Tema svolto per la borsa di studio intitolata a
Quirino Sestini e Bernardo Sestini
Milesi Davide
a.s. 2014/2015
ISIS “G.Natta” 3^C LSA
Premessa
«NUTRIRE IL PIANETA, ENERGIA PER
LA VITA» è lo slogan di Expo 2015 e dietro
l’evento c’è molta scienza:
DEMOGRAFIA: siamo 7,2 miliardi, nel 2050 saremo 9 miliardi e
10 nel 2100;
ECONOMIA: oggi 1 miliardo di persone non hanno cibo ed acqua;
GEOPOLITICA: i denutriti si concentrano nei paesi in via di
sviluppo;
ECOLOGIA: il riscaldamento globale influirà pesantemente sulle
produzioni agricole;
BIOTECNOLOGIE: nuovi sistemi di miglioramento genetico saranno
decisivi per nutrire il mondo;
MEDICINA: la salute della popolazione è strettamente intrecciata con la
qualità e la quantità del cibo disponibile;
SCIENZA DELL’ALIMENTAZIONE: dobbiamo valutare in termini dietetici
ciò che mettiamo nel piatto;
ANTROPOLOGIA: il cibo è carico di significati etnici e simbolici;
FISICA: alla fine, il cibo è energia e la Terra non sfugge al 2^ Principio
della Termodinamica.
BBC Science - n. 28 Maggio 2015 – Editoriale di P. Bianucci
Mah………e la CHIMICA?
Introduzione
«Dalla chimica dipende la tutela della qualità dei cibi, la salvaguardia dei
livelli nutrizionali, la sperimentazione di fonti energetiche rinnovabili, la
fertilità dei nostri terreni, la varietà e la sicurezza della produzione
alimentare, la disponibilità di acque sane.»
www.chimici.it – Newsletter Expo 2015 n. 3
«I chimici potranno evidenziare i nuovi obiettivi per un millennio
sostenibile, dove da un lato ci sia la salvaguardia della diversità delle
produzioni e coltivazioni alimentari e dall’altro la tutela dei saperi e delle
tradizioni di intere culture. Significativo è tenere presente le tradizioni
alimentari regionali italiane, ma sarà anche importante svolgere i
concetti con riferimento alle tecniche di conservazione dei cibi, alle
diverse modalità di cottura, alle invenzioni finalizzate a modificare o
mantenere i sapori.»
Antonio Ribezzo – Consiglio Nazionale dei Chimici – La Chimica e
l’Industria 1/2015
Ha attirato la mia attenzione la relazione tra cibo e salute e, prendendo
spunto dalla versione italiana della rivista BBC SCIENCE di Aprile e
Maggio 2015 sulla quale era presente un articolo che trattava di
chimica e cottura dei cibi, ho deciso di affrontare questo tema nel
presente lavoro.
Cibo e salute
La salute delle popolazioni è infatti strettamente legata alla qualità e alla
quantità di cibo disponibile.
Uno degli aspetti che incide sulla salubrità di un alimento è ad esempio la cottura
dell’alimento stesso. La cottura dei cibi è un operazione che coinvolge molti aspetti
della chimica. Accade spesso che queste operazioni abbiano due volti: da un lato
migliorano il sapore e rendono più digeribili molti alimenti, ma promuovono anche la
formazione di nuove sostanze che possiedono talvolta effetti nocivi.
La scelta di cuocere i cibi risale a quasi un milione e mezzo di anni fa’, ovvero a
quando l’Homo erectus si rese conto che la cottura rendeva carne più digeribile.
Questa scoperta ha infatti portato a una completa modifica della dieta dell’uomo
preistorico dovuta alla possibilità di cuocere molti altri cibi
In tempi moderni, intorno all’Ottocento, l’uomo scoprì che la cottura portava anche
ad una sostanziale eliminazione di batteri, muffe, e funghi che, trovandosi sui cibi,
avrebbero potuto causare malattie
Introduzione a Maillard
La cottura della carne determina la produzione di profumi oltre che
l’indurimento e l’imbrunimento caratteristico della sua superficie.
Questi cambiamenti sono stati descritti dalla Reazione di Maillard (RM)
scoperta appunto da Louis Camille Maillard, un chimico e fisico francese.
Maillard scoprì questa reazione nel 1910, ma il suo
intento reale era quello di giungere alla sintesi in
laboratorio di proteine di interesse biologico. Egli
infatti si accorse che quando degli amminoacidi a
contatto con degli zuccheri venivano riscaldati,
(soprattutto in carenza di acqua), una parte degli
amminoacidi si perdeva, trasformandosi in qualcosa
di colore bruno e molto odoroso. Da questo fatto
intuì che questa trasformazione poteva rivestire un
ruolo fondamentale nello spiegare come si originano
gli aromi durante la cottura dei cibi.
Reazione di Maillard
La reazione di Maillard consiste in una serie complessa di fenomeni che
avviene a seguito dell’interazione di zuccheri e proteine. I composti che si
formano possiedono il colore e il profumo caratteristico del pane appena
sfornato o della superficie della bistecca.
