Biochimica alimentare con domande d'esame e risposte, prof. Iametti

Quaderno di biochimica alimentare

Prima lezione 21/02/2019

Prima esercitazione di laboratorio. Esame del modulo due in data 4/06/2019. Quattro o cinque domande aperte con lo stesso peso. Seconda data a fine giugno. Si può ripetere la prova per migliorare il voto e viene considerato il voto più alto. Dopo aver fatto i moduli 1 e 2 occorre iscriversi al primo appello ufficiale su SIFA per poter verbalizzare il voto.

Interazione tra diversi componenti

La biochimica alimentare si occupa della visione molecolare delle trasformazioni che riguardano i processi di trattamento del prodotto. L'interazione tra le macromolecole dunque si riversa in aspetti macroscopici del prodotto, pertanto è utile comprendere le interazioni per poterle condizionare.

Modificazioni strutturali di macromolecole

Si vanno ad analizzare organizzazione e struttura dei diversi tipi di proteine. Alcune proteine se trattate modificano la struttura e la funzione biologica, tali proteine con funzione biologica sono gli enzimi. Nella tecnologia alimentare si adottano interventi per attivare o inattivare gli enzimi, inoltre gli enzimi vengono usati per scopi analitici per determinare modificazioni e composti.

Proteine

Andremo a studiare come intervengono nelle interazioni e come condizionano un determinato processo. Dobbiamo analizzare l'interazione fra le proteine e il resto che troviamo nell'alimento che va genericamente sotto il nome di matrice. Raggruppiamo carboidrati, proteine, polisaccaridi, lipidi e il solvente stesso nella matrice complessa di micro/macro molecole.

Interazioni con il solvente

Il solvente principale è l'acqua. L'acqua è la componente prioritaria degli alimenti infatti anche in un alimento secco non arriveremo mai ad avere una quantità di acqua pari a zero. L'acqua condiziona le caratteristiche di un alimento. In un alimento l'acqua non ha sempre le stesse proprietà chimico-fisiche, troviamo pertanto acqua con diversa attività che ha un effetto diverso sull'alimento.

Distinguiamo 4 tipologie di acqua in un alimento

• Acqua pura: Aw=1 non è presente un sale (tipo IV)
• Acqua libera: Aw=0.8-0.9 ha un certo movimento (tipo III) (compatibile con la crescita microbica, disponibile per reazioni enzimatiche, idrolitiche, ossidative o non enzimatiche di imbrunimento —> reazione di Maillard)
• Acqua coordinata: Aw=0.8-0.25 (tipo II) (stesse caratteristiche di acqua tipo III pur non essendo un ambiente adatto per la crescita di microrganismi)
• Acqua legata: Aw=0.25-0 (Tipo I) (acqua fortemente legata che permette compartimenti nella struttura di un alimento, se viene meno si hanno dei danni strutturali)

L'acqua di tipo I e II è sempre presente in un alimento e contribuisce al mantenimento della struttura. Come sappiamo l'acqua è un solvente polare e per la sua carica può respingere molecole. Una funzione interessante dettata da tale caratteristica è la formazione di strutture che permettono di evitare che i lipidi si espongano ad ossigeno. Definiamo come acqua non mobile quella fortemente legata e strutturata con le macromolecole (ovviamente non si parla di legami di tipo covalente).

L'acqua di tipo I fortemente legata ha delle proprietà chimico-fisiche completamente diverse:

• Non è disponibile per reazioni enzimatiche
• No crescita microbica
• Non è mobile
• Non va ad interagire con altre macromolecole
• Non congela mai —> in un prodotto congelato o disidratato quest'acqua rimane sempre come tale, se voglio toglierla mi servono dei trattamenti lunghi con grandi dispendi energetici.

Deve rimanere sempre presente per la struttura dell'alimento. Un alimento disidratato completamente (il più possibile) avrà solamente acqua I, se tolgo questa altero le proprietà strutturali e le interazioni dell'alimento.

