Chi di noi non si è mai chiesto, almeno da piccino, per quale strano motivo una mela affettata dopo qualche minuto comincia a imbrunire?  Oppure, per quale motivo il pesce assume quel tipico odore rancido dopo qualche giorno di conservazione?  Di esempi nella quotidianità se ne possono fare tanti, ma il fenomeno è molto semplice: si chiama ossidazione.  In natura tutte le sostanze nelle più svariate forme chimiche sono soggette ad un delicato equilibrio tra forma ossidata e forma ridotta, un equilibrio di straordinaria importanza per tutti gli organismi viventi che garantisce il normale svolgimento delle funzioni vitali.

Gli esseri umani sono organismi aerobi, ovvero sopravvivono in ambienti in cui vi è ossigeno.  La vita cellulare è possibile grazie al processo di respirazione cellulare, meccanismo attraverso cui, in presenza di ossigeno, si ricava dai legami chimici dei substrati a disposizione dell’organismo, l’energia necessaria ad espletare le funzioni vitali.  L’ossigeno quindi gioca un ruolo pressoché fondamentale all’interno di questo complesso meccanismo, che consta di diverse reazioni in cui i prodotti di un passaggio sono utilizzati come reagenti per lo step successivo.  Si tratta di reazioni di ossidazione progressiva dei substrati di natura organica, tra cui il glucosio rappresenta il principale “combustibile”: l’ossidazione di materiale organico è una reazione esotermica, ovvero rilascia una grande quantità di energia in tempi molto ristretti.  Tale energia viene incamerata sottoforma di ATP

C6H12O6 + 6O2  →  6CO2 + 6H2O + 36/38 molecole di ATP

Questa molecola può essere considerata la “moneta energetica” dell’organismo, per la sua posizione intermedia tra i composti donatori/accettori di gruppi fosfato: la conversione ADP->ATP e l’opposta reazione ATP->ADP possono avvenire entrambe facilmente nei diversi ambienti cellulari, con una liberazione di 30 kJ per ogni mole di legami.
I tipi di substrato che permettono una maggior resa energetica sono gli acidi grassi, metabolizzati attraverso vie come la beta ossidazione in tante molecole di acetil CoA che vengono poi internalizzati nel mitocondrio, dove viene ossidato completamente attraverso il ciclo di Krebs e rigenera molecole di ATP attraverso la fosforilazione ossidativa.   La molecola d’elezione per le vie aerobiche è comunque di tipo glucidico ed è, appunto, il glucosio, specialmente in alcuni tessuti.   Esso viene dapprima degradato attraverso la glicolisi dando origine a piruvato, il quale viene decarbossilato ed internalizzato nella matrice mitocondriale, dove subisce un processo di decarbossilazione ossidativa e successivamente entra nel ciclo di Krebs.   L’ultimo step è rappresentato dalla produzione di un gradiente protonico attraverso la membrana dei mitocondri generato per trasporto di elettroni attraverso una catena enzimatica che porta alla riduzione O2 e alla sintesi di ATP.

schema semplificato di respirazione cellulare

La catena di trasporto degli elettroni è situata nella membrana interna dei mitocondri, all’interno dei quali accetta atomi di idrogeno da molecole donatrici e si occupa di separare gli elettroni dai protoni liberando questi ultimi all’interno dello spazio intermembrana e trasportando gli elettroni verso l’accettore finale, l’ossigeno.   I trasportatori sono disposti in modo da avere potenziali di riduzione crescenti, pertanto gli elettroni venendo trasportati passano da uno stato energetico maggiore ad uno minore con conseguente liberazione di energia, che verrà utilizzata in parte per la sintesi di ATP ed in parte dispersa come calore.

Le specie coinvolte in questa complessa catena di eventi sono numerose; oltre ai substrati che subiscono il processo di ossidazione, all’ossigeno e ai vari prodotti che si susseguono, vi è una lunga serie di molecole “coadiuvanti”, che giocano un ruolo cruciale nell’intero processo.   Si tratta di enzimi e coenzimi, i “catalizzatori” dei sistemi biologici.   Gli enzimi sono nella maggior parte dei casi proteine e agiscono accelerando la velocità di reazione portando in maniera più rapida al raggiungimento dello stato di equilibrio termodinamico.   Molti di essi contengono molecole non proteiche che partecipano alla funzione catalitica legandosi all’enzima nelle vicinanze del sito attivo e vengono definite cofattori.   Combinandosi con la forma non attiva dell’enzima, esse danno origine ad un enzima cataliticamente attivo.
Queste molecole possono essere distinte in base della natura chimica in metalli e coenzimi, di solito piccole molecole organiche, ma possono essere classificati anche in base al tipo di legame contratto con l’enzima stesso, il quale può essere più o meno forte.
La maggior parte delle vitamine, composti che gli esseri umani e altri animali non sono in grado di sintetizzare autonomamente, sono cofattori o precursori di cofattori.
La catena respiratoria è costituita da una serie di complessi proteici e composti lipo-solubili capaci di produrre un potenziale elettrochimico attraverso la membrana mitocondriale mediante la creazione di un gradiente di concentrazione di ioni H+ tra i due lati della membrana.   In ogni tappa si ha un passaggio di elettroni da un complesso ad un altro, in particolare:
-  Complesso I – Coenzima Q reduttasi: questo complesso riceve due atomi di idrogeno dal coenzima NADH e li trasferisce interamente al secondo trasportatore della catena di trasporto degli elettroni, il Coenzima Q.
-  Complesso II – Succinato deidrogenasi
-  Complesso III – Citocromo c reduttasi: riceve elettroni dal Coenzima Q e li cede al citocromo c
-  Complesso IV – Citocromo c ossidasi: è l’ultimo complesso, che trasferisce gli elettroni direttamente all’ossigeno trasformandolo insieme agli ioni H+, in H2O.

In tutto questo però sorge un problema.   Se da una parte è vero che la maggior parte degli organismi complessi richiede ossigeno per la sua esistenza, è pur vero che l’ossigeno può anche essere una molecola altamente reattiva in grado di danneggiare gli organismi viventi stessi, producendo specie reattive dell’ossigeno, anche dette ROS (reactive oxygen species).  Sopresi?  Il nostro organismo però non si lascia prendere alla sprovvista.

ROS - reactive oxygen species

Proprio per questo vi è una complessa rete di enzimi e sistemi antiossidanti che lavorano sinergicamente per prevenire il danno ossidativo a componenti cellulari di fondamentale importanza come DNA, proteine e lipidi.   In generale, i sistemi antiossidanti o prevengono la formazione di queste specie ossidanti o le rimuovono prima che possano danneggiare i componenti vitali delle cellule.   Cosa sono i ROS?  Sono specie radicaliche, ovvero specie chimiche molto reattive aventi vita media di norma brevissima, costituite da un atomo o una molecola formata da più atomi che presenta un elettrone spaiato: tale elettrone rende il radicale estremamente reattivo, in grado di legarsi ad altri radicali o di sottrarre un elettrone ad altre molecole vicine.

Le specie reattive dell’ossigeno prodotte nelle cellule includono perossido di idrogeno (H2O2), acido ipocloroso (HClO) e radicali liberi come il radicale idrossile (OH•) e l’anione superossido (O2−); il radicale idrossile, in particolare, è altamente instabile e reagisce rapidamente e non in maniera non selettiva con la maggior parte delle molecole biologiche, rappresentando una minaccia non indifferente per l’organismo.   Questi ossidanti possono danneggiare le cellule iniziando reazioni chimiche a catena come la perossidazione lipidica, oppure ossidando il DNA o le proteine; è facile immaginare come un danneggiamento del DNA possa avere risvolti decisamente gravi e causare mutazioni genetiche qualora non entrino in gioco meccanismi di riparazione specifici, mentre danni alle proteine possono portare a fenomeni come inibizione della funzione enzimatica, denaturazione e degradazione.   Lo stress ossidativo di cui tanto si sente parlare non è altro che una è una condizione causata da uno sbilanciamento nel delicato equilibrio fisiologico fra la produzione e l’eliminazione di specie chimiche ossidanti.   Infatti, è bene tenere presente che le specie ossidanti ed i radicali liberi svolgono importanti ruoli fisiologici, come la difesa nei confronti di microrganismi patogeni, la trasmissione dei segnali biochimici fra le cellule e addirittura il controllo della pressione arteriosa!   È il loro eccesso a causare una condizione di stress, alla quale è possibile ricondurre la causa di molte patologie umane e naturalmente il processo di invecchiamento.   Ovviamente anche agenti esterni, come la dieta e alcune abitudini dannose contribuiscono alla formazione di radicali liberi!
Un’azione collaterale della catena respiratoria è la produzione di anione superossido e da esso di altre specie reattive dell’ossigeno (ROS): in particolare i maggiori produttori di superossido sono il Complesso I (che lo rilascia nella matrice) e il III (che lo rilascia nello spazio tra le due membrane).  La produzione aumenta ad alto potenziale di membrana, quando il flusso di elettroni è lento e la catena più ridotta: in tali condizioni il superossido è soprattutto formato dal trasporto inverso di elettroni da succinato a NAD.   Qualsiasi danno alla catena respiratoria è potenzialmente in grado di rallentare il flusso di elettroni a monte facilitando la produzione di superossido, condizione riscontrabile in alcune patologie a livello mitocondriale, nella senescenza e in altre condizioni patologiche.
Se il problema è quindi limitare il più possibile i danni di un’eccessiva ossidazione, le nostre cellule sono tutte pronte e dotate di sistemi che fanno al caso nostro.   Antiossidanti, ecco la parola magica. Enzimi, vitamine, ioni, sono tutti agenti riducenti in grado di contrastare la formazione di specie ossidate.  Ne esistono diversi tipi, in svariate forme, ognuno con il suo compito specifico e la sua precisa ubicazione, la natura non lascia nulla al caso in queste circostanze.   Si distinguono in base al grado di solubilità nei fluidi corporei e nelle membrane e si distribuiscono a varie concentrazioni nei diversi comparti cellulari; la quantità di protezione fornita da un antiossidante dipende quindi dalla sua concentrazione, dalla sua reattività verso la particolare specie reattiva dell’ossigeno considerata e lo stato degli antiossidanti con cui interagisce.   Alcuni composti contribuiscono alla difesa fornita dagli antiossidanti chelando i metalli di transizione, prevenendo così l’effetto catalitico che questi forniscono nella produzione dei radicali liberi nella cellula.
Tra gli antiossidanti endogeni, ovvero quelli prodotti dal nostro organismo, si possono annoverare diversi sistemi enzimatici all’opera.   Le superossido dismutasi, ad esempio, sono una classe di enzimi strettamente correlati presenti in quasi tutte le cellule aerobiche che catalizzano la rottura dell’anione superossido in ossigeno e perossido di idrogeno.   Contengono come cofattori ioni metallici che possono essere rame, zinco, manganese o ferro. Le catalasi, a loro volta, catalizzano la conversione di perossido di idrogeno in acqua e ossigeno, usando come cofattori ferro e manganese.   La catalasi è un enzima inusuale poiché, anche se il perossido di idrogeno è il suo solo substrato, segue un meccanismo ping-pong: il suo cofattore viene ossidato da una molecola di perossido di idrogeno e poi rigenerato trasferendo l’ossigeno legato ad una seconda molecola del substrato.
Infine vi sono le perossidasi che catalizzano la riduzione di perossido di idrogeno, perossidi organici e perossinitriti. Sono divise in tre classi di enzimi che condividono lo stesso meccanismo catalitico di base, in cui la redox-attiva cisteina nel sito attivo è ossidata ad acido sulfenico dal substrato perossido.   Tali enzimi sembrano sembrano rivestire un ruolo molto importante, poiché una loro assenza o inefficienza è associata ad anemia emolitica, una patologia causata da basse concentrazioni di emoglobina nel sangue per rottura dei globuli rossi.

Un altro sistema molto importante è quello del glutatione, che comprende diversi enzimi come glutatione riduttasi, glutatione perossidasi e glutatione S-transferasi.   Il glutatione è un peptide contenente glutammato, cisteina e glicina reperibile ad alte concentrazioni in molte forme di vita aerobiche.   Esso mantiene le sue proprietà antiossidanti poichè il gruppo tiolo (-SH) presente nella cisteina è un agente riducente e può essere ossidato e ridotto in maniera reversibile.  Nelle cellule, il glutatione viene mantenuto in forma ridotta dall’enzima glutatione riduttasi e a sua volta riduce altri metaboliti e sistemi enzimatici reagendo direttamente con gli ossidanti.

conversione del glutatione tra forma ridotta a forma ossidata e viceversa

L’altra grande categoria di antiossidanti, sicuramente più conosciuta, è rappresentata dalla classe delle vitamine.   Una varietà enorme di molecole, ognuna con caratteristiche peculiari e sorprendenti, racchiude in sé un enorme potenziale in termini di prevenzione dei fenomeni di ossidazione. Si tratta di sostanze organiche, che devono essere introdotte con la dieta poiché non vengono sintetizzati dall’organismo umano e risultano indispensabili ad esso. Si può fare una prima distinzione classificandole in base alla loro natura chimica e a come, di conseguenza, si ripartiscono nei tessuti dell’organismo in idrosolubili e liposolubili.   Le vitamine idrosolubili non sono accumulate dall’organismo umano, una volta espletata la loro funzione, principalmente di coenzimi, vengono eliminate velocemente, motivo per cui vanno assunte con maggiore regolarità.   Al contrario, le vitamine liposolubili, data la loro maggiore affinità con membrane e tessuti adiposi tendono ad essere accumulate nell’organismo e necessitano pertanto di un’assunzione meno assidua.   Non tutte le vitamine vengono assunte nella loro forma biologicamente utilizzabile ma piuttosto come precursori che, una volta assunti, vengono trasformati da specifici enzimi metabolici nella loro forma attiva e utilizzabile.
Tra le vitamine idrosolubili più conosciute vi è l’acido L-ascorbico, più noto come vitamina C.   La prima immagine che questo nome rievoca è senz’altro una bella spremuta di agrumi fatta e bevuta, per evitare che le prodigiose proprietà benefiche si volatilizzino nel giro di qualche istante.

trasformazioni dell'acido ascorbico

Ma cosa rende questa molecola così importante e potente?
La vitamina C, corrispondente all’enantiomero L, il solo ad essere biologicamente attivo, deve la sua forte azione riducente alla presenza di un gruppo enediolico.   In presenza di ossigeno e metalli l’acido ascorbico tende ad ossidarsi ed a formare acido deidroascorbico ed acqua ossigenata.   Grazie alla forte azione riducente, la vitamina C è coinvolta in molte reazioni di ossidoriduzione; essa, infatti, donando un elettrone forma l’acido semideidroascorbico, il quale può donare un secondo elettrone generando così l’acido deidroascorbico.   Quest’ultimo può essere ridotto ad opera di un enzima dipendente dal glutatione, la deidroascorbato reduttasi, rigenerando, così, l’acido ascorbico. La spiccata azione antiossidante della vitamina C e la sua capacità di mantenere stabili altre vitamine fa sì che essa venga utilizzata dalle industrie come additivo nei cibi.
Uno degli errori più comuni quando si pensa a ciò che riguarda antiossidanti e vitamine in genere consiste nel pensare che una ingente assunzione di vitamine possa solo giovare, qualunque sia l’entità. Se pensiamo però alla premessa iniziale, ovvero al fatto che l’organismo necessita di un equilibrio ossidoriduttivo per espletare al meglio le proprie funzioni ci rendiamo conto facilmente di come uno sbilanciamento a favore di sostanze riducenti sia altrettanto dannoso.   Per quanto riguarda le vitamine vi sono stretti intervalli di concentrazioni all’interno dei quali esse producono un’azione benefica, l’importante è non scendere al di sotto o non superare tali limiti.
Altri nomi importanti tra le idrosolubili rientrano nel gruppo delle vitamine B: tiamina, riboflavina, acido folico e pantotenico, biotina sono solo alcune.   Esse rivestono notevole importanza perché agiscono da cofattori “aiutando” gli enzimi coinvolti nei processi di respirazione cellulare e metabolismo, scambi elettronici, processi di sintesi e ossidazione e innumerevoli altre attività a livello dell’organismo.   A differenza dei substrati, che vengono modificati e trasformati durante una reazione enzimatica, i cofattori ritornano al loro stato iniziale.   Eccezioni sono i cofattori impiegati nella catalisi delle reazioni di ossidoriduzione; una molecola che funziona cedendo elettroni al substrato deve poi riacquistarli, in una reazione a parte, per essere nuovamente funzionale.   Dal punto di vista chimico i cofattori sono, per la maggior parte, ricchi di elettroni π, che conferiscono loro le proprietà catalitiche e reagiscono stechiometricamente alla reazione enzimatica.
Molti coenzimi sono coinvolti nel trasporto di gruppi chimici: ad esempio, il NAD+ , o nicotinammide-adenina-di nucleotide, è un carrier di elettroni in reazioni di ossidoriduzione, in grado di accettare un protone e due elettroni da un substrato, a formare il NADH.   NADH è in grado di donare questi elettroni ad un secondo substrato, rigenerandosi a NAD+.   Il piridossalfosfato, derivato della vitamina B6, è un coenzima utilizzato dalle amminotransferasi e dalle carbossilasi.   La catalisi avviene in due passaggi: nel primo viene catalizzata, ad esempio, la deaminazione degli amminoacidi ad alfa-chetoacidi. Nel secondo passaggio il gruppo amminico estratto viene trasferito ad un altro alfa-chetoacido che diventa così un amminoacido.   Il piridossalfosfato viene rigenerato in questo caso sullo stesso enzima, anche in questo caso in due passaggi. Considerazioni analoghe valgono anche per la reazione di decarbossilazione, che prevede l’idrolisi dell’intermedio legato all’enzima.

struttura generale di un tocoferolo

Altra categoria è quella delle vitamine liposolubili.   Qui l’azione esercitata è diversa, in quanto esse, ad eccezione della vitamina K, non agiscono da coenzimi, bensì partecipano singolarmente a reazioni in cui subiscono una trasformazione a carico della propria struttura molecolare.   Se l’acido ascorbico rappresenta l’antiossidante per eccellenza tra le vitamine idrosolubili, qui è la vitamina E, che conta otto tipi diversi, a primeggiare.  Tocoferoli e tocotrienoli sono i vari costituenti di questo gruppo di molecole, che presentano una struttura di base comune e sostituenti che li differenziano nelle diverse forme, fra cui l’alfa tocoferolo è la forma vitaminica biologicamente più potente ed attiva.
Essa, infatti, è conosciuta per il suo straordinario ruolo nella prevenzione dell’ossidazione degli acidi grassi polinsaturi, evento chiave nello sviluppo del processo di perossidazione lipidica, la quale, scatenata dall’azione di radicali liberi, si sviluppa attraverso reazioni a catena che perpetuano e alimentano il processo.   La vitamina E è in grado di bloccare questo fenomeno donando un elettrone ai radicali perossilipidici, rendendoli in tal modo meno reattivi e bloccando di fatto la perossidazione lipidica.   In questa reazione la vitamina E si trasforma in un radicale α-tocoferossilico, piuttosto stabile grazie allo sviluppo di fenomeni di risonanza, e che può reagire poi con composti come vitamina C, glutatione o coenzima Q10 per tornare alla forma iniziale, l’α-tocoferolo.

Una volta ossidata, la vitamina E diviene teoricamente una molecola instabile suscettibile a reagire con le altre molecole neutre e può contribuire però alla propagazione della catena di ossidazione.   La sua affinità particolare per la vitamina C le permette di essere ridotta da quest’ultima e di tornare adatta a prevenire le altre reazioni di perossidazione.

rigenerazione tocoferoli ed acido ascorbico

La vitamina E ha una struttura tale da riuscire a incorporarsi in seno agli strati di fosfolipidi formanti le membrane cellulari con un rapporto di una molecola di vitamina E per 2 a 3000 molecole di fosfolipidi.   Ciò significa che per poter giocare efficacemente il suo ruolo protettivo nei confronti degli acidi grassi, essa deve essere rapidamente rigenerata, altrimenti le riserve si esauriscono.   Tale rigenerazione è possibile grazie alla presenza di vitamina C, che essendo idrosolubile, si trova nei fluidi intra ed extracellulari; la reazione è reversibile, permettendo alla vitamina C di essere a sua volta rigenerata.   Questo tipo di reazione si verifica in diverse cellule, tra cui globuli rossi, piastrine, lipoproteine plasmatiche, ecc.   Dal momento che la perossidazione lipidica può determinare profonde alterazioni a livello delle membrane cellulari, alla vitamina E è riconosciuto un ruolo di grande rilievo nel mantenere tali strutture inalterate.

via di formazione del monossido di azoto

L’importanza dell’equilibrio redox all’interno della cellula è notevole; come già accennato a concentrazioni moderate, i ROS partecipano attivamente ad una varietà di processi biologici complessi, implicati nella normale crescita cellulare quali la trasduzione del segnale, il controllo dell’espressione genica, la senescenza cellulare, l’apoptosi; i radicali più rilevanti nelle funzioni biologiche sono il superossido e il monossido di azoto (NO), formati da due gruppi di enzimi, le isoforme della NAD(P)H ossidasi (6), e le isoforme della ossido nitrico sintasi(NOS), rispettivamente.   Quest’ultimo enzima, in particolare, è distribuito in maniera ubiquitaria nei tessuti e nei viventi in generale; esso provvede a produrre NO a partire da arginina, che viene poi trasformata in citrullina (metabolita intermedio del ciclo dell’urea).   L’enzima necessita di ossigeno e di altri per cofattori come FAD, FMN e NADPH.   Si  tratta di una reazione multifasica, ovvero costituita da diversi passaggi.   Nel primo un atomo di ossigeno viene inserito sull’azoto terminale del gruppo guanidinico dell’arginina formando un gruppo N-OH; su quest’ossigeno vengono poi portati 2 elettroni forniti dal NADPH e trasportati dagli altri cofattori fino ad ottenere acqua per eliminazione di 2 atomi di idrogeno e di un intermedio instabile che si libera e forma NO.

Questa sostanza riveste particolare importanza poiché agisce sulla muscolatura liscia dei vasi sanguigni provocando vasodilatazione con conseguente aumento del flusso ematico; inoltre risulta essere un potente vasodilatatore nonchè inibitore di adesione e aggregazione piastrinica.

I meccanismi di difesa sono fondamentali per l’omeostasi redox cellulare che dipende dal bilancio tra generazione dei ROS e sistemi antiossidanti. Quando l’equilibrio si sposta a favore dei primi oppure la cellula si trova in uno stato di carenza di difese antiossidanti si crea la condizione di stress ossidativo.   I principali enzimi responsabili dell’omeostasi redox cellulare funzionano come “spazzini” dei ROS, ma non possono intervenire direttamente sulle macromolecole biologiche a rimuovere un danno già avvenuto.   Per non rischiare, buona spremuta!

Print PDF

Cos’hanno in comune tra loro un vasetto di miele e una bottiglietta di aceto balsamico di Modena?   Due prodotti estremamente radicati nella tradizione culinaria italiana, ma non solo, sono accomunati dalla presenza di una sostanza che ne influenza in maniera consistente le proprietà organolettiche come sapore e colore.   Stiamo parlando del 5-idrossimetilfurfurale, più comunemente abbreviato con la sigla HMF, già più familiare se ricondotto alla reazione di Maillard e al processo di caramellizzazione.   Quando si parla di alimenti “zuccherosi” o derivanti da processi di fermentazione di zuccheri, HMF diventa una sostanza gioca un ruolo importante e la sua presenza riveste un ruolo ambiguo a seconda delle matrici alimentari considerate.

Facciamo un piccolo excursus sull’identità di questa molecola.   Il 5-idrossimetilfurfurale deriva dal processo di ossidazione degli zuccheri, in particolare di fruttosio e glucosio, zuccheri rispettivamente chetosi e aldosi costituiti da uno scheletro a sei atomi di carbonio che formano la molecola del saccarosio, il comunissimo zucchero da tavola.   Il fruttosio, esattamente come il glucosio e il saccarosio, si presenta come una polvere bianca e cristallina, più o meno fine, dal tipico sapore dolce che noi tutti conosciamo.   E chi di noi non ha provato almeno una volta a cimentarsi nella preparazione del caramello?   Se non altro per la curiosità di vedere questa massa bianca e granulare trasformarsi in una colata calda di liquido tipicamente marroncino e viscoso, che appena si raffredda diventa duro e difficile da spezzare.   Ci sono varie modalità di preparazione del caramello, a seconda del grado di durezza/morbidezza desiderato, ma la cosa fondamentale che si verifica è il riscaldamento e la conseguente trasformazione degli zuccheri. Come spesso accade nel mondo delle tecnologie alimentari, sono tempo e temperatura a condizionare maggiormente l’aspetto e il gusto del prodotto.   Ai fornelli quindi non avviene altro che la reazione di Maillard:

Lo zucchero, in questo caso fruttofuranosio, in condizioni di temperature nemmeno troppo elevate, inizia la sua trasformazione attraverso reazioni di disidratazione che lo portano alla trasformazione in un composto furanico recante un gruppo alcolico primario e un carbossile aldeidico, molto solubile in acqua e a sua volta poco stabile, quindi facilmente degradabile.

Come già accennato, non è necessario accendere il fornello a 160°C, temperatura a cui avviene la fusione dello zucchero, perché si verifichi la conversione ad HMF; è sufficiente, infatti, conservare sostanze alimenti zuccheri a temperature superiori a 30°C per tempi prolungati ed ecco che il processo si innesca.   Le reazioni di Maillard sono indotte in particolare dalle alte temperature sviluppate con tipologie di cottura come frittura e bollitura, da cattive condizioni di conservazione di alcuni alimenti, per esposizione alla luce e a temperature alte e in caso l’alimento venga sottoposto a trattamenti termici come sterilizzazione o pastorizzazione.   Tali processi rappresentano un fenomeno negativo che provoca una dequalificazione del prodotto a causa di fenomeni come imbrunimento, comparsa di aromi che possono risultare più o meno sgradevoli. Vi sono tuttavia casi in cui le reazioni di Maillard tornano utili in quanto migliorano le proprietà organolettiche del prodotto, come nel caffè e nel malto torrefatti.

Ma dove può formarsi l’idrossimetilfurfurale?   Sicuramente in tutte quelle matrici alimentari che sono fonte naturale di zucchero, dal succo di frutta al latte, al miele, ai distillati alcolici e così via.   Una delle matrici su cui deve essere controllato tassativamente il quantitativo di tale sostanza è il miele: si tratta infatti di un controllo dell’indice della freschezza del miele e del suo stato di conservazione.   Il miele è una delle sostanze per cui si è ritenuta indispensabile una specifica normativa ed è regolamentato dalla legge n°753 del 12 ottobre del 1982 (e successive modifiche), che disciplina la produzione, il confezionamento e l’etichettatura del prodotto.

Le normative consentono per questo parametro un limite massimo di 40 mg/kg (ppm); tuttavia si tratta di un valore eccessivamente elevato, poiché un miele di qualità non dovrebbe presentare, alla produzione, un valore di HMF superiore a 10 mg/kg.    Per tale ragione la maggior parte delle aziende produttrici di miele e dei distributori eseguono controlli periodici sia sul prodotto appena confezionato sia sullo stock presente in magazzino, proprio per accertarsi che durante il “tempo morto”, in cui il prodotto si trova sugli scaffali del supermarket o del magazzino, non si verifichi una degradazione degli zuccheri.    Per migliorare il livello della produzione dovrebbe essere posta maggiore attenzione a quelle fasi della lavorazione che possono essere più rischiose per la qualità: soprattutto l’igiene in corso di smielatura e invasettamento (per evitare contaminazioni da parte di agenti batterici o di polvere e altre particelle estranee) e i trattamenti termici, che sembrano tendenzialmente troppo elevati.   Anche la conservazione a temperatura ambiente infatti può portare ad una maggiore formazione di HMF rispetto a quanto avviene se il prodotto viene mantenuto a temperature attorno ai 4°C, quelle di un normale frigo per intenderci.   Questo è dovuto al fatto che la temperatura non è l’unica responsabile nella formazione dell’HMF: anche l’acidità infatti gioca il suo ruolo.   Tutti i mieli hanno una componente acida, presentando valori di pH sempre inferiori a 7, per lo più compresi tra 3,5 e 4,5.    La determinazione del pH fornisce una rapida indicazione circa la forza dell’acidità, dovuta alla presenza di numerosi acidi organici in parte già contenuti nel nettare o nella melata, in parte provenienti dalle api. L’acidità aumenta con l’invecchiamento, con la fermentazione, o se viene estratto da favi fortemente propolizzati.   In ambiente acido il fruttosio subisce un processo di degradazione che porta alla formazione di specie chimiche quali appunto l’HMF.

Anche il colore, in alcuni casi, può essere un indice della formazione di HMF; a parte i casi in cui il miele si presenta scuro per motivi fisiologici, ovvero per la tipologia di pianta da cui viene prodotto, è possibile osservare un imbrunimento della matrice corrispondente proprio al processo di degradazione, ovvero di caramellizzazione.   La motivazione per la quale il contenuto va strettamente controllato, oltre alla necessità di fornire un prodotto fresco e che conservi le sue proprietà organolettiche intatte, risiede nella sua potenziale tossicità per le api.    E’ noto che gli agricoltori sono soliti nutrire i propri allevamenti di api utilizzando del miele “vecchio”, spesso sottoposto a processi di sterilizzazione, che per antonomasia richiedono temperature elevate e tempi non troppo brevi.    Nel tentativo di eliminare possibili sostanze patogene dal miele si corre così il rischio di crearne altre. L’HMF esplica sulle api una tossicità a livello gastrointestinale, provocandone anche la morte se presente ad alte concentrazioni.    Sull’uomo invece non vi sono studi che evidenzino la capacità di indurre tossicità ad alcun livello alle concentrazioni normalmente reperibili all’interno dei mieli che commercialmente reperibili: qui il limite viene mantenuto solitamente su un massimo di 6-8 ppm, una quantità decisamente irrisoria.

