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Glutine: cos’è, dove si trova, proprietà, cereali gluten free

Glutine: contenuti in breve

Che cos’è il glutine?

Glutine
Fig. 1 – Frumento

Il glutine non è una semplice proteina, ma è una miscela composta da proteine dei cereali, per circa l’80% del suo peso secco (ad es. gliadine e glutenine per il frumento), lipidi, 5-7%, amido, 5-10%, acqua, 5-8%, e sostanze minerali, <2%.
Si forma quando componenti naturalmente presenti nel chicco del cereale, la cariosside, e nella farina derivata, si uniscono tra di loro, in ambiente acquoso e sotto l’azione di sollecitazioni meccaniche, ossia durante la formazione dell’impasto.
Il termine è associato anche alla famiglia di proteine che causa problemi ai soggetti affetti da celiachia (vedi in seguito).
Isolato per la prima volta dal chimico italiano Jacopo Bartolomeo Beccari nel 1745 dalla farina di frumento, può essere estratto dall’impasto lavando lo stesso in modo delicato sotto acqua corrente: una volta allontanato l’amido, le albumine e le globuline, tutti solubili in acqua, rimane una massa appiccicosa ed elastica, appunto il glutine (termine che deriva dal latino gluten, che significa colla).

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Dove si trova il glutine?

Tra i cereali che lo contengono si ritrovano:

  • frumento o grano, quali:

grano duro (Triticum durum), da cui si ottengono semole e semolati per pasta alimentare secca;
grano tenero (Triticum aestivum), da cui si ottengono farine per pane, paste fresche e prodotti da forno;

  • segale (Secale cereale);
  • orzo (Hordeum vulgare);
  • farro, nelle tre specie:

farro piccolo o monococco (Triticun monococcum);
farro medio (Triticum dicoccum Schrank);
farro grande o granfarro o spelta (Triticum spelta)

  • grano khorasan, di cui il Kamut® ne è una varietà;
  • triticale, che è un ibrido tra la segale ed il grano tenero (× Triticosecale Wittmack);
  • bulgur o grano spezzato(grano duro integrale germogliato e successivamente lavorato);
  • seitan, che non è un cereale ma un derivato del frumento, da alcuni definito anche “bistecca di glutine”.

Dato che la maggior parte del glutine assunto con l’alimentazione proviene dalle farine di frumento, di cui se ne raccoglie circa 700 milioni di tonnellate annue, che rappresentano circa il 30% della produzione mondiale dei cereali, la discussione seguente sarà incentrata sul glutine di frumento, ed in particolare sulle sue proteine.

Nota: il termine glutine viene anche utilizzato per indicare il residuo proteico che rimane dopo aver allontanato l’amido e le proteine solubili dall’impasto ottenuto con farina di mais o granturco: questo “glutine di mais” è tuttavia “funzionalmente” differente rispetto a quello ottenuto dal frumento.

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Le proteine dei cereali

Glutine
Fig. 3 – Proteine dei Cereali

Lo studio delle proteine dei grani, come visto, ebbe inizio con il lavoro di Beccari.
In seguito, nel 1924, quindi ben 150 anni dopo, l’inglese Osborne T.B., che a ragione può essere considerato il padre della chimica delle proteine vegetali, ne sviluppò una classificazione sulla base della loro solubilità in vari solventi.
La classificazione, ancora in uso, suddivide le proteine vegetali in 4 famiglie.

  • Albumine, solubili in acqua.
  • Globuline, solubili in soluzioni saline, come l’avenalina dell’avena.
  • Prolamine, solubili in soluzione alcolica al 70%, ma non in acqua o alcol assoluto.
    Comprendono:

gliadine del frumento;
zeina del mais;
avenina dell’avena;
ordeina dell’orzo;
secalina della segale.

Sono le responsabili dell’effetto tossico del glutine per il celiaco.

  • Gluteline, insolubili in acqua e soluzioni saline neutre, ma solubili in soluzioni acide e basiche.
    Comprendono le glutenine del frumento.

Albumine e globuline sono proteine citoplasmatiche, spesso di natura enzimatica, ricche di aminoacidi essenziali, quali lisina, triptofano e metionina. Si ritrovano nell’aleurone e nell’embrione della cariosside.
Prolamine e gluteline sono le proteine di riserva dei cereali. Sono ricche in asparagina, glutammina, arginina e prolina, ma molto povere in lisina,triptofano e metionina. Si ritrovano nell’endosperma, e rappresentano la grande maggioranza delle proteine presenti (fare tabella) nel frumento, mais, orzo, avena e segale.
Sebbene la classificazione di Osborne sia ancora ampiamente utilizzata, sarebbe più corretto suddividere le proteine dei grani in tre gruppi: di riserva, strutturali e metaboliche, e con funzioni difensive.

