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.

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.

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

Sono come piccole meraviglie alle quali siamo abituati fin dalla nascita e che pertanto tendiamo a dare un po’ per scontate, ma ci siamo mai chiesti perché tutto questo accade?    Come fanno gusti e profumi a svilupparsi nei cibi durante la cottura, come il tipo di aroma sia influenzato dalla scelta degli ingredienti della ricetta e magari come potremmo fare per modificare o correggere il gusto o la consistenza di un piatto andando ad agire “in modo scientifico” sulla scelta degli ingredienti, sulla loro preparazione, sulle condizioni di cottura e persino sugli accostamenti dei cibi?

Siamo nel pieno della cosiddetta “cucina molecolare”, l’approccio all’arte culinaria che partendo dalla conoscenza più profonda delle caratteristiche chimiche e fisiche delle materie prime e delle loro interazioni reciproche, tanto nel crudo quanto nel corso dei processi di cottura, guida le scelte e le modalità di preparazione degli alimenti secondo criteri che più che basarsi sull’esperienza, la tradizione o l’intuito creativo (come invece capita per la cucina tradizionale) si basino sull’approccio razionale e scientifico.
Di fatto, il ricorso concreto dell’approccio molecolare, ovvero l’utilizzo che ne viene fatto nei più noti ristoranti specializzati in questo tipo di cucina, è attualmente quello si stupire il cliente con piatti davvero originali, con gusti inediti e consistenze inconsuete di cibi ottenuti a partire da ingredienti spesso del tutto tradizionali.     Secondo il mio modo di vedere le cose, tuttavia, comunque lo si voglia chiamare, l’approccio “molecolare” alla cucina non è necessariamente finalizzato a stupire l’assaggiatore con qualcosa di inaspettato.    Al contrario, anche un piatto ben conosciuto della nostra tradizione culinaria può essere realizzato tenendo ben presente la composizione chimica degli ingredienti, come le diverse sostanze naturalmente in esso contenute sono organizzate in strutture biologiche (sia sul piano macroscopico dei tessuti che su quello più microscopico delle cellule), come le molecole che compongono un cibo possono trasformarsi sotto l’effetto del riscaldamento, in presenza o in assenza di
acqua, come cambia il loro modo di reagire e quindi i prodotti stessi delle reazioni in funzione della modalità di cottura, come si originano alcune molecole portatrici di aromi indesiderati (e quindi come possiamo evitarne la formazione), e così via. In aggiunta alla sconoscenza chimica, la cucina molecolare valorizza moltissimo quello che viene definito la “reologia” del prodotto, ovvero l’aspetto fisico, la struttura, la consistenza, la tessitura del prodotto, la sua palatabilità: anche per questi aspetti, importanti al pari del gusto per determinare la gradevolezza di un piatto, è fondamentale un approccio scientifico che tenga conto di quali fattori composizionali e strutturali influiscano sulle qualità descritte, misurabili attraverso una grande varietà di strumenti (penetrometri, viscosimetri, reometri in generale).    Anche questi fattori risultano oltre che indagabili anche in buona misura “pilotabili” fin dalla scelta iniziale degli ingredienti, con un importante ruolo svolto dalle tecniche di preparazione e di cottura.
Conoscendo tutto o anche solo “qualcosa” di questo, tanto degli aspetti chimici che di quelli fisici, potremmo scoprire il modo di migliorare ulteriormente la qualità di un piatto già noto, attraverso accorgimenti a volte davvero minimi, come aggiungere un ingrediente insospettabile in più o modificare alcune dosi rispetto alla ricetta tradizionale, cambiare l’ordine di aggiunta dei soliti ingredienti o il modo di cuocerli insieme.
Di fatto l’approccio molecolare alla cucina considera giustamente tanto gli ingredienti quanto il prodotto finito per quello che effettivamente sono: miscele complesse di sostanze chimiche organizzate in comparti strutturati, questi ultimi di natura biologica quali appunto tessuti animali e vegetali, a loro volta costiuiti da cellule.    Quindi la cucina molecolare non dev’essere intesa nel modo più assoluto come un modo di cucinare che faccia uso di “sostanze chimiche”, o meglio di sostanze chimiche estranee dagli ingredienti stessi già utilizzati in cucina o nel settore alimentare in genere: quello che cambia è il punto di vista, il criterio, il rapporto che il cuoco, togliendo il suo tradizionale cappello ed indossando una volta tanto il camice del chimico, riesce a ristabilire su basi nuove e profonde con la materia della quale sono fatti i cibi e con i metodi per la loro preparazione.
Accade così in molti casi di trovare semplicemente una conferma ai suggerimenti della nonna, tramandati di generazione in generazione, rivestendoli di un nuovo significato, quello dell’interpretazione molecolare, ma accade in taluni casi anche di sfatare vecchi miti e prassi in apparenza inappuntabili ma che a conti fatti risultano essere ne più ne meno di superstizioni in cucina.     Più interessante è il caso in cui vengono proposte alternative praticabili, suggerimenti semplici o complessi, talvolta un poco astrusi o difficili lì per lì da riconoscere come validi talmente possono in taluni casi staccare con la tradizione ed il nostro modo abituale di rapportarci alla cucina.

Il concetto fondamentale che vorrei trasmettere è soprattutto quello che la cucina molecolare non può essere banalizzata ad un elenco di ricette o di modalità di preparazione dei piatti.    Dal momento che la scriviamo su un libro, estrapolandola dal contesto molecolare che ne ha determinato la nascita e ne ha guidato le scelte, una ricetta in sé è come se cessasse di essere di cucina molecolare: potrà rimanere una ricetta che usa metodi insoliti per creare piatti che stupiscono i commensali, ma l’aspetto molecolare è rimasto indietro, è rimasto incollato alle dita del chimico-chef che l’ha inizialmente concepita.
La cucina molecolare è quindi un modo di vedere le cose, e chi vuole conoscerla deve essere disposto innanzitutto ad imparare un po’ di chimica e magari anche un po’ di fisica e di biologia.    Perché ogni cuoco molecolare per essere veramente tale dovrebbe avere la capacità di ideare da sé i suoi piatti, e con le competenze che egli possiede, sicuramente può farlo.

Le nostre mamme e le nostre nonne ci hanno tramandato metodi che vanno dal lavaggio delle pareti del frigo con una spugnetta imbevuta di aceto bianco allo stesso lavaggio praticato però con il bicarbonato di sodio sciolto in acqua, passando per il succo di limone fino a proporre di sistemare una vaschetta con del bicarbonato in polvere in un angolo del frigorifero.    Non sarò di certo io in questa sede a causare conflitti generazionali affermando che questi metodi siano inutili, però già in premessa volevo richiamare l’attenzione su due aspetti relativi a questi approcci, indipendentemente dal fatto che essi siano o meno efficaci, prima di proporre la mia soluzione alternativa.

