Il cosiddetto pane di segale in realtà contiene il 50% di farina di frumento, che garantisce una struttura accettabile per i gusti dei consumatori.

I “chicchi”, ossia i semi dei cereali sono costituiti da tre strutture:

• L’embrione o germe, dal quale si svilupperà una nuova pianta
• L’endosperma, che contiene le sostanze nutrienti per la nuova pianta
• Gli involucri proteici del chicco, che all’atto della macinazione costituiscono la crusca

(dal punto di vista botanico i chicchi dei cereali sono frutti detti cariossidi)

L’endosperma rappresenta circa l’80% del totale del chicco: la farina bianca è costituita, in pratica, da endosperma puro.

L’endosperma è costituito da cellule  diverse per forma e dimensione, strettamente impaccate tra loro e dotate di pareti sottili; proprio queste ultime sono all’origine delle piccole quantità di cellulosa  e di emicellulosa presenti nella farina bianca.

Le cellule sono riempite di granuli di amido immerse in una matrice proteica.

Le proteine della farine, che costituiscono il 7-15%, sono di due tipi: circa il 15% del totale è quello che rimane delle proteine citoplasmatiche, per la maggior parte enzimi, che sono solubili in acqua o in soluzioni saline diluite; il restante 85% del totale è invece costituto dalle proteine di riserva del seme, insolubili nei comuni sistemi acquosi e responsabili della formazione dell’impasto, che sono indicate col nome collettivo di glutine.

Questo può essere facilmente estratto dalla farina, aggiungendo acqua a sufficienza per impastare, lasciando riposare il tutto per circa 30 minuti, e quindi lavorando l’impasto sotto una corrente di acqua fredda, in modo da allontanare le proteine solubili e i granuli di amido.

La massa che si ottiene, soda, viscoelastica e appiccicosa, è costituita per un terzo da proteine e per due terzi di acqua.

Il contenuto proteico della farina cambia in funzione della varietà di frumento. Le farine adatte alla panificazione, che producono pane con un buon volume, provengono da frumento estivo d’origine nordamericana, dotato di un elevato livello proteico (12-14%)

I mugnai chiamano hard (le tre categorie di frumento hard, medium e soft non devono essere confuse con in termini “grano duro” e “grano tenero”che si riferiscono a due specie botaniche diverse, Triticum diurum e Triticum aestivum) questo tipo di frumento poiché ha endosperma friabile che si frantuma facilmente durante la macinazione.

Nel caso della pancetta, insieme al sale tradizionalmente si impiegano anche piccole quantità di nitrati che, per azione degli enzimi, si trasformano in ossido d’azoto, NO. Questo si combina con la mioglobina, formando un pigmento rosso, la nitroso mioglobina (NOMb), che impartisce alla pancetta cruda e al prosciutto il loro caratteristico colore rosso.

La loro cottura, attraverso la denaturazione della NOMb, porta alla formazione di un composto di colore rosa acceso,noto col nome di nitrosil emocromogeno, derivato della porfirina dalla struttura incerta, ma che probabilmente lega due gruppi nitrosi all’anello porfirinico.

Sebbene il comportamento post mortem delle miofibrille sia molto importante per la consistenza della carne, il consumatore conosce molto meglio le differenze che sono dovute all’età dell’animale o al tipo di taglio.

Queste variazioni sono principalmente imputabili al tessuto connettivo piuttosto che a quello contrattile. Il tessuto connettivo del muscolo è composto quasi per intero dalle fibre della proteina collagene.

Queste sono costituite da molecole di tropocollagene, ognuna delle quali è lunga 230-300 nm, legate tra loro con legami intramolecolari e arrangiate in senso longitudinale. Le molecole di tropo collagene a loro volta di tre catene polipeptidiche molto simili, ciascuna delle quali è costituita da una lunga elica levogira attorcigliate insieme secondo un’elica destrogira.

L’uso di eliche destrogiro o levogiro a vari livelli dell’organizzazione delle molecole rispecchia la struttura delle funi e dei fili per uso tessile che li rende molto più resistenti.

La composizione in amminoacidi del tropo collagene e la loro sequenza è sorprendente: circa un terzo degli amminoacidi è formato da glicina, mentre prolina e idrossiprolina costituiscono circa il 20-25%. La sequenza illustrata mostra che la glicina è presente ogni tre residui, studi strutturali hanno dimostrato che si trova in corrispondenza dei punti di tangenza tra le tre catene.

Soltanto una dimensione della catena laterale ridotta al minimo (un solo atomo di idrogeno come nella glicina) è compatibile con lo scarsissimo spazio disponibile. La presenza dei due amminoacidi è molto importante perché la forma particolare del loro legame peptidico fornisce gli angoli ideali all’elica del tropocollagene.

La struttura è mantenuta insieme dai legami idrogeno tra le tre catene e tra i gruppi ossidrilici dell’idrossiprolina, che si forma per idrossilazione della prolina a sintesi proteica avvenuta.

Il fatto che l’acido ascorbico (la vitamina C) sia l’agente riducente coinvolto in questa reazione, può essere messo in relazione con la sintomatologia da cerenza di questa vitamina.

Per quanto una molecola di tropocollagene possa essere robusta, i veri responsabili della resistenza della fibra alla trazione sono i legami intramolecolari di reticolazione che impediscono alle singole fibre, se sottoposte a tensione, di scivolare l’una sull’altra. Esistono diversi tipi di legame di questo genere: questi legami sono particolarmente numerosi in questi tessuti, come il tendine d’Achille, dove è richiesta la massima resistenza allo sforzo.

È noto che la carne di un animale giovane è più tenera rispetto a quella dell’adulto. Recentemente si è compreso che, col progredire dell’età, aumenta il numero di doppi legami piuttosto che la quantità di tessuto connettivo.

Un altro fattore determinante per la consistenza della carne sono le differenze di contenuto di collagene nei vari muscoli dello stesso animale. I tagli teneri e pregiati sono quelli che ne contengono minori quantità: nel manzo, il muscolo Psoas major (filetto) , ne contiene un terzo rispetto al taglio adatto per lo stufato, Triceps brachii.

