Alterazione degli alimenti

L'alterazionedi un alimento è una trasformazione a carico di uno o più componenti chimici che ne determinano una modificazione delle proprietà fisiche, chimiche e biologiche. Queste modifiche sono percepite come un'alterazione in senso positivo o negativo delle proprietà nutritive ed organolettiche dell'alimento o delle sue caratteristiche tecnologiche, in accordo allaPrima Legge di Parisi della Degradazione Alimentare.
La natura dei processi trasformativi a carico dei componenti chimico-nutritivi dei prodotti alimentari grezzi è eterogenea, in relazione alle caratteristiche intrinseche del prodotto, alle condizioni operative, agli intervalli di tempo che intercorrono. In generale si tratta di fenomeni o processi di natura fisica, fisico-chimica, chimica, biochimica e microbiologica, spesso interagenti fra loro in un sistema di trasformazioni complesso, più o meno drastico.
Si usa il terminetrasformazionequando il processo porta a risultati desiderati e, quindi, è positivo. Si usa invece il terminealterazionequando il processo porta a risultati indesiderati, se non addirittura dannosi. Le trasformazioni si svolgono spontaneamente, con o senza il controllo dei parametri ambientali ed operativi, oppure artificialmente, creando le condizioni affinché si avviino le trasformazioni nella direzione desiderata. Le alterazioni si svolgono sempre spontaneamente; possono essere "fisiologiche", nel senso si svolgono in quanto fenomeni ordinari integrati nel ciclo dellasostanza organica, oppure essere indotte da particolari condizioni ambientali od operative errate o non ottimali. In ogni caso si interviene per prevenire, arrestare o rallentare lo svolgimento di tali processi quando sono indesiderati. È interessante notare che uno stesso processo o fenomeno può essere definito in certi contesti come una trasformazione desiderata, in altri come un'alterazione. Questo si può verificare su prodotti diversi o anche sullo stesso prodotto. Basti pensare, ad esempio, allafermentazione acetica: è un processo di alterazione se ilvinoè il prodotto finale, una trasformazione voluta se invece il vino è un prodotto intermedio da trasformare inaceto. Nel primo caso si creano le condizioni per prevenire la fermentazione acetica, nel secondo si creano le condizioni per far sì che si svolga in modo ottimale.
Nella maggior parte dei casi le trasformazioni comportano la combinazione di più fenomeni e più vie metaboliche, parallele o consecutive, di cui una o più assumono le prerogative di trasformazione principale e le altre quelle di processi complementari secondari. I primi sono alla base della tecnologia che identifica genericamente il prodotto trasformato (es. lafermentazione alcolicanellavinificazione, lacoagulazionedellacaseinanellacaseificazione), gli altri, invece, rientrano nei processi di maturazione fondamentali per il conferimento delle proprietà organolettiche che tipicizzano le varianti del prodotto (bouquet, aroma, consistenza, ecc.). I processi fondamentali sono in generale ben conosciuti nella loro dinamica al punto che in alcune tecnologie si possiede un livello di conoscenza tale da poter guidare le trasformazioni con il controllo rigoroso dei parametri ambientali, dello stato fisico e strutturale, della composizione chimica, degli organismi coinvolti, ecc.
La maggior parte delle trasformazioni sono di natura biochimica, dovute all'azione dienzimiendogeni o esogeni. Sono endogeni gli enzimi propri dell'organismo da cui deriva l'alimento, sono esogeni quelli prodotti da organismi che vengono a contatto, accidentalmente o meno, con l'alimento. In quest'ultimo caso si parla per lo più di trasformazioni microbiche in quanto i processi enzimatici sono prodotti daBatteri,AttinomicetieFunghi. Questi ultimi rientrano in genere nelle categorie generiche dellemuffe(Penicillium,Aspergillus,Rhizopus, ecc.) e deilieviti(Saccharomyces,Torula,Candida, ecc.).
In qualsiasi tipo di trasformazione agroalimentare (fisica,conservazione, trasporto) si adottano tecnologie che sono svolte a favorire le trasformazioni desiderate oppure a prevenire, rallentare, arrestare le alterazioni.
