Biochimica degli alimenti e della nutrizione primo semestre Iametti

Biochimica degli alimenti, della nutrizione e delle malattie metaboliche

Corso annuale
Appunti di lezione di Raffaele Petitti

Lezione 1

Biochimica degli alimenti (prima parte, Prof. Stefania Iametti)

Qualità proteica

Non è facile definirla, perché nella definizione di qualità proteica ci sono molti aspetti da considerare:

Qualità nutrizionale

Composizione in AA o la digeribilità / biodisponibilità degli aa che costituiscono la proteina.

• Composizione in aa divisa in essenziali, non-essenziali e derivati da essenziali. I colori rappresentano la carica. In rosso quelli definiti aa acidi. Arancione definiti con un gruppo idrossilico. In blu quelli basici ecc.

Dieta equilibrata = più alimenti, e più fonti proteiche, e riesco a superare la carenza di aa essenziali. La diversità nelle proteine di aa essenziali e non essenziali è alla base della complementazione proteica = due fonti di proteine che vengono consumate insieme, esempio pasta e fagioli. Cereali sono carenti dell’aa Lisina mentre i fagioli sono carenti di aa solforati (metionina).

• Digeribilità e Biodisponibilità = magari una proteina ricca di aa, ma è così compatta che non viene idrolizzata dalle proteasi. La tripsina idrolizza gli aa basici. La chimotripsina idrolizza gli aa idrofobici. Se la proteina è ricchissima di lisina e arginina ma è così compatta nella sua struttura, rende inaccessibile all’attacco enzimatico da parte delle proteasi per essere digerita. Le caseine dal punto di vista strutturale sono un esempio di una proteina destrutturata, questo la rende molto accessibile all’attacco della proteasi.

Dipendente dal cibo; Il gruppo -R di una proteina è il gruppo reattivo che può reagire con altri composti, ad esempio la lisina che si lega ad uno zucchero (reazioni di Maillard), questa non viene riconosciuta dalle proteasi. Accessibilità = quanto dei mattoni (aa) posso utilizzare e sono uguali ai naturali.

Presenza di costituenti che possono interagire con le proteine. Esempio, la biodisponibilità e digeribilità delle proteine del tuorlo è diversa da quella della maionese. La digeribilità e biodisponibilità è diversa prima, e dopo l’omogeneizzazione del latte. È cambiato l’interazione e organizzazione delle proteine presente nei due sistemi.

Dipendente dal processo (es. farina), distruggo la loro struttura nativa.

Safety

In un alimento, le proteine presenti hanno diverse funzioni. Possono essere enzimi, strutturali, deposito e altri hanno un effetto anti-nutrizionali, agisce con altri compositori che sono essenziali, es vitamine o va a chelare dei principi attivi), altri sono inibitori di enzimi, altri possono provocare allergie o intolleranze. Alcune proteine sono allergeni (esempio le proteine della soia), stesso concetto vale per le persone celiache. Specifiche sequenze aa che sono presenti in alcuni cereali.

Quante all’interno delle proteine presenti in un alimento, sono agenti chelanti. Esempio la biotina (vitamina) è fortemente legata all’avidina (proteina) = esempio albume e alcuni legumi. In questo caso la biotina non è biodisponibile. Posso denaturare (come un trattamento termico), cambio la struttura nativa, le faccio assumere una struttura denaturata. Posso aggiungere proteasi per denaturare la proteina. Molti processi metabolici hanno questi componenti come cofattori. La biotina è più biodisponibile nell’albume cotto che nell’albume crudo.

Proteasi inibitori sono proteine (antitripsina) che nella loro struttura nativa mascherano il sito catalitico per l’azione di enzimi come la tripsina.

Le serpine (è un acronimo, perché molte proteasi hanno la serina nel sito catalitico) sono inibitori delle proteasi. Di queste ne sono ricche i legumi, cereali, uovo. Questi bloccano l’azione della tripsina affinché abbiano la loro struttura.

Questo aspetto è da tenere presente quando considero la digeribilità di un alimento. La farina di carruba è ricchissima di inibitori.

Difetti metabolici

Alcune proteine (particolari aa) sono legati a difetti metabolici. Esempio fenilchetonuria, è una malattia metabolica, è presente un difetto del metabolismo della fenilalanina, che porta a deficienze mentali gravi. Test ai bambini. Quasi tutte le proteine animali sono ricche di questo AA. Anche l’aspartame è ricco di dell’aa fenilalanina.

