Chimica degli alimenti

Chimica degli alimenti

Argomenti

• Alimenti (nutrienti)
• Produzione degli alimenti (processi)
• Trasformazione, trattamento alimenti

Moduli

1. Ripasso chimica
2. Composizione chimica degli alimenti, tecnologie alimentari
3. Additivi, coadiuvanti, enzimi, aromi
4. Contaminanti, residui degli alimenti (NO normative, leggi)

Introduzione

Ci sono diverse definizioni di alimento: "qualsiasi sostanza ingerita dall'organismo e consumata dalle cellule per produrre energia, mantenerle in vita e/o stimolare la crescita".

Definizione ufficiale: "qualsiasi sostanza o prodotto parzialmente trasformato o non trasformato, destinato ad essere ingerito da esseri umani; non comprende: mangimi, animali vivi, vegetali prima della raccolta, medicinali, cosmetici, tabacco, sostanze stupefacenti, residui o contaminanti."

Alimento preimballato: unità di vendita presentata al consumatore costituita da un alimento e dall'imballaggio, in modo che il contenuto non possa essere alterato senza aprire o cambiare l'imballaggio. Non comprende gli alimenti imballati nei luoghi di vendita o su richiesta del consumatore.

Ingrediente: qualunque sostanza (es. aromi, additivi, enzimi alimentari) utilizzata nella preparazione e fabbricazione dell'alimento ed è presente nell'alimento finito, i residui non sono considerati come ingredienti. Gli ingredienti sono tutti indicati nelle etichette, ordine non casuale → dipende dal peso (il 1° è il più abbondante).

Trattamento

Azione che modifica sostanzialmente il prodotto (es. trattamento termico, affumicatura, salagione, stagionatura, essicazione, marinatura, estrazione).

Classificazione dei prodotti

1. Trasformati: trattamento modifica struttura dell'alimento; possono contenere ingredienti necessari per la loro lavorazione o per conferire loro caratteristiche specifiche.
2. Non trasformati: il trattamento non impatta sulla composizione ad esempio i trattamenti meccanici non modificano la struttura molecolare (es. sezionare, pulire, macinare, frantumati, rifilati, refrigerati, congelati, surgelati, scongelati).

Tecnologie alimentari

• Impattano sulla qualità e sicurezza degli alimenti.
• Migliorano qualità, sicurezza degli alimenti.
• Produzione nuovi ingredienti.

Food Design

Produzione di alimenti per classi specifiche; gli alimenti vengono strutturati per categorie che hanno determinate esigenze. Esempio per anziani: profilo nutrizionale delicato, tessuti masticabili, riduzione sale. Es. frutta secca → anziani problema nella masticazione → produco farina.

Novel Foods

Cambio tecnologie o ingredienti devono rispettare la normativa dei Novel foods “tutto quello che veniva usato fino al 97' ok, da lì in poi si deve essere autorizzati dall'ensa”.

• Prodotti con struttura molecolare modificata.
• Prodotti costituiti o isolati partendo da microrganismi, funghi, alghe.
• Prodotti costituiti da vegetali o isolati partendo da vegetali.
• Esempio: proteine degli insetti: composizione ottima (ricchi di proteine ed acidi grassi insaturi). Ciclo vitale breve (ottima resa rispetto a bovini e suini).

Alimenti come fonte di nutrienti

Alimenti sono fonte di: carboidrati, proteine, vitamine, lipidi, minerali, componenti minori (hanno funzione fisiologica).

Carboidrati

Glucidi: dolci → ma non tutti sono dolci (solo monosaccaridi). Per ogni atomo di C abbiamo una molecola d'acqua → C_n(H₂O)_n.

Numero atomi di C → triosi, tetrosi, pentosi, esosi. Idrosili → idrolizzabili (2 molecole), non idrolizzabili (1 molecola) es. Glucosio: aldoso, esoso, non idrolizzabile. Gruppo funzionale → Aldosi, Chetosi.

