PRINCIPALI REAZIONI DI ALTERAZIONE NEGLI ALIMENTI

MICROBIOLOGICHE - Patogeni/produzione tossine - Off-flavours - Variazioni di colore - Variazioni di consistenza - Sviluppo di gas (CO2, H2S) ENZIMATICHE - Variazioni di colore - Variazioni di consistenza - Off-flavours - Riduzione nutrienti CHIMICHE NEB - Colore - Flavour/off-flavour - Riduzione nutrienti - Sostanze tossiche OSSIDAZIONE - Off-flavour - Colore - Sostanze tossiche - Riduzione nutrienti FISICHE - Variazioni di consistenza - Variazioni di viscosità - Ricristallizzazione - Collapse, caking, shrinkage

FATTORI PREDISPONENTI LE ALTERAZIONI MICROBICHE

1 - Caratteristiche fisiche e chimiche dell’alimento

2 - Trattamenti

3 - Condizioni ambientali

4 - Natura e caratteri delle specie presenti

Caratteristiche fisiche e chimiche dell’alimento

pH: Batteri pH>4,0 Lieviti 2,5<pH<8,5 Muffe 2,0<pH<9,0 pH = 4,5 - E’ un pH barriera per il tecnologo. Sotto tale valore non crescono microrganismi patogeni Alimenti pH Alimenti pH acidi non acidi Frutta 2,2-4,5 Carne 7,0 Pomodori 3,8-4,5 Pesce 6,8 - 7,0 Vino 3,0 Latte 6,5 - 6,8 Succo di agrumi 3,0-3,5 Ortaggi 5,0 - 6,5 Albume 9,3 9,6

Potenziale di ossidoriduzione - Microrganismi aerobi stretti (maggior parte delle muffe) - Microrganismi anaerobi stretti - Microrganismi anaerobi facoltativi - Microrganismi microaerofili

Attività dell’acqua (aw) Batteri aw>0,91 Lieviti aw>0,88 Muffe aw>0,80 Batteri alofili aw>0,75 Muffe xerofile aw>0,65 Lieviti osmofili aw>0,6 Trattamenti Modificazione caratteri chimico-fisici 1) Modificazione pH (acidificazione, fermentazione) 2) Riduzione aw (disidratazione) Trattamenti termici Pastorizzazione/sterilizzazione - A seconda del pH Basse temperature 1) Refrigerazione - Riduzione dello sviluppo - Criofili 2) Congelamento - Blocco dello sviluppo microbico

Le condizioni ambientali Temperatura di magazzinaggio T min T ottimale T max Psicrofili -15 +10 +20 Mesofili +5-10 +30-40 +50 Termofili +40 +50-55 +65 L’umidità ambientale: Influisce sulla proliferazione di microrganismi sulla superficie dell’alimento L’atmosfera ambientale: O2, N2, e CO2 aerobi e anaerobi. Le atmosfere modificate e controllate. Caratteristiche del packaging.

Le reazioni di imbrunimento non enzimatico

Costituiscono un insieme complesso di reazioni che portano alla formazione di composti ad alto peso molecolare di colore bruno. Tali reazioni, che si instaurano nel corso dei trattamenti termici, sono responsabili di sensibili variazioni a carico delle caratteristiche sensoriali e nutrizionali degli alimenti. L’imbrunimento non enzimatico comprende le seguenti reazioni: • Caramellizzazione: coinvolge esclusivamente gli zuccheri • Reazione di Maillard: coinvolge zuccheri e composti aminici

Cambiamenti indotti negli alimenti dalle reazioni di imbrunimento non enzimatico

Variazioni di colore

Variazioni di aroma

Riduzione del contenuto di alcuni nutrienti (es. aminoacidi essenziali, vitamina C, tiamina, ecc.)

Formazione di composti con attività antiossidante

Formazione di composti con attività mutagena (es. imidazochinoline nei prodotti carnei)

Quando la NEB è desiderata: nei trattamenti di cottura, frittura, tostatura, ecc. Quando è indesiderata: nei trattamenti stabilizzanti (pastorizzazione, sterilizzazione), concentrazione, essiccamento, ecc.

LA REAZIONE DI MAILLARD ZUCCHERI RIDUCENTI + AMINOACIDI REAZIONE DI MAILLARD CARAMELLIZZAZIONE COMPOSTI DI AMADORI PRODOTTI DI FISSIONE HMF COMPOSTI RIDUCENTI Degradazione di Strecker ALDEIDI AMMINE

MELANOIDINE

Degradazione dell’acido ascorbico: in condizioni anaerobiche o aerobiche, porta alla formazione di anidride carbonica ed all’imbrunimento.

