MAURIZIO LA GUARDIA SANTO GIAMMANCO MARCO GIAMMANCO. Fondamenti di Scienza dell Alimentazione

Transcript

1

2

3 MAURIZIO LA GUARDIA SANTO GIAMMANCO MARCO GIAMMANCO Fondamenti di Scienza dell Alimentazione

4 Titolo originale: M. La Guardia, S. Giammanco, M. Giammanco Fondamenti di Scienza dell Alimentazione Copyright 2010 EdiSES S.r.l. Napoli Le cifre sulla destra indicano il numero e l anno dell'ultima ristampa effettuata A norma di legge, le pagine di questo volume non possono essere fotocopiate o ciclostilate o comunque riprodotte con alcun mezzo meccanico. La Casa Editrice sarebbe particolarmente spiacente di dover promuovere, a sua tutela, azioni legali verso coloro che arbitrariamente non si adeguano a tale norma. L Editore Fotocomposizione: EdiSES S.r.l. Napoli Fotoincisione: PrintSprint Napoli Litografia di Enzo Celebrano Stampato presso la Litografia di Enzo Celebrano Napoli per conto della EdiSES Napoli, Via Nuova San Rocco 62/A P.co Soleado Tel Fax info@edises.it ISBN

5 AUTORI Maurizio La Guardia Ricercatore SSD BIO/09 (Fisiologia) Sezione di Fisiologia e Nutrizione umana del Dipartimento di Medicina, Pneumologia, Fisiologia e Nutrizione umana Università di Palermo Santo Giammanco Professore Ordinario SSD BIO/09 (Fisiologia) Sezione di Fisiologia e Nutrizione umana del Dipartimento di Medicina, Pneumologia, Fisiologia e Nutrizione umana Università di Palermo Marco Giammanco Ricercatore SSD BIO/09 (Fisiologia) Sezione di Fisiologia e Nutrizione umana del Dipartimento di Medicina, Pneumologia, Fisiologia e Nutrizione umana Università di Palermo Gli Autori ringraziano la Dott.ssa Danila Di Majo per la puntuale revisione degli aspetti chimici dei nutrienti e per la stesura delle parti riguardanti i composti fenolici ad attività antiossidante ed il vino. AUTORI III

6

7 INDICE GENERALE Prefazione Introduzione VII XI SEZIONE 1 I nutrienti 1 1. Nutrienti energetici 3 2. Nutrienti inorganici Vitamine 63 SEZIONE 2 Gli alimenti Alimenti di origine animale Alimenti di origine vegetale Oli e grassi Le bevande Alimenti modificati, funzionali, biologici, OGM e novel foods 219 SEZIONE 3 Alimentazione equilibrata Alimentazione equilibrata in età adulta Alimentazione equilibrata in gravidanza Alimentazione equilibrata in allattamento Alimentazione equilibrata nella crescita Alimentazione equilibrata nell anziano non in condizioni patologiche Alimentazione equilibrata e sport 253 Bibliografia essenziale 257 INDICE GENERALE V

8

9 PREFAZIONE Questo testo di Alimentazione e Nutrizione umana rappresenta lo sviluppo e la rifinitura degli argomenti trattati da uno degli Autori (La Guardia) nei corsi di Scienza dell Alimentazione (per gli studenti del Corso di Laurea Specialistica in Farmacia dell Università di Palermo) e di Alimentazione e Nutrizione umana (per gli specializzandi in Scienza dell Alimentazione presso l Università di Palermo). Deriva pertanto da una lunga esperienza di insegnamento, considerando che i corsi sono stati affidati al Prof. La Guardia rispettivamente dall anno accademico e dall anno accademico Dunque il target è rappresentato soprattutto dagli studenti universitari in Farmacia e dagli specializzandi in Scienza dell Alimentazione. Tuttavia, per la completezza con cui abbiamo voluto trattare l argomento, questo testo può sicuramente essere adottato anche dagli studenti di altri Corsi di Laurea, qualora sia previsto l insegnamento di Scienza dell Alimentazione. Il testo è strutturato in tre sezioni, secondo uno schema classico. Nella prima sezione vengono trattati i nutrienti (energetici, inorganici, vitamine), nella seconda gli alimenti, nella terza i principi che stanno alla base di un alimentazione equilibrata. La seconda sezione rappresenta una riedizione aggiornata di un testo già pubblicato nel 2005 (La Guardia M. & Giammanco M.: Gli alimenti Dalla composizione al valore nutrizionale; ed. EdiSES). Ovunque ritenuto necessario, sono stati esposti gli argomenti di Fisiologia correlati all argomento trattato. Questo accorgimento è stato curato in maniera particolare, al fine di agevolare lo studente a collegare i concetti esposti con le conoscenze già acquisite dallo studio della Fisiologia; infatti, l esperienza ci insegna che frequentemente le singole discipline vengono considerate dagli studenti come contenitori di concetti e nozioni a sé stanti, non collegati con le discipline precedenti. Nel caso della Scienza dell Alimentazione, questo approccio improprio renderebbe la disciplina un arido insieme di nozioni fini a se stesse. PREFAZIONE VII