I processi a carico dei glucidi sono i più frequenti e rappresentano spesso le più importanti trasformazioni. Quelle di maggiore interesse sono operate daBatterielieviti. Sono di due differenti tipi, lefermentazionie, meno frequentemente, larespirazione totale. In entrambi i casi vengono usati i componenti fermentescibili, rappresentati in genere dazuccherisemplici (glucosio,fruttosio, ecc.),disaccaridi(saccarosio,maltosio, ecc.) eamido. Disaccaridi e amido subiscono prima l'idrolisienzimatica, che porta alla formazione degli zuccheri semplici. Sia le fermentazioni sia la respirazione seguono inizialmente la via metabolica dellaglicolisi, o via di Embden-Meyerhof-Parnas, per poi differenziarsi nella fase finale, che è ossidativa nella respirazione e riduttiva nelle fermentazioni.
La respirazione è un processo desiderato quando deve condurre ad una moltiplicazione dei microrganismi (fermenti). Si verifica, ad esempio, durante la prima fase dellavinificazione(fermentazione tumultuosa). La respirazione è inoltre il processo alla base dellalievitazionenellapanificazione: i lieviti si moltiplicano producendo sacche dianidride carbonicache restano imbrigliate nell'impasto provocandone il caratteristico rigonfiamento della lievitazione.
In generale, però, la respirazione è un processo negativo in quanto riduce le proprietà nutritive ed organolettiche dell'alimento (es. riduzione del tenore zuccherino nella frutta) o le proprietà tecnologiche del prodotto agricolo (es. riduzione della resa in zucchero dellebarbabietole). In generale è di natura endogena in quanto è un ordinario processo metabolico che si verifica all'interno delle cellule. È favorita dalle temperature ambientali alte e dall'aerazione, perciò si può rallentare con larefrigerazione, eventualmente inatmosfera controllataoconservazione in atmosfera modificata.
Le fermentazioni, che si svolgono in condizioni dianaerobiosi, differiscono per la maggior parte nei passaggi finali, che determinano una o più trasformazioniriduttivea carico dell'acido piruvico. Le più importanti fermentazioni sfruttate nell'industria agroalimentare sono le seguenti:
Per quanto riguarda le trasformazioni a carico dell'amido, come si è detto in precedenza, si tratta fondamentalmente di processi di idrolisi enzimatica attuati daamilasiendogene, con formazione di disaccaridi (maltosio) e monosaccaridi (glucosio). L'idrolisi enzimatica dell'amido è un processo che si svolge spontaneamente nel corso della maturazione della frutta, generalmente sulla pianta e, nelle fasi finali, durante la conservazione dei frutti a maturazioneclimaterica(banane, kaki, mele, pesche, ecc.). È inoltre un processo attivato artificialmente da fasi preliminari per ottenere substrati fermentescibili da prodotti amilacei (cereali, patate) per la produzione di bevande alcoliche (birra, sakè, whisky, ecc.).
Glialcoli, icomposti carbonilicie gliacidi organicipresenti in un prodotto agroalimentare sono soggetti, come gli zuccheri, a trasformazioni fermentative che portano alla formazione di composti che, in generale, influiscono sulle proprietà organolettiche dell'alimento. La natura di questi processi fermentativi, gli organismi coinvolti e il ruolo svolto nella trasformazione, variano secondo i casi, ma in generale si tratta di processi collaterali o consecutivi che rientrano nella generalità dei fenomeni connessi alla maturazione e alla stagionatura del prodotto. Fra i vari processi fermentativi si citano i seguenti:
Leproteinesono interessate soprattutto dalle seguenti trasformazioni:
Ladenaturazioneconsiste nella perdita della struttura quaternaria, terziaria o secondaria delle proteine senza che si abbia la rottura della catena polipeptidica (struttura primaria). I fenomeni di denaturazione sono per lo più di natura fisico-chimica, anche se possono essere indotti da un processo microbico (ad esempio la coagulazione dellacaseinaa seguito dell'abbassamento delpHcausato dalla fermentazione lattica). Gli agenti diretti della denaturazione sono tuttavia fattori fisici, fisico-chimici o chimici. Fra i più importanti si citano le alte temperature (in generale superiori ai 60-65 °C), l'attività dell'acqua, della concentrazione ionica del mezzo e, infine, del pH.