Il primo problema di questi interventi è che essi solitamente prevedono un qualche lavaggio delle pareti: soluzione questa che anche fornendo risultati accettabili avrebbe senso solo su di un frigorifero nuovo o comunque svuotato, richiederebbe di tenerlo aperto per un lungo periodo e quindi non è adatto per un apparecchio in funzione e con dentro gli alimenti ed infine, diciamolo pure… richiede pur sempre un certo investimento di tempo per essere realizzato.

L’altro svantaggio di queste tecniche di pulizia “spugnetta alla mano” è che si concentrano sulle sostanze odorose che si sono depositate sulle pareti, da quelle derivanti dal processo di fabbricazione della plastica in un frigorifero nuovo, a quelle di origine alimentare nel caso, ad esempio, di un prodotto andato a male che ha contaminato l’ambiente chiuso del frigorifero: ad intervento di pulizia terminato però le nuove sostanze odorose generate dagli alimenti custoditi saranno nuovamente libere di circolare e di contaminare l’ambiente appena pulito.

Vediamo ora come potrebbe un chimico approcciare il problema della rimozione degli odori sgradevoli dal proprio frigorifero di casa.

Un primo approccio “chimico” potrebbe magari essere quello di far reagire le molecole disperse allo stato aeriforme con altre sostanze chimiche in grado di “neutralizzarle”, ad esempio tramite la formazione di un prodotto di reazione inodore.   Oltre al dubbio etico e salutistico che potremmo avere nell’introdurre nuove sostanze reattive nello stesso frigorifero nel quale sono ospitati gli alimenti, verrebbe a crearsi la difficoltà, per non dire l’impossibilità, di individuare uno o un numero limitato di reagenti in grado di reagire con tutte le diverse centinaia, forse migliaia di diverse specie chimiche volatili e potenzialmente maleodoranti presenti nell’aria del frigo.

Quello che occorre sarà quindi in primo luogo un rimedio non invasivo e soprattutto non pericoloso, ed in secondo luogo un rimedio generale, ovvero che non sia specifico solo per alcune ma che affronti bene il problema dell’eliminazione di un po’ tutte le sostanze chimiche volatili, sfruttando magari qualche loro caratteristica che le accomuni.

Per rispondere al primo requisito, ovvero alla non invasività con nuove sostanze chimiche utilizzate ad hoc, quello che si ipotizza è l’impiego di una trappola, ovvero di un sistema statico, magari posto in un punto ben preciso del frigorifero, in grado di “catturare” le molecole volatili maleodoranti.

La chimica e la chimico-fisica dispongono di una vasto campionario di sistemi di cattura: oltre al già ipotizzato sistema per reazione (che porta ad una variazione della natura chimica della molecola catturata, andando a formare un cosiddetto prodotto di reazione), si può immaginare un sistema di adsorbimento superficiale, o magari anche una condensazione su una trappola costituita da un elemento particolarmente refrigerato (ottima idea in un frigorifero… peccato che le temperature richieste sarebbero ben al di sotto di quelle raggiungibili in un sistema domestico), ma anche più semplicemente si può immaginare di far catturare le molecole volatili maleodoranti in un materiale che semplicemente le sciolga all’interno di esso.

Inutile dire che quest’ultima sarà proprio la strada che proveremo a percorrere, sia per la sua semplicità di allestimento che per la sua economicità, per non dimenticare il fatto che non comporterà la necessità di spargere o spruzzare alcunché in giro per il frigorifero.
Per individuare il materiale idoneo ad assorbire e quindi a sciogliere in sè queste molecole odorose dovremmo in primo luogo conoscere le caratteristiche chimiche e chimico-fisiche di queste sostanze indesiderate e comprendere se magari pur nella loro specificità individuale, condividono qualche proprietà in comune che possa essere sfruttata al fine di identificare un materiale di cattura unico.

Una sostanza chimica per essere odorosa (non solo maleodorante, ma anche eventualmente profumata) deve rispondere ad alcuni requisiti essenziali: in primo luogo la sua molecola dev’essere piccola e leggera, in secondo luogo deve avere un basso punto di ebollizione, o se non altro una sufficiente volatilità.   Anche se non è ancora detto che tutte le molecole aventi queste caratteristiche siano di fatto dotate di qualche odore percepibile dall’olfatto umano, è altresì vero che una molecola per essere potenzialmente odorosa deve comunque rispettare entrambe le condizioni suddette, che saranno pertanto da ritenersi del tipo “necessario ma non sufficiente”.

“Piccola e leggera”, riferito ad una molecola, in linguaggio chimico significa di peso molecolare ridotto: nello specifico potrebbe trattarsi di un peso molecolare inferiore ad alcune centinaia di unità di massa atomica (uma).   Di conseguenza possiamo già escludere la maggior parte delle sostanze di origine naturale che compongono gli alimenti, come i polisaccaridi, le proteine, gli acidi nucleici, ed addirittura i materiali dei quali sono fatti i contenitori come ad esempio i materiali plastici (a patto che essi non contenga monomeri ed oligomeri a basso peso molecolare, ma in questo caso il problema più che di odore potrebbe essere di autentica tossicità!), il legno (sulla cui composizione si rimanda ad uno specifico post: di cosa è fatto il legno?), i metalli ed il vetro.   E’ facile calcolare il peso molecolare di una molecola disponendo della sua formula anche bruta, semplicemente sommando i pesi atomici di tutti gli atomi che la compongono (questi valori sono riportati su qualsiasi tavola periodica degli elementi) e, nel caso dei polimeri naturali (es. amido) o sintetici (es. plastiche) moltiplicando il peso del monomero per il grado di polimerizzazione.

La seconda condizione è talvolta più difficile da valutare ed è relativa alla facilità di ciascuna di queste molecole a passare allo stato aeriforme.   Questa caratteristica è solo in parte legata al punto di ebollizione perchè anche a temperature ad esso inferiori ogni sostanza passa seppur in piccola misura allo stato di vapore, esattamente come capita all’acqua che seppur molto lentamente evapora da un contenitore aperto anche a temperatura ambiente, fino a scomparire completamente nel tempo.   A questa caratteristica di volatilità le sostanze meglio candidate ad essere portatrici di note odorose associano spesso una più o meno alta fugacità, intesa come capacità di diffondersi velocemente attraverso le molecole di azoto ed ossigeno di cui è in gran parte composta l’aria.