10 Note sulla compilazione delle tabelle e dei grafici 1. I dati utilizzati sono quelli di Carnovale & Marletta: Tabelle di Composizione degli Alimenti, Aggiornamento 2000 (INRAN) e, ove mancanti, quelli di Souci, Fachmann & Kraut: Food composition and Nutritional Tables, 7ª edizione, 2008 (segnati con asterisco nelle tabelle della seconda sezione). Le considerazioni sulle qualità nutrizionali degli alimenti derivano dall analisi delle tabelle. 2. L identificazione di un alimento si è basata sul nome scientifico dell animale o del vegetale, riportato sia nelle tabelle di Carnovale & Marletta che in quelle di Souci et al. Questo è stato molto utile sia per i prodotti della pesca sia per alcuni ortaggi (soprattutto le Brassicacee), in quanto, in questi casi, talora i nomi comuni fanno riferimento ad animali o vegetali appartenenti a specie (o addirittura generi) diverse. 3. Il contenuto in aminoacidi essenziali, riferito a mg/g di proteina, è stato ottenuto dividendo la quantità (mg) di ciascun aminoacido per la quantità (g) di proteine in 100 g di parte edibile di alimento. 4. Il confronto percentuale tra il contenuto in aminoacidi essenziali dell alimento ed il contenuto in aminoacidi essenziali della proteina di riferimento è stato ottenuto adottando la seguente formula, ripetuta per ciascun aminoacido essenziale (AE): mg di AE/g di proteina nell alimento mg di AE /g di proteina di riferimento 100 mg di AE /g di proteina di riferimento Nel caso in cui non dovesse essere carente alcun aminoacido, viene semplicemente evidenziata in grassetto la percentuale in eccesso dell aminoacido meno abbondante. Se uno o più aminoacidi essenziali risultano carenti, anche in questo caso le percentuali in difetto sono stampate in grassetto. Evidentemente, l indice chimico 1 è il complemento a 100 della percentuale in difetto dell aminoacido essenziale maggiormente carente. Riteniamo che, rispetto alle semplici indicazioni dell Indice chimico e dell aminoacido limitante, queste tabelle siano maggiormente utili quando gli aminoacidi essenziali carenti siano più di uno. 5. La composizione percentuale in acidi grassi dei lipidi degli alimenti è stata ottenuta secondo la seguente formula, ripetuta per ciascun acido grasso: g di acido grasso per 100 g di alimento (parte edibile) 100 g di lipidi per 100 g di alimento (parte edibile) 6. Nei grafici, al fine di sottolineare il valore nutrizionale che riveste l alimento nella pratica, sono state evidenziate le percentuali dei Livelli di Assunzione Raccomandati (LAR) di Nutrienti, in PREFAZIONE 1 L indice chimico si calcola facendo il rapporto tra il contenuto di ciascun aminoacido essenziale nella proteina dell alimento testato (espresso come mg di aminoacido per g di proteina) ed il contenuto dello stesso aminoacido nella proteina di riferimento (espresso nella stessa unità). Il rapporto più basso corrisponde al valore dell Indice chimico e l aminoacido corrispondente è l aminoacido limitante (in Carnovale & Marletta: Tabelle di Composizione degli Alimenti, Aggiornamento 2000 ). VIII

11 varie età e condizioni fisiologiche, che vengono coperte dall assunzione di una quantità di alimento stimabile più o meno come una porzione. Evidentemente, per ogni alimento non sono stati presi in considerazione tutti i nutrienti, ma solo quelli i cui LAR sono coperti del tutto o in significativa percentuale dall assunzione di una porzione di quell alimento. In alcuni casi (carni, fegato, pesce), è stato necessario ricorrere a più grafici, con scale diverse, in quanto per alcuni nutrienti l assunzione di una porzione di alimento soddisfaceva ben oltre il 100% dei LAR. 7. Alcuni grafici, relativi al pane, alla pasta e alle patate, sono apparentemente anomali, in quanto mettono a confronto percentuali (quelle delle Linee Guida per una sana alimentazione relativamente all introduzione di nutrienti energetici) con contenuto di proteine, carboidrati e lipidi espresso in grammi. Questi grafici sono stati realizzati, invece, col preciso scopo di rendere evidente l idoneità di questi alimenti a ricoprire il ruolo di equilibratori della razione alimentare. PREFAZIONE IX