Gli effetti principali della denaturazione consistono nella perdita disolubilità, con conseguente aggregazione e precipitazione (coagulazione), e delle proprietà biologiche e chimico-fisiche specifiche. Sotto l'aspetto nutrizionale uno degli effetti più rilevanti della denaturazione è l'aumento di sensibilità all'azione degli enzimi proteolitici, perciò la denaturazione aumenta la digeribilità delle proteine.
Lareazione di Maillardè unprocesso chimicocomplesso che coinvolge le proteine e gli zuccheri a seguito dell'azione delle alte temperature. In sintesi, ilgruppo carbonilicodegli zuccheri riduttori reagisce con ilgruppo amminicodelle proteine formando un prodotto di condensazione dettobase di Schiff. Le basi di Schiff sono prodotti instabili e da esse prendono avvio processi di riarrangiamento e decomposizioni che portano alla formazione di composti carbonilici (aldeidi,chetoni,reduttoni), composti azotati condensati (melanoidine) eidrossimetilfurfurale(HMF). Nel complesso queste trasformazioni influenzano notevolmente le proprietà nutritive e organolettiche dell'alimento. Le più importanti conseguenze sono le seguenti:
Le reazioni di Maillard sono indotte in particolare dalle alte temperature sviluppate con la cottura (frittura, bollitura), in relazione alla durata di esposizione, oppure da cattive condizioni di conservazione di alcuni alimenti, per esposizione alla luce e a temperature alte. La produzione dell'idrossimetilfurfurale è fondamentale in quanto il suo tenore in un alimento è un indice analitico del grado di qualità di un prodotto: alti tassi di HMF, infatti, denunciano un invecchiamento dell'alimento, accentuato anche da cattive condizioni di conservazione, oppure indicano che l'alimento è stato sottoposto a trattamenti termici (sterilizzazione,pastorizzazione, ecc.).
In generale le reazioni di Maillard sono un fenomeno negativo che provoca un decadimento qualitativo del prodotto (imbrunimento, aromi più o meno sgradevoli, sapore di cotto). Fra gli alimenti deprezzati dalle reazioni di Maillard si citano ad esempio illatte, sottoposto a cottura o a sterilizzazione, e ilmiele, sottoposto a pastorizzazione o invecchiato o conservato ad alta temperatura. Vi sono tuttavia casi in cui le reazioni di Maillard sono un processo desiderato perché migliorano le proprietà organolettiche o tecnologiche del prodotto, come ad esempio nel caso delcaffèe delmaltotorrefatti.
Laproteolisie laputrefazionesono due processi fra loro strettamente correlati in quanto il primo è il preludio al secondo e, in parte, si sovrappongono con intensità via via crescente della putrefazione. La proteolisi consiste nella rottura della struttura primaria delle proteine e, quindi, nello sviluppo di catenepolipeptidichepiù piccole e diamminoacidiliberi. In generale la proteolisi porta ad un aumento della digeribilità delle proteine ma, anche, ad una potenziale riduzione del loro valore nutritivo. La putrefazione propriamente detta consiste invece nella distruzione degli amminoacidi, con conseguente sviluppo di composti fortemente aromatici derivati dal metabolismo dell'azoto(ammoniaca,ammine,cadaverina,putrescina, ecc.) e dellozolfo(idrogeno solforato,mercaptani). I primi sono responsabili di odori pungenti e sgradevoli che ricordano, ad esempio, il pesce marcio, i secondi degli odori sgradevoli che ricordano le uova marce.
La proteolisi è un processo utile e desiderato se procede in modo controllato e non particolarmente spinto. Una moderata proteolisi modifica infatti lo stato strutturale dell'alimento migliorandone le proprietà organolettiche e, entro una certa misura, la digeribilità. Una blanda alterazione degli amminoacidi, riconducibile ad un principio di putrefazione, è inoltre positiva in quanto può migliorare le proprietà aromatiche e la serbevolezza dell'alimento. Queste azioni si verificano, in particolare, nei trattamenti di maturazione dellecarnimacellate fresche e deiformaggi.
