BIOCHIMICA e BIOTECNOLOGIE degli ALIMENTI

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1 Seconda Università degli Studi di Napoli DiSTABiF Anno Accademico Corso di Laurea Magistrale in SCIENZE DEGLI ALIMENTI E DELLA NUTRIZIONE UMANA Insegnamento di BIOCHIMICA e BIOTECNOLOGIE degli ALIMENTI Fibra alimentare; i carboidrati nell industria alimentare; introduzione al metabolismo; legami/molecole ad alto contenuto energetico. Prof. Augusto Parente Venerdì 20 Marzo 2017 Lezione 4 1

2 LA FIBRA ALIMENTARE - glucidi indigeribili - CELLULOSA (I) - EMICELLULOSE - PECTINE - AMIDO nativo - AMIDO retrogradato (S). Frazione dell'amido che resiste al processo di idrolisi (digestione) da parte degli enzimi digestivi dell'intestino tenue. La retrogradazione si verifica successivamente alla fase di gelatinizzazione e cottura dell'amido. - ALGINATI - CARRAGENINE (costituite da catene di galattani) - AGAR-AGAR (formato da un galattano (agarosio) e da un glicano solfato (agaropectina). Utilizzato anche come supporto cromatografico. (J. Adrian et al. )

3 LA FIBRA ALIMENTARE - glucidi indigeribili (solubile ed insolubile) - FRUTTANI (frutto-oligosaccaridi ed inuline) - - GLUCANI (legami -1,4 oppure 1,3) - GOMME (guar catene di mannosio, con ramificazioni di galattosio- guarano); xantano- catene di glucosio legate con legame -1,4, con molecole di mannosio, di acido glucuronico e piruvico in posizione laterale); - LIGNINA (di natura fenolica e quindi non polisaccaridica)

4 FRUTTOLIGOSACCARIDI (FOS) detti anche oligofruttosio o oligofruttani 1 Di origine vegetale, sono invece costituiti prevalentemente da unità di D-fruttosio unite mediante legami β- glicosidici (1-2)

5 INULINA L'inulina è un polimero glucidico con peso molecolare minore dell'amido (circa 5000 Da), solubile in acqua e totalmente accumulato nei vacuoli. Si ottiene dalla polimerizzazione del β-d-fruttosio. E presente nella cicoria e nel topinambur, ed anche in altri vegetali. Da notare l estremità terminale di saccarosio FOS e INULINA favoriscono la crescita di batteri intestinali simbionti, utili per promuovere la salute dell'intero organismo; questi oligosaccaridi sono definiti prebiotici.

6 La fermentazione di fibre solubili porta alla produzione di acidi grassi a catena corta (SCFA) nel colon, tra i quali - acido acetico - acido propionico - acido butirrico (quest'ultimo considerato il substrato energetico preferito per gli enterociti del colon).

7 I PREBIOTICI I prebiotici furono identificati e chiamati così nel 1993 da Marcel Roberfroid. Sono nella grande maggioranza carboidrati, in particolare oligosaccaridi. Tra questi in special modo rivestono un ruolo importante i frutto-oligosaccaridi (conosciuti come FOS) e, tra questi, l'inulina risulta il prebiotico di maggiore interesse. I prebiotici favoriscono la crescita e l'attività di Bifidobacterium e di lactobatteri, specie batteriche importanti per la salute digestiva dell'organismo ospite (probiotici). Inoltre mostrano interessanti proprietà nutrizionali in soggetti con: diabete, obesità e allergie. Tra le fonti di prebiotici troviamo alimenti vegetali ricchi di fibre come Asparagi Legumi Avena Aglio Tarassaco Frutta secca (con particolare riferimento alle noci)

8 Principali glucidi Fonti alimentari principali Digeribilità Prodotti della digestione Monosaccaridi Glucosio Frutta e miele Ottima Glucosio Fruttosio Frutta e miele Ottima Fruttosio Disaccaridi Saccarosio Canna e barbabietole da zucchero Ottima Glucosio e Fruttosio Lattosio Latte e latticini Incompleta negli adulti Glucosio e Lattosio Polisaccaridi Amido e destrine Cereali, tuberi, legumi, ecc. Ottima Glucosio Glicogeno Carne e pesce Ottima Glucosio Inulina Topinambur e cipolle Parziale Fruttosio Mannosani Legumi Molto bassa Mannosio Pentosani Frutta e gomme Molto bassa Pentosi Cellulosa Pectine Foglie e gambi di vegetali, involucro esterno di semi (crusca), cereali integrali, legumi, frutta Frutta, carote, patate dolci Digeribile parzialmente per azione dei batteri nell'intestino crasso Digeribili parzialmente per azione dei batteri nell'intestino crasso Glucosio Galattosio, Arabinosio

