BIOCHIMICA e BIOTECNOLOGIE degli ALIMENTI

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1 Corso di Laurea Magistrale in SCIENZE DEGLI ALIMENTI E DELLA NUTRIZIONE UMANA Insegnamento di BIOCHIMICA e BIOTECNOLOGIE degli ALIMENTI

2 LATTE, DERIVATI E PROCESSI DI TRASSFORMAZIONE

3 Il latte Può essere definito in funzione dell aspetto fisico-chimico o biologico Aspetto chimico-fisico: È una miscela acquosa nella quale alcuni componenti sono solubili mentre altri sono in sospensione. Molecole solubili sono: zuccheri, sali minerali, sostanze azotate e vitamine idrosolubili. Molecole in sospensione sono: lipidi, proteine, alcuni Sali minerali e le vitamine liposolubili. Aspetto biologico: È il prodotto ottenuto dalla mungitura regolare, completa ed interrotta di animali in buono stato di salute, nutrizione e in corretta lattazione

4 Il latte Appena dopo il parto il latte ha una diversa composizione da quella vera e propria. Esso si presenta denso e giallognolo e prende il nome di colostro Esso è importante per tutti i mammiferi in quanto svolge positive azioni immunitarie, mediante l apporto di vitamine e proteine in particolare Immunoglobuline

5 Il latte La composizione nutrizionale del latte varia sia tra specie a specie che nella stessa specie. Le cause sono: i) età dell animale; ii) stato di salute; iii) alimentazione; v) fase di lattazione Composizione del latte nelle diverse specie

6 Il latte Da qualsiasi fonte provenga il latte è un alimento completo per qualsiasi neonato. Esso infatti contiene tutti gli elementi necessari per lo sviluppo. In particolare, le proteine in esso contenute sono ad alto valore nutrizionale perché ricche di amminoacidi indispensabili per lo sviluppo e le concentrazioni di calcio e fosforo sono presenti in rapporto ottimale. Nell età adulta pur restando un ottimo alimento, non è in grado di apportare tutto quanto è necessario, affinché l organismo svolga a meglio le proprie funzioni, pertanto occorre integrare la dieta con altri alimenti.

7 Il latte È un liquido di colore bianco cstituito da 88,1% 3,0% 3,5% 4,7% P. C. Pereira / Nutrition 30 (2014) con ph leggermente acido 6,5 6,7

8 I costituenti del latte I Lipidi contenuti nel latte sono rappresentati prevalentemente da triacilgliceroli, che costituiscono quasi il 98% dei grassi presenti nel latte, in cui sono presenti acidi grassi sia saturi che insaturi. La rimanente parte (2-3%) è costituita da diacilgliceroli, monoacilgliceroli, acidi grassi liberi, fosfolipidi e steroli. Acidi grassi saturi : Tra gli acidi grassi saturi i più abbondanti sono l acido palmitico e in misura minore l acido stearico. Seguiti dai grassi a corta e media catena, in particolare l acido butirrico e presente per il 3,3%. Questi acidi grassi ed i relativi prodotti di degradazione contribuiscono a determinare il sapore di molti prodotti lattierocaseari.

9 I costituenti del latte Acidi grassi insaturi : Tra gli insaturi l acido grasso prioritario è l oleico ( 25%),seguito da altri che non superano il 3%, come l acido linolenico A causa delle caratteristiche idrofobiche, i lipidi sono dispersi nel latte, sotto forma di piccoli globuli, rivestiti da una membrana lipoproteica. Per via delle caratteristiche idrofobiche dei piccoli globuli rispetto alla frazione acquosa, le micelle tendono ad aggregarsi nel tempo e ad affiorare in superficie, costituendo la crema del latte.

10 I costituenti del latte Tra gli zuccheri del latte, il lattosio ne costituisce la quasi totalità, invece tutti gli altri zuccheri semplici sono presenti in quantità ridotte e in buona parte coinvolti nella struttura glucidica di alcune proteine. Svolge un leggero effetto dolcificante sul latte (6 volte in meno rispetto al saccarosio), ed è idrolizzato nei due monomeri dall enzima β-galattosidasi, che verranno a loro volta utilizzati dai batteri lattici per la produzione dell acido lattico (responsabile dell acidificazione del latte). Un processo indispensabile per la trasformazione del latte ma negativo per il consumo diretto.