Durante la cottura i legami idrogeno del tessuto connettivo si indeboliscono e le fibre si accorciano assumendo una forma più compatta. Se la cottura si prolunga, come nel caspo dello stufato, oltre ai legami idrogeno si rompono anche alcuni dei legami intermolecolari più deboli.

In questo modo, il collagene si solubilizza e in parte fuoriesce, favorendo, quando il sugo si raffredda, la sua gelatinizzazione attraverso la formazione di quei legami idrogeno che il calore aveva rotto.

Il tessuto muscolare contiene solo una piccola parte del collagene totale, la maggior parte del quale si trova nella pelle (o cuoio) e nelle ossa. Nonostante questi tessuti siano marginali dal punto di vista alimentare, sono generalmente la fonte del collagene che è trasformato in gelatina, un importante ingrediente molto usato come gelificante nell’industria dolciaria (gelatina per bambini) nei dessert e in prodotti a base di carne.

Le ossa utilizzate per la produzione di gelatina sono dapprima frantumate quindi immerse in acido cloridrico diluito per un periodo fino a due settimane allo scopo di solubilizzare ed eliminare il fosfato di calcio.

Il processo procede come per il cuoio: si inizia con un trattamento a base di calce (idrossido di calcio, Ca(OH)₂ ) per alcune settimane che, a causa dell’ambiente alcalino, favorisce la rottura dei legami tra le catene di collagene. Al termine la calce, i residui grassi e le altre proteine sono eliminati e il residuo è neutralizzato ed estratto con acqua calda a temperature crecenti. La soluzione di gelatina così ottenuta è filtrata, concentrata ed essiccata.

In modo abbastanza simile ai gelificanti a base di polisaccaridi, la gelatina è insolubile in acqua fredda, ma si solubilizza velocemente a caldo. Raffreddando la soluzione, le molecole del polimero passano da uno stato senza organizzazioni definite e ripetitive (dette più brevemente random coil) allo stato elicoidale, simile a quello del tessuto connettivo originario.

In questo stato segmenti di catena polimerica possono associarsi per formare zone di giunzione tramite legami idrogeno, come avviene nei gel di polisaccaridi.

L’ossimioglobina è di colore rosso brillante (il suo spettro presenta un doppio picco con lunghezza d’onda max a 544 e 581 nm), mentre la mioglobina è rosso porpora scuro (558 nm, la differenza del colore del sangue venoso e di quello arterioso si basa su una simile relazione tra le due forme di emoglobina).

La parte interna del muscolo di una carcassa è, ovviamente, in condizioni di anaerobiosi,e per questo motivo la superficie di un taglio fresco di carne cruda ha, come si aspetta, un colore rosso porpora scuro. Rapidamente la diffusione dell’ossigeno dalla superficie verso l’interno incomincia a convertire la Mb a MbO₂, conferendo alla carne un attraente aspetto rosso brillante al crescere della MbO₂.

Un altro importante effetto di un adeguato abbassamento del pH post mortem è dovuto all’aumento della disponibilità di acqua libera, che favorisce la diffusione dell’ossigeno. Infatti, se il pH restasse elevato, ci sarebbe una disponibilità molto minore. Il sistema respiratorio del muscolo continua a consumare l’ossigeno disponibile, fino alla rottura completa della carne, per cui lo strato di MbO₂ non è mai più profondo di qualche millimetro.

A concentrazioni di ossigeno intermedie, come avviene all’interfaccia tra MbO2 e Mb, il ferro della mioglobina è ossidato, dall’ossigeno che lega, a Fe³⁺. Questo provoca due conseguenze: la più ovvia è che la metamioglobina (MMb) che si forma ha una sfumatura bruna poco attraente (507 nm).  Per questo motivo la carne conservata a temperatura ambiente sviluppa uno strato di questo colore immediatamente al di sotto della superficie che, col passare del tempo, tende ad affiorare, conferendo alla carne un colore che tende più al marrone piuttosto che al rosso, chiaro segno che non è più fresca.

L’altra conseguenza è dovuta al distacco dell’ossigeno come radicale libero, nella forma protonata del radicale superossido. Questi radicali liberi possono dare inizio alle reazioni a catena dell’autossidazione dei lipidi che portano all’ossidazione del grasso della carne, il che giustifica la relazione tra aspetto della carne cruda ed il suo sapore una volta cotta.

Con la cottura la mioglobina, al pari delle altre proteine, è denaturata. Lo svolgimento della catena polipeptidica sposta l’istidina, il cui azoto era legato al ferro dell’anello porfirinico, e ne modifica le proprietà, tanto che questo è rapidamente ossidato a Fe³⁺ dall’ossigeno presente.

La carne cotta, per questo motivo, assume una colorazione marrone, tranne che nella parte più interna dei tranci più grossi, dove l’ossigeno è praticamente assente. Il colore rosa al centro dell’arrosto è dovuto a un derivato dell’eme nel quale gli atomi di azoto del residuo di istidina, che non è necessariamente quella dalle molecole di mioglobina originali, occupano entrambe le posizioni di coordinazione vacanti sulle facce opposte dell’anello porfirinico.

L’energia resa disponibile con questa ossidazione è utilizzata nei mitocondri per la fosforilazione dell’adenosina difosfato al corrispondente trifosfato.

Per ogni mezza molecola di O₂ ridotta ad H₂O si formano tre molecole di ATP. L’ossigeno è trasportato dal sangue ai mitocondri e qui si trova come addotto della mioglobina, fonte del colore rosso della carne.

Nel caso sia richiesto uno sforzo muscolare intenso, per esempio quando si rincore un autobus o quando un fagiano spicca il volo, il limitato apporto di ossigeno non consente un adeguato rifornimento di ATP, per cui il muscolo ricava l’energia necessaria attraverso la via anaerobica, meno efficiente ma più veloce, convertendo il glicogeno o il glucosio in acido lattico attraverso la glicolisi.

