Biochimica alimentare

Biochimica alimentare

La biochimica alimentare permette di studiare come interagiscono le macromolecole tra di loro all'interno di un alimento; le interazioni condizionano le proprietà finali dell'alimento (cremoso/scarto): ad esempio, un impasto può avere una consistenza diversa (proteina/proteina). È possibile intervenire sulle interazioni per indirizzare verso quello che si vuole ottenere; le modificazioni strutturali si hanno spesso perché un alimento può essere visto dal punto di vista dell'aspetto compositivo, ovvero lipidi, carboidrati e proteine, ma spesso non è sufficiente a spiegare perché un prodotto sia di qualità o no.

La differenza è come le macromolecole interagiscono, si strutturano e si organizzano, si tratta degli aspetti strutturali; una proteina si struttura in maniera diversa all'interno di un alimento e questo condiziona ciò che si ottiene. Un altro aspetto importante è rappresentato dal ruolo delle proteine in seguito al trattamento di modifica della loro struttura e quindi della loro funzione: le proteine che modificano la struttura modificando anche la loro funzione biologica sono gli enzimi; è possibile analizzare il modo per intervenire per bloccare o attivare l'attività degli enzimi. Per questo scopo si utilizzano una serie di metodi analitici grazie a cui gli enzimi sono sfruttati come mezzo per identificare le funzioni strutturali o specifici composti dal punto di vista alimentare.

Le proteine

Le proteine possono condizionare un processo intervenendo nei prodotti in quanto possono avere un'interazione con tutto ciò che c'è in un alimento. Le proteine sono presenti e coesistono con tanti altri piccoli composti, macromolecole (carboidrati, lipidi) e il solvente; un alimento è una matrice complessa in cui tutte le macromolecole coesistono e sono presenti in quantità diversa quindi qualsiasi intervento va a toccare i diversi componenti presenti.

È molto difficile studiare le muto-interazioni senza alterarle: è necessario avere dei mezzi adeguati per evitare le modificazioni. I metodi sono scelti per essere il meno distruttivi e vicini all'alimento reale.

Quali sono i componenti principali degli alimenti?

Interazione con il solvente

Il ruolo del solvente è fondamentale per capire come macromolecole siano presenti in un alimento; il solvente è rappresentato dall'acqua nella maggior parte degli alimenti. L'acqua è il componente principale di un alimento, è presente in maniera consistente anche negli alimenti secchi/disidratati. L'acqua non ha le stesse proprietà chimico-fisiche e non ha la stessa attività in un alimento: essa ha un effetto diverso sui diversi componenti in base al tipo di acqua presente.

Si possono distinguere quattro tipi di acqua presenti in un alimento:

• L'acqua pura con aw = 1 in cui non c'è presente nessun sale; essa è a disposizione per qualsiasi trasformazione.
• L'acqua di tipo III si definisce come acqua libera che ha un certo movimento nell'organizzazione e che possiedi valori di aw pari a 0,8-0,9; è disponibile per la crescita microbica, le reazioni enzimatiche (consumo o liberazione) e quelle non enzimatiche. Solo in certi trattamenti si ha la reazione di Maillard in quanto richiede acqua di tipo III o II; nel burro non c'è acqua III o II perché non avviene l'imbrunimento, è sottoposto al processo di chiarificazione.
• L'acqua di tipo II è coordinata e possiede un'attività più bassa, compresa 0,8-0,25; consente solo reazioni di tipo enzimatiche e quindi non la crescita microbica e le reazioni di imbrunimento non enzimatico. Per conservare un alimento ed evitare la crescita dei microorganismi è necessario togliere l'acqua di tipo IV e di tipo III.
• L'acqua di tipo I è fortemente legata e possiede valori di aw sotto 0,25; si tratta di acqua fortemente legata alle macromolecole e che permette la compartimentazione all'interno della struttura dell'alimento. È pericoloso toglierla perché serve per non far interagire alcune macromolecole in quanto il solvente apolare fa sì che i lipidi siano compartimentati e non soggetti all'azione dell'ossigeno. Si tratta di acqua non mobile fortemente strutturata nei confronti della macromolecola con cui interagisce; è strutturata anche con legami non covalenti sia sulle proteine che nelle molecole non protetiche per minimizzare l'esposizione con le zone idrofobiche. Possiede proprietà diverse perché non è disponibile per la crescita microbica e le reazioni enzimatiche, è ferma, bloccata, non congela mai e rimane sempre come tale. Per toglierla è necessario svolgere trattamenti lunghissimi con dispendi energetici enormi; ecco perché un alimento non ha mai umidità pari a zero, è presente sempre una piccola percentuale di acqua.