9 USO INDUSTRIALE DEI CARBOIDRATI L'impiego industriale dei carboidrati si basa sull utilizzo delle loro proprietà fisiche. In questo modo, si possono usare come: - DOLCIFICANTI (edulcoranti) - CONSERVANTI - GELIFICANTI* - EMULSIONANTI* *E ADDENSANTI*** * Agente di tessitura che provoca la trasformazione di una materia in struttura organizzata tridimensionale, con la consistenza di gel. **Sostanza complessa utilizzata per stabilizzare mezzi fisici eterogenei composti da una fase acquosa e costituenti lipidici o idrofobici (J. Adrian et al.). **Sostanze che potenziano l attività dei gelificanti. Aumentano la consistenza dei gel o rendono più sodi e croccanti i prodotti alimentari.

10 Glucosio Fruttosio I gruppi ossidrilici conferiscono ai carboidrati la capacità di: i) formare legami H ii) legare molecole di H 2 O e quindi di iii) controllare il grado di umidità degli alimenti Tuttavia le molecole di acqua legate dipende anche dalla struttura della molecola: il fruttosio lega più acqua del glucosio (BK Simpson).

11 DOLCIFICANTI (edulcoranti) POTERE DOLCIFICANTE Il saccarosio è il carboidrato con maggior potere dolcificante. Questo disaccaride è il parametro di riferimento utilizzato abitualmente per determinare il potere dolcificante dei carboidrati. Oltre al saccarosio, anche altri carboidrati presentano questa capacità. Per esempio lo zucchero invertito (glucosio+fruttosio), prodotto di idrolisi ottenuto dal saccarosio e che possiede un potere dolcificante persino superiore. SACCAROSIO

12 DOLCIFICANTI (da J. Adrian et al.) DOLCIFICANTI (EDULCORANTI) NATURALI Valore Relativo DOLCIFICANTI SEMISINTETICI Valore relativo DOLCIFICANTI SINTETICI Valore relativo Saccarosio 1 Aspartame 180 Acesulfame K Fruttosio (Levulosio) 1,50 (1,37-1,70) Alitame 2000 Saccarina Miele > 1 Ciclammati 30 Galattosio 0,75 Glucosio (Destrosio) 0,75 Lattosio 0,17 Lattosio idrolizzato 0,80 Zucchero invertito 1,25 Xilitolo 1 Sorbitolo 0,6 Mannitolo 0,45-0,70 Stevia- Stevioside 275

13 CONSERVANTI I glucidi rinforzano la stabilità chimica degli alimenti, perché riducono l attività dell acqua (agenti umettanti ). Il saccarosio viene utilizzato per ridurre o inibire lo sviluppo microbico nei prodotti alimentari, riducendo l attività dell acqua (Aw). La stessa azione è svolta dal cloruro di sodio (NaCl): Concentrazione (%) (g/100 ml di acqua) Attività dell acqua (Aw) Saccarosio 11 0, , , ,82 Cloruro di sodio 0,9 0,995 10,3 0,94 30,1 0,80 36,1 0,75

14 RELAZIONE tra intensità delle reazioni chimiche e biologiche e Aw REAZIONI CHIMICHE Ossidazione dei lipidi Imbrunimento non enzimatico Attività enzimatica Aw Massima velocità a valori bassi ed alti di Aw Massimo intorno a 0,6 Crescente al crescere di Aw MICRORGANISMI Batteri Gram - 0,97 Batteri Gram + 0,90 Lieviti 0,88 Muffe 0,80 Batteri alofili 0,75 Muffe xerofile 0,61

15 I N T E N S I T À R E L A T I V À d e l l e R e a z i o n i Ossidazione dei lipidi Reazioni di imbrunimento non enzimatico Crescita di muffe Attività dell acqua Crescita di lieviti 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Mappa della stabilità degli alimenti in relazione alla attività dell acqua (adattato da Labuza). Batteri

16 LIVELLI MINIMI DI A W CHE CONSENTONO LA CRESCITA (ALLA TEMPERATURA OTTIMALE) Muffe Aspergillus chevalieri 0.71 Aspergillus ochraceus 0.78 Aspergillus flavus 0.80 Penicillium verrucosum 0.79 Fusarium moniliforme 0.87 Lieviti Saccharomyces rouxii 0.62 Saccharomyces cerevisiae 0.90 Batteri Bacillus cereus 0.92 Clostridium botulinum (proteolitico) 0.93 Clostridium botulinum (non proteolitico) 0.97 Escherichia coli 0.93 Salmonella 0.95 Staphylococcus aureus 0.83

17 ATTIVITA DELL ACQUA La Aw si può ridurre: -Togliendo acqua (essiccamento); - Diminuendo la disponibilità dell acqua attraverso il congelamento e la surgelazione; - Diminuendo la disponibilità dell acqua attraverso agenti leganti come zucchero, sale.

