Chimica degli alimenti

Chimica degli alimenti

Introduzione

Gli organismi, per vivere, devono produrre energia. Questo obiettivo può essere raggiunto in due diversi modi: gli organismi autotrofi ricavano energia dal metabolismo di fonti inorganiche prelevate dall’ambiente esterno, mentre gli organismi eterotrofi la ricavano dal metabolismo di sostanze organiche. Il metabolismo eterotrofo si basa su reazioni chimiche, principalmente di ossido-riduzione.

Tramite l’energia, ogni cellula svolge le proprie funzioni, mantiene le proprie dimensioni, si accresce e si riproduce. Il sistema che l’uomo utilizza per reperire fonti di energia è l’alimentazione. Si definisce alimento un prodotto commestibile da assumere periodicamente dall’esterno per garantire, insieme alla respirazione, il normale svolgimento delle funzioni fisiologiche.

Classificazione degli alimenti

A seconda della fonte di derivazione, gli alimenti si dividono in:

• Alimenti di origine animale/vegetale: provengono direttamente da organismi viventi; sono la carne, le uova, il latte, la frutta, la verdura...
• Derivati di origine animale/vegetale: derivano dalla trasformazione di alimenti che riguarda la consistenza, le caratteristiche organolettiche e i principi nutritivi; esempi sono il formaggio e lo yogurt.

Un’altra classificazione suddivide gli alimenti in:

• Semplici: sono costituiti da un unico nutriente, come lo zucchero, olio e grassi, acqua.
• Complessi: sono costituiti da più nutrienti e sono i più abbondanti.

Nutrienti

I nutrienti, contenuti negli alimenti, possono essere distinti in:

• Organici: sono vitamine, lipidi, carboidrati, proteine.
• Inorganici: sono acqua e sali minerali.

Una volta introdotti, i nutrienti devono essere scomposti in forme più piccole che possano essere più facilmente assorbibili da ogni singola cellula. Questo è possibile grazie al pH gastrico e agli enzimi specifici del pancreas.

Funzione dei nutrienti

Dal punto di vista funzionale, i nutrienti si dividono in:

• Energetici (proteine, zuccheri e lipidi): contribuiscono al mantenimento delle funzioni vitali, forniscono materiale energetico per il mantenimento del calore, lavoro o altre forme di energia necessarie al mantenimento della temperatura corporea e l’attività fisica; alcuni nutrienti sono di uso immediato, altri sono di riserva. È la loro ossidazione che produce energia. Questa funzione è ascrivibile principalmente agli zuccheri semplici e complessi. I lipidi producono più energia poiché, nel momento in cui gli acidi grassi sono ridotti a trigliceridi, si producono molecole di ACoA a cui corrisponde una molecola di ATP. In una dieta corretta, il 60-65% di energia è prodotta dagli zuccheri, il 25% dai lipidi e il 10% dalle proteine. Il fabbisogno in termini energetici è di 2000/3000 Kcal per l’uomo e di 1500/2500 Kcal per la donna.
• Plastici: sono i nutrienti che forniscono materiale che permetta di ripristinare e costruire i tessuti. Lo sono le proteine e i sali minerali (CaPO₄).
• Regolatori: forniscono il materiale necessario alla regolazione delle reazioni metaboliche; lo sono le proteine (enzimi, ormoni, anticorpi…) e vitamine (cofattori e coenzimi).

Dunque, una dieta appropriata soddisfa il fabbisogno dei diversi nutrienti, considerando il loro contenuto negli alimenti.

È da ricordare che gli alimenti contengono anche un’altra serie di componenti che non assolvono queste funzioni, come la cellulosa e la emicellulosa (non sono digeribili ma stimolano la motilità intestinale e sembrano regolare il colesterolo), additivi (utili per la salute o dannosi perché tossici), antiossidanti (i polifenoli come il resveratrolo contenuto nel vino).

Nutrienti organici

Le proteine che introduciamo sono sia animali che vegetali e, affinché la nostra dieta possa definirsi corretta, è necessario avere l’apporto degli aminoacidi essenziali, ossia quelli che il nostro organismo non è in grado di neosintetizzare e che sono necessari per la sintesi di tutti gli altri aa (detti semiessenziali). Gli aa essenziali sono 8 nell’adulto, 11 nel neonato (non ha ancora tutti gli enzimi per la sintesi). In genere le proteine permettono di assimilare il giusto numero di aa nelle giuste proporzioni; nelle alimentazioni a base vegetale si incorre nel rischio di averne carenza, perché non tutti i vegetali possiedono tutti gli aa. La dieta mediterranea è in grado di fornirne l’apporto esatto.

