LA BIOCHIMICA DEGLI ALIMENTI 1- Cambiamenti biochimici nei carboidrati alimentari - cambiamenti dei carboidrati durante la germinazione dei semi; - metabolismo dei carboidrati complessi; - metabolismo del lattosio ed acidi organici nella produzione di formaggio; - la rimozione di glucosio nella produzione di uova in polvere; - La produzione di sciroppi e di zuccheri dall’amido. 2- Cambiamenti biochimici di proteine e di amminoacidi negli alimenti - Proteolisi nei tessuti animali; - Attività transglutaminasica nella lavorazione del pesce; - Proteolisi nella fermentazione del latte; - Proteolisi nella germinazione dei semi; - Proteasi per la riduzione del Chill-Haze nella produzione della birra 3- Cambiamenti biochimici di lipidi negli alimenti - Cambiamenti dei lipidi nei sistemi alimentari - Cambiamenti dei lipidi nella fermentazione del formaggio, - Degradazione dei lipidi nella germinazione dei semi; 4- Maturazione dei frutti 1 DEGRADAZIONE DELL’AMIDO DURANTE LA GERMINAZIONE DI CHICCHI DI GRANO Enzyme α-amylase (EC 3.2.1.1) (endoamilasi) Reaction Starch —> glucose + maltose + maltotriose + α -limited dextrins + linear maltosaccharides Hexokinase (EC 2.7.1.1) D-hexose (glucose) + ATP --> D-hexose (glucose)-6-phosphate + ADP α -glucosidase (maltase, EC 3.2.1.20) Hydrolysis of terminal, nonreducing 1,4-linked α -D-glucose residues with release of α -D-glucose oligo-1,6 glucosidase α -limited dextrin —> linear maltosaccharides (limited dextrinase, isomaltase, sucrase isomerase, EC 3.2.1.10) β-amylase (EC 3.2.1.2) Linear maltosaccharides —> β-Maltose Phosphorylase (EC 2.4.1.1) (glicogeno fosforilasi) Linear maltosaccharides + phosphate —> α -D-glucose-1-phosphate Phosphoglucomutase (EC 5.4.2.2) α -D-glucose-1-phosphate —> α -D-glucose-6-phosphate Glucosephosphate isomerase D-glucose-6-phosphate —> D-fructose-6- phosphate (EC 5.3.1.9) 2 segue DEGRADAZIONE DELL’ AMIDO DURANTE LA GERMINAZIONE DI CHICCHI DI GRANO Enzyme Reaction UTP-glucose 1-phosphate uridyl UTP + -D-glucose- 1 -phosphate —> UDP-glucose transferase (UDP- glucose pyrophosphorylase; + pyrophosphate glucose 1 -phosphate uridyltransferase, EC 2.7.7.9) Sucrose phosphate synthetase (EC 2.4.1.14) UDP-glucose + D-fructose-6-phosphate —> sucrose phosphate + UDP Sugar phosphatase (EC 3.1.3.23) Sugar phosphate (fructose-6-phosphate) —> sugar (fructose) + inorganic phosphate Sucrose-6-phosphate —> sucrose + inorganic phosphate NDP-glucose + D-fructose —> sucrose + NDP (nucleoside difosfato) Sucrose --> glucose + fructose Sucrose phosphatase (EC 3.1.3.24) Sucrose synthetase (EC 2.4.1.13) -fructose-furanosidase (invertase, succharase, EC 3.2.1.26) 3 DEGRADATION OF COMPLEX CARBOHYDRATES Enzyme Reaction Cellulose degradation during seed germination Cellulase (EC 3.2.1.4) Endohydrolysis of 1,4-β-glucosidic linkages in cellulose and cereal β-D-glucans Glucan 1,4-β-glucosidase (Exo-1,4-β-glucosidase, EC 3.2.1.74) Hydrolysis of 1,4 linkages in 1,4 β -D- glucan so as to remove successive glucose units Cellulose 1,4-β-cellubiosidase Hydrolysis of 1,4-β-D-glucosidic linkages in cellulose and cellotetraose releasing cellubiose from the non-reducing ends of the chains (EC3.2.I.91) β-galactosan degradation β-galactosidase (EC 