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Le proteine del glutine di frumento

Nel frumento le proteine rappresentano il 10-14% del peso della cariosside (circa l’80% del peso è costituito da carboidrati).
Seguendo la classificazione di Osborne, il 15-20% delle proteine sono rappresentate dalla albumine e globuline, mentre il restante 80-85%, è costituito da prolamine e gluteline, rispettivamente gliadine, 30-40%, e glutenine, 40-50%. Quindi, e a differenza delle prolamine e gluteline degli altri cereali, gliadine e gluteine sono presenti in quantità simili, circa il 40% (vedi tabella).
Gliadine e glutenine hanno una notevole importanza dal punto di vista tecnologico. Perché?
Le proteine appartenenti alle due classi sono insolubili in acqua, e nell’impasto, dunque in un ambiente ricco d’acqua, si legano tra loro attraverso legami quali:

  • legami covalenti, ossia ponti disolfuro;
  • legami non covalenti, quali interazioni idrofobiche, forze di van der Waals, legami idrogeno e legami ionici.

Grazie alla formazione di questi legami intermolecolari, si crea un reticolo tridimensionale, che intrappola i granuli di amido e le bolle di anidride carbonica che si formano durante la lievitazione, e conferisce resistenza ed elasticità all’impasto di farina ed acqua, due proprietà del glutine ampiamente sfruttate industrialmente.
Nella dieta abituale della popolazione europea adulta, ed in particolare di quella italiana che è molto ricca di derivati del frumento, gliadine e glutenine sono le proteine maggiormente rappresentate, circa 15 g al giorno. Che significa? Che la dieta gluten-free è una dieta che impegna sia sotto l’aspetto psicologico che sociale la persona affetta da celiachia.

Nota: i lipidi componenti il glutine sono strettamente legati alle zone idrofobiche di gliadine e glutenine e, rispetto a quanto è possibile fare con la farina originale, sono rimossi con maggiore difficoltà (il contenuto in lipidi del glutine dipende dal contenuto in lipidi della farina da cui è stato ottenuto).

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Gliadine: estensibilità e viscosità

Glutine
Fig. 2 – Proteine del grano

Le gliadine sono prolamine idrofobiche monomeriche, cioè formate da una sola subunità, di natura globulare e con basso peso molecolare. Sulla base della mobilità elettroforetica in condizioni di basso pH, sono state suddivise nei seguenti gruppi:

  • alfa/beta, e gamma, ricche di zolfo, contenendo residui di cisteina, coinvolti nella formazione di ponti disolfuro intramolecolari, e di metionina;
  • omega, povere di zolfo, data l’assenza o quasi di cisteina e metionina.

Hanno uno scarso valore nutrizionale ed un’altissima tossicità per il celiaco per la presenza di particolari sequenza aminoacidiche nella struttura primaria, in particolare prolina-serina-glutammina-glutammina e glutammina-glutammina-glutammina-prolina.
Le gliadine si associano tra di loro e con le glutenine attraverso legami non covalenti; grazie a ciò, nella formazione dell’impasto agiscono come “plasticizzanti”. Infatti, a loro si deve la viscosità e l’estensibilità proprie del glutine, il cui reticolo tridimensionale proteico si può deformare permettendo l’aumento di volume della massa a seguito della produzione di gas con la lievitazione. Questa proprietà è importante nella panificazione.
Un loro eccesso comporta la formazione di un impasto assai estensibile.

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Glutenine: elasticità e tenacità

Le glutenine sono proteine polimeriche, ossia formate da più subunità, di natura filamentosa legate insieme da ponti disolfuro intermolecolari. Dopo riduzione dei suddetti legami, tramite SDS-PAGE possono essere suddivise in due gruppi.

  • Glutenine ad elevato peso molecolare o HMW, acronimo dell’inglese high molecolar weight.
    Povere di zolfo, rappresentano circa il 12% del totale delle proteine del glutine. I legami non covalenti che si stabiliscono tra le subunità di questo gruppo sono responsabili dell’elasticità e tenacità delle network di proteine del glutine, ossia delle proprietà viscoelastiche del glutine stesso e quindi anche dell’impasto che lo contiene.
  • Glutenine a basso peso molecolare o LMW, acronimo dell’inglese low molecolar weight.
    Ricche di zolfo (cisteina), formano ponti disolfuro tra di loro e con le subunità HMW, formando così un macropolimero di glutenina.