In tutti gli alimenti è presente acqua di tipo I e di tipo II perché altrimenti non si avrebbe una struttura con le sue caratteristiche; la presenza degli altri due tipi di acqua dipende dall'alimento e dal trattamento fatto.

Funzioni dell'acqua in un alimento

Si hanno tre funzioni principali in cui si identificano i tipi di acqua coinvolti:

• La funzione di solvente serve a far sì che i composti siano solubili; la solubilità si ha in un alimento liquido ma anche in un impasto: se i componenti non fossero solubili si avrebbero degli agglomerati, grumi invece si ha un materiale omogeneo. La solubilità delle piccole molecole regola i processi che si ripercuotono sull'alimento come il pH e gli equilibri osmotici: al prosciutto viene aggiunto sale per modificare gli equilibri osmotici presenti e per cambiare gli stati dell'acqua ma per non rompere gli equilibri e la compartimentazione perché altrimenti si hanno delle alterazioni sul prodotto stesso.
• La funzione strutturale si manifesta sui piccoli composti, nelle molecole semplici in quanto l'acqua ne condiziona la biodisponibilità: se le vitamine sono solubili, sono più facilmente assorbite; la stessa cosa vale per i minerali. Anche la struttura di una macromolecola è legata all'acqua presente e a come interagisce con il solvente: le interazioni fra proteina e solvente con una funzione strutturale sono alla base delle proprietà di capacità di trattenere l'acqua; la texture di un alimento è legata a come l'acqua interagisce con le macromolecole, in particolar modo con le proteine; (pasta/carne/pane in base a quantità d'acqua trattenuta all'interno) si fa quindi riferimento alla modalità con cui l'acqua è trattenuta.
• Mezzo di reazione

Interazione proteine-acqua

La solubilità delle proteine è importante perché le variazioni che avvengono in molti processi come ad esempio la produzione di yogurt sono dovuti a una variazione di solubilità; l'acidificazione è fatta da microorganismi che producono acido lattico e che provocano un abbassamento di pH, si ha una modifica della struttura delle proteine che non sono più solubili. È possibile ottenere un coagulo diverso che dipende da quanto una struttura è modificata: essendo più o meno solubile, le proteine trattengono una quantità diversa di acqua, varia l'interazione tra proteina e acqua.

La solubilità di un proteine dipende da due fattori:

• L'ambiente, ovvero il solvente che è in genere acqua; spesso può diventare meno idrofilico: ad esempio, nella birra si ha una produzione di etanolo quindi cambiano le condizioni idrofilicità dell'ambiente e le proteine saranno meno solubili. L'ambiente ha un ruolo importante nel definire la solubilità della proteina; nel caso della birra si può avere una torbidità nel prodotto causata da una variazione della solubilità delle proteine presenti. L'ambiente rimane comunque acquoso ma cambia la sua idrofilicità. All'ambiente è legata anche la concentrazione degli ioni presenti nella matrice alimentare, ovvero la forza ionica a cui è legato anche il pH (variazione H+); importante è poi il ruolo di alcuni metalli che essendo bivalenti vanno a influenzare la solubilità di una proteina. Per variare la solubilità di una proteina in una matrice alimentare si può quindi intervenire sulla composizione del mezzo (solvente), sulla forza ionica, sul pH e sul ruolo di alcuni metalli. L'ambiente si definisce come la matrice in cui si trova proteina.
• Le caratteristiche della struttura che la proteina assume in seguito al trattamento che si va a fare; in base alla struttura si ha una variazione della solubilità. Una proteina in seguito a un trattamento può assumere una struttura diversa rispetto a quella nativa; tutte le possibili strutture sono dette denaturate in quanto nella modificazione ci sono tante strutture che dipendono dall'entità del trattamento. In generale ogni struttura assunta dalla proteina può corrispondere una variazione di solubilità; in questo caso non si ha un cambiamento del mezzo e dell'ambiente eppure la proteina è meno solubile a causa della variazione della struttura. La proteina nella sua struttura nativa è anche la struttura più solubile; quelle denaturate sono meno solubili. Più la proteina si associa con altre proteine (aggregati polimeri) meno sono solubili; non necessariamente una variazione di solubilità modifica la struttura: una proteina può essere insolubile pur avendo struttura nativa.