3.21.1.23) β-(1-4)-linked galactan —> D-galactose 4 Segue DEGRADATION OF COMPLEX CARBOHYDRATES Enzyme Reaction β–glucan degradation Glucan endo-1,6 β -glucosidase (EC 3.2.1.75) Random hydrolysis of 1,6 linkages in 1,6- β-D-glucans Glucan endo-1,4- β -glucosidase (EC 3.2.1.74) Hydrolysis of 1,4 linkages in 1,4-P-D-glucans so as to remove successive glucose units Glucan endo-1,3 β -D-glucanase (EC 3.2.1.58) Successive hydrolysis of β -D-glucose units from the nonreducing ends of 1,3-β -D-glucans, releasing βglucose Glucan 1,3-β –glucosidase (EC 3.2.1.39) 1-3- β -D-glucans -> α-D-glucose 5 SEGUE DEGRADATION OF COMPLEX CARBOHYDRATES Enzyme Reaction Pectin degradation Polygalacturonase (EC 3.2.1.15) Random hydrolysis of 1,4-α-D-galactosiduronic linkages in pectate and other galacturonans Galacturan 1,4- α galacturonidase [Exopolygalacturonase, poly (galacturonate) hydrolase, EC 3.2.1.67) (1,4- α -D-galacturoniside)n + H2O —> (1,4-a-Dgalacturoniside)n-1 + D-galacturonate Pectate lyase (pectate transeliminase, EC 4.2.2.2) Eliminative cleavage of pectate to give oligosaccharides with 4-deoxy- α -D-galact-4-enuronosyl groups at their nonreducing ends Pectin lyase (EC 4.2.2.10) Eliminative cleavage of pectin to give oligosaccharides with terminal 4-deoxy-6-methyl--D-galact-4enduronosyI groups. 6 CAMBIAMENTI NEI CARBOIDRATI NELLA PREPARAZIONE DEL FORMAGGIO Azione, Enzyme o Sistema enzimatico Formation of lactic acid Lactase (EC 3.2.1.108) Tagatose pathway Embden-Meyerhoff pathway Formation of pyruvate from citric acid Citrate (pro-3S) lyase (EC 4. 1.3.6) Oxaloacetate decarboxylase (EC 4.1.1.3) Formation of propionic and acetic acids Propionate pathway Formation of succinic acid Mixed acid pathway 21/12/2015 Reaction Lactose + H2O --> D-glucose + D-galactose Galactose-6-P —> lactic acid Glucose —> pyruvate —> lactic acid Citrate ---> oxaloacetate Oxaloacetate —> pyruvate + CO2 3 lactate —> 2 propionate + 1 acetate + CO2 + H20 3 alanine —> propionic acid + 1 acetate + CO2 + 3 ammonia Propionic acid + CO2 --> succinic acid 7 segue CAMBIAMENTI NEI CARBOIDRATI NELLA PREPARAZIONE DEL FORMAGGIO Azione, Enzima o Sistema enzimatico Reaction Formation of butiric acid Butyric acid pathway 2 lactate —> 1 butyrate + CO2 + 2H2 Formation of ethanol Phosphoketolase pathway Pyruvate decarboxylase (EC 4.1.1.1) Alcohol dehydrogenase (EC 1.1.1.1) Glucose —> acetylaldehyde —> ethanol Pyruvate —> acetylaldehyde + CO2 Acetylaldehyde + NADH + H+ —> ethanol + NAD+ Formation of formic acid Pyruvate-formate lyase (EC 2.3.1.54) Pyruvate + CoA —> formic acid + acetyl CoA Formation of diacetvl, acetoine, 2-3 butylene glycol Citrate fermentation pathway Citrate —> pyruvate —> acetyl CoA —> diacetyl —> acetoine —> 2-3 butylene glycol Formation of acetic acid Pyruvate-formate lyase (EC 2.3.1.54) Pyruvate + CoA —> formic acid + acetyl CoA Acetyl-CoA hydrolase (EC 3.1.2.1) Acetyl CoA + H2O —> acetic acid + CoA 8 LOCALIZZAZIONE E FUNZIONI PRINCIPALI DI PROTEINE MIOFIBRILLARI ASSOCIATE CON L’APPARATO CONTRATTILE E LA STRUTTURA DEL CITOSCHELETRO Localizzazione Proteina Funzione principale Contractile apparatus A-band Myosin c-protein F-, H-, I-proteins Muscle contraction Binds myosin filaments Binds myosin filaments M-line M-protein