la “materia oscura” nell’analisi della composizione degli alimenti

Coloro che hanno provato ad avvicinarsi allo studio dei prodotti di origine naturale, soprattutto quando questi sono concepiti in funzione di alimenti o di ingredienti alimentari, avranno probabilmente notato una curiosa e per certi versi un po’ inquietante circostanza: se da un lato moltissimi dei microcomponenti, magari quelli di più elevato significato funzionale specifico e maggiormente esaltati sul piano mediatico dagli esperti in ragione della significatività della loro interazione, positiva o negativa che sia, con il nostro organismo (come ad esempio le vitamine, gli alcaloidi, i sali minerali, gli steroli, alcuni acidi grassi, i terpeni) sono ricercati “singolarmente” dai laboratori estensori degli studi composizionali, individuati e quantificati per ogni ingrediente o prodotto finito con straordinario dettaglio nonostante le loro concentrazioni siano di fatto molto ridotte,
dall’altra parte si nota che sommando fra loro le concentrazioni assolute di tutti queste specie chimiche singolarmente descritte in un alimento si arriva a percentuali spesso esigue, terribilmente lontane dal teorico 100% di un diagramma a torta della composizione del prodotto.
Cosa ne è allora della fetta preponderante del prodotto?

alimenti Si osserva allora che se per definire i primi, ovvero i microcomponenti noti, si è scesi nel dettaglio dell’attribuzione e della quantificazione delle singole specie chimiche, per la definizione ed il dosaggio della restante e per lo più preponderante fetta composizionale il livello di dettaglio è per lo meno “più approssimato”, per non dire addirittura in molti casi contraddittorio.
Come se si fosse passati da un lavoro di discernimento condotto con il bisturi ad una divisione in blocchi spaccato con l’accetta.
Raccogliendo le nostre perplessità in proposito, il chimico specializzato in analisi degli alimenti o più in generale dei prodotti di origine naturale risponderà probabilmente che ai fini dell’impiego pratico del dato analitico per uso alimentare o dietetico definizioni come “proteine totali”, “fibra grezza”, “grassi insaturi” possono essere più che sufficienti all’utilizzatore finale dei dati; e potrà evidenziare inoltre che la determinazione analitica dei microcostituenti di un prodotto alimentare non si prefigge solitamente l’obiettivo di essere esaustiva, ovvero dovrebbe essere considerata su di un binario a parte rispetto alle tabelle di composizione degli alimenti propriamente dette, che prevedono una manciata di voci come ad esempio: proteine, carboidrati, lipidi, fibre, ceneri, acqua.
Tutte queste considerazioni sono senz’altro vere, ma altrettanto realistica è anche l’evidenza che dietro a questa disproporzione nel livello di definizione, vi è anche una seria differenza nelle possibilità concrete di approccio analitico fra le due classi di molecole.

La stragrande maggioranza dei metodi di analisi chimica comunemente utilizzati quantificano un analita in soluzione.   In altre parole, per essere rilevabile, identificabile e quantificabile una molecola deve essere solubile in acqua, o al limite in uno degli altri solventi più comunemente utilizzati in laboratorio (ad esempio un solvente apolare come l’esano o moderatamente polare come l’etanolo).   Dato che in molti casi questa condizione naturale di solubilità non è rispettata per ragioni intrinseche alla molecola stessa, l’operatore può intervenire sul campione con trattamenti chimici e fisici “pesanti”, inducendo reazioni che portano alla trasformazione delle molecole originariamente presenti in altre maggiormente solubili.   Di solito tutto questo si traduce in un processo di idrolisi che, sia esso mediato da un acido forte, da calore, da un enzima, da microonde o quant’altro porta quasi sempre all’ottenimento delle unità costituitive fondamentali, di solito più solubili, della molecola originale insolubile.   Così dai polisaccaridi, anche quelli più complessi ed insolubili, magari ramificati, strutturali, funzionalmente legati a molecole di tipo extra-saccaridico, si otterranno i singoli monosaccaridi; dalle proteine si otterranno i singoli aminoacidi; dai sali minerali, compresi quelli organizzati all’interno di strutture più complesse, ad esempio coordinati nel gruppo prostetico di un enzima oppure facenti parte di una micro-struttura cellulare con funzioni strutturali, si otterranno i singoli ioni in soluzione, e così via.
Questo modo di procedere consente tuttavia di ottenere un’informazione solo sommaria circa la reale composizione chimica della materia prima analizzata.
Sommaria in primo luogo perché non conserva informazione su come le singole unità erano organizzate fra loro (ad esempio uno stesso idrolizzato contenente due diversi monosaccaridi può originarsi da un gran numero di polisaccaridi potenzialmente diversi fra loro, per non parlare degli idrolizzati proteici), ma sommaria anche in ragione del fatto che anche ammettendo di poter ipotizzare la struttura delle molecole originarie, si perde in realtà tutta l’informazione circa l’organizzazione supramolecolare delle stesse.