Per quanto riguarda gli zuccheri, la principale fonte è rappresentata da cereali, legumi e vegetali, mentre l’unico zucchero di origine animale è il lattosio. La maggior parte dei lipidi assunti sono trigliceridi, mentre una quota è costituita dai lipidi complessi (steroli e vitamine liposolubili).

Nutrienti inorganici

I nutrienti di natura inorganica sono l’acqua e i sali minerali e nell’organismo sono presenti in diverse quantità a seconda dell’età, del peso, del sesso e di altre variabili: nel neonato si può arrivare ad una percentuale del 75%, negli anziani del 45%; nelle donne c’è meno acqua e più massa grassa. L’acqua costituisce il 65% del peso corporeo. È fondamentale reintegrarla, poiché è sottoposta a un equilibrio dinamico di assunzione/eliminazione (l’adulto perde il 6% dell’acqua che assume, i bambini il 15% data l’aumentata sudorazione e un metabolismo più rapido). L’uomo, senz’acqua, può sopravvivere 2-3 giorni. Generalmente gli uomini dovrebbero bere 2,5 L al giorno, la donna 2 L e il bambino 1,5 L. L’acqua è particolarmente importante perché è il principale solvente delle reazioni biochimiche, è fondamentale nei trasporti, regola la temperatura corporea, elimina le scorie, partecipa alle reazioni di idrolisi, è lubrificante…

I sali minerali rappresentano circa il 5% del peso corporeo, perciò la quota di assunzione è bassa; tuttavia sono solubili in acqua e vengono dunque espulsi con il sudore, le feci e le urine (la solubilità in acqua fa preferire la cottura al vapore degli alimenti rispetto alla bollitura, per evitare la perdita dei sali). Possono essere integrati con bevande e cibi, mentre solo gli ioni Na⁺ e Cl^- sono assunti direttamente come esaltatori di sapidità. Rappresentano lo 0,15% del peso corporeo. Na⁺ è il controione di Cl^- tranne a livello gastrico, in cui H⁺ sostituisce Na⁺. Il sodio è presente prevalentemente a livello extracellulare e, assieme al potassio in ambiente intracellulare, contribuisce al mantenimento della pressione osmotica. La dose giornaliera di Na⁺ è 4-6 g, ma nella realtà la dose consigliata per prevenire l’ipertensione è di 2 g (con l’alimentazione ne introduciamo comunque di più). Cl^- mantiene il sodio dissociato dagli ioni OH^-, cosa che aumenta il pH; la funzione caratteristica di Cl^- è l’idrolisi delle proteine. La quantità giornaliera consigliata è di 0,9-5 g, assumibile principalmente attraverso l’acqua e il sale da cucina.

Il potassio è presente all’interno delle cellule, in quantità più elevate rispetto al sodio (0,35%); è coinvolto nel trasporto di sostanze a livello delle membrane cellulari e coadiuva l’azione di numerosi enzimi glicolitici e della catena respiratoria. Elevate quantità di potassio si trovano in alimenti di origine animale, come il latte, e in alcuni vegetali.

I sali minerali sono gli unici nutrienti che non subiscono degradazione a temperature elevate. Negli organismi animali sono più biodisponibili (assimilabili dall’organismo), mentre nei vegetali la biodisponibilità è ridotta a causa della loro presenza sotto forma di sali insolubili o chelati ad acidi organici. Quasi tutti i minerali sono essenziali perché rispondono a tre caratteristiche:

• In caso di carenza causano deficit funzionali.
• In eccesso favorisce lo sviluppo.
• In caso di problemi funzionali, è necessario verificarne la dipendenza dalla carenza.

I sali assumono importanza dal punto di vista strutturale, per il trasporto di membrana, perché sono i componenti di ormoni ed enzimi, per la regolazione dell’equilibrio acido-base cellulare, per la pressione osmotica (evitare esplosione o implosione) e il bilancio idrico, per la trasmissione degli impulsi nervosi (alcuni neurotrasmettitori funzionano in presenza di ioni minerali) e per la contrazione muscolare.

Il Fe si ottiene dalla carne rossa; per quanto riguarda i cereali integrali, dal punto di vista dei sali minerali, sono migliori in quanto non mancano del tegumento (dove si trovano rame, manganese e ferro); Gli alimenti di origine animale come latte e latticini sono fonte di calcio (è in eccesso rispetto al PO₄^3-; nel latte il rapporto è 2:1); I vegetali in generale hanno una quantità elevata di boro e potassio. La birra contiene silicio e il tè è ricco di fluoro.