Variazioni dell'ambiente

Una variazione di forza ionica significa che nell'ambiente alla matrice proteica si aggiungono dei diversi sali; nei processi alimentari il sale più utilizzato è il cloruro di sodio aumentando la forza ionica di una proteina che si trova in un ambiente in cui è solubile. Le condizioni di forza ionica in cui una proteina è solubile sono dette salting in; la proteina è perfettamente solubile anche con sali per due motivi: la proteina ha sua struttura tridimensionale intorno a cui il solvente è organizzato secondo una perfetta sfera di idratazione; inoltre, la proteina ha una certa distribuzione di carica e quindi tutte le proteine hanno una determinata carica netta e tenderanno a non associarsi quando sono presenti in soluzione. Aggiungendo dei sali, l'effetto è che NaCl si scioglie e quindi si dissocia in Na+ e Cl- perché intorno ad esso c'è acqua: le cariche positive interagiscono con le cariche negative superficiali della proteina; gli ioni vanno a schermare le cariche presenti sulla proteina con il risultato che si ha un'associazione tra proteine.

Le proteine tendono ad associarsi a formare delle associazioni proteiche più grosse e quindi meno solubili: la proteina precipita secondo il fenomeno del salting out. Non è più solubile ma possiede la stessa struttura di quando era solubile; si rende solo meno solubile una proteina solubile, non si modifica la struttura tridimensionale. Gli ioni, i sali vanno a schermare parzialmente le cariche superficiali senza alternarne la struttura tridimensionale; sottraggono solo acqua superficiale. Ogni proteina possiede una concentrazione diversa di sale come forza ionica alla quale la proteina cambia di solubilità; questo sistema è utilizzato per separare facilmente una proteina da una soluzione complessa: ad esempio, con questo meccanismo si svolge il recupero dal sangue (siero) degli anticorpi; si aggiunge una forza ionica alla quale precipitano solo gli anticorpi e non le altre proteine, gli anticorpi non sono denaturati ma solo associati. Questo principio è anche utilizzato per conservare a lungo gli enzimi: la proteina associata è molto più rigida e ha meno possibilità di movimento e quindi nel tempo è più stabile. Spesso gli enzimi vengono venduti in presenza di elevata forza ionica perché così sono molto più stabili senza perdere la loro attività; quando servono si abbassa la forza ionica. È un sistema utilizzato per separare selettivamente delle proteine presenti in una miscela complessa. Non tutti i sali hanno questa proprietà: NaCl e il solfato di ammonio permettono di svolgere questo meccanismo; ogni proteina ha una sua diversa forza ionica alla quale passa da salting in a salting out. Per abbassare la forza ionica è possibile fare una diluizione e poi sottoporla a una dialisi, ovvero l'utilizzo di una membrana che separa in base alle dimensioni molecolari. Nel caso di una soluzione in acqua pura tutti gli ioni vanno verso l'esterno fino all'equilibrio di forza ionica; la struttura non viene modificata. Le albumine e le globuline hanno diversa sensibilità di forza ionica a cui varia la solubilità.

Esempi

• La concentrazione di un sale non è la forza ionica; una proteina può essere solubile in 2 M NaCl ma insolubile in 2 M Na₂SO₄; i due sali posseggono la stessa concentrazione ma non la stessa forza ionica. Con NaCl si passa da salting in a salting out.
• Una proteina può essere solubile in 1,2 M NaCl ma insolubile in 0,4 M CaCl₂ anche se questi due sali posseggono la stessa forza ionica. Nel primo caso, si è in salting in mentre nel secondo in salting out; la differenza è rappresentata dagli ioni e cationi che si sono dissociati dal sale: nel primo caso si ha Na+ che è monovalente, ha una sola carica, mentre il calcio è bivalente. Alcuni ioni bivalenti (anche magnesio) possono fare da ponte tra due gruppi carichi negativamente e favorire l'associazione tra proteine.

