalenti sia non covalenti, che determinano la struttura del prodotto, per esempio gli impasti.
• Interazioni tra proteine e l’amido, essenziali perché la pasta tenga la cottura.
• Interazioni tra proteine e lipidi, che condiziona certe trasformazioni, per esempio nel burro: il burro salato si differenzia dal burro non salato, dal fatto che ho più acqua e molte più proteine, quindi una struttura (texture) diversa, e quindi aggiungo il sale per evitare che questa abbondanza di acqua e proteine non comporti una crescita microbica incontrollata.
• Interazioni fra amido e lipidi, sono interazioni non covalenti che hanno un ruolo importante nella definizione della qualità di un pane.

Descrivere le interazioni tra le varie componenti di un alimento serve per 2 motivi:

• Capire le cause di manifestazioni negative e inconvenienti durante il processo o la conservazione;
• Utilizzare metodi che cercano di perturbare il meno possibile un alimento, ovvero fare interventi che non comportino un’alterazione drammatica dell’alimento.

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L'acqua

È la principale componente negli alimenti in quasi tutti i casi. Anche negli alimenti secchi l’acqua non è trascurabile. Essa ha 3 funzioni:

• Funzione di solvente, scioglie e tiene in soluzione all’interno dell’alimento piccole molecole, come gli ioni, i sali, e questo condiziona tutti gli equilibri osmotici, il pH, tutti i parametri più importanti in tutte le trasformazioni a cui sottoporrò l’alimento, compresi i cambiamenti di stato. L’acqua è anche un solvente delle macromolecole, come molte proteine; per esempio nel latte ci sono molte sieroproteine in soluzione, come la beta lattoglobulina (BLG), anche nell’albume ci sono molte proteine. Quindi l’acqua determina anche la solubilità delle molecole.
• Funzione strutturante, la struttura tridimensionale di una proteina per esempio è la risposta all’ambiente in cui si trova, per cui una proteina in acqua mantiene all’interno la parte idrofobica. La struttura delle macromolecole all’interno del solvente, determina poi anche la struttura delle piccole molecole all’interno dello stesso ambiente; per esempio le vitamine dopo un trattamento termico si modificano all’interno di un solvente. Tutti questi aspetti del ruolo strutturale del solvente producono 2 effetti: la biodisponibilità, perché alcuni componenti sono associati non covalentemente alle proteine, quando cambio la struttura delle proteine essi non sono più associati, e quando sono associati non sono biodisponibili; l’altro effetto è che se cambio una struttura, cambio anche il ruolo dell’acqua, e questo modifica molto la holding capacity (capacità di trattenere acqua) o in generale le sue proprietà, e questo per esempio porta alla separazione dell’acqua.
• Mezzo di reazione, certi enzimi o certi microrganismi senza acqua non crescono o non agiscono.

In un alimento troviamo che l’acqua svolge tutte e 3 le funzioni, ovviamente non nello stesso modo, quindi una prevarrà o meno sulle altre. L’acqua negli alimenti è raggruppata in 4 tipi, e questo è un aspetto molto importante perché il tipo di acqua definisce la capacità di trattenere l’acqua (water holding) da parte delle macromolecole. Un altro parametro è la mobilità dell’acqua all’interno delle macromolecole: un’acqua trattenuta da una macromolecola ha una certa libertà di muoversi intorno alla macromolecola, è questo dipende dal tipo di acqua presente.

• Tipo IV: è quello che importa meno dal punto di vista delle modifiche strutturali, è l’acqua pura, quella con aw 1.
• Tipo III: acqua libera, aw 0.8/0.9; essa regola la crescita dei microrganismi, le attività enzimatiche, le manifestazioni di trattamento termico che prendono il nome di imbrunimento non enzimatico, anche le reazioni idrolitiche e ossidative.
• Tipo II: acqua coordinata, aw 0.8/0.25; essa regola le attività enzimatiche, le reazioni ossidative e l’imbrunimento non enzimatico.
• Tipo I: acqua legata alle macromolecole, aw 0.25/0, questa per esempio non congela mai ed è fondamentale per la conservazione di un alimento, ed è quella che non si riesce a togliere anche con l’essiccamento, consente la compartimentalizzazione del prodotto, e la sua assenza provocherebbe diversi danni, come la penetrazione eccessiva dei fenomeni di ossidazione. Questa acqua per esempio fa sì che i lipidi in un alimento non vadano incontro ad autossidazione, impedisce le reazioni di Fenton (ferro che viene ridotto o ossidato). Quindi quest’acqua non viene mai tolta, perché è molto difficile da togliere (richiede tempi elevati e temperature elevate) e porta ad un effetto negativo sul prodotto.