Fattori influenzanti l’imbrunimento non enzimatico

Diversi fattori fisici o chimici agiscono non soltanto sulla velocità, ma anche sulla natura delle reazioni di imbrunimento

Natura degli zuccheri riduttori Pentosi>Esosi (fruttosio>glucosio)>disaccaridi

La temperatura la NEB è una reazione favorita da alte temperature, in quanto molte delle sue reazioni hanno alta Ea. Formazione di glicosilamina 3-9 Kcal/mole Decomposizione di chetosamina 24 Kcal/mole Formazione di pigmenti 20-43 Kcal/mole

Attività dell’acqua La velocità massima si osserva per aw intermedie (0,55-0,75). Alte aw: si ha una diluizione delle sostanze reattive e, per la legge di azione di massa, una diminuzione della velocità di reazione. Basse aw: si ha una scarsa mobilità dei reagenti.

Fattori influenzanti l’imbrunimento non enzimatico

pH Gli effetti del pH sono complessi, perché ciascuna delle reazioni ha un suo pH ottimale: da 6 a 8 per la condensazione di Maillard, vicino a 7 per il riassestamento di Amadori, 5,5 per la degradazione delle chetosamine.

Alimenti aventi un pH compreso tra 6 e 8, per esempio latte e uova: condizioni favorevoli alla Maillard. Alimenti con pH tra 2,5 e 3,5, per esempio succhi e succhi concentrati di frutti acidi, quali limone e pompelmo. Maillard sfavorita, solamente a carico dell’acido ascorbico. Alimenti a pH intermedio

V

pH 1 4 7

Valutazione dell’imbrunimento non enzimatico

Misure spettrofotometriche (i campioni devono essere

limpidi e privi di torbidità) a 420nm a 294nm (dosaggio degli intermedi incolori)

Metodi colorimetrici con colorimetro tristimolo

Le misure possono essere effettuate anche su alimenti solidi e non sono distruttive

Dosaggio dell’idrossimetilfurfurolo o della furosina

Per cromatografia liquida (HPLC)

Dosaggio degli zuccheri residui Per cromatografia liquida (HPLC) Con kit enzimatici

Prevenzione dell’imbrunimento non enzimatico

Eliminazione dei substrati ossidazione glucosio ad acido gluconico (uova disidratate), ricondizionamento patate. Abbassamento del pH bassi valori di pH rallentano la reazione, tuttavia alcuni comuni acidi organici, come ad esempio l’acido citrico, possono accelerare la reazione la reazione di Maillard

Controllo della temperatura e dell’umidità Specialmente nei processi di disidratazione. Quando si è nei pressi dei valori di aw critici bisogna trovare un valido compromesso tra riduzione della temperatura e tempi di processo accettabili. Gli alimenti disidratati è preferibile che vengano conservati alla temperatura di 25°C. Per i succhi di agrumi concentrati si richiede un magazzinaggio intorno a 0°C. Agenti inibitori I solfiti reagiscono con i composti carbonilici dando solfonati, particolarmente stabili.

Fasi del processo di ossidazione lipidica

1) INDUZIONE RH R• + H •

Conservare gli alimenti al fresco

Evitare l’esposizione alla luce (imballaggi)

Inattivare le tracce di metalli (agenti sequestranti)

2) PROPAGAZIONE

R• + O ROO•

ROO• + RH ROOH + R•

ROOH RO• + OH•

RH + OH• R• + HO

Eliminazione dell’O2 presente e riduzione delle superfici

di contatto

Sostituzione dell’O2 con gas inerti (atm. Mod.)

Conservazione sottovuoto

3) TERMINAZIONE

2R• R-R

2R• R-O-O-R

ROO• + R• ROOR

A questo punto solo gli antiossidanti

ROO • + AH ROOH + A•

A• + A• A

Effetti dell’acqua sull’ossidazione dei lipidi

Effetto antiossidante - Idratazione dei metalli con conseguente riduzione della loro

attività catalitica

- Formazione di legami idrogeno con gli idroperossidi che

risultano così meno reattivi Azione pro-ossidante -Aumento della mobilità dei reagenti e dei catalizzatori azione pro-ossidante

azione diretta

di O2 sul grasso

effetti antiossidanti

aw

V

Fattori in grado di influire sulla velocità di

ossidazione

Fattori compositivi : gli acidi grassi insaturi si ossidano più

velocemente di quelli saturi

Azione pro-ossidante di : metalli, lipossigenasi, ecc.

Azione antiossidante di : antiossidanti naturalmente contenuti

o aggiunti (a. ascorbico), tocoferoli,

carotenoidi, composti ad attività

antiossidante formati in seguito a

trattamenti termici (es. prodotti della

reazione di Maillard)

Parametri chimico-fisici : attività dell’acqua

Parametri fisici : - luce

- temperatura (di processo e di

conservazione)

- grado di dispersione della frazione lipidica

- disponibilità di O2

Sistema H2O + olio stratificato Emulsione olio in H2O

Nel caso dell’emulsione, l’elevata superficie specifica

dell’olio causa una accelerazione dell’ossidazione

Misura dell’ossidazione dei grassi

Polimeri

Aldeidi (esanale)

Perossidi

O2

Tempo

C

o

n

c

e

n

t

r

a

z

i

o

n

e

- Misura O2 consumato : analisi gas-cromatografica dello spazio di

testa . Metodo polarografico.