11 I costituenti del latte Sali Minerali Il latte ne contiene diversi tipi, spesso in associazione con le micelle di caseina. In particolare contiene cationi come: Ca (coinvolto nella precipitazione della caseina), Na, Mg e K. Tra gli anioni, quelli più rappresentativi sono i solfati, cloruri e fosfati. Vitamine Sono in genere tutte presenti, ma la predominante è la vitamina A. Microrganismi Sono presenti diversi tipi come lieviti, batteri e muffe. La carica microbica è influenzata dallo stato di salute dell animale e dalle condizione igieniche in cui l animale viene allevato e munto.

12 I costituenti del latte Le Proteine La frazione azotata del latte è costituita principalmente da proteine e solo in minima parte (5%) da sostanze non proteiche quali amminoacidi e urea. Il latte contiene due classi di proteine: Le caseine Esse rappresentano fino all 85% delle proteine del latte, sono insolubili a ph 4,6 e sono stabili al calore. Le Sieroproteine Esse sono solubili a ph 4,6 ma sono sensibili al calore.

13 Le lattoproteine

14 Le Caseine Le caseine sono fosfoproteine sintetizzate direttamente dalla mammella, sono proteine ricche in amminoacidi essenziali, con caratteristiche chimico-fisiche differenti e con accentuati tratti idrofobici e zone idrofiliche. Le caseine vengono differenziate in base alla loro composizione amminoacidica, al loro grado di fosforilazione e glicosilazione in quattro classi: α(s1)-caseina α(s2)-caseina β-caseina κ-caseina

15 Le Caseine α(s1)-caseina è costituita da due zone altamente idrofobiche separate da una regione polare (idrofilica) contenente 7 degli 8 gruppi fosfati; può precipitare anche con bassi livelli di calcio. È insolubile in acqua

16 Le Caseine α(s2)-caseina presenta tutti i fosfati concentrati alle estremità della proteina ed è in grado anch essa di precipitare con basse quantità di calcio. È insolubile in acqua

17 Le Caseine La β-caseina possiede l estremità amino-terminale fortemente polare, mentre il resto è apolare (idrofobico): in questo senso assomiglia ad un detergente. Richiede livelli medi di calcio per precipitare. È parzialmente solubile in acqua.

18 Le Caseine La κ-caseina è l unica delle caseine ad essere idrofila (e per questo richiede un'elevata quantità di calcio per precipitare). Stabilizza le altre caseine e una sua idrolisi rimuove questa stabilità e porta alla coagulazione (precipitazione) della caseina. È solubile in acqua se integra

19 Le caseine sono proteine legate al fosforo sotto forma di acido fosforico esterificato. Questi gruppi fosforici sono importanti sia per la struttura della proteina che per la sua proposta funzione. Infatti questo gruppo, caricato negativamente, è in grado di legare ioni calcio e magnesio, svolgendo la funzione di carrier. La conformazione delle caseine è simile a quella di proteine denaturate a causa della presenza di un alto numero di residui dell imminoacido prolina che impedisce alla proteina di potersi ripiegare per formare strutture più ordinate; e all assenza dei ponti di solfuro

20 Le caseine, tranne la κ-caseina, sono idrofobiche, per cui in soluzione acquosa (come è il latte), tendono a riunirsi insieme formando degli aggregati chiamati micelle dove vengono intrappolate diverse sostanze, tra cui appunto il calcio minerale e diversi enzimi. Non è ancora ben chiaro come queste micelle siano strutturate, ma forse sono costituite all'interno dalle varie caseine idrofobiche circondate da uno strato di κ-caseina (idrofilica). Al loro interno le micelle si suppone vengano tenute assieme da diversi meccanismi tra cui ponti di calcio, interazioni idrofobiche e legami idrogeno.

21 Le micelle caseiniche hanno un diametro medio di 150 nm, sono costituite per il 94% da una componente proteica (Caseine) e per il 6% da componenti a basso peso molecolare (Ca, P, Mg). Le micelle sono estremamente idratate, infatti legano 3,7g di acqua per g di proteina.