(La celiachia è una intolleranza verso determinate sequenze proteiche, presente in alcune proteine dei cereali. Le prolamine sono proteine solubili in etanolo 60% (gliadine del frumento, nel mais sono zeanine ecc). Le zeanine del mais, a differenza delle gliadine del frumento, non presentano queste sequenze proteiche che sono tossiche)

Denaturazione

Una proteina presente in un alimento va incontro ad una denaturazione, perché nell’insieme un alimento viene trasformato. DENATURAZIONE = la proteina perde la sua struttura tridimensionale. Esempi applicativi: come faccio a denaturare una proteina?

Agenti chimici

• pH / Sali / agenti chelanti / componenti redox / alcol e acqua miscibile con solventi / acqua/olio interfacce / detergenti

Agenti fisici

• T / Stress meccanico / alte pressioni (>1000 atm) / alte radiazioni energetiche

Nessuno di questi agenti rompe un legame peptidico. La cosa comune di questi agenti è che denaturano la struttura tridimensionale (secondaria, terziaria e quaternaria, a volte anche primaria ovvero modificazione del gruppo -R di alcune proteine, ma non viene rotto il legame peptidico). Un microrganismo o un enzima è in grado di liberare AA.

Cambiamenti sulla struttura:

• Modificano la sequenza (modificare alcuni gruppi -R degli aa)
• Modificare la stabilizzazione delle interazioni di tipo idrofobico, van der Waals, ionico e idrogeno
• Bilancio idrofobico - idrofilico

Effetti

• Capacità di trattenere acqua = legame idrogeno si forma tra l’acqua e la proteina, questo dipende dalla struttura della proteina (organizzazione strutturale della proteina)
• Cambio la solubilità (lo yogurt è una acidificazione dell’alimento), abbasso il pH.
• Formazione di due fasi che non esisterebbero, formazione di:
  • Gel
  • Emulsioni / schiume (l’aria è idrofobica)

L’acqua (è il principale solvente nei sistemi alimentari) in un alimento ha un ruolo importantissimo. Come mai la Gln (glutammina) rappresenta almeno il 50% di tutti gli aa nell’endosperma amidaceo delle proteine dei cereali? La glutammina viene facilmente convertita in glutammato.

Per quale motivo vengono aggiunte le siero proteine nel prosciutto cotto? In molti alimenti è scritto contiene sieroproteine, perché sono proteine aggiunte per facilitare il trattamento dell’acqua. Le proteine del muscolo hanno difficoltà nel trattenere acqua. Un filetto al sangue è più morbido di un filetto ben cotto perché cambia la capacità di trattenere l’acqua.

Capacità di formare dei reticoli ordinati proteici, i gel (struttura proteica molto ordinata formata da una macromolecola in grado di trattenere acqua). Esempi di gel: il collagene è formato da una tripla elica, in cui queste tre proteine sono legate da legami idrogeno e legami covalenti. Quando sciolgo con l’acqua, la tripla elica rompe i legami a idrogeno. Quando raffreddo si riformano i legami idrogeno, ma non si strutturano come prima, ma formano una struttura in grado di trattenere acqua.

→S-S (ossidata) -SH (non ossidata, ma ridotta). L’ovalbumina è ricca di residui cisteinici in grado di creare punti -SS intra-catena. Il formaggio è un gel proteico di caseina, al cui interno c’è la frazione lipidica e altri componenti.

Modificazioni di eventi che possono avvenire a seguito di cambiamento del pH

La carne cambia colore quando aggiungo il limone. Quando abbasso il pH, il gruppo eme cambia leggermente, si trova ad essere differente esposto all’ambiente, arriva la luce e la riflette in maniera diversa, e si ha il cambiamento del colore (diventa più chiara).

Effetto di Sali (NaCl) sulle proteine degli alimenti

A bassa molarità: proteina solubile, sulla superficie avrà cariche positive e negative. Se aggiungo sale, si arriverà piano piano alla neutralità. Gli aggregati proteici sono spesso fatti utilizzando dei Sali.

Agenti chelanti

Hanno l’abilità di competere con le proteine nel legare alcuni cofattori o con un metallo. Mozzarella (minore capacità di trattenere acqua) + pizza = resta bianca (cotta al forno).