In questo modo, però, si ottengono solamente due molecole di ATP per ogni molecola di glucosio, al posto delle 36 ricavabili dal’ossidazione completa a CO₂.

In vivo, la glicolisi anaerobica non può essere mantenuta che per tempi molto brevi, prima che l’accumulo di acido lattico non diventi eccessivo, con la conseguente cessazione dello sforzo a causa del dolore.

Non appena la domanda da parte del muscolo cessa, l’acido lattico è ossidato a piruvato e quindi a CO₂, oppure convertito a glucosio nel fegato.

Alla morte dell’animale, anche se al muscolo non pervengono più segnali di contrazione, c’è ancora una richiesta di ATP da parte del sistema di pompaggio del reticolo sarcoplasmatico, così come per altre reazioni.

Poiché, ovviamente, l’apporto di ossigeno col flusso sanguigno è cessato, tutto l’ATP prodotto deriva dalla glicolisi, fino a quando anche questa non termina definitivamente. Nel caso l’animale abbia sofferto la fame o abbia subito maltrattamenti prima della macellazione, le riserve di glicogeno si esauriscono rapidamente con conseguente interruzione della glicolisi.

Al contrario, se il tessuto muscolare dell’animale dispone di congrue riserve la glicolisi prosegue fino a quando l’acido lattico prodotto non abbassa il pH fino a 5.0-5.5, valori sufficienti a inibire gli enzimi della glicolisi.

Il livello di ATP cala ed il calcio non può più essere pompato al di fuori del sarcoplasma nelle vescicole del reticolo sarcoplasmico. L’accumulo di calcio favorisce l’interazione di miosina e di actina, ma la mancanza di ATP impedisce di completare il ciclo che porterebbe alla contrazione.

I filamenti spessi e quelli sottili formano perciò, un legame permanente come indicato allo stadio III e il muscolo diventa rigido: è lo stadio di rigor mortis .

È ovviamente impossibile riuscire a cuocere la carne prima che abbia raggiunto questo stadio, e quella cotta mentre questa fase è in atto, si dice sia molto dura.

Fatto salvo che è la corretta applicazione delle pratiche prima e dopo la macellazione, piuttosto che l’impiego del pHmetro, che fa il buon macellaio, la risposta al problema del rigor mortis e di altri aspetti consiste nel permettere alla carne di raggiungere l’intervallo critico di pH tra 5.0 e 5.5.

L’effetto più ovvio dell’abbassamento del pH è quello di impedire lo sviluppo dei microrganismi putrefattivi e patogeni che si diffondono dalla pelle, dagli intestini, etc..durante la preparazione della carcassa. Nel corso della frollatura scompare la consistenza del rigor mortis. In questo contesto, è stata identificata una proteasi molto specifica, attiva solo a pH intorno a 5 ed in presenza di ioni Ca++, la cui funzione in vivo è tuttora ignota, ma che determina la rottura dei filamenti sottili a livello delle unioni nelle linee Z, generando delle discontinuità nel tessuto muscolare e rendendo la carne tenera al termine del periodo di condizionamento.

Il tessuto muscolare contiene moltissima acqua (55-80%), parte della quale è direttamente legata alle proteine del muscolo sia a quelle dei mio filamenti sia agli enzimi del sarcoplasma; la maggior parte delle molecole di acqua, tuttavia, occupa gli spazi tra i filamenti. Durante la cottura, a causa della denaturazione delle proteine, parte dell’acqua fuoriesce, portando la carne al giusto grado d’umidità, mentre è preferibile che un trancio di carne cruda si presenti con la superficie del taglio umida e lucida.

Nonostante le proteine del sarcoplasma leghino meno acqua a pH prossimi al proprio punto isoelettrico, circa 5, la causa principale della perdita di acqua dalla carne ben frollata è dovuta al fatto che, al diminuire del pH, si riducono gli spazi tra un filamento e l’altro per cui parte dell’acqua fuoriesce.

Sebbene un macellaio, per ovvi motivi, possa non gradire queste perdite prima della vendita, l’aumento della mobilità dell’acqua presenta un altro vantaggio legato al colore, oltre a dare alla carne un piacevole aspetto umido tipico del prodotto fresco.

Il colore rosso della mioglobina varia da muscolo all’altro, e di come esso dipenda dalla specie e dall’età dell’animale. Alcuni dati tipici relativi a bovini e suini sono riportati in tabella, sulla base dei risultati riportati da R.A. Laurie (1998).

In linea generale, i muscoli utilizzati in modo discontinuo per sforzi improvvisi, caratterizzati da un rifornimento energetico prevalentemente attraverso la glicolisi anaerobia, hanno bassi livelli di mioglobina, pochi mitocondri e perciò risultano chiari.

Il petto di pollo, ossia il muscolo del volo, è un esempio estremo. Al contrario, le cosce di questi stessi animali, con muscoli la cui attività è quasi continua, utilizzano il metabolismo ossidativo e necessitano , dunque, di un elevato quantitativo di mioglobina, risultando così più scuri.

La biologia, per esempio, studia aspetti che interessano meno la chimica degli alimenti o le scienze della nutrizione. La struttura del tessuto muscolare è estremamente complessa per cui si rimanda ai lettori con interessi biologici o biochimici di approfondire la descrizione che segue su testi specifici di biologia cellulare, fisiologia dei mammiferi o biochimica.

Un normale trancio di carne presente sul banco di una macelleria, è tagliato da diversi muscoli, ciascuno dei quali dotato dei propri ancoraggi allo scheletro, del proprio sistema vascolare e dei propri nervi.

Ogni muscolo è rivestito da uno strato di tessuto connettivo costituito quasi per intero di collagene. Questo strato contiene e sostiene il tessuto contrattile del muscolo e le sue estremità forniscono le connessioni allo scheletro.

Le unità contrattili del muscolo sono le fibre muscolari, costituite da cellule estremamente allungate, con un diametro di 10-100 micrometri e una lunghezza  fino a 30 cm. L’esame di una sezione trasversale delle fibre muscolari mostra un’organizzazione in fasci separati da tessuto connettivo, che si presenta senza soluzioni di continuità con quello che circonda il muscolo. I vasi sanguigni, il tessuto adiposo e i nervi sono anch’essi immersi nel tessuto connettivo.