- Misura numero di perossidi : Determinazione volumetrica. Pos-

sibili interferenze con i prodotti della

reazione di Maillard.

- T E A (a. tiobarbiturico) : dosa l’aldeide malonica e altre aldeidi.

Misura spettrofotometrica = 532

- Esanale : analisi gas-cromatografica dello spazio di testa.

IL DANNO ENZIMATICO Variazioni di colore

Sono generalmente delle reazioni catalizzate da ossidasi.

Esse possono provocare la comparsa di imbrunimenti o la

decolorazione di pigmenti (es. clorofille, carotenoidi, ecc.)

Polifenolossidasi (PPO

OH

R R

OH

OH 1) attività

Cresolasica

2) attività

Catecolasica

PPO

O

O

R

H2O +

OH

OH

R

1

2

O2

Polimeri bruni

Chinone instabile

BH2

PPO

Sono gli enzimi responsabili della comparsa di imbrunimenti in

frutti e vegetali che abbiano subito danni all’integrità dei tessuti

(pelatura, taglio, ecc.).

I prodotti di reazione non sono tossici, ma rendono il prodotto

meno gradevole.

A) Reazione preparatoria il fenolo viene ossidato in posizione orto B) Reazione di ossidazione vera e propria si ha la formazione di un chinone instabile che tende a polimerizzare formando catene non identificabili che danno colorazione scura Imbruniscono rapidamente: pesche, mele, banane, ciliegie, albicocche, uva,…. Non imbruniscono rapidamente: ananas, pomodoro, melone

OH

R R

OH

OH

O

O

R

OH

OH

R

O2 Melanoidine

Chinone

fenolo PPO

O2 + BH2 B + H2O

difenolo

+ PPO

Difenolo

+ H2O

Variazioni di consistenza Sono in genere reazioni idrolitiche a carico dei polisaccaridi strutturali di frutta e vegetali (pectine e cellulose)

POLIGATTURONASI (PG) Produzione di off-flavours Possono essere sia reazioni idrolitiche, sia di tipo ossidativo a carico dei lipidi LIPASI Sono in genere di origine microbica LIPOSSIGENASI : catalizzano la reazione di ossidazione lipidica con meccanismi analoghi alla reazione chimica Variazioni del potere nutrizionale a. ascorbico ossidasi

Acido ascorbico a. deidroascorbico O2

O

COOH

H

H

H

OH

OH

O

O

CH2OH R1COOH

CHOH + R2COOH

CH2OH R3COOH

Fattori in grado di influenzare la velocità delle reazioni enzimatiche indesiderate

TEMPERATURA

Alte temperature : trattamenti condotti a temperature superiori a 80° C provocano la denaturazione degli enzimi con perdita della loro attività catalitica Un breve trattamento termico, noto con il termine di scottatura o “blanching” costituisce l’intervento tecnologico classico per inattivare gli enzimi alterativi. Basse temperature : gli enzimi mantengono la loro attività catalitica anche a temperature molto basse (-15°C ; -20°C). A queste temperature le reazioni saranno molto lente ma comunque non trascurabili.

40 50 60 70 T

ATTIVAZIONE

DENATURAZIONE

PROTEICA

Att

ivit

à (%

)

pH : ogni enzima presenta un pH ottimale per la propria attività catalitica. Esso in genere è vicino alla neutralità. E’ possibile inibire le reazioni indesiderate abbassando il pH (es. uso di a. citrico). Aw : l’acqua è il mezzo solvente indispensabile per far avvenire una reazione enzimatica. L’acqua può costituire talvolta anche un prodotto di reazione.

2 6 8 10 4 pH

Att

ivit

à (%

) A

ttiv

ità

(%)

0,4 0,8 1,0 0,6

Lipossigenasi

Polifenolox

PPO

aw

Rimozione dei substrati : in alcuni casi per inibire la reazione

enzimatica si può rimuovere uno dei

due reagenti. Questo può essere

facilmente effettuato per le reazioni

ossidative ove l’O2 è indispensabile

per far avvenire la reazione.

fette di mela

confezionate in aria

colore

fette di mela

confezionate

in N2 e CO2

tempo di conservazione

Uso di additivi :

Per l’imbrunimento enzimatico SO2

(PPO)

Per l’irrancidimento idrolitico Antibiotici

(Lipasi)

Per l’idrolisi delle pectine Nessuno