Lezione 2

Gli agenti fisici

Temperatura (effetti)

Modificazione su alcuni AA

• a beta-eliminazione: dalla Cys e Ser produce la deidroalanina, la quale è molto reattiva, formando la lisinoalanina
• Glicazione: reazione di Maillard, interazione tra un gruppo amminico e uno zucchero. Proteina glicata, è una proteina legato ad uno zucchero

Mentre la glicosilazione, a differenza della glicazione (modificazione dovuto ad un trattamento termico), è una modificazione dovuta ad un enzima.

FUROSINA. La quantità di questo addotto, alla legge per stabilire i diversi tipi di latte. Più furosina c’è in un latte e più il trattamento termico è intenso. La quantità di questo adotto serve per definire la quantità di un altro trattamento di essiccazione di una pasta. Colore diverso.

L’asparagina con in trattamento termico determina la formazione di dell’acrilamide. Questa formazione è legata alla quantità dell’AA asparagina presente. Alimenti ricchi di asparagina libera come le patate, alcuni cereali ecc. Gli alimenti ricchi di acrilamide sono il caffè, patatine fritte ecc.

Come faccio ad abbassare il contenuto di acrilamide? Utilizzo di un enzima, l’asparaginasi, la utilizzo prima di un trattamento termico, e la converte in acido aspartico che non è reattivo.

Effetto sul trattamento termico di una temperatura

• Rottura del legame a idrogeno. La proteina assume una struttura diversa (denaturata), che comporta l’esposizione di regioni idrofobiche (che nella struttura nativa sono poste all’interno), questo ha effetti molto importanti sul ruolo che svolge una proteina all’interno di una matrice alimentare. Uno dei primi effetti è la diversa organizzazione del solvente, e quindi una diversa interazione tra proteine solvente, ad esempio, la diversa capacità di trattenere l’acqua. Altro effetto è l’esposizione delle regioni idrofobiche, una struttura denaturata è caratterizzata, entro certi limiti, da una maggiore esposizione delle regioni idrofobiche.
• Modificazione della struttura tridimensionale della proteina a effetto sulla funzionalità di una proteina
• Diversa organizzazione del solvente (principale è l’acqua), la capacità di legare acqua viene influenzato da queste modificazioni strutturali
• Maggiore esposizione delle regioni idrofobiche = la proteina sarà più instabile, ed essa tende a stabilizzarsi associando le regioni idrofobiche formando degli aggregati caratterizzati dalle associazioni di regioni idrofobiche.

2 esempi: trattamento termico del latte = sui pastorizzatori, un problema sono i fouling, crosta di proteine associate idrofobicamente e sono una nicchia di protezione per i microrganismi (non efficacia del trattamento di pastorizzazione). 2 effetti:

• Con la presenza di una crosta di proteine, il calore non si trasmette allo stesso modo. Trattamento della pastorizzazione non efficace.
• Effetto nutrizionale, la formazione di questi aggregati a seguito del trattamento termico, essi rimangono solubili. La stessa proteina è molto meno aggredibile dalle protesi. Il nostro sistema immunitario risponde molto di più quando la proteina è rappresentata in forma di aggregato.

L’obiettivo principale di un trattamento termico = scelta tempo e T per distruggere i microrganismi e anche di vedere cosa succede ad una proteina. Particolare attenzione per la formazione di aggregati proteici. Trattamento di un succo di frutto.

Concetto generale: la struttura di una proteina a seguito di un trattamento di qualsiasi genere (fisco) subisce una modificazione strutturale. Questa modificazione strutturale può essere di tipo reversibile (ritorna indietro) o irreversibile (assume una struttura stabile).

Modificazione transiente è la proteina che assume durante il trattamento. Ad esempio, se consumo un latte a 100 gradi, a quella temperatura lì, la proteina assuma una struttura transiente, diversa da quella nativa. A questo punto, possono esserci 2 strade:

Regioni idrofobiche superficiali in proteine leganti lipidi o molecole idrofobiche. Alcuni esempi: l’albumina serica ha questa struttura (vedi foto), presenza di un solco apolare all’interno della sua struttura, che la consente di esercitare la sua funzione fisiologica (nel sangue è importante perché trasporta gli acidi grassi liberi). Dal punto di vista alimentare l’albumina serica viene utilizzata in un ambiente idrofobico (alimenti). La sua struttura impedisce il collasso delle regioni idrofobiche.