Le fibre muscolari hanno molte delle caratteristiche proprie delle cellule animali più tipiche. Intorno alla fibra c’è la membrana della cellula, detta sarcolemma (il prefisso sarco- deriva dal greco sarkòs, che significa carne).

Lungo la cellula, proprio all’interno del sarcolemma, sono disposti numerosi nuclei. Le fibre muscolari hanno due complessi sistemi di membrane intracellulari: i tubuli trasversali o tubuli T, che sono invaginazioni del sarcolemma, e del reticolo sarcoplasmico che corrisponde al reticolo endoplasmico delle altre cellule.

Entrambi partecipano alla trasmissione del segnale dalle terminazioni nervose motorie sulla superficie alle fibre degli elementi contrattili delle stesse, le miofibrille.. I tubuli T e il reticolo sarcoplasmico circondano ogni miofibrilla in modo tale che le loro contrazioni siano perfettamente sincronizzate. Numerosi mitocondri, disposti tra le miofibrille, assicurano il rifornimento di adenosina trifosfato, ATP, che è il carburante chimico del processo di contrazione.

Le stesse miofibrille sono a loro volta costituite da fasci di filamenti proteici disposti come in figura. I filamenti sottili sono costituiti dalla proteina actina, insieme a quantità minori di tropomiosina e troponina.

I filamenti spessi sono aggregati molto grandi e allungati di miosina. Le sequenze degli eventi che determinano la contrazione muscolare possino essere così riassunte:

1. L’impulso nervoso che giunge alla superficie della membrana della fibra, il sarcolemma, è trasmesso da un capo all’altro della cellula dai tubuli T e provoca il rilascio di Ca⁺⁺ contenuto in vescicole serbatoio formate dalle membrane del reticolo sarcoplasmico.
2. Gli Ca⁺⁺ si legano alla troponina dei filamenti sottili, provocandone una modificazione della forma, che a sua volta causa uno spostamento del complesso proteico adiacente alla tropomiosina, il cui cambiamento di posizione lascia scoperti i siti attivi dell’actina.
3. L’actina “attivata” è ora in grado di reagire ripetutamente, con la miosina dei filamenti spessi e con l’ATP, che è la fonte dell’energia necessaria per la contrazione.
4. Le teste delle molecole di miosina sono disposte ad angoli diversi rispetto ai filamenti spessi nei vari stadi del ciclo, in modo tale che di volta in volta, per mezzo dell’idrolisi di una molecola di ATP, la testa della miosina impegna una molecola diversa di actina. Ne consegue che i due filamenti si muovono l’uno rispetto all’altro, provocando la contrazione.
5. Quando l’impulso nervoso cessa, il Ca è riportato nel reticolo sarcoplasmico ed il ciclo ritorna allo stadio II, con la tropomiosina che ritorna nella posizione iniziale el’actina non interagisce più con le teste della miosina. Il muscolo risulta ora rilassato e può tornare alla posizione estesa iniziale per azione di altri muscoli.

                                                          FIG . il ciclo della miosina-acinomiosina.Durante la contrazione del muscolo, il ciclo funziona di continuo come indicato.Nel momento in cui cala la concentrazion di ioni Ca non si possono più formare legami con l’actina e il ciclo si ferma allo stadio II. Se invece viene meno il rifonimento di ATP il ciclo si arresta allo stadio III.  

Nell’uovo crudo l’albume non è omogeneo, ma si presenta organizzato in quattro strati, due dei quali più densi rispetto agli altri. Lo strato più interno prosegue nella calaze, che sono strutture filamentose che sospendono il tuorlo al centro dell’uovo.

L’unica differenza tra i vari strati è la concentrazione di ovomucina, che ne determina la viscosità. In tutti gli impieghi alimentari, l’albume è completamente mescolato e perciò può essere considerato a tutti gli effetti come un’unica soluzione acquosa delle proteine globulari elencate nella tabella.

Fa eccezione l’ovomucina, in quanto apparentemente forma delle fibre che sono le principali responsabili della viscosità dell’albume.

La proteina più abbondante, l’ovoalbumina, è una glicofosfoproteina. Analogamente a quanto avviene in a- e b-caseina, la serina lega fino a due gruppi fosforici, mentre l’asparagina lega un carboidrato formato da due o più unità di N-acetilglucosammina, che a loro volta legano numerose unità di mannosio.

L’ovalbumina si denatura facilmente per effetto del calore. La catena polipeptidica di questa proteina possiede sei residui di cisteina, due dei quali formano un ponte disolfuro che consolida la sua struttura tridimensionale.

L’aumento di temperatura provoca lo svolgimento della catena polipeptidica rendendo possibile la formazione di altri legami disolfuro, non solo intramolecolari, ma anche tra molecole vicine, formando il gel tipico dell’albume cotto.

L’ovalbumina è anche molto sensibile alla denaturazione nelle interfacce aria-acqua e grasso-acqua. Le catene polipeptidiche delle proteine globulari tendono a ripiegarsi su se stesse in modo tale che gli amminoacidi idrofobi si trovino al centro della molecola, separati dall’acqua che li circonda.

Se una parte della proteina viene a contatto con dell’aria o del grasso, il vantaggio di questo tipo di conformazione viene meno e la proteina si distende, o in altri termini, si denatura.

Le proteine denaturate interagiscono tra loro ma, invece di dare origine a un gel solido, formano una pellicola intorno alle bolle d’aria o alle goccioline di grasso, stabilizzando rispettivamente le schiume (come nelle meringhe) o le emulsioni (come negli impasti per torte).

Un successivo riscaldamento provoca un’ulteriore denaturazione che stabilizza definitivamente queste strutture pellicolari.