Queste sono condizioni necessarie ma non sufficienti affinchè una molecola sia portatrice di una nota odorosa percepibile, per lo meno al naso umano: entreranno successivamente in gioco fattori di raffinato dettaglio legati alla forma delle molecole, alla presenza di particolari raggruppamenti di atomi o gruppi funzionali, ed a relative frequenze vibrazionali eventualmente indagabili mediante spettroscopia IR… un’infinità di altri fattori che effettivamente sono ancora oggi oggetto di un’affascinante discussione da parte degli specialisti.   Anche se “non sufficienti” le caratteristiche che una molecola dovrebbe avere per poter essere portatrice di un odore sono però già di per sé stesse sufficienti per poter escludere una larghissima fetta di specie chimiche: ad esempio quelle di peso molecolare particolarmente elevato, come già evidenziato in precedenza, così come i composti ionici (ad es. i sali), ed anche i lipidi a bassissima tensione di vapore come ad esempio i trigliceridi.    Le classi di molecole meglio candidate, soprattutto per la caratteristica di volatilità, sono le molecole meno polari, quelle che, oltre ad essere di basso peso molecolare, non tendono a formare un reticolo di legami idrogeno particolarmente impegnativi fra molecole dello stesso tipo e con le molecole della matrice polare di appartenenza, soprattutto con la fase acquosa.    Molecole meno legate fra loro e meno legate all’ambiente nel quale sono immerse tendono a staccarsi più facilmente, in quantità maggiori ed a temperature più basse, ovvero risultano più voltatili anche in un ambiente refrigerato come quello del frigo.

Sono diverse centinaia, forse migliaia le diverse specie chimiche che possono essere imputate come potenziali responsabili degli odori sgradevoli che si possono formare in un frigorifero dove sono ospitati alimenti.
Fra queste le più importanti sono probabilmente le aldeidi e chetoni alifatici a catena media e corta che si formano dalla degradazione dei lipidi (ad esempio dall’irrancidimento degli alimenti grassi).   Prodotti di origine vegetale anche freschi possono inoltre liberare terpeni di varia natura che caratterizzano sì le qualità organolettiche di ogni singola verdura o frutta, ma messi insieme ad elevate concentrazioni possono contribuire ad una cacofonia di odori che viene per lo più considerata indesiderabile e sgradevole.   Vegetali come le crucifere (es. cavoli, cavolfiore, ecc) e liliacee (es. cipolla, aglio, ecc) sia allo stato fresco che, soprattutto, se in via di degradazione, possono liberare molecole molto volatili contenenti zolfo bivalente come allil-solfuri e mercaptani; fino ai potentissimi tioli liberati dal pesce non proprio freschissimo.
Tutte queste molecole sono per l’appunto caratterizzate da un peso molecolare piuttosto limitato e da una polarità anch’essa contenuta.

Dopo aver identificato le caratteristiche delle molecole da eliminare dall’aria contenuta nel frigo, possiamo a questo punto domandarci come di fatto effettuare questa eliminazione, ovvero come costruire la trappola della quale si era parlato in precedenza, e più nello specifico dal momento che si era pensato di utilizzare un sistema di cattura che fosse in grado di assorbire le molecole odorose volatili “per scioglimento”, in quale materiale queste potrebbero sciogliersi con maggiore facilità.

Nella ricerca del miglior materiale da utilizzare come catturatore è ragionevole ragionare secondo il vecchio detto dei chimici secondo il quale “il simile scioglie il simile”.   Essendo le molecole da catturare poco polari, o per semplicità possiamo dire apolari, apolare dovrà anche essere il materiale nel quale esse si scioglieranno meglio.   Gli esempi di materiali apolari nell’ambito della nostra casa son davvero molti: si va dalla paraffina al gasolio, dall’olio alimentare alla trielina, dal polistirolo al burro…   Escludendo ovviamente i materiali nocivi per la salute e quelli potenzialmente infiammabili, suggerirei in seconda battuta di procedere ad escludere anche quelli eccessivamente compatti, ovvero di natura solida, in quanto è noto che la diffusione di una piccola molecola (quella odorosa che dall’aria si scioglie nel materiale assorbente) è maggiore in un liquido piuttosto che in un solido.

Dall’elenco dei materiali casalinghi che ho precedentemente accennato, rimarrebbe dunque l’olio, non pericoloso anzi addirittura lui stesso un alimento, e per di più allo stato liquido.   In prima battuta si potrebbe pensare di collocarlo in un bicchierino aperto e di appoggiare questo su un ripiano del frigorifero: così facendo però la superficie esposta all’aria, la cosiddetta interfaccia di fase, sarebbe estremamente ridotta rispetto al volume di olio disponibile.   Se l’olio fosse un liquido meno viscoso questo potrebbe non costituire un problema grave, ma essendo invece viscoso, e molto, la diffusione in esso delle piccole molecole apolari diventerebbe un processo lento, che rischierebbe di essere superato in velocità dalla generazione di nuove molecole da parte degli stessi alimenti custoditi nel frigorifero.

Una possibilità per ovviare al problema della limitata diffusività di queste molecole nell’olio potrebbe essere quella di tenerlo sotto agitazione, soluzione questa chiaramente di difficile attuazione all’interno di un frigorifero.  La mia proposta potrebbe invece essere quella di agire in direzione di un aumento della superficie dell’interfaccia fra olio ed aria.   Come?   Ad esempio impregnando di olio una spugna a porosità larga ed appoggiando la stessa, nel caso l’olio coli, in un piattino su di un piano del frigorifero.  Il livello di ampiezza dei pori e di impregnazione può essere valutato cercando di caricare al massimo di olio la spugna ma facendo in modo che i pori della stessa non risultino completamente intasati ma in essi sia libera di circolare l’aria.

Il tipo di olio da utilizzare non è particolarmente determinante: ovviamente non dovrà essere lui stesso maleodorante, dovrà essere sufficientemente fluido e, si immagina, non eccessivamente costoso.  Potendo proprio scegliere opterei per un olio dotato di una certa percentuale di mono-insaturazioni, ad esempio un olio di oliva di costo limitato, ad esempio un olio di sansa di oliva.

Una volta ogni tanto, magari una volta al giorno, è possibile stimolare ulteriormente il ricambio degli strati di olio fra la superficie esterna ed il cuore della spugna, tramite una strizzatina nel suo piattino.
Il sistema può essere facilmente riutilizzato quando saturo (spugna eccessivamente puzzolente) semplicemente svuotandolo, ovvero spremendo accuratamente la spugna e caricandola con nuovo olio fresco.

Un discorso in buona misura diverso vale invece per tutte quelle molecole che si formano durante la cottura degli alimenti, specie quelle il cui processo di formazione va sotto il nome generale di reazioni di Maillard e che richiedono per la loro formazione la disponibilità di zuccheri semplici, di aminoacidi liberi, un pH non eccessivamente acido e non troppa acqua in circolazione.   Queste molecole, ovviamente non in singolo ma in folte schiere di decine, spesso centinaia di specie chimiche differenti caratterizzano l’aroma naturale che si sviluppa durante la cottura della maggior parte dei cibi: dal momento che si tratta di molecole mediamente un po’ più polari di quelle finora descritte, la loro solubilità negli oli potrebbe risultare meno elevata di quella delle molecole finora descritte ed il sistema della spugna impregnata di olio, seppur potenzialmente utilizzabile, potrebbe nello specifico risultare meno efficace.