Le reazioni sono piuttosto complesse e eterogenee, prevedono vari stadi
sino alla formazione di diverse sostanze, tra cui le melanoidine (causa
tipica dell’imbrunimento).
Reazione di Maillard
La reazione di Maillard quindi, non è semplicemente una ma si compone
di una moltitudine di reazioni molto differenti dove più molecole dello
stesso tipo possono portare a prodotti finali differenti. Questo significa
quindi che esistono infinite combinazioni odorose e gustative che sono
state utilizzate dalle cucine di tutto il mondo.
I percorsi posso essere differenti, a seconda delle caratteristiche della
molecola iniziale, oltre che dovuti a diverse condizioni di temperatura (da
140°C a 180°C), umidità, pH o alla presenza di catalizzatori.
Schema delle reazioni
Le reazioni di Maillard si possono suddividere in tre diverse fasi:
• 1^ FASE: non si riscontrano effetti visibili a occhio nudo, ma alcuni
amminoacidi come la lisina incominciano a degradarsi e quindi non
possono più essere assorbiti dall’organismo.
• 2^ FASE: in questa fase si originano i tipici composti odorosi, ma le
reazioni sono molto complesse e difficili da studiare.
• 3^ FASE: si crea una notevole quantità di molecole più grandi delle
precedenti che conferiscono al cibo un colore tendente al giallo-bruno.
Schema delle reazioni
Per far sì che si ottenga una buona reazione devono essere
presenti grandi quantità di zuccheri riducenti e amminoacidi
Uno zucchero riducente è un qualsiasi zucchero che possiede
un gruppo carbonilico (aldeidico o chetonico); ciò gli
permette di comportarsi come un agente riducente (agente
chimico che tende a cedere elettroni)
ESEMPI
Prima
fase
Nella prima fase si forma un composto, detto base di Schiff, tramite la
reazione del carbonio carbonilico dello zucchero con un gruppo
amminico di un amminoacido
La base di Schiff subisce poi un riarrangiamento dei doppi
legami che porta alla formazione del composto di Amadori, che a
sua volta è in equilibrio con un enediolo. Il riarrangiamento è
catalizzato dagli acidi. Tutti i composti sono stabili.
Questi composti non sono però responsabili della parte volatile del
profumo
Seconda fase
La complessità e la difficoltà di individuare tutte le reazioni che costituiscono
la seconda fase è dovuta al fatto che ciascuna delle molecole precedenti, tranne
il quantitativo di glucosio che non ha reagito, può perdere il residuo
dell’amminoacido di partenza, generando così molecole con proprietà
organolettiche diverse.
Inoltre si possono verificare vari fenomeni tra cui:
 Disidratazione e/o scissione dei composti della prima fase dovuta alle alte
temperature.
 Formazione di composti α-dicarbonilici (due gruppi carbonilici
adiacenti) e successiva trasformazione in composti eterociclici.
Terza fase
Si formano in questa fase le melanoidine, ovvero sostanze insolubli, con un
contenuto variabile di azoto e alto peso molecolare.
Si arriva ad ottenere le melanoidine quando le fasi precedenti sono state
completate.
E’ in questa fase che l’alimento acquisisce la caratteristica colorazione e,
insieme alle sostanze prodotte durante la seconda fase ed altre molecole, si
generano i particolari aromi legati alla pietanza.
Melanoidine
Le melanoidine, oltre che conferire il caratteristico colore giallo-bruno
possiedono alcune importanti proprietà:
 Attività antimicrobica
 Attività antiossidante: il ruolo specifico delle melanoidine nell’attività
antiossidante generale della RM è sconosciuto così come le relazioni tra
struttura, gruppi funzionali e capacità antiossidante non sono ancora state
scoperte. Si pensa però che riducano la concentrazione di ossigeno,
catturino ioni metallici come il ferro, blocchino la circolazione dei
radicali liberi, e prevengano la deidrogenazione dei substrati, evitando
la formazione di specie radicaliche.
Chelazione di ioni metallici introdotti con la dieta.
Pyranones residues
Pyridone residues
Effetti della RM
Positivi
 Formazione di aromi piacevoli (del caffe tostato, del pane, della carne, etc…).
 Produzione di melanoidine e sviluppo di proprietà antiossidanti.
 Aumento delle capacità di assorbimento di ioni metallici chelati dalle
melanoidine
Negativi
In alcuni alimenti, come nel latte sterilizzato, avviene una reazione di Maillard
indesiderata che fa assumere al latte una colorazione grigiastra e un vago sapore
di cotto.
L’amminoacido lisina viene degradato durante le prime fasi e quindi non è più
assimilabile dall’organismo.