22 Le micelle possono essere considerate come sfere che diffondono liberamente A temperatura ambiente e a ph 6-7

23 Le sieroproteine Le sieroproteine rappresentano circa il 20% delle lattoproteine e sono rappresentate da: latto-globuline latto-albumine gamma-globuline Le prime due sono ricche in aminoacidi essenziali (ricca fonte di isoleucina, valina e leucina) e forniscono al latte un alto valore biologico, sono prodotte dalla mammella e precipitano solo per effetto del riscaldamento. Le gamma-globuline, svolgono invece un azione immunitaria e derivano direttamente dal plasma sanguigno

24 Le sieroproteine

25 Le proteine minori Gli Enzimi, catalizzano le trasformazioni che influenzano la qualità organolettica del latte. Tra essi abbiamo: -lipasi e proteasi, sono enzimi con attività degradativa con effetti sulle proprietà tecnologiche ed organolettiche -lattoperossidasi e lisozima, svolgono azione battericida o batteriostatica Mentre altri enzimi vengono usati per il controllo dell efficacia o dell entità dei trattamenti termici eseguiti sui latti alimentari e sui prodotti derivati.

26 I processi di trasformazione del latte

27 La caseificazione La caseificazione è quel processo che permette di ottenere tutte le tipologie di prodotti presenti sul mercato. Essa si distingue in diverse fasi: Correzione del contenuto di grassi Pastorizzazione Innesto con fermenti lattici Coagulazione del latte Sineresi e spurgo Rottura della cagliata e messa in forma Stufatura/Filatura se richiesta Salatura e formazione della crosta Maturazione (stagionatura)

28 Correzione del contenuto in grassi, viene fatta in relazione al contenuto di grasso del latte in uso. A secondo del formaggio può essere necessario eseguire scremature o aggiunte di crema. Es. il Parmigiano Reggiano è un formaggio semi grasso per questo si opera una scrematura per affioramento. Pastorizzazione, viene spesso effettuata nelle produzioni di formaggi freschi o comunque quando si intende operare una riduzione della carica microbica prima di procedere alla caseificazione Innesto con fermenti lattici, l industria casearia usa oggi fermenti lattici selezionati per ogni tipo di formaggio. Ciò assicura un decorso ottimale dell acidificazione, imprimendo al prodotto finale le caratteristiche desiderate ed evitando lo sviluppo di colonie batteriche indesiderate (batteri butirrici), che possono alterare il formaggio con gonfiori delle forme e inadeguatezza del prodotto.

29 Effetto dell acido lattico Il latte ha un ph tra 6,5 e 6,7, entro cui la caseina si trova al disopra del punto isoelettrico ed è quindi dotata di carica negativa. In queste condizioni le micelle caseiniche tendono a respingersi e a rimanere in soluzione. La produzione dell acido lattico, ad opera dei fermenti, fa abbassare il valore di ph intorno a 4,6, corrispondente al pi delle caseine. Esse a loro volta si aggregano e tendono a precipitare.

30 Coagulazione del latte Nella maggior parte dei casi, invece della coagulazione acida, si ricorre a quella presamica, ottenuta dall azione del caglio. Nella pratica si esegue una coagulazione mista, ottenuta sia dall azione dei fermenti, sia alla successiva azione del caglio. Quest ultima prevale sulla prima nella produzione dei formaggi duri e semiduri. L azione enzimatica sulla κ-caseina, destabilizza la solubilità delle caseine, dando origine al coagulo, e provocando la precipitazione del paracaseinato di calcio che permette la formazione della cagliata.

31 Il caglio È composto da una miscela di enzimi ricavati per estrazione dalla mucosa superficiale dello stomaco (abomaso), di ruminanti lattanti (capretto e vitello). Le principali proteasi presenti sono: La chimosina (EC ), ha un azione mirata sulla caseina con un taglio selettivo che ne permette la coagulazione. La pepsina (EC ), ha un azione proteolitica maggiore e determina reazioni d idrolisi più diffuse. Alternative al caglio animale sono rappresentate da derivati vegetali, come gli estratti del fiore del cardo selvatico. Inoltre la chimosina può essere sostituita anche da proteasi di origine microbica, in genere ottenuta alcune specie di funghi filamentosi

