Chimica degli alimenti lezioni

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Chimica degli alimenti

Le proteine ed i processi alimentari: elementi essenziali

Intro

Le proteine sono polimeri di amminoacidi (19+1 + tutte le possibili modificazioni post traduzionali) il cui legame strutturale è detto “peptidico”.

                                            

Tutti gli AA hanno una base strutturale comune ed un gruppo chimico discriminante che li differenza detto gruppo R. In funzione della sequenza dei gruppi R la struttura di una proteina varia (cambiano gli angoli attorno ai piani definiti dai legami peptidici per via del peculiare folding proteico guidato dai dalle interazioni tra i vari gruppi R).

Che tipo di interazioni determinano il folding proteico?

Si tratta di interazioni deboli in condizioni fisiologiche. Queste interazioni vengono però modificate durante i processi di trasformazione chimici e fisici dei prodotti alimentari: Tali modifiche strutturali si ripercuotono naturalmente a livello funzionale ed è per questo che sono così importanti per il comportamento della componente proteica durante i processi industriali e domestici cui vengono sottoposti gli alimenti.

Quali sono queste interazioni?

legami covalenti

L’unica interazione covalente è il ponte disolfuro S-S. E’ importante in quanto lo Zolfo è un atomo molto reattivo. Possiamo trovarlo come SH solo in ambienti riducenti in quanto si ossida con facilità dando luogo a S-S. Nei processi alimentari la formazione dei ponti disolfuro può essere desiderata come nel caso del glutine, ma anche dannosa come nel caso dei trattamenti termici del latte dove la formazione di un ponte S-S tra la b-lattoglobulina e la k-caseina determina una riduzione delle proteine solubili.

 

legami deboli

Tra le interazioni deboli ricordiamo le forze di Van Der Waals (interazione idrofobica), i dipoli, i dipoli istantanei ed i ponti salini (che invece sono interazioni di tipo idrofilico).

Per quanto riguarda le forze di Van Der Waals ricordiamo che la loro forza dipende dalla superficie dell’interazione. Nelle proteine in forma nativa (ovvero funzionante) le ritroviamo spesso come interazioni all’interno della struttura proteica stessa (interazioni intraproteiche). Invece quando la proteina viene denaturata (come avviene spesso degli alimenti processati), l’esposizione delle parti idrofobiche all’ambiente esterno promuove le interazioni di Van der Waals tra catene polipeptidi che diverse (interazioni interproteiche). Questo fenomeno è alla base delle aggregazioni proteiche che avvengono in prodotti trattati termicamente e che portano alla formazione di gel e di schiume.

Per quanto riguarda i dipoli e i ponti salini c’è da dire che sono fortemente dipendenti dall’ambiente esterno (forza ionica e pH del mezzo). Modulando opportunamente il mezzo possiamo modificare queste interazioni in modo da cambiare le proprietà delle proteine alimentari (marinature, processi di salatura ecc)


denaturazione (unfolding)

La denaturazione è il processo opposto al folding: Si ha la perdita della struttura secondaria e terziaria. La perdita della struttura primaria è invece molto più difficile: In questo caso sono responsabili o degli enzimi peptidici o un processo di idrolisi acida/basica ad hoc.

La denaturazione può essere determinata da vari fattori: PH, temperatura, forza ionica, stress meccanico, pressione osmotica. Per cui molti processi tecnologici come la cottura, il congelamento, l’essiccazione, l’irraggiamento portano alla denaturazione. E’ fondamentale conoscere i principi generali della denaturazione e le caratteristiche specifiche delle principali proteine alimentari in modo da poterla regolare ed indirizzare a proprio piacimento, al fine di ottenere determinate caratteristiche nel prodotto voluto.

 

Alimenti ricchi di proteine

Gli alimenti ricchi in proteine sono:

  • Formaggi (20-30%)
  • Carne e pesce (15-20%)
  • Uova (13%)
  • Cereali (10-20%)
  • Legumi (se secchi 20%).

La quantità (così come il tipo) di proteine determina fortemente le caratteristiche fisiche e sensoriali del prodotto.

Qualità nutrizionale delle proteine

Solitamente si stima il valore nutrizionale delle proteine solo in funzione della percentuale di AA essenziali che essa contiene. In realtà, i parametri da considerare in questa stima sono due: presenza degli AA essenziali e biodisponibilità.

Essenzialità degli AA

Gli amminoacidi essenziali sono quelli che un organismo non è in grado di sintetizzare da sé in quantità sufficiente, ma che deve assumere con l’alimentazione. I principali amminoacidi essenziali sono la lisina e gli AA contenenti zolfo, ovvero la cisteina e la metionina.

Biodisponibilità

La biodisponibilità dipende della digeribilità della proteina ovvero dalla facilità con cui vengono idrolizzati i legami peptidici rendendo assimilabili i peptidi e gli amino acidi che la compongono. Le proteine animali, anche quelle dei derivati, sono più facilmente denaturabili e digeribili rispetto a quelle vegetali. La biodisponibilità dipende molto dalla suscettibilità alla denaturazione e anche al livello di modificazioni post tradizionali e alle derivatizzazioni indotte dai processi termici. La biodisponibilità delle proteine vegetali, che sono in genere molto resistenti alla denaturazione , migliora molto con i processi. Invece, in prodotti in cui un’estesa Reazione di Maillard provoca una reticolazione delle proteine la biodisponibilità delle proteine coinvolte (non solo degli amminoacidi direttamente coinvolti nella reazione) diminuisce.

Cosa succede alle proteine una volta introdotte nel nostro corpo?