Myomesin Creatine kinase Binds myosin filaments Binds myosin filaments ATP synthesis I-band Actin Tropomyosin Troponins T, I, C Muscle contraction Regulates muscle contraction Regulates muscle contraction -, y-actinins Regulates actin filaments 9 LOCALIZZAZIONE E FUNZIONI PRINCIPALI DI PROTEINE MIOFIBRILLARI ASSOCIATE CON L’APPARATO CONTRATTILE E LA STRUTTURA DEL CITOSCHELETRO Localizzazione Proteina Funzione principale Cytoskeletal framework GAP filaments Connectin (titin) Links myosin filaments to Z-line N2-Line Nebulin Unknown By sarcolemma Vinculin Links myofibrils to sarcolemma Z-line -actinin Eu-actinin, filamin Desmin, vimmentin Synemin, Z-protein, Z-nin Links actin filaments to Z-line Links actin filaments to Z-line Peripheral structure to Z-line Lattice structure of Z-line 10 PROTEASES IN ANIMAL TISSUES AND THEIR DEGRADATION Enzyme Reaction Acid/aspartyl proteases Pepsin A (Pepsin, EC 3.4.23.1) Preferential cleavage, hydrophobic, preferably aromatic, residues in PI and P'1 positions Gastricsin (pepsin C, EC 3.4.23.3) More restricted specificity than pepsin A; high preferential cleavage at Tyr bond Specificity similar to, but narrower than that of pepsin A Cathepsin D (EC 3.4.23.5) Serine proteases Trypsin (α- and β-trypsin, EC 3.4.21.4) Chymotrypsin (Chymotrypsin A and B, EC 3.4.21.1) Preferential cleavage: Arg-, Lys Preferential cleavage: Tyr-, Trp-, Phe-, Leu- Chymotrysin C (EC 3.4.21.2) Preferential cleavage:Leu-, Tyr-, Phe-, Met-, Trp-, Gln-, Asn Pancreatic elastase (pancreatopeptidase E, pancreatic elastase I, EC 3.4.21.36) Hydrolysis of proteins, including elastin. Preferential cleavage: Ala+ Per rendere la carne più tenera 11 Segue acid/aspartyl proteases PROTEASES IN ANIMAL TISSUES AND THEIR DEGRADATION Enzyme Reaction Plasmin (fibrinase, fibrinolysin, Preferential cleavage: Lys- > Arg-; higher selectivity EC 3.4.21.7) than trypsin Enteropeptidase (enterokinase, Activation of trypsinogen by selective cleavage 3.4.21.9) of Lys-Ile bond Collagenase Thio/cysteine proteases Cathepsin B (cathepsin B l, EC 3.4.22.1) Papain* (EC 3.4.22.2) EC General term for hydrolysis of collagen into smaller molecules Hydrolysis of proteins, with broad specificity for peptide bonds, preferentially cleaves Arg-Arg- bonds in small molecule substrates Hydrolysis of proteins, with broad specificity for peptide bonds, but preference for an amino acid bearing a large hydrophobic side chain at the P2 position. Does not accept Val in PI' Elastasi e collagenasi -> demolizione del tessuto connettivo 21/12/2015 12 PROTEASES IN ANIMAL TISSUES AND THEIR DEGRADATION Enzyme Reaction Fiacin* (ficin, EC 3.4.23.3) Similar to that of papain Bromelain* (3.4.22.4) Broad specificity similar to that of pepsin A gamma-glutamyl hydrolase (EC 3.4.22.12 changed to 3.4.1.99) Hydrolyzes gamma-glutamyl bonds Cathepsin H (EC 3.4.22.16) Hydrolysis of proteins; acts also as an aminopeptidase (notably, cleaving Arg bond) as well as an endopeptidase Calpain-1 (EC 3.4.22.17 changed to 3.4.22.50 Limited cleavage of troponin I, tropomyosin, and C-protein from myofibrils and various cytoskeletal proteins from other tissues. Activates phosphorylase, kinase, and cyclicnucleotide-dependent protein kinase Metalloproteases