Spostiamo invece l’attenzione su una matrice in cui HMF risulta fondamentale per la qualità finale del prodotto: l’aceto balsamico.    Ci sono innumerevoli metodi e procedure, gelosamente custodite e tramandate di generazione in generazione, per fare un buon aceto balsamico, vanto storico della città di Modena e ormai famoso in tutto il mondo, con tanto di marchio DOP.    La cucina italiana, ma non solo, è profondamente legata all’utilizzo di questa “salsa” dal sapore tipico e inconfondibile.   L’entroterra modenese e reggiano pullula di acetaie e case produttrici di aceto balsamico, ognuna delle quali cerca di studiare il modo migliore per dare quel tocco in più al proprio prodotto in modo da renderlo più o meno denso, più o meno aromatico a seconda del legno utilizzato per le botti in cui viene lasciato a fermentare; si va dal legno di castagno al rovere, gelso, frassino, ciliegio e ginepro.   Ciascun produttore sceglie le caratteristiche a lui più gradite, ma gli attributi di base devono essere sempre e comunque rispettati; fra questi colore e consistenza primeggiano senza pari.   E’ soprattutto il colore a distinguere inconfondibilmente un aceto balsamico da un comune aceto di vino, ed è proprio su questo aspetto che l’industria si concentra per cercare di emulare il più possibile l’originale.   Anche durante il lungo periodo di produzione dell’aceto si verificano una serie di trasformazioni responsabili dell’acidità e del colore del prodotto.   In particolare avviene dapprima la formazione di alcol etilico per fermentazione del mosto d’uva cotto; le uve utilizzate sono i trebbiani (come quello di Castelvetro) e lambruschi, in genere uve molto zuccherine.    In seguito si ha l’ossidazione di etanolo ad acido acetico, tipica reazione che segna il
confine tra vino e aceto.

Parallelamente si hanno molti altri processi che arricchiscono il prodotto, in quanto durante la fase di cottura a fuoco diretto e a vaso aperto, si ha una prima riduzione del volume di circa un terzo dove gli zuccheri si concentrano e vanno incontro ad una parziale caramellizzazione, pertanto il prodotto assume un primo colore “bruno”.   Vi ricorda qualcosa?   È proprio qui che si forma l’HMF.    Man mano che si procede con le fasi successive di travaso di botte in botte e fermentazione alcolica dovuta ad aceto batteri lo sciroppo che si forma si concentra sempre di più e si scurisce; l’acetaia è il luogo perfetto per la maturazione dell’aceto, che necessita forte escursione termica tra inverno ed estate, quando si arriva anche a 40 °C e si ha la maggior attività batterica e anche la maggior evaporazione.   Il mosto cotto ottenuto in queste condizioni è caratterizzato da elevati valori di HMF che dipendono in modo particolare dalla concentrazione finale del prodotto e dal periodo trascorso tra la produzione e l’impiego della materia prima. Ad ogni modo il contenuto di HMF può raggiungere in alcuni casi anche valori superiori a 5000 ppm.
Ecco quindi come diventa auspicabile se non necessaria la formazione di HMF durante l’invecchiamento di un prodotto come l’aceto, che per essere considerato una “perla” deve rimanere nelle botti per almeno 25 anni, un tempo che poco si sposa con la richiesta e la produzione su scala industriale.    Per questa motivazione non fanno testo ovviamente le versioni “low cost” più consone ad una disponibilità su vasta scala adatta all’uso quotidiano e poco ricercato che ne facciamo in casa quando cuciniamo o condiamo un insalata in fretta e furia.  Ad occhi esperti come quelli dell’intenditore pare ovvio che non vi sia confronto tra Aceto Balsamico Tradizionale e quello più accessibile preso dallo scaffale del supermercato, ma ciò che rende appetibile allo stesso modo o quasi i due prodotti è il colore scuro che essi presentano.   Il tempo di fermentazione e maturazione cui è sottoposto l’aceto low-cost è decisamente insufficiente a far si che si possa sviluppare, tra le altre cose, una colorazione scura adatta alla denominazione di aceto balsamico, risulta troppo chiara.   Per questa ragione è molto comune effettuare l’aggiunta, anche su altre tipologie di elementi per i quali è richiesta una colorazione bruna, di una sostanza colorante chiamata E150.    I coloranti o gli additivi in genere provocano sempre una reazione di allarmismo quando compaiono sulle etichette, ci si aspetta chissà quale sostanza chimica tossica e mortale; in questo caso, però, non si tratta d’altro se non del caramello, sempre lui, il più ricercato.   Esso viene ricavato dalla bruciatura dello zucchero in presenza di sali ammoniacali così da ottenere un colore nero molto forte e può essere classificato in varie categorie secondo i reagenti utilizzati nella loro fabbricazione.    La tossicità di tali additivi, con particolare riguardo per la cancerogenicità, è stata valutata da comitati scientifici che hanno stabilito il limite giornaliero entro il quale è possibile assumerne perché non si verifichino reazioni avverse, motivo per il quale i controlli a loro carico sono assolutamente rigorosi e assidui.   Vi è però un’altra sostanza di cui tenere conto, strettamente correlata all’HMF in quanto prodotta dalla stessa reazione di formazione: l’aldeide furanica, più conosciuta come furfurale. Essa si forma nello stesso modo visto per l’HMF, pertanto si trova nelle stesse matrici contenenti zuccheri e differisce dal suo simile per l’assenza del gruppo alcolico primario in posizione 5 sull’anello furanico.

Il furfurale è presente nei prodotti dolciari, nel miele, nei succhi di frutta pastorizzati o sterilizzati, in tutti quegli alimenti dove la presenza di zuccheri, associata ad un trattamento termico genera derivati furanici. Il caso delle bevande è analogo a quello degli alimenti, per quanto riguarda i processi di formazione del furfurale.
Per quanto riguarda le bevande alcoliche, le principali fonti di furfurale sono la materia prima impiegata (estratti vegetali contenenti zuccheri), il processo di produzione della bevanda (trattamenti termici), la conservazione (nel caso dei distillati in botte e dei vini in legno nuovo) e l’uso del caramello aromatico.   In particolare, nelle bevande alcoliche aromatizzate (soprattutto liquori amari) il maggior apporto di furfurale è certamente dovuto all’uso del caramello aromatico, che viene considerato come ingrediente spesso necessario a fini “estetici”.
Bisogna distinguere il caramello aromatico da quello colorante, considerato un additivo, in quattro classi: caramello caustico, caramello caustico al solfito, caramello ammoniacale e caramello ammoniacale al solfito.
La differenza tra questi tipi di caramello ed il caramello aromatico è notevole, sia per le proprietà coloranti ed aromatiche, sia per il contenuto in furfurale. Infatti, nel caramello colorante, il furfurale è contenuto in tracce o in piccole quantità, mentre nel caramello non additivato che viene considerato un caramello aromatico se ne possono trovare rilevanti quantità.   Se il processo di preparazione del caramello aromatico non è tenuto sotto controllo (in particolare per la temperatura e la durata del processo) la quantità di furfurale prodotta può variare notevolmente.   Tale aspetto non è affatto trascurabile poiché la produzione del caramello aromatico viene spesso effettuata artigianalmente, direttamente dalle stesse aziende che producono i liquori, mentre il caramello colorante viene acquistato da ditte specializzate in questo tipo di produzioni.
L’interesse per la determinazione di questa sostanza, nonostante non vi siano, a differenza dell’HMF, limiti legislativi da rispettare, è rivolto soprattutto a matrici come bevande alcoliche tra i quali vini, grappe e distillati in cui i processi messi in atto prevedono il raggiungimento di alte temperature.   Dai polisaccaridi presenti nel vino, tramite reazioni catalizzate dagli acidi e favorite dalla temperatura, si formano numerosi composti volatili, derivati dal furano, che sembrano però avere poca influenza sul profumo dei vini, data la bassa percettibilità olfattiva: tra questi vi sono il furfurale, il furoato di etile ed il 2-etossi-furano, presenti complessivamente nell’ordine di una decina di mg/L.    In minor quantità troviamo anche 2-acetil-furano, 5-etossi-metil-2-furfurale e 5-metil-2-furfurale.   Anche dalla degradazione termica dei polisaccaridi del legno usato per le botti, in particolar modo delle emicellulose, che si verifica durante le fasi della sua lavorazione si può sviluppare furfurale, insieme a 5-metil-furfurale e alcol furfurilico.   In questo contesto, grazie a numerose prove di macerazione di pezzi di legno di rovere precedentemente tostati, sono state rivelate quantità significative solamente di furfurale, in quanto la comparsa del 5-metil furfurale può aver provocato l’incremento nel tenore di furfurale.
Forte della capacità di conferire forti sapori e odori e caratterizzato da un deciso odore di mandorle amare, si trova spesso in molti cibi ed esaltatori organolettici, nonostante in alcuni casi, come nei vini, la sua presenza conferisca caratteristiche non sempre apprezzate.

Alla luce di quanto detto finora è facile immaginare come l’analisi chimica per la determinazione del quantitativo di tali sostanze in alimenti e simili abbia assunto un notevole importanza per assicurarsi che esso sia mantenuto entro i dovuti limiti.   Gli enti coinvolti nelle analisi riguardanti tale ambito sono impegnate, ora più che mai, nella ricerca di metodi sempre più accurati e innovativi che permettano processi di estrazione e rivelazione ottimali. Alcuni analiti, relativamente a specifiche matrici, sono in alcuni casi sottoposti a trattamenti particolari, in quanto l’intero procedimento di estrazione e rivelazione è condotto secondo specifiche linee guida dettate da istituti di accreditamento che certificano la validità di tale iter; l’HMF sul miele ne è un esempio.   Pertanto, poiché vi sono limiti di legge che impongono che non venga superato un certo quantitativo di tale sostanza nel miele, soprattutto se destinato alla vendita, seguire direttive specifiche e certificate conferisce un valore aggiunto ai risultati ottenuti.    Costruire un metodo di estrazione e rivelazione e ottimizzarne le condizioni non è certo una passeggiata, senza contare che l’HMF non si distingue di certo per essere una molecola stabile una volta disciolto, pertanto sono necessari non pochi accorgimenti per la buona riuscita dell’analisi!

Tra le tecniche collaudate capeggia la rivelazione classica e intramontabile con cromatografia HPLC-DAD in fase inversa; si adopera quindi una colonna caratterizzata da catene idrofobiche di 18 atomi di carbonio, anche detta C18 e un rivelatore UV a serie di diodi che permette di avere più lunghezze d’onda (λ) disponibili a cui registrare i cromatogrammi relativi all’analita in un intervallo compreso tra 190 e 400 nm; le sostanze analizzate infatti possono avere più di una lunghezza d’onda cui presentano picchi di assorbimento, pertanto è utile disporre di ognuna di essere e valutare a quale di queste corrisponde il miglior grado di purezza e di separazione.   L’HMF, ad esempio, presenta due λ corrispondenti a 3 punti di assorbimento, a 276, 285 e 300 nm; ciò che fa la differenza risiede anche nella natura della matrice da cui esso viene estratto e nelle sostanze che vi sono all’interno, poiché è consigliabile trovare una condizione in cui esse interferiscano il meno possibile e il campione risulti più “pulito”.   Altro fattore importante riguarda la fase mobile, ovvero il solvente o, più frequentemente, la miscela di solventi utilizzati per far eluire l’analita; trattandosi di fase inversa avremo a che fare con solventi polari come soluzioni acquose a pH più o meno acido combinati a varie percentuali con solventi organici come metanolo o acetonitrile che favoriscono l’eluizione dell’analita e successivamente il lavaggio della colonna dai residui della matrice.

Ecco un esempio di cromatogramma di HMF su un campione di succo di mela registrato con detector DAD a 276 nm.

Dopo questa carrellata di informazioni…
a me piace più pensare al miele così!

Print PDF

Se le piante si coltivano nei campi oppure nelle serre, i bovini si allevano nelle stalle o sui pascoli, le galline nei pollai e le pecore negli ovili, quando vogliamo allevare i microrganismi con finalità produttive, li trattiamo nei fermentatori.

I fermentatori sono degli speciali contenitori, spesso davvero superaccessoriati e dotati di raffinatissimi controlli, in qualche caso molto ma molto più caserecci, dove i microrganismi sono mantenuti in vita e fatti riprodurre, nelle migliori condizioni richieste per la loro esistenza o, come capita spesso per gli animali e le piante d’allevamento (per quanto la cosa risulti davvero triste) nelle condizioni migliori per poterli sfruttare a fini produttivi.
Batteri di ogni tipo, aerobi ed anaerobi, compresi quelli che desiderano sì un po’ di ossigeno ma guai a dargliene più di un tot, funghi di ogni tipo, dalle classiche muffe filamentose agli lieviti, che sono di fatto sempre una tipologia di funghi, ma unicellulari: tutta questa variegata casistica di microrganismi ed altri ancora possono essere allevati su scala di laboratorio o in impianti di dimensioni grandissime, dove il cuore del sistema, comunque lo si consideri, consiste sempre in un a grossa cisterna cilindrica, talvolta allestita con controlli ed attuatori degni, direbbe qualcuno, di una centrale nucleare, ma pur sempre di una cisterna si tratta, dove miliardi e miliardi di microrganismi, tutti della stessa specie e per lo più anche dello stesso ceppo genetico, se ne stanno tutti insieme a vivere e riprodursi in condizioni di concentrazione in confronto delle quali le galline in batteria avrebbero a disposizione una villa con piscina.

Tutti insieme a bagno, dal momento che per una molteplicità di ragioni che saranno facilmente comprese più avanti nella trattazione, le fermentazioni vengono solitamente condotte in dispersione acquosa del microrganismo, e quello che il fermentatore si trova normalmente a contenere è una massa liquida più o meno viscosa e torbida, quello che solitamente viene definito “brodo di fermentazione”.

Ma cosa mai potranno produrre batteri e lieviti di così interessante ed utile da giustificare degli investimenti strutturali in impianti industriali che spesso raggiungono il valore di milioni di euro?
Sembra poco se parliamo di farmaci, ed in particolare di principi attivi ormai indispensabili nella nostra civiltà come parecchi tipi di antibiotici?  O piccole molecole in grado di polimerizzare con la possibilità di essere sfruttate dall’industria dei polimeri plastici?    E che dire degli enzimi, utilizzati a loro volta nei più disparati campi della nostra esistenza (dai detersivi per il bucato all’industria della trasformazione alimentare) prodotti anch’essi dall’attività fermentativa?  O ancora altre piccole molecole come l’acido ascorbico (vitamina C), l’acido citrico (sì, lo stesso che contribuisce a rendere acido il succo degli agrumi) e tante altre sostanze ampiamente utilizzate dall’industria alimentare, cosmetica e farmaceutica?
Sempre rimanendo nel contesto alimentare, non pensiamo che il processo con il quale trasformiamo il mostro d’uva in vino ed il malto in birra siano basati su qualcosa di molto diverso: sono processi di fermentazione conosciuti da migliaia di anni ed i microrganismi che partecipano ad essi (essenzialmente lieviti) si sono nel frattempo ben irrobustiti e stabilizzati anche dal punto di vista genetico, tanto che questi processi possono oggi essere condotti anche in modo tutto sommato “agricolo” senza particolari forme di controllo in linea, ma sempre di fermentazioni si tratta, o per essere più precisi di trasformazioni della composizione chimica della materia mediate, quasi catalizzate, da un microrganismo.

Il termine “fermentazione” è spesso utilizzato, in buona parte a sproposito, per indicare qualsiasi tipo di trasformazione della composizione chimica della materia operata da microrganismi, mentre tanto i microbiologi quanto i biochimici insistono nel puntualizzare che le fermentazioni propriamente dette corrispondono solo ad una parte, probabilmente neanche la più rappresentativa, delle trasformazioni suddette.    Ho riservato al termine di questo articolo una sezione speciale di approfondimento per chiarire la differenza effettiva fra i processi fermentativi propriamente detti e le biotrasformazioni e biosintesi microbiche più in generale.
Sta di fatto che nel linguaggio corrente le apparecchiature utilizzate, più correttamente definibili “bioreattori”, prendono comunemente il nome di fermentatori al di là della specificità del processo che il microrganismo andrà ad operare all’interno di esso, ed anche i corsi universitari sull’argomento, come quello che ho avuto modo di frequentare presso l’Università degli Studi di Torino negli anni ’90, assumono denominazioni del tipo “chimica delle fermentazioni e batteriologia industriale”, pur trattando di argomenti che vanno ben al di là del processo di fermentazione propriamente detto.       Pertanto d’ora in avanti utilizzerò quasi sempre il termine “fermentazione” fra virgolette, consigliando caldamente il lettore ad approfondire questo importante distinguo nell’ultima sezione di questo testo.

Quello che vogliamo ora considerare, al di là di come lo si voglia nominare, è un generico processo, un accadimento naturale o pilotato dall’uomo, dove dei microrganismi vivi, attraverso uno o nella maggior parte dei casi numerosi passaggi biochimici, effettuano delle trasformazioni chimiche a carico, direttamente o indirettamente, delle sostanze chimiche che vengono loro fornite.
Queste trasformazioni possono essere effettuate a carico delle sostanze nutritive che essi assimilano, semplicemente producendo la cosiddetta “biomassa”, che altro non è che il loro stesso corpiccino, miliardi e miliardi di corpicini di batteri o di lieviti, vivi o morti che siano, appressati l’un l’altro, magari scolati dall’acqua nella quale si trovavano immersi, da impiegarsi per gli scopi più diversi, in primo luogo per l’alimentazione animale ed umana: i cubetti di lievito di birra, che acquistiamo nei negozi e con i quali prepariamo svariate ricette come l’impasto per la pizza, sono biomassa compressa, quindi miliardi e miliardi di cellule vive, dello lievito Saccharomyces cerevisiae, detto appunto “lievito di birra”, in dipendenza dal primo settore industriale che ha visto (e vede tutt’ora) l’impiego più massivo di questa specie.
Ma le straordinarie performances di sintesi e trasformazione delle quali sono capaci i microrganismi possono essere sfruttate non soltanto per produrre biomassa, bensì come ho avuto modo di anticipare in precedenza, anche molecole chimicamente ben definite e di specifico interesse applicativo per l’uomo.   Queste a loro volta possono essere prodotte a partire dalla normale dieta del microrganismo (es. glucosio, una fonte azotata, sali minerali, ossigeno, ecc), come uno dei tantissimi metaboliti, ovvero come una delle molecole normalmente prodotte nell’ambito del loro metabolismo.    In questo caso di parla di biosintesi di una certa molecola, come ad esempio di un enzima o di una vitamina: il batterio o il fungo già producono naturalmente questa specie chimica, ma noi li selezioniamo e/o modifichiamo su base genetica, e li coltiviamo nelle condizioni opportune per fargliene produrre molta, molta di più.

(clicca per ingrandire)

Oppure può trattarsi di molecole del tutto estranee al metabolismo del microrganismo in questione (le cosiddette molecole xenobiotiche), che possono essere prodotte con un numero limitato di passaggi (talvolta che con una reazione soltanto) a partire da un precursore chimico che introduciamo allo scopo nel cosiddetto “brodo di fermentazione”. In questo caso si fornisce al microrganismo il suo alimento abituale, ed in più una sostanza per lui estranea e probabilmente neppure utile, che però risulta in grado di trasformare in qualcos’altro, al pari di un’ostrica che trasforma in una perla quel fastidiosissimo granello di sabbia che gli allevatori introducono a forza fra le sue valve.   Una trasformazione che se operata artificialmente dall’uomo, con metodi chimico-sintetici tradizionali, comporterebbe costi e possibili “imperfezioni” spesso davvero insostenibili, mentre con l’aiuto di microrganismi specifici può risultare, oltre che economicamente vantaggiosa, anche estremamente mirata e selettiva.   Si parla in questo caso di biotrasformazioni.

Tornando alla infinita gamma di molecole che possono essere prodotte dai processi di biotrasformazione microbiologica industriale, possiamo persino arrivare ad accostare il settore “fermentativo” alle tradizionali commodities primarie come i materiali organici fossili (petrolio, carbone e metano in primo luogo), i prodotti dell’estrazione mineraria ed i prodotti agricoli/forestali.     Segno che non stiamo parlando di uno o di alcuni prodotti, e nemmeno di un gruppo limitati di microrganismi.   Parlando di sintesi microbiologiche stiamo parlando di un modo del tutto nuovo di attingere sostanze chimiche anche pure dalla natura o, guardando la cosa dall’altro punto di vista, di piegare la natura alla produzione delle molecole che sono ritenute importati per la vita dell’uomo.
…un modo relativamente nuovo, dicevamo?

Bè, come capita quasi sempre in questi casi nella storia dell’umanità, i fenomeni vengono osservati e sfruttati ben prima della loro effettiva comprensione.   E’ successo così con la sintesi chimica, è successo così con la profilassi igienica, con la coltivazione delle piante e con l’astronomia: nel nostro caso non era di certo necessario agli antichi conoscere le vie biochimiche degli lieviti, ed anzi, non era neppure indispensabile conoscere la natura della loro esistenza (ovvero che si trattasse di funghi unicellulari, microscopici) per poterli sfruttare per trasformare i carboidrati in etanolo nella produzione del vino e della birra, o dei formaggi fermentati o dello stesso yogurt.

Sì, effettivamente è difficile trovare una cultura, un’epoca, una popolazione al mondo dove non vengano sfruttate da tempi immemorabili fermentazioni microbiologiche per la preparazione di qualche prodotto utile, ed in particolare di alimenti e bevande.
Tutt’altro discorso vale invece per l’altro pallino della specie umana: oltre al voler sfruttare, anche quello di “voler sapere” il perché ed il percome di qualcosa che di fatto già accade… che essenzialmente resta poi funzionale alla finalità di sfruttare meglio, con maggiore qualità, riproducibilità e resa lo stesso fenomeno, con la buona pace dei ricercatori puri che (mi metto per primo in testa alla lista) porrebbero i loro quesiti intellettuali in cima alla lista delle priorità, come ragione e scopo della loro attività.   Ecco, se portiamo tutto questo sul piano delle scoperte scientifiche, la conoscenza relativa alle fermentazioni e più in generale alle trasformazioni microbiologiche si arricchisce di nomi e cognomi, e di date piuttosto recenti.

CREARE L’AMBIENTE DI VITA IDEALE

Abbiamo precedentemente anticipato come, dal punto di vista puramente concettuale, il cuore dell’impianto in piccola o grande scala nel quale si possono far avvenire le fermentazioni (che ora chiameremo giustamente “fermentatore”) consiste in una sorta di bidone, o di cisterna, o serbatoio che di si voglia.
Nei casi più semplici questa descrizione corrisponde abbastanza da vicino alla realtà: è il caso, per esempio, di quando si utilizza un microrganismo particolarmente robusto ed in grado di prevalere, sia nel numero che nelle capacità di sopraffazione, rispetto alla maggior parte degli altri microrganismi competitori, ubiquitari nell’ambiente, oppure del caso nel quale le condizioni di processo (es. il pH del substrato, la temperatura, la presenza di alcuni componenti) sono piuttosto selettive da inibire la crescita della maggior parte degli altri microrganismi indesiderati, o anche dell’eventualità nella quale i microrganismi ambientali non risultino poi così fastidiosi ed anzi possano addirittura risultare utili alla generazione di componenti secondari nel prodotto finito (es. molti prodotti alimentari della tradizione, quali formaggi).

Si tratta di casi-limite, legati solitamente più al settore della trasformazione agro-alimentare, ma è giusto affrontare da subito questo doveroso distinguo.    In molti di questi casi la condizione di assoluta sterilità dei contenitori, della strumentazione e delle stesse soluzioni, una delle poche condizioni di solito definite irrinunciabili per approcciare un processo di fermentazione controllata, può essere affrontata in modo critico, iniziando per esempio a domandarsi se una semplice “sanitarizzazione”, volta ad abbassare ma non necessariamente ad azzerare la carica microbica di strumentazioni e soluzioni, non risulti di fatto sufficiente, piuttosto che affrontare una sterilizzazione assoluta dell’ambiente di coltivazione e delle stesse soluzioni utilizzate.
La sterilizzazione viene solitamente effettuata con vapore d’acqua ad alta temperatura, in altri casi con sostanze chimiche biocide che devono poi essere necessariamente lavate via con abbondanti dosi di acqua microbiologicamente pura.  Le soluzioni da introdurre, da subito oppure in seguito nel corso della fermentazione (es. terreno di coltura, soluzioni tampone per compensare le variazioni di pH, soluzioni del substrato sul quale operare la biotrasformazione, ecc) sono solitamente sterilizzati in autoclave (quindi in contenitori ermetici pressurizzabili, ad una temperatura superiore a quella di ebollizione del solvente, es.>100°C per l’acqua), o anche con mezzi fisici, quali il passaggio attraverso finissime membrane di microfiltrazione (con porosità inferiore a 2 micron, ovvero inferiori alla dimensione media di una cellula batterica) o attraverso ugelli che impartiscono temporaneamente alle soluzioni una pressione talmente elevata da rompere la stessa parete cellulare batterica.
Ogni oggetto, materiale, soluzione, tubazione, anfratto ed interstizio delle apparecchiature che verranno a contatto con i microrganismi dovrà essere dunque scrupolosamente sterilizzata, quindi gli impianti stessi saranno costruiti secondo una logica che consenta il facile raggiungimento da parte dell’agente sterilizzante di ogni loro parte.   Dopo sterilizzazione ciascun componente non potrà entrare in contatto con altri oggetti o materiali non sterili, e neppure rimanere esposta all’aria.   La ragione di questa richiesta di elevata sterilità risiede nel fatto che, a parte i pochi casi “storici” riportati in premessa, quelli che andiamo ad allevare sono un po’ come delle orchidee tropicali nella Pianura Padana: non solo esse dovranno fronteggiare dei problemi oggettivi ed individuali per sopravvivere (es. temperatura, umidità, luce, tipo di terreno inadeguati…) ma soccomberanno con tutta probabilità sotto l’effetto della crescita di centinaia di altre specie vegetali autoctone, più robuste proprio perché maggiormente adattate a quell’ambiente specifico, e a crescita così veloce che nel giro di poco tempo arriveranno letteralmente a “soffocare” le nostre splendide da gracilissime orchidee tropicali.     Ecco, i microrganismi che vorremmo allevare per operare le biosintesi o le biotrasformazioni di nostro interesse, spesso soccomberebbero sotto la proliferazione preferenziale di altri microrganismi già presenti, anche a livello di semplice contaminazione, in un ambiente non sufficientemente sterile.
Ci sono poi le condizioni di vita specifiche del microrganismo d’interesse, che spesso non corrispondono esattamente alle condizioni per ottenere da essi la produzione desiderata. Mi spiego meglio.

Quando si dispone di un fermentatore ormai già perfettamente sterilizzato, con dentro di esso caricato il volume necessario di soluzione acquosa nutritiva anch’essa sterilizzata, si introduce (in linguaggio microbiologico di “inocula”) una piccola quantità di un concentrato purissimo del microrganismo.     Si tratta in pratica di una semina, ed il seme in questo caso è preparato da uno speciale laboratorio interno o esterno all’azienda che tratta la fermentazione, ed in molti casi conservato in forma stabilizzata, ad esempio sottoforma di liofilizzato o a bassissima temperatura, ovvero in condizioni tali da mantenere in vita questi microrganismi o le loro spore, senza indurne però ancora la moltiplicazione.

Una volta introdotto questo inoculo nel fermentatore, dobbiamo fare in modo che questi microrganismi si risveglino (nel caso dell’inoculo di spore) e soprattutto si moltiplichino il più velocemente possibile e nelle migliori condizioni di salute, in modo tale da raggiungere dopo un certo periodo (solitamente sull’ordine dei giorni) la quantità in numero, o in peso, di microrganismi desiderata in relazione al volume del fermentatore ed al tipo di processo che intendiamo svolgere.    Questa fase, che risponde al richiamo biblico “crescete e moltiplicatevi” prende il nome di fase vegetativa, che nella pratica industriale di distinguerà dalla successiva fase di messa in produzione, dove i microrganismi non cresceranno ulteriormente in numero ma, eventualmente sotto l’influenza di condizioni ambientali diverse, effettueranno le biosintesi o le biotrasformazioni desiderate.

Parametri fondamentali da monitorare e sui quali eventualmente intervenire per consentire una ottimale crescita vegetativa tanto di batteri quanto di lieviti o altre tipologie di funghi, sono:

• la fonte energetica (composizione chimica e la concentrazione), solitamente un carboidrato semplice;
• una fonte azotata (es. ammonio solfato, urea, nitrati, peptone, ecc);
• altri sali minerali;
• fattori di crescita specifici;
• la temperatura;
• il pH;
• la quantità di ossigeno e/o di anidride carbonica (per i microrganismi fotosintetici);
• la luce;
• l’agitazione/quiete della massa in fermentazione

A differenza degli organismi più grandi, come le piante e gli animali, non possiamo valutare il benessere dei microrganismi semplicemente osservandoli.   Non ci sono foglie che appassiscono o che cadono, né iniziano a lamentarsi o si siedono in un angolo come gli animali da compagnia.   I microrganismi in condizioni di disagio riducono (o sospendono del tutto) il loro tasso di moltiplicazione, nei casi estremi muoiono, oppure (quando saranno entrati nella fase produttiva) smettono di produrre le sostanze desiderate, quelle per le quali abbiamo allestito tutto il sistema di allevamento, ed eventualmente iniziano a produrne di indesiderate.      Questi sintomi di disagio sono certamente monitorabili, ma nel più dei casi quando essi si verificano è già troppo tardi, e se anche non dovessimo buttare via tutto il contenuto più o meno vivo del nostro fermentatore, un danno economico già ci sarebbe stato.