Superati i 180°C si originano composti tossici e/o cancerogeni
Riduzione della capacità di assorbimento intestinale degli ioni metallici liberi
Composti tossici prodotti dalla RM
Se vengono superati i 180°C e il tempo medio di cottura di un alimento, si
possono originare anche composti nocivi e alcuni sono particolarmente
pericolosi:
 Acrilammide (come prodotto diretto della reazione di Maillard)
 Ammine eterocicliche (come prodotto diretto della reazione di Maillard
 Furano (conseguenza dell’utilizzo di alte temperature)
ACRILAMMIDE
L’acrilammide è la corrispondente ammide dell’acido acrilico. E’ un’aldeide che si
forma attraverso la RM in presenza di asparagina libera. Le patate, ma anche gli
strati esterni dei chicchi di cereali, i chicchi di caffè, il cacao e la frutta secca, sono
ricchi di asparagina libera e quindi se sottoposti a trattamenti che stimolano la RM
produrranno molta acrilammide. L’acrilammide è un composto mutageno e
cancerogeno, con tossicità sistemica ma preferenziale per il sistema nervoso sia
centrale che periferico e per quello riproduttivo.
E’ pericolosa per l’uomo già a bassissime concentrazioni soprattutto con
un’esposizione prolungata aumenta il rischio di diversi tumori.
AMMINE ETEROCICLICHE
Le ammine eterocicliche sono delle ammine
nelle quali l’azoto è inserito in un anello
aromatico o alifatico. Sono molecole
estremamente cancerogene.
Si possono formare durante la RM nella
carne quando sono presenti amminoacidi,
zuccheri e creatina (molecola presente solo
nel muscolo per fosforilare l’ATP).
Reazione dell’asparagina per la trasformazione in acrilammide
La quantità di ammine eterocicliche e l’attività mutagena delle stesse, aumentano in
funzione dell’aumentare della temperatura di cottura.
E’ possibile ridurre le ammine eterocicliche utilizzando antiossidanti prima della cottura
della carne.
FURANO
Il furano, è un composto eterociclico aromatico. Si
presenta come un liquido chiaro ed incolore, molto
volatile ed altamente infiammabile. E’ tossico e può
essere cancerogeno.
Si forma a partire da nutrienti come la vitamina C e
gli acidi grassi insaturi e polinsaturi: infatti deriva
dai trattamenti termici utilizzati per la disidratazione
della vitamina C in presenza di acidi grassi
polinsaturi. I derivati del furano sono componenti
altamente profumati (se ne trovano tantissimi nel
caffè) per cui in molti casi eliminare il furano
significa perdere molti aromi.
Ammine eterocicliche
Furano
Applicazione cosmetica della RM
AUTO-ABBRONZANTI
La reazione di Maillard è stata la base
anche della scoperta di sostanze autoabbronzanti.
Le creme che contengono
diidrossiacetone (DHA, un carboidrato
di sintesi) riescono a dare alla pelle un
colore più scuro (effetto abbronzane).Il
DHA infatti reagisce con gli
amminoacidi della cheratina (cisteina) e
come descrive la reazione di Maillard si
ottiene una colorazione brunastra sulla
superficie della pelle trattata.
IMARS
La consapevolezza dell’importanza e della complessità della
reazione è cresciuta negli anni fino a motivare la creazione di una
società scientifica internazionale dedicata a questo tema:
l’International Maillard Reaction Society (IMARS).
Inoltre dall’1 al 4 settembre 2015 si terrà a Tokyo, in Giappone, il
dodicesimo simposio internazionale sulla reazione di Maillard
Conclusione
La reazione di Maillard, che si innesca durante la cottura, porta quindi a
varie modifiche nell’alimento oltre che alla produzione di nuove sostanze.
I prodotti della reazione non sono ancora stati studiati completamente e
questo fa si che le varie cucine del mondo possano fare risaltare vari sapori
senza che industrie alimentari riescano a riprodurre in laboratorio quegli
aromi tipici di ogni etnia.
Ritengo quindi necessario che EXPO si interessi anche della salvaguardia
delle tradizioni e delle metodologie culinarie tipiche di ogni cultura.
Penso inoltre che continuando a studiare le reazioni e i fenomeni che si
verificano durante la cottura si potranno scoprire ulteriori benefici per la
salute di tutti.
Glossario
Basi di Schiff: Sono immine secondarie con gruppo funzionale -C=NR
Immine: Composti organici di gruppo funzionale -C=NEnediolo: Parola formata da un prefisso en- e un suffisso di-olo. In chimica
organica en- indica la presenza di un doppio legame C=C , mentre di-olo indica
la presenza di due gruppi -olo che sono i gruppi –OH (ossidrile).
Composto eterociclico: Un
composto eterociclico è un composto
ciclico costituito da molecole nelle
quali uno o più atomi dell'anello
sono eteroatomi, cioè atomi diversi
dal carbonio
Fosforilazione: La fosforilazione è una reazione chimica che consiste
nell'addizione di un gruppo fosfato (PO43-) ad una proteina o ad un'altra
molecola
Bibliografia
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Torres, M. C., Codoñer-Franch, P. Boix, L., *Muñiz, P., *GonzálezSanjose, M. L., and Valls-Bellés, V., SYNTETIC MELANOIDINS HAVE
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12. Newsletter Chimici.it http://www.chimici.it/cnc2014/index.php?id=108
Milesi Davide
a.s. 2014/2015
ISIS “G.Natta” 3^C LSA