Procollagen N-proteinase (EC 3.4.24.14) Cleaves N-propeptide of procollagen chain α1(I) at Pro + Gln and α2(I) at Ala+Gln 13 CAMBIAMENTI PROTEOLITICI NELLA PRODUZIONE DI FORMAGGIO Action and Enzymes Reaction Coagulation Chymosin (rennin, EC 3.4.23.4) K-Casein ->Para-K-casein + glycopeptide, similar to pepsin A Proteolysis Proteases Amino peptidases, dipeptidases, tripeptidases Proteins —> high molecular weight peptides + amino acids Low molecular weight peptides —> amino acids Proteases, endopeptidases, High molecular weight peptides —> low molecular weight peptides aminopeptidases 14 segue CAMBIAMENTI PROTEOLITICI NELLA PRODUZIONE DI FORMAGGIO Action and Enzymes Decomposition of amino acids Aspartate transaminase (EC 2.6.1.1) Methionine y-lyase (EC 4.4.1.11) Tryptophanase (EC 4.1.99.1) Reaction L-Asparate + 2-chetoglutarate —> oxaloacetate + L-glutamate L-methionine —> methanethiol + NH3 + 2-oxobutanolate L-tryptophan + H2O —> indole + pyruvate + NH3 Decarboxylases Lysine —> cadaverine Arginine —> putrescine Histidine —> histamine Glutamate —> aminobutyric acid Tyrosine —> tyramine Tryptophan —> tryptamine Deaminases Alanine —> pyruvate Tryptophan —> indole Glutamate —> a-ketoglutarate Serine —> pyruvate Threonine —> a-ketobutyrate 15 DEGRADAZIONE DI PROTEINE NEI SEMI IN GERMINAZIONE Enzyme Reaction Aminopeptidase (EC 3.4.11.11 deleted in 1992, referred to corresponding aminopeptidase) Neutral or aromatic aminoacyl-peptide + H2O --> neutral or aromatic amino acids + peptide Carboxypeptidase A (EC 3.4.17.1) Release of a C-terminal amino acid, but little or no action with -Asp, -Glu, -Arg, -Lys, or -Pro 16 La torbidità della birra Chill-Haze Esistono due tipi di torbidità che possono caratterizzare la birra fatta in casa. La torbidità propria della birra e quella dovuta al lievito responsabile della rifermentazione in bottiglia. La prima dipende da un imperfetta procedura, mentre la seconda e' in una certa misura, inevitabile. Il primo tipo di torbidita' può essere dovuto a diversi motivi. I più comuni sono infezioni e proteine. Nel caso di infezioni, che si possono evitare con una buona pulizia e "sanitazione" degli strumenti, potremo avere una birra perennemente torbida. Nel caso delle proteine (e dei polifenoli), avremo il cosiddetto "chill haze", cioè una birra che a temperatura ambiente risulta limpida, diventa torbida una volta raffreddata. Questo avviene perché le proteine che a temperatura ambiente sono disciolte nella birra, col raffreddamento coagulano. Le proteine, che sono presenti nell'orzo, cominciano a scomporsi già durante la maltazione. Nei malti meno modificati, questa scomposizione sarà minore, mentre in quelli più modificati, sarà maggiore. I malti moderni, soprattutto quelli di alta qualità disponibili per l'homebrewing, sono molto modificati. Quelli inglesi, poi, lo sono tradizionalmente in misura ancora maggiore. 