Biochimica degli alimenti e della nutrizione, parte 1: dalla denaturazione termica alla nutrigenomica

Corso di biochimica degli alimenti, della nutrizione e delle malattie metaboliche

Mod. Biochimica degli alimenti e della nutrizione

Prof.ssa Stefania Iametti
Parte 1: dalla denaturazione termica alla nutrigenomica
© Laila Pansera - 1

Sommario

Introduzione ........................................................................................................................................................................... 4

Denaturazione termica ....................................................................................................................................................... 5

Effetti del trattamento termico sull’alimento ........................................................................................................ 5

Processi che hanno come principale agente una denaturazione termica .................................................. 5

Modificazioni strutturali delle proteine a seguito di un trattamento termico .......................................... 7

Struttura primaria ............................................................................................................................................................... 7

Struttura secondaria e terziaria ................................................................................................................................. 8

Struttura quaternaria ...................................................................................................................................................... 13

Applicazione pratica delle modificazioni strutturali ....................................................................................... 13

Denaturazione meccanica ............................................................................................................................................... 14

Esempi di applicazione della denaturazione meccanica ................................................................................. 15

• Formazione dell’impasto classico a base cereali pasta .................................................................................. 15
• Formazione dell’impasto classico a base cereali pane .................................................................................... 19
• Omogeneizzazione .......................................................................................................................................................... 21

Denaturazione enzimatica ............................................................................................................................................... 21

Esempi di applicazione della denaturazione enzimatica ................................................................................ 22

Modificazioni sulla micella di caseina durante la caseificazione ................................................................. 22

Alterazioni compositive indotte da processi di trasformazione delle proteine ..................................... 25

Modificazioni enzimatiche sulle proteine intatte ............................................................................................... 26

Modificazioni enzimatiche sugli amminoacidi ...................................................................................................... 29

Food sensitive ...................................................................................................................................................................... 31

Allergie .................................................................................................................................................................................... 32

Allergeni secondo la direttiva del 2000 della CE ................................................................................................ 34

Allergeni animali ................................................................................................................................................................. 34

• Latte ............................................................................................................................................................................... 34
• Uova .............................................................................................................................................................................. 35
• Pesce ............................................................................................................................................................................. 35
• Crostacei ...................................................................................................................................................................... 35

Allergeni vegetali ............................................................................................................................................................... 35

• Soia ............................................................................................................................................................................... 36
• Arachide ...................................................................................................................................................................... 36
• Nocciola ....................................................................................................................................................................... 36
• Frumento ...................................................................................................................................................................... 36

Risposta immunitaria nei confronti dell’allergene ............................................................................................. 37

Definire un alimento anallergico .............................................................................................................................. 39

Produrre alimenti anallergici ..................................................................................................................................... 42

Intolleranze alimentari ...................................................................................................................................................... 45

Celiachia ............................................................................................................................................................................ 46

Meccanismo .................................................................................................................................................................... 47

Interventi alternativi alla dieta senza glutine ....................................................................................................... 49

Come si determina il glutine ...................................................................................................................................... 50

Strategie di intervento per produzione di alimenti gluten free ................................................................. 55

Nutrigenomica ..................................................................................................................................................................... 57

Modalità di controllo della trascrizione ................................................................................................................. 60

• Accessibilità del DNA da trascrivere ............................................................................................................... 60
• Fattori che rallentano o potenziano la trascrizione ................................................................................. 61

Modalità di controllo della traduzione .................................................................................................................. 66

Trasduzione del segnale .............................................................................................................................................. 70

• Ormoni che legano recettori intracellulari ....................................................................................................... 71
• Ormoni che interagiscono con recettori di membrana e producono secondi messaggeri .............. 71

Modalità di controllo delle proteine ....................................................................................................................... 79

Modalità del controllo del metabolismo: controllo fine ..................................................................................... 80

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Introduzione

La biochimica degli alimenti ha la funzione di controllare le modificazioni strutturali e funzionali delle proteine presenti in un alimento. Le modificazioni strutturali a carico delle proteine vengono considerate in alcuni alimenti dove la matrice proteica ha un ruolo importante, ad esempio proteine strutturali (nella carne, actina e miosina), proteine di riserva (nei semi di leguminose o di cereali), o secreti proteici (latte). Queste modificazioni strutturali condizionano l’interazione:

• Tra proteine e piccole molecole (proteine che chelano o non chelano i metalli). Queste interazioni sono deboli e sono legate alla struttura della proteina.
• Tra proteine e lipidi, o proteine e polisaccaridi.
• Con il solvente (acqua): capacità delle proteine di legare l’acqua ed interagire con essa; questa capacità è alla base della texture di alcuni alimenti.