12

13 INTRODUZIONE SCOPI DELL ALIMENTAZIONE E DELLA NUTRIZIONE L uomo ingerisce come alimenti le sostanze che le piante (e, tramite queste, gli animali) hanno elaborato. Nell apparato digerente, tali sostanze vengono depolimerizzate in unità chimiche più semplici che, una volta assorbite, forniscono energia o possono essere utilizzate per finalità anaboliche o regolatrici. Per alimentazione si intende l assunzione e la digestione degli alimenti, nonché l assorbimento dei nutrienti contenuti negli alimenti. Per nutrizione si intende l utilizzazione dei nutrienti contenuti negli alimenti al fine di ottenere energia, di compensare la perdita dei composti chimici e, soprattutto nei soggetti in accrescimento, di formare nuovi tessuti. Ci sembra utile marcare questa distinzione, in quanto spesso (magari considerando che il fine dell alimentazione è la nutrizione) i due termini sono utilizzati come sinonimi. L energia presente nei nutrienti degli alimenti è legata alla presenza di composti chimici (carboidrati, lipidi e proteine) contenenti carbonio in forma ridotta, che si è formato nelle piante (organismi autotrofi) per effetto della fotosintesi. L energia ottenuta dai nutrienti per mezzo della respirazione cellulare viene utilizzata per svolgere il lavoro cellulare e per la termoregolazione. Il fabbisogno energetico dell individuo determina la quantità della dieta. I nutrienti assorbiti che vengono utilizzati prevalentemente per finalità anaboliche o regolatrici sono l acqua, gli aminoacidi essenziali, le vitamine ed i sali minerali. Il fabbisogno di tali nutrienti determina la qualità della dieta. In una dieta equilibrata, l assunzione totale di costituenti essenziali e la quantità di energia devono eguagliare le quantità eliminate dall organismo più quelle trasformate in calore o in lavoro (Figura 1). QUANTITÀ QUALITÀ Figura 1 Equilibrio tra quantità e qualità della dieta. INTRODUZIONE XI

14

15 SEZIONE 1 I nutrienti 1. NUTRIENTI ENERGETICI 2. NUTRIENTI INORGANICI 3. VITAMINE

16

17 1. NUTRIENTI ENERGETICI 1.1 GENERALITÀ Da un punto di vista termodinamico, possiamo considerarci un sistema aperto, cioè un sistema che scambia energia con l ambiente. Questo significa che una certa quantità di energia viene assunta dall ambiente ed una certa quantità viene ceduta. In quanto organismi eterotrofi, l unico modo per assumere energia dall ambiente è l alimentazione. Con gli alimenti introduciamo energia chimica che, tramite i processi catabolici, utilizziamo come calore e lavoro. Se la quantità di energia introdotta è superiore a quella necessaria, l organismo è in grado di accumularla, sempre come energia chimica, soprattutto trigliceridi nel tessuto adiposo, ma anche glicogeno nei tessuti epatico e muscolare. Al contrario, se è inferiore, l organismo utilizza l energia chimica presente nei depositi. Carboidrati, lipidi, proteine, alcol, sono i composti chimici presenti negli alimenti in grado di fornire energia all organismo. In questa sezione verranno trattati quelli di maggiore rilevanza dal punto di vista nutrizionale e ne verranno discussi gli aspetti essenziali relativamente alla Nutrizione umana. È necessario subito precisare che questi composti, oltre ad avere una funzione energetica, hanno spesso anche una funzione strutturale. In particolare, le proteine sono indispensabili come principale fonte di azoto e di aminoacidi. Gli aminoacidi sono utilizzati principalmente per la sintesi proteica; solo se l assunzione proteica supera le possibilità di sintesi proteica o se l assunzione dei carboidrati è carente, gli aminoacidi sono utilizzati a scopo energetico in misura significativa. Ma anche lipidi e carboidrati possono essere utilizzati ai fini strutturali; basti pensare al galattosio, componente dei cerebrosidi della guaina mielinica delle fibre nervose, oppure ai fosfolipidi delle membrane biologiche, contenenti acidi grassi polinsaturi. In Fisica, l unità di misura dell Energia è il Joule (J). Il J è uguale a Newton per metro (forza per spostamento). Poiché un Newton è uguale a kg per m/sec 2, il J sarà uguale a kg per m 2 /sec 2. Tuttavia, per convenzione, in Nutrizione si utilizza come unità di misura la Chilocaloria (kcal, o Grande Caloria o Caloria), corrispondente a 1000 calorie (o piccole calorie). Una caloria (piccola caloria) è la quantità di energia necessaria ad aumentare la temperatura di un ml di acqua distillata da 14,5 a 15,5 C. La caloria (piccola caloria) corrisponde a 4,187 J. 1.2 L ENERGIA E IL SUO FABBISOGNO Le cellule non utilizzano direttamente l energia chimica introdotta con gli alimenti. I nutrienti energetici contenuti negli alimenti vengono deidrogenati, si formano coenzimi ridotti altamente I NUTRIENTI 1. Nutrienti energetici 3