21/12/2015 17 CAMBIAMENTI BIOCHIMICI DE LIPIDI NEGLI ALIMENTI 18 CAMBIAMENTI DEI LIPIDI NELLA PREPARAZIONE DEL FORMAGGIO Enzima o azione Reazione Lipolysis Lipases, esterases Acetoacetate decarboxylase (EC 4.1.1.4) Triglycerides —>11-keto acids, acetoacetate, fatty acids Acetoacetate + H+ —> acetone + CO2 Acetoacetate-CoA ligase (EC 6.2.1.16) Acetoacetate + ATP + CoA —> acetyl CoA + AMP + diphosphate Esterases Fatty acids —> esters Conversion of fatty acids p-oxidation and decarboxylation 21/12/2015 3-Keto acids --> methyl ketones 19 DEGRADAZIONE DEI LIPIDI NELLA GERMINAZIONE DEI SEMI Enzima o sistema enzimatico Lipase (oil body) Reazione Triacylglycerol —> diacylglycerol + fatty acid Triacylglycerol —> monoacylglycerol + fatty acids Diacylglycerol —> monoacylglycerol + fatty acid Fatty acid + CoA —> acyl CoA P-oxidation (glyoxysome) Acyl CoA —> acetyl CoA Glyoxylate cycle (glyoxysome) Acetyl CoA + succinate Mitochondrion Succinate --> phosphoenol pyruvate Reverse glycolysis (Cytosol) Phosphoenol pyruvate —> hexoses --> sucrose 21/12/2015 20 carne in putrefazione e ne reca il caratteristico odore fetido Cadaverina Putresceina La triptamina funge da intermediario al metabolismo dell'ormone vegetale Acido indol-3-acetico. Istamina Triptammina Svolge nell’uomno ruolo di neuromodulatore e neurotrasmettitore. Tiramina ha pertanto attività ipertensiva 21 acido γ-amminobutirrico (GABA) γ-amminoacido, principale neurotrasmettitore inibitorio nei mammiferi, del sistema nervoso centrale. Responsabile nella regolazione dell'eccitabilità neuronale in tutto il sistema nervoso. Negli esseri umani GABA è anche direttamente responsabile per la regolazione del tono muscolare. Indolo 22 Serina ____________ deidratasi amminoacrilato -> piruvato 23 Carboidrati complessi - AMIDO - -GLUCANI - CELLULOSA - PECTINE - INULINA - I β -glucani (dal lievito di birra-zimosan. Beta glucosio con legami 1-3 e 16) sono i maggiori componenti della frazione solubile della fibra alimentare e come tali esercitano, nel nostro organismo, una serie di effetti benefici correlati alla fibra alimentare, quali: rallentamento dello svuotamento gastrico, incremento della peristalsi intestinale. Inoltre, numerose evidenze sperimentali, negli ultimi anni, hanno evidenziato il ruolo dei β-glucani dell’orzo e dell’avena nel contenimento del livello di colesterolo e di glucosio ematico nell’uomo e in animali da laboratorio . β-glucani 3/6 g/die 24 25 CELLULOSA 21/12/2015 26 EMICELLULOSE Attualmente si conoscono tre tipi di emicellulose o glucani concatenati: • Xilani (xilosio; tegumento dei chicchi dei cereali, crusca; • Galattani-o galattosani/arabinolattani • Mannani/glucomannani In contrapposizione alla cellulosa, la cui molecola lineare è formata da unità di solo glucosio, le emicellulose sono invece costituite da zuccheri differenti, Inoltre hanno una struttura ramificata e non fibrosa. 21/12/2015 27 XILANI sono catene polisaccaridiche composte da uno scheletro di β-1,4-xilosio. 28 PECTINE Formate da unità di acido galatturonico Propectina. Forma colloidi nella parete Conferisce durezza. Alla maturazione viene metabolizzata in molecole più piccole e quindi i frutti diventano più soffici. Questi cambiamenti sono importanti Nella maturazione di pomodori, meli, caki. Innovazioni tecnologiche: pomodori geneticamente modificati e mele fuji con una più lunga shelf life. Nella matuterazione anche importante l’idrolisi dell’amido. Proprietà gelificante in presenza di zuccheri (naturale in mela, pere, limone.); Integratore commerciale: E440 Pectine fluide per aggiunte