32 Sineresi o spurgo Dopo la coagulazione, la cagliata tende a contrarsi, espellendo verso l esterno il siero inglobato durante la coagulazione. Tale operazione consente il rilascio di acqua, sieroproteine e lattosio. Rottura della cagliata e messa in forma Questa rappresenta la prima fase di lavorazione della cagliata e consiste nella rottura manuale e successivo recupero della cagliata e messa in posa nelle forme desiderate Stufatura e filatura Viene svolta per tipi particolari di formaggi. La stufatura consiste nella conservazione del formaggio in ambiente caldo e umido, al fine di agevolare lo spurgo e l acidificazione (gorgonzola). La filatura, riguarda i formaggi a pasta filata, in questo caso la cagiata dopo rottura e raccolta viene fatta riposare per 2/3 h. successivamente viene tagliata e sottoposta a filatura in acqua calda (80/90 C)

33 Salatura e formazione della crosta La fase di salatura viene eseguita, a seconda del tipo di formaggio. Il trattamento col sale agevola la formazione della crosta e facilita l espulsione di acqua e zuccheri. Migliora inoltre il gusto, aumentandone la sapidità, e permette il contenimento di alcuni microrganismi indesiderati Maturazione o stagionatura Rappresenta l operazione finale in cui il prodotto rimane a riposo per un tempo variabile a secondo della tipologia di formaggio. Durante la maturazione avvengono complesse e lente modificazioni che determinano la vera trasformazione della cagliata in formaggio. Queste modifiche sono causate da microrganismi ed enzimi. Durante la maturazione il contenuto di acidi grassi liberi aumenta, mentre diminuisce la quantità di proteine, con conseguente aumento di peptidi e amminoacidi liberi.

34 Microrganismi utilizzati nella produzione dei formaggi I batteri lattici, giocano un ruolo fondamentale nei processi produttivi dei formaggi e una loro importante classificazione viene fatta in base al metabolismo del lattosio e allo loro capacità acidificante, con formazione di acido lattico in omofermentanti e eterofermentanti. I primi convertono il lattosio principalmente in acido lattico, con quantita trascurabili di composti secondari, i secondi producono invece quantità significative anche di altri prodotti come anidride carbonica e acido acetico

35 Negli omofermentanti il lattosio viene introdotto dall esterno mediante una permeasi di membrana. Nel citoplasma il lattosio viene poi metabolizzato in acido lattico Lattosio β-galattosidasi Glucosio + Galattosio GLICOLISI Gliceraldeide 3P Acido piruvico Acido lattico

36 In alternativa diversi omofermentanti fosforilano il lattosio a livelo della parete cellulare prima di introdurlo nel citoplasma il lattosio viene poi metabolizzato in acido lattico Lattosio 6P β-fosfogalattosidasi Glucosio 6P + Galattosio GLICOLISI Gliceraldeide 3P Acido piruvico Acido lattico

37 Gli eterofermentanti, hanno un metabolismo completamente diverso tranne che le prime reazioni infatti il glucosio, dopo fosforilazione viene prima ossidato e poi decarbossilato. Lattosio 6P β-galattosidasi Glucosio 6P + Galattosio Acido fosfogluconico Fosfogluconato deidrogenasi Ribulosio 5P Epimerasi Xilulosio 5P Gliceraldeide 3P Acetilfosfato Acido lattico Etanolo

38 Azione del caglio, la chimosina La chimosina è la principale proteasi presente nel caglio. Essa esplica la sua azione sulla κ-caseina, la quale una volta idrolizzate fa perdere la stabilità alle micelle caseiche, dando origine al coagulo. La chimosina è composta da 323 residui amminoacidici, è una proteina monomerica, che presenta 3 ponti disolfuro nella struttura terziaria. Viene definita come una proteasi acida (aspartil proteasi), con un residuo di acido aspartico nel sito attivo. La chimosina ha origine da un precursore la prochimosina, che si attiva in ambiente acido

39 La κ-caseina grazie alla componente glucidica, riesce a mantenere in soluzione le micelle. Il taglio ad opera della chimosina le fa perdere la componente solubile favorendo la formazione del coagulo His 98 Lys 111 κ-caseina Phe 105 Met 106 Para κ-caseina Glicomacropeptide

40 Fonti alternative Il caglio ottenuto dagli stomaci dei vitelli da latte ha rappresentato da sempre il prodotto coagulante per eccellenza usato nelle produzioni casearie. Ad oggi si sono individuate fonti alternative come ad esempio l uso del cardo, e il potere coagulante è dovuta ad un tipo di proteasi specifico, le cardosina.