Funzioni dell'acqua

• Solvente: Fa sì che le macro/micro molecole siano solubili. La solubilità è intesa non solamente negli alimenti liquidi, ma anche in un alimento solido. Le proteine sono solubili anche in un impasto che è un sistema con poca acqua. Se non fossero solubili avremmo un agglomerato di proteine e da un'altra parte il resto, mentre l'impasto è un materiale omogeneo. La solubilità delle piccole molecole regola una serie di processi a livello cellulare che si ripercuotono sull'alimento stesso come pH, equilibri osmotici. Pensiamo alla conservazione sotto sale, il sale va a modificare gli equilibri osmotici, cambiando gli stati dell'acqua ma non rompendo la cellula.
• Strutturale: Tale ruolo si manifesta sulle molecole semplici e ne condiziona la bio-disponibilità. Le vitamine e i minerali solubili sono più facilmente assorbibili e quindi più bio-disponibili.
• La struttura di una macromolecola come una proteina o un polisaccaride è legata a come interagisce con il solvente. Le interazioni tra proteina e solvente che va a modificare la struttura della proteina è alla base delle proprietà di water-holding ovvero capacità di trattenere acqua. La texture di un alimento dipende da come l'acqua interagisce con le macromolecole, in particolar modo con le proteine. Importante è come l'acqua viene trattenuta. La texture di una pasta è legata a come l'acqua trattenuta dalle macromolecole. La struttura che le proteine hanno condiziona la capacità di trattenere acqua.

Abbiamo dunque compreso come svolga un ruolo cruciale nella composizione di un alimento l'interazione fra acqua e proteine. Variazioni di solubilità avvengono in numerosi processi, lo stesso yogurt è una variazione di solubilità. Si acidifica il latte per mezzo dei microorganismi che producono acido lattico il quale abbassa il pH e ciò modifica la struttura. A livello macroscopico si manifesta poiché le proteine non sono più solubili. Possiamo variare le interazioni con le micromolecole, per esempio le interazioni con i sali. Vedremo le interazioni tra interfacciali, due macromolecole che non si hanno in un solvente acquoso ma che devono coesistere (sistema idrofilo e idrofobico, come un'emulsione). In ultimo vedremo le interazioni tra le macromolecole al variare delle condizioni dell'ambiente in cui si trovano.

Domande

• Quali aspetti contribuiscono a definire la qualità proteica di un alimento?
• Quale biochimica alimentare lezione 2 26/02

Proprietà delle proteine con altre componenti della matrice alimentare

• Proteine-mezzo: È l'interazione più semplice, ovvero quella che coinvolge il solvente, quanto è sciolto e presente nel mezzo. Fattori che influenzano la solubilità relativi alla matrice in cui si trova la proteina:
• Ambiente: Il mezzo in cui si trova la proteina, in tutti gli alimenti il solvente principale è rappresentato dall'acqua. Il solvente si può modificare e diventare meno idrofilico. L'ambiente è importante nel definire la solubilità.
• Concentrazione degli ioni presenti nella matrice alimentare: forza ionica.
• pH: concetto di punto isoelettrico.
• Ruolo di metalli: come il Ca⁺⁺ che vanno ad influenzare la solubilità di una proteina.

Per variare la solubilità di una proteina in una matrice alimentare dobbiamo considerare tutti questi fattori.

Caratteristiche della struttura che la proteina assume in seguito al trattamento che andiamo a fare:

• Nativa, solubile: le strutture diverse assunte da quella nativa si dicono denaturate.
• Denaturata, insolubile (aggregati): tante strutture denaturate sono presenti e dipendono dall'entità del trattamento.

La proteina nella forma nativa è la struttura più solubile nel mezzo in cui è stata pensata e formata. Le proteine possono assemblarsi a formare polimeri o aggregati e gli aggregati e le specie polimeriche sono meno solubili. Una proteina può essere insolubile pur avendo una struttura nativa. Le variazioni di solubilità dunque sono associate al mantenimento della struttura nativa o una modificazione della stessa. Dobbiamo comprendere ciò perché analizzando in dettaglio gli eventi che riguardano le variazioni di solubilità:

Nell'ambiente posso intervenire variando la forza ionica

La forza ionica significa che nella matrice proteica aggiungo dei sali. Il sale più utilizzato nei processi alimentari è NaCl. Aumentando la forza ionica in una proteina che si trova in un ambiente in cui è perfettamente solubile cosa succede?