Mentre gli albumi a neve non è un processo facile da controllare: una battitura troppo prolungata denatura una quantità eccessiva di ovalbumina, lasciandone poca intatta per legare l’acqua. L’operazione dovrebbe quindi terminare non appena si raggiunge la massima consistenza, precedendo oltre s’incorporerebbe, infatti, altra aria, indebolendo la struttura della schiuma.

La conalbumina, un’altra glicoproteina, è una metalloproteina analoga alla lattoferrina del latte. Essa si comporta in modo simile all’ovalbumina, ma è coinvolta in un aspetto piuttosto peculiare dell’arte culinaria.

È noto che per montare gli albumi, le ciotole di vetro sono preferibili a quelle di plastica, a causa delle tracce di grasso che facilmente contaminano le superfici di questo tipo di contenitori, interferendo con la formazione della schiuma.

Le ciotole migliori in assoluto, tuttavia, sono di rame, probabilmente perché la conalbumina si lega agli ioni Cu e il complesso metallo proteico è più resistente alla denaturazione, sopportando meglio una battitura eccessivamente prolungata.

L’ovomucoide, un’altra glicoproteina, conferisce all’albume la sua elevata viscosità che, nonostante sia importante per la stabilità della schiuma, se eccessiva può rendere difficoltosa l’azione delle fruste. Ecco perché le uova per la preparazione di torte e meringhe non dovrebbero essere usate fredde, quando la loro viscosità è maggiore.

La stabilità della schiuma è massima quando il pH è in prossimità del punto isoelettrico delle proteine. Molti amminoacidi delle proteine hanno nelle catene laterali gruppi ionizzabili, come nel caso di acido aspartico e glutammico, di lisina, arginina e istidina.

La ionizzazione di questi gruppi è funzione della concentrazione idrogenionica, ossia del pH:

Il punto isoelettrico di una proteina è quel pH al quale il numero delle cariche elettriche positive eguaglia quello delle cariche negative e la proteina è globalmente neutra.

In queste condizioni le molecole delle proteine non si respingono come quando sono cariche, ma possono interagire tra loro più fortemente.

In cucina si sfrutta quest’effetto impiegando cremortartaro (tartato acido di potassio) o una piccola quantità di aceto.

I lattobacilli impiegati sono talvolta presenti nel latte, ma normalmente si ricorre a un inoculo di colture selezionate per qualche carattere desiderabile. In questi tipi di prodotti a base di latte fermentato, la precipitazione delle caseine per effetto del pH non è completa, ma le associazioni tra le micelle di caseina danno una struttura simile a un gel, tipica dello yogurt.

Nella produzione del formaggi duri, tipo Cheddar, l’attività microbica porta il pH del latte a valori intorno a 5.5, raggiunti i quali si aggiunge il caglio per formare la cagliata. Il caglio è una preparazione enzimatica a base di chitosina, conosciuta anche col nome di rennina, ottenuta dalla mucosa dell’abomaso (il quarto stomaco) dei vitelli.

Questo enzima catalizza l’idrolisi di un particolare peptide legato alla k-caseina che si divide in due frammenti: uno, la k-paracaseina, rimane con la micella e comprende le parti idrofobe della molecola; l’altra, il glucopeptide della k-caseina, contiene la parte restante della proteina compresi i carboidrati, e rimane nel siero.

Fig. p-13: sequenza degli amminoacidi  della k-caseina. Ls sbarra individua il legame peptidico tra la fenilalanina-105 e la metionina -106 che durante la caseificazione, è idrolizzato dalla chitosina portando alla formazione del glicopeptide della k-caseina (zona ombreggiata), che resta nel siero. Il residuo della treonina-133 evidenziato dal riquadro è il sito al quale, più comunemente, si lega il trisaccaride, che si  può però attaccare anche ad altri residui vicini di treonina e serina.  

La mancanza del rivestimento glucidico rende possibile la formazione di numerosi legami tra le micelle, che porta a un rapido sviluppo della cagliata. Questa è lasciata a sé per diverse ore, durante le quali aumentano acidità e consistenza, dopodiché è tagliata a pezzi, rimescolata per favorire lo spurgo del siero, e infine pressata.

Prima della pressatura, si aggiunge sale per rendere più veloce la fuoriuscita delle ultime porzioni di siero e limitare proliferazioni microbiche indesiderate. La fase finale, la maturazione, richiede tempi lunghi di conservazione a bassa temperatura.

Gli enzimi del caglio e altre proteasi prodotte dai microrganismi provocano una parziale proteolisi, che è importante per la consistenza e l’aroma del prodotto finito. Anche le lipasi del latte contribuiscono all’aroma, liberando acidi grassi a catena corta dai trigliceridi presenti.

L’aumento della produzione di latte bovino degli ultimi anni ha generato un’eccedenza di latte inviato alla caseificazione, senza che ci fosse un costante aumento del numero di vitelli dai quali ottenere la rennina, il che ha indotto l’industria casearia alla ricerca di alternative rispetto al caglio di vitello .

Proteasi fungine e pepsina suina si sono rivelate troppo attive, causando un’eccessiva idrolisi di altre proteine. L’impiego di moderne tecniche di ingegneria genetica ha permesso di risolvere brillantemente il problema individuando le sequenze del DNA che codificano la chinasi e inserendole nei cromosomi del lievito Kluyeromyces lactis , del fungo Aspergillus niger e del batterio Escherichia coli .

Questi microrganismi possono essere indotti a produrre una gran quantità di enzima identico in tutto e per tutto a quello del vitello.

È ovvio che la particolare relazione che lega l’azione della chinosina e la struttura della caseina, non si è evoluta per rendere possibile la caseificazione, anche se il processo di digestione di questa proteina nel vitello e nell’uomo non è stato approfondito sufficientemente da poter fornire una spiegazione plausibile

Queste sono costituite da un gruppo di proteine tra loro correlate, note con il nome omnicomprensivo di proteine della caseina, insieme con fosfati, calcio e tracce di citrato. Il prodotto sgrassato si chiama latte scremato o magro e, portando il pH a 4.6, precipita anche la caseina, lasciando come residuo un liquido detto siero, per analogia con il sangue.