18 I NUTRIENTI 1. Nutrienti energetici energetici che sono ossidati nei mitocondri, con l utilizzazione di O 2, la formazione di H 2 O e la liberazione di energia che viene in buona parte utilizzata per la sintesi di ATP, mentre il resto viene disperso come energia termica. Il carbonio dei substrati (ossidato soprattutto nel ciclo di Krebs) viene eliminato come CO 2. La quantità di energia che si ottiene dal catabolismo completo dei nutrienti dipende, in sostanza, dal numero dei legami tra carbonio e idrogeno presenti nella molecola. La conoscenza della quantità di calorie fornite con gli alimenti deriva dai classici studi effettuati con la bomba calorimetrica (Figura 1.1). Si tratta di un calorimetro di acciaio posto in un cilindro con acqua della quale si registra la temperatura per mezzo di un termometro. Nel calorimetro viene posta una quantità nota del nutriente (o dell alimento) di cui si vuol conoscere il valore calorico; di questo campione in esame viene provocata la rapida combustione chiudendo un circuito elettrico dopo aver insufflato ossigeno ad elevata pressione. Il calore che si libera dalla combustione viene calcolato basandosi sull incremento della temperatura dell acqua. Figura 1.1 Bomba calorimetrica. Con tale metodo, è stato possibile calcolare il valore calorico fisico dei carboidrati (in media, 4,2 kcal/g), dei lipidi (in media, 9,2 kcal/g), delle proteine (in media, 5,6 kcal/g), dell alcol (7 kcal/g). Anche se nell organismo l ossidazione dei principi nutritivi non avviene per ossidazione diretta (come nella bomba calorimetrica), ma per successive deidrogenazioni, la quantità di energia che si ricava dai glucidi, dai lipidi e dall alcol (valore calorico fisiologico) è uguale. Infatti, per il I Principio della Termodinamica, se in due reazioni chimiche i reagenti e i prodotti di reazione sono uguali, l energia che si libera dalle due reazioni è uguale. Ad esempio, se consideriamo il glucosio, la reazione: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + Energia è uguale sia nella bomba calorimetrica sia in vivo; pertanto, la quantità di energia liberata è uguale in entrambi i casi. Invece, per le proteine, il valore calorico fisiologico è inferiore al valore calorico fisico. Infatti, nella bomba calorimetrica, la combustione produce H 2 O, CO 2 ed ossidi di azoto. In vivo, il gruppo aminico degli aminoacidi non viene ossidato, ma è eliminato come urea. Pertanto, il valore calorico fisiologico delle proteine sarà uguale al valore calorico fisico (5,6 kcal/g) meno il valore calorico della quantità di urea che si forma dall utilizzazione catabolica di un grammo di aminoacidi (circa 1,2 kcal), cioè circa 4,4 kcal/g. Infine, per ottenere il valore calorico netto, il valore calorico fisiologico va corretto per la percentuale di assorbimento dei principi nutritivi: circa il 97-98% per carboidrati e lipidi, circa il 90% per i protidi, il 100% per l alcol, per cui si può assumere che, in media, per grammo di nutriente assunto, carboidrati e proteine forniscono circa 4 kcal, i lipidi 9, l alcol 7. Bisogna chiarire che durante la trasformazione dell energia chimica dei nutrienti in energia chimica contenuta nelle molecole di ATP, circa il 60% dell energia contenuta nelle molecole originarie viene dispersa come calore; cioè la resa in ATP (energia chimica utilizzabile per il lavoro cellulare) è circa il 40% (Figura 1.2). Questo vale per tutti i nutrienti. 4

19 SEZIONE 2 Gli alimenti 4. ALIMENTI DI ORIGINE ANIMALE 5. ALIMENTI DI ORIGINE VEGETALE 6. OLI E GRASSI 7. LE BEVANDE 8. ALIMENTI MODIFICATI, FUNZIONALI, BIOLOGICI, OGM E NOVEL FOODS