Prevenire è meglio che curare, e solitamente quando si inizia una fermentazione su scala industriale si dispone già di una quantità sufficiente di informazioni relative alle necessità ed alle condizioni ottimali sia per la fase di crescita che per quella di produzione interessati.
Un qualsiasi fermentatore che si rispetti, tanto su scala pilota che industriale, è dotato di un apparato di sensori di controllo in grado di monitorare in continuo tutti i parametri richiesti, dalla temperatura al pH, dalla concentrazione di ossigeno alla pressione (che si origina in seguito a molte attività fermentative).     In aggiunta a questa sensoristica è in ogni caso previsto un campionatore per il prelievo “una tantum” di una piccola quantità di brodo di coltura per verificare su di esso con analisi offline, ovvero non in tempo reale sull’impianto bensì condotte in un laboratorio di servizio, la concentrazione di alcune importanti molecole in soluzione, come ad esempio gli stessi carboidrati di nutrimento, la fonte azotata, gli altri sali minerali, gli eventuali prodotti della fermentazione, ed anche l’entità della biomassa in crescita, ovvero la concentrazione di microrganismi raggiunta per millilitro di brodo, ed eventualmente quanti di questi risultano effettivamente attivi.
Con moderne tecnologie, ed in particolare per mezzo della spettroscopia nel vicino infrarosso (NIR) è possibile effettuare analisi non distruttive ed in continuo, senza la necessità di prelevare materialmente il campione, anche su questi importanti parametri chimici, ed addirittura di stimare la biomassa medesima che, come è facile comprendere, non può certo essere considerata di primo acchito un parametro chimico.

Nei casi più sofisticati, e grazie anche al progressivo abbattimento dei costi di queste tecnologie anche a quelli meno critici, tutte le informazioni raccolte dai sensori descritti sono trasmesse in tempo reale ad un computer di controllo, che oltre a visualizzarli in una schermata unica che consente all’operatore umano di avere un colpo d’occhio immediato sulla situazione, permette la registrazione dell’evoluzione di questi parametri nel corso del processo di fermentazione.   Se sono stati preventivamente registrati i valori di riferimento di questi parametri (es. il pH ideale, la temperatura ideale, la concentrazione di ossigeno ideale, ecc) lo stesso PC è inoltre in grado di gestire un ritorno in feed-back delle stesse informazioni raccolte tramite i sensori, tramutandole in comandi operativi, sempre di tipo elettronico, su altrettanti attuatori, ovvero piccoli apparecchi o accessori montati sopra o in prossimità del fermentatore che consentiranno l’intervento automatico per compensare quei parametri di processo che si stanno gradualmente avviando alla deriva. Ad esempio se registriamo una temperatura troppo bassa rispetto alle specifiche richieste per quel tipo di microrganismo, il PC fornirà in consenso all’alimentazione elettrica di una resistenza posta nell’incamiciatura del fermentatore, o anche l’apertura parziale di una valvola che farà circolare nella sua intercapedine eterna dell’acqua calda.    Al contrario, se la temperatura registrata in tempo reale dovesse risultare troppo alta rispetto al valore ideale preventivamente immesso nello stesso PC, verrebbe istantaneamente trasmesso un comando finalizzato all’apertura di valvole verso un circuito di refrigerazione.   Tanto la carenza di nutrienti quanto le problematiche relative al pH (che nel più dei casi tende a ridursi nel corso del processo) sono compensati tramite l’introduzione di soluzioni acquose sterili, pompate nella dose richiesta tramite piccole pompe peristaltiche, anch’esse comandate in modo automatico tramite il sistema PC di controllo ed attuazione.
Addirittura tramite dispositivi mobili,, come quello riportato nell’immagine a lato, grazie ad applicativi specifici è oggi possibile per lo meno “monitorare” in tempo reale l’andamento dei più importanti parametri

Il parametro aerazione è controllato solitamente tramite l’insufflazione di aria (contenente ossigeno) o, al contrario nel caso di un eccesso, alla sua rimozione tramite sostituzione di parte della stessa dallo spazio di testa soprastante il brodo di coltura, con un gas inerte quale azoto, utile comunque a mantenere la pressione “atmosferica” sopra alla biomassa in crescita.

L’agitazione è un altro parametro fondamentale, che insieme all’accessibilità di tutte le parti ed interstizi in fase di sterilizzazione, costituisce una delle finalità progettuali fondamentali in sede di perfezionamento del progetto di realizzazione di un nuovo fermentatore.   L’agitazione è realizzata solitamente tramite un’elica collegata ad un albero e quindi da un motore esterno, ed è collocata nella parte bassa del contenitore cilindrico; per ottimizzare l’agitazione (per evitare che la massa, spesso piuttosto viscosa, giri tutta insieme senza per altro mescolarsi opportunamente) sono talvolta poste delle alette sulle pareti interne del fermentatore.   Le funzioni dell’agitazione sono molteplici: migliorare la distribuzione uniforme delle sostanze nutritive aggiunte, specie nel corso del processo, e ridistribuire meglio nella massa quelle prodotte, evitando così il loro accumulo in prossimità del microrganismo che le ha prodotte, ma anche migliorare la distribuzione dell’aria e l’allontanamento dei gas sottoprodotti (es. anidride carbonica), migliorare lo scambio termico rispetto alle pareti termostatate, ed infine impedire che si formino delle masse più o meno compatte (colonie) di microrganismi sulle pareti o sulle altre parti interne del fermentatore.   Nella maggior parte dei casi, infatti, è auspicabile per più di una ragione, mantenere i singoli organismi unicellulari separati l’uno dall’altro, o se non altro evitare che essi si aggreghino in masse macroscopiche, dal momento che le cellule meno superficiali della colonia, ovvero quelle più interne, sarebbero presumibilmente esposte a condizioni ambientali diverse da quelle delle cellule superficiali o disperse, ed in modo specifico a condizioni differenti da quelle desiderate e monitorate in tempo reale nella soluzione.

La gestione delle modalità di agitazione rischia di divenire ancora più critica per quei microrganismi come i funghi diversi dagli lieviti, ovvero i funghi filamentosi (la maggior parte degli appartenenti al regno Mycota), che proprio per loro natura richiederebbero per il loro benessere condizioni di sufficiente quiete per poter sviluppare le loro ife filamentose, fino all’organizzazione di strutture macroscopiche visibili ad occhio nudo.

STRATEGIE PER LA PRODUZIONE

Quando si verifica che la concentrazione di cellule batteriche o di lieviti ha raggiunto il valore desiderato, che solitamente corrisponde al valore di plateau nella loro curva di crescita, ovvero quando il numero di nuovi nati equipara il numero dei decessi, si può entrare nella fase cosiddetta produttiva.

Nel caso in cui cosa interessa sia semplicemente la biomassa (es. per la produzione dei panetti di lievito di birra) ci si limiterà a scaricare, filtrare e scolare un po’ la massa degli lieviti, che sarà quindi compattata nelle tradizionali formelle che troviamo poi nei banche del supermercato.   Esistono altri casi semplici, come ad esempio molte fermentazioni utilizzate nell’industria agro-alimentare, dove spesso non c’è un momento preciso che segna il passaggio tra la fase vegetativa e quella produttiva, ovvero l’operatore non cambia intenzionalmente le condizioni ambientali, ma lascia per così dire che la popolazione di microrganismi termini tutto il nutrimento disponibile o quasi (es. gli zuccheri del mosto), fino ad una sorta di auto-spegnimento della fermentazione.

Nel caso di fermentazioni con finalità biosintetiche o di biotrasformazione, tuttavia, l’operatore decide sulla base delle analisi chimiche e microbiologiche quando è il momento giusto per modificare le condizioni ambientali e quindi indurre la biomassa al massimo della sua crescita, ad effettuare le trasformazioni desiderate.
Come e forse ancor più che per la messa a punto delle condizioni ottimali per lo sviluppo vegetativo, diventa fondamentale a questo punto avere a disposizione informazioni accurate relative al comportamento ed alle richieste dello specifico microrganismo utilizzato, informazioni che devono essere ricavate, ben prima dell’avvio della fase industriale della produzione, per mezzo di piccoli bioreattori sperimentali da laboratorio (come quello in figura), solitamente in vetro o anch’essi in acciaio, dalla dimensioni veramente minime (pochi litri o anche meno) ma dotati spesso delle stesse possibilità di controllo ed automazione di quelli industriali.   Esistono centri di ricerca per lo sviluppo ed il miglioramento non soltanto delle condizioni di processo relative a crescita e produzione, ma del microrganismo stesso attraverso operazioni di selezione, modifica genetica e sperimentazione applicativa, che dispongono di ampie batterie di piccoli fermentatori sperimentali, come quello riportato nell’eloquente immagine a lato.

Spesso le condizioni da adottare non sono esattamente quelle preferite per la crescita dello stesso microrganismo, anzi, in molti casi risulta necessario introdurre in esso situazioni di stimolo, di stress, di necessità, di contingenza.   Molti enzimi necessari per effettuare queste trasformazioni, per quanto codificati geneticamente, sono infatti prodotti in modo apprezzabile solo in condizioni di reale necessità, ad esempio quando le condizioni ambientali si fanno critiche per la sopravvivenza, oppure quando viene a mancare la fonte di nutrimento favorita e il microrganismo deve accontentarsi di un’altra fonte, quella che gli forniamo noi allo scopo di far effettuare su di essa la trasformazione voluta.

brodo di fermentazione a termine processo, prima e dopo la filtrazione della biomassa

In altri casi riduciamo volontariamente la concentrazione di ossigeno, in altri si varia il pH anche oltre i limiti consigliati per una crescita sana e vigorosa, in altri si introduce una molecola estranea, non utile per la vita del microrganismo e talvolta persino fastidiosa, tanto fastidiosa che su di esso eseguirà delle reazioni chimiche allo scopo di ridurne l’impatto, in linea con l’esempio precedentemente richiamato dell’ostrica con il granello di sale.

Quando si vuole fare produrre qualcosa ai microrganismi che non sia semplicemente la loro stessa biomassa, a seconda dei casi (tipo di sostanza e di specie) la sostanza stessa può essere escreta nel brodo di coltura, dal quale può essere recuperata (insieme a tutti gli altri soluti) filtrando via la biomassa, oppure può rimanere racchiusa all’interno della cellula dello stesso microrganismo, dal quale può essere recuperata (insieme a tutti gli altri metaboliti cellulari) solo previa rottura della cellula con mezzi chimici, fisici o meccanici quali ultrasuoni, calore, pressione, ecc.

IN CONCLUSIONE

In conclusione, la gestione dei processi di biotrasformazione microbiologica non risulta troppo dissimile dalla gestione di un processo di sintesi o comunque di trasformazione chimica.   La conduzione di un fermentatore, sia esso in scala pilota oppure di grandi dimensioni utilizzato per finalità produttive, presenta diverse analogie con la conduzione di un reattore dove uno o più reagenti, in determinate condizioni ambientali (es. temperatura, pressione, pH) ed eventualmente in presenza di catalizzatori sono trasformate in uno o più prodotti, magari con la co-generazione più o meno controllabile di sottoprodotti indesiderati.

Il microrganismo in una biotrasformazione, forte anche del suo corredo enzimatico che rende ancora più forte la metafora fino a farla diventare pura realtà, può essere assimilato al catalizzatore necessario per rendere possibile, o meglio rapida, una reazione organica, abbassandone l’energia di attivazione.
Nel suo insieme un fermentatore può quindi essere visto a tutti gli effetti, ed anche sul piano etimologico,  come un “bio-reattore” nel quale si introducono dei reagenti (substrato nutritivo, sali minerali ed altri fattori di crescita, eventuale ossigeno o anidride carbonica, l’eventuale substrato da trasformare), dei catalizzatori (inoculo del microrganismo) e dei media (acqua, tamponi, ecc), e si ottengono da esso prodotti utili e sottoprodotti, che solitamente vengono separati fra loro nelle fasi successive alla fermentazione mediante procedimenti di natura effettivamente chimica.

Al pari di un reattore chimico tradizionale, anche un bioreattore, almeno in linea di principio, può funzionare in modo discontinuo oppure in modo continuo.
L’impiego discontinuo, detto anche a batch, è quello classico descritto finora: si sterilizza, si riempie il fermentatore con il terreno di coltura anch’esso sterilizzato, si inocula il microrganismo, lo si fa crescere controllando e se il caso modificando in continuo le condizioni ambientali, dopo una fase di sviluppo vegetativo si modificano eventualmente e condizioni ambientali e si introducono ulteriori componenti, e ad un certo punto, a trasformazione avvenuta in modo accettabile, si scarica il tutto, si uccidono i microrganismi e di estrae da essi o dal loro brodo di coltura le sostanze d’interesse.
In un bioreattore continuo, invece, continuamente vengono aggiunti i nutrienti e le altre sostanze richieste per la crescita e l’attività del microrganismo, e continuamente viene prelevata sia biomassa brodo: il tutto viene idealmente rappresentato come un cilindro molto allungato, dove ad un estremo si aggiunge, ed all’altro estremo si toglie, continuativamente, qualcosa.      Se in un reattore chimico tradizionale, i cui processi di trasformazione per quanto lunghi raramente raggiungono il numero di giorni richiesto per la maggior parte delle biotrasformazioni, si parla spesso di “flusso a pistone”, per intendere il fatto che, anche in assenza ideale di mescolamento, i materiali in ingresso inducono un movimento longitudinale, ovvero “spingono” la massa di reazione lungo il cilindro, tanto che a metà della sua lunghezza troveremmo probabilmente i regenti misti ai prodotti, ed in uscita dal reattore, ovvero sull’estremità opposta, potremo trovare idealmente solo i prodotti.
In un bioreattore in continuo la situazione è ancora più complessa in quanto i tempi lunghi di trasformazione e la necessità di mescolamento, impediscono di rispettare la divisione concettuale fra ingresso dei reattivi ed uscita dei prodotti: si giungerà per tanto ad un compromesso statistico, dove nel prodotto prelevato in continuo sarà presente anche una parte consistente nei nutrienti e delle sostanze introdotte, non trasformate, in miscela con i prodotti della biotrasformazione ed insieme ad una quota all’incirca costante di biomassa, di entità pari al tasso di moltiplicazione valutato.

In un’ottica di recupero massimizzato di materia, oltre che di energia, la biomassa filtrata ed essiccata viene in molti casi riutilizzata come fonte energetica, previa stabilizzazione chimico-biologica, alimentando un impianto di termovalorizzazione in grado di fornire l’energia termica o addirittura elettrica necessaria al mantenimento dell’intero processo. In un processo di trasformazione microbiologica di questo tipo, almeno sul piano ideale, l’energia al sistema sarà fornita essenzialmente della fonte di carbonio utilizzata in funzione di alimento, ad esempio dai carboidrati in soluzione che costituiscono l’alimento privilegiato per la maggior parte dei microrganismi.

FERMENTAZIONI E BIOTRASFORMAZIONI MICROBIOLOGICHE

Dal punto di vista biochimico, una fermentazione è uno dei possibili processi metabolici che si collocano nell’ambito del metabolismo energetico di un organismo ed è finalizzato per tanto alla produzione dell’energia richiesta alla sopravvivenza dell’organismo medesimo (circa il metabolismo energetico di veda anche l’intervento “Perché mangiamo? Le ragioni dell’alimentazione, dal punto di vista chimico”.
La fermentazione propriamente detta è per tanto da intendersi un processo metabolico alternativo, parallelo o più spesso concorrenziale rispetto alla via maggiormente conosciuta nell’ambito del metabolismo energetico, ovvero alla respirazione cellulare, con una “piccola” differenza, che comporterà come vedremo delle conseguenze davvero radicali negli esiti finali ed applicativi dell’intero processo.
Nella respirazione cellulare (quella aerobia o anaerobia che sia), infatti, l’accettazione finale degli elettroni alla fine della catena di trasporto (es. fosforilazione ossidativa) risulta essere una specie chimica preposta allo scopo, l’ossigeno nella respirazione aerobia, generalmente uno ione inorganico come ad esempio il nitrato o il solfato in quella anaerobia.
In una fermentazione, invece, l’accettazione finale di questa coppia di elettroni ormai “scarica” viene effettuata da una specie organica, ed in particolare da parte della stessa specie chimica che viene ossidata a scopo di produzione energetica.  In altre parole, partendo da una molecola organica utilizzata dal microrganismo come fonte energetica, ad esempio da un carboidrato come il glucosio, parte di questo sarà ossidato (con produzione dei classici intermedi trasportatori di energia come l’ATP), mentre una quantità stechiometricamente equivalente di glucosio sarà ridotta dai due elettroni scaricati, fino a formare ad esempio etanolo (alcol etilico) o altre sostanze chimiche dove lo stato di ossidazione del carbonio risulterà ulteriormente ridotto rispetto a quello del substrato zuccherino di partenza.

A scopo esemplificativo riportiamo di seguito uno schema biochimico di due dei più importanti professi di fermentazione: quella alcolica, che partendo da una molecola di glucosio consente di arrivare alla sua traformazione in due molecole di etanolo (alcol etilico) ed alla produzione di due molecole di ATP, con sottoprodotto rappresentato da due molecole di anidride carbonica (le bollicine di birra e spumante),

e quella lattica, tipica dell’inacidimento del latte, sfruttata per esempio nella produzione dello yogurt, che vede la conversione di due molecole di glucosio in due molecole di acido lattico, oltre alla fosforilazione di due molecole di ADP in due di ATP, che costituisce la ragione d’essere dell’intero processo nell’ambito del metabolismo energetico.

In entrambi i casi il cuore del processo sta in quel circolino chiuso su sé stesso, dove si assiste alla conversione di NAD+ in NADH (riduzione, grazie all’assunzione di 2 elettronici accompagnati da due idrogenioni H+) a carico del glucosio o della fonte energetica generalmente costituita da un carboidrato, che viene in questo modo ossidato.   Il ritorno del circolino al punto di partenza è rappresentato dalla successiva riconversione di questo NADH nel NAD+ di partenza (ossidazione), previa riduzione di un metabolica intermedio derivante a sua volta dal glucosio (acetaldeide per la fermentazione alcolica, acido piruvico per la fermentazione lattica).    Il glucosio viene in questo modo almeno in parte ridotto (uno o più di uno dei suoi atomi di carbonio riduce il suo numero di ossidazione) ed acquisisce gli idrogenioni H+ impartiti ad esso dal NADH.

La fermentazione può essere considerata una variante, chiedo scusa dell’espressione, per “tagliare corto” un processo di respirazione cellulare, che altrimenti risulterebbe sicuramente più lungo e complesso, anche se certamente a maggior rendimento energetico. Le freccine che in questi due schemi semplificati portano dal glucosio all’acido piruvico infatti sono in comune con la respirazione e vanno sotto il nome di “glicolisi”, ma nel caso della respirazione l’acido piruvico diventa il punto di partenza di altri cicli, prima attraverso la sintesi dell’acetil coenzima A, poi da questo in direzione del ciclo di Krebs (detto anche ciclo degli acidi tricabossilici) e da questo alla catena della fosforilazione ossidativi.
Una maggiore efficienza, quella del processo di respirazione nel suo insieme (più occasioni di sintesi di altro ATP anche negli stadi successivi di reazione), che richiede tempo per essere svolta nel suo insieme, richiede un bel corredo di enzimi e di ultrastrutture cellulari idonee per il suo svolgimento, che deve essere opportunamente codificata geneticamente (e non tutti i microrganismi prevedono geneticamente tutto questo) e, soprattutto, prevede la presenza di ossigeno, quello atmosferico, trasportato in un modo o nell’altro fino all’interno della cellula, quale ossidante finale, o accettore di elettroni che di si voglia.   Il ruolo che in una fermentazione è svolto altrettanto bene da una parte dello stesso glucosio, o di un’altra molecola organica che viene però sottratta in larga misura dal suo sfruttamento energetico diretto finalizzato alla produzione di ATP.   Lo stesso NADH è in questo caso “sprecato” a forza, per poter rigenerare il NAD+ di partenza, impedendo il recupero energetico che sarebbe altrimenti possibile, nelle fasi successive della respirazione, anche da questa molecola.
Proprio per questi due destini stechiometricamente equivalenti, ma in direzione opposta nel contesto ossido-riduttivo, i processi di fermentazione propriamente detti possono essere considerati nel loro insieme come reazioni di di sproporzione o dismutazione.

Si riconoscono numerosi processi di fermentazione diffusi in natura e sfruttati tecnologicamente dall’uomo, quali: fermentazione alcolica, fermentazione acetica, fermentazione malo-mattica, fermentazione propionica, fermentazione lattica, fermentazione omolattica, fermentazione a butilenglicole, ecc che si distinguono fra loro, come è facilmente intuibile dal nome, soprattutto in relazione alla natura chimica dei prodotti finali, ovvero della natura chimica della specie dove il carbonio è stato ridotto.
Circa l’applicazione del concetto di ossidazione e riduzione sulle molecole organiche, ed in particolare sul numero ossidazione formalmente assegnabile agli atomi di carbonio in queste molecole, si suggerisce l’articolo “La chimica a colori: dall’ossidazione delle molecole alle interazioni luce-materia”.

Print PDF

COSA SIGNIFICA ALIMENTARSI

L’alimentazione è il modo con il quale le sostanze chimiche presenti in natura entrano a far parte della realtà biologica di un vivente, costituendo le basi imprescindibili per la sua crescita, il suo mantenimento energetico e la sua corretta funzionalità.
Restringendo il campo al seppur vastissimo ambito di noi organismi eterotrofi, le piante e gli animali che mangiamo diventano parte di noi in funzione delle sostanze chimiche che li compongono.   La composizione chimica di un essere vivente diventa per tanto la chiave che giustifica, pilota e traghetta in qualche modo la trasmutazione, per molte culture ritenuta una sorta di magia un po’ macabra ma sicuramente sacra, di un essere vivente in un altro.

La chimica, le sostanze chimiche semplici, quindi non le cellule o i tessuti che pure li contenevano in origine, rappresentano cosa un organismo eterotrofo va a cercare in un alimento, per quanto esso possa essere introdotto nel nostro apparato digerente in forma estremamente complessa.  Possiamo anche pensare di ingoiare un’aringa intera, completa di testa e di coda: se mai riusciremo a digerirla, quello che passerà effettivamente nel nostro corpo, ovvero nel flusso sanguigno, e da lì ai vari organi, saranno sostanze chimiche semplici, specie chimiche ben definite, riportabili ad una struttura molecolare perfettamente definita e di solito neanche particolarmente complessa.   Gli organelli dei quali è composto il pesce, le sue viscere, la sua lisca, i suoi tessuti e le sue cellule, saranno opportunamente decomposti (digeriti) dal complesso di sostanze reattive (enzimi, acidi e basi) prodotte nei vari comparti del nostro apparato digestivo, fino alla liberazione fisico-meccanica delle sostanze semplici in essi contenute o alla decomposizione chimica delle sostanze più complesse in sostanze comunque semplici (che potranno quindi essere, almeno in parte, assimilate), e quella porzione di aringa che non potrà essere sufficientemente ridotta a singole molecole assimilabili, sarà semplicemente eliminata con le feci.

piccola porzione di schema del metabolismo umano (clicca per vedere schema intero)

C’è da chiedersi a questo punto per quale ragione un essere vivente eterotrofo abbia la necessità di introdurre nel suo organismo queste sostanze chimiche, ovvero quali funzioni così fondamentali esse possano rivestire per la vita stessa.   Di solito si parla di metabolismo (dal greco “cambiamento”) per indicare tutto il complesso delle reazioni chimiche e fisiche (quindi anche i cambiamenti di natura organizzativa e posizionale) che avvengono in organismo, o al limite anche in una sua parte (es. metabolismo cellulare): la materia base sulla quale direttamente o indirettamente agiscono i processi metabolici è chiaramente quella assunta dall’organismo tramite l’alimentazione, mentre ogni molecola che prende parte a qualsiasi titolo al metabolismo prende il nome di matabolita.
Una trattazione di tipo scolastico divide di solito il metabolismo delle sostanze nutritive assimilate in anabolismo, catabolismo e metabolismo energetico.

La trattazione più elementare presenta l’anabolismo come un processo costruttivo, di edificazione, ovvero come l’insieme dei processi che portano alla costruzione di molecole più complesse a partire da molecole più semplici: le finalità di questo processo possono consistere nella crescita (in dimensioni e massa) dell’organismo o una sua parte, nella rigenerazione e “manutenzione” delle sue strutture biologiche (tanto sua scala macro che su scala micro) o anche per la produzione di molecole funzionali alla vita della cellula.
Il catabolismo rappresenta l’insieme dei processi di degradazione di strutture molecolari più complesse in specie chimiche via via più semplici, allo scopo di produrre energia.
Il metabolismo energetico può essere considerato come una speciale estensione del catabolismo ed ha lo scopo di recuperare quanta più energia possibile dai processi catabolici, per convertirla in molecole aventi la funzione di carrier energetico come l’ATP.

In realtà esiste anche una casistica di specie chimiche che, per quanto indispensabili alla vita di un determinato essere, non vengono da questo sfruttate né per produrre da esse energia, né in funzione di mattoncini da costruzione.   E’ il caso di tutte quelle molecole che svolgono un’azione “funzionale”, che l’organismo non è in grado di sintetizzare da solo tramite i suoi naturali processi biochimici codificati geneticamente ma che pure risultano essenziali per alcuni suoi processi vitali, ovvero per singole e specifiche reazioni chimiche dove queste molecole-chiave possono per esempio svolgere una funzione catalitica, e nello specifico rappresentare necessari co-fattori enzimatici.   Con queste parole abbiamo appena descritto la natura delle vitamine: molecole organiche diversissime fra loro per composizione elementare, peso molecolare e gruppi funzionali, ma accomunate dal fatto che, pur essendo richieste nell’ambito di specifiche reazioni biochimiche di importanza vitale, l’organismo interessato non è in grado di biosintetizzarle in proprio, e necessita per tanto della loro introduzione mediante la dieta.   Alcune vitamine sono anche sintetizzate dai batteri che vivono naturalmente in simbiosi nel nostro intestino crasso (che, come tutto il tubo digerente, dalla bocca all’ano, può essere considerato come un percorso comunque “esterno” al nostro organismo, un po’ come il buco che passa da una parte all’altra una ciambella), mentre altre come la D possono richiedere l’intervento di un fattore esterno (nel caso specifico la componente ultravioletta della radiazione solare) per essere convertite nella loro forma molecolare biologicamente attiva.   Questa categoria di “sostanze chimiche funzionali” comprende anche singoli elementi chimici in forma ionica, ad iniziare dai cationi dei cosiddetti “microelementi”, così ricordati in funzione delle loro quantità veramente esigue, ma pure indispensabili, nelle quali è richiesta la loro presenza nella nostra alimentazione.

UN PO’ DI FILOSOFIA CHIMICA APPLICATA ALLA VITA

Cercherò di parlare per immagini, con la buona pace dei fisici che mi accuseranno di utilizzare colpevolmente certi termini a sproposito.   Si provi a considerare il flusso monodirezionale e sostanzialmente irreversibile che porta l’energia prodotta dal sole (nel suo insieme piuttosto uniforme, coerente, concentrata, come si suol dire “nobile”) a degradarsi in forme sempre meno intense e più disperse di energia  fino a divenire semplice “rumore energetico” disperso nell’universo sotto forma di vibrazioni molecolari, in pratica calore disperso.    Su qualche libro di humor scientifico credo di aver letto qualcosa che alludeva ad una inesorabile legge universale che porta, presto o tardi, ogni più nobile cosa a trasformarsi in pupù.   Ecco, se consideriamo tutto questo fluire da un nobile al meno nobile, da un alto ad un basso, da un potenziale elevato ad uno più ridotto, la vita può essere considerata come una piccola speculazione locale lungo questo percorso di degradazione, come un rallentamento nella caduta, un imbrigliare una valanga di per sé stessa spontanea ed anzi impetuosa, con la possibilità di far girare grazie ad essa dei meccanismi carini ed anche parecchio complessi.

Ricordo un gioco con il quale mi intrattenevo in spiaggia da bambino, in quel di Pietra Ligure: ho trovato su internet solo questa immagine di un modello piuttosto semplificato, che rende comunque l’idea del principio.   Proverò comunque a descriverlo a parole.    Era una struttura in plastica che portava sopra a tutto un imbuto dove potevo introdurre l’acqua con un secchiello, o anche semplicemente della sabbia ben asciutta.   L’acqua che scendeva dalla stretta uscita dell’imbuto faceva girare una ruota dentata sottostante, che a sua volta scaricava l’acqua in un’altra ruota più piccola e di un colore differente, che di conseguenza si metteva anch’essa in moto, magari girando in senso contrario.   Le ruote erano quattro o cinque, di forme e dimensioni diverse, e ricordo che c’erano anche degli altri oggetti in mezzo, come dei piani imperniati ai lati e lasciati liberi di basculare, ed anche una cassettina che raccoglieva l’acqua immobile dalla ruota soprastante e solo una volta riempita scendeva all’improvviso e scaricava l’acqua al meccanismo successivo.   Alla fine di tutto questo carosello di movimenti colorati, l’acqua veniva ovviamente scaricata a terra, dove si disperdeva in men che non si dica fra la sabbia assetata.
Vi ho voluto raccontare di questo gioco perché è ad esso che penso quando immagino la vita, parlando in chiave fisica e chimica s’intende, in rapporto al flusso di degradazione, di caduta energetica con il quale ho aperto questo capitolo.   La vita intesa come qualcosa, per così dire, che “si infila in mezzo” alle leggi fondamentali della natura fisica, senza disobbedire ad esse, ma al contrario sfruttandole laddove possibile in direzione del mantenimento e della propagazione della vita medesima, secondo una logica che a fatica ammettiamo poter non dipendere da un disegno intenzionale.    La vita come speculazione, come eccezione, come digressione passeggera nel continuo fluire dell’energia, e l’alimentazione rappresenta la sorgente, almeno quella locale, il punto dove la nostra cascatina personale inizia a far girare i nostri mulinelli colorati.