Questa proteina non viene più usata. Sono presenti 70 g/litro nel bovino, si è deciso di cercare dei sostituti che non avessero problemi di BSE legati alla mucca pazza. Occorre che permanga questa sacca idrofobica. I sostituti sono:

Le sieroproteine, ovvero la più abbondante è la betalattoglobulina (3 g/litro). Questa proteina ha una doppia tasca idrofobica e ha all’interno una sacca che trattiene e lega sostanze odorose. Presenza anche di una tasca idrofobica sulla superficie della proteina. Ma questa caratteristica è rappresentata dalla sua struttura nativa. Se la proteina è stata trattata, può subire una diversa capacità di legare le sostanze odorose.

Questa struttura rigida è molto sensibile al pH, durante il processo di formazione della ricotta, avviene l’acidificazione (in parte), e in secondo luogo, l’acidificazione viene fatta con l’acido citrico. Perché l’acido citrico ha un effetto chelante (chela il calcio, ferro ecc.), oltre a quello acidificante. Le proteine presenti nella ricotta non mantengono una struttura nativa, ma si denaturano, e le sieroproteine si riassociano a formare un gel proteico.

La stessa funzione viene svolta da alcune proteine dei legumi, come quelle del pisello.

Denaturazione e reticolazione

In una proteina abbiamo:

• Regioni idrofobiche (rosse)

I residui di cisteina (possono andare incontro a ossidazione) sono protetti. La formazione reticolo interproteico è caratterizzata dalla formazione di legami idrofobici. I residui -SH hanno formato legami -SS interproteina (scambio di disolfuri). I residui -SH non sono aumentati e né diminuiti.

Gli aggregati si formano per la formazione si scambi di disolfuri. La betalattoglobulina a 5 residui SH, di cui uno è libero. Questo nella struttura primaria si trova all’interno (aumentare la resa di caseificazione, significa aumentare la quantità di formaggio prodotto, in termini proteici). A seguito di trattamento questo gruppo SH può essere esposto:

Odore di cotto (trattamento termico)

MODIFICAZIONI COMPLESSIVE DELLA STRUTTURA POSSONO COMPORTARE UNA MODIFICA DELLA SOLUBILITÀ DELLE PROTEINE NELL’ALIMENTO: EFFETTI MOLTEPLICI

Outline

Come una struttura denaturata possono avere una variazione di solubilità. In un latte, posso separare le caseine dalla parte serica, acidificando, portando ad un pH 4,6. A questo pH le caseine precipitano, e rappresenta il pH al quale le caseine si trovano al minimo della sua solubilità. Il dosaggio delle proteine per il monitoraggio di processi e prodotti.

Siero proteine nel latte

Il latte pastorizzato non ha più sieroproteine di un latte UHT, sono uguali perché se no si sarebbe in presenza di una frode. Però, un latte pastorizzato, ha più sieroproteine nella struttura NATIVA, quindi, ha meno sieroproteine che hanno formati aggregati. Questo concetto vale anche per il formaggio, se esso è stato fatto con un latte liquido pastorizzato rispetto che un latte in polvere. Se un formaggio è stato fatto con un latte pastorizzato e non con un latte in polvere, deve avere una certa quantità di sieroproteine solubili. Ho una variazione della solubilità in funzione della struttura che la proteina ha all’interno della matrice a seguito del trattamento.

Denaturazione meccanica (stress meccanico)

Si modifica drasticamente la struttura secondaria, terziaria, quaternaria. La modificazione meccanica agisce sui legami idrogeno e idrofobici e va fare interazioni di scambio di disolfuro (importante per la formazione degli impasti), ovvero facilita la formazione di reticoli proteici, interazioni di tipo -SS. Il trattamento meccanico modifica la struttura delle proteine delle caseine (formaggi filati, come la mozzarella, provolone) e glutine. Altri trattamenti meccanici come:

• Omogenizzazione = ridurre di dimensione i globuli di grasso per evitare l’affioramento (danno estetico per il consumatore). Il globulo di grasso ha solo uno strato lipidico (monostrato). Effetto è che la superficie esposta del globulo aumenta. Le lipasi sono gli enzimi che idrolizzano il grasso (trigliceride) e sono in grado di lavorare all’interfaccia.
• Stabilizzazione di emulsione e schiume, dove le proteine hanno un ruolo fondamentale.

Beta lattoglobulina

Questi residui vengono esposti a seguito di un trattamento (termico, meccanico ecc) cambia l’intera struttura della proteina, e si troveranno in posizioni diverse. Posso vederlo, questo, con metodi di fluorescenza. La fluorescenza è una proprietà che hanno alcune molecole di emettere la luce (a livello)