Un altro aspetto importante è quello analitico: la modificazione strutturale è anche un indice di sicurezza dell’alimento. Ad esempio, la differenza tra una carne che può essere consumata ed una con BSE: nella seconda c’è il prione patogeno, mentre nella carne che si può consumare il prione non è patogeno. La differenza tra prione patogeno e non sta nella sua conformazione: da alfa elica diventa beta foglietto; con un beta foglietto è facile l’aggregazione con altre proteine, che quindi generano delle fibrille che si depositano: ho buchi nel cervello. Il test si basa sull’inserimento di una proteasi: se il prione non viene idrolizzato in un certo tempo, è un beta foglietto, perché gli amminoacidi che aggredisce la proteasi inserita non sono più accessibili.

Per quanto riguarda le modificazioni funzionali, alcune proteine sono degli enzimi, con determinate funzioni. Perché un enzima catalizzi una determinata funzione, occorre che sia nella struttura nativa; per far sì che non funzioni, basta cambiarne la struttura. Questo fatto può avere una funzione negativa (es. ossidazione frutta tagliata) o positiva (es. formazione peptidi bioattivi), a seconda del sistema. Inoltre, quando aggiungo un enzima in alcune situazioni (es. per fare il formaggio), devo pensare anche a dei sistemi che blocchino l’attività enzimatica quando è necessario. Le modificazioni funzionali degli enzimi servono per controllare la funzione (attività) dell’enzima. Gli enzimi sono utilizzati anche per impieghi analitici, e posso verificare la presenza degli enzimi andando a determinare la presenza di metaboliti (le ammine biogeniche negli alimenti sono prodotte da reazioni enzimatiche), magari perché ora l’enzima non c’è più.

Per denaturazione si intende qualsiasi intervento che modifichi la struttura nativa. Gli agenti che determinano la denaturazione sono:

• Fisici: trattamenti al calore e modificazioni meccaniche
• Azione chimica (è sempre catalizzata da azioni termiche o enzimatiche): glicosidazione, ossidazione, isomerizzazione, formazione di nuovi composti
• Azione enzimatica/microbiologica.

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Denaturazione termica

Effetti del trattamento termico sull’alimento

Gli effetti del trattamento termico su un alimento dipendono dall’intensità del trattamento. L’obiettivo principale del trattamento termico è colpire i microrganismi. Il secondo obiettivo, aumentando l’intensità, è quello di colpire le piccole molecole (vitamine), poi vado ai polimeri strutturati (proteine e acidi nucleici), e ai polimeri strutturati (amido, polisaccaridi) e poi si arriva alle spore. In base all’intensità del trattamento ho un coinvolgimento diverso dei componenti della matrice alimentare: non è detto che un trattamento blando vada a modificare tutti i composti dell’alimento, mentre un trattamento severo modifica molto l’alimento. Noi andiamo a vedere cosa succede ai polimeri strutturati, e utilizziamo come target un trattamento termico che è una via di mezzo tra pastorizzazione e sterilizzazione.

Processi che hanno come principale agente una denaturazione termica

I processi che hanno come principale agente una denaturazione termica sono: cottura, sanitizzazione ed essiccamento a caldo. © Laila Pansera - 5

Il primo effetto dell’aumento della temperatura sulla struttura è sulle proteine globulari, che possono formare dei gels (es. ovolabumina) più o meno solubili (talvolta anche aggregati insolubili). Una proteina sotto forma di gel può essere più o meno aggredibile dalle proteasi, quindi più o meno digeribile; in secondo luogo, se la proteina è un allergene, può aumentare la risposta immunitaria dei soggetti sensibili. Queste modificazioni interessano interazioni deboli: legami H, scambio di disolfuri. I trattamenti al calore sugli alimenti non rompono il legame peptidico.

Un altro gruppo di proteine su cui abbiamo un effetto strutturale è il collagene, in cui il trattamento termico solubilizza le proteine, e poi raffreddando formo i gels (gelatina). Anche qui le interazioni sono quelle ad H. Le gliadine e le gluteline (che formano il glutine) subiscono delle modificazioni, in questo caso modifico soprattutto l’esposizione delle regioni idrofobiche durante la cottura.