Perfettamente solubile: condizioni di salting-in —> condizioni di forza ionica in cui la proteina è perfettamente solubile. La proteina è perfettamente solubile per due motivi:

• Ha una sua struttura 3D e intorno ad essa ha il solvente, una sfera di idratazione.
• La proteina ha una certa carica e dunque una carica netta e tendono a non associarsi fra loro ma sono presenti in soluzione.

All'aggiunta di sali cosa succede? Nel momento di aggiunta (NaCl) abbiamo che si scioglie e si dissocia nei suoi due ioni. Il sale si scioglie perché intorno ad esso va a formarsi una sfera di idratazione intorno ai vari ioni che si dissociano. Gli ioni carichi positivamente o negativamente, man mano che vengono sciolti, agiscono in modo diverso. I carichi + agiscono sulle cariche - superficiali della proteina. Abbiamo così una parziale schermatura delle cariche superficiali delle proteine e così loro tendono ad associarsi perché così viene meno la repulsione che si aveva in condizioni precedenti con le cariche superficiali non schermate. Ora le proteine tendono ad associarsi a formare associazioni proteiche che sono più grosse e meno solubili per cui la proteina precipita —> fenomeno di salting-out.

Questa proteina non è solubile ma mantiene la stessa struttura che aveva quando era solubile, non viene assolutamente modificata la sua struttura tridimensionale. Gli ioni schermano le cariche superficiali senza alterare la struttura 3D. Ogni proteina ha una concentrazione diversa di sale al quale cambia di solubilità, è un metodo per separare in una miscela proteica certe proteine. Per recuperare anticorpi da un siero aggiungo una forza ionica per la quale precipitano solo gli anticorpi e non le altre proteine. Questi anticorpi che precipitano non sono denaturati, ma solamente associati. Tale principio si usa per conservare gli enzimi, poiché una proteina associata con altre proteine è molto più rigida, ha meno possibilità di movimento e quindi nel tempo è più stabile. Spesso gli enzimi vengono venduti liofilizzati oppure sono venduti in presenza di elevata forza ionica perché in questo modo abbiamo degli enzimi che sono molto più stabili, precipitati, conservando la loro attività. Quando mi servono basta abbassare la forza ionica e poi utilizzarli.

Nel caso del salting in/out io vario solamente la forza ionica, ho un sistema per separare delle proteine presenti in una miscela complessa. Non tutti i sali che concorrono alla forza ionica hanno questa proprietà, devo stare attento a che sali utilizzo provocando fenomeni di salting-in salting-out. Ogni proteina ha una diversa forza ionica alla quale passa da salting in-out, per passare da out a in si abbassa la forza ionica facendo una diluizione e poi sottoponendola a dialisi. Dialisi —> utilizzo di membrana che separa in base alle dimensioni molecolari. Albumine e globuline hanno diversa solubilità in dipendenza dalla forza ionica. Posso così separare albumine e globuline sapendo tali differenze di forza ionica.

Una variazione di solubilità non significa per forza variazione strutturale. Nel salting in-out sono sempre variazioni di solubilità di proteine native. Possiamo avere casi in cui alla stessa forza ionica ho fenomeno di salting in-out cambiando il sale. Per esempio, nel caso di ioni bivalenti come il calcio, il calcio può mettersi a ponte fra due gruppi caricati negativamente fra cariche sulla struttura esterna di proteine facendo così da ponte. Esempi di variazione di solubilità in un processo di trattamento di salatura si trovano molto spesso. Il sale è importante per il processo di conservazione della salatura. Si ha una variazione di solubilità delle proteine senza variarne la struttura. Un altro esempio sono sistemi per separare le proteine mantenendole inattive.

Come separo una miscela con enzima? Si fa salting-out per avere precipitati con solubilità diversa.

Ruolo del pH nella variazione di solubilità

Il pH influenza proprietà delle proteine, ovvero il punto isoelettrico di una proteina. Il P.I. è il pH al quale la proteina ha carica netta=0. La somma delle cariche + e - è uguale a zero. Sopra o sotto tale valore la proteina ha cariche o positive o negative. La proteina sarà meno solubile al punto isoelettrico perché non c'è l'effetto di respingimento delle cariche.