Il siero ottenuto dalla caseificazione ha una composizione leggermente diversa, poiché una parte della caseina passa in soluzione ed il lattosio può essere stato parzialmente trasformato in acido lattico dai batteri presenti.

Le proporzioni delle diverse caseine e delle proteine del siero variano in maniera abbastanza considerevole, così come il contenuto proteico totale del latte, ma i valori in tabella possono essere considerati tipici.

Le lettere greche utilizzate per identificare le diverse proteine sono state assegnate in origine per indicare la modalità elettroforetica, la <s> della as1-caseina si riferisce invece alla sua sensibilità alla precipitazione per mezzo degli ioni Calcio.

Sebbene il prefisso as1, b , etc…definisca una particolare proteina, sono note numerose varianti che differiscono leggermente nella sequenza amminoacidica. La as1C-caseina è diversa dalla as1B (variante più comune) per un residuo di glicina in posizione 195 della catena polipeptidica al posto dell’acido glutammico.

L’accurato esame del rapporto tra queste due varianti può indicare la razza della vacca che ha prodotto il latte.

Le micelle di caseina sono grossolanamente sferiche, con un diametro che può arrivare fino a 600 nm, anche se circa la metà ha un diametro compreso tra 130 e 250 nm, mentre le micelle restanti sono equamente distribuite al di sopra e al di sotto di questo intervallo .

Un litro di latte ne contiene circa 10¹⁵ unità e ogni micella è formata da circa 2×10⁴ molecole di caseina. Queste hanno un peso molecolare pari a 2.35x 10⁴ per la a-caseina, 2.40 per la b e 1.90 per la k. La g-caseina sembra essere un artefatto originato dalle procedure per separare e purificare le caseine e consiste in un frammento della b-caseina che proviene da un’idrolisi provocata dagli enzimi proteolitici del latte.

Per molti anni si è cercato di descrivere la disposizione delle caseine nelle micelle sebbene siano ancora molti i dettagli da definire, è ormai comunemente accertato che questa sia un aggregato di sub micelle, secondo il modello proposto nel 1975 da Slattery e d Evard. Ogni sub micella è un aggregato dalla forma all’incirca sferica, costituito da 25-30 molecole di a- b- e k-caseine, in proporzioni che mediamente sono pressoché uguali a quelle del latte ma è probabile che all’interno di ogni micella le percentuali delle diverse proteine varino ampiamente e  che ve ne siano alcune particolarmente ricche di a-caseina.

L’associazione delle molecole di caseina che formano le sub micelle è dovuta alle caratteristiche peculiari di tutti e tre i tipi di caseina, le cui catene polipeptidiche hanno una predominanza di amminoacidi polari verso le loro estremità N.

Nel caso di as- e b-caseina, queste estremità sono molto ricche di fosfoserina, che permette di legare ioni Calcio e di formare legami tra le diverse micelle mediante catene dei cosiddetti aggregati di fosfato di Calcio “colloidale” (CCP) .

Al contrario, la k-caseina non ha residui fosfato ma uno o più residui di treonina dell’estremità polare C della catena, legano un trisaccaride, l’a-N-acetilneuraminil-(2->6)-a-galattosil-(1->6)-N-acetilgalattosammina, che ne garantisce il carattere idrolfilo.

I gruppi fosfato di a- e b-caseina reagiscono con gli ioni Calcio legando le submicelle direttamente assieme o, più probabilmente, per mezzo di catene di particelle CCP e con l’intervento sporadico degli ioni citrato e Magnesio. Tutti i residui disponibili di fosfoserina legano ioni Calcio, così come i gruppi carbossilici dell’acido glutammico.

Il concetto chiave delle submicelle sta nell’idea che la micella di k-caseina si aggreghi in modo tale che la sua parte idrofila, che però non lega il Calcio, formi una zona simile a una calotta polare nella quale non si ha nessun legame tra le micelle.

Anche se le molecole di k-caseina non sono così localizzate come in figura lascerebbe supporre, le submicelle povere o prive di k-caseina tendono a occupare il centro della micella. All’aumentare delle dimensioni di queste ultime, dovute all’aggregazione di più submicelle, aumentano le zone ricche di k-caseina fino a che queste diventano predominanti, evitando così una crescita indefinita della micella.

La microscopia elettronica applicata alla micella di caseina ha confermato che queste presentano un aspetto simile alla superficie di un lampone, come ci si aspetterebbe da un aggregato di particelle approssimativamente sferico.

Questa struttura ha due importanti caratteristiche. La prima, conosciuta da molti anni, riguarda la capacità della micella di autoregolare la propria dimensione con la a-caseina che prevale sulla superficie. È molto difficile immaginare un qualsiasi processo biologico che possa dotare una micella costituita da as-e b-caseina di un rivestimento di k-caseina al raggiungimento di una certa dimensione!

Da un punto di vista fisiologico, la presenza di una qualche sorta di aggregato proteico è essenziale, poiché una semplice soluzione di proteine in queste quantità risulterebbe essere troppo viscosa per una normale secrezione. L’altra caratteristica consiste nel fatto che le micelle, legando CCP alle proteine, possono fornire al lattante Calcio  e fosfati in gran quantità evitando la precipitazione di cristalli di fosfato di calcio insolubile. Le particelle di CCP, formate in generale da Ca₃(PO₄)₆ sono amorfe.

Le principali proteine del siero, a-lattoalbumina e b-lattoglobulina sono stati al centro dell’attenzione di studiosi, che hanno valutato le loro proprietà fisiche e la loro struttura senza che, però, si capisse molto circa le ragioni della ,oro presenza nel latte, oltre al fatto di contribuire al patrimonio proteico totale.

Al contrario, le immunoglobuline si sono mostrate di grande interesse per la scienza degli alimenti: sono comunemente note come anticorpi e sono sintetizzate in varie parti dell’organismo, ghiandole mammarie incluse, in risposta all’invasione dei tessuti da parte di agenti esogeni, in particolare batteri, virus e tossine.