Subito dopo la macellazione la carne ha caratteristiche di scarsacommestibilitàche migliorano con lafrollaturaa causa delrigor mortise dello stato strutturale delleproteinemuscolari. La frollatura si svolge mediante mantenimento dei quarti a 0-4 °C e ad un'umidità relativa del 75% per un periodo di 10-14 giorni dopo lamacellazione. La frollatura è una proteolisi attuata da enzimi di origine microbica e tissulare e permette alla carne di acquisire un maggior grado di tenerezza e succosità, una perdita di colore. Lo sviluppo moderato di sostanze aromatiche (chetoni,aldeidi,ammoniaca,ammine,idrogeno solforato, ecc.) conferiscono alla carne una maggiore serbevolezza. Un'elevata carica microbica iniziale, un prolungamento della frollatura e un'alterazione delle condizioni ambientali rendono tali processi di tipo degenerativo e causano il deperimento della carne perputrefazione.
Nei formaggi la proteolisi rappresenta il processo più importante e anche più complesso nella fase di maturazione: la trasformazione delle proteine è infatti fondamentale per lo sviluppo dei composti intermedi del metabolismo dell'azoto e dello zolfo (ammoniaca e ammine, composti solforati), dei composti ossigenati volatili (composti carbonilici, acidi), per la modifica della consistenza e della tessitura dovuta alla rottura del reticolocaseinico, per migliorare la capacità di ritenzione dell'acqua, per dare sapidità in seguito al rilascio dell'acido glutammico, ecc.. L'intensità e il ruolo di queste trasformazioni e il loro rapporto con l'altro processo fondamentale, lalipolisi, cambiano secondo i contesti e concorrono alla differenziazione delle varie tipologie di formaggi.
I lipidi presenti negli alimenti sono rappresentati, per la quasi totalità, daitriglicerididegliacidi grassi, ossia i grassi propriamente detti. Questi composti sono soggetti fondamentalmente a tre tipi di trasformazioni:
L'idrolisi, detta ancheinacidimento, è un fenomeno favorito dall'umidità e, soprattutto, dall'azione combinata dellalucee dellalipasi, un enzima che può essere di natura endogena o esogena. Il risultato di questa trasformazione è la scissione del grasso nei suoi componenti, rappresentati daglicerolo, mono e digliceridi e, infine,acidi grassiliberi. Si verifica in particolare negli alimenti ricchi d'acqua (grassi animali) e nei frutti oleosi (es. leolive). In generale è un processo negativo che porta anche allo sviluppo di sapori e odori sgradevoli quando si liberano acidi grassi a basso peso molecolare (acido butirrico,acido capronico, ecc.) e perché predispone maggiormente gli alimenti all'irrancidimento ossidativo.