In un alimento ci sono o tutti e 4 i livelli, oppure a scalare, in base alla quantità di acqua nel prodotto. Di sicuro il tipo I c’è sempre. Quindi il tipo di acqua mi condiziona il prodotto. Buona parte delle trasformazioni riducono in gran parte l’acqua di tipo III, ovvero annientano la crescita microbica.

Le proteine

Interazione tra acqua e proteine

La proprietà che condiziona questa interazione è la solubilità della proteina. Una variazione di solubilità è rappresentata da molte modificazioni. Per esempio se dal latte ottengo lo yogurt, acidificando diminuisco la solubilità della proteina, e ottengo un coagulo. Nel caso del formaggio cambio la solubilità del latte e ottengo un coagulo grazie a un agente enzimatico. Un altro esempio è il tofu: prendo degli isolati di soia, aggiungo un agente, il calcio, che insolubilizza le proteine. La solubilità di una proteina dipende dall’ambiente in cui si trova; una proteina può cambiare la sua solubilità in funzione:

• Della forza ionica (presenza di sali), se aumento la forza ionica posso rendere insolubili delle proteine o solubilizzarne altre;
• Del pH, cambiando il pH del mezzo la proteina può cambiare la sua solubilità;
• Del ruolo dei metalli: posso selettivamente aggiungere alcuni metalli, come lo ione calcio (Ca⁺⁺) per provocare la variazione della solubilità delle proteine presenti.

Un altro aspetto importante è il fatto che il cambiamento della solubilità della proteina, indotta da modifiche dell’ambiente, può essere accompagnato o meno dalla modifica della sua struttura nativa: se una proteina precipita (diventa insolubile) mantenendo la sua struttura nativa, il processo è reversibile, per cui la proteina può tornare a essere solubile se trovo le cause per cui si è insolubilizzata e le elimino. Invece se una proteina precipita per un cambiamento che può essere ambientale, e perde la sua struttura nativa, quindi assume una struttura denaturata, anche se riuscissi a riportare in soluzione la proteina denaturata precipita, non è detto che essa svolga la stessa funzione che aveva in forma nativa.

Classificazione delle proteine in base alla loro solubilità

La solubilità è un sistema per classificare le proteine, usato soprattutto per classificare le proteine dei cereali.

• Le albumine sono proteine solubili in soluzione acquosa (in acqua), come la sieroalbumina o la lattoalbumina, possiamo trovarle in molti cereali, e le albumine sono anche degli enzimi.
• Le globuline sono le proteine solubili in soluzioni saline, come le viciline, le legumine, le immunoglobuline.
• Le proteine solubili in soluzioni alcoliche (isopropanolo, etanolo) sono le prolamine, nel caso del frumenti le gliadine.
• Le gluteline sono solubili in soluzioni debolmente acide o debolmente alcaline, nel frumento sono le glutenine. Glutenine e gliadine vanno a costituire il complesso del glutine.
• Le scleroproteine non sono solubili in nessun mezzo, presenti in molti semi.

Variazione di solubilità: la forza ionica

Perché alcune proteine sono solubili in certe condizioni e altre no? Cambia il loro comportamento in presenza di un sale. Le proteine hanno una loro struttura tridimensionale ben definita, e sulla sua superficie sono presenti gruppi polari, molti dei quali sono carichi. Una proteina, in dipendenza dal mezzo che ha, presenta una carica netta ben definita (positiva o negativa). Messa in soluzione, questa proteina è solubile. Proteine della stessa specie hanno la stessa carica, quindi tendono a respingersi. Questa condizione viene definita salting in, condizione in cui la proteina in quel mezzo è perfettamente solubile.

In questa condizione aggiungo dei sali: il sale messo in ambiente acquoso si solubilizza (NaCl si solubilizza per esempio in Na⁺ e Cl^-), ovvero intorno allo ione dissociato si crea una organizzazione di acqua, che è l’acqua di idratazione. Quindi aggiungendo il sale, esso prende l’acqua che c’è libera intorno alla proteina, quella di tipo II per esempio. Alla proteina non succede niente. Aggiungo un’ulteriore quantità di sale fino al punto in cui non si scioglie più. Ottengo 2 effetti:

• Na⁺ si avvicina alle cariche negative delle proteina, per esempio se ho un glutammato esposto COO^-, l’Na⁺ si può associare, schermando le cariche superficiali, per cui le proteine non hanno più una carica netta tale che si respingono, ma tendono ad associarsi;
• Il sale continua a sciogliersi, quindi prende l’acqua che c’è in giro, quindi sottrae acqua alla proteina.

Questi 2 effetti contemporanei comportano che la proteina tende ad associarsi mediante interazioni elettrostatiche e idrofobiche. Se tante proteine tendono ad associarsi si forma un polimero proteico, meno solubile del singolo.