Le glutenine fanno si che l’impasto mantenga la sua forma durante gli stress meccanici (impastamento) e non meccanici (aumento di volume dovuto alla lievitazione e all’aumento di volume dei gas che intrappola a seguito del riscaldamento dovuto alla cottura) cui è sottoposto. Questa proprietà è importante nella pastificazione.
Se in eccesso, le glutenine portano alla formazione di un impasto forte e rigido.

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Proprietà del glutine di frumento

Dal punto di vista nutrizionale le proteine che compongono il glutine non hanno un elevato valore biologico, essendo povere di lisina, un aminoacido essenziale. Dunque una dieta senza glutine non comporta alcuna carenza significativa di nutrienti importanti.
Di contro, il glutine ha un grande valore per l’industria alimentare: la matrice proteica tridimensionale derivante dalla combinazione in soluzione acquosa di gliadine e glutenine, conferisce proprietà viscoelastiche, ossia di estensibilità-viscosità ed elasticità-tenacità, all’impasto di cui fa parte, e quindi una struttura ben definita al pane, alla pasta, e in generale a tutti gli alimenti che si fanno con la farina di frumento.
Ha un alto grado di palatabilità.
Ha un elevato potere fermentante a livello dell’intestino tenue.
E’ un’esorfina: alcuni peptidi derivati dalla digestione delle proteine del glutine possono andare ad agire a livello del sistema nervoso centrale.

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Cereali senza glutine

Di seguito una lista di cereali, cereali minori, e pseudocereali gluten-free utilizzati a fini alimentari.

  • Cereali

Mais o granturco (Zea mais)
Riso (Oryza sativa)

  • Cereali minori
    Definiti “minori” non perché di scarsa importanza nutrizionale, quanto perché coltivati in piccole aree ed in quantità inferiori rispetto a frumento, riso e mais.

Fonio (Digitaria exilis)
Miglio (Panicum miliaceum)
Panico (Panicum italicum)
Sorgo (Sorghum vulgare)
Teff (Eragrostis tef)
Teosinte; gruppo composto da 4 specie appartenenti al genere Zea. Sono piante che crescono in Messico (Sierra Madre), Guatemala e Venezuela.

  • Pseudocereali
    Così definiti perché associano nella loro botanica e nei loro aspetti nutrizionali caratteristiche peculiari dei cereali e dei legumi, quindi di un’altra famiglia di piante.

Amaranto, nelle specie più diffuse:

Amaranthus caudatus;
Amaranthus cruentus;
Amarantus hypochondriacus.

Grano saraceno (Fagopyrum esculentum)
Quinoa (Chenopodium quinoa), uno pseudocereale con ottime proprietà nutritive, contenendo fibre, ferro, zinco e magnesio, che fa parte della famiglia delle Chenopodiaceee, come le barbabietole.

  • Manioca, anche nota come tapioca, yuca e cassava (Manihot utilissima). Coltivata principalmente nel sud del Sahara e nell’America del Sud, è una radice tubero commestibile da cui si origina la fecola di tapioca.

Nota: non sempre i prodotti naturalmente privi di glutine al momento della commercializzazione sono effettivamente gluten-free. Infatti per gli alimenti preparati a livello industriale ci può essere o l’utilizzo di derivati contenenti gliadina o una contaminazione nella filiera produttiva, e questo è ovviamente importante in quanto anche tracce di glutine nella dieta possono causare problemi al celiaco.

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Avena e glutine

Discorso a parte merita l’avena (Avena sativa), che è tra i cereali concessi ai celiaci. Studi condotti negli ultimi anni hanno evidenziato che è tollerata dal celiaco, adulto e bambino, anche nel soggetto con dermatite erpetiforme. Ovviamente, deve essere certificata per l’assenza di glutine (da contaminazione).