Una macchina sofisticata, certamente, ma tutto sommato a rendimento energetico piuttosto modesto: solo il 40% circa dell’energia inizialmente associata ai legami chimici delle molecole organiche che vengono demolite nel metabolismo energetico viene infatti convertita nel suo equivalente sotto forma di legami ad alta energia nella nota molecola dell’ATP: il restante 60% viene essenzialmente dissipato sotto forma di calore, che contribuirà al mantenimento della temperatura corporea.   E stiamo parlando dell’energia comunque liberata.   Pensate poi a tutta quella, pure contenuta nelle molecole che compongono gli alimenti, che non viene neanche sfruttata, semplicemente perché quella porzione di alimento viene eliminato con le feci.   Contrariamente a quanto si potrebbe immaginare, gli escrementi, le feci nella nostra metafora del gioco da spiaggia non rappresentano affatto l’acqua ormai giunta a terra, quella ormai priva di energia potenziale: non si tratta infatti dei sottoprodotti del nostro catabolismo, bensì di quella porzione di alimento che per ragioni di varia natura, ad iniziare dall’inadeguatezza del nostro apparato digerente, non vengono neppure assimilate.   Nell’esempio dell’allegra cascatina si tratta degli spruzzi che schizzano fuori, in modo casuale o sistematico, dai giochi posti lungo la caduta, o meglio ancora lassù in alto dalla sorgente medesima e che quindi non contribuiscono in alcun modo a fare girare le palette né a mettere in moto alcunché. I veri sottoprodotti del catabolismo di noi organismi eterotrofi sono invece in primo luogo l’anidride carbonica (punto di arrivo del catabolismo dei carboidrati e delle altre molecole energetiche) e l’acqua (sotto forma di urina, sudore o vapore acqueo espirato) che rappresenta il prodotto di trasformazione dell’ossigeno molecolare che respiriamo, al termine dell’ultima fase del catabolismo respiratorio, la cosiddetta fosforilazione ossidativa.    Tutti gli altri componenti escreti in soluzione acquosa nell’urina sono invece sottoprodotti più di dettaglio dell’organismo, che figurano per esempio come co-prodotti di reazioni anaboliche destinate all’edificazione di molecole di importanza biologica, oppure derivanti dalla degradazione controllata di molecole indesiderate, dallo smantellamento molecolare di strutture biologiche complesse (magari per ragioni di ricambio) e persino dall’espulsione degli eccessi di talune sostanze assimilate con l’alimentazione.

Il discorso si capovolge completamente quando, anziché gli eterotrofi, si vogliano considerare gli organismi autotrofi, ed in modo specifico quelli fotosintetici.   I principali prodotti del catabolismo eterotrofo, ovvero anidride carbonica ed acqua, diventano in questo caso entrambi “alimenti” indispensabili per la vita della pianta.   Indispensabili non in ragione del fatto che da essi venga direttamente ricavata energia, ovviamente, ma in funzione del fatto che queste costituiscono le due molecole inorganiche di base che la pianta utilizza per costruire strutture più complesse, i carboidrati in primo luogo.   Esattamente come gli eterotrofi, anche le piante andranno poi a “consumare” in modo catabolico queste molecole di riserva, al fine di rigenerare le molecole di ATP da spendere poi il tutti i processi energetici vitali che le richiederanno, ed il prodotto di questo catabolismo sarà anche nel caso delle piante anidride carbonica ed acqua.   La sintesi dei carboidrati (detti anche glicidi, glucidi o zuccheri) a partire da queste due piccole molecole inorganiche (che vengono perciò, come si suol dire, “organciate”) richiede energia, e questa è fornita dalla porzione visibile della radiazione elettromagnetica prodotta dal sole o da un’altra sorgente luminosa, in altre parole dalla luce.   Un range molto ampio di questo spettro elettromagnetico, captato da una varietà di pigmenti colorati contenuti nelle piante, dei quali le clorofilla costituiscono in qualche modo solo l’ultimo anello della catena, è utilizzabile dal sistema foto sintetico vegetale per fornire l’energia necessaria alla formazione dei legami semplici carbonio-carbonio sui quali si basano tutte le strutture delle molecole organiche, a partire proprio dai carboidrati.   Se considerare l’acqua e l’anidride carbonica come un “alimento” per gli organismi fotosintetici, e concepire i carboidrati prodotti al pari di un metabolita intermedio, oppure se ammettere, come è probabilmente più frequente fare, gli autotrofi, proprio come suggerisce l’etimologia del termine, come in grado di prodursi da soli l’alimento (i carboidrati) che poi consumano, è a questo punto una questione di natura filosofica.   La fotosintesi clorofilliana, uno dei processi di sintesi chimica in assoluto più straordinari che la natura ci ha riservato, sarà adeguatamente sviluppata in altri articoli che seguiranno nei prossimi mesi.

INTRODUZIONE ALLA TERMODINAMICA CELLULARE

Ma a cosa serve, o meglio come e dove viene impiegata tutta l’energia che ogni vivente ricava dai processi catabolici, ed in primo luogo dalle diverse fasi della respirazione cellulare, a carico dei carboidrati e delle altre molecole ad alto contenuto energetico?
La risposta è semplice: in tutti quei processi biochimici a vario titolo sfavoriti ma sui quali pure si basa la vita stessa della cellula e, in senso più esteso, dell’organismo.   Il concetto di favore/sfavore nello svolgimento di un processo (una reazione chimica, ma non soltanto) trova spiegazione nell’applicazione dei concetti della termodinamica al bilancio energetico della cellula, ma per affrontare questa trattazione dobbiamo iniziare ad applicare anche all’ambiente biologico, ed in particolare ai processi biochimici che si svolgono nei viventi, gli stessi criteri, le stesse equazioni (in una sola parola le stesse “leggi”) della termodinamica che nei corsi di fisica siamo soliti vedere applicati al funzionamento delle macchine ideali o a sistemi puntiformi come ad esempio molecole di gas dentro a contenitori in condizioni controllate.
In primo luogo dobbiamo prendere atto che le cellule e gli organismi viventi sono sistemi aperti, ovvero scambiano sia energia che materia con l’ambiente esterno.   La termodinamica classica ci insegna che in un sistema aperto il grado di disordine associato ai suoi componenti, ad esempio alle particelle che lo costituiscono, non può che procedere nella direzione di un suo aumento.    Nonostante questo, la cellula, gli organuli cellulari e le altre ultrastrutture biologiche si presentano di fatto come sistemi sì aperti, ma anche ben ordinati.   Esaminando nei dettagli le strutture biologiche si assiste ad una grande varietà di molecole tutte riunite e ben disposte secondo una logica precisa, perfettamente funzionale in relazione all’attività che devono svolgere, ma in aperto contrasto alla spinta entropica che le vorrebbe naturalmente disposte nel modo più disordinato e disperso possibile, il mantenimento di concentrazioni di taluni particolarmente alte in determinati comparti, ed in generale tutta una concertazione di movimentazioni ed interazioni controllate delle diverse specie chimiche presenti che, anche agli occhi di un profano, risulta pressoché all’antitesi dell’idea di casualità e dispersione.Com’è possibile questa apparente contraddizione con quanto previsto dal destino termodinamico dei sistemi aperti?   Perché questa condizione apparentemente “contro natura” si realizzi, il sistema vivente ha bisogno di un continuo apporto energetico (quello della sorgente messa in alto nel gioco d’acqua della metafora del capitolo precedente), energia che sarà poi restituita all’ambiente sotto forma di dissipazione termica, ovvero di calore (il livello dell’acqua che arriva al terreno nella metafora).

Il concetto fondamentale della termodinamica che spiega la spontaneità dei processi di trasformazione a carico dei sistemi, e che si applica altrettanto bene ad un processo di sintesi industriale, al motore di un’automobile o al bilancio energetico di una cellula, è quello espresso dall’Energia Libera del sitema, detta anche energia libera di Gibbs.   Formalmente essa esprime la quantità di energia in grado di produrre lavoro durante un processo di trasformazione che si svolge a temperatura e pressione costante, ma possiamo cercare di leggere in questa grandezza anche dei significati più concreti ed intuitivi.   Se ad esempio applichiamo il tutto ad una reazione chimica, possiamo vedere nella differenza fra l’energia libera di Gibbs fra dopo e prima della reazione, la forza che “spinge” la reazione medesima ad avvenire.

ΔG= ΔH – TΔS

Nella nota equazione per esprimere la variazione dell’energia libera di Gibbs ΔG per reazioni che si realizzano a temperatura costante, compaiono la differenza di entalpia ΔH e la differenza di entropia ΔS, entrambe espresse appunto come differenze riferendosi alla variazione riscontrata tra le condizioni a fine processo rispetto a quelle iniziali.    Da notare che il fattore entropico ΔS risulta concorrenziale (perché con segno negativo davanti) rispetto a quello entalpico ΔH ed assume inoltre un peso differente a seconda della temperatura T alla quale si realizza la reazione.    La differenza di entalpia ΔH invece non dipende da altri fattori se non dalla natura chimica, quindi dalla struttura molecolare, dei reagenti e dei prodotti: si dice infatti che l’entalpia H rappresenta il contenuto termico di un sistema che sta reagendo e dipende essenzialmente dalla tipologia e dal numero dei legamichimici che caratterizzano reagenti e prodotti di reazione.    L’entropia S rappresenta invece un’espressione descrittiva del disordine del sistema, o meglio ancora della casualità nella posizione reciproca delle molecole e della loro conformazione.   Da qui si intuisce facilmente come sia la variazione nella struttura chimica delle molecole (ovvero una reazione chimica) che una variazione nella loro dispersione casuale/organizzazione si rifletterà inevitabilmente, a parità di temperatura, sul valore assunto dalla differenza di energia libera di Gibbs.
Esiste un altro modo per esprimere l’energia libera di Gibbs.   Quando esistono due modi per poter calcolare numericamente, con parametri diversi, una stessa variabile chimico-fisica, significa che possiamo anche togliere di mezzo questa variabile e stabilire una relazione fra i fattori della prima espressione con quelli della seconda.

ΔG’° =  - RTlnK’eq

La seconda espressione, che si riferisce alla differenza di energia libera di Gibbs valutata in condizioni standard, la mette in relazione inversa con la costante di equilibrio della reazione chimica alla quale si riferisce, tramite l’espressione: a parte R che è una costante (precisamente la costante universale dei gas) e la T che come al solito esprime la temperatura, la Keq della quale è calcolato il logaritmo naturale esprime la tendenza della reazione a procedere dai reagenti ai prodotti.

Keq = [C][D] / [A][B]

Una rezione poco propensa ad avanzare fino al completamento, ma che al contrario raggiunge facilmente le condizioni di equilibrio con concentrazioni analoghe di reagenti e prodotti, avrà Keq prossima ad 1, e pertanto lnKeq prossimo allo zero, con azzeramento di tutta la differenza di energia libera di Gibbs.

A + B ==> C + D

Al contrario, una reazione molto favorita, che porta facilmente alla formazione irreversibile dei prodotti (C e D) a partire dai reagenti (A e B) avrà un Keq molto elevato e pertanto, visto il segno negativo davanti all’espressione, la differenza di energia libera di Gibbs sarà molto negativa.

P.S.  le parentesi quadre di fronte ad A, B, C, D stand ad indicare la concentrazione molare di ciascuna molecola, ragionando come sempre non su sostanze pure, bensì in soluzione.   L’eventuale presenza di coefficienti stechiometrici davanti a ciascuna delle quattro molecole nella reazione chimica si traduce nell’espressione della costante di equilibrio come potenza applicata alla concentrazione di quella specifica molecola.
In conclusione la variazione di energia libera “standard” di una reazione chimica consente di prevedere la direzione della reazione medesima:

ΔG negativo: la reazione tende a procedere spontaneamente dai reagenti verso i prodotti;
ΔG positivo: la reazione tenderà a procedere nella direzione inversa rispetto al senso nella quale è stata inizialmente concepita;
ΔG uguale a zero: il sistema è all’equilibrio.

Tornando all’espressione termodinamica iniziale dell’energia libera di Gibbs:
ΔG= ΔH – TΔS
Troviamo conferma del fatto che i processi favoriti sono quelli che realizzano un ΔG negativo, ovvero, in concorrenza fra loro (visto il segno negativo davanti al termine TΔS):

1)  Una ΔH negativa, quindi H minore nel prodotti rispetto che nei reagenti (il delta si calcola sempre come “reagenti – prodotti”), che significa che il contenuto energetico dei legami chimici fra i diversi atomi che compongono la molecola dei prodotti è minore di quello dei legami che compongono i reagenti, ovvero si è passati da molecole intrinsecamente più energetiche a molecole che lo sono di meno;

2)  Una ΔS positiva, ovvero un fattore di casualità e disordine nella disposizione spaziale delle molecole maggiore nei prodotti rispetto che nei reagenti.   Quindi tutti i processi che, al contrario, portano ad una situazione di maggiore organizzazione, regolarità spaziale ed ordine, compromettono la possibilità del ΔG di essere negativo, e quindi del processo di essere termo dinamicamente favorito.   Come si vede dall’espressione, il peso del fattore entropico ΔS diventa determinante soprattutto a temperature sufficientemente elevate.

Vediamo ora come ricollegare tutte queste considerazioni con la necessità da parte della cellula di produrre ATP.
Considerando tutto un processo, comprese le reazioni biochimiche più complesse, costituite da una serie di sotto-reazioni gestite in modo concertato (ad esempio da un unico pool enzimatico, su una stessa porzione di membrana, ecc), quello che conta è la variazione di energia libera di Gibbs dell’intero processo, data dalla somma delle variazioni ΔG delle singole reazioni coinvolte.   Se una reazione termodinamicamente sfavorita per una qualsiasi delle ragioni precedentemente esaminate (formazione di molecole più energetica da molecole che lo sono meno, aumento del grado di organizzazione spaziale rispetto ai reagenti o più in generale, al di là delle ragioni, equilibrio fra reagenti e prodotti non sufficientemente spostato su questi ultimi) viene accoppiata nello stesso processo complessivo con un’altra che risulta invece fortemente favorita da una ΔG veramente negativa, tutto il processo diventerà possibile, così come esemplificato in modo molto efficace dalla metafora delle ruote dentate accoppiate, in figura.   La reazione esorgenica (ovvero con ΔG negativo) che la cellula maggiormente utilizza (non l’unica in assoluto) per trascinarsi dietro le altre sfavorite ma pure indispensabili alla vita dell’organismo, è quella con la quale l’ATP (adenosina trifosato) perde un gruppo fosforico, trasformandosi in ADP:
ATP ==> ADP + fosfato

L’ADP viene poi “ricaricato” ad ATP tramite la fissazione ad esso di un altro gruppo fosfato, ovvero con la reazione inversa rispetto a quella sopra riportata, durante le diverse fasi della respirazione (glicolisi, ciclodi Kebs, catena della fosforilazione ossidativa) in grado di fornire l’energia richiesta per questa ricarica che, come si può facilmente immaginare, sarà fortemente endoergonica, ovvero con ΔG positivo.

Sarebbe davvero troppo lungo, al limite dell’impraticabile, menzionare e descrivere ogni singola reazione biochimica assolutamente fondamentale per la vita stessa della cellula e dell’organismo nel suo insieme che richiede per la sua realizzazione l’accoppiamento con la de fosforilazione dell’ATP.    Può trattarsi della sintesi di molecole funzionali di grandi dimensioni a partire da frammenti di dimensioni minori (in pratica quasi tutti i processi anabolici sono di tipo endoergonico), può trattarsi della contrazione di un muscolo causata da variazioni strutturali nelle molecole di natura proteica note come miosina ed actina, può trattarsi dei meccanismi di trasporto attivo di molecole e ioni dentro e fuori le cellule, attraverso le membrana plasmatica, procedendo come spesso risulta necessario in senso contrario al gradiente di concentrazione, ovvero andando a concentrare queste specie chimiche da ambienti dove queste risultano più diluite ad ambiente dove esse risultano di fatto già più concentrate.   In ogni caso l’ATP rappresenta una “moneta di scambio” ideale: di piccole dimensioni, facilmente solubile e trasportabile, ad alto valore energetico.   Infatti mentre esso viene “ricaricato” a partire da ADP e da fosfato inorganico principalmente sulle membrane dei mitocondri, gli organuli cellulari laddove si svolgono i processi di respirazione cellulare che richiedono complesse strutture enzimatiche dedicate, l’ATP viene agevolmente trasporta da lì a dove serve, per tornare nuovamente indietro una volta “scarico”, in un ciclo velocissimo e continuo che non comporta sostanzialmente l’accumulo di quantità rilevanti di questa molecola in forma carica.

MATTONCINI DA COSTRUZIONI…  INTERCONVERTIBILI

Sarebbe molto bello dal punto di vista didattico poter traslare tutte queste valutazioni di carattere davvero generale dal catabolismo, con le sue basi termodinamiche che lo rendono adatto per tutti gli organismi, alla parte edificatoria del nostro metabolismo, ovvero all’anabolismo.  Purtroppo questa trasposizione non può essere fatta per almeno due ordini di ragioni.In primo luogo per il fatto che, se si escludono le ultrastrutture e gli organuli cellulari davvero fondamentali ed evoluzionisticamente più primitivi, le strutture stesse delle quali si compongono batteri, funghi, piante ed animali, anche a livello cellulare, sono in effetti diversificate nella loro struttura e, prima ancora, nella loro composizione.   Anche all’interno di ciascun regno le diversificazioni, magari su scala più macroscopica, continuano ancora ad essere importanti: che dire per esempio del fatto che taluni contano su una struttura ossea a base di idrossiapatite intimamente intessuta con proteine (in pratica le nostre ossa) e con strutture rigide periferiche a base di cheratina (unghie e capelli), mentre altri come insetti e crostacei contano su un esoscheletro in chitina che, guarda caso, costituisce il carboidrato complesso più abbondante anche nei funghi?   In primo luogo quindi l’anabolismo non risulta effettivamente univoco per tutte le forme di vita.In secondo luogo, la capacità di trasformazione delle molecole disponibili in natura (leggasi: gli alimenti) sono profondamente diverse da un organismo all’altro, anche volendo limitare il confronto ai tradizionali organismi chemioeterotrofi come gli animali.   Diverse non soltanto in funzione della diversa capacità di digerire (scomporre in molecole più piccole ed in soluzione) e quindi di assimilare (introdurre nel circolo sanguigno) in modo differente le molecole presenti nell’alimento, ma anche e soprattutto per il diverso corredo enzimatico, codificato geneticamente, che garantisce a determinate specie la possibilità di poter sintetizzare “in proprio” alcune molecole a partire da altre facilmente disponibili, mentre altre specie potrebbero non essere in grado di effettuare questa trasformazione, con la conseguente dipendenza forzata dalla molecola già fatta, da ricercare tal quale nella sua dieta.

E’ il caso per esempio degli aminoacidi, ovvero le unità semplici, i monomeri, che ciascuna cellula, anche le più primitive, da che vita è vita, organizza a suo piacimento (in realtà seguendo i dettami del suo codice genetico) per costituire i polimeri di tipo proteico, siano essi destinati a svolgere funzione catalitica come gli enzimi o funzione strutturale come molte altre proteine.   Gli aminoacidi che possono entrare comunemente a far parte delle proteine sono in tutto 20 tipologie diverse, tutte solitamente disponibili, seppur con vari rapporti relativi, nell’ambito di un’alimentazione equilibrata.  Di questi 20, l’essere umano adulto riesce a sintetizzarne da solo 12 a partire da altri aminoacidi o da altre sostanze già presenti nel suo organismo, mentre per 8 (fenilalanina, isoleucina, triptofano, lisina, metionina, valina, treonina, leicina) deve necessariamente contare sull’approvvigionamento esterno e vengono perciò definiti amminoacidi “essenziali”.   Per il bambino ed in generale l’umano durante lo sviluppo, risultano essenziali anche altri 4 amminoacidi che l’uomo adulto riesce invece a supplire tramite biosintesi endogena: arginina, cisteina, istidina e tirosina.
Inutile dire che molti altri animali, ed in particolare gli erbivori, sono maggiormente autosufficienti da questo punto di vista, essendo in grado di supplire per biosintesi endogena un numero ancora maggiore di amminoacidi.

Anche i carboidrati, in vero fondamento dei componenti strutturali più nelle piante che negli animali (es. cellulosa, emicellulosa), sono assimilati da questi ultimi come zuccheri semplici, che vengono poi variamente funzionalizzati e trasformati l’un al’altro, fino alla formazione di carboidrati di riserva come il glicogeno o a formare la parti glicidica di molecole estremamamente diverse fra loro e pure in tantissimi casi di vitale importanza, dagli acidi nucleici allo stesso ADP/ATP.

Un altro metabolismo nell’ambito del quale in linea teorica ogni organismo vivente dovrebbe trovarsi in grado di operare ampie interconversioni è quello dei lipidi, ovvero dei grassi.   Salvo alcuni rari casi di acidi grassi anch’essi ritenuti “essenziali” (come l’acido linoleico e linolenico), un po’ tutti gli organismi, compresi gli stessi eterotrofi, sono in grado di smontare e rimontare variamente le catene di acidi grassi, sia convertendoli l’un l’altro che andando a sintetizzarli da zero (biosintesi lipidica) utilizzando unità costituite da due atomi di carbonio, trasportate dal noto coenzima-A.   Solitamente il punto di partenza è il catabolismo dei carboidrati, che in seguito alla glicolisi (prima fase del processo noto come “respirazione”) fornisce una carica di gruppi acetilici (C2) sottoforma di di acetil-coenzimaA, che possono essere sia direzionati alle fasi successive della respirazione per il recupero catabolico della maggior quantità di energia disponibile che, quando l’organismo non soffre di carenze energetiche, essere convertiti anabolicamente in acidi grassi tramite la creazione ed in seguito l’allungamento di catene di acidi grassi, a blocchetti due atomi di carbonio per volta.  E’ questa la ragione per la quale gli acidi grassi presenti nei triglie ridi naturali, tanto di origine animale quanto vegetale, sono nella quasi totalità dei casi a numero pari di atomi di carbonio.

In sintesi, gli esseri viventi eterotrofi sono ampiamente in grado di rimaneggiare le molecole assimilate tramite l’alimentazione per sintetizzare internamente a sé gran parte delle altre molecole richieste per la loro esistenza in vita, sia per motivi funzionali che per ragioni strutturali.   Nel fare questo tuttavia, a differenza degli organismi autotrofi, gli eterotrofi non possono partire dai gradi di organizzazione più semplici della materia reperibile in natura, ovvero dalle specie ioniche inorganiche di ciascun elemento (es. nitrato o ammonio per l’azoto, solfato per lo zolfo, anidride carbonica per il carbonio, ecc), ma richiedono la disponibilità di questi in una forma un po’ più elaborata, come si direbbe nella pratica industriale dei “semilavorati”, per quanto ancora molto semplici.   Per contro, strutture molecolari particolarmente complesse non possono essere assimilate tal quali e richiedono, per poter diventare di fatto disponibili alle trasformazioni biochimiche in grado di trasformarle facilmente in moltissime altre molecole funzionali alla vita, di essere preventivamente scomposte in molecole più piccole ma pur sempre organiche.
Sono decisamente minoritari i casi, anche se ci saltano spesso agli occhi per via delle patologie da carenza che possono ingenerare, nei quali gli organismi eterotrofi richiedono in qualità di “essenziali” nella loro dieta molecole anche un po’ più complesse, già fatte e finite, che possono svolgere attività funzionale (es. vitamine) o anche rappresentare mattoncini per l’edificazione anabolica di strutture più complesse, come gli amminoacidi.

E GLI ORGANISMI AUTOTROFI?

Il concetto di alimentazione si applica in realtà anche agli organismi autotrofi, siano essi chemiosintetici (come le piante verdi, in grado di sfruttare energeticamente l’energia solare) o chemiolitotrofi (come alcuni batteri, in grado di recuperare energia tramite reazioni su materiali inorganici disponibili nel loro ambiente vitale).    Non sarebbe infatti corretto affermare che questi organismi autotrofi non si nutrano ma piuttosto, come si recita in alcuni semplici testi scolastici, essi “si fabbricano il nutrimento da soli”, partendo da sostanze ancora più semplici, non facenti parte di un altro essere vivente, e nello specifico solitamente non ancora organizzate nella forma di molecole organiche.   Essenzialmente anidride carbonica, acqua e ioni inorganici.   I prodotti della fotosintesi sono carboidrati, che possono essere conservati dalla pianta sotto forma di zuccheri semplici o polisaccaridi di riserva, fino alle strutture più complesse aventi funzionalità strutturale come la cellulosa e la lignina.   Su questi carboidrati è quindi basato il catabolismo degli stessi organismi autotrofi, fino alla formazione del noto ATP e degli altri trasportatori energetici già menzionati: la moneta di scambio energetico, quella che consente di utilizzare l’energia captata dalla radiazione solare per l’energeticamente dispendioso mantenimento vitale dell’organismo, è ancora una volta, inevitabilmente, di tipo chimico.

Ma gli organismi autotrofi non sono autosussistenti solo dal punto di vista energetico: anche nell’ambito dei processi anabolici, quelli che stanno alla base dell’edificazione strutturale dell’organismo, le piante sono in grado di biosintetizzare tutto quanto può loro servire per la propria crescita (es. tutti gli aminoacidi proteici, a differenza degli animali che devono assimilarne alcuni “già fatti” tramite l’alimentazione) e per il loro mantenimento funzionale (il concetto di vitamina non trova riscontro nelle piante).
Un orticello dietro casa per l’autosussistenza al quale tutti noi eterospreconi guardiamo con grande invidia, soprattutto in questo periodo di crisi energetica e – siano esse risorse agricole o fossili – anche di crisi di materia prima organica.

Print PDF

Vi è mai capitato di seguire una lezione all’università o un seminario o una conferenza stando seduti ad una di quelle comunissime sedie con tavoletta scrittoio?
Di recente ho partecipato ad una conferenza molto interessante, talmente interessante che in molti abbiamo iniziato a prendere degli appunti ed è stato proprio in quel momento che mi sono distratta.   Una ragazza seduta alla sedia davanti a me, per prendere appunti appoggiandosi sulla sua tavoletta, ha assunto una posizione davvero scomoda e strana. Mi sono incuriosita e ho continuato ad osservarla e mi sono accorta che era mancina!   Non ci avevo mai pensato…che ingiustizia!   Se una persona scrive con la mano sinistra, come fa a prendere appunti se la tavoletta è a destra?
Non conoscendo da vicino delle persone mancine non mi sono mai accorta di alcune particolarità, fermando sempre il tutto alla sola considerazione che i mancini scrivono con la sinistra, che per un occidentale che scrive da sinistra a destra questo può risultare particolarmente scomodo, e che mangiare la pizza affianco ad un mancino porta ad uno scontro tra gomiti.   Questo episodio, invece, mi ha fatto riflettere e scoprire quanti oggetti risultano tanto comodi e utili per i destrimani quanto inutilizzabili per i mancini.   Anche le forbici (almeno le più comuni) sono fatte per essere utilizzate con la mano destra, se uno le utilizza con la mano sinistra al momento del taglio, le lame si allontanano; anche alcuni coltelli sono difficili da utilizzare per i mancini o anche l’apriscatole oppure il cavatappi che costringono i mancini a fare forza sulla mano destra che per loro è la più debole.
È un’ingiustizia!
Bisognerebbe costruire l’equivalente di questi oggetti per i mancini.   Già, ma come si può esprimere la relazione tra l’oggetto che più di frequente incontriamo e l’equivalente per mancini?    Mi concentro un attimo sul cavatappi.   L’elica è destrogira, cioè si avvolge in modo tale che imprimendo un moto rotatorio orario al cavatappi, questa riesce ad entrare nel turacciolo.   Dunque per i mancini servirebbe un cavatappi identico, ma con l’elica avvolta nell’altro senso in modo tale che la rotazione efficace sia quella in verso antiorario da poter comodamente effettuare con la mano sinistra.   A questo punto bisogna stabilire che relazione c’è tra le due eliche.   Sono l’una l’immagine speculare dell’altra!
Se pensiamo alla sedia con la tavoletta probabilmente risulta più semplice cogliere la relazione.   Supponiamo di mettere uno specchio al fianco della sedia con la tavoletta a destra: l’immagine che otteniamo è la sedia che sarebbe ottimale per i mancini.  Quindi le due sedie, quella per destrimani e quella per mancini, sono l’una l’immagine speculare dell’altra ed inoltre non sono sovrapponibili.   Gli oggetti che hanno questa proprietà, per i quali, cioè, può esistere un’immagine speculare non sovrapponibile, sono chirali; dati due oggetti che sono l’uno l’immagine speculare dell’altro e non sono tra loro sovrapponibili si chiamano enantiomeri.   Per rendere giustizia ai mancini dovremmo costruire di molti oggetti il corrispondente enantiomero.
Al di là del caso dei mancini il concetto di chiralità è molto importante perché su di esso si basano molte reazioni biochimiche e anche per esempio il riconoscimento degli odori, quindi vale la pena addentrarci un po’ di più nell’argomento.
La parola “chiralità” deriva dal greco e vuol dire mano ed infatti a questo punto abbiamo abbastanza dimestichezza con lo specchio e ci accorgiamo facilmente che le mani sono l’una l’immagine speculare dell’altra e non sono sovrapponibili, quindi sono un esempio perfetto per spiegare il concetto.   Guardando le due sedie o i due cavatappi ci accorgiamo che per molti versi i due elementi della coppia sono simili; ciò che principalmente li differenzia è l’organizzazione dello spazio di alcuni elementi costituenti.
In chimica, le strutture che si differenziano “soltanto” per l’orientazione nello spazio degli atomi che le costituiscono si chiamano stereoisomeri e quindi gli enantiomeri sono una classe particolare che rientra nella grande categoria degli stereoisomeri.   Altra classe di composti anch’essi in generale stereoisomeri, sono i diastereoisomeri; in questo caso i due composti che hanno diversa organizzazione degli atomi nello spazio, non sono l’uno l’immagine speculare dell’altro.

