Biochimica alimentare - biochimica alimentare

Proprietà e funzione delle proteine

Introduzione

La qualità di qualsiasi cosa può essere:

• Oggettiva: compositiva, nutrizionale e culturale
• Soggettiva: edonistica e culturale

La composizione non è sinonimo di qualità; è un termine necessario, ma non sufficiente perché bisogna considerare diversi punti:

• Biodisponibilità: caratteristiche intrinseche, trattamento dell’alimento, fattori antinutrizionali
• Processo: altera la composizione, denatura macromolecole (proteine)
• Valori edonistici: aspetto, aroma, sapore

Esempio dell'uovo

• Biodisponibilità: digeribilità cresce con la cottura perché la forma tridimensionale dell’albumina si rompe e diventa uguale agli inibitori delle proteasi (dell’albume, non del tuorlo)
• Processo: altera composizione (tuorlo verde), denatura macromolecole (uovo diventa sodo), altera struttura (maionese / meringa)
• Valori edonistici: pH elevato dell’uovo crudo

Biotecnologia alimentare

La biotecnologia alimentare è il controllo delle modificazioni strutturali/funzionali in proteine e biopolimeri e il controllo delle interazioni tra i diversi componenti.

• Modificazioni strutturali di:
  • Proteine strutturali degli alimenti (actina/miosina)
  • Proteine di riserva (semi/uovo)
  • Secreti proteici (latte)
• Modificazioni funzionali:
  • Di proteine enzimatiche (nei metodi di conservazione)
  • Impieghi di trasformazione (formaggio, glucosio)
• Controllo della struttura/funzione
  • Impieghi analitici
  • Determinazione della presenza di metaboliti
  • Markers diretti ed indiretti di trattamento

Acqua negli alimenti

L’acqua è un elemento base negli alimenti; i prodotti vegetali sono quelli che ne contengono di più e ha diverse funzioni:

• Solvente:
  • Molecole semplici: ha un effetto di equilibrio osmotico e di pH (anche nei cambiamenti di stato)
  • Macromolecole: ha un effetto di solvente
• Strutturale:
  • Molecole semplici: ha un effetto di biodisponibilità
  • Macromolecole: ne modifica le proprietà
• Mezzo di reazione:
  • Trasformazioni enzimatiche
  • Crescita microbica

A seconda se l’acqua è più o meno disponibile si può suddividere in 4 tipi:

• Tipo IV: acqua pura → aw = 1
• Tipo III: acqua libera → aw = 0,8-0,9
• Tipo II: acqua coordinata → aw = 0,25-0,8
• Tipo I: acqua legata → aw = 0-0,25

Più l’aw è vicina all’1 e più è facile che avvengano modificazioni all’alimento; possono avvenire reazioni grazie a microrganismi, attività enzimatiche, reazioni idrolitiche e ossidative, imbrunimento non enzimatico e sotto un livello minimo vi si ha un incremento autossidazione lipidi. Il water holding dipende da carica e da polarità superficiale.

Proprietà funzionali delle proteine

• Interazioni acqua/proteine: Solubilità/isoterme d’assorbimento
• Interazione interfacciali: Formazione e stabilizzazione di schiume, formare e stabilizzare emulsioni
• Interazioni macromolecolari: Formazione e stabilizzazione di gels
• Interazioni con micromolecole: Legame e rilascio controllato di aromi e nutrienti

La solubilità viene influenzata da:

• Ambiente
  • Forza ionica (salting in/out)
  • pH (punto isoelettrico → la carica netta è uguale a zero)
  • Ruolo dei metalli (es: Ca nel latte)
• Caratteristiche della struttura proteica
  • Nativa → solubile
  • Denaturata → insolubile

Classe di solubilità delle proteine:

Punto isoelettrico

Quando si è lontani dal PI la proteina è solubile (pH elevato proteina deprotonata, pH basso proteina protonata), mentre se si è al PI di quella proteina le cariche si equivalgono e la proteina forma degli aggregati e precipita (latte con limone flocculano le proteine).

Forza ionica (salting in/out)

La forza ionica si basa sulla % di Sali aggiunti: una proteina può precipitare perché il sale toglie acqua che fa mantenere lontane le varie molecole.