I carboidrati possono essere considerati dei Poliossialdeidi o Poliossochetoni; sono largamente diffusi sia nei vegetali che negli animali come elementi strutturali, di riserva energetica, componenti di metaboliti fondamentali.

Ciclo dei carboidrati

Nelle foglie, attraverso la fotosintesi, avviene la combinazione di CO₂ e H₂O per formare D (+) Glucosio; migliaia di molecole di glucosio si combinano per formare polisaccaridi come amido e cellulosa. L'amido, una volta ingerito, viene idrolizzato a glucosio e portato ai tessuti dove si ossida a CO₂ e H₂O, liberando l'energia inizialmente fornita dalla luce.

Monosaccaridi

Monosaccaridi: Aldosi

Gliceraldeide → zucchero minimo, tetroso. D – Gliceraldeide, L – Gliceraldeide → Sono molecole diverse, stereoisomeria diversa.

C*: legato a 4 sostituenti diversi; in queste molecole c'è un solo C* quindi ci saranno 2 conformazioni diverse. Stereoisomeri: immagini speculari. Numero stereoisomeri: 2ⁿ n= numero C*. Esempio 2 C* = 2² = 4.

Per distinguere gli stereoisomeri li nominiamo così:

• D: penultimo OH verso Dx
• L: penultimo OH verso Sin

In natura troviamo solo la serie D. Potere rotatorio: è caratteristico della molecola (non c'entra con D o L).

• (+) rotatorio positivamente Destrogiro (ruota piano luce polarizzata verso Dx)
• (-) rotatorio negativamente Levogiro (ruota piano luce polarizzata verso Sin)

Esempio: Glucosio: destrogiro D → D - (-) - fruttosio. Esempio: Fruttosio: levogiro.

Epimeri

Diasteroisomeri che differiscono per la configurazione attorno ad 1 solo C*. Esempi: Mannosio (C2), Lattosio (C4) sono epimeri del glucosio. Ribosio e Arabinosio sono epimeri al C2. Arabinosio e xilosio sono epimeri al C3. Arabinosio e xilosio non sono epimeri dato che differiscono in configurazione sia al C2 che al C3.

Aldosi

• Pentosi: ribosio, arabinosio, xilosio
• Esosi: glucosio, mannosio, galattosio

Arabinosio e xilosio: origine vegetale, non li troviamo liberi, fanno parte dei polisaccaridi complessi. Arabinosio → vino, xilosio → xilulosio (dolcificante).

Chetosi

2 – Idrossipropanone: chetoso più piccolo (trioso). Il gruppo chetonico è sempre in posizione 2 ed il gruppo carbonilico in posizione 1. Chetosi: pentosi → ribosio.

Ciclizzazione

Il gruppo aldeidico (CHO) reagisce con qualunque OH, ma alcuni legami si formano più facilmente. Quando CHO reagisce con OH si ottiene un Acetale dall'acetale ottengo forma ciclica.

Glucosio può essere in forma aperta o chiusa. Nella forma ciclica, per convenzione, numero gli atomi di C in senso orario; inoltre:

• Tutti OH a Sin: sotto il piano (OH opposto al gruppo CH₂OH)
• Tutti OH a dex: sopra il piano (OH dalla stessa parte del gruppo CH₂OH)

Nella molecola ciclica c'è un nuovo C* (C1) posso far reagire con OH di dx o di sin, quindi si riconoscono due possibili configurazioni al C1:

• Alfa: OH verso basso
• Beta: OH verso alto

Sono emiforme dette Emiacetaliche o Anomeriche. La ciclizzazione è detta anche forma:

• Piranosidica: esagonale (glucosio)
• Furanosidica: pentagonale (fruttosio)

In H₂O avviene l'apertura e la chiusura della molecola, sceglie la forma che è più favorevole.