Nel breve paragrafo con il quale ho cominciato questo post è concentrato veramente di tutto.   Per sviluppare ed approfondire questi concetti, nonché per descrivere l’effetto delle microonde sulle molecole e sulla loro reattività, sono stati scritti interi libri, fra i quali un riferimento è sicuramente:
“Microwave Sinthesys – chemistry at the speed of light” – Brittany L. Hayes, Ph.D – CEM Publishing, che partendo da una rigorosa trattazione su cosa siano le microonde e di come queste interagiscano con la materia, arriva a considerare ed a valorizzare l’impiego delle stesse per velocizzare il decorso delle più diverse tipologie di reazioni chimiche.   D’altra parte non dobbiamo dimenticare che se il riscaldamento (o lo scongelamento) di un alimento è solo questione di aumentarne la temperatura per un certo periodo, la “cottura” vera e propria comporta per definizione lo svolgimento in esso di una sequenza estremamente complessa di reazioni chimiche, per quanto del tutto naturali ed intrinsecamente legate alla natura del prodotto medesimo.
Ma consideriamo punto per punto cosa succede durante la cottura a microonde, ad iniziare dal significato fisico della microonda stessa.
In un forno tradizionale il riscaldamento può avvenire per irraggiamento, convezione e (marginalmente) per conduzione.
La conduzione è una trasmissione del calore tramite contatto fisico diretto fra la parte calda e quella che ancora non lo è, senza movimento macroscopico di materia, semplicemente a livello di “urti” su scala microscopica, fra una molecola in vibrazione e le altre ad essa vicina.   Quindi nel contesto di un forno la conduzione può al limite valere per la trasmissione di calore dalla teglia metallica al prodotto su di essa adagiato, ma non dalla sorgente “in primis” di calore alla teglia stessa.
La convezione invece è una modalità di trasmissione di calore che comporta lo spostamento reciproco nello spazio di masse di fluidi (liquidi o gas): un fluido riscaldato inizialmente per conduzione si sposta nello spazio (comunemente verso l’alto in quanto più leggero in funzione della sua temperatura; in funzione del sistema di ventilazione in un forno ventilato) fino a venire a contatto con parti ancora fredde, alle quali cede parte del calore acquisito, quindi si raffredda e torna in circolo fino a scaldarsi nuovamente per contatto con la sorgente di calore.   Il riscaldamento per convezione, che per inciso non potrebbe avvenire nel vuoto, ovvero in assenza di aria o acqua veicolanti, è sfruttato molto bene dei forni ventilati, ma è anche importantissimo nel riscaldamento dalla base di pentole alte, come per esempio quella per far bollire la pasta: da qui i moti “convettivi”, dal dal fondo alla superficie nella parte centrale della pentola, per poi scendere lungo il lato interno delle pareti, osservabili ancora meglio quando nell’acqua è risperso qualcosa di piccolo e movimentabile, come ad esempio la pastinadell’acqua in ebollizione e della stessa pasta in essa dispersa (vedi anche la figura a lato).
L’irraggiamento è invece una modalità di trasmissione del calore che non comporta il contatto né diretto né indiretto fra i due corpi: il calore viene propagato mediante radiazioni elettromagnetiche, emesse dal corpo più caldo, trasmesse attraverso lo spazio (anche il vuoto) fra i due corpi e “raccolte” dal corpo inizialmente più freddo, che le trasformerà in vibrazioni molecolari. Un elemento metallico arroventato come la serpentina di una resistenza in un forno così come il filamento di una lampadina, sono sorgenti classiche di emissione di calore tramite irraggiamento.

Ecco, quella per microonde è una tipologia specifica di trasmissione del calore per irraggiamento.    Anzi, volendo essere solo un minimo più rigorosi, dovremmo parlare non tanto di trasmissione del calore, quanto di energia, essendo il calore una conseguenza in questo caso piuttosto indiretta legata ad altri fenomeni che ora ci apprestiamo ad affrontare.

La prima distinzione fra i forni a microonde ed i forni convenzionali, volendo anche considerare isolatamente la sola modalità di riscaldamento per irraggiamento di questi ultimi, risiede nella stessa natura elettromagnetica delle radiazioni emesse: tipicamente infrarosso per i forni tradizionali, “microonde” appunto per quelli che portano questo nome.   Nella grafico che segue possiamo osservare come a partire dalle lunghezze d’onda della luce visibile, se la radiazione ultravioletta si pone su valori energetici più elevati (lunghezze d’onda minori), e l’infrarosso su valori energetici più ridotti (lunghezze d’onda maggiori), la radiazione nel campo delle microonde si attesta su valori energetici inferiori ancora rispetto a queste ultime e su lunghezze d’onda che vanno dai centimetri fino al metro. Al di sopra di questi valori nello spettro elettromagnetico inizierebbe il territorio delle onde radio.

I raggi infrarossi inducono nelle molecole interessate dall’interazione dei movimenti di tipo diverso a carico dei legami fra un atomo e l’altro che dipendono dal tipo di legame (ad esempio dalla tipologia dei due atomi legati) e dal contesto della specifica molecola nel quale questo è inserito, oltre naturalmente dalla frequenza specifica della radiazione infrarossa che andiamo a considerare.    Tutti questi movimenti hanno però in comune il fatto di coinvolgere i legami interatomici e di essere a carico della lunghezza di legame (che potrà osclillare nel senso di un allungamento/accorciamento) e/o dell’angolo di legame, ovvero dell’angolo formato fra un due legami vicini, angolo che potrà oscillare fra una posizione di maggiore chiusura ed una di maggiore apertura. Sono queste le vibrazioni elementari che, traslate poi su scala via via più ampia, possono essere intese come movimento molecolare in senso lato, giustificando quella proprietà macroscopica misurabile in un corpo che noi chiamiamo temperatura.
Nel caso di interazione con le microonde una molecola predisposta (avente in questo caso un momento di dipolo non nullo) non andrà incontro ai suddetti movimenti interni descritti per l’interazione con i raggi infrarossi, bensì “ruoterà” nella sua interezza.