Questo avviene in tutti i processi di salatura: le variazioni della solubilità delle proteine si hanno senza cambiare la struttura; si tratta di sistemi per separare in maniera veloce le proteine mantenendole native, si utilizza un fenomeno di salting out.

Il ruolo del pH

Anche in questo caso il pH influenza nelle proteine il punto isoelettrico, ovvero valore di pH a cui una proteina possiede una carica complessiva che è pari a 0, la somma delle cariche superficiali presenti è uguale a zero, la carica netta è zero. Sopra o sotto il punto isoelettrico, la proteina è carica positivamente o negativamente; la proteina al punto isoelettrico è meno solubile perché non c'è l'effetto di respingimento delle cariche dello stesso segno. Ogni proteina possiede un punto isoelettrico diverso e quindi una diversa solubilità; i punti di pH lontani dal punto isoelettrico sono punti a cui si ha massima solubilità. Questa proprietà è usata per ottenere il lisozima ad alto livello di purificazione che ha un punto isoelettrico alcalino, quasi 9; dall'albume si raggiunge un pH tale al quale la proteina fa un salting out ottenendo una proteina nativa precipitata da tutto il resto. La struttura della proteina non varia, è uguale a quella nativa.

La solubilità ha un ruolo importante nella classificazione delle proteine; si può avere una classificazione in cui le proteine che sono solubili in acqua sono dette citoplasmatiche e vengono definite come albumine. Le proteine solubili in soluzioni saline (NaCl) sono invece le globuline. Vi sono poi le proteine che sono solubili in alcol al 70%, ovvero in una soluzione acquosa ma meno idrofilica a causa della presenta di alcol, e che sono definite prolamine; assumono poi un nome diverso a seconda della matrice da cui vengono estratte: le proteine solubili nel frumento sono le gliadine, quelle del mais sono dette zeine, quelle nel segale, secaline. Le gluteline sono tutte proteine che sono solubili in soluzioni alcaline o acide; nel caso del frumento sono dette glutenine. Questa classificazione è il sistema più utilizzato nell'industria per classificare le proteine dei cereali; sono tutte proteine native.

Variazione della struttura

La solubilità può essere modificata anche da una variazione della struttura proteica; una proteina non è più solubile perché ha cambiato la sua struttura tridimensionale assumendone una denaturata. Gli agenti che determinano questo effetto sono due: l'utilizzo di certi sali oppure di un certo trattamento.

• Ci sono alcuni sali che modificano la struttura della proteina e gli fanno assumere una struttura che la rende meno solubile. Ad esempio, NaCl e NaClO₄ possiedono lo stesso catione ma l'anione diverso; alla stessa concentrazione e forza ionica: nel primo caso, la proteina è perfettamente solubile, mentre nel secondo è insolubile perché l'anione destruttura la proteina in quanto gli anioni sono molto piccoli e non hanno sfera di idratazione estesa, molto limitata; offrono un ingombro molto minimo e quindi possono penetrare all'interno della struttura proteica facendole assumere una struttura diversa, entrando vanno a modificare le interazioni deboli che sono alla base della struttura. In particolare, il bersaglio è rappresentato dalle coppie ioniche; è possibile che i residui carichi si trovino all'interno del core idrofobico perché i gruppi si avvicinano e fanno un'interazione elettrostatica: gli anioni interagiscono e fanno assumere una struttura molto diversa. In condizioni di salting out si possono avere condizioni diverse: NaCl precipita la proteina, mentre con NaClO₄ la proteina precipita ma non si è in salting out, non ha più la struttura nativa ma è destrutturata.

Esiste una classificazione dei vari cationi e anioni in base alla loro lipofilicità; gli anioni e i cationi liofilici hanno sfera di idratazione molto ampia, interagiscono molto con l'acqua. All'estremità della classificazione si ha una sfera limitata e quindi si parla di anioni e cationi che possono penetrare all'interno: è il caso del litio e di ClO₄; NaCl è intermedio. Se bisogna utilizzare un sale, è grav