20

21 INTRODUZIONE In questa sezione, lo studio degli alimenti verrà affrontato considerando, di ciascun gruppo di alimenti, gli aspetti bromatologici, soprattutto in funzione del valore nutrizionale, evidenziando cioè quegli elementi chimici importanti per la Biochimica e la Fisiologia della nutrizione. Le conoscenze della composizione e del valore nutrizionale degli alimenti costituisce una parte essenziale della Scienza dell Alimentazione, in quanto, senza tali conoscenze, viene a mancare il risvolto pratico, operativo, delle nozioni teoriche che provengono dalla Fisiologia e dalla Biochimica della nutrizione; inoltre, senza di esse non è possibile attuare le misure dietetiche necessarie per la terapia delle patologie legate all alimentazione. Dunque esse sono indispensabili per completare la preparazione in Alimentazione e Nutrizione umana sia dello studente universitario che dello specializzando in Scienza dell Alimentazione. Verranno trattati prima gli alimenti di origine animale, successivamente quelli di origine vegetale. Tale distinzione è utile in quanto le due classi di alimenti differiscono per alcune caratteristiche nutrizionali comuni. Gli alimenti di origine animale contengono proteine di elevato valore biologico e lipidi in quantità spesso rilevante, mentre mancano di carboidrati (tranne il latte) e di fibra alimentare. Gli alimenti di origine vegetale presentano proteine di qualità medio-bassa, prevalenza di carboidrati, fibra alimentare, acidi grassi monoinsaturi e/o polinsaturi ω-6, mentre non contengono vitamina B ALIMENTI DI ORIGINE ANIMALE 4.1 LATTE E DERIVATI Si definisce latte il prodotto di secrezione della ghiandola mammaria della femmina di un mammifero. Senza alcuna specificazione, si intende latte di mucca. Si tratta di una miscela contenente: in emulsione lipidi e vitamine liposolubili; in fase dispersa proteine, fosfati di calcio e magnesio; in soluzione glucidi, vitamine idrosolubili ed altri sali. Contrariamente ad una credenza popolare, non è per nulla un alimento completo in assoluto; è un alimento completo solo per il lattante della stessa specie; poi non si può più considerare tale per la carenza di ferro e di altri microelementi e per i rapporti tra proteine, grassi e zuccheri. 4. Alimenti di origine animale LATTE DI MUCCA Nella Tabella 4.1 vengono mostrate le composizioni del latte di mucca intero, parzialmente scremato e totalmente scremato. Tali valori sono da considerarsi indicativi, in quanto variano in base a numerosi fattori, come, ad esempio, il periodo di lattazione, la stagione, l alimentazione, etc. GLI ALIMENTI 111

22 Tabella Composizione chimica e valore energetico del latte di mucca per 100 g di alimento Intero Parzialmente scremato Scremato GLI ALIMENTI 4. Alimenti di origine animale Acqua (g) 87 88,5 90,5 Proteine (g) 3,3 3,5 3,6 Lipidi (g) 3,6 1,5 0,2 Glicidi (g) 4,9 5 5,3 Calorie Colesterolo (mg) Na (mg) 50 47* 52 K (mg) * 150 Fe (mg) 0,1 0,1 0,1 Cu (μg) tracce Ca (mg) P (mg) Mg (mg) Zn (mg) 0,38 0,37 0,59 Se (μg) 1,6 1,6 1,6* Vit. B 1 (mg) 0,04 0,04 0,04 Vit. B 2 (mg) 0,18 0,17 0,17 Vit. B 5 (μg) 350* 350* 280* Vit. B 6 (μg) 39* 46* 50* Vit. B 12 (μg) 0,42* 0,42* 0,30* Acido folico (μg) 5* 4,2* 5* Vit. PP (mg) 0,1 0,09 0,09 Vit. C (mg) Biotina (μg) 3,5* 3,5* 1,5* Vit. A (μg) tracce Vit. D (ng) 88* 28* tracce* Vit. E (μg) tracce Vit. K (μg) 0,5* 0,2* 0,01* N.B.: in grassetto i nutrienti il cui contenuto è nutrizionalmente importante. *Dati da: Souci, Fachmann & Kraut: Food composition and Nutritional Tables, 7 a edizione, Proteine Nel latte di mucca, le proteine (3-3,5 g per 100 ml di latte) sono rappresentate per l 80% da caseina e per il 20% da proteine del siero. 112

23