di metili ai gruppi carbossilici (metilesterasi); Possono contenere ramnosio (metile in posizione 6) 21/12/2015 29 La catena principale degli xilani è costituita da D-β-xilopiranosio le cui unità sono legate fra loro con legame 1→4; irregolarmente e con frequenza variabile a seconda della specie vegetale e/o della parte della pianta interessata, su questa catena possono innestarsi ramificazioni, costituite ancora da xilosio, oppure da (in ordine di frequenza decrescente): arabinosio (in forma L-arabinofuranosidica), acido 4-O-metil-glucuronico, mannosio, galattosio, rahmnosio. L'abbondanza delle ramificazioni costituite da arbinosio, nel più dei casi singole unità legate in posizione 2 e/o 3 sullo xilosio, giustifica l'identificazione di una ottoclasse di emicellulose anch'essa molto frequente in natura, gli arbino-xilani. INULINA (prebiotico-FOS ) L'inulina è un polimero glucidico con peso molecolare minore dell'amido, solubile in acqua e totalmente accumulato nei vacuoli . Si ottiene dalla polimerizzazione del β-D-fruttosio. Per azione dell'enzima inulasi l'idrolisi risultante produce fruttosio (zucchero consigliato per i diabetici). 21/12/2015 30 31 OSSIDAZIONE ENZIMATICA DEI LIPIDI IN SISTEMI ALIMENTARI Enzima Reazione Arachidonate-5-lipoxygenase (5-lipoxygenase, EC 1.13.11.34) Arachidonate + 02 —> (6E, 8Z, I IZ, 14Z)-(5S)5-hydroperoxyicosa-6-8-1 I ,14-tetraenoate Arachidonate-8-lipoxygenase (8-lipoxygenase, EC 1.13.11.40) Arachidonate + 02 —> (5Z, 9E, I IZ, I4Z)-(8R)8-hydroperoxyicosa-5,9,11,14-tetraenoate Arachidonate 12-lipoxygenase (12-lipoxygenase. Arachidonate + 02 —> (5Z, 8Z, 10E, 14Z)-(12S)EC 1.13.11.31) 12-hydroperoxyicosa-5,8,10,14-tetraenoate Arachidonate I 5-lipoxygenase (15-lipoxygenase, Arachidonate + O2 --> (5Z, 8Z, i IZ, 13E)-(15S)EC 1.13.11.33) 15-hydroperoxyicosa-5,8,11,13-tetraenoate Lipoxygenase (EC 1.13.11.12) Linoleate + 02 --> (9Z, I IE)-(13S)-13hydroperoxyoctadeca-9, 11-dienoate 32 PRODUZIONE SECONDARIA DI AMMINE IN PRODOTTI ITTICI Enzima reazione Histidine decarboxyalse (EC 4.1.1.22) L-Histidine —> histamine + CO2 Lysine decarboxylase (EC 4.1.1.18) L-Lysine —> cadaverine + CO2 Ornithine decarboxylase (EC 4.1.1.17) L-Ornithine --> putrescine + CO2 33 ALCUN I ENZIMI COMMERCIALI PRODOTTI BIOTECNOLOGICAMENTE Enzima Applicazione Acetolactate decarboxylase (EC 4.1.1.5) Beer aging and diacetyl reduction a-amylase (EC 3.2.1.1) High fructose corn syrup (HFCS) production Amylo-1,6-glucosidase (EC 3.2.1.33) High fructose corn syrup (HFCS) production Chymosin (EC 3.4.23.4) Milk clotting in cheese manufacturing Lactase (EC 3.2.1.108) Lactose hydrolysis Glucan 1,4-a-maltohydrolase (maltogenic a-amylase, EC 3.2.1.133) Anti-staling in bread (evita che il pane diventi stantio) 34 Tagatosio Si trova in piccole quantità nei latticini e può essere prodotto dal lattosio; l'idrolisi di quest'ultimo dà glucosio e galattosio, il galattosio per trattamento con basi forti - nello specifico, con idrossido di calcio - isomerizza a tagatosio. Trova uso come agente dolcificante alternativo al saccarosio. 35 Rimozione di glucosio nella produzione di uova in polvere intervento di glucosio ossidasi e catalasi 6-gluconolattone + H2O2 Glucosio +O2 glucosio ossidasi catalasi H2O 36