Classificazione delle proteine dei cereali in base alla solubilità

Esempi di modificazione tecnologiche della solubilità

Emulsioni e schiume

Emulsione: acqua e olio
Schiuma: acqua aria

Le proteine servono per stabilizzare le due interfacce grazie ai loro siti polari e apolari. Un globulo di grasso è formato simile ad una cellula con membrana organizzata e con tutte le rispettive zone. I ponti S-S intracatena diventano intercatena unendo globuli differenti. La zangolatura promuove l’emulsione del grasso a bassa temperatura e a pH leggermente acido che comporta una solubilità differente e leggera denaturazione proteica.

Esempi: maionese (tuorlo + olio), morchie, meringa. I punti nodali servono per far scorrere via l’acqua, più l’acqua scorre veloce e più si andrà in fretta al collasso. La cottura fissa il tutto; per rallentare lo scorrimento di acqua bisogna rendere più viscoso il sistema tramite le ovoalbumine o sale o zucchero.

Gels

La maggior parte dei gels sono irreversibili. Il gel è un reticolo ordinato formato da proteine o polisaccaridi nel quale viene incorporata acqua o altre sostanze. La gelatina è composta dal collagene e utilizzata legami idrogeno sensibili alla temperatura perché è un legame molto ordinato. Lo yogurt è formato da legami irreversibili perché le proteine interessate sono le caseine mantenute da legami idrostatici.

Classificazione dei gels in base ai legami stabilizzanti

Adesso andremo ad analizzare ogni tipo di legame:

• Legame H: con la denaturazione della proteina i legami intracatena diventano anche intercatena tenendo comunque dei punti fissi di legame covalenti incorporando anche acqua e altri componenti. Il collagene ha una struttura caratterizzata da 3 filamenti con legami covalenti e moltissimi legami idrogeno; se scaldo aumenta la solubilità (più il collagene è vecchio e meno è costituito da legami H e quindi non si apre). Se raffreddo si riformerranno nuovi legami H intracatena e intercatena.
• Legame idrostatico: le globuline di soia hanno la caratterista di essere acide (prevalenza cariche -) e quindi residui acidi (glutammico e ac. aspartico). Aggiungendo il Ca fa interazioni elettrostatiche con questi residui creando dei ponti (legami interproteine). Può avvenire anche con le caseine (fa legami covalenti formando gruppo fosfato con cariche -) con il calcio, già presente nel latte, abbassando il pH facndo influenzare le interazioni del gruppo fosfato facilitando la formazione di un gel (unione di micelle). I sali di fusione (utilizzati per la produzione di formaggi fusi) sono in grado di sequestrare il Ca che fa da ponta tra proteine, consentendo di risolubilizzare a temperature relativamente basse e senza decomporle (consistenza più morbida).
• Legame idrofobico: scaldando la proteina si denatura e quindi esporrà delle zone idrofobiche che erano all’interno formando degli aggregati sempre più grossi creando un coagulo nel quale si inglobuleranno lipidi, acqua.
• Legame covalente: la maggior parte sono di tipo S-S e quindi per far avvenire questo tipo di interazioni, la proteina deve avere residui di cisteina (come la ovoalbumina che ha i residui di cisteina dispari); se fossero pari si formerebbero i legami tra loro e per poterle liberare devo usare un riducente facendo una reazione di ossido riduzione. Nella figura si possono vedere i legami intracatena che se riscaldo la proteina si denatura formando un nuovo ponte interproteina e quindi si ha uno scambio di disolfuri.