La modificazione strutturale comporta l’acquisizione di una struttura diversa, denaturata. La proteina è una struttura molto flessibile, dopo il trattamento abbiamo una fase di raffreddamento, in cui la proteina riacquisisce la sua struttura nativa (abbiamo una modificazione reversibile) e mi aspetto che la proteina abbia le stesse caratteristiche di quella nativa, oppure la proteina acquisisce una struttura diversa da quella nativa (proteina denaturata, modificazione irreversibile), che può essere la stessa di quella acquisita durante il trattamento, oppure nuova. La struttura denaturata dipende dall’intensità del trattamento. La nuova struttura proteica determina tutte le proprietà dell’alimento. La struttura che la proteina acquisisce durante il trattamento viene chiamata modificazione transiente.

Proteina nativa → modificazione transiente → proteina denaturata (modificazione irreversibile) oppure proteina ritorna nativa (modificazione reversibile).

Durante il trattamento su un alimento le modificazioni vanno studiate sulla complessità del sistema, non solo sulla proteina isolata. Infatti tutti i componenti dell’alimento condizionano le caratteristiche strutturali delle proteine e quindi dell’alimento. © Laila Pansera - 6

Modificazioni strutturali delle proteine a seguito di un trattamento termico

La struttura tridimensionale delle proteine è la somma di 4 livelli diversi di struttura: primaria, secondaria, terziaria, quaternaria. Vediamo l’effetto dei trattamenti termici sulla struttura tridimensionale della proteina.

Struttura primaria

Il trattamento termico NON rompe i legami peptidici. Il trattamento termico può alterare/modificare i gruppi R degli amminoacidi: ottengo degli amminoacidi della catena non naturali, che diventano inutilizzabili. Cambia quindi la digeribilità e il valore nutrizionale: se modifico gli amminoacidi essenziali, la proteina perde valore biologico. La lisina (amminoacido essenziale, basico) è il target della tripsina (che aggredisce gli amminoacidi basici): se ho la lisina modificata, essa non sarà riconosciuta dalla tripsina, ecco il significato della bassa digeribilità. Inoltre, gli amminoacidi non naturali vengono visti come qualcosa di estraneo dall’organismo, quindi vengono attaccati.

Esempi:

• Desulfurazione dei gruppi SH della cisteina con liberazione di solfuro di idrogeno (H₂S, che determina la puzza di uovo marcio)
• Deamminazione della glutammina (gruppo NH₂) con formazione di acido glutammico; la perdita di un gruppo amminico significa formazione di ammoniaca (difetto dell’invecchiamento dell’uovo)
• Disidratazione dell’alanina con beta ossidazione; si forma la deidroalanina (DHA), molto reattiva nei confronti della lisina, quindi formiamo lisinoalanina LAL (lisina e alanina non sono più amminoacidi naturali).

DHA LAL

• Ossidazione del gruppo R degli amminoacidi. Si formano dei composti, alcuni con azione mutagena (potenzialmente cancerogena); questa modificazione avviene ad esempio durante la cottura.

L’altra reazione che interessa la struttura primaria è la reazione di Maillard, che interessa alimenti con zuccheri (gruppo R della lisina e zucchero riducente). Attraverso una serie di reazioni si formano composti più o meno bruni e polimerizzati a seconda dell’intensità. Questa reazione è alla base dell’aspetto edonistico di molti alimenti. Da queste reazioni si forma un composto, la furosina, la cui quantità è alla base della classificazione di molti alimenti; ad esempio, si valuta mediante il dosaggio della furosina la commerciabilità di una pasta in base al danno termico durante l’essiccamento. © Laila Pansera - 7

Gli effetti sulla struttura primaria sono di tipo organolettico (colore, flavour), che possono essere anche negativi: si possono formare alcuni composti intermedi che durante la conservazione possono alterare l’alimento. Ci sono effetti anche antinutrizionali: minore disponibilità e formazione di composti non naturali (cioè si forma qualcosa che il normale metabolismo nell’alimento non produrrebbe). La quantità di tutti questi composti che si formano dipende dall’intensità dei trattamenti.

Struttura secondaria e terziaria

Il calore modifica profondamente la struttura secondaria e terziaria. Le principali interazioni che determinano queste strutture sono quelle deboli, non covalenti:

• Struttura secondaria: alfa elica e beta foglietto, tramite legami H
• Struttura terziaria: interazioni idrofobiche, elettrostatiche (tra gruppi carichi) e legami H.

Di queste interazioni, quelle idrofobiche e i legami H sono sensibili al calore.