Data una struttura è molto importante stabilire se è caratteristica di un composto chirale oppure no; quindi diventa fondamentale avere delle indicazioni su cosa andare a guardare nella struttura per fare le nostre valutazioni.   In generale, la condizione necessaria affinché un composto sia chirale è che abbia un elemento, sia esso un atomo, un asse o un piano “portatore di chiralità”.    In termini tecnici per dire “portatore di chiralità” si dice stereogenico o asimmetrico.   Andando con ordine la chiralità più diffusa è sicuramente quella che vede come “portatore di chiralità” un atomo di carbonio.   Un carbonio è stereogenico quando è legato a quattro gruppi differenti.   Ogni qualvolta una molecola contiene un solo carbonio di questa natura posso ottenere la sua immagine speculare e le due molecole non sono sovrapponibili: la molecola è chirale e le due molecole, l’una l’immagine speculare dell’altra, sono due enantiomeri.   Su carta, possiamo trasformare un enantiomero nell’altro invertendo la posizione di due dei quattro sostituenti diversi presenti al carbonio asimmetrico.   Le cose cambiano se consideriamo una molecola con due atomi di carbonio stereogenici (o asimmetrici): in questo caso posso invertire due dei sostituenti di entrambi i carboni asimmetrici ed ottenere come prima l’enantiomero corrispondente, oppure posso invertire due dei sostituenti di un solo carbonio “portatore di chiralità” ed in questo caso non ottengo un enantiomero, ma un diastereoisomero.   In generale data una molecola con “n” carboni asimmetrici possiede 2 elevato alla “n” stereoisomeri in cui includiamo enantiomeri e diastereoisomeri.In generale bisogna ricordarsi che un atomo è solo uno dei possibili centri di chiralità: esistono molecole che non hanno carboni asimmetrici, però sono chirali.   Sicuramente allora, hanno un altro elemento di chiralità che può essere un asse oppure un piano.

Esiste anche una prova sperimentale per avere conferma della chiralità di un composto: un composto è chirale quando è in grado di ruotare il piano della luce polarizzata.   Attraverso l’uso del polarimetro è possibile valutare ciò.   La luce, viene emessa da una lampada ed a questo punto è polarizzata in tutte le direzioni, passa attraverso un polarizzatore che permette l’uscita solo della luce polarizzata in un piano ben preciso.   A questo punto la luce passa attraverso una cella (di lunghezza nota e ben definita) contenente una soluzione della molecola in esame (con concentrazione nota).   Se nella molecola sono presenti elementi di chiralità il piano della luce viene ruotato di un certo angolo.   Ogni molecola chirale ha sulla sua “carta d’identità” anche un valore di potere ottico specifico; si tratta di un numero ottenuto dal rapporto tra il valore dell’angolo di rotazione del piano della luce polarizzato, la lunghezza della cella in cui è contenuto il campione e la concentrazione dello stesso.    Per una data molecola, il valore letto sullo strumento è fortemente dipendente dal numero di centri chirali che la radiazione ha incontrato, quindi dalla concentrazione della soluzione e dallalunghezza della cella.   Una molecola fissate le condizioni sperimentali avrà sempre lo stesso valore di potere ottico rotatorio specifico.  Vale la pena sottolineare che sebbene il valore di potere ottico rotatorio specifico, come detto, tiene conto della concentrazione della soluzione è buona norma confrontare valori di potere ottico rotatorio solo se effettuati alla stessa concentrazione (o molto simile) poiché è stato dimostrato che il potere ottico rotatorio non ha un andamento lineare al variare della concentrazione.    Questo vuol dire che, noto il valore di potere attico rotatorio specifico ad una certa concentrazione per una molecola, non posso calcolare matematicamente il valore che assumerà per un diverso valore di concentrazione.

Ora consideriamo due enantiomeri, quindi due molecole che sono l’una l’immagine speculare dell’altra e li analizziamo al polarimetro, scopriremo che gli angoli di deviazione del piano della luce polarizzata, nei due casi, sono uguali e contrari.   Da ciò possiamo estrapolare un altro punto importante e cioè che se abbiamo una miscela in cui gli enantiomeri sono presenti in rapporto di 1/1 allora il piano della luce polarizzata risulterà non deviato.   Possiamo immaginare che ogni qualvolta la luce incontri una molecola, il suo piano di polarizzazione venga deviato, e quando incontra una

molecola dell’enantiomero venga deviato di un angolo uguale e contrario ritornando così a zero.   Una miscela in cui sono presenti in rapporto 1/1 entrambi gli enantiomeri di un molecola parliamo di una miscela racemica.   Possiamo trovarci dinanzi ad un caso particolare; un caso in cui abbiamo una soluzione di una molecola in cui sono presenti carboni asimmetrici eppure il piano della luce polarizzata non viene deviato: niente paura, se ci pensiamo bene in una molecola può essere racchiuso lo stesso discorso fatto per la miscela racemica.   Sto parlando dei composti chiamati meso; in questi composti si ha una configurazione di simmetria particolare: sono presenti ad esempio due carboni asimmetrici che possiamo immaginare come l’uno l’enantiomero dell’altro; la luce polarizzata verrà deviata di un certo angolo e subito dopo di un angolo uguale e contrario esattamente come abbiamo immaginato nel caso della miscela racemica.   In quest’ultimo caso si ha “l’annullamento” dell’angolo di deviazione della luce dopo ogni molecola.

Ma cerchiamo di andare ancora un po’ avanti e chiediamoci se questi due enantiomeri oltre che per la rotazione del piano della luce polarizzata si differenziano per qualcos’altro.
Ritorniamo per un attimo al macroscopico e parliamo di guanti.   Osserviamo un paio di guanti e possiamo subito notare come tutto sommato siano abbastanza simili tra loro.   Sono realizzati con gli stessi materiali, hanno stessi colori e stessa dimensione ed entrambi hanno la stessa funzione e cioè quella di proteggere da un agente esterno le nostre mani.
Abbiamo già detto che le mani sono chirali, dunque anche i guanti, se consideriamo quelli che sagomano perfettamente le mani, lo sono.   Questo significa che possiamo individuare il guanto destro e il guanto sinistro prima di infilarli alle mani corrispondenti e ancora questo significa che se proviamo ad invertire le posizioni noteremo qualcosa di strano. In alcuni casi, dipende dal materiale di cui è fatto il guanto, non sarà possibile infilare il guanto destro alla mano sinistra e viceversa.
Questa semplice considerazione ha dei risvolti davvero molto importanti nel campo microscopico e di rimbalzo nuovamente nel mondo macroscopico: gli enantiomeri reagiscono esattamente allo stesso modo, hanno stesse proprietà fisiche e chimiche tranne che in un caso.   Si differenziano quando reagiscono con un’altra molecola chirale (nel nostro caso la mano) o in generale in un ambiente chirale.   Detta così può sembrare davvero un dettaglio, una di quelle cose che uno dice proprio per essere precisi, ma in realtà ci renderemo subito conto che non si tratta di un dettaglio, ma di una differenza sostanziale.

Scommetto che il naso della maggior parte di noi riesce a distinguere facilmente l’odore della menta dall’odore del cumino: riuscireste a credere che le due molecole responsabili dei diversi odori sono tra di loro enantiomeri? Già, sono due molecole, rispettivamente l’enantiomero R e l’enantiomero S del carvone, che contengono un carbonio asimmetrico e scambiando la posizione di due dei suoi sostituenti trasformiamo una molecola nell’altra, l’odore di menta nell’odore di cumino.
Ma come fa il nostro naso a cogliere una differenza così particolare tra due molecole da ricondurle ad odori così diversi?   Per sentire un odore è necessario che avvenga un riconoscimento molecolare tra il composto “portatore dell’odore” e una molecola che evidentemente è presente nel nostro naso (molecola recettore).   La caratteristica di questo recettore è che esso stesso è chirale e dunque interagisce in modo diverso con i due enantiomeri e da qui l’associazione ad odori differenti.
Quello che succede nel nostro naso non è molto diverso da quello che succede in molte altre reazioni biochimiche.

Molte trasformazioni che avvengono all’interno del nostro organismo sono mediate da particolari proteine dette enzimi che hanno il compito di favorire certe reazioni agendo da catalizzatori.   Molti di questi enzimi grazie alla particolare forma che acquisiscono in certe condizioni sono in grado di discriminare un enantiomero rispetto ad un altro.   Questo ha grandi risvolti, per esempio in campo farmaceutico.   Un caso molto noto è quello del Talidomide.   Si tratta di un farmaco venduto prevalentemente negli anni cinquanta in molti paesi sotto diversi nomi commerciali; il farmaco risultava molto più efficace rispetto agli altri presenti sul mercato e agiva come sedativo e antinausea.   Era rivolto, dunque, tra gli altri, alle donne in gravidanza.   Nel 1961 fu ritirato dal commercio poiché ci si accorse che le donne che in gravidanza avevano fatto uso di tale farmaco mettevano al mondo bambini con gravi problematiche congenite.   Andando al di là della polemica sulla sicurezza dei farmaci, quello che in questa sede più ci interessa sono gli studi successivi che hanno evidenziato come un enantiomero della molecola può essere utilizzato senza rischi anche dalle donne incinta, mentre l’altro enantiomero ha un effetto teratogenico.
Un esempio questo che più di ogni altro mette in evidenza l’importanza della chiralità e dei suoi effetti: molecole che si presentano come l’una l’immagine speculare dell’altra riescono ad avere effetti enormemente ed in questo caso drammaticamente diversi.
A questo punto potremmo pensare che il chimico che deve sintetizzare un composto chirale possa mettere a punto una sintesi che consente la preparazione di entrambi gli enantiomeri e alla fine separare i due.   Questo tipo di approccio presenta due grosse difficoltà: una di natura chimica, l’altra di natura economica.
Separare due enantiomeri, non è cosa semplice: si tratta di due molecole che hanno stesse proprietà fisiche e chimiche e dunque non possono essere separate mediante una distillazione o una cristallizzazione; inoltre se si preparano due enantiomeri e soltanto uno è il prodotto desiderato vuol dire che l’altro sarà buttato il che significa grosso spreco di reattivi, solventi, quindi soldi.    Allo stesso tempo è bene sapere che esistono tecniche che consentono la separazione degli enantiomeri; ciò che accomuna tutte le tecniche è l’interazione tra gli enantiomeri da separare ed un’altra specie chirale sfruttando così la caratteristica che differenzia gli enantiomeri.   Può essere, per esempio effettuata una cromatografia con fase fissa chirale, oppure può essere effettuata una vera reazione tra i due enantiomeri e un’altra sostanza chirale e poi separarli con tecniche comuni.
Da questa considerazione nasce la necessità di mettere a punto una serie di metodologie che consentano la sintesi selettiva di uno solo dei possibili enantiomeri: nasce così la sintesi asimmetrica.

Print PDF

E’ ormai un dato di fatto: siamo ciò che mangiamo.   La qualità dell’alimentazione rappresenta un aspetto importantissimo per la salute, per l’organismo, per noi.   Quante volte ci siamo trovati davanti ad un piatto pieno di broccoli, sentendoci dire che “fanno bene”, o davanti ad una bella coppa di verdure miste con l’obbligo di finirla tutta  …sicuramente meno invitante di una torta al cioccolato, ma è inutile negarlo, è tutta salute!  Chi di noi non si è chiesto cos’è a rendere quelle grandi foglie verdi di insalata così benefiche, o così salutari quei maledetti ortaggi che una volta cotti emanano odori ben poco invitanti.   La maggior parte dei cibi come vegetali, frutti e spezie costituiscono una fonte inestimabile di sostanze ad attività prevalentemente antiossidante, antiipertensiva e antitumorale. Se pensiamo che il National Cancer Insitute ha identificato circa 35 tipi di alimenti di tipo vegetale che possiedono attività preventiva nell’insorgenza del cancro, tra i quali spiccano aglio, soya, zenzero e broccoli, ci rendiamo conto di come sia consigliabile, se non d’obbligo, includere nella nostra dieta abbondanti quantità di tutti questi alimenti. Un’alimentazione variegata e bilanciata, infatti, offre la possibilità di fornire sostanze e nutrienti preziosi in quantità sufficienti a far fronte a tutte le attività che il nostro organismo ogni giorno compie.
E’ importante precisare, tuttavia, che la presenza di determinate sostanze che vengono presentate come benefiche non rende tali alimenti “terapeutici”: pertanto assumerne grandi quantità come se si trattasse di farmaci non annulla gli effetti dell’assunzione di cibi ad altissimo contenuto calorico, o particolarmente ricchi di grassi o di altre cattive abitudini alimentari.   Inoltre, è altrettanto erroneo pensare che la natura abbia appositamente dotato di proprietà benefiche e miracolose alcune specie vegetali che noi includiamo nella nostra dieta; nella maggior parte dei casi si tratta di sostanze che la pianta o il frutto usano come difesa verso attacchi da animali erbivori o come protezione verso condizioni atmosferiche avverse!   Stupiti? Non credo.   In tavola e nei nostri piatti sono comunque a noi graditi!

La varietà è enorme, se proviamo a guardare uno per uno le verdure, gli ortaggi e le spezie che si trovano nelle nostre cucine e che probabilmente abbiamo sempre utilizzato ignorandone le proprietà benefiche, ci si apre davanti un mondo nuovo, fatto di molecole più o meno complesse, pensate e create dalla natura per dare un bel colore spiccante, un aroma inconfondibile, un sapore più o meno gradevole; se poi sono anche dotate di proprietà terapeutiche ancora meglio!  Questo non dovrebbe nemmeno stupirci se pensiamo che sin dall’antichità piante, radici e spezie venivano usate per curare malattie, alleviare dolori, prevenire ogni sorta di disgrazia, dal malocchio al raffreddore.   Oggi non dovrebbe essere diverso, abbiamo a disposizione innumerevoli tipi di rimedi contro la maggior parte delle malattie, ma vale la pena di considerare il grande potenziale che la natura ci offre da sempre e farne tesoro.

Curcuma longa: tavola botanica, rizoma e spezia

Diamo uno sguardo alla mensola delle spezie di casa nostra, dove di sicuro non mancano peperoncino, origano, rosmarino, curry, salvia e altri ancora.   Soffermiamoci sul curry, miscela di aromi e spezie di  origine indiana tostate e finemente tritate i cui ingredienti principali sono zenzero, coriandolo, noce moscata, chiodi di garofano, zafferano, peperoncino e curcuma, sicuramente la più caratteristica.  Originaria dell’India e del Nepal, comunemente chiamata anche zafferano d’India o curcumina, la Curcuma longa fa parte della famiglia delle zimberacee e il suo nome deriva dal sanscrito Kum-kuma.   Si presenta come pianta arbustiva, sempreverde e perenne che può raggiungere il metro d’altezza.   Sopravvive in un ambiente prettamente tropicale ed è originaria di Asia, Australia, India e Indonesia.   L’estratto grezzo del rizoma seccato e macinato viene utilizzato come colorante in cucina e viene catalogato con la sigla E100 con la specifica “Turmerico”; il curcumino quale composto isolato viene impiegato, sempre nel campo alimentare, con la sigla E100 con la specifica “Curcumino”.   Il rizoma può anche essere utilizzato direttamente come spezia in forma di polvere.   Nel turmerico sono stati trovati composti fenolici chiamati curcuminoidi.   Comunemente, con curcumino si intende un miscuglio di 3 curcuminoidi: il composto curcumino vero e proprio è il composto dotato di due gruppi metossilici, mentre il demetossicurcumino e il bis-demetossicurcumino sono normalmente presenti in minor quantità (tipicamente 15-30%).

la molecola del curcumino: il 5-Hydroxy-1,7-bis-(4-hydroxy-3-methoxy-phenyl)-1,4,6-heptatrien-3-on

Commercialmente quello che viene venduto con il nome di curcumino è in realtà la miscela dei tre curcuminoidi con il curcumino che rappresenta il principale costituente (circa 77%).   I curcuminoidi sono responsabili dell’attività biologica della pianta nonostante siano presenti nel rizoma in misura limitata (0.3-0.6 della massa fresca, 2-5 % della massa secca.   La composizione quantitativa del miscuglio di curcuminoidi varia a seconda della specie di Curcuma.
Da sempre viene utilizzata, grazie al suo principale componente, la curcumina, come rimedio casalingo per diversi tipi di disturbi che coinvolgono da stomaco, fegato e pancreas a pelle, reumatismi e sinusite, coprendo un ampio raggio d’azione.   La sua fama, tuttavia, è dovuta a scoperte effettuate negli ultimi decenni in merito alle spiccate attività antiossidante e antinfiammatoria e alla capacità di contrastare l’angiogenesi, ovvero lo sviluppo di nuovi vasi sanguigni a partire da altri già esistenti, processo di fondamentale importanza nella formazione e nella crescita tumorale.   Tutto ciò ha suggerito un suo potenziale utilizzo come lead per lo sviluppo di nuovi farmaci antitumorali.   Avreste mai pensato che il vostro pollo al curry contenesse una sostanza dotata di una spiccata attività antiossidante e potenzialmente utile nei confronti del cancro e della Malattia di Alzheimer?    Nell’ambito di diversi studi a livello internazionale i ricercatori hanno individuato nel curcumino, il pigmento giallo contenuto del curry indiano, un potente rimedio contro la morte neuronale e l’invecchiamento cerebrale (vedi studio).

Gli esperti spiegano che a livello scientifico sono note da anni le sue proprietà antinfiammatorie e antiossidanti, e recentemente il curcumino ha ricevuto una notevole attenzione da parte della ricerca scientifica oncologica per le sue spiccate attività antineoplastiche.   I ricercatori italiani hanno voluto sperimentare se la sua efficacia antiossidante fosse veramente valida anche nella prevenzione delle malattie neurodegenerative, in particolare dell’Alzheimer.

Le promettenti proprietà terapeutiche si aggiungono alla grande versatilità che la curcuma riscontra in ambito culinario: intensamente profumata, si scioglie con facilità nei grassi e viene utilizzata nella preparazione di molteplici piatti esotici, si sposa mirabilmente anche a patate, uova e molti piatti a base di riso.   La polvere di curcuma è uno degli ingredienti del masala (che coincide all’incirca con ciò che in Occidente viene chiamato curry), a cui dà il colore giallo intenso e caratteristico.   Oltre che in molte altre ricette indiane, la curcuma è un ingrediente fondamentale di altre numerosissime ricette asiatiche, come il piatto nepalese chiamato momos (gnocchi nepalesi a base di carne) o il piatto thailandese chiamato kaeng tai pla (curry con gamberi e pesce).   Sembra che in paesi in cui la povertà ha tassi elevati e il cibo scarseggia l’uso delle spezie, in particolare del curry, sia una sorta di espediente, per cercare di sentire meno il senso di fame nel momento in cui il pasto è scarso.   Ciò è dovuto al fatto che, soprattutto miscele di più spezie, sono in grado di attivare molti dei recettori presenti sulla lingua in grado di riconoscere i diversi tipi di gusto e dando in questo modo una sorta di sensazione a tutto tondo e l’illusione di avere in bocca diversi tipi di cibo in elevate quantità.   Nel caso del curry, oltre alla curcuma sono presenti molte altre spezie che conferiscono, oltre a sapore decisamente ricco, un aroma forte e caratteristico.   Ciò è dovuto alla presenza di molecole sesquiterpeniche, tra cui in misura maggiore troviamo turmerone e ar-turmerone, due specie chetoniche presenti nel residuo oleoso ottenuto dalla radice in rapporto variabile tra 60:40 e 80:20, alle quali sono da aggiungere numerose altre molecole.

sesquiterpeni che contribuiscono all'aroma della curcuma

La curcuma, oltre che dare sapore, è, come lo zafferano, un colorante alimentare.   Oltre che in varie ricette, essa ha applicazione in bevande, prodotti da forno, prodotti lattiero-caseari, gelati, yogurt, biscotti, popcorn, dolci, cereali, salse, gelatine, ecc.   Tra gli additivi alimentari codificati dall’Unione Europea, la curcumina, per una serie di circostanze, occupa il primo posto: E100.   La colorazione giallo vivo è dovuta alla presenza dei tre curcuminoidi già menzionati e di altre tre specie che sembrano essere loro isomeri geometrici.   Oltre ad assorbire a lunghezze d’onda pressoché simili tra loro attorno ai 420 nm, nel campo del visibile, emmettono fluorescenza a circa 350 nm nell’ultravioletto (UV), rendendo semplice la loro identificazione a livello analitico. Facile immaginare allora come l’industria alimentare sia strettamente coinvolta in tutti quei processi che ne riguardano la lavorazione, dalla pianta al confezionamento.  Per preparazioni nutraceutiche è di assoluta importanza ottenere curcumino esente nella massima misura da impurezze non curcuminoidi: in questa forma potrebbe essere aggiunto ad altri principi attivi o a integratori specifici favorendo la funzionalità del prodotto.  Per preparati farmaceutici può essere necessaria anche una purificazione dei singoli curcuminoidi per i quali possono essere necessari singoli precisi dosaggi.   Risulta quindi fondamentale trovare delle vie che permettano di estrarre il curcumino grezzo e di purificarlo in seguito a costo economicamente sostenibile, salvaguardandone la naturalezza.   E’ importante considerare che in tutte le fasi, dall’estrazione alla purificazione deve esservi una valida procedura, che preveda possibilmente l’utilizzo di solventi non dannosi per la salute e di metodiche che portino ad una resa accettabile.   La purificazione del curcumino rispetto all’insieme dei 3 curcuminoidi rappresenta una tappa molto onerosa che determina un aumento del prezzo di 50 volte.   Infatti, rimuovere totalmente i solventi usati per l’estrazione cercando di non lasciare quantitativi che possano risultare nocivi comporta una serie di passaggi complessi e costosi, pertanto è consigliabile in questo senso sopprimere l’impiego di solventi non compatibili con la salute evitando nel contempo durante il processo estrattivo procedimenti che potrebbero modificare la struttura molecolare del composto con la produzione di derivati e sottoprodotti potenzialmente pericolosi o inattivi.   Proprio a questo proposito la sintesi chimica, presa anch’essa in considerazione come alternativa all’estrazione, pone problemi come la presenza di coprodotti di reazione estranei al prodotto naturale, risultando un’alternativa poco vantaggiosa. Le tecniche di utilizzabili per estrarre il curcumino dalla pianta sono diverse prevedono l’utilizzo di metodologie diverse, anche sulla base del quantitativo di materiale che si vuole trattare.   La sperimentazione e la messa a punto dei vari metodi e la valutazione della loro fattibilità viene solitamente eseguita su piccoli quantitativi in laboratorio.   Per esempio si può effettuare un’estrazione con acqua ed etanolo a caldo, in cui la curcuma viene sgrassata con acqua bollente a riflusso e il prodotto sgrassato viene sottoposto ad estrazione con etanolo a caldo si basa su una precipitazione del curcumino in forma di complesso del piombo; il piombo verrà poi separato per reazione con l’acido solfidrico.   Vi è poi l’isolamento dal turmerico tramite trattamento con acetato di piombo di un estratto alcolico: qui per essiccazione all’ariaprecipitano cristalli di curcumino con una resa è piuttosto bassa rispetto alla polvere iniziale di turmerico.   In alternativa si può eseguire una estrazione con esano utilizzando un’apparecchiatura chiamata estrattore Soxhlet per circa 30 minuti; l’estratto in esano viene scaricato e il residuo solido riestratto sempre con metanolo per 2 ore.   Il tutto viene poi purificato tramite cromatografia e si

particolare di estrattore a CO2 supercritica

ottengono i tre composti separati in seguito ad evaporazione del solvente.    Sembra evidente che l’estrazione del curcumino o dei curcuminoidi debba avvenire con unsolvente specifico dopo un’azione sgrassante effettuata da acqua bollente o da unsolvente apolare come esano: infatti devono dapprima essere rimosse delle barriere cellulari o intracellulari oppure degli strati cerosi protettivi prima che il solvente specifico (etanolo, metanolo) possa avere accesso ai depositi di curcumino.   Oppure devono essere rimossi composti che verrebbero altrimenti coestratti con il curcumino rendendo in seguito difficile o impossibile la cristallizzazione del composto. L’esano sembra essere un solvente sgrassante più efficace dell’acqua bollente (infatti l’azione dell’acqua come sgrassante è molto debole, però è uno solventi che possono essere usati e in alcuni casi funziona); tuttavia si tratta di un solvente infiammabile e non compatibile con la salute.   Un’alternativa all’utilizzo di questo solvente è l’anidride carbonica supercritica, che a determinati valori di temperatura e pressione ha una apolarità molto simile all’esano: il suo impiego è più costoso a livello di impiantistica poiché è necessario mantenere alti livelli di pressione ma è più sicuro per le sue proprietà non infiammabili e atossiche.   Sembra infatti che a livello industriale sia la tecnica favorita, grazie alle rese decisamente soddisfacenti e alla possibilità di sopprimete l’uso di sostanze difficili da rimuovere.

Sembra che la bisdemetossicurcumina, contenuta anch’essa nella curcuma, possieda proprietà antiossidanti e antinfiammatorie in grado di attivare il sistema immunitario contro le placche che devastano il cervello dei malati di Alzheimer.   Numerosi studi che ne evidenziano i benefici non solo in malattie come l’Alzheimer ma anche contro i tumori.   L’azione terapeutica della curcuma si aggiunge così a quella protettiva, già ipotizzata perché in India il tumore della prostata è molto meno frequente che in occidente.   Alcuni studi hanno dimostrato che la curcuma ha il potere di rallentare la crescita di tale tumore, un effetto benefico che viene accentuato se alla sostanza si associano il fenetil isotiocianato, presente in verdure come cavoli, broccoli e cavolini di Bruxelles.    Proprio queste specie, gli isotiocianati, rappresentano un’altra classe importantissima di principi attivi, se così possono essere definiti, profondamente studiata negli ultimi tempi per l’interessante profilo di attività mostrato: sembra infatti che la capacità di prevenire la formazione dei tumori nelle fasi iniziali e contrastarne la diffusione renda gli alimenti che li contengono assolutamente indispensabili nella dieta.   Parliamo quindi di alimenti funzionali, ovvero “qualsiasi alimento o ingrediente che possa conferire un beneficio alla salute al di là del suo valore tradizionale”.   Tra gli alimenti più studiati, figurano ortaggi di stagione appartenenti alla famiglia delle Crucifere (genere Brassica) come i broccoli, che oltre ad essere alimenti ricchi di vitamine, minerali ed antiossidanti contengono grandi quantità di glucosinolati.

I broccoli, tra tutti i membri della famiglia della Crucifere, mostrano i livelli più alti di isotiocianati, metaboliti attivi dei glucosinolati.   Questi composti sono generalmente presenti in tutte le parti della pianta ma con differenze sia quantitative sia qualitative; ad esempio nei fiori e nei semi la quantità totale può essere molto più elevata rispetto a quella di altri tessuti.   I broccoli appartengono al genere delle Crucifere, famiglia delle brassicacee, costituito da piante erbacee o piccoli arbusti.   La specie Brassica oleracea è selvatica e costituita a sua volta da numerose varietà, a cui si annoverano i comuni cavolfiori e broccoli (B. oleracea var. botrytis), i cavolini di bruxellels (B. oleracea var. gommifera), le rape (B. oleracea var. gongylodes o B. caulirapa).   Queste piante crescono comunemente nelle nostre regioni e sono assai diffuse in tutto il globo, sono tra le prime piante raccolte e coltivate dall’uomo.   Il cavolo è stato un fondamento dell’alimentazione in Europa per oltre 4mila anni!   Possono avere ciclo annuale, bienne o perenne e vengono comunemente coltivate e raccolte a scopo alimentare, ma di recente è nato l´interesse nei loro confronti anche in merito ad un potenziale utilizzo in fitoterapia.

In particolare sono stati studiati i broccoli e, di questi, i germogli di pianta giovane (3 giorni) sono ritenuti i più ricchi di sostanze attive da cui si preparano appunto polveri ed estratti standardizzati.   L’isotiocianato più rappresentato nei broccoli è il sulforafane scoperto negli anni ’90 e oggetto di numerosi studi finalizzati a comprenderne i ruoli fisiologici nell’organismo umano.

sulforafano, un isotiocianato derivante dai broccoli

Si tratta di una piccola molecola alifatica caratterizzata da una catena alifatica recante alle due estremità un gruppo solfossido e un gruppo isotiocianato.    La caratteristica peculiare di questo gruppo funzionale risiede nella spiccata reattività del carbonio centrale legato con due doppi legami agli atomi di azoto e zolfo laterali; trattandosi di atomi più elettronegativi rispetto al carbonio, su quest’ultimo si crea una parziale carica positiva che lo rende estremamente reattivo e in grado di interagire con numerose specie, in particolare con le funzioni amminiche –NH2 .

glucorafanina, il precursore del solforafane nei broccol

Gli isotiocianati sono prodotti e immagazzinati dalla pianta sotto forma di glucosinolati; in particolare la glucorafanina rappresenta il glucosinolato precursore del sulforafane.   Gli isotiocianati vengono rilasciati a seguito di un danno degli ortaggi, ad esempio dopo cottura o in conseguenza della masticazione.   L’enzima coinvolto nella idrolisi dei glucosinolati è la mirosinasi, una glucosidasi presente sia nelle cellule vegetali sia nei batteri che compongono la flora batterica dell’intestino umano.   L’azione della mirosinasi fa si che il precursore si scinda in glucosio e un aglicone labile, il quale viene trasformato in isotiocianato, detto anche olio di mostarda per il suo odore tipico.   Proprio questa è la causa della liberazione di composti solforati, che in genere hanno soglie di percezione organolettica molto basse e sono caratterizzati da un odore molto forte e sgradevole, motivo per cui in cucina vengono spesso evitati.   Consiglio: basta un pizzico di aceto di vino o di succo di limone per diminuire notevolmente lo scomodo inconveniente!