Mutarotazione

Gli anomeri alfa e beta hanno proprietà fisiche diverse, in particolare potere rotatorio specifico diverso; in H₂O cambia conformazione ed anche potere rotatorio. Ciascun anomero quando dissolto in acqua dà una miscela non equimolare dei due anomeri → favorita la forma beta rispetto ad alfa perché in beta gli OH sono tutti lontani.

Fruttosio

Anche il fruttosio può ciclizzare, CHO può reagire con:

• C5 → ottengo forma furanosidica
• C6 → ottengo forma piranosidica (come per il glucosio)

Fruttosio in soluzione → 70% piranosidica, 30% furanosidica (meno stabile perché forma a barca).

Potere riducente

Zuccheri riducenti: carboidrati che riducono i reattivi di Fehling (o Benedict) o di Tollens. Il potere riducente è dovuto alla presenza di un gruppo OH libero; tutti i monosaccaridi, aldosi o chetosi, e la maggior parte dei disaccaridi (eccezione: saccarosio) sono riducenti. Una molecola è riducente se è presente un gruppo aldeidico o chetonico libero (es. saccarosio no).

Reazioni di riduzione

Cu²⁺ → Cu₂¹⁺ O (ossidulo di rame), Ag⁺ → Ag⁰. Cu²⁺ si riduce, il monosaccaride si ossida ad acido carbossilico. La riduzione è una reazione base, agiscono nelle reazioni di Maillard → avvengono tra zuccheri riducenti e proteine (spesso negli alimenti).

Monosaccaridi: Derivati dei monosaccaridi

Desossizuccheri

Zuccheri che hanno perso 1 OH; OH (gruppo alcolico) viene sostituito da un CH₃. Desossiribosio: C2 perde 1 OH (2 – desossi – D ribosio) acidi nucleici → Ramnosio: C6 perde 1 OH (6 – desossi – L – mannosio) → glucosidi, polisaccaridi vegetali. Fucosio: C6 perde 1 OH (6–desossi –L- galattosio) → oligosaccaridi latte umano, focoidina (polisaccaride alghe brune).

Reazioni di monosaccaridi

Monosaccaride ---- (ossidazione) ----> Acido monocarbossilico (oss in C1) (CHO in C1 sostituito da COOH) es. Glucosio → acido gluconico. Monosaccaride ----- (riduzione) ----> Polialcol (CHO in C1 sostituito da CH₂OH) es. Glucosio → glucitolo o sorbitolo.

Acido aldonico

Deriva da ossidazione gruppo aldeidico. Con queste reazioni cambiano le proprietà della molecola, da una parte reazioni degli acidi ed all'altra quelle degli alcoli.

Acido uronico

Monosaccaride --- (ossidazione) ----> Acido Uronico (oss in C6) es. glucosio → acido glucuronico. Conto partendo dal gruppo aldeidico. Acidi uronici: mantengono stessa posizione dello zucchero ciclizzato e mantengono le proprietà riducenti in quanto hanno un gruppo CHO libero.

Acido saccaridico

Monosaccaride – - - (ossidazione) ---- > Acido saccaridico (COOH in C1 e in C6) es. glucosio → acido glucarico (no in natura).

Polialcoli

Dolcificanti.

Acidi uronici

Derivano dagli zuccheri per ossidazione del CH₂OH terminale a -COOH nei polisaccaridi naturali (pectine). Non si trovano liberi in natura, ma fanno parte di importanti polisaccaridi naturali (pectine); riducono il Fehling e possono formare anelli furanosidici e piranosidici. Il COOH tende a formare Lattoni con gli OH (esteri intramolecolari).

Formazione di lattoni

COOH + OH ---- (- H₂O) ---> R -COO-R' (estere o Lattone). Si possono formare esteri all'interno della stessa molecola. È una condensazione e si ha la perdita di una molecola d'acqua.

Aminozuccheri

1 o + OH sostituiti da un gruppo amminico (NH₂), proprietà dei gruppi amminici.