La loro reazione con questi antigeni è estremamente specifica e facilita la neutralizzazione o la distruzione degli invasori a opera di altre parti del sistema di difesa dell’organismo. È ormai assodato che l’esposizione della madre ai comuni agenti patogeni, specie quelli responsabili delle infezioni intestinali, come la diarrea, potenzialmente molto pericolosa per il neonato, stimola la comparsa di anticorpi appropriati nel latte materno, indubbiamente efficaci nel proteggere la prole da molte malattie pericolose.

Per quanto i produttori di alimenti per l’infanzia si sforzino di rendere simile al latte materno il prodotto in polvere a base di latte vaccino, è evidente che non sarà mai possibile eguagliare gli indiscutibili vantaggi dell’alimentazione al seno.

La qualità di una proteina dal punto di vista nutrizionale può essere determinata in modo certo solo con prove di alimentazione, ma ora si conosce il processo digestivo delle proteine in modo sufficientemente approfondito, così come sono noti gli effetti delle trasformazioni nel corso della lavorazione degli alimenti.

Dalle numerose determinazioni colorimetriche che sono state descritte in letteratura, poche sono quantitative e non sono in grado di dare un risultato esauriente come richiesto. Ne consegue che le tecniche cromatografiche sono diventate una scelta obbligata per la determinazione della composizione amminoacidica.

Sono disponibili sistemi ben collaudati di cromatografia su carta mono e bidimensionali. Le macchie relative agli amminoacidi possono essere rivelate per  mezzo della famosa reazione con la ninidrina, trichetoindano idrat, che produce una colorazione blu tranne nel caso di prolina e idrossiprolina, per le quali è gialla.

Molti laboratori utilizzano la cromatografia ionica per determinazioni di routine: si carica l’idrolizzato proteico su una colonna riempita con una resina a scambio ionicoe si eluisce con una serie di soluzioni a concentrazione ionica e pH crescenti, ottenendo gli amminoacidi in una sequenza estremamente riproducibile.

Nonostante una semplice dimostrazione della separazione a scambio ionico possa essere effettuata con comuni attrezzature, la maggior parte dei laboratori usa analizzatori di amminoacidi automatizzati, nei quali le operazioni di applicazione del campione, eluizione, rivelazione e dosaggio degli amminoacidi mediante reazione con ninidrina sono automatizzate.

L’idrolisi acida, necessaria per l’impiego di questi metodi, trasforma glutammina e arginina nei corrispondenti acidi, per cui il contenuto di questi quattro amminoacidi viene riportata come acido glutarico più glutammina e acido aspartico più asparagina. Il triptofano viene invece distrutto dall’attacco acido, per cui la sua determinazione richiede un’apposita analisi dopo idrolisi alcalina.

Qualsiasi analisi chimica, se deve essere specifica per le proteine, dipenderà dalla presenza di un particolare amminoacido. Ne consegue che i risultati analitici saranno influenzati dalle variazioni delle percentuali di quel particolare amminoacido considerato presente nelle proteine del materiale in esame e saranno in genere riferiti a una “proteina standard” arbitrariamente scelta.

Un esempio di questo tipo di analisi è il metodo di Loury, più comune in campo biochimico ch ein quello alimentare poiché è utilizzabile solo fino a concentrazione proteiche di 300 mg/cm^-3 . I residui di tirosina, in ambiente alcalino e in presenza di ioni rame, riducono il fosfomolibdotungato a un composto blu determinabile per via spettrofotometrica.

Un’altra procedura basata su metodi colorimetrici che utilizzano la spettrofotometria, la cui risposta è sufficientemente uniforme nei confronti delle diverse proteine, è il metodo del biureto. Anche in questo caso l’ambiente alcalino fa dipanare la catena polipeptidica rendendolo completamente accessibile, in modo tale che l’eccesso di Cu⁺⁺ non precipiti come Cu(OH)₂ . Benché meno sensibile del metodo di  Loury, questa tecnica analitica dà una risposta lineare fino a 10 mg/ml e ha il grosso pregio di essere molto semplice da impiegare.

Il metodo della determinazione delle proteine più comunemente impiegato è il metodo di Kjeldahl. Esso si basa sull’assunzione che la quantità di azoto non proteico presente in un alimento sia trascurabile e che, pertanto, la determinazione dell’azoto totale (esclusi i nitriti e i nitrati, in ogni caso non quantificati) rispecchi in modo accurato il contenuto proteico totale. Poiché la percentuale di azoto nella maggior parte delle proteine è circa pari al 16% (in peso), si usa generalmente il fattore 6.25 per convertire l’azoto determinato in contenuto proteico.

Naturalmente una maggiore accuratezza talora impone di ricorrere a fattori di conversione leggermente diversi in funzione degli alimenti analizzati. Le proteine dei cereali, ricche di glutammina, hanno un contenuto di azoto maggiore del normale e così richiedono un fattore di 5.70, che scende a 5.55 nel caso della gelatina, costituita per un circa terzo da glicina.

Per la carne si utilizza il fattore regolare 6.25, ma per uova e latte si sale rispettivamente a 6.38 e 6.68.

Nel metodo di Kjeldahl l’intero campione è digerito facendolo bollire e ricadere con acido solforico concentrato, in presenza di opportuni catalizzatori (ad esempio CuSO4 )e di Na2SO4 per aumentare la temperatura di ebollizione. In queste condizioni tutta la materia organica è mineralizzata e l’azoto passa in soluzione come ione ammonio. Al termine della digestione si recupera il mineralizzato e lo si trasferisce in un distillatore di Markham dove, in ambiente alcalino, si distilla in corrente di vapore l’ammoniaca liberata, raccogliendola in una soluzionea concentrazione nota di acido borico, e quindi la si titola. Nei laboratori moderni tutte queste procedure sono eseguite da sistemi semiautomatizzati.

Le percentuali dei diversi amminoacidi, presenti in vari alimenti, sono riportati in tabella .L’azione degli enzimi idrolitici nello stomaco o nell’intestino tenue porta alla demolizione delle proteine, ad amminoacidi, che entrano nel flusso sanguigno e diventano parte della dotazione del nostro organismo.