spighe_frumento E’ chiaro come tutto questo derivi da una situazione di necessità nella quale per certi versi “non è possibile agire diversamente”, se non intraprendendo complesse ricerche di base che ormai pochi laboratori sul piano nazionale, quasi tutti nell’ambito dei maggiori organismi di ricerca, potrebbero sostenere, comunque con investimenti di tempo e denaro considerevolmente ingenti.   Per una manciata di materie prime vegetali di primaria importanza sulle quali si fonda maggiormente l’economia umana (nell’ambito della nutrizione vedasi i primi posti delle classifiche FAO) questi studi possono essere del tutti giustificati ed anzi, sono già stati intrapresi, hanno già fornito i loro risultati di dettaglio e procedono tuttora a grandi passi, aggiornando gli approfondimenti composizionali in funzione dell’evoluzione delle tecniche analitiche in interpretative disponibili sul mercato.
Per tutti gli altri, ovvero per la maggior parte delle matrici vegetali presenti in natura e anche dei prodotti di origine naturale disponibili sul mercato, magari quelli che fanno bella mostra di sé sugli scaffali delle erboristerie o del droghiere, per quanto reclamizzati in virtù di questa o quella proprietà funzionale specifica, una fetta non trascurabile, talvolta anzi molto importante della composizione rimane per così dire “oscura”, o per lo meno piuttosto approssimata nella sua composizione.

Finisce così che lo spettatore mediatico delle campagne di informazione, se non propriamente di promozione, pro o contro che siano, nei confronti di un determinato alimento, se non supportato da un’adeguata formazione scientifica di base, potrebbe arrivare a pensare che la vitamina C costituisca l’ingrediente fondamentale del succo di limone o di arancio, la caffeina rappresenti la molecola più abbondante nel caffè ed i grassi omega-3 straripino letteralmente dalle carni del cosiddetto pesce azzurro.    E invece non è affatto così: chi più chi meno gli esempi riportati, come quasi tutti gli altri nel campo nutraceutico (ovvero quello dell’alimentazione funzionale), evidenziano componenti che per quanto funzionalmente importanti per il consumatore non costituiscono di certo la fetta composizionalmente maggioritaria del prodotto! All’estremo minimale troviamo molte vitamine (giusto per fare un esempio la B12, cianocobalamina) o oligoelementi minerali come ad esempio lo zinco, il rame ed il selenio, che sono presenti nei prodotti alimentari in dosi ben inferiori a 0.001 grammi per chilogrammo di prodotto, quantità che secondo i metri di misura umanamente intuitivi risulterebbero pressoché impercepibili.