L’assorbimento e la biodisponibilità del sulforafane dipendono da diversi fattori; per esempio la biodisponibilità, ovvero la quantità di sostanza che arriva nel nostro organismo da broccoli crudi è maggiore rispetto a quelli cotti, in quanto l’enzima mirosinasi è sensibile al calore.   Per contrastare l’inattivazione enzimatica occorre preferire quindi brevi cotture a vapore (5 minuti circa), che risultano meno dannose rispetto alla bollitura.   Inoltre, la biodisponibilità dei glucosinolati è molto inferiore quando la loro idrolisi non avviene prima dell’ingestione.   Infatti anche se la flora microbica intestinale possiede attività mirosinasica, l’enzima batterico agisce solo su una piccola quota dei glucosinolati complessivamente ingeriti.   Il sulforafane è molto più potente del rispettivo glucosinolato e si forma all´interno della stessa pianta; approfondendo gli studi è stato evidenziato che i germogli dei broccoli contengono una concentrazione di glucorafanina sino a 50 volte maggiore rispetto ai broccoli maturi e di vitamina C anche 200 volte superiore rispetto al seme.   Nei broccoli maturi vi sono concentrazioni più elevate di derivati indolici, di cui l´indol-3-carbinolo è il rappresentante più conosciuto, dotati anch’essi di forte attività antiossidante e chemiopreventiva.

Ma non è solo in broccoli e cavoli che possiamo trovare gli isotiocianati.   Anche la senape, la classica salsa da hot-dog, ne contiene; essa infatti si ottiene dai semi di una pianta appartenente alla stessa famiglia dei broccoli e contiene una sostanza che noi tutti, almeno per esperienza conosciamo.

rafano: radice, trito e salsa wasabi

La salsa wasabi con cui si accompagna il sushi, la mostarda e la senape hanno in comune un sapore e un odore piccantino, quasi pungente, che spesso ci fa storgere il naso, a seconda dei gusti; ebbene, il responsabile è proprio lui, l’isotiocianato di allile.   Il piccante di per sè è una percezione sensoriale, simile ad un bruciore ma non associato all’alta temperatura.   La sensazione è causata da alcune sostanze chimiche in grado di stimolare direttamente i recettori del calore presenti sulla cute e sulle mucose con cui entrano in contatto.   La sensazione piccante non è uniforme, dipende dalla sostanza che la induce; le principali sostanze sono la capsaicina, presente nei peperoncini, la piperina, presente i tutti i tipi di pepe, ma anche vari tipi di isosolfocianato e isotiocianato, contenuti nel rafano, senape, wasabi e in alcune rape o rapanelli.   Anche nel caso della pianta di senape la molecola di isotiocianato viene sintetizzata dalle cellule vegetali a partire da un glucoside presente nella pianta ad opera dell’ enzima mirosinasi che si trova per l’appunto nei semi. Quando questi vengono rotti l’enzima che vi è contenuto induce la produzione della molecola urticante allo scopo di difendere la pianta dagli erbivori.

E’ possibile estrarre l’isotiocianato di allile sottoforma di olio tramite distillazione in corrente di vapore dai semi di Brassica Juncea: all’interno di essi vi è il glucosinolato, il glucoside precursore della sinigrina che, grazie all’azione della mirosinasi viene convertita in isotiocianato di allile.

Perché ciò avvenga è necessario che i semi vengano fatti fermentare con acqua ed enzima al fine di ottenere il derivato desiderato.   Può accadere che nella reazione possa essere presente insieme all’isotiocianato di allile anche il suo isomero, specialmente se la reazione viene condotta a basse temperature, come richiesto per evitare la denaturazione della mirosinasi; infatti la temperatura della fermentazione non deve superare i 70°C, in quanto già a 75°C la mirosinasi inizia a perdere la sua funzionalità.   Anche il tempo gioca un ruolo molto importante: è necessario che l’operazione non duri più di due ore.  La resa di questa operazione, seppur bassa in confronto al peso iniziale della matrice estratta, varia molto in base alla provenienza dei semi, con consistenti differenze a seconda che si tratti di semi indiani, italiani, olandesi o russi.   L’olio estratto si presenta come un liquido che passa dall’incolore al giallo, dall’odore pungente e irritante per gli occhi e per le vie respiratorie, motivo per cui è fortemente sconsigliata l’inalazione.   A livello industriale viene utilizzato in piccole quantità come additivo alimentare, dalle salse ai condimenti alle carni insaccate; nell’ambito farmaceutico viene usato in alcune formulazioni per uso esterno come i cerotti per il suo potere rubefacente, in modo da aumentare il flusso sanguigno in corrispondenza dell’applicazione cutanea.

estratti di broccoli ad alto contenuto in sulforafano

Le numerose proprietà benefiche nei confronti dell’organismo costituiscono una valida motivazione per l’introduzione degli isotiocianati, sottoforma di estratti di piante come broccoli, rafano e crescione, come integratori nella vita quotidiana, in aggiunta ad un consigliato largo consumo di alimenti che ne contengono grandi quantità.   Si tratta per lo più di fitoterapici, piuttosto che di farmaci veri e propri, la cui produzione viene affidata a tecniche prevalentemente legate ai preparati erboristici.   Radici, foglie e germogli vengono tritati, essiccati e “titolati”, ovvero caratterizzati analiticamente con la determinazione dell’esatta concentrazione di principi attivi (sulforafane e di glucosinolato) espressi come percentuale sul peso del prodotto.  Troviamo sul mercato miscele contenenti numerose varietà di piante del genere delle Crucifere, associate o meno ad altre sostanze come vitamine, antiossidanti e così via.

Ma perché rinunciare all’inimitabile aroma del curry e alla bontà dei broccoli?
Ecco uno spunto per una sfiziosa ricetta che unisce gusto e salute: la crema di broccolo al curry.
Servono: 1kg di broccoli,1 scalogno tritato, 3 cucchiai di olio,1 litro di acqua bollente, 1 cucchiaino di curry, sale e pepe.
Si fa bollire l’acqua salata in una pentola, si versano i broccoli lasciandoli cuocere per circa 1 minuto, poi si scolano e si mettono in una ciotola con acqua fredda, che serve a fissare il colore.    Rosolare nell’olio lo scalogno tritato, unire i broccoli, il curry e un pò di sale, poi unire l’acqua bollente e fate cuocere per 30 minuti. Lasciare intiepidire e passare tutto al robot, aggiungendo pepe a piacere.
Buon appetito!

Print PDF

La mia mamma è una gran chiacchierona: parla sempre di qualsiasi cosa le accada nella sua giornata, ma soprattutto adora parlare di tutta la sua vita di bambina con annessi e connessi.   Così un suo ricordo molto frequente è quello della preparazione dei matrimoni dal punto di vista culinario e nello specifico dolciario.    La zia pasticciera era infatti l’addetta alla preparazione dei dolci che servivano per il banchetto e di quelli che venivano regalatiagli invitati (usanza ancora viva in alcuni paesi, almeno in Basilicata).    Non era un lavoro banale soprattutto perché le quantità erano abbastanza grandi e il lavoro non poteva essere organizzato diluendolo nei giorni perché altrimenti i dolci si sarebbero “guastati”.   Un problema che, sicuramente, oggi si è sensibilmente semplificato.
Per allungare la vita di molti prodotti, e non parliamo solo di prodotti alimentari, ma anche di cosmetici, di farmaci e di altre categorie di beni di consumo, utilizziamo i conservanti.   Ecco, questa è una parola che nel tempo ha assunto ormai una connotazione negativa per cui allo stato attuale, un prodotto sul quale viene indicata a caratteri cubitali l’assenza di conservanti ci fa pensare ad una qualità superiore rispetto a tutti quelli che invece utilizzano conservanti.

Ma da cosa i conservanti devono proteggere il cosmetico o l’alimento?

Ogni molecola ha una sua stabilità che dipende da tantissimi fattori ciascuno dei quali va considerato insieme con tutti gli altri; tra questi troviamo la temperatura, la presenza di ossigeno, il pH del prodotto e tantissimi altri. In determinate condizioni i legami chimici che caratterizzano una certa molecola possono indebolirsi fino a spezzarsi e formare dei legami diversi che quindi evidentemente significano una sostanza diversa.   Molto spesso queste nuove molecole non hanno “proprietà benefiche” rispetto al prodotto e di fatto rappresentano una degradazione da evitare.   Per capire meglio pensiamo ad un cosmetico; sappiamo che una categoria di molecole presente in molti prodotti di questo genere è costituita dagli oli, molti dei quali presentano delle insaturazioni (i famosi grassi insaturi); i grassi insaturi in presenza di ossigeno subiscono più o meno facilmente (dipende dalle caratteristiche strutturali) una reazione di degradazione che procede attraverso dei radicali liberi portando a molecole dall’odore e sapore (nel caso di alimenti) caratteristici.   Il fatto che ogni molecola abbia una propria stabilità ci fornisce una prima risposta alla nostra domanda: ogni molecola ha un suo tempo di vita che dipende da un insieme di fattori, ma prima o poi (dipende dalle condizioni di conservazione) la nostra molecola tenderà a degradarsi.   I conservanti, specie la categoria degli antiossidanti, hanno la funzione di allungare la vita delle molecole cercando di evitare che si verifichino le condizioni ideali per l’irrancidimento.
Oltre alla stabilità di ciascuno degli ingredienti del nostro cosmetico, bisogna valutare tutto l’insieme.

Periodicamente rimbalzano sui media le notizie in cui si annuncia la presenza di vita nell’universo e spesso il tutto nasce dalla frase “scoperta la presenza di acqua….”  Già, proprio l’acqua, pare che abbia fornito l’ambiente necessario alla nascita della vita.    Questo significa che ogni qual volta abbiamo “acqua” (ovviamente in opportune condizioni di temperatura e pressione) siamo nelle condizioni favorevoli per la vita di qualsiasi esserevivente che ci sia simpatico o meno; batteri, spore trovano un ambiente favorevole per la loro vita.    Inoltre non ci dimentichiamo che per quanto siamo enormemente diversi dai batteri abbiamo necessità simili; tranne alcune tipologie, anche i batteri come noi hanno bisogno degli stessi elementi per poter vivere e riprodursi.    Il nostro organismo ha bisogno di proteine, di zuccheri e per i batteri non è diverso.    Questo vuol dire che prodotti come i cosmetici in cui il primo ingrediente è l’acqua o prodotti alimentari o farmaceutici in cui ritroviamo proteine o altro solo luogo ideale per la vita dei batteri. Nel corso della storia abbiamo imparato che i batteri non sono sempre nostri alleati e molto spesso risultano aggressivi verso l’uomo e quindi ovviamente abbiamo iniziato a combatterli.     La pericolosità dei batteri, tra l’altro, è da collegare anche alla produzione di tossine; i batteri infatti producono sostanze che servono per la loro vita, ma che sono tossiche rispetto all’organismo umano (per questo vengono chiamate tossine). L’utilizzo dei conservanti, rispetto a questo problema, mira quindi a minimizzare quanto più possibile la proliferazioni di batteri e anche la produzione di tossine.    Altro elemento di difesa deve essere posto contro le muffe: anche in questo caso l’acqua ha un ruolo importante; per convincercene basta pensare che spesso si trova la muffa vicino ad una parete se c’è un’infiltrazione di acqua e comunque si è in posti molto umidi.    Le muffe, che in alcuni prodotti sono molto apprezzate, pensiamo ad esempio al gorgonzola, in altri non sono proprio segno di grande conservazione: pensiamo se una mattina aprissimo il barattolino di crema idratatane  …e trovassimo la muffa!!!
Data l’importanza dell’acqua rispetto al problema della conservazione vale la pena fare una precisazione.    Molti prodotti contengono l’acqua come ingrediente principale o comunque in percentuali elevate, tuttavia non tutti sono suscettibili nella stessa misura all’attacco di batteri o muffe.    Perché?

apparecchio elettronico per la misura dell'attività dell'acqua

Più che la concentrazione di acqua, per valutare la possibilità di attacco da parte di batteri e muffe occorre valutare la cosiddetta “attività” dell’acqua.    Al di là di formule e definizioni, il concetto di attività dell’acqua non è molto complicato.    Proviamo a guardare al problema dal punto di vista dei piccoli batteri o delle muffe.    Affinché questi si accorgano della presenza di acqua, questa deve essere perfettamente riconoscibile e diciamo che l’acqua perfettamente riconoscibile è quella che determina l’attività dell’acqua e quindi potremmo dire la reale concentrazione di essa.    Insieme con quest’acqua ci saranno altre molecole sempre di acqua che però interagiscono direttamente con altre sostanze presenti nel prodotto in esame. In questo caso l’acqua non è perfettamente disponibile e quindi non potrà essere luogo ospitale per batteri e muffe.    Da ciò si capisce che anche molecole in grado di ridurre l’attività dell’acqua possono essere considerati conservanti.

Molti sistemi conservanti sono utilizzati da tantissimi anni ed in molti di questi casi solo recentemente se ne sono scoperte le ragioni.    Prendiamo il caso della carne (o anche del pesce) essiccata e conservata o del prosciutto: il sistema più antico di conservazione prevede l’utilizzo di cloruro di sodio (NaCl) il comune sale da cucina e di nitrato di sodio (NaNO3).    Il primo, serve per abbassare l’attività dell’acqua (in un certo senso è come se ne riducesse la quantità presente) mentre il secondo, divenuto pressoché indispensabile nell’industria delle carni in scatola e dei wurstel, attraverso una serie di reazioni è responsabile del colore rosso brillante e soprattutto impedisce la proliferazione di tossine e batteri anerobi tra cui il famoso C. Botulinum.

Consideriamo più da vicino i cosmetici.    Abbiamo detto che la presenza dell’acqua ci deve far pensare immediatamente alla possibilità di presenza dei batteri, muffe e tossine correlate; inoltre se escludiamo i saponi solidi che hanno un pH decisamente alcalino, la maggior parte dei prodotti cosmetici ha un pH compatibile con quello della pelle il che è sicuramente uno svantaggio rispetto all’abbattimento della carica batterica; altro dato da non dimenticare è la possibilità di irrancidimento di oli e burri.
A questo punto risulta ovvia la conclusione secondo la quale è necessario proteggere i cosmetici al fine di allungarne la vita ed utilizzarli in sicurezza.    Le idee si diversificano quando si cerca di arrivare alla soluzione del problema, vale a dire l’utilizzo dei conservanti.    I motivi per i quali intorno a questa categoria di sostanze c’è sempre un gran discutere sono diversi.
Si è scoperto come da taluni conservanti possano originarsi molecole di provata cancerogenità, oppure possano essere causa di allergie ed intolleranze o ancora possano essere sostanze potenzialmente tossiche.    Tutto questo non deve spaventarci perché l’utilizzo dei conservanti è regolamentato dalla legge in continua evoluzione; ogni settore in cui è contemplato l’uso di conservanti ha la sua giurisprudenza che dà indicazioni sull’uso di tali molecole sia rispetto al tipo da poter utilizzare e sia rispetto all’intervallo di concentrazione che deve essere presente in un certo prodotto.    Inoltre è molto importante pensare all’esposizione che abbiamo a certe sostanze; voglio dire che giustamente tutti test di tollerabilità, tossicità, cancerogenità vengono effettuati utilizzando dosi largamente superiori rispetto a quelle che poi vengono indicate sulla legge come limiti massimi di esposizione.    Inoltre la ricerca è continua per l’aggiornamento degli elenchi delle sostanze permesse o vietate per un certo utilizzo.

Sicuramente bisogna prestare particolare attenzione a quei prodotti che sembrano molto convenienti; se il prezzo è molto basso probabilmente il produttore ha utilizzato materie prime di bassa qualità e quindi anche conservanti di scarsa qualità a cui si associa spesso una maggiore probabilità di allergie o intolleranze.    Diffidiamo inoltre dei prodotti pubblicizzati come privi di conservanti: è soltanto uno specchietto per le allodole; facile che scorrendo lungo la lista degli ingredienti ritroviamo l’acido ascorbico, i tocoferoli o altri prodotti che vengono utilizzati “anche” come conservanti!
Normalmente in un cosmetico, ma in generale in un qualsiasi prodotto si utilizza più di un conservante, infatti nella categoria dei conservanti rientrano una serie di sostanze con attività diverse.
Ci sono alcuni conservanti che hanno la funzione di antiossidanti; con la loro attività evitano l’ossidazione di sostanze funzionali presenti nel prodotto in questione, evitano la degradazione di molecole, ancora possiamo dire evitano che il nostro prodotto “vada a male”.    Ci sono poi gli antimicrobici e qui dobbiamo considerare che un antimicrobico non è attivo allo stesso modo verso tutti i batteri; verso alcuni sarà più efficace, verso altri meno; l’utilizzo di più conservanti contemporaneamente allarga lo spettro di attività facendo in modo che non ci siano, nel prodotto, alterazioni di qualsiasi genere.    Un conservante antimicrobico mantiene bassa la carica batterica: l’obiettivo può essere raggiunto in modi diversi; alcuni conservanti hanno un meccanismo di azione noto, altri no.   In generale per distruggere ad esempio un batterio ci sono diverse strategie: si può distruggere la membrana cellulare, oppure si possono denaturare le proteine responsabili dello sviluppo e della replicazione delle cellule o bloccare i sistemi enzimatici necessari alla vita delle cellule.

colture batteriche in capsule Petri usate per alcuni challange test

Affinché una molecola sia classificata conservante, per un cosmetico, questa deve superare un test detto “challenge test” .   Con questo test il cosmetico a cui è stato aggiunto il sistema conservante, viene prima contaminato con una serie di batteri e funghi, quindi viene valutata la carica batterica al tempo di contaminazione; ad intervalli fissati e regolamentati viene effettuata nuovamente la conta batterica e lo si fa per 28 giorni.   Vengono valutati i risultati nel corso dei 28 giorni e alla fine si valuta la carica batterica in Unità Formanti Colonia al grammo (UFC/g) ed esistono precisi intervalli numerici in base ai quali ad un cosmetico viene associato da un basso ad un alto rischio.
Un conservante molto utilizzato è l’acido benzoico; normalmente viene immesso nella formulazione come sale corrispondente, cioè benzoato di sodio o di potassio (sodium benzoate/ potassium benzoate) ma è attivo solo ad un pH pari a 5; la molecola attiva non è infatti il benzoato, ma l’acido benzoico: fino a pH 5 troviamo l’acido benzoico, quando il pH a un valore più alto è prevalente la forma di benzoato.   L’acido benzoico è presente in molti prodotti naturali come ad esempio i mirtilli, ma quello che normalmente viene utilizzato è un prodotto di sintesi derivato dal toluene.   Il suo uso è indicato come sicuro alle concentrazioni previste dalla legge e può essere utilizzato come conservante alimentare, cosmetico e come eccipiente nei farmaci.    Per diverso tempo è stato oggetto di una polemica in quanto in presenza di acido ascorbico ed in determinate condizioni può dare una reazione che porta alla formazione di benzene.   In senso lato non si tratta di una bufala, nel senso che effettivamente la reazione può avvenire, ma come al solito bisogna osservare le condizioni in cui questa reazione può avvenire e le quantità di benzene prodotto.   Normalmente i prodotto contenenti acido ascorbico (vitamina C) vengono staccati in confezioni opache, che non lasciano passare i raggi solari e in questo modo viene meno la condizione principale affinché si abbia la reazione dell’acido ascorbico e l’acido benzoico.   Inoltre le quantità di conservante utilizzato sono davvero minime quindi si svilupperebbe una quantità di benzene davvero minima e non giudicata tossica, pericolosa o peggio ancora cancerogena.   Molto spesso l’acido benzoico viene utilizzato in maniera combinata con l’acido sorbico.   Anche in questo caso nella formulazione è presente uno dei suoi sali quindi è presente come sorbato di sodio o di potassio (sodium sorbate o potassium sorbate); il pH di azione è anche in questo caso acido (per questo si possono utilizzare contemporaneamente all’acido benzoico) quindi la forma attiva è quella acida.   Inoltre altro motivo che spiega l’uso concomitante dei due acidi è che quello benzoico è attivo contro i batteri (sia Gram + che Gram -) invece quello sorbico è attivo contro i funghi.   Anche l’acido sorbico è utilizzato come conservante alimentare e cosmetico e come eccipiente nei farmaci.   L’acido benzoico ha uno svantaggio; il suo potere di conservante non è altissimo quindi logica vuole che la ricerca abbia cercato di lavorare sulla sua struttura pensando che piccole modifiche potessero portare ad

fusti di metil-parabene stoccati in un magazzino

un aumento della capacità conservante mantenendo la sicurezza del prodotto stesso.   Sono nati così i parabeni.   Strutturalmente sono esteri dell’acido paraidrossibenzoico ed in particolare tra i più diffusi ci sono il metilparabene, l’etil parabene, il propil parabene e il butil parabene.   Sono conservanti utilizzati principalmente nei cosmetici ed in maniera ridotta nei cosmetici e nei farmaci; da lungo tempo sono molto attive polemiche su questa classe di composti e sono stati compiuti molti studi al fine di valutare la tossicità e soprattutto la cancerogenità.    L’ipotesi è che i parabeni possano penetrare attraverso la cute ed interferire con il nostro sistema endocrino.    Allo stato attuale diventa difficile avere dei dati certi rispetto a tale pericolo; il metil parabene e l’etil parabene sembra che non abbiano alcun effetto.   Sono stati, invece, messi in evidenza dei rischi tossici associati all’uso del propil parabene e del butil parabene.    Sicuramente i parabeni riescono a penetrare attraverso gli strati più interni della pelle e la loro azione dannosa è legata al fatto che probabilmente riescono a mimare gli estrogeni e quindi essere potenzialmente attivi nei riguardi dei tumori al seno; attualmente non sono però disponibili studi che accertino tale pericolo anche perché non sono mai stati effettuati studi per un periodo di tempo sufficientemente lungo da permettere conclusioni definitive in questo senso.

parabeni e congetture sulla loro eventuale attività "xeno-estrogenica"

Altri studi hanno verificato il coinvolgimento dei parabeni nelle irritazioni cutanee specie se associati all’esposizione solare; molti studi hanno evidenziato un’elevata percentuale di soggetti che sottoposti contemporaneamente a parabeni ed esposizioni solari (nelle dosi comuni di creme ed esposizioni solari estive) mostravano irritazioni cutanee.    Questo è uno dei casi in cui allo stato attuale ci sono solo dubbi; si parla di possibili danni, possibili rischi, ma poiché non c’è nulla di scientificamente dimostrato l’industria cosmetica può continuare a farne uso.    Resta sempre il diritto di scelta che il consumatore può esercitare nel momento in cui è informato.    Attualmente ci sono delle aziende di prodotti cosmetici che formula prodotti senza parabeni; sulle confezioni troviamo l’indicazione “paraben free”; sottolineo come al solito che non basta l’indicazione di naturale, verde per essere certi che non ci siano parabeni.    La prova “certissima” resta sempre l’INCI.

Oltre a queste caratteristiche proprie del cosmetico c’è da considerare un altro punto importante e cioè quello che succede una volta che la confezione è stata aperta.    A ben pensarci anche il tipo di confezionamento gioca un ruolo importante nella conservazione di un cosmetico.    Pensiamo per esempio ad una crema che è confezionata in un barattolo classico e quindi ogni volta che ne prendiamo un po’, stiamo “inquinando” il prodotto, anche se abbiamo le mani pulite (non sono sterilizzate); una crema che invece sia munita di dispenser ovvia a questo problema e quindi non c’è contaminazione dovuta all’utilizzo.   Inoltre in quest’ultimo caso, sarà molto limitata anche la quantità di ossigeno che entra in contatto con il cosmetico e abbiamo detto come questo sia un fattore da tener presente.   Anche in questo caso, il discorso dei costi è da tenere in considerazione.   Molto spesso siamo portati a pensare che il confezionamento di un prodotto sia soltanto il risultato di indagini di mercato volte a capire quale possa essere quello più comodo o quello più di moda in un particolare momento.   A volte è così, ma non sempre.   Il confezionamento e anche la modalità nella quale viene effettuato può aiutare nella conservazione di un prodotto e in generale nell’utilizzo dello stesso.   Anche in questo caso un basso costo può essere sintomatico di una bassa qualità e non solo di scarsa attenzione alla “bellezza” di una confezione.

Print PDF

Diamo pure per scontato che ciascuno di noi, indipendentemente da chi è, come sta e cosa fa, abbia la reale necessità di ridurre la sua assunzione giornaliera di sodio.   Diamolo pure per scontato nonostante la situazione risulti di fatto ben più complessa e degna di essere considerata caso per caso, onde non vanificare quel fondo di verità pur sempre contenuto in questo genere di informazione in vero un po’ generalista, nella sua finalità di educare la popolazione ad abitudini più corrette.
Quindi ammettiamo pure liberamente, almeno per consentire il proseguimento di questo intervento, che ciascuno di noi dovrebbe fare quanto nelle sue possibilità per introdurre quanto meno sodio possibile nella sua alimentazione quotidiana.

Ecco, partendo da questo assunto, non sarò certo io il primo a richiamare l’attenzione sul fatto che il “vantaggio” ottenuto dall’assunzione quotidiana di acque a ridottissimo contenuto in sodio, qualora di un vantaggio effettivamente si tratti, viene di fatto ampiamente vanificato dalla prima insalata regolarmente condita o dal primo minimo sgarro alimentare al quale anche il più integerrimo seguace di una dieta iposodica rischia qualche volta di lasciarsi andare.
Quello nel quale vorrei brevemente condurvi in questa sede è un semplice calcolo per trasformare questo “vantaggio” (inteso come riduzione nell’apporto di sodio nella dieta) nel suo equivalente di sale.   In altre parole quanto, o meglio “quanto poco” sale, ovvero sodio cloruro, dovremmo introdurre nella nostra dieta per vanificare del tutto quella riduzione di apporto di sodio conseguita con il consumo quotidiano della più iposodica delle acque minerali in bottiglia.

Escludiamo da questa valutazione le acque definite “sodiche” già in etichetta, che contenendo una concentrazione di sodio superiore ai 200 mg/l sono destinate ad un consumo di nicchia in virtù di loro eventuali proprietà peculiari.
Fra le acque minerali in bottiglia disponibili sul mercato ho scelto un’acqua ad elevato contenuto in sodio (che qui chiamerò X, con 113.7 mg/l) ed una con ridottissimo contenuto in sodio (che qui chiamerò Y, con 1,3 mg/l).

A proposito di tutti quegli zeri che alcuni produttori vantano sull’etichette delle loro acque in bottiglia (es. 0,0001% di sodio), essi sono essenzialmente usati per far percepire come più piccolo il valore della concentrazione di sodio: qualunque chimico non si sognerebbe di esprimere la concentrazione di una specie chimica così diluita tramite una percentuale di abbondanza rispetto al solvente, ma sceglierebbe con tutta probabilità di esprimere la stessa concentrazione in termini di milligrammi per litro di soluzione (mg/l), scelta questa fra le più comunemente adottate per esprimere la concentrazione degli ioni in etichetta delle acque in bottiglia, o anche in termini di milligrammi per chilogrammo di prodotto (mg/kg), espressione questa equivalente ad esprimere la concentrazione in parti per milione (ppm), essendo il chilogrammo un’unità di misura esattamente un milione di volte più grande del milligrammo.
Il fattore di conversione per passare da % a mg/l (anche detti ppm) è 10000: percentuale per 10000 per avere lo stesso valore di concentrazione espresso in mg/l; mg/l diviso 10000 per trasformare questi ultimi in %.

Torniamo alle nostre acque X ed Y.  La differenza in sodio fra l’una e l’altra è di 112.4 mg per ogni litro di acqua bevuta.   Immaginando di bere mediamente 2 litri di acqua al giorno possiamo pensare di risparmiare al nostro organismo l’assunzione di 224.8 mg di sodio, con 3 litri il “risparmio” sarebbe di 337.2 mg e se qualcuno di voi mai riuscisse a trangugiare 4 litri di acqua “a ridottissimo contenuto in sodio” in una giornata, il suo guadagno in termini di riduzione dell’apporto in sodio rispetto all’assunzione della stessa quantità dell’acqua X sarebbe di 449.6 mg.

Ma a quanto sale, ovvero a quanto sodio cloruro, corrispondono queste riduzioni espresse in quantità in peso di sodio?

Il sodio cloruro è un sale, ovvero una specie chimica inorganica di tipo ionico, di formula NaCl.  Il suo peso formula è dato dalla sommatoria dei pesi atomici degli atomi che lo compongono, e nel caso specifico 22.989769 (unità di massa atomica) del sodio Na e 25.453 u.m.a. del cloro Cl.
Complessivamente il peso formula (FW) è di 58.442769.

Quanto sodio è contenuto quindi nel cloruro di sodio?
Confesso che non sono poche le persone, anche con una buona preparazione tecnica, che mi pongono ricorrentemente questo tipo di domanda: quanto di un certo elemento, espresso in percentuale, si trova all’interno di una sostanza pura della quale conosco la formula chimica?