41 La ricotta La sua produzione non si esegue partendo dal latte, ma bensì dal siero. Gli agenti che ne permettono la formazione sono il calore e l aggiunta di un acido. Il siero viene riscaldato alla temperatura di circa 90 C, a tale temperatura si a l affioramento delle sieroproteine, sotto forma di una massa soffice e fioccosa che viene poi raccolta in appositi contenitori.

42 Latte fermentato DEFINIZIONE: i latti fermentati sono i prodotti ottenuti dalla coagulazione del latte senza eliminazione del siero, per azione esclusiva di microrganismi specifici per ogni tipo di latte fermentato, che devono mantenersi vivi e vitali fino al momento del consumo. I processi fermentativi di natura acida o acida-alcolica provocano modifiche alle caratteristiche organolettiche ed alla composizione chimica del prodotto d origine. A seconda del tipo di fermentazione abbiamo: - Latti acidi (yogurt e latticello fermentato residuo nella preparazione del burro, fermentato o meno); -Latti acido-alcolici (kefir, koumis)

43 Lo yogurt può anche essere preparato in ambito casalingo, con una procedura simile, ma semplificata rispetto a quella industriale. - Ebollizione del latte - Raffreddamento a C - aggiunta dei fermenti lattici o yogurt già pronto - acidificazione per ore - si conserva a 4 C fino al momento del consumo che comunque non può essere PREPARAZIONE del KEFIR* Liquido cremoso, relativamente denso, in genere meno acidulo dello yogurt. Gusto leggermente frizzante per la produzione di CO 2 ed è debolmente alcolico (circa 1,5 ). E prodotto dalla fermentazione acido-alcolica per almeno 24 ore (e non più di 72 ore). Batteri utilizzati: Lactobacillus caucasus, generi di Streptococcus, Leuconostoc e Acetobacter. I processi biochimici: - Fermentazione lattica: acido lattico e CO 2 - Fermentazione alcolica (ad opera di lieviti del tutto assenti nello yogurt- Torula kefir e Saccharomices kefir): etanolo -Il kefir può anche essere prodotto da acqua zuccherata con gli opportuni fermenti

44 Gli enzimi coinvolti nella maturazione del formaggio

45 AZIONE DELLE PROTEASI NELLA PRODUZIONE DI FORMAGGIO (che diventa così un alimento predigerito) Enzimi Proteolisi Proteasi Amminopeptidasi, dipeptidasi, tripeptidasi Proteasi, endopeptidasi, amminopeptidasi Reazione Proteine > peptidi ad alto peso molecolare + amminoacidi Peptidi a basso peso molecolare > amminoacidi Peptidi ad alto peso molecolare > peptidi a basso peso molecolare

46 AZIONE DEGLI ENZIMI NELLA PRODUZIONE DI FORMAGGIO REAZIONE Trasformazione di amminoacidi ENZIMI Aspartato transamminasi (EC ) L-Aspartato + 2-chetoglutarato > ossalacetato + Lglutammato Metionina y-liasi (EC ) L-metionina > metanotiolo + NH ossobutanolato Esaltatori di sapidità Triptofanasi (EC ) L-triptofano + H 2 O > indolo + piruvato + NH 3 decarbossilazione ossidativa Decarbossilasi Lisina Cadaverina Ornitina Putrescina Possono aumentare la pressione Arginina Agmatina arteriosa e talvolta allergie alimentari Istidina Istamina (nei formaggi stagionati) Acido glutammico Acido γ -amminobutirrico Tirosina Tiramina Triptofano Triptammina Deaminasi (Deamminazioni non ossidative) Alanina > piruvato Triptofano > Indolo Glutammato > α-chetoglutarato Serina > piruvato Treonina > α -chetobutirrato

47 CAMBIAMENTI DEI LIPIDI NELLA MATURAZIONE DEL FORMAGGIO Enzima Lipolisi Lipasi, esterasi Reazione Trigliceridi > β-chetoacidi, acetoacetato, acidi grassi Acetoacetato decarbossilasi Acetoacetato + H + > acetone + CO 2 (EC ) (l odore di acetone indica maturazione avanzata) Acetoacetato-CoA ligasi (EC ) Acetoacetato + ATP + CoA > acetil CoA + AMP + difosfato Esterasi (reazione di sintesi) Acidi grassi > esteri Conversione di acidi grassi β-ossidazione e decarbossilazione β-cheto acidi --> metil chetoni (sapori piccanti del gorgonzola)

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