Glicosidi

I diversi OH degli zuccheri non sono tutti reattivi allo stesso modo; OH semiacetalico può legarsi a OH alcolico e fenolico per formare eteri (acetali, lattoilidi) detti Glicosidi. OH possono formare eteri con altre molecole (zuccheri, fenoli ecc); sempre condensazione e perdita di 1 H₂O.

Glicoside: zucchero generico.

Glucoside: glucosio.

Glicoside: formato da 1 zucchero e 1 aglicone (molecola non zuccherina); se fosse un altro zucchero allora si dice Disaccaride. Possono essere furanosidi o piranosidi, alfa o beta glicosidi. A seconda dello zucchero si hanno poi Glucosidi, Fruttosidi, Arabinosidi.

Esempio: Glicoside: zucchero generico.

Esempio: Glucoside: glucosio.

No mutorotazione, no potere riducente (OH no libero); sono scissi nelle loro componenti da sistemi enzimatici (es. vanillina).

Disaccaridi e Trisaccaridi

Maltosio

Glucosio + Glucosio (condensazione) maltosio → glucosil – 1,4 . glicoside. Mantiene proprietà riducenti e mutorotazione. Il maltosio deriva dalla degradazione dell'amido. Maltosio: legame alfa digeribile da enzimi digestivi → Cellobiosio: legame beta → non digeribile, no enzimi per rompere legame.

Lattosio

Galattosio + Glucosio legame Galattosidico → è il galattosio che mette in gioco OH legame beta galattosidico → unico legame beta che enzimi digestivi (lattasi) riescono a rompere. Il lattosio è una fonte di galattosio, ha potere riducente e mutorotazione.

Saccarosio

Glucosio + Fruttosio. Se parto dal fruttosio → legame beta – 2,1. Se parto dal glucosio → legame alfa – 1,2. Non ha potere riducente, no mutorotazione. È lo zucchero da cucina. Dall'idrolisi del saccarosio ottengo glucosio e fruttosio; essa può avvenire per idrolisi acida o può essere operata da un enzima (saccarasi). Invertasi: saccarasi, sinonimo.

Potere rotatorio

Glucosio: monosaccaride Destrogiro (ruota piano verso Dx → pot rotatorio positivo) D - (+) - Glucosio potere rotatorio di + 52°. Fruttosio: monosaccaride Levogiro (ruota piano verso Sin → pot rotatorio negativo) D - (-) - Fruttosio → potere rotatori di – 92,3°. Saccarosio: disaccaride Destrogiro (+) - Saccarosio → potere rotatorio di + 66,5°.

Oligosaccaridi

Da 3 a 9 molecole di monosaccaridi. Possono esserci molecole diverse, ma anche legami diversi.

• Acido sialico: acido acetil neuramminoco; solo in oligosaccaridi del latte umano (non si conosce utilità).
• Fucosio: divide oligosaccaridi del latte materno, no in quello bovino.
• GOS: oligosaccaridi ricchi di galattosio.
• FOS: oligosaccaridi ricchi di fruttosio. Usati nei latti sostituitivi, diversi per molecole e struttura (lineari).

Polisaccaridi

Composizione

• Eteropolisaccaridi: contengono molecole diverse (possono essere zuccheri o derivati degli zuccheri).
• Omopolisaccaridi: costituiti sempre dalla stessa molecola (es. amido, inulina).

Funzione

• Riserva: di solito omopolisaccaridi (amido, glicogeno, inulina, mannani, xilani, arabani).
• Sostegno: cellulosa, emicellulosa, pectine, agar.

Struttura

• Semplici: solo zuccheri.
• Complessi: zuccheri + altro (es. mucopolisaccaridi, glicoproteine).

I polisaccaridi del glucosio sono Amido (riserva) e Cellulosa (sostegno).