L'irrancidimentochetonico è un processo di natura enzimatica attuato da batteri, lieviti e muffe e si svolge a carico di acidi grassi a basso peso molecolare e comporta labeta-ossidazionedi un acido grasso, con formazione di unβ-chetoacidoche perdecarbossilazionesi trasforma in unmetilchetone. In genere si tratta di un'alterazione microbica, a carico di frutti e semi oleaginosi provvisti di un certo grado di umidità, che porta alla formazione di odori e sapori sgradevoli. L'irrancidimento chetonico è invece un processo desiderato in alcuni casi limitati. In questo caso l'esempio classico è rappresentato dai formaggi erborinati (Gorgonzola,Roquefort,Brie,Camembert, ecc.): in questi formaggi si favorisce lo sviluppo di muffe dei generiPenicilliumoAspergillusin quanto il metabolismo dei grassi produce il caratteristico aroma. L'irracidimento chetonico aiuta alla formazione delle proteine
L'irrancidimento ossidativo è invece considerata l'alterazione più grave e più frequente a carico dei grassi alimentari. Sono colpiti, oltre i grassi veri e propri, anche ifosfolipidie alcuni composti organici formati da catene idrocarburiche (es. icaroteni). Il processo è fondamentalmente di natura chimica e si svolge in tre fasi: una fase di iniziazione o induzione, in cui si sviluppanoradicali, una fase centrale di propagazione, che si sviluppa a catena, e una fase di terminazione in cui i radicali si stabilizzano con formazione di composti organici vari. Fra questi sono presenti aldeidi e chetoni volatili responsabili dell'odore di rancido. L'alterazione è favorita, nelle fasi iniziali, dal concorso di alcuni fattori ambientali, fra cui l'esposizione allaluce, alle temperature alte, la presenza diperossidi, il contatto o la presenza di alcuni metalli (fra cuiferroerame), la presenza dell'enzimalipossidasi. Un ruolo fondamentale è svolto dalla presenza, nell'alimento, di composti che rallentano la fase di iniziazione (antiossidanti, come itocoferoli) o la favoriscono (pro-ossidanti, come lamioglobina, l'emoglobinae laclorofilla). La predisposizione è comunque il risultato di un complesso insieme di fattori che possono proteggere gli alimenti o esporli maggiormente a questa alterazione.
Pur essendo componenti secondari, presenti in quantità limitate negli alimenti, le trasformazioni a carico deipolifenolipossono avere un ruolo non trascurabile nel definire le caratteristiche del prodotto finale. Il ruolo occupato dal chimismo dei polifenoli cambia da prodotto a prodotto, ma in generale si riflette con l'influenza di due proprietà organolettiche: il colore e il sapore. Va inoltre precisato che i polifenoli sono di origine vegetale, perciò il loro ruolo riguarda fondamentalmente alcuni alimenti di origine vegetale.
Le influenze sul colore sono dovute all'imbrunimento enzimatico. Si tratta di un processo che, a partire dai composti fenolici presenti nei vegetali, porta alla formazione dipolimeriche hanno proprietà pigmentanti, generalmente di colore nero o bruno, talvolta rosso, violaceo, ecc. Il processo si svolge in più tappe, di cui le prime, mediate dallepolifenolossidasidi natura endogena, consistono fondamentalmente nell'ossidazione delle funzioni fenoliche con formazione dichinoni. Successivamente si svolge un processo, di natura non enzimatica, di condensazione dei chinoni con formazione dei polimeri. L'imbrunimento enzimatico è un processo fondamentalmente degenerativo, causato dal concorso di fattori di natura meccanica (traumi accidentali, taglio, ecc.) che permettono il contatto delle polifenolossidasi con i polifenoli. Si tratta di un'alterazione piuttosto frequente in molti frutti e ortaggi che tendono ad imbrunire dopo le operazioni di taglio (es. lebanane, lemele, icarciofi, lepatate, ecc.) e rappresenta uno dei principali fenomeni da prevenire nella preparazione di conserve vegetali (surgelati,succhi di frutta, ecc.). L'alterazione è bloccata dalla cottura, oppure rallentata dagli antiossidanti (in particolare l'acido ascorbico) o dall'acidificazione (es. aggiunta diacido citrico). Un esempio comunissimo è l'impiego del succo dilimone, notoriamente ricco di acido citrico e vitamina C (acido ascorbico), nelle preparazioni casalinghe per rallentare l'imbrunimento della frutta e degli ortaggi tagliati fino al momento della cottura.
In alcuni casi l'imbrunimento enzimatico moderato è invece un processo desiderato nella preparazione industriale di alcuni alimenti o assimilabili ad essi, come idatteri, ilsidro, iltè, ilcacaoe iltabacco.
Le influenze sul sapore sono più complesse e portano alla formazione di composti che stimolano la percezione dell'amaro e del piccante migliorando le proprietà organolettiche di alcuni prodotti. Uno degli esempi più noti è rappresentato dal ruolo dei polifenoli dell'olio d'oliva, in particolare l'oleuropeina, che con il retrogusto amaro e la percezione moderata del piccante, contribuisce a costituire quel complesso organolettico denominatofruttato.