Dunque, il primo passo è calcolare il peso formula, e questo lo abbiamo già fatto.   Più genericamente il peso formula lo si ottiene moltiplicando il peso atomico di ciascun atomo che compare nella formula bruta della sostanza per il suo coefficiente stechiometrico, ovvero per il numerino posto in basso a destra di ciascun simbolo atomico nella stessa formula, e sommando i valori ottenuti per ciascun elemento.
La percentuale in peso di un singolo elemento costituente la si ottiene rapportando a 100 l’incidenza del peso dell’elemento in questione rispetto al peso formula della sostanza.

In pratica:

(peso atomico x coeff. stechiometrico) : peso formula = 1 : 100

Volendo calcolare il contenuto in calcio del fosfato di calcio Ca3(PO4)2, per esempio, calcoliamo il peso formula di 310.176724 uma.  Il peso atomico del calcio è di 40.078 uma

(40.078 x 3) : 310.176724 = 1 : 100

Da cui si ottiene Ca 38.76%

Applicando questo semplice calcolo al caso del sodio nel sodio cloruro, si ottiene che la sua incidenza percentuale è del 39.34% in peso.

Per ogni litro di acqua di tipo X sostituito con un litro di acqua di tipo Y eviteremo quindi di deglutire la stessa quantità di sodio contenuta in 285.71 mg, ovvero di 0.28571 g di sale comune.  Per un consumo previsto di 2 litri di acqua al giorno la riduzione di sodio sarà di 0.57143 g; 0.85714 g per un consumo di 3 litri e di 1.1429 g per il consumo di 4 litri di acqua al giorno.
Prendiamo in considerazione la dose più ragionevole, ovvero la quota corrispondente al consumo di 2 litri di acqua giornalieri: 0.57143 g di sodio a cosa possono corrispondere?

In una porzione media di patatine preparata da un noto marchio della ristorazione fast-food la quantità di sale aggiunta è indicata come 0.343 g di sodio cloruro, ovvero al di sopra della riduzione dell’apporto di sodio che otterremmo sostituendo per un’intera giornata il ricorso all’acqua ad alto con quella a bassissimo contenuto di sodio.
E si tenga presente che parliamo di una porzione “piccola” di patatine.  E che abbiamo confrontato due acque che costituiscono casi estremi fra le acque da tavola, una con un contenuto in sodio particolarmente alto, ed un’altra con un contenuto ridottissimo: la maggior parte della acque minerali in bottiglia si collocano naturalmente in una posizione intermedia per quanto riguarda la concentrazione di sodio.

Altro esempio, ancora più eclatante perché riguarda un alimento solitamente associato alle buone abitudini alimentari alle quali tutti vorremmo allinearci: quello del consumo di una buona insalata di verdura al giorno.  Una bustina monodose, come quelle messe a disposizione in bar e mense, contiene solitamente 1 g di sale (vedasi l’esempio di questo importante produttore nazionale SAI (Sali Alimentari e Indusriali).  Con una di queste bustine si condisce solitamente un’insalata per una sola persona.   In questo caso con una sola insalata condita con l’intera bustina monodose si vanificherebbe l’effetto di riduzione di sodio apportato con l’assunzione di acqua iposodica per più di 3 giorni.

Dietro a tutto questo resterebbe da chiarire se il sodio sia effettivamente quel nemico senza appello che molto marketing di prodotto vorrebbe lasciarci intendere.
In effetti esso è presente pressoché in tutti i prodotti alimentari, sia “pensati e fabbricati” dall’uomo che, come di suol dire, con un’espressione che personalmente non amo molto, “di origine naturale”: come per moltissimi altri parametri chimico-composizionali, per chi volesse approfondire la conoscenza della concentrazione indicativa di questo elemento nei più comuni ingredienti alimentari, semilavorati e piatti finiti della nostra cucina vi consiglio gli esaurienti elenchi disponibili sul sito “Valori Nutrizionali Alimenti”.

Oltre che pressoché ubiquitario nei cibi che compongono la nostra dieta, questo elemento risulta non soltanto utile ma a tutti gli effetti assolutamente indispensabile per la vita dell’uomo e praticamente di tutte le specie animali e vegetali.   Esso costituisce il catione inorganico (ione metallico, carico positivamente) più abbondante nel nostro organismo e risulta fondamentale nella regolazione di una quantità incalcolabile di processi chimici e fisici alla base della vita cellulare, ad iniziare dal mantenimento della pressione osmotica ottimale all’interno della cellula (che nel caso di una concentrazione salina insufficiente all’esterno, assorbirebbe per osmosi acqua in quantità eccessiva fino ad esplodere), al mantenimento in forma disciolta (sottoforma forma di sali) di molte molecole biologiche, al supporto catalitico nell’azione di molti enzimi, fino ai complessi meccanismi che regolano la trasmissione di informazioni fra le cellule del sistema nervoso.

La concentrazione di sodio nel sangue, detta sodiemia, è importante un parametro da tenere sotto controllo: per essa è definito un range ottimale da 135 a 145 mEq/l.

Questa degli equivalenti, o come in questo caso dei milliequivalenti per litro (mEq/l) è un altro modo per esprimere la concentrazione di una specie chimica, particolarmente utilizzato quando si tratta di uno ione o di una sostanza facilmente dissociabile in ioni, come ad esempio un acido, un sale o un idrossido.   Un singolo equivalente di uno ione corrisponde al peso atomico (o al peso formula nel caso di uno ione formato da più atomi), diviso la sua carica.   Nel caso del catione sodio (Na⁺), si tratta ovviamente di uno ione formato da un solo atomo, il sodio appunto, avente una sola carica, e pertanto il peso equivalente corrisponde numericamente al peso atomico, ovvero 22.989769.   1 mEq/l corrisponde quindi ad un millesimo di equivalente per litro, ovvero 0.02298… g/l (ho spostato la virgola di tre posti a sinistra), o anche a 22.98… mg/l, ed il range ottimale per la concentrazione di sodio nel sangue diventa pertanto compresa fra 3.10 g/l e 3.33 g/l circa.
Quindi al di sotto dei 3.10 g/l la concentrazione ematica del sodio è ritenuta inferiore all’ottimale, tanto da condurre, nei casi più estremi, una sindrome detta iponatriemia (dal termine latino Natrium, per sodio, da cui il simbolo dell’elemento Na), i cui sintomi sono descritti sul sito ufficiale degli studenti di medicina dell’Università di Napoli, “Sunhope”, come anche sulla pagina di Wikipedia dedicata alla descrizione del parametro della sodiemia.

Nel caso in cui risulti necessario integrare sali minerali, ad esempio in seguito ad un’intensa sudorazione conseguente ad attività sportiva, gli integratori salini utilizzati (come ad esempio le note bevande isotoniche ed ipertoniche per uso sportivo) devono necessariamente contenere, insieme al potassio, al cloruro ed al magnesio, anche concentrazioni sufficienti di sodio.
La stessa “soluzione fisiologica” spesso somministrata sotto forma di flebo iniettabili ai degenti ospedalieri per i quali l’idratazione spontanea risulta difficoltosa o sconsigliata per altre ragioni, è costituita essenzialmente da una soluzione acquosa allo 0.9 % circa (ovvero 9000 mg/l) di sodio cloruro.

L’assunto dal quale solitamente si parte quando si raccomanda, spesso con un eccessivo livello di generalizzazione, di ridurre l’assunzione di sodio con la dieta è quello in virtù del quale, per lo più inconsapevolmente, la maggior parte di noi assume già delle grandi quantità di questo elemento, sufficienti e spesso sovrabbondanti rispetto al fabbisogno quotidiano, specie nell’ambito dei regimi alimentari tipici dei paesi più ricchi e di una vita mediamente sedentaria.   Una trattazione approfondita relativa a queste complesse problematiche, con indicazione anche del fabbisogno minimo e delle conseguenze di apporti eccessivi nell’assunzione quotidiana di sodio, con una doverosa citazione delle fonti informative, è consultabile sul sito “TuttoSullaNutrizione”.

Quindi pensiamoci sopra un momento in più prima di lanciarci entusiasticamente in campagne a favore dell’utilizzo esclusivo di acqua in bottiglia a ridottissimo contenuto di sodio, spesso più costose di quelle a concentrazione di sodio anche solo leggermente più elevata.
D’altra parte qualcuno potrebbe fare notare che bere un’acqua al posto di un’altra, al di là di un’eventuale differenza di costo, non ci procura molta fatica o dispiacere, sicuramente meno “dolore” del rinunciare alle nostre amate patatine fritte (e salatissime) o ad una bella e sana insalata condita con olio, aceto e sale.   Siamo dunque sul campo delle scelte e delle priorità personali: un terreno sacrosanto di argomentazione, ma attenzione però a non voler necessariamente giustificare queste scelte in funzione di evidenze scientifiche, o per meglio dire a intendere come evidenze scientifiche quanto evidenziato dal marketing delle aziende produttrici di queste acque minerali in bottiglia.  I dati diffusi sono corretti in sé stessi: non sto dicendo che la concentrazione di sodio nelle diverse acque sia diversa da quella dichiarata.   Sbagliato è invece il messaggio indiretto, quello “lasciato intendere” fra le righe, che la scelta di un tipo di acqua al posto di un’altra possa incidere significativamente sulla quantità di sodio assunta complessivamente nell’ambito dei regimi alimentari più diffusi, e secondariamente che la riduzione dell’assunzione di sodio sia necessariamente un obiettivo da perseguire da parte di tutti.

Da questo punto di vista, ed esclusivamente sotto il profilo della gratificazione, potrebbe iniziare forse ad avere senso scegliere di bere per una settimana acqua a ridotto contenuto di sodio per poterci poi permettere nel weekend una bella confezione di patatine fritte regolarmente salate.
La nostra sodiemia andrebbe incontro ad un presumibile sbalzo di punta, ma l’ottima capacità escretoria renale di questo catione ci cautelerà certamente dal suo accumulo nell’organismo.
Una scelta probabilmente poco educativa, ma “stechiometricamente” ragionevole.

Print PDF

Clicca qui per vedere il video incorporato.

Lo zucchero sembrerebbe non bruciare affatto.
L’operatore ha afferrato uno zolletta di saccarosio (il comune zucchero alimentare usato in cucina), scegliendo di operare su una zolletta per una semplice problema di comodità, ed ha provato “ad accenderla” su una fiamma, garantita in questo caso da una candela accesa.    Il risultato? Nessuno: la fiamma “non prende”, la zolletta non si accende, ovvero lo zucchero non brucia.   Alla peggio, dopo un po’ di tempo di esposizione alla fiamma (quello che in altri contesti si definirebbe “innesco”) si assiste alla degradazione del saccarosio con la formazione di una massa fluida e scura di caramello e lo sviluppo del caratteristico aroma dolciastro. Ma niente combustione.
Cosa concludere allora?   Forse che i biologi e i biochimici hanno congiurato per tutto questo tempo nel prenderci in giro con questa falsa informazione fin dalla scuola dell’obbligo?

Qualcuno potrebbe giustamente obiettare che forse è l’interpretazione del termine bruciare” che andrebbe un po’ allargata, magari con una metafora, dal suo senso letterale ad uno più esteso.   Ed effettivamente potrebbe avere ragione, ma anche senza tirare in ballo metafore o allegorie, perché quella che avviene agli zuccheri nel nostro corpo “è” in effetti una forma di combustione.   Per un chimico, la combustione (ovvero il processo attraverso il quale un combustibile brucia) non è in realtà indissolubilmente legata allo sviluppo di fuoco e fiamme, che in un certo senso possono essere intese come una semplice manifestazione fisica secondaria, una specie di effetto collaterale e derivato di una reazione vera e propria che sta nascosta dietro: la vera reazione di combustione, quella propriamente detta (vedi l’intervento “che cos’è il fuoco?”).    Il cuore del concetto di combustione sta nella reazione di ossido-riduzione che vede la trasformazione ossidativa (quindi con perdita di elettroni) di un combustibile (in questo caso una sostanza organica come lo zucchero) in anidride carbonica ad opera dell’ossigeno atmosferico, che a sua volta si riduce formando acqua, con liberazione di energia.   Sono quindi in qualche modo fissati reagenti, prodotti ed energia liberata: “in che modo” possa decorrere questa reazione, ed in che modo l’energia liberata possa essere gestita ed eventualmente imbrigliata, non condiziona in modo sostanziale l’idea di combustione.
E’ vero che nel nostro organismo e nei contesti biologici in genere questa reazione si svolge in decine di step che hanno lo scopo essenziale di “imbrigliare” e di sfruttare al meglio l’energia prodotta, accumulandola in molecole energetiche di riserva e che la partecipazione dell’ossigeno in funzione di comburente compare soltanto nell’ultimissimo passaggio dei tanti

In un certo senso la differenza che sta fra respirazione e combustione ricorda un po’ quella che intercorre fra coricarsi a terra e cadere incidentalmente: in entrambe i casi passiamo dalla posizione eretta a quella distesa, ma la complessità e la dinamica dei due processi, eventualmente la velocità ed il numero muscoli coinvolti, nonché con tutta probabilità anche le conseguenze per il nostro organismo non saranno di sicuro le stesse!

Cerchiamo allora di capire per quale ragione lo stesso zucchero che nel nostro organismo va incontro ad un processo ossidativi, non subisce la medesima trasformazione, pure in condizioni apparentemente più drastiche, quando proviamo ad incendiarlo sotto forma con una fiamma diretta.

Una cosa che certamente ricordata, per quanto banale possa apparire una volta enunciata, è che per quanto “ad alto contenuto energetico” una sostanza non si trasforma da sola, ovvero non reagisce spontaneamente liberando quest’energia racchiusa nella sua struttura molecolare a partire da uno stato di quiete e senza interventi dall’esterno: se così fosse la molecola non risulterebbe stabile e per tanto neppure facilmente isolabile, non almeno quel tanto che basterebbe per essere prodotta industrialmente e chiusa in sacchetti o barattoli per un uso dilazionato nel tempo.     L’avvio del processo di combustione a carico dei materiali combustibili più noti nella pratica quotidiana, dal legno al carbone al petrolio richiedono per poter avviare il loro processo di combustione di una piccola “spintarella” fornita dall’esterno, definita anche innesco: nel migliore dei casi una semplice scintilla, in altri addirittura l’esposizione diretta e più o meno prolungata a temperature particolarmente elevate, in pratica ad una fiamma come nel caso di un ceppo di legno.   Persino gli esplosivi più sensibili richiedono per lo meno uno stimolo di tipo meccanico per poter deflagrare e l’esplosione, com’è noto, consiste anch’essa in una forma di ossido-riduzione molto simile ad una combustione interna, anche se ti tipo estremamente rapido.
Tutte queste tipologie di inneschi (scintilla, fiamma, urto, ecc) sono tutti modi per fornire al sistema combustibile+comburente (aria), di per sé stabile nelle condizioni di stoccaggio, quella piccola o grande quantità di energia necessaria per far sì che il processo di combustione di avvii.    Una volta attivato il processo, questo fornirà una quantità fin dai primi istanti una quantità di energia sufficiente per mantenersi vivo, di solito fino all’esaurimento del combustibile (oppure dell’ossigeno comburente).    Questa piccola quantità di energia inizialmente richiesta è detta appunto “energia di attivazione” della reazione e la sua entità non dipende affatto dalla quantità di energia racchiusa nel combustibile e che potrà successivamente liberarsi nel corso della reazione.
Possiamo immaginare l’energia di attivazione come la spinta che un uomo deve dare ad un masso per farlo cadere giù da un burrone: per farlo spostare, anche solo di quel mezzo metro necessario per farlo cadere, egli dovrà fornire energia meccanica sotto forma di spinta muscolare, magari facendogli superare come illustrato nella figura una piccola cunetta del terreno.   Una volta superato questo limite, il masso cadrà da solo fino a raggiungere un livello energetico più basso di quello di partenza: se al posto di un masso di pietra immaginassimo una quantità di acqua, ecco che a valle potremo pensare di inserire le turbine di una centrale idroelettrica per lo sfruttamento dell’energia cinetica liberata nel salto.

Ecco: lo zucchero, come del resto molte altre sostanze organiche, ha un contenuto energetico interno molto elevato, ma richiede anche un’energia di attivazione piuttosto alta per l’avvio del processo di combustione.
Di fatto nel limite delle nostre possibilità faticheremo non poco ad immaginare una fonte più energetica di una fiamma accesa per fornire l’energia necessaria all’attivazione di una reazione.   Questo genere di problematica, com’è facile intuire, non riguarda solo la combustione, e neppure “soltanto” le ossidoriduzioni, bensì sia a livello di laboratorio che, soprattutto, industriale, l’attivazione in genere di tutte quelle reazioni chimiche che seppur di tipo esoergonico, ossia in grado di liberare energia una volta avviate, soffrono tuttavia di una barriera energetica di attivazione un po’ troppo elevata per essere superata con i mezzi a disposizione.
La strategia più comunemente seguita in tutti questi casi cerca in qualche modo di aggirare il problema cercando di modificare in qualche modo il meccanismo stesso della reazione con l’obiettivo di ridurre il più possibile l’entità dell’energia di attivazione richiesta.

Prima di spendere altre parole su questo argomento, guardiamo nel seguente video un piccolo stratagemma “casalingo” concepito per ovviare a questo problema nel caso della combustione dello zucchero, ispirato proprio a quanto appena anticipato:

Clicca qui per vedere il video incorporato.

Nel video si vede l’operatore che prima di esporre la zolletta alla fiamma la “sporca” con un’altra sostanza, nel caso specifico della cenere di sigaretta. Attenzione a non fraintendere il significato dell’esperimento: la cenere di sigaretta non è affatto accesa (quindi non si tratta di brace) e può anche essere vecchia di anni e, in vero, può essere agevolmente sostituita da diverse altre sostanze, magari più difficili da procurare in casa, che nulla hanno a che fare con la cenere ma che possono svolgere la medesima funzione.
La zolletta di zucchero contaminata da cenere, se esposta alla fiamma inizia a bruciare, proseguendo a questo punto fino al completo consumo del combustibile disponibile, ovvero dello zucchero.   Se si dovesse osservare il tutto nel dettaglio si noterebbe che la reazione ha preso piede solo sulle porzioni di superficie sulle quali sono rimaste attaccate particelle di cenere; inoltre a fine processo, una volta terminata la combustione della zolletta, dovrebbe essere possibile ritrovare inalterata la stessa cenere di sigaretta che era stata utilizzata inizialmente per sporcare il saccarosio.    Questo piccolo residuo può benissimo essere riutilizzato per “sporcare” una nuova zolletta di zucchero e permettere in questo modo la combustione anche della seconda, e così via, virtualmente all’infinito.

La quantità di cenere che si è addizionata inizialmente alla zolletta non è poi così fondamentale, o per lo meno non si può far dipendere da essa il fatto che poi la reazione esoergonica di combustione del saccarosio possa procedere più o meno speditamente una volta avviata.   La cenere non è un reagente e non viene consumata nel corso della reazione, per tanto la sua concentrazione in rapporto ai reagenti non condiziona la velocità del processo di combustione una volta avviato, ma al limita la velocità del primo avvio.

Mettendo insieme tutte queste caratteristiche che descrivono il comportamento della cenere di sigaretta nel favorire l’innesco della reazione di combustione del saccarosio, possiamo concludere che essa:
1) Abbassa l’energia di attivazione della reazione, rendendo possibile il decorso della stessa reazione nel senso energeticamente più favorevole;
2) Non viene consumata dalla reazione ma, al contrario, la si trova inalterata in quantità e qualità al termine del processo.

Quelle appena descritte sono precisamente le caratteristiche di un catalizzatore.    La cenere di sigaretta in questo caso catalizza la reazione di combustione del saccarosio in zolletta con la partecipazione in qualità di comburente dell’ossigeno dell’aria.
La definizione di catalizzatore fornita da Wikipedia è:
“Un catalizzatore è una sostanza, fonte o dispositivo che interviene in una reazione chimica aumentandone la velocità ma rimanendo inalterato al termine della stessa.
L’aumento di velocità viene reso possibile grazie alla diminuzione dell’energia di attivazione (energia potenziale), che deve essere raggiunta per far sì che i reagenti evolvano poi spontaneamente verso il prodotto/i.”

Da notare che, secondo la definizione, la reazione potrebbe avverrebbe comunque, almeno in linea di principio, anche in assenza del catalizzatore, magari in modo lentissimo, essendo essa pur sempre favorita in termini termodinamici e nello specifico energetici: non si dimentichi infatti che l’energia contenuta nei prodotti di reazione (anidride carbonica + vapore d’acqua) è pur sempre inferiore, e non di poco, rispetto a quella contenuta nei reagenti, ovvero saccarosio + ossigeno.   Un catalizzatore non rende possibile cosa in assenza di esso sarebbe da ritenere impossibile: semplicemente aiuta a rendere più veloce un processo comunque possibile, segnando spesso una differenza sostanziale.

Quello che si osserva macroscopicamente nel caso di molte reazioni però è esattamente quello che abbiamo potuto vedere nel primo video: in tempi “umani” e sulla stragrande maggioranza delle molecole delle quali è composto il materiale reagente, la reazione non prende piede.    E se il tempo richiesto per l’avanzamento di una reazione diventa troppo lungo, altre reazioni secondarie possono prendere il sopravvento a carico degli stessi reagenti: vedi nel nostro caso la complessa reazione di caramellizzazione alla quale il saccarosio va incontro se si insiste nel riscaldarlo a oltranza sulla fiamma.
Taluni mi hanno domandato quali siano esattamente le molecole contenute nella cenere di sigaretta a catalizzare la reazione osservata.   Non lo so con certezza e d’altronde credo non sia neppure fondamentale al fine della comprensione dell’argomento trattato finora: suppongo si tratti di ossidi di metalli di transizione (come ad esempio ferro, manganese, rame, ecc) dei quali la cenere è ricca e che svolgono già una riconosciuta azione catalitica nei confronti di altre reazioni.   Un’altra possibilità, questa forse meno accattivante, è che si tratti dell’azione dei noti “promotori della combustione”, catalizzatori appunto, introdotti dagli stessi produttori di sigarette in talune linee di prodotto allo scopo di scongiurare il più possibile il rischio che sa sigaretta si spenga fra una boccata e l’altra.
Sono diversi i concetti appena abbozzati che meriteranno un approfondimento dedicato in altri interventi: dall’azione stessa dei catalizzatori, inorganici, organici e specificamente biologici, al significato di quella che per il momento mi sono limitato a definire “energia interna” di una molecola, fino alle considerazioni relative al fatto che una data reazione possa essere più o meno favorita in condizioni standard e cosa fare eventualmente per cambiare il decorso naturale delle cose.
In chiusura, una nota doverosa relativa alla cenere di sigaretta: se volete ripetere voi stessi questo esperimento, non è affatto necessario che fumiate, compromettendo come ormai ampiamente comprovato la salute ed il benessere vostro e di chi vi sta accanto.   Potete lasciare “consumare” una o più sigarette accese direttamente in un posacenere, in condizioni controllate di sicurezza, in un ambiente esterno ed areato.
Così nessuno a questo punto potrà accusarmi, se mai ne avesse avuto il sospetto, di aver scritto un intervento di istigazione a fumare!

Print PDF

Fu il chimico francese Louis Camille Maillard a descrivere per primo nel 1910 una curiosa reazione che, coinvolgendo due delle principali classi di costituenti più diffusi nei prodotti di origine naturale, gli aminoacidi (mattoncini di base che a loro volta costituiscono le proteine) e gli zuccheri semplici (che possono a loro volta liberarsi dai carboidrati complessi), era in grado di portare alla formazione di alcuni prodotti di reazione fino ad allora sconosciuti.

Louis Camille Maillard (Francia, 1878-1936)

Suppongo che il dottor Maillard fu probabilmente un pò infastidito, almeno in un primo momento, da questa sorta di reazione collaterale, in quanto lo scopo iniziale del suo lavoro era semplicemente quello di giungere alla sintesi in laboratorio delle proteine di interesse biologico, una cosa detto fra noi tutt’altro che semplice.   Con tutta probabilità egli dovette notare, durante i suoi tentativi di sintesi, che quando degli aminoacidi non completamente depurati dagli zuccheri riducenti (quasi sempre presenti almeno in tracce nei prodotti di origine naturale) venivano riscaldati, specie se in carenza di acqua, almeno una parte di questi aminoacidi si perdeva, trasformandosi in qualcos’altro, qualcosa di probabilmente di colore più scuro e sicuramente molto odoroso.
Da qui ad intuire che questo tipo di trasformazione poteva rivestire un ruolo fondamentale nello spiegare come si originano le molecole aromatiche durante la cottura degli alimenti il passo non fu enorme, non così grande almeno come il cercare in seguito di decifrare nei dettagli cosa effettivamente succedeva nel corso di queste reazioni, che si dimostrarono un rompicapo veramente al di sopra di ogni aspettativa.

Uso non a caso il plurale: quelle che infatti presero da allora il nome di “reazioni di Maillard” non sono semplicemente “una” ma una vera moltitudine di possibili reazioni che, partendo da un numero tutto sommato modesto di molecole fra loro diverse inizialmente presenti negli ingrediente (poco più di una ventina sono gli aminoacidi proteici, ancora meno quelli suscettibili di questo tipo di reazioni, e non più di mezza dozzina i più diffusi zuccheri semplici riducenti) sono in grado di generare una vera moltitudine di specie chimiche diversificate.   Come una piccolo ruscello di montagna che si tuffa su una scarpata ripida e pietrosa, le reazioni di Maillard possono seguire percorsi molteplici, spesso simultanei fra loro: lo stesso tipo di molecola può infatti andare incontro a destini diversificati, alcuni alternativi fra loro, altri paralleli.   Alcuni di questi percorsi reattivi convergono sullo stesso prodotto finale, altri divergono dando ragione della generazione di prodotti diversi, in parte specifici in relazione alle molecole di partenza, altri alle condizioni di reazione (temperatura, pH, umidità, catalizzatori, altre molecole presenti, ecc), fino alla generazione finale di un pool estremamente complesso di prodotti di reazione, costituito anche da diverse centinaia di molecole.    Un bel casino direbbe qualcuno, ma la cosa straordinaria è che nonostante questa elevata complessità, partendo dagli stessi ingredienti iniziali (quindi dalle stesse molecole ed in rapporti simili) e lavorando nelle stesse condizioni operative (es. temperatura, umidità, tecnica di cottura, acidità, ecc) si arriva ad ottenere un insieme di molecole-prodotto che, per quanto molto complicato, è comunque piuttosto costante e riproducibile, tanto da consentirci di riconoscere con facilità a quale alimento appartiene.

La consapevolezza da un lato dell’importanza, dall’altro della complessità dell’argomento è cresciuta negli anni a tal punto da motivare la creazione di una società scientifica internazionale specificamente dedicata all’argomento, l’International Maillard Reaction Society (IMARS).
(citazione da Wikipedia): “Si tratta di un’ organizzazione internazionale senza fini di lucro fondata nel 1985 e che raggruppa ricercatori, accademici, medici, studenti, interessati al campo della Reazione di Maillard nel cibo, nella biologia e nella medicina.  La rete costituita dalla associazione IMARS mira a favorire il trasferimento di conoscenze tra scienziati che operano in campi completamente diversi, scienziati che non si incontrerebberoche non si incontrano mai nel corso di riunioni scuentifiche convenzionali.  La missione fondamentale della associazione è quella di promuovere la ricerca di alta qualità per la Reazione di Maillard. L’IMARS organizza ogni 3 anni un “Simposio Internazionale sulla Reazione di Maillard”.  Il prossimo Simposio si terrà nel 2012, a 100 anni dal principale lavoro sulla Reazione di Maillard.  Il Simposio si terrà a Nancy, la città di Louis Camille Maillard.”

AROMI DA COTTURA …SENZA MAILLARD

A dire il vero si commetterebbe un errore se a questo punto si affermasse che tutte le molecole che contribuiscono all’aroma che un alimento sviluppa durante da cottura si originano a partire dalla combinazione di uno zucchero riducente e di un aminoacido o di loro derivati.
In realtà una grande quantità di molecole fra le quali zuccheri semplici, acidi grassi insaturi, nucleotidi derivanti dall’RNA, composti solforati, vitamine, aminoacidi possono trasformarsi singolarmente o reagendo fra loro secondo una successione di reazioni diverse da quelle dette appunto di Maillard.

inulina, il polisaccaride più abbondante nella cipolla - si notino le unità di fruttosio costituenti la catena

L’esempio più banale che possa venirmi in mente riguardante la trasformazione di molecole inizialmente presenti negli ingredienti, con la formazione di prodotti in grado di incidere sulle qualità organolettiche del prodotto è quella dell’idrolisi dell’amido e dei polisaccaridi in generale.     Dalla pasta al riso alle patate, è noto che una cottura sufficientemente prolungata in presenza di acqua “intacca” almeno in parte la struttura dell’amido, modificandone in parte la conformazione tridimensionale e quindi la consistenza del prodotto, ma liberando anche mono- e oligosaccaridi che contribuiscono all’accrescimento della nota naturalmente dolce degli alimenti amidacei cotti, come ad esempio la pasta e le patate.   Il fenomeno è favorito da un pH acido, per cui se si desidera incrementare la dolcezza di un prodotto amidaceo durante la cottura, anche se questo con tutta probabilità andrà un po’ a scapito della sua struttura, si può acidificare leggermente l’acqua di cottura, ad esempio con succo di limone, aceto o sughetti di verdure acide con quello di pomodoro.    E’ vero che nel prodotto finito l’acidità potrebbe coprire un po’ la percezione del dolce, ma basterà aggiungere una minima quantità di bicarbonato per annullare la prima e di conseguenza permettere agli zuccheri liberati di farsi apprezzare in tutta la loro dolcezza.   Diverse verdure contengono polisaccaridi diversi dall’amido, come ad esempio l’inulina, presente nelle cipolle, nell’aglio e nel topinambur, costituita da catene di fruttosio: l’idrolisi di questo polisaccaride genera fruttosio libero, di dolcezza specifica ancora più elevata rispetto a quella del glucosio.