Il momento di dipolo è una proprietà fisica delle molecole che dipende dal tipo di atomi che le compongono e dalla loro posizione reciproca di legame.
Quando in una molecola vi sono atomi più elettronegativi (ovvero con carica parziale negativa perchè attirano di più lo sciame di elettroni messi in comune fra gli atomi legati fra loro) ed atomi meno elettronegativi (ovvero con carica parziale positiva perchè attirano di meno questi elettroni) distanziati fra loro, si crea quello che i fisici chiamano “momento di dipolo”, proprietà vettoriale proporzionale sia alle cariche in gioco che alle distanze fra gli atomi coinvolti.   Il momento di dipolo sta alla base di una delle proprietà chimico-fisiche in assoluto più importanti nello spiegare il comportamento anche macroscopico di una sostanza: la sua polarità (vedasi altri post sull’argomento, ad esempio nel campo della rimozione delle macchie dai tessuti).
Mentre in una molecole lineare composta da due atomi a diversa elettronegatività il momento di dipolo è facilmente immaginabile come una sorta di, …. Nel caso dell’acqua se questa risultasse composta da un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno disposti simmetricamente ed in linea fra loro, proprio come nello scrivere H-O-H, i due momenti di dipolo, quello che “tira” dall’H di sinistra verso l’ossigeno e quello che tira dall’atomo di destra verso l’ossigeno, sarebbero due forze uguali e contrarie che si compenserebbero a vicenda, con il risultato che il momento di dipolo complessivo della molecola risulterebbe pari a zero, ovvero la molecola sarebbe del tutto apolare e non potrebbe interagire in modo diretto con le microonde.
Fortunatamente per noi, non solo per i forni a microonde ma per la possibilità della vita stessa sul pianeta, I due atomi di idrogeno (H) non sono disposti simmetricamente sulla stessa retta rispetto all’atomo di ossigeno (O), bensì formano fra loro un angolo di 104,5°: quel tanto che basta per far sì che la somma vettoriale delle due forze (detta quindi momento dipolare) non sia nulla ma di una ben precisa intensità ed orientata secondo una direzione indicata nel disegno con la freccia “p” di colore verde.

La rotazione delle molecole con momento dipolare non nullo è la risposta del tentativo della molecola di allineare il suo dipolo (e di conseguenza riorientare la posizione delle molecola stessa) nella direzione del campo elettrico.
Come tutte le radiazioni elettromagnetiche compresa la luce stessa visibile, le microonde consistono in un campo elettrico ed un campo magnetico oscillanti ed associati fra loro, e la frequenza di questa oscillazione corrisponde alla frequenza stessa della radiazione elettromagnetica, come illustrato in figura.   Mentre il campo magnetico non fornisce nel nostro contesto operativo interazioni con il prodotto, quello elettrico essendo oscillante nel suo andamento sinusoidale, da positivo a negativo passando per lo zero e poi di nuovo positivo e così via, impone alle molecole che tendono ad allineare ad esso il loro dipolo un moto rotatorio.   La rotazione delle molecole dipolari induce a sua volta un riscaldamento intenso e velocissimo nell’intorno delle molecole stesse in rotazione: in queste condizioni di elevatissima temperatura a livello micro-locale, l’efficienza del trasferimento di calore diviene altamente efficiente, tanto da motivare a questa seconda fase del processo un nome specifico: conduzione ionica.

Come per tutti gli altri campi elettromagnetici, anche le microonde offrirebbero un continuo spettrale (per la precisione da 300 a 300000 MHz), da utilizzare “in toto” oppure all’interno del quale scegliere le frequenze (o le lunghezze d’onda) più appropriate per le nostre esigenze.   Per ragioni che non sono mai riuscito a comprendere fino in fondo (mi è stato detto dagli specialisti nel settore che si tratta di imposizioni di natura militare), per uso domestico e di laboratorio sono consentite soltanto 4 diverse e ben precise frequenze, delle quali una sola è quella comunemente utilizzata, anche perché la più utile per provocare le suddette interazioni con l’acqua: quella alla frequenza di 2450 MHz, che corrisponde ad una lunghezza d’onda di 12,25 cm.

Una differenza concreta fra il metodo di riscaldamento a microonde e tutti gli altri esaminati finora, valorizzata scrupolosamente dai venditori di questa specifica tecnologia, è che mentre per il riscaldamento per conduzione, convezione o irraggiamento a raggi infrarossi tradizionali il calore arriva comunque dall’esterno del prodotto, spingendosi gradatamente verso l’interno, le microonde sono in grado di generare dei punti di riscaldamento direttamente “all’interno” del prodotto.    Nonostante siano più energetiche dal punto di vista elettromagnetico, i raggi infrarossi tradizionali sono intercettati e quindi interagiscono facilmente dai primi strati di prodotto, dove eccitano genericamente un po’ tutte le molecole che incontrano, inducendo in esse le vibrazioni che per noi sono sinonimo di calore.   Questo calore di diffonde poi alla massa interna del prodotto quasi unicamente per conduzione, e ben sappiamo quanto sia poco efficiente la conduzione all’interno dei prodotti organici e della stessa acqua della quale gli alimenti sono quasi sempre ricchi.   Lo strato più esterno del prodotto, quello che si scalda per primo, rischia inoltre di essere esposto a temperature eccessive e per più tempo, con il risultato di un gradiente di cottura maggiore dall’esterno all’interno del prodotto, cosa che a seconda dell’abilità del cuoco può trasformarsi da un “rischio bruciato” alla classica crosticina fragrante sulla superficie del prodotto.    Le microonde al contrario, interagendo in modo selettivo solo con le molecole dotate di un momento di dipolo non nullo (nella pratica della cottura dei cibi si pensi all’acqua), penetrano indenni la massa del prodotto esposto ad esse, fino a raggiungere e a far rotare solo le molecole strutturalmente predisposte a questo tipo di interazione.   Se l’acqua dovesse trovarsi prevalentemente al centro della massa di prodotto sottoposto alle microonde, la zona riscaldata, almeno in un primo momento, sarebbe in effetti solo il centro: le zone più periferiche potranno poi scaldarsi da sole, anche uno volta estratto il prodotto dal forno, per contatto con la zona interna più calda (trasmissione del calore per conduzione) o al limite, se il prodotto fosse sufficientemente fluido, anche per convezione.