Classificazione dei sali

I sali si classificano in:

• Macroelementi: in dose di 100 mg/giorno o più; ne fanno parte quelli con funzione strutturale quali calcio, magnesio, potassio, sodio, cloro, fosfato e solfato.
• Microelementi: in dose compresa tra 1 mg/die e 100 mg/die con funzione regolatoria (cofattori).
• Oligoelementi: in dose inferiore a 200 mg/die. Comprende tutti i microelementi e qualche macroelemento.

Macroelementi inorganici

Calcio

Rappresenta l’1,5% del peso corporeo ed è presente nelle ossa sotto forma di Ca₃(PO₄)₂, fosfato tricalcico. L’1% costituisce i liquidi organici (sangue e tessuti molli) e i denti; è fondamentale per i processi di coagulazione, stabilizzazione della membrana (con Mg²⁺), secrezione di insulina, controllo nervoso, contrazione muscolare e trasmissione del segnale. Una sua scarsa assunzione non provoca danni, in quanto è per la maggior parte depositato nelle ossa e può essere reso disponibile secondo necessità; una parte viene eliminata con le urine. La sua omeostasi è regolata sia da fattori esogeni sia endogeni. Per poter essere efficacemente assorbito, il rapporto Ca-P dev’essere a favore del calcio e la presenza di vitamina D (e dell’ormone paratiroideo) favorisce l’assorbimento. La dose giornaliera consigliata è 800 mg, variabile a seconda del sesso e dell’età: ne è richiesta una quantità maggiore in età adolescenziale e durante la menopausa. Anche il pH acido ne favorisce l’assorbimento (yogurt permette ottimo assorbimento). È presente sia nel latte e derivati sia in vegetali, legumi e spinaci, ma in questi ultimi è meno biodisponibile perché legato all’acido ossalico; è favorito l’assorbimento tramite la spremuta (pH acido).

Magnesio

Rappresenta lo 0,05% del peso corporeo e ha funzioni vitali (definito life supporting): è cofattore di enzimi fondamentali per il metabolismo di zuccheri e molecole ad alto contenuto energetico (legami anidride), stabilizza gli acidi nucleici e le membrane, è implicato nel metabolismo di lipidi e aa. Una piccola quota si trova a livello osseo e interviene a livello di cellule nervose e muscolari. Carenze causano aritmie cardiache. La dose consigliata è di 250-350 mg/dia, reperibile principalmente nei cibi di origine vegetale (verdi e cereali con tegumenti).

Fosfato

Rappresenta l’1,5-1,9% del peso corporeo ed è presente sia come inorganico (nelle ossa) sia come organico (nella membrana, negli acidi nucleici, in ATP e molecole ad alta energia come PEP). È essenziale perché utile al metabolismo sia in forma libera che legata. La forma organica presente nei cibi viene idrolizzata da fosfatasi e l’assorbimento avviene principalmente come inorganico. Costituisce il 4% del sangue come tampone per mantenere il pH=7. È presente negli alimenti di origine animale, tra cui latte e uova, e vegetale, ma in quest’ultimo è meno biodisponibile; ne sono ricchi gli additivi (leicitina, coca-cola, ...): i polifosfati presenti negli insaccati erano sfruttati per la loro attività idroscopica (impediscono disidratazione). Essendo un microelemento ubiquitario, è difficile averne carenza.

Zolfo

Rappresenta lo 0,25% del peso corporeo. Ha funzione strutturale e plastica ed è presente in forma organica in aa quali cisteina e metionina (nel gruppo tiolico), di cui sono ricche le cheratine, nel glutatione, vitamina A, insulina, biotina… La principale fonte sono le proteine, mentre in forma di solfato si ricava dall’acqua e dai vegetali.

Microelementi inorganici

Ferro

È presente nell’organismo in quantità comprese tra 1 e 15 mg, di cui il 75% è in forma organica legata al gruppo eme come Fe²⁺ (ridotta) nell’emoglobina, nella mioglobina (nei muscoli rossi) e nella transferrina (trasporto O₂ nel plasma), mentre il 25% è depositato nella milza, nel fegato e nel midollo (detto Fe non emico) come ferritina ed emosiderina. Ha diverse funzioni, tra cui quella di trasporto dell’ossigeno, essere cofattore enzimatico, contribuire al catabolismo delle proteine, alla sintesi del collagene, produzione di anticorpi e la trasformazione del β-carotene in vitamina A. Può essere assorbito solo se si trova allo stato ridotto (alimenti di origine animale). Si trova in concentrazioni elevate nella carne rossa, nelle frattaglie (fegato) e nelle uova di coturnice; nei vegetali è presente in forma ossidata, legata a ossalati e ftalati, perciò va assunto in presenza di acidi (gluconico o citrico) e vitamina C per un miglior assorbimento gastrico. La dose consigliata è di 14 mg, di cui solo il 10% è assorbita; se presente in eccesso si accumula e diventa tossico. I tannini presenti nel tè e nel caffè tendono a ridurre l’assorbimento del ferro.