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Bibliografia

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Phillips G.O., Williams P.A. Handbook of food proteins. 1th Edition. Woodhead Publishing, 2011

Shewry P.R. and Halford N.G. Cereal seed storage proteins: structures, properties and role in grain utilization. J Exp Bot 2002:53(370);947-958. doi:10.1093/jexbot/53.370.947

Yildiz F. Advances in food biochemistry. CRC Press, 2009

Digestione dell’amido ed alfa-amilasi

Fattori che influenzano interazione tra amido ed alfa-amilasi

alfa-amilasi
Fig. 1 – Spaghetti

Amilosio ed amilopectina, le due famiglie di omopolisaccaridi costituenti l’amido, nel corso della loro sintesi all’interno delle cellule vegetali sono depositati in particelle altamente organizzate dette granuli, di diametro variabile da 3 a 300 µm e con una struttura parzialmente cristallina.
L’accesso della alfa-amilasi, l’enzima che catalizza l’idrolisi di amilosio ed amilopectina a dare maltosio, maltotriosio e destrine alfa-limite, ai carboidrati che compongono i granuli varia in funzione di:

  • rapporto tra amilosio e amilopectina;
  • temperatura e impaccamento di amilosio e amilopectina;
  • proteine presenti nei granuli;
  • presenza di fibre.

Rapporto tra amilosio e amilopectina

L’amido per uso alimentare è ottenuto da diverse fonti, le più importanti delle quali sono il mais (normale, ceroso o ad alto contenuto in amilosio), le patate, il riso, la tapioca ed il frumento.
A seconda dell’origine botanica varierà il peso molecolare, il grado di ramificazione e le proporzioni in cui sono presenti amilosio ed amilopectina, che in genere sono per il 20-30% amilosio e 70-80% amilopectina, anche se esistono amidi con elevato contenuto in amilosio o amilopectina (es. mais ceroso). Queste differenze giustificano l’esistenza di amidi con caratteristiche chimico fisiche diverse e, in una certa misura, diversa digeribilità.

  • mais: amilosio 24%, amilopectina 76%
  • mais ceroso: amilosio 0,8%, amilopectina 99,2%
  • mais Hylon VII: amilosio 70%, amilopectina 30%
  • patate: amilosio 20%, amilopectina 80%
  • riso: amilosio 18,5%, amilopectina 81,5%
  • tapioca: amilosio 16,7%, amilopectina 83,3%
  • frumento: amilosio 25%, amilopectina 75%

Temperatura e impaccamento di amilosio e amilopectina

Le catene di amilosio, ed in misura minore le ramificazioni dell’amilopectina, grazie alla formazione di legami ad idrogeno con molecole vicine e all’interno delle molecole stesse, hanno la tendenza ad aggregarsi. Per questo motivo amilosio ed amilopectina puri risultano scarsamente solubili in acqua al di sotto dei 55°C, e più resistenti alla digestione enzimatica (amido resistente), ossia difficilmente attaccabili dalla alfa-amilasi.
Va comunque notato che i granuli posti in soluzione acquosa si idratano, con un conseguente aumento di volume di circa il 10%.
Al di sopra dei 55 °C la struttura parzialmente cristallina viene persa, i granuli assorbono ulteriore acqua, si gonfiano e si passa ad una struttura disorganizzata, ossia si verifica la gelatinizzazione con cui l’amido assume una struttura amorfa più facilmente attaccabile dalla α-amilasi.

Proteine legate all’amido

Nei granuli, l’amido si trova in associazione con proteine, molte delle quali sono idrofobiche, cioè con bassa affinità per l’acqua. L’associazione tra amido e proteine ha come effetto quello di ostacolare l’interazione nel lume intestinale tra l’alfa-amilasi, proteina polare, ed i polisaccaridi costituenti i granuli.
I processi fisici cui sono sottoposti i cereali prima di essere consumati, quali la macinatura e/o la cottura per diversi minuti, modificano la relazione tra amido e proteine ad esso legate, rendendo i polisaccaridi maggiormente accessibili all’azione della α-amilasi.

Fibra

L’azione della alfa-amilasi sull’amido può essere ostacolata anche dalla presenza di polisaccaridi non digeribili, le fibre: cellulosa, emicellulosa e pectina.

Conclusioni

La presenza di inibitori, di natura sia chimica che fisica, rallenta la digestione dell’amido, anche nel caso in cui la secrezione della alfa-amilasi pancreatica proceda senza problemi. Questo fa si che una quota variabile dall’1% al 10% possa sfuggire all’azione dell’enzima, vendo poi metabolizzata dai batteri del colon.
L’amido raffinato viene invece idrolizzato in modo efficiente anche in caso di insufficienza pancreatica esocrina, una condizione in cui la concentrazione della alfa-amilasi nel lume intestinale può essere ridotta al 10% del normale.

Bibliografia

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