Fig. p-9: composizione in amminoacidi delle proteina della dieta

Questi possono in parte derivare anche dalla demolizione delle proteine dell’organismo, processo fondamentale del rinnovamento delle cellule vecchie o in soprannumero. Gli amminoacidi sono utilizzati non solo per la sintesi proteica, ma anche come materiale di partenza per la produzione di purine, pirimidine, porfirine e altre sostanze.

L’equilibrio tra gli amminoacidi assunti e le necessità dell’organismo è una delle funzioni epatiche più importanti. Molti dei cosiddetti amminoacidi non essenziali possono essere sintetizzati anche dai mammiferi, se in presenza di adeguate disponibilità di azoto amminico e carboidrati.

Tuttavia ce ne sono altri, i cosiddetti essenziali, che non possono essere sintetizzati dai mammiferi e devono essere presenti con la dieta.

Le proteine della dieta dovrebbero fornire gli amminoacidi nelle giuste proporzioni, secondo le necessità del corpo, ma naturalmente questa situazione è solo ideale.

Gli amminoacidi in eccesso sono distrutti ricavando energia attraverso un processo di ossidazione oppure sono convertiti in grasso di riserva. L’azoto è escreto come urea, oppure è utilizzato nella sintesi di amminoacidi non essenziali secondo le necessità dell’organismo. Nel caso si manifesti la carenza anche di un solo amminoacido essenziale, sorgono delle difficoltà, poiché si può bloccare la sintesi delle proteine.

Il regime alimentare europeo contiene quantità più che sufficienti di tutti gli amminoacidi, ma molti abitanti dell’Africa e dell’Asia hanno un apporto proteico inadeguato sia dal punto di vista quantitativo, sia da quello quantitativo, in special modo che alcuni amminoacidi essenziali.

Si è stabilito che la percentuale dei vari amminoacidi richiesti nell’infanzia corrisponde a quella del latte materno, tanto che questo è ora accettato come standard per giudicare il valore nutrizionale di altri alimenti.

Fig p-10: amminoacidi essenziali in alcune importanti proteine presenti negli alimenti

 E evidente da questi dati che la generalità dei ruoli svolti dalle catene laterali degli amminoacidi nel mantenere la struttura proteica, porta ad una composizione amminoacidica largamente simile in alimenti di origine diversa. Le proteine animali (uova, latte e carne) non differiscono in modo rilevante dal latte materno, ma quelle vegetali possono presentare qualche problema. Il basso contenuto di lisina nelle proteine del fumento diminuisce l’efficienza dell’apporto proteico di questo prodotto a solo il 50%, paragonato al latte materno.

La quantità di frumento necessaria per provvedere al fabbisogno  di lisina fornirebbe un eccesso di altri amminoacidi che andrebbero distrutti. I legumi, come soia e piselli sono dotati di buoni livelli di lisina, ma sono poveri di metionina, così che anch ‘essi non sono un’adeguata fonte proteica.

Una dieta che contenga una miscela di cereali e legumi sarebbe, quindi, ovviamente  più efficace. L’efficienza di una proteina o di un alimento  o di una dieta completa, può essere definita numericamente, calcolando le percentuali di ogni suo singolo amminoacido.

Confrontando questi dati con quelli del latte materno, si può calcolare il “punteggio chimico” come la percentuale relativa all’amminoacido essenziale meno rappresentato. Questi valori rappresentano una guida ragionevole, anche se del tutto orientativa, per valutare la presenza delle diverse proteine nell’alimentazione umana.

Fig p-11: efficienza nutrizionale di alcune espresse

Sperimentazioni per stimare l’efficienza in termini di percentuale di azoto proteico presente nella dieta rispetto a quello utilizzato dall’organismo, mostrano che non si raggiunge mai il valore teorico. Generalmente per spiegare queste discrepanze sono chiamati in causa l’inevitabile inefficienza del sistema digestivo e gli affetti della cottura, oltre al fatto che i dati della letteratura spesso si riferiscono a ricerche effettuate su animali di allevamento invece che sull’uomo.

Le proteine contenute nelle diete europee sono ben bilanciate e danno dei punteggi chimici di circa 70. Gli inglesi adulti assumono giornalmente una quantità di proteine compresa tra 60 e 90 in modo tale che qualsiasi dieta equilibrata, comprese quella vegetariana, forniranno almeno 3 g dell’amminoacido meno abbondante.

Il problema della carenza di lisina e di metionina delle proteine vegetali, che altrimenti costituirebbero un alimento ideale, è esacerbato dalla tendenza di questi due amminoacidi ad andare incontro a reazioni nel corso della conservazione o durante i processi di trasformazione degli alimenti che ne distruggono  il potere nutrizionale.

La reazione di Maillard tra il gruppo amminico della lisina e gli zuccheri  è illustrata in figura p-13 ma non è l’unica via attraverso la quale si può perdere lisina.

Fig p-12: reazione di Maillard

Nel corso dei trattamenti termici, spesso se condotti ad alte temperature e in condizioni alcaline, le catene laterali di molti amminoacidi sono in grado di legarsi con altre, causando delle perdite nutrizionali.

Cisterna e serina, perdendo rispettivamente acido solfidrico e acqua, sono entrambe soggette a trasformarsi in diidroalanina, che a sua volta è in grado di reagire con le catene laterali della lisina, portando alla formazione di legami irreeversibili tra parti diverse del polipeptide

L’acido solfidrico, proveniente dalla cisterna presente nella  cisterna dell’uovo, durante queste reazioni, macchia i cucchiaini di argento!!! La formazione di questi legami di reticolazione non solo riduce il numero di residui di lisina disponibili ma, legando catene polipeptidiche tra loro vicine, tende a impedire l’assimilazione della restante parte della molecola proteica, poiché si ostacola lo svolgimento e l’accesso agli enzimi proteolitici dell’intestino .    

Fig p-13: processo di degradazione degli amminoacidi in proteine sottoposte all’azione del calore in ambiente alcalino