Un altro esempio.    La degradazione al quale va incontro il comune zucchero domestico (saccarosio) quando è fatto fondere, eventualmente con una traccia di succo di limone per abbassare il pH, per formare caramello: questo è un esempio di reazione di pirolisi terribilmente complicata ma che riguarda solo e soltanto una tipologia di molecola di partenza, il saccarosio appunto, e per quanto origini un prodotto multi-componente dotato di aroma, colore e consistenza caratteristici, il caramello, non può essere annoverata fra le reazioni di Maillard.
Da notare che alcuni prodotti tipici della disidratazione degli zuccheri caratteristi dell’aroma di caramello, come ad esempio il furfurale ed il 5-idrossimetilfurfurale possono derivare sia dai monosaccaridi in modo diretto (senza la partecipazione di aminoacidi), a patto che il pH sia acido, che a pH neutro o basico seguendo un percorso classificabile come reazioni di Maillard, in presenza di aminoacidi e con una resa più elevata. Nel caso del decorso diretto, quello che non comporta la partecipazione di aminoacidi, risultano favoriti gli zuccheri cosiddetti “pentosi”, ovvero a 5 atomi di carbonio, come lo xilosio, molto diffuso negli ingredienti di origine vegetale specie in quelli “integrali”, con la formazione del furfurale (che oltre che a contribuire all’aroma è però penalizzato per ragioni tossicologiche che possono subentrare ad elevate concentrazioni della molecola).
Da qui si comprenderà come non sia facile in taluni contesti “raccontare” l’origine di una molecola, che può derivare da scenari reattivi e da composizioni iniziali anche molto differenti.

Altri importanti casi, questi sì più complessi e diffusi in natura anche a prescindere dalla mano del cuoco, riguardano la degradazione di acidi grassi mono- o polinsaturi, attraverso meccanismi che prevedono l’ossidazione, la rottura della catena dell’acido grasso in frammenti più piccoli ed eventualmente trasformazione di questi frammenti in molecole più volatili ed intensamente odorose (aldeidi e chetoni).   Anche se con decorsi diversi, questa classe di reazioni avviene in tutti gli esseri viventi, uomo compreso, e trova fra i suoi promotori tanto enzimi naturalmente presenti negli organismi (le lipoossigenasi) che i famigerati radicali liberi (che in fondo sono una forma attiva dell’ossigeno, attraverso la quale quello gassoso dell’atmosfera riesce ad entrare in molte molecole biologiche, con i noti danni che ne conseguono) che eventuali tracce di metalli pesanti, come ad esempio il rame ed il nichel.

In molti vegetali, già in campo ma soprattutto durante la loro preparazione in cucina, la presenza di aria, dalla luce e del calore, nonché di tracce di metalli quasi sempre presenti negli attrezzi di cucina, favorisce questo tipo di reazioni, spingendole fino all’estrema conseguenza della formazione di aldeidi volatili ed intensamente profumate, il cui odore caratteristico ci ricorda appunto quello delle verdure tagliate, o dei chetoni dall’odore un po’ meno gradevole, che spesso richiama quello dei grassi un po’ irranciditi.
I due fattori esterni maggiormente incidenti nella generazione di queste molecole, l’ossigeno dell’aria ed i metalli pesanti, possono accentuarsi in modo particolare nella preparazione degli alimenti rispettivamente da un taglio in porzioni particolarmente ridotte del vegetale, eventualmente con superfici frangiate ed irregolari, che accrescono la superficie di contatto fra le cellule e l’aria, e per quanto riguarda i metalli dall’impiego di utensili come coltelli e pentole che rilascino seppur piccole tracce di metalli ferro, cromo o rame.

Nel seguente diagramma sono schematizzati in 3 step i passaggi che portano “già in vivo” alla formazione di tre aldeidi leggere ed intensamente aromatiche che contribuiscono in modo significativo al profumo del pomodoro fresco, a partire dai trigliceridi insaturi di cui è ricca la sua fase lipidica (goccioline oleose che si vedono galleggiare sul succo acquoso di pomodoro appena tagliato).

formazione di aldeidi volatili dai lipidi del pomodoro

Al di là dei pochi esempi riportati, le reazioni “extra-Maillard” che possono contribuire alla formazione di molecole organoletticamente rilevanti durante la cottura degli alimenti sono effettivamente un numero piuttosto elevato.
A titolo di esempio nel seguente diagramma sono schematizzati i possibili precursori e le tipologie di trasformazioni che portano alla formazione delle molecole che a vario titolo contribuiscono all’aroma della carne cotta.

vie di formazione di aromi durante la cottura della carne

Come si vede, le reazioni di Maillard sarebbero solo “uno” dei possibili percorsi, anche se, come vedremo nei prossimi paragrafi, esse racchiudono al loro interno un tale ventaglio di percorsi reattivi ed una diversificazione tale di molecole prodotte che bastano da sole a giustificare la parte preponderante del bouquet aromatico di moltissimi prodotti alimentari cucinati.

LE REAZIONI DI MAILLARD: I PRIMI PASSAGGI…

Ma torniamo a bomba sul mondo di molecole che possono generarsi in seguito alle trasformazioni complesse che vanno sotto il nome generico di reazioni di Maillard.
Come anticipato dalla scoperta iniziale del dottor Luise Camille, sono due le classi di molecole che devono essere presenti e, seppur in momenti e con modalità variabili, reagire fra loro: gli zuccheri (meglio detti carboidrati o glucidi) e gli aminoacidi.   Ancora più precisamente gli zuccheri devono essere tali da manifestare proprietà riducenti (quindi vanno bene i cosiddetti “esosi” come il glucosio, il mannosio, lo xilosio, il galattosio), mentre i chetosi non contenendo un gruppo funzionale con proprietà riducenti (come ad esempio il fruttosio) risultano un pò meno attivi e danno ragione di un meccanismo e di prodotti di reazione un po’ differenti.
Fra gli aminoacidi una particolare (ma non esclusiva) reattività è stata osservata sui cosiddetti “aminoacidi basici”, ovvero in quelli che oltre al gruppo –NH2 che li caratterizza in quanto aminoacidi, anche un altro gruppo aminico che ne determini una certa basicità caratteristica: sono aminoacidi di questo tipo arginina, asparagina, glutamina, istidina, lisina, prolina.
In fin dei conti quindi pochi tipi diversi di aminoacidi di partenza ed ancora meno carboidrati, a fronte della generazione di bouquet aromatici costituiti da diverse decine, spesso centinaia di molecole differenti.

Ed ora un po’ di chimica organica!
Non spaventatevi se vi sembra di non capire niente: stringete i denti, provate a leggere comunque e vi prometto che alla fine del capitolo avrete compreso molto più di quello che avreste creduto all’inizio.   E ricordatevi sempre che la rappresentazione della struttura delle molecole, le cosiddette “formule”, sono un aiuto fondamentale per seguire con gli occhi un discorso che, se fatto solo a parole, allora sì che diventerebbe davvero ingarbugliato!
Se non comprendete una formula di struttura non preoccupatevi eccessivamente: forse in fondo non c’è proprio nulla di recondito da “comprendere” in essa.   Le formule di struttura in fondo sono semplici rappresentazioni, come se fossero un ritratto schematico della molecola: osservatele e guardate come esse si trasformano di passaggio in passaggio, in accordo con quanto viene descritto nel testo.

Il primo passaggio, che accomuna tutte le reazioni che prendono il nome da Maillard, prevede la reazione fra il gruppo aldeidico -CHO dello zucchero (l’ossidrile -OH anomerico, quello più attivo se si considera la forma chiusa dello zucchero) ed il gruppo –NH2 alfa-aminico dell’aminoacido, con elimazione di acqua e la formazione di un composto ibrido zucchero-aminoacido, detto glicosamina (ricordare che gli zuccheri sono detti più correttamente gucidi o glicidi).
I non-chimici non diano troppo peso a questi termini di nomenclatura specialistica: nella figura qui sotto ho riportato tutto, perché questo è proprio un chiaro esempio, fra l’altro, di come l’utilizzo delle formule di struttura delle molecole a ‘mo di pittogrammi possa aiutare anche a livello intuitivo la comprensione di un fenomeno chimico molto meglio di tante parole.
Ho anche utilizzato colori differenti, rispettivamente verde e viola, per indicare lo zucchero e l’aminoacido, in modo tale da evidenziare a colpo d’occhio “dove vadano a finire” nella molecola.   Parallelamente si vede, tramite una freccia laterale, l’acqua che viene eliminata: è proprio tramite l’eliminazione di questa molecola di acqua che le due porzioni di molecole possono unirsi insieme in una vera e propria sintesi.

i primi stadi delle reazioni di maillard

Con il cerchio azzurro ho quindi evidenziato sulla struttura della glicosamina quella porzione di molecola che sarà successivamente eliminata, nella reazione successiva, sotto forma di anidride carbonica, CO2.
La nuova molecola che si forma è dal punto di vista chimico definita come una immina secondaria, ma nel linguaggio comune la si indica abitualmente come “base di Schiff”.   Notate l’ovale in colore arancione?   Esso cerchia una porzione della parte di base di Schiff che deriva dall’aminoacido di partenza e che varia di fatto in relazione al tipo specifico di aminoacido che è stato coinvolto nella reazione, nel caso della figura l’asparagina.   Per consentire di fare un discorso generale, valido per tutti gli aminoacidi, oltre che per ragioni di spazio nelle figure, tutta questa porzione variabile della molecola sarà da adesso in avanti sostituita da un gruppo “R”.

Già a questo punto, prima ancora che qualsiasi molecola aromaticamente rilevante si sia formata (sia le glicosamine che le basi di Schiff non sono affatto volatili, quindi non possono contribuire al profumo di un cibo), possiamo però avanzare una considerazione molto importante “per il consumatore”: parte degli aminoacidi inizialmente contenuti nelle materie prime alimentari hanno cessato di essere disponibili.   L’asparagina dell’esempio, dal momento che si lega a formare la glicosamina (e questa eventualmente prosegue il suo percorso reattivo) non è più asparagina e non può più essere assorbita e metabolizzata come tale dal nostro organismo. Considerando in particolare i cosiddetti “aminoacidi essenziali”, quelli cioè che l’uomo non è in grado di biosintetizzare con il proprio organismo partendo da altri materiali ma che devono essere necessariamente assunti con la dieta, al pari giusto per intenderci delle vitamine, questo significa un depauperamento parziale delle qualità nutritive dell’alimento.   Questi aminoacidi per la precisione sono: fenilalanina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, treonina, triptofano e valina, ai quali si aggiungono, almeno nella fase di infanzia e sviluppo: arginina, cisterina, istidina e tirosina.
Come vedremo più avanti, a parte gli aspetti più strettamente organolettici, le reazioni di Maillard che avvengono durante la cottura dei cibi introducono dei beneifici che possono compensare in modo adeguato questo “piccolo” effetto collaterale.

I passaggi successivi sono reazioni di tipo reversibile, come indicato dalle doppie frecce, ovvero che possono procedere in un senso ma anche retrocedere in quello opposto, a seconda dell’ambiente e delle condizioni di trattamento, o meglio ancora possono assestarsi su un equilibrio più o meno ripartito tra le tre diverse specie chimiche riportate in figura: la base di Schiff (che abbiamo visto originarsi dalle reazioni precedenti, queste sì irreversibili), l’1,2-enamminolo, quello che viene definito il “composto di Amadori” ed infine il 2,3-enamminolo (detto anche “riduttone”).

I cambiamenti fra le tre strutture molecolari potrebbero sfuggire ad un’occhiata superficiale: quello che cambia è un doppio legame, che sembra spostarsi da una coppia di atomi all’altro, e che ho quindi colorato di rosso in figura per consentirvi di seguirlo meglio.   Nelle tre molecole esso si sposta dalla posizione iniziale sulla coppia azoto N dell’aminoacido-carbonio C dello zucchero, a due atomi di C adiacenti dello zucchero, passando nel composto di Amadori a caratterizzare il legame fra un C dello zucchero e l’ossigeno O ad esso legato, per assestarsi infine nel riduttone sempre fra due diversi C adiacenti ma “più interni” alla molecola, che legano entrambe un –OH.

N.B.   Ricordatevi sempre che nelle formule di struttura organiche quando c’è uno spigolo senza riportata nessun simbolo di elemento in modo esplicito, su quello spigolo ci sta un C, ovvero un atomo di carbonio, e la maggior parte degli atomi di idrogeno, quando sono legati direttamente al carbonio, non sono neppure evidenziati come H, anche per non affollare troppo le formule di struttura.

LE REAZIONI DI MAILLARD: L’ORIGINE NEL MICRO-COSMO DEGLI AROMI

Fin qui nulla di terribilmente complicato: abbiamo tre tipi di molecole, quelle in equilibrio nell’ultima figura, che vanno però moltiplicate per il numero di diversi aminoacidi potenzialmente presenti negli ingredienti e per il numero di zuccheri riducenti.   Moltiplicando 4 molecole x 20 aminoacidi (quelli che compongono le proteine) per x 6 zuccheri semplici (alcuni fra monoasaccaridi più diffusi: glucosio, ribosio, desossiribosio, xilosio, mannosio, galattosio) arriveremmo già ad un teorico di 480 diverse molecole, ma è ancora presto per sorprendersi.

Nessuna di queste molecole contribuisce ancora alla componente volatile dell’aroma dell’alimento, in quanto si tratta di composti troppo “pesanti” (leggasi: ad elevato peso molecolare) ed anche troppo polari in ragione del gran numero di –OH liberi, derivanti dallo zucchero di partenza ed ancora presenti nella molecola.
Alcune di queste molecole manifestano però importanti valenze funzionali nel contesto dell’alimento: circa i 2,3-enedioli o riduttoni, per esempio, possono essere dette cose parecchio interessanti. Si tratta di una classe di molecole che godono di proprietà fortemente riducenti, e la loro presenza può pertanto costituire una sorta di barriera contro l’ossidazione di altri componenti all’interno dell’alimento.     Giusto per citare un esempio, ovviamente estraneo all’argomento Maillard, l’acido ascorbico (vitamina C) ha la struttura di un riduttone e gode delle ben note proprietà antiossidanti.   Questo almeno in parte spiega la ragione per la quale in seguito alla cottura molti alimenti risultano più stabili nel tempo, non soltanto dal punto di vista microbiologico ma anche da quello composizionale ed organolettico.

La vera complessità subentra tuttavia solo dal momento che ciascuna delle quattro tipologie di molecole riportate (basi di Schiff, 1,2-enaminoli, composti di Amadori e riduttoni) “si libera” di quel residuo derivante dall’aminoacido di partenza, quello che negli ultimi passaggi avevamo per semplicità identificato in formula come N-R, per semplicità collocato sempre nella parte alta delle strutture molecolari.   Il primo elemento di complessità deriva dal fatto che sia il pezzo azotato N-R che si stacca che la parte più grande della molecola che resta sono entrambe a loro modo “interessanti” dal momento che possono generare a loro modo classi diverse di molecole di interesse organolettico.

Come si può vedere in figura, la molecola che si forma dopo l’eliminazione del frammento R-NH2 può isomerizzare in modo reversibile in un’altra molecola, una di quelle ritenute “chiave” per la generazione di intere nuove famiglie di molecole: l’ 1-desossi-2,3-dichetoso.

Per quanto riguarda la parte R-NH2 liberata, essa dipende nella struttura dall’aminoacido che aveva partecipato alla reazione con il carboidrato.    Di fatto R-NH2 è sempre un’amina che coincide con la struttura dell’aminoacido di partenza se si elimina da esso il gruppo carbossilico –COOH che come si ricorderà era stato perso nei primi step della reazione sotto forma di CO2.
Nella seguente figura ho riportato quattro esempi di composti di natura aminica liberati rispettivamente da quattro diversi aminoacidi in seguito ai processi finora descritti.    Si tratta spesso di molecole molto volatili fortemente maleodoranti, la cui presenza allo stato libero nei cibi dovrebbe essere il più possibile limitata: esempi particolarmente significativi in questo senso sono quello derivante dalla cisteina e dalla lisina, visibili in figura, mentre altre come quella derivante dalla fenilalanina possono avere anche eventuali valenze positive in quanto possono migliorare il nostro stato d’umore e chissà…  magari migliorare anche il nostro rapporto con un determinato alimento!

Partendo da un’altra delle 4 molecole in equilibrio fra loro, quella del 1,2-enaminolo, attraverso una serie di passaggi che qui eviterei di descrivere nel dettaglio, si passa comunque dall’eliminazione dell’amina R-NH2 in perfetta analogia a quanto già descritto poco fa per il riduttone; quindi il composto così formato, detto 3-desossi-alochetoso può andare incontro ad una intensa disidratazione, con perdita di ben 3 molecole di acqua.     I “pezzi” per comporre queste molecole di acqua sono presi anche da parti distanti della molecola ed è per questa ragione che alla fine del processo di disidratazione la molecola stessa si trova richiusa ad anello, a formare un composto eterociclico ossigenato che avevamo già incontrato nel capitolo precedente dedicato alla formazione di aromi senza il ricordo alle reazioni di Maillard: è la 5-idrossimetil-furfurale, o in alternativa anche la semplice furfurale, in funzione del fatto che lo zucchero di partenza fosse un esoso (a 6 atomi di carbonio, come ad esempio il glucosio) o un pentoso (a 5 atomi di carbonio, come ad esempio lo xilosio).   L’odore del furfurale è stato descritto come di mandorla o legnoso.

Avevamo tralasciato per un momento la molecola-chiave del 1-desossi-2,3-dichestoso.   Questa come si potrà a questo punto intuire può andare incontro ad un ventaglio di destini diversificati: il più semplice probabilmente è quello di chiudersi ad anello con una sorte di reazione testa-coda che comporta l’eliminazione di molecole di acqua.    A seconda che gli atomi che vengono a legarsi fra loro siano l’ossigeno 10 ed il carbonio 2 oppure l’ossigeno 8 ed il carbonio 2 (la numerazione è stata introdotta in figura solo per consentire di seguire la dinamica della reazione), si formeranno il maltolo e l’isomaltolo.

Si tratta di molecole dal gradevole profumo, che ricorda quello del cioccolato e del malto.

Un’intera altra classe di molecole organiche, tutte di ridotto peso molecolare (hanno infatti da 2 a 4 atomi di C), ossigenate e volatili, deriva dalla cosiddetta “fissione”, ovvero dalla rottura realizzata secondo modalità ed in un punto variabile, della catena a 5 o atomi di carbonio C derivante dallo zucchero di partenza,ancora chiaramente visibile in tutte e 4 le molecole fra loro in equilibrio.
Piccole molecole organoletticamente rilevanti che possono essere formate in questo modo sono per esempio: piruvaldeide, gliceraldeide, gliossale, acetolo, idrossiacetone, diidrossiacetone, e diacetile (le cui strutture molecolari sono riportate in ordine di enunciazione nella figura qui sotto):

piccole molecole volatili prodotte dalla fissione di intermedi nelle reazioni di Maillard

Il punto di partenza può anch’esso costituire una variabile: per quanto si suggerisce che piccole quantità possano formarsi anche direttamente dagli zuccheri di partenza (come il furfurale, seguendo un percorso non-Maillard), si ritiene che la parte preponderante di queste piccole molecole si formino a partire dal composto di Amadori, dal 1,2-enaminolo o dal 1-desossi-2,3-dichestoso (lo stesso che può disidratarsi a maltolto ed isomaltolo).     Quando i prodotti di questa reazione si caratterizzano per la presenza di un gruppo aldeidico (simile a quello degli zuccheri di partenza, detti aldoli), questa reazione prende anche il nome di “retro-aldolizzazione”.

Il pH è uno dei fattori “controllabili” (anche da parte del cuoco) che incide maggiormente sull’orientamento delle reazioni di Maillard secondo un determinato decorso preferenziale piuttosto che secondo un altro ad esso alternativo.   Il composto di Amadori infatti segue preferenzialmente a pH sufficientemente acidi (<6) la via che porta alla formazione del furfurale ed idrossimetilfurfurale, mentre a pH più tendenti al neutro o al basico (in generale >6) sono favoriti i percorsi di formazione dei riduttoni e dei già descritti prodotti di fissione, fino a spingersi (a temperatura sufficientemente elevata) alla formazione dei noti composti eterociclici così importanti per descrivere la composizione di moltissimi aromi di cottura.

I COMPOSTI ETEROCICLICI DALLE REAZIONI DI MAILLARD

Inutile però girare ancora intorno a quello che per certi versi considero “il cuore” dell’aroma, nel senso del raggruppamento al tempo stesso più folto e in moltissimi casi maggiormente rilevante sul piano organolettico: quello dei composti eterociclici.   Ho già avuto modo di descrivere questa macro-categoria di molecole organiche nell’ultimo articolo sull’argomento (il sapore dei cibi: un micro-cosmo di molecole), senza tuttavia spendere una parola circa i loro meccanismi di formazione nell’ambito delle reazioni di Maillard.   Ora sulla base delle conoscenze acquisite avremo modo di descrivere l’origine di almeno un paio di queste, anche se come si ricorderà dall’articolo precedente le classi di composti eterociclici che entrano a far parte dell’aroma dei cibi sono un certo numero, e in questo intervento non potremo di certo esaminarle tutte.

Il discorso riprende dall’ultima molecola-chiave descritta, il 1-desossi-2,3-dichetoso.   Ricordate?   Quella che si era formata per perdita di un residuo di aminoacido.   Ecco, non credo che il difetto di essere “indecise” si possa applicare anche alle molecole, ma se me lo consentissero non esiterei a definire indeciso questa molecola di origine zuccherina: appena due passaggi dopo avere rinunciato alla sua parte di aminoacido, ed aver quindi perso anche lo stesso azoto N aminoacidico che se n’è andato insieme al frammento R-NH2 come descritto nel capitolo precedente, ecco che ora il 1-desossi-2,3-dichestoso torna a legarsi con un nuovo aminoacido, come mostrato in figura.

Si tratta di una reazione di condensazione, molto simile a quella calla quale era partito tutto il carosello di Maillard, quella di formazione della glicosilamina e da questa la base di Schiff.   Di fatto quello che va a formarsi ora è molto simile ad una base di Schiff, con la differenza però che ora la molecola contiene, subito sotto il C che lega il nuovo aminoacido, un gruppo che tonico C=O.    Sembrano inezie, ma come si vedrà sono sufficienti a far andare il processo di reazione completamente da un’altra parte rispetto a cos’era accaduto nei primi step del processo di Maillard.     Ancora una volta ho evidenziato con un colore diverso nelle strutture molecolari la parte che deriva dall’aminoacido (in questo caso abbiamo preso come esempio la valina).
Proprio com’era avvenuto con la glicosamina, anche in questo caso la molecola va incontro ad un riarrangiamento, che comporta lo spostamento di legami fino alla formazione della struttura più a destra, estremamente simile alle già descritte basi di Schiff.

A questo punto può avvenire una delle reazioni più importanti dell’intero processo, una reazione nota con il nome di “degradazione di Strecker”, che nel contesto delle preparazioni alimentari ricorre tipicamente a temperature elevate:

qui come si può vedere dalla figura sono eliminati contemporaneamente due frammenti: uno (cerchiato in azzurro) riguarda il gruppo carbossilico –COOH della parte della molecola che derivava dall’aminoacido, che viene perso sotto forma di anidride carbonica CO2.   L’altra eliminazione, ben più importante, è relativa ad un secondo frammento sempre del residuo di aminoacido: quello che si libera è essenzialmente quello che resta dell’aminoacido di partenza al netto del gruppo carbossilico –COOH e del gruppo amminico –NH2, che viene invece lasciato sulla parte “zuccherina” della molecola.
Nel punto di rottura del residuo di aminoacido si forma un gruppo aldeidico –CHO che attribuisce alla molecola una notevole reattività.   Di fatto quella che si forma è un’aldeide simile all’aminoacido di partenza, ma con un carbonio C in meno e senza il gruppo amminico.     Da qui si intuisce la ragione del nome “degradazione” di Strecker.
Queste aldeidi sono volatili e dotate di un proprio odore caratteristico, che assume caratteristiche particolarmente significative quando l’aminoacido di partenza è di tipo solforato, ma possono anche partecipare a nuove vie di reazione per la formazione di ulteriori molecole.

La parte più grossa della molecola, come si può vedere in figura, trattiene il gruppo amminico –NH2 (in colore rosso) e può convertirsi in una forma amminica dei già descritti “riduttori”, detta appunto aminoriduttone.

L’aminoriduttone, come il suo analogo riduttone, è una tipologia di molecola molto reattiva nei confronti di altre molecole. Due molecole di aminoriduttone, in particolare, possono reagire fra loro, come ho illustrato in questa figura.   Ho dovuto capovolgere una molecola e girarne speculaarmente un’altra, ma questo solo per consentirvi a livello visivo di poter intuire meglio come sia possibile che due di queste molecole si accoppino nel modo descritto.

Effettivamente quella che si realizza è come una doppia reazione di consesazione, dove ogni gruppo amminico –NH2 si lega ad carbonio enolico: questo fa sì che, con l’eliminazione di due molecole di acqua, si crei un anello chiuso contenente al suo interno due atomi di azoto.
Ecco così formato uno dei famigerati composti eterociclici, già descritti nell’articolo rpecedente, che così tanto incidono nelle qualità aromatiche dei cibi cotti sia in funzione della loro elevata percepibilità olfattiva anche a bassissime concentrazioni che in funzione delle tipologie di odori che esse rappresentano.   Con un successivo step di reazione di tipo ossidativo la molecola perde quei due idrogeni H che le consentiranno di assumere la forma tipica di una pirazina.   Step di reazioni successivi potranno portare all’eventuale perdita dei due residui di zuccheri ancora legati a questa molecola e la liberazione della parte che ho colorato in rosso, che corrisponde alla 2,5-dimetilpirazina, una molecola che ha un odore che a seconda delle concentrazioni e dei valutatori è stato descritto come di nocciolina, di carne o addirittura di legno.

PROSPETTIVE

Dall’esame di tutte le tipologie di reazioni finora esposte, ben lungi dal completare l’argomento, si osserva l’influenza più o meno esplicita di almeno 5 differenti fattori:

1) composizione degli ingredienti
2) temperatura
3) pH
4) umidità
5) azione di massa sui componenti rilasciati

E’ logico intuire che siano proprio questi i fattori sui quali il cuoco molecolare dovrebbe intervenire nel caso volesse pilotare l’andamento delle reazioni in una o più direzioni preferenziali, oppure inibire un certo decorso indesiderato con la formazione ad esempio di molecole aromatiche indesiderate.

La conoscenza ed il controllo, nei limiti delle tecniche e dei mezzi disponibili in cucina, di questi importanti fattori, fino ad una sorta di possibile “ingegnerizzazione del sapore” sarà oggetto di un successivo intervento.

TESTI SUGGERITI PER I CHIMICI

La letteratura scientifica italiana, ivi compresa quella straniera tradotta nella nostra lingua, non comprende ancora titoli significativi, in termini di sistematicità di approccio e di livello di approfondimento, dedicati specificamente all’argomento delle reazioni di Maillard.
Per quanti fossero interessati ad approfondire l’argomento in lingua inglese, ho selezionato 4 testi fra quelli che io stesso ho consultato anche durante l’estensione di questo intervento.

1) Un testo compatto, non eccessivamente complesso che contiene una introduzione a mio parere molto esplicativa sull’argomento delle reazioni di Maillard, con approfondimenti relativi alle implicazioni biochimiche e biomediche di queste molecole ed alla loro interazione con i radicali liberi.  Particolarmente consigliato:

The Maillard Reaction – Consequences for the Chemical and Life Sciences – edited by R. Ikan – Hebrew University of Jerusalem, Israel – 1996 – John Wiley & Sons – ISBN 0-471-96300-3

2) Un testo per certi versi trasversale, che descrive la formazione e le caratteristiche dei composti cosiddetti “eterociclici” (composti organici contenenti uno o più atomi fra ossigeno, azoto, zolfo, ecc, chiusi in una struttura ad mono- o policiclica, ovvero anello/i) nella trasformazione dei materiali biologici ed in particolare alimentari, indipendentemente dal fatto che questi si formino per reazioni di Maillard oppure attraverso altre tipologie di reazioni:

Chemistry of heterocyclic compounds in flavours and aromas – G. Vernin – 1982 – Ellis Horwood Limited – ISBN 0-85312-263-6

3) Un testo particolarmente dettagliato, tenuto conto della sua estensione limitata, che fornisce una visione globale delle vie di formazione delle principali classi e singole molecole attraverso le reazioni di Maillard ed affronta in seguito, sia in modo teorico che sperimentale, l’influenza esercitata dai diversi fattori chimici e fisici implicati.   Particolarmente consigliato:

The Maillard reaction: chemistry, biochemistry, and implication – H. E. Nurtsen – Royal Society of Chemistry (UK) – 2005 – ISBN 978-0-85404-964-6

4) Un testo breve (solo 120 pagine) che offre una visione generale anche se non particolarmente approfondita dell’argomento, relativamente al contesto alimentare: dalle reazioni di formazione alle simulazioni con modelli sperimentali, dall’effetto sull’aroma a quello sull’imbrunimento dei prodotti, con particolare approfondimento alle tecniche per l’estrazione e l’analisi delle molecole prodotte dalle reazioni di Maillard:

The Maillard Reaction – S. E. Fayle; J. A. Gerrard – editor Peter S. Belton – The Royal Society of Chemistry (UK) – 2002 – ISBN 0-85404-581-3

Print PDF