In primis si ha una loro parziale o totale denaturazione per via dell’acidità dei succhi gastrici. A livello gastrico e poi intestinale le proteasi umane (pepsina, tripsina, chimotripsina, peptidasi) scindono le proteine in oligopeptidi fino a produrre di e tri peptidi. Questi stessi vengono poi assorbiti dalla mucosa intestinale e poi scissi in singoli AA che verranno utilizzati per la sintesi di nuove proteine.

Ci sono però delle eccezioni: alcuni oligopeptidi e proteine di grandi dimensioni possono passare direttamente tramite le “tight junction” intestinali (vedi immunoglobuline del colostro, prioni o peptidi delle gliadine responsabili della celiachia).

Come accennato precedentemente alcuni processi diminuiscono la digeribilità proteica facendo arrivare a livello intestinale dei grossi peptidi, i quali sono substrato ottimale della microflora proteolitica (ad esempio i clostridi), il che è in genere una cosa negativa per il bilancio dei batteri nell’intestino.

Cosa succede quando, come avviene frequentemente nella diete occidentali, si ha un introito proteine superiore al fabbisogno? Gli AA delle proteine in eccesso vengono transaminati ed utilizzati nei cicli catabolici per produrre energia. L’ammoniaca che si forma viene eliminata attraverso il ciclo dell’urea (cosa che determina un affaticamento del metabolismo)

 

Funzioni delle proteine negli alimenti

Negli alimenti, le proteine influenzano fortemente le proprietà strutturali. Le loro tre caratteristiche fondamentali che vanno ad influenzare la struttura di un prodotto sono:

  • Capacità di interagire con l’acqua (idratabilità e solubilità)
  • Capacità di interagire con altre proteine (aggregazione: precipitazione o gelificazione)
  • Proprietà tensioattive/di superficie (emulsioni o schiume)

Interazioni tra le proteine

In un alimento contenente proteine non denaturate (native) la maggior parte delle interazioni sono intramolecolari. Questa situazione cambia in due casi: Quando si arriva al punto isoelettrico e quando si denaturano le proteine.

Per quanto riguarda il punto isoelettrico, ricordiamo che al punto isoelettrico la carica delle proteine è nulla e, se le cariche sono nulle, le proteine aggregano vista la nulla repulsione elettrostatica e la maggiore idrofobicità (diminuzione della solubilità in acqua).

Per quanto riguarda la denaturazione diciamo che, nel momento in cui una proteina viene denaturata, la struttura terziaria si apre e le interazioni che erano INTRAmolecolari possono diventare INTERmolecolari. Ma perché abbiamo la formazione di questi nuovi legami che portano ad una aggregazione più o meno forte? E’ una questione di energia libera: Le proteine, una volta “aperte”, devono “nascondere” la loro componente apolare all’ambiente acquoso e quindi si aggregano tra di loro.

Qualunque sia la loro natura, le interazioni tra proteine sono fondamentali per conferire specifiche caratteristiche organolettiche agli alimenti come aspetto, consistenza, texture, viscosità nonché per ottenere determinate proprietà strutturali in caso di gel, schiume, emulsioni, etc. Per questo i processi di trasformazione degli alimenti (in primis la cottura, ma anche molti trattamenti meccanici o l’inserimento di gas nel sistema) che modificano queste interazioni cambiano in modo profondo le proprietà e le caratteristiche dei suddetti alimenti. Ovviamente il processo deve essere strettamente controllato in modo da ottenere le caratteristiche finali desiderate.

Modifiche degli AA durante i processi alimentari

Si tratta di modifiche a carico dei gruppi R.

  • Deammidazione: Al contrario delle ammine, le ammidi sono poco reattive. Però a temperature superiori ai 180°C avviene la deammidazione. L’ammonio prodottosi è un ottimo reagente per la Reazione Maillard. Ecco perché i prodotti da forno devono essere cotti a temperature superiore ai 180°C…. solo sopra questa temperatura gli ammino acidi ammidici di cui sono ricche le proteine dei cereali possono innescare la reazione di imbrunimento che associamo al prodotto “cotto”.
  • Disidratazione (serina): Ad alte temperature si ha la disidratazione della serina con formazione di un doppio legame (deidroalanina). La deidroalanina è un composto molto reattivo che reagisce facilmente (ad esempio con la lisina di un'altra catena polipeptidica, formando la lisino alanina) dando luogo ad aggregati proteici.

 

                                               

Deidroalanina                                                                        Lisino alanina

 

  • Ossidazione (principalmente a carico degli aromatici). Può avvenire sia solo per azione chimica (specie alle alte temperatura) ma più spesso è determinata da enzimi come avviene nella frutta e nella verdura tagliata e lasciata all’aria (vedi imbrunimento enzimatico).
  • Desulfurazione (cisteina e metionina): Si ha il rilascio di gruppi SH che conferiscono la classica puzza di uovo. Si ha a seguito dei trattamenti termici e gli effetti sensoriali negativi vengono alleviati mediante deareazione del prodotto.

Modifiche dovute ai microrganismi

  • Desulfurazione: chimicamente è la stessa reazione descritta sopra ma se avviene ad opera di batteri è in genere indice di una profonda contaminazione del prodotto
  • Decarbossilazione (AA amminici): Si ha la formazione di ammine biogene dall’odore più che sgradevole. Le ammine biogene sono delle diammine derivate dagli ammino acidi basici: da lisina, istidina e arginina otteniamo rispettivamente, cadaverina, istamina e putrescina).

 

 

Fonte: https://www.docenti.unina.it/downloadPub.do?tipoFile=md&id=271034

Sito web da visitare: https://www.docenti.unina.it/

Autore del testo: Prof. Fogliano Vincenzo

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