Le domande più frequenti che gli utilizzatori dei forni a microonde in cucina pongono riguardano solitamente l’aspetto della sicurezza e quello della gradevolezza dell’alimento trattato.   Su quest’ultimo aspetto, che coinvolge sia la qualità organolettica (sapore ed odore) del cibo che la sua struttura (consistenza, umidità, croccantezza, ecc), non posso che confermare l’evidenza: i risultati di cottura ottenuti con le microonde sono sostanzialmente diversi da quelli ottenuti sugli stessi ingredienti mediante forno tradizionale per diverse ragioni, alcune delle quali più intuitive, altre più complesse da affrontare.   Possiamo preferire soggettivamente un tipo di cottura piuttosto che un’altra, o possiamo scegliere fra le due a seconda del tipo di piatto che e di risultato che vogliamo ottenere, ma si tratta nella maggior parte dei casi du due risultati discretamente o molto diversi.
Tutto questo, beninteso, parlando di “cottura” propriamente detta, ovvero di un processo che comporta per definizione delle variazioni fisiche e chimiche nella natura del prodotto ad opera del calore, comunque questo sia prodotto.   Completamente diverso sarebbe invece il discorso se volessimo parlare di solo riscaldamento, compreso lo scongelamento di un alimento: in questo caso possiamo affermare tranquillamente che né a livello teorico né pratico non vi sono differenze fra il riscaldamento tradizionale e quello a microonde, se non magari il fatto che il primo, se condotto a temperatura troppo elevata (es. mettere un prodotto ancora congelato direttamente in pentola a fuoco alto) potrebbe iniziare a cuocersi e magari anche a deteriorarsi all’esterno, quando il cuore interno potrebbe presentarsi ancora in forma congelata; con le microonde per contro potremmo avere uno scongelamento ed un successivo riscaldamento delle zone contenenti molta umidità (ghiaccio), mentre le zone più secche ad asciutte potrebbero risultare allo stesso momento ancora congelate.

Circa il capitolo sicurezza, le domande più frequenti si orientano sia sul rischio di fuoriuscita di microonde dall’apparecchio e la loro diffusione nell’ambiente circostante, sia la sicurezza alimentare dell’alimento trattato, con il dubbio che questa modalità di riscaldamento possa causare nel prodotto la formazione di nuove sostanze, ovvero la combinazione e/o la degradazione delle molecole inizialmente presenti negli ingredienti secondo decorsi imprevedibili e magari nefasti, magari con il rischio di formazione di composti a vario titolo nocivi.
Circa il rischio di fuoriuscita delle microonde dall’apparecchio, può risultare tranquillizzante ricordare che si tratta di onde elettromagnetiche di lunghezza d’onda molto elevata, come detto 12,25 cm nelle applicazioni domestiche: una lunghezza “molto umana”, quasi una spanna, che le rende particolarmente bene schermabili da un punto di vista fisico-ingegneristico in quanto non presentano quella tanto temuta diffusività e capacità di infiltrarsi nei minimi interstizi lasciati liberi. Fra l’altro la stessa caratteristica che impone all’interno dei forni la rotazione del piatto sul quale è appoggiato il prodotto, pena il rischio che alcune zone del cibo vengano scaldate ed altre no, fa già intuire che queste radiazioni sono tutt’altro che così pervasive nella loro distribuzione, ad anzi i progettisti di forni devono curare molto bene l’aspetto dell’allestimento interno con materiali che riflettano molto bene le microonde per poter assicurare una distribuzione il più possibile uniforme delle stesse all’interno della zona dove verrà collocato il recipiente con i cibi.    Questo piccolo “difetto” delle microonde, derivante indirettamente appunto dalla loro elevata lunghezza d’onda, inferiore solo a quella delle onde radio, le rende però come si diceva meglio schermabili di molte altre radiazioni: nei sistemi professionali che utilizzano le microonde nell’ambito dei laboratori chimici addirittura i forni o comunque i sistemi di reazione a microonde possono presentare dei fori di uscita aperti anche di diversi centimetri di diametro, purchè in essi sia infilato come guida un manicotto metallico lungo almeno una spanna, ed attraverso questi canali l’operatore potrà mettere in contatto l’interno del forno con l’ambiente esterno.   Ad esempio per distillare un prodotto potrà collocare il bollitore all’interno del forno a microonde e fare uscire dalla sommità i vapori attraverso un tubo di vetro per farli condensare esternamente e raccogliere quindi il distillato prodotto.

Circa il rischio relativo al fatto che le microonde inducano negli alimenti la formazione di molecole estranee, diverse da quelle prodotte durante una cottura in un forno tradizionale, e nello specifico pericolose per la salute umana, possiamo rispondere difendendo il nostro nuovo sistema di cottura con almeno un paio di argomentazioni diverse.   La prima è relativa al fatto che l’energia dei fotoni delle microonde, proporzionale come per tutte le radiazioni elettromagnetiche alla sua frequenza, è molto bassa (0.037 kcal/mole), più bassa di quella degli infrarossi utilizzati nei forni ad incandescenza e di diversi ordini di grandezza al di sotto dell’energia tipicamente richiesta per la rottura dei legami chimici (80-120 kcal/mol): di conseguenza le microonde non possono indurre loro stesse cambiamenti strutturali nelle molecole con le quali interagiscono.   L’interazione con queste sarà invece di tipo puramente cinetico, derivante cioè dal momento rotatorio impartito, come descritto in precedenza; reazioni chimiche a carico delle stesse molecole potranno pur sempre avvenire (altrimenti gli ingredienti non si cuocerebbero!), ma essi non saranno provocati dalle microonde ma piuttosto dal calore generato nell’ambito del suddetto fenomeno della conduzione ionica che sta alla base della conversione da moto molecolare rotatorio a calore a livello microscopico.    Un altro argomento a difesa della salubrità della cottura a microonde sta nel fatto che esse possono sì accelerare diversi tipi di reazioni chimiche (ed infatti il chimico le utilizza nell’ambito della sua attività di laboratorio anche per questo!) ma si tratta comunque di reazioni che in un modo o nell’altro sarebbero avvenute comunque, erano inevitabili in relazione agli ingredienti utilizzati, ed avrebbero richiesto per completarsi solo grandi dispendi di tempo e di energia termica, ovvero una cottura più lunga e/o più intensa.    Si tratta di reazioni quindi termodinamicamente possibili, sfavorite solo dal punto di vista cinetico, e l’effetto rotatorio indotto nelle molecole dipolari viene a risolvere anche questo inconveniente, accelerando notevolmente i tempi di avanzamento di queste reazioni naturali e quindi di cottura, ma senza giustificare decorsi del processo verso la formazione di molecole impreviste.   Confrontando la composizione analitica, ad esempio quella delle singole specie chimiche che costituiscono l’aroma di un cibo cotto con il forno tradizionale rispetto a quello allo stesso grado di cottura ottenuto con tecnologia a microonde, si nota abitualmente che quest’ultimo mostra addirittura un numero inferiore di specie chimiche diverse rilevabili: questo potrà forse costituire per taluni un problema in relazione alla minor ricchezza organolettica del prodotto cucinato, ma sicuramente fornisce una garanzia ulteriore a riprova che nulla “di più” si sia formato durante la cottura dell’alimento.