Nella tabella che segue, a titolo di esempio, sono riportate le concentrazioni individuali di ciascun composto fenolico contenuto in alcune importanti erbe officinali usate in fitoterapia e/o come spezie. Si noti che ciascun fenolo compare in ragione di non più di 2 mg/100g di prodotto (e per di più secco), ed anche sommando tutti i fenoli rilevati la concentrazione non supera comunque i pochi mg/100g.
contenuto_fenoli_piante_aromatiche

Per contro, una fetta importante nella composizione di un prodotto vegetale e/o alimentare, fino al livello delle decine di unità percentuali, è costituita da componenti generalisti e ubiquitari in ambito biologico, proprio perché coinvolti nei processi biochimici di base comuni a tutti gli esseri viventi, ad esempio i monosaccaridi della glicolisi, gli acidi carbossilici del ciclo di Kebrs, i singoli nucleotidi, i sali minerali, gli aminoacidi liberi e nelle loro combinazioni più semplici fino agli enzimi più primitivi, e se si tratta di un organismo vegetale anche clorofilla e citocromi vari, oltre a tutte quelle molecole organiche coinvolte nella fotosintesi stessa, ad esempio nel ciclo di Calvin.

Accade così che quando il consumatore attento, e nella maggior parte dei casi anche l’addetto ai lavori, prova a sommare tutti i macrocostituenti segnalati per un alimento, si accorge che il totale è mediamente ben diverso al 100%, e la cosa curiosa è che non si tratta sempre di un difetto (che lascerebbe presumere che ci sia ancora qualcosa di non indagato), ma in molti casi anche di un significativo eccesso.
Una delle ragioni pratiche di queste incongruenze sta nel fatto che alcuni macrocostituenti sono spesso determinati in modo indiretto, sulla base di una loro caratteristica chimica o chimico-fisica che in primo luogo non li attribuisce nel dettaglio ed in secondo luogo non è così loro specifica come si vorrebbero credere.   E se lo stesso componente fornisce segnale positivo in due diversi test analitici, allora la sua concentrazione stimata sarà doppia e questo andrà in direzione di un potenziale superamento del 100% della torta composizionale.

estrattore_soxhlet La determinazione consueta dei lipidi come “sostanze estraibili con etere di petrolio” (vedasi in figura l’apparecchio in vetro tradizionalmente utilizzato a questo proposito: l’estrattore Soxhlet) implica il fatto che tutte le sostanze anche solo in parte solubili in questo solvente, come ad esempio i terpeni e gli steroli, possano andare a gonfiare il valore che noi attribuiremmo ai lipidi in generale.   Questo potrebbe non comportare alcun problema di calcolo e magari neppure concettuale, finchè non si deciderà di misurare in modo specifico la concentrazione di terpeni e steroli, cosa fattibile perché si tratta appunto di quei “microcomponenti” funzionalmente rilevanti e singolarmente affrontabili sul piano analitico dei quali ho parlato in premessa. Sommando il valore dei lipidi misurati come sostanze estraibili con etere di petrolio a questi ulteriori valori si sarà tuttavia contato due volte l’apporto di una parte di componenti.
Lo stesso può dirsi per la valutazione speditiva del contenuto proteico valutato come azoto totale, previa mineralizzazione con metodo Kjeldahl o con gassificazione ad azoto molecolare: in entrambe i casi quello che si valuta è per l’appunto l’azoto totale contenuto nel prodotto e per un trattamento rigoroso questo valore andrebbe decurtato della quota di azoto inorganico inizialmente contenuto, così come di quello facente parte delle basi azotate puriniche e pirimidiniche, nonché di quello contenuto in eventuali alcaloidi.
Il chimico analitico che conosce bene la realtà dei prodotti di origine naturale sa bene che non tutti i valori analitici composizionali risultano semplicemente sommabili fra loro, dal momento che alcuni ne possono racchiudere altri al loro interno, ma un analista magari anche esperto in un campo di applicazione totalmente diverso, magari in quello della ricerca dei residui di pesticidi nelle acque, rischierebbe di incappare in qualche grossolano errore.