18 POTERE CONSERVANTE ED ADDENSANTE L agar-agar è utilizzato come gelificante per le carni conservate. Le pectine per la produzione di nettari e marmellate. Gli alginati e le gomme servono come addensanti, soprattutto nei prodotti da forno e nelle salse. Probabilmente il carboidrato più noto per le sue proprietà addensanti è l amido che è presente nelle conserve, nelle zuppe, maionese, merendine. Come stabilizzante si usano gli alginati e l agar-agar oltre alle carragenine ed alla gomma arabica. Nel caso degli alimenti in polvere, il potere igroscopico è determinante poiché il grado di umidità è direttamente proporzionale all insolubilità degli alimenti; al contrario è utile per rendere soffici i dolci.

19 INTRODUZIONE AL METABOLISMO

20 ALIMENTO 1- Sostanza, di origine agricola o industriale, il cui consumo serve in primo luogo a coprire i fabbisogni nutrizionali e a mantenere l individuo in buono stato di salute, nel senso più ampio del termine (OMS). 2- Sostanza che, introdotta nell organismo animale, sopperisce al suo dispendio energetico, fornisce i materiali di reintegrazione, quelli necessari per l eventuale accrescimento e quegli elementi (vitamine, minerali ecc.) indispensabili al normale svolgimento di funzioni fondamentali per l individuo e per la specie. (vocabolario Treccani).

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22 METABOLISMO CATABOLISMO E ANABOLISMO CATABOLISMO + + Produzione di energia Urea

23 METABOLISMO BASALE E il dispendio energetico dell organismo in condizioni di base, ossia in completo riposo fisico e psichico, a digiuno da almeno ore e in neutralità termica. Esso rappresenta il fabbisogno calorico necessario al mantenimento delle funzioni vitali (attività cardiocircolatoria, respirazione, termoregolazione, ecc.). Espresso per m 2 il suo valore per l uomo è di circa 900 kcal al giorno (o 3800 kj). METABOLISMO INTERMEDIO: Corrisponde alle conversioni tra metaboliti aventi come scopo la sintesi di composti che sono necessari: i) al funzionamento dell organismo; ii) iii) alla costituzione di sostanze di riserva; alla sintesi di sostanze che svolgono un ruolo importante in molti prodotti alimentari.

24 In relazione al punto III, si consideri la sintesi di: - acido lattico: rigor mortis; inacidimento o cagliatura del latte; preparazione di prodotti fermentati (crauti), ecc. - etanolo: vinificazione, panificazione, ecc. - prodotti di processi fermentativi. - Prodotti del metabolismo degli acidi grassi e delle proteine nella maturazione dei formaggi, nei processi di deterioramento della carne, ecc.

25 RICHIAMI AL METABOLISMO INTERMEDIO METABOLISMO ENERGETICO: Produzione di ATP ALIMENTI 1- Composti: Latte, Carne, Pollame, Pesce, Frutta, Verdura, Cereali, Cibi funzionali, ecc. 2- Semplici : Lipidi, Carboidrati, Proteine, (Vitamine, Minerali)

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27 NADPH GTP NADH+H + FADH 2 ATP NADH+H + UREA NADPH Alcuni composti ad alto contenuto energetico NADH+H+* FADH2* NADPH+H+* ATP* Tioesteri + - CO 2 - H 2 O - Urea

28 SINTESI di ATP FOSFORILAZIONE A LIVELLO DEL SUBSTRATO FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA Sintesi di ATP a partire da composti/legami ad alto contenuto energetico Coenzimi ridotti (NADH+H +, FADH 2 ) (fosfoanidridi, equilibrio cheto-enolico, tioesteri) Catena di trasporto degli elettroni

29 SINTESI di NADPH (necessario per la sintesi degli acidi grassi e per altre biosintesi riduttive) - VIA DEI PENTOSO-FOSFATI - ENZIMA MALICO

30 LE MOLECOLE AD ALTO CONTENUTO ENERGETICO

31 ATP: molecola ad alto contenuto energetico 1 kcal equivale 4,18 kj = - 7,3 kcal/mole

32 Ortofosfato stablizzato per risonanza

33 ALTRI COMPOSTI AD ELEVATO CONTENUTO ENERGETICO Fosfoenolpiruvato (PEP) Creatina fosfato 1,3-bisfosfoglicerato

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37 PIROFOSFATO + H 2 O 2H H DG = - 33 kj/mol

38 DG = - 10 kj/mol