Finchè si giunse agli organismi aerobi:  qui la trovata dell’evoluzione fu quella di fare di necessità virtù, sfruttando l’ossigeno che fino a quel momento era stato solo una minaccia, come risorsa ovvero come una sorta di pattumiera biochimica dove inserire, metaforicamente quasi “buttare” le coppie di elettroni ormai a basso livello energetico che, originati dalla catabolismo dei carboidrati o di altre molecole demolite a livello cellulare per ricavare energia, fluiscono infine nell’ultima fase della respirazione mitocondriale (la cosiddetta fosforilazione ossidativi, che segue la glicolisi e poi il ciclo di Krebs) inducendo la fosforilazione di varie molecole di ADP ad ATP.
Allo stesso modo dell’acqua che in una centrale idrolelettrica a più salti, dopo avere azionato le varie turbine poste a varie altezze, arriva a fondovalle ormai “scarica” di potenziale ed il dove piazzarla potrebbe in linea di principio costituire un problema per il gestore, questi elettroni, a coppia insieme a due protoni, venivano appiccicati su una molecola di ossigeno per generare semplicemente… acqua (coincidenza della metafora!).

Sta di fatto che questo banale stratagemma si rivelò a lungo andare anche una sorta di trappola, dal momento che come conseguenza di questo oggi tutti gli organismo superiori, uomo compreso, hanno assolutamente bisogno di ossigeno per sopravvivere!

Antefatti evolutivi a parte, ne deduciamo che per quanto indispensabile per certi aspetti, ovvero detto banalmente “per la respirazione”, l’ossigeno rappresenta tuttavia una minaccia per altri.   E non parlo solo dell’ossigeno in sé (O2), ma anche e soprattutto di tutta quella serie di derivati attivi che esso può generare nell’organismo, ad iniziare dall’acqua ossigenata (H2O2) e dai suoi derivati detti perossidi, agli ancora più attivi superossidi, fino a quelli noti come “radicali liberi”, che nello specifico sono per lo più perossidi di molecole organiche che hanno perso un solo elettrone e quindi vagano nell’organismo come fantasmi assetati di reazioni.
I radicali perossido (tipo acqua ossigenata attivata) possono attaccare gli acidi grassi, anche quelli costitutivi dell’organismo, per esempio quelli che costituiscono le membrane cellulari, trasformando loro stessi in radicali liberi, questa volta organici, ed inducendo di conseguenza delle reazioni di ossidazione a catena, che al termine di ogni passaggio rigenerano il radicale di partenza e quindi potrebbero propagarsi in linea di principio all’infinito fino alla distruzione totale del substrato con il quale sono venuti a contatto.    E sono numerose le molecole biologiche del nostro organismo, ivi comprese quelle costitutive delle cellule e dei tessuti, che possono essere ossidate con il contributo dei radicali liberi di tipo perossido: il cuore del meccanismo di rigenerazione del perossido sta nel fatto che il radicale organico risulta facilmente attaccabile dall’ossigeno molecolare (O2) diffuso ovviamente oltre che nell’atmosfera anche nei fluidi biologici.   La molecola organica attivata che ha catturato l’ossigeno, in un paio di passaggi resta sì ossidata e quindi predisposta ad una successiva decomposizione/degradazione, ma “in più” rigenera il radicale organico che ne aveva provocato la formazione e che quindi potrà rivolgere le sue attenzioni a nuove molecole organiche ancora intatte.

Quando i microrganismi impararono a difendersi dall’ossigeno, dal perossido di idrogeno e dai radicali liberi che esso genera, lo fecero “inventando” degli enzimi, le catalasi, le perossidasi e le superossidodismutasi in primo luogo, che avevano la funzione di disattivare questi perossidi e superossidi.
Un esempio “pittorico” di perossidasi è schematizzato nella rappresentazione tridimensionale qui a lato.

Ora succede che queste difese, di origine antichissima, per così dire ancestrale, a volte non sono attive come dovrebbero.   Non sono sufficientemente attive perché viene ad essere carente qualche microelemento minerale del quale hanno bisogno per funzionare (di qui il ricorso ad integratori minerali come ad esempio il rame, ma anche zinco, manganese, ecc), perché non si trovano magari distribuite in modo uniforme in tutti i tessuti o magari in quelli che più pesantemente ricevono le sollecitazioni ossidative dall’esterno, perché questi stress ossidativi potrebbero essere cresciuti ad un livello tale da trovare insufficienti le nostre naturali misure di protezione, perché infine la durata della vita dell’uomo oggi è di parecchi ordini di grandezza superiore a quella di un microrganismo, ed anche nei confronti dell’uomo primitivo del quale conserviamo ancora il patrimonio genetico, l’aspettativa di vita è per lo meno raddoppiata.
Ai fenomeno ossidativi a carico dei tessuti biologici è infatti attribuita una parte consistente della responsabilità dei fenomeni di invecchiamento dei tessuti medesimi e più in generale dell’organismo.

Entrano quindi in gioco tutta una serie di sostanze esterne all’organismo, che questi quindi può assumere solo con l’alimentazione (gli animali in natura non sono soliti farsi iniezioni terapeutiche o altro) che a livello diverso e su tessuti/organi diversi possono svolgere un’azione preventiva: una volta che la molecola biologica è stata ossidata, infatti, c’è ben poco da fare: quello che conta è bloccare l’ossidazione prima, agendo sui radicali liberi di tipo perossido in primo luogo, e su tutte le altre specie fortemente ossidanti in circolo nell’organismo.
Un grosso distinguo che possiamo fare da subito è in relazione al substrato biologico da proteggere: se parliamo di un contesto ricco di acqua e di molecole idrosolubili da preservare, entreranno in azione antiossidanti idrosolubili come ad esempio la ben nota vitamina C, acido L-ascorbico, mentre in un contesto lipidico, ovvero sui tessuti biologici ricchi in grassi gli antiossidanti per riuscire ad essere trasportati, a penetrare e quindi ad agire dovranno avere caratteristiche di solubilità in questo ambiente, dovrano cioè essere liposolubili. Le vitamine E, ovvero i tocoferoli, sono importanti esempi di antiossidanti liposolubili.

La cosa curiosa è che queste stesse due molecole, l’acido ascorbico e i tocoferoli, al di là del loro effetto vitaminico nell’organismo umano, possono essere e sono di fatto utilizzate ampiamente come conservanti nei prodotti alimentari e cosmetici.   “Fossero tutti vitamine i conservanti che usano!” potrebbe commentare ironicamente qualcuno, ed in effetti in questo caso i produttore industriale riesce agevolmente a fare di necessità virtù: in un prodotto con larga base acquosa sarà introdotto di preferenza acido ascorbico (es. nella maionese, che per quanto grassa sia, ha sempre all’interno moltissima acqua), mentre nelle creme cosmetiche a base di oli e nelle pomate più pregiate sarà introdotto un tocoferolo. Se noi introducessimo dell’acido ascorbico in un prodotto a base di olio, o viceversa un tocoferolo in un prodotto acquoso, questo neppure si scioglierebbe, si depositerebbe magari sul fondo o se ne resterebbe lì immobile sotto forma di polverina, diventando del tutto inutile al fine della preservazione del prodotto dall’ossidazione.
Una volta assunto il prodotto o applicata la crema, l’acido ascorbico o il tocoferolo, se non sono stati completamente consumati nella battaglia antiossidante a difesa del prodotto, potranno eventualmente svolgere la loro funzione preservante anche nell’organismo umano.