Una trasformazione che coinvolge una categoria di polifenoli, itannini, è l'interazione dei loro prodotti di ossidazione con leproteine, con formazione di complessi di condensazione responsabili di intorbidamenti in alcune bevande (es.birra,liquore di mirto).
Pur non essendo un prodotto interessato da trasformazioni chimiche, l'acqua rappresenta un componente chimico-nutritivo coinvolto spesso - in senso positivo o negativo - degli effetti fisici o fisico-chimici indotti dalle manipolazioni. Le trasformazioni più importanti che coinvolgono l'acqua si possono ricondurre ai seguenti aspetti:
L'attività dell'acqua(aw) è il rapporto fra lapressione di vaporedell'acqua nell'alimento (o in una qualsiasi soluzione) e la pressione di vapore dell'acqua pura ed è un indice della sua "disponibilità" per i processi biologici, biochimici e chimici. Il suo valore varia da 0 (valore teorico in un qualsiasi sistema contenente acqua) a 1 (acqua pura); quanto più è alto tanto più l'alimento è suscettibile all'attacco microbico e ai processi di idrolisi, chimica o enzimatica.
La riduzione dell'attività chimica dell'acqua si ottiene con diversi trattamenti di conservazione e fondamentalmente comportano una riduzione assoluta del tenore in acqua (essiccazione,liofilizzazione,concentrazione, ecc.) oppure una riduzione dell'attività per aumento della concentrazione (salagione, aggiunta di zuccheri) o per congelamento dell'acqua libera (surgelazione,congelazione). In generale si tratta di un fenomeno desiderato, ai fini conservativi, in quanto ha un effetto batteriostatico, anche se non protegge gli alimenti dall'azione di muffe e lievitiosmofili. È invece una trasformazione negativa quando l'effetto principale è la perdita del turgore cellulare, come si verifica in generale per la frutta e gli ortaggi destinati al consumo fresco. In quest'ultimo caso i trattamenti consistono in condizionamenti in atmosfera controllata che, mediante un controllo dell'umidità relativa, hanno lo scopo di rallentare i processi di evaporazione e, quindi, di appassimento.
Le interazioni di superficie fra l'acqua e gli altri componenti dell'alimento hanno implicazioni differenti da prodotto a prodotto e, in molti casi, sono di grande importanza ai fini della trasformazione. In generale l'acqua si trova negli alimenti sotto tre forme:
L'acqua debolmente legata è acquaadsorbitae la sua dinamica è soggetta allalegge di Raoult. Ha un'attività inferiore a quella dell'acqua libera, tuttavia è in equilibrio con quest'ultima e subisce perciò gli effetti dei trattamenti. L'acqua libera è il mezzo in cui si sviluppano i microrganismi. In generale, ai fini della conservazione, si considera sfavorevole - per lo sviluppo microbico - un'attività dell'acqua inferiore a 0,65, mentre molti alimenti hanno attività dell'acqua libera dell'ordine di 0,98-0,99, favorevole perciò allo sviluppo di tutti i microrganismi patogeni in subordine ad altri fattori ambientali. L'acqua libera è trattenuta dall'alimento in relazione alla capacità di ritenzione, che dipende fondamentalmente dalle caratteristiche tissulari dell'alimento e, in particolare, dallo stato strutturale delle macromolecole, con particolare riferimento alle proteine e ai grassi.
La dinamica dell'acqua libera è importante in molti processi di lavorazione o di maturazione degli alimenti: nella frollatura (carni fresche), nello spurgo dellacagliata(formaggio), nellazangolatura(burro), nellagramolatura(olio d'oliva), ecc. Per alcuni processi l'obiettivo è l'allontanamento di una parte dell'acqua libera mediante sistemi meccanici indotti o spontanei, per altri è la rottura dell'emulsionefra l'acqua legata e le micelle, per altri ancora è invece la stabilizzazione delle emulsioni o dell'acqua di ritenzione (es.maionese,carne,passata di pomodoro). In generale, l'acqua residua ha un ruolo importante nell'influenzare le caratteristiche organolettiche di consistenza del prodotto finale (es. carne, formaggio).