Una delle cause principali di approssimazione negli studi composizionali di prodotti di origine vegetale è rappresentato dall’insieme in verità piuttosto eterogeneo di classi di molecole che, almeno in un contesto alimentare, prenderebbero il nome di fibra.   In vero non esiste probabilmente un parametro composizionale meno “chimico” di questo.   Esistono diversi tipi di test per valutare il contenuto in fibra, ciascuno dei quali fornisce un valore solitamente diverso: NDF (fibra neutro-detersa), ADF (fibra acido detersa), ADL (lignina acido-detersa), fibra solubile, fibra grezza secondo Wende, ecc.
Il concetto di fibra alimentare o dietetica arriva ad includere classi di molecole totalmente differenti, quali i polisaccaridi (come la cellulosa ed i vari tipi di emicellulose), la lignina (un concetto di macromolecola a base fenolica condensata ma di struttura assai incerta e variabile) e secondo taluni addirittura le cere.
Di fatto nessuno di questi test è in grado di quantificare specifiche molecole, bensì le molecole in generale che risultano essere accomunate da un determinato comportamento, solubilità suscettibilità ad attacco acido o enzimatico.   crusca Se la fibra ADL “stima” il contenuto in lignina ma è anche influenzata dal contenuto in ceneri (in pratica i sali inorganici contenuti nel prodotto), la fibra ADF comprende da ADF insieme alla cellulosa, e la fibra NDF comprende a sua volta la ADF insieme alle emicellulose. Inoltre quando ci si sposta su ingredienti alimentari giusto meno ovvi rispetto al quotidiano, si scopre che classi di molecole apparentemente insospettabili, come ad esempio i polifenoli stessi, in taluni casi possono influenzare pesantemente il responso della valutazione della fibra, ovvero potrebbero essere “scambiati per fibra”, cosa che in considerazione della molteplicità delle stesse definizioni formali disponibili per questo importantissimo componente, potrebbe risultare alternativamente vero o non vero.
In pratica è estremamente facile interpretare male i dati relativi all’analisi delle fibre ed arrivare ad incongruenze anche gravi nel complemento a cento del diagramma di composizione percentuale di un prodotto.
Esistono poi test mirati per stimare in modo mirato una tipologia di fibra piuttosto che un’altra tramite ad esempio un test enzimatico di idrolisi che dovrebbe essere in linea di principio specifico, ed infine analisi HPAEC-PAD che potrebbero aiutare in linea teorica ad identificare ed eventualmente a quantificare ogni singola specie chimica contenuta in frazioni idrosolubili della fibra.
Ma poi ci chiediamo ancora una volta: tutto questo serve davvero?
Sicuramente sì se il nostro obiettivo rimane nell’ambito botanico, nella descrizione quanto più completa possibile di una matrice vegetale ben precisa; probabilmente no se il campo di applicazione diventa quello alimentare e nutrizionale… almeno fino a ieri.   Negli ultimi anni infatti si sta iniziando a chiarire e a diffondere sempre più la consapevolezza che la fibra, le diverse e specifiche tipologie di fibra, con elevata significatività della loro struttura molecolare, riveste per l’uomo un significato funzionale e nutraceutico ben maggiore che non quello di banale “materiale inerte” inassimilabile nell’ambito del processo digestivo.

Il mondo delle fibre nel contesto chimico-analitico ed alimentare merita da solo di essere affrontato in un post a parte, cosa che mi riprometto di fare a breve.
Per il momento la menzione ad essere è relativa agli appellativi che taluni nutrizionisti di buona coscienza chimica le hanno attribuito e che mettono in risalto da un lato il fatto che sotto questo macro-concetto si racchiuda solitamente una fetta preponderante del contenuto composizionale del materiale in esame, e dall’altro che sia proprio questa la fetta meno compresa e di più difficile approccio conoscitivo nel contesto analitico-alimentare.

Una risposta a la “materia oscura” nell’analisi della composizione degli alimenti

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