Abbiamo parlato di vitamine.    Per inciso volevo solo accennare ad una delle definizioni più accreditate per capire cosa siano in realtà: possiamo definire vitamine tutte quelle molecole “non costitutive” (quindi ad esempio non gli aminoacidi proteici) delle quali una specie vivente ha bisogno ma che non sono prodotte dall’organismo stesso e quindi devono essere assunte mediante la dieta. L’acido L-ascorbico per esempio è una vitamina (la C) solo per l’uomo e gli altri primati, mentre non lo è per esempio per i bovini che pur avendone bisogno sono in grado di produrselo da soli attraverso reazioni biochimiche che il nostro organismo non riesce più o non ha mai imparato a realizzare.

Ma torniamo all’origine degli antiossidanti: gli alimenti, ed all’origine degli alimenti, di natura animale o vegetale che essi siano: le piante.
Una delle classi più importanti, diffuse e diversificate di molecole che svolgono azione antiossidante è quella dei polifenoli.   Importanti perché il mondo vegetale ne è estremamente ricco ed ogni giorno ne assumiamo (o ne dovremmo assumere) grandi quantità con la dieta e perché sotto questo grande cappello possiamo trovare molecole molto o piuttosto idrosolubili, molto diversificate fra loro per struttura e, come ci insegna la chimica mettendo sempre l’accento sulle relazioni fra struttura e proprietà, di conseguenza piuttosto diversificati anche per effetto.
L’elemento comune a tutti i fenoli, a livello di struttura molecolare, è la presenza di uno o più anelli di quelli che il chimico definisce “aromatici” (ma che non c’entra proprio nulla con l’aroma così come lo percepisce il consumatore!), ovvero quegli anelli benzenici che vengono solitamente espressi sotto forma di esagono costituito da 6 atomi di carbonio legati fra loro in modo uguale, e da uno o più gruppi –OH, che sono quelli che attribuiscono al fenolo sia le carattatteristiche di solubilità in acqua che, nel contesto del legame con l’anello aromatico, anche le caratteristiche antiossidanti.
Nella figura a lato si vedono da sinsitra a destra:  l’idrochinone, la sua forma ossidata (il para-chinone, di colore scuro) e la catechina (un poifenolo molto diffuso negli alimenti).
Ad opera dell’ossigeno atsmosferico, dei radicali perossido o di altre fonti di ossidazione, il gruppo fenolico –OH si ossida in un gruppo che tonico =O e quindi la molecola da fenolo diventa un cosiddetto chinone. Ed i chinoni li riconosciamo facilmente perché hanno un colore più scuro dei fenoli di partenza, sintomo del fatto che l’ossidazione è già avvenuta.

I vegetali sintetizzano naturalmente fenoli in primo luogo per difendersi anch’essi, non soltanto dall’ossidazione ma anche dall’attacco di funghi, batteri e… predatori, se si considera che essi contribuiscono fortemente al gusto aspro ed astringente di molti frutti, soprattutto se immaturi.    Molecole di origine fenolica sono responsabili dell’imbrunimento delle lesioni sulle parti tagliate delle piante, ma anche dei colori sulle tonalità del rosso, rosa, blu e viole dei fiori, del colore del vino rosso, ma anche del suo gusto astringente e tannico, e lo stesso dicasi anche per il tè… sì, effettivamente nei vegetali i polifenoli oltre a svolgere uno spettro di funzioni, si manifestano all’uomo attraverso due principali sensi:  la vista (con il loro colore) ed il gusto (di solito fra l’astringente, l’aspro e l’allappante). Al contrario, essendo molecole non volatili, risultano solitamente inodori.

Conservare intatti i polifenoli contenuti all’origine, ovvero non disattivati per ossidazione già nel vegetale di partenza, è una delle ragioni per le quali risulta raccomandabile la freschezza di frutta e verdura che mangiamo: se proprio non possiamo evitare di conservarla, dovremmo quindi cercare di farlo i condizioni integre, ovvero non tagliata, ed in assenza di ossigeno (ad esempio sotto vuoto o in atmosfera protetta), magari al buio dal momento che le reazioni di ossidazione sono spesso favorite dalla luce, specie dalla sua componente ultravioletta ed infine, cosa raccomandabile credo un po’ per tutti gli alimenti, al fresco.

L’assimilazione dei polifenoli a livello dell’apparato digerente umano è ancora in parte oggetto di discussione fra gli specialisti, in primo luogo perché questi possono intergire facilmente con altri componenti degli alimenti, in parte legandosi ad essi, in parte disattivandosi, e la frazione che arriva a livello dei villi dell’intestino tenue non è detto che venga completamente assimilata ed entri quindi al 100% in circolo nell’organismo. Tuttavia, almeno per i fenoli la cui molecola ha una dimensione limitata (i cosiddetti tannini o acido tannico, al contrario, sono caratterizzati da una struttura molecolare imponente), almeno parte del polifenoli entra nel circolo sanguigno ed entrerà di conseguenza a contatto con i vari organi e tessuti: se sarà in grado di attraversare le diverse barriere che il nostro organismo frappone, ad esempio la barriera emato-encefalica, la cui penetrazione risulta indispensabile per poter svolgere un’azione a livello del cervello, o a livello microscopico anche quella della semplice membrana di ogni cellula, dipende dalle caratteristiche di idrosolubilità più o meno elevata del polifenolo in questione.
Nell’organismo molte molecole dal momento che entrano in circolo viaggiano in coppia con dei trasportatori naturali, che sono altre molecole comunemente presenti nell’organismo e che si legano a loro, hanno la funzione di lasciapassare, o se volete di cavallo di Troia, che possono in parte modulare le caratteristiche di idro- o lipolsolubilità in questo caso del fenolo, mantenendolo ben disciolto nei fluidi biologici e consentendono un più agevole passaggio attraverso le membrane come molecola “accettata”.
(nell’immagine qui a lato: una rappresentazione schematica di una membrana cellulare)
Ma anche qualora un fenolo idrosolubile dovesse entrare finalmente in contatto con una micro-struttura biologica di natura lipidica da proteggere, ben poco potrà fare se non sarà in grado di potersi sciogliere almeno in piccola parte in essa, ovvero se non ha almeno una minima liposolubilità.

In ragione di tutto questo si comprenderà ulteriormente l’importanza oltre che dei dosaggi, anche della diversificazione fra le diverse fonti di polifenoli, per offrire al nostro corpo un ventaglio quanto più ampio possibile di strutture molecolari diversificate, e quindi anche di sfaccettature nelle caratteristiche di solubilità e di proprietà antiossidanti.