Al variare del pH cambia la solubilità. La massima solubilità si ha agli estremi, molto prima del P.I. e molto dopo il P.I. Il lisozima è fra le proteine con P.I. alcalino quasi 9, dall'albume si mette un pH tale per il quale a tale pH l'unica proteina che è insolubile, ovvero che fa un salting-out è il lisozima. In questo modo dall'albume, fonte principale di produzione del lisozima, si ricava semplicemente variando la solubilità. Non cambia assolutamente la struttura delle proteine. Salting-in —> proteina solubile. Salting-out —> non più solubile.

Applicazioni di variazione di solubilità delle proteine: Utile per classificare le proteine in base alla loro solubilità, tale classificazione è quella in cui le solubili in acqua si dicono albumine. Proteine solubili in soluzioni saline (NaCl) e sono le globuline. Proteine solubili in alcool 70% sono le prolamine (nome diverso a seconda della matrice da cui vengono estratte) frumento —> gliadine. Mais—> zeine. Proteine solubili in soluzioni alcaline o acide sono gluteline (glutenine). Frumento—> glutenine. Non solubili in nulla sono le scleroproteine.

Condizioni per le quali la variazione di solubilità è modificata dalla variazione della struttura proteica

La proteina non è più solubile o diventa più solubile per via dell'assunzione di un'altra struttura 3D. Variazione della struttura 3D fa variare la solubilità. Agenti che determinano questo effetto:

• Utilizzo di sali: ci sono alcuni sali che modificano la struttura della proteina e gli fanno assumere una struttura meno solubile. Per esempio due sali con stesso catione, ma anione diverso e stessa concentrazione. Nel primo caso è perfettamente solubile e nel secondo caso insolubile perché in quel sale l'anione destruttura la proteina. Sono degli anioni molto piccoli, non hanno una sfera di idratazione estesa e quindi hanno un ingombro minimo e possono penetrare all'interno della struttura proteica. Se un sale entra nella struttura proteica la destruttura perché entrando va a modificare tutte le interazioni deboli che sono alla base della struttura. Il bersaglio di questi ioni molto piccoli sono le coppie ioniche. È possibile che dei residui caricati positivamente o negativamente si trovino nel core idrofobico. Due gruppi carichi si avvicinano e attuano un'interazione elettrostatica per cui le due cariche non ci sono più. Se il sale riesce a penetrare all'interno ha una capacità attrattiva molto più forte verso la carica e dunque va a rompere l'interazione elettrostatica che si era formato. L'effetto si ripercuote sulla struttura 3D che viene denaturata assumendo una struttura meno solubile.
• Trattamento: Un trattamento può essere fisico, meccanico, enzimatico, chimico… vediamo quello fisico-meccanico —> ogni proteina in origine ha una propria struttura nativa, se faccio un trattamento termico o un'omogenizzazione allora la proteina assume una struttura diversa denaturata e quindi può cambiare la solubilità della proteina. Il fatto che la proteina assuma una struttura denaturata può determinare una variazione di solubilità. Esempio di come una variazione di solubilità indotta su una famiglia di proteine costituisce una legge per regolare alcuni prodotti —> la legge che stabilisce se un latte è stato pastorizzato o UHT o sterile ecc… si basa su una modifica della solubilità di alcune proteine presenti in base al trattamento che ha subito. La stessa legge si utilizza se un determinato formaggio è stato prodotto con un formaggio trattato in un determinato modo (pastorizzato).

Hofmeister series

Esiste una classificazione degli anioni e dei cationi in base alla loro liofilicità o lipofilia:

• Liofilici: hanno sfera di idratazione molto ampia, amano l'acqua
• Lipofilici: non amano l'acqua, hanno una sfera di idratazione limitata, il minimo per stare in soluzione, possono penetrare all'interno —> Litio // ClO₄-

Posso denaturare una proteine con dei trattamenti termici/fisici e dunque variare la solubilità di una proteina alterandone la struttura (denaturazione). La legge che stabilisce se un latte è stato pastorizzato o sottoposto ad altro trattamento si basa sulla solubilità di proteine presenti nel latte. Questa legge è molto importante, partita dalla nostra facoltà ed è una legge della comunità europea.

Latte

Costituito da 3-5% di proteine e ci sono sieroproteine solubili e le proteine insolubili che sono le caseine. Questa definizione come è stata fatta? La classificazione viene fatta andando a quantificare la quantità di proteine solubili al punto isoelettrico delle caseine.