Amido

Amilosio: lineare, formato da 50 – 400 molecole di glucosio. In soluzione assume una struttura piramiforme, nelle spire di amilosio in soluzione si può mettere iodio (I₂) per capire se c'è amido. Sì, amido → soluzione blu. No amido → soluzione rossa (colore dato da Iodio).

Amilopectina: ramificata, + complessa, 300 – 500 molecole di glucosio, si ramifica ogni 25 – 30 residui.

Amido:

• Amilosio: catene lineari legami alfa 1,4 (50 – 400 unità).
• Amilopectina: catene ramificate con legami alfa 1,4, nelle ramificazioni alfa 1,6 (300 – 500 unità, ramificazioni ogni 25 – 30 residui).

L'amilopectina è presente in maggior quantità (80%) rispetto all'amilosio (20%); importante nei tessuti di deposito, sono tutti legami che possiamo digerire con i sistemi enzimatici. In tutti i tessuti di deposito (semi di cereali, patata) amilosio ed amilopectina si organizzano nella loro conformazione e formano i granuli di amido; osservati al microscopio assumono una forma particolare.

L’amilopectina si dispone con le varie molecole una sopra l’altra, si allineano i punti delle ramificazioni, causano diffrazione della luce e ha un aspetto particolare al microscopio. Ogni specie accumula amilosio ed amilopectina in modo diverso e questo determina forme diverse nei granuli di amido ed anche dimensioni diverse. La conformazione dell’amilopectina: matrice ricca di amido, con il tempo perde la sua consistenza ed indurisce; l’indurimento non è dovuto solo all’evaporazione dell’acqua, ma anche nel cambio della conformazione delle amilopectine. Se metto pane in forno, la struttura rigida si scompone, il riscaldamento modifica la riconformazione di queste molecole.

Cottura

Amido a contatto con H₂O, con riscaldamento ottengo la Gelatinizzazione dell’amido → acqua penetra attraverso la struttura dei granuli di amido, lo fa rigonfiare, nel riscaldamento si rompe questa struttura e mi trovo in una situazione in cui amido passa libero in soluzione. Con idratazione amido ottengo un prodotto sottoforma di gel es. budino.

Glicogeno

Composto sempre da molecole di glucosio; presente nei tessuti animali (fegato, muscoli) come forma di deposito. È paragonabile alla struttura dell’amilopectina, legami alfa 1,4, ramificazioni alfa 1,6. È più ramificato rispetto all’amilopectina (ramificazioni ogni 8 – 12 unità) → maggior ramificazione = più facilmente attaccabile da enzimi digestivi. Amido e glicogeno teoricamente sono riducenti perché alla fine c’è un gruppo carbonilico libero, in realtà no perché questi gruppi riducenti sono pochi (1 su 25.000 non si percepisce).

Polisaccaridi Amidiacei

• Amido
• Glicogeno

Polisaccaridi non amidiacei

Hanno legami che non vengono digeriti dagli enzimi (cellulosa).

Cellulosa

Polimero lineare di glucosio, con legami beta 1,4. Grado di polimerizzazione alto (300 - 1500 unità). Polisaccaride di sostegno nelle cellule vegetali, parete cellulare; la troviamo in qualunque alimento di origine vegetale.

Emicellulosa

Si possono trovare nella parete cellulare, come materiale di supporto alla parete di cellulosa; sono polisaccaridi formati da insieme di molecole diverse (no omopolisaccaridi ma eteropolisaccaridi). Possono essere formate da esosi, pentosi ed acidi uronici. Possiamo anche avere dei polimeri del glucosio. Esempio: Glucani o Destrani: polimeri di glucosio, qui cambiano i legami (possono essere 1,4 o 1,6 o 1,3, possono essere legami alfa o legami beta).

Beta glucani: insiemi di molecole di glucosio legati con legami beta; polimeri di dimensioni minori rispetto alla cellulosa (10 - 100 unità). Assunti giornalmente (3 gr al giorno) mantengono i livelli corretti di colesterolo nel sangue (non abbassano colesterolo).