Legame e rilascio di aromi, sostanze coloranti e con componenti idrofobici

È un’altra caratteristica delle proteine. Queste proteine devono essere:

• Composizione bilanciata con abbastanza di siti idrofobici superficiali o con siti specifici ad alta affinità
• Solubilità non strettamente necessaria
• Denaturazione può variare caratteristiche di legame
• Associazione può alterare l’utilizzo metabolico di proteine
• Possono essere utilizzate per eliminare composti (es: polifenoli dal vino)
• Azione di chiarificazione (eliminazione tannini, aumento stabilità vini bianchi, migliore filtrabilità)

Denaturazioni da processo

Le denaturazioni si possono suddividere in:

• Fisiche:
  • Termica (temperatura no calore)
  • Meccanica (sforzi di taglio)
  • Radiazioni
  • Alte pressioni
• Chimiche
  • Glicosilazione
  • Ossidazione
  • Isomerizzazione
  • Formazione di nuovi composti
• Microbiologiche/enzimatiche
  • Proteolisi
  • Decarbossilazione

Denaturazioni termica

I processi più comuni sono la cottura, sanificazione e l’essiccamento. Dopo un trattamento termico alle proteine può succedere che vadano incontro a modificazioni reversibili (con il raffreddamento le proteine tornano più o meno alla forma nativa) o irreversibili. Questo non dipende dall’intensità del trattamento termico ma dalla proteina (es: pane: gli enzimi lavorano quando abbiamo bisogno che lievita, con la cottura si inattivano tanto a noi non interessa che il pane lieviti anche dopo la cottura).

Quando si parla di trattamento termico si deve tener conto del ruolo predominate della cinetica che è fortemente legata alla termodinamica. Nel caso di una proteina in un alimento il processo termico è reso più complesso perché non vi è solo acqua e proteina: se una proteina è isolata ha maggiore possibilità di tornare alla sua forma nativa mentre se vi è un polisaccaride è molto probabile che vi si leghi.

Quando applico un trattamento termico vado a modificare la proteina e il solvente che vi sta intorno modificando ancora di più la proteina perché fa esporre il core idrofobico non più stabilizzato dai legami idrogeno con l’acqua (solvente). Le modificazioni avvengono a livelli diversi di struttura:

• Struttura primaria: non direttamente, non vi è la rottura del legame peptidico, ma vi è una modifica sul valore nutrizionale (possono avvenire le reazioni di Maillard), sulla digeribilità (la proteina denaturata ha dei siti scoperti che facilitano la digeribilità) o sulla sicurezza (alcune sostanze hanno un’azione negativa nei confronti degli individui e con il trattamento vengono modificati e quindi non sono più negativi). Alcuni trattamenti termici posso diminuire l’allergenicità (es: proteine dei legumi, mentre quella del glutine non varia mai, neanche dopo cottura).
• Struttura secondaria e terziaria: a noi interessa capire le modificazioni complessive (proteina-solvente, proteina-ione, proteina-proteina)

Metodo di rilevamento

Per vedere se una proteina è stata denaturata oppure no ci servono dei metodi il meno possibile alteranti e modificanti; i più utilizzati sono quelli spettroscopici che ci fanno lavorare a livelli macrometrici (alimento → così ci fa vedere gli effetti si di esso).

Metodo 1

Questo metodo si basa su un marcatore (un amminoacido) presente in pochi residui all’interno della proteina perché idrofobico (triptofano). Questo aa se colpito da una certa lunghezza d’onda emette una luce fluorescente ad un’altra lunghezza d’onda (energia). L’energia varia a seconda se l’aa si trova esposto oppure è situato nel core idrofobico della proteina; questo sta ad indicare se la proteina è stata modificata oppure no. Ci sono alcuni marcatori che hanno un effetto quenciante (assorbono in parte la luce che lui emette) e quindi modificano l’intensità di luce. La lunghezza d’onda è indipendente dall’effetto quenciante mentre l’intensità di luce emessa è modificata.

Se, come nel caso della β-lattoglobulina, abbiamo due triptofani (uno più interno e uno sito più esternamente) si ha una variazione di lunghezza d’onda dal max al min: potrebbe essere (se non si sa) che la proteina abbia più triptofani oppure sia stata modificata. Proprio per questo motivo preferisco guardare il max d’intensità perché impiego giù energia per andare a “colpire” il triptofano interno. Se faccio un’altra prova e l’intensità max varia vuol dire che la proteina si è modificata irreversibilmente.

Metodo 2

Quando non è possibile utilizzare il triptofano (perché è molto alterato da un altro campione o perché è assente) utilizziamo un altro marcatore; un marcatore esterno non influenzato da corpuscoli. Questi marcatori sono adatti per casi in cui i metodi convenzionali non possono essere usati.