Rame

È un elemento che deve essere assunto in bassissime dosi (1,2 mg al giorno). È presente nell’organismo limitatamente: 100 mg per persona di 70 kg, contenuti nel cervello, nel fegato, nei reni e nel cuore sia in forma ossidata che in forma ridotta. È cofattore enzimatico delle ossidasi dei citocromi e non solo, quindi è coinvolto nell’equilibrio ossido-riduttivo e nella produzione di energia. Ne sono ricche le frattaglie e la frutta secca. Eccessi di ferro e zinco riducono l’assorbimento di rame.

Zinco

Ne sono presenti 2 g e la dose consigliata è 9-10 mg/dia. A livello intracellulare è legato alle metallotioneine dell’apparato del Golgi, proteine importanti per la regolazione e la mobilitazione del rame e dello zinco e che svolgono una funzione importante nella detossificazione da metalli pesanti e per la protezione dallo stress ossidativo. È cofattore di diversi enzimi, indispensabile per il rilascio di vitamina A dal fegato. L’assimilazione non è totale: solo il 25-40%. Il caffè e il tè ne riducono l’assorbimento (anche di ferro) per la presenza di tannini e fenoli, mentre l’alcol ne aumenta l’escrezione. Le principali fonti alimentari sono cereali, legumi, crostacei, pesce e carne.

Manganese

Nell’organismo è presente in forma ossidata. Ne sono presenti 20 mg e la dose consigliata è di 1-10 mg, di cui solo il 5% è assorbito (la restante parte lega la transferrina). È cofattore di molti enzimi idrolitici, con la funzione di attivare il substrato da idrolizzare; è coinvolto in reazioni di decarbossilazione e fondamentale per le transferasi. La carenza è rara e le principali fonti sono i cereali, i legumi e i crostacei.

Cobalto

Forma la cianocobalamina, il costituente della vitamina B₁₂, ed è un cofattore enzimatico. La carenza è strettamente legata alla carenza della vitamina B₁₂. Le principali fonti sono il lievito del pane, il fegato e i frutti di mare.

Cromo

È presente in quantità di circa 6 mg. La forma biologicamente attiva è quella con numero di ossidazione 3+, presente in animali e vegetali. È fondamentale nel metabolismo degli zuccheri (favorisce l’azione dell’insulina) e dei lipidi (degrada gli acidi grassi). La sua quantità diminuisce con l’avanzare dell’età e ciò è correlato alla produzione di insulina. Un eccesso marcato lo rende tossico. Una buona fonte di cromo è l’estratto di lievito.

Selenio

La sua dose giornaliera consigliata è di 50-55 µg/dia. È presente nell’organismo sia in forma inorganica sia organica (selenio-proteine). I selenio-aa contengono un atomo di selenio al posto dello zolfo nella metionina e nella cisteina e costituiscono metalloproteine ad attività enzimatica coinvolte nella protezione delle membrane cellulari dai radicali liberi (es: glutatione perossidasi), e quindi dalla loro ossidazione e invecchiamento. Gli alimenti che ne sono maggiormente ricchi sono i cereali, il fegato, le frattaglie, molluschi, crostacei e i prodotti lattiero-caseari, anche se il suo contenuto percentuale varia a seconda del territorio di crescita. Vitamina C ed E ne aumentano la proprietà antiossidante, ma ne riducono l’assorbimento.

Silicio

La sua dose consigliata è di circa 20-50 mg/die. Deriva principalmente dai cereali e il suo assorbimento è favorito se si trova sotto forma di acido silicico. Un eccesso causa silicosi.

Iodio

È presente nell’organismo in forma organica ed è il principale costituente degli ormoni tiroidei T₃ e T₄. La sua quota nell’organismo equivale a 20 mg e la dose giornaliera consigliata è di circa 150 µg. È implicato nel controllo della termogenesi, del metabolismo glucidico, lipidico, proteico ed è coinvolto nella fissazione ossea del calcio. Una carenza causa gozzo e ipotiroidismo. È contenuto negli alimenti di origine animale, tra cui latte, uova, pesce marino e nelle alghe; tuttavia necessita di essere costantemente assunto anche dal sale marino iodato, in quanto gli alimenti non ne soddisfano completamente la richiesta.

Fluoruri

Deriva principalmente dall’acqua, ma la sua quota in questo alimento dipende dalla composizione del suolo di origine. È implicato nel mantenimento dello scheletro e previene le carie dentali. È difficile averne carenza, proprio perché assunto