LA BIOCHIMICA DEGLI ALIMENTI 1- Cambiamenti biochimici nei carboidrati alimentari - cambiamenti dei carboidrati durante la germinazione dei semi; - metabolismo dei carboidrati complessi; - metabolismo del lattosio ed acidi organici nella produzione di formaggio; - la rimozione di glucosio nella produzione di uova in polvere; - La produzione di sciroppi e di zuccheri dall’amido. 2- Cambiamenti biochimici di proteine e di amminoacidi negli alimenti - Proteolisi nei tessuti animali; - Attività transglutaminasica nella lavorazione del pesce; - Proteolisi nella fermentazione del latte; - Proteolisi nella germinazione dei semi; - Proteasi per la riduzione del Chill-Haze nella produzione della birra 3- Cambiamenti biochimici di lipidi negli alimenti - Cambiamenti dei lipidi nei sistemi alimentari - Cambiamenti dei lipidi nella fermentazione del formaggio, - Degradazione dei lipidi nella germinazione dei semi; 4- Maturazione dei frutti 1
DEGRADAZIONE DELL’AMIDO DURANTE LA GERMINAZIONE DI CHICCHI DI GRANO Enzyme Reaction α-amylase (EC 3.2.1.1) Starch —> glucose + maltose + maltotriose + α -limited dextrins + linear maltosaccharides Hexokinase (EC 2.7.1.1) D-hexose (glucose) + ATP --> D-hexose (glucose)-6-phosphate + ADP α -glucosidase Hydrolysis of terminal, nonreducing 1,4-linked α -D-glucose (maltase, EC 3.2.1.20) residues with release of α -D-glucose oligo-1,6 glucosidase α -limited dextrin —> linear maltosaccharides (limited dextrinase, isomaltase, sucrase isomerase, EC 3.2.1.10) β-amylase (EC 3.2.1.2) Linear maltosaccharides —> β-Maltose Phosphorylase (EC 2.4.1.1) Linear maltosaccharides + phosphate —> α -D-glucose-1-phosphate (glicogeno fosforilasi) Phosphoglucomutase α -D-glucose-1-phosphate —> α -D-glucose-6-phosphate (EC 5.4.2.2) Glucosephosphate isomerase D-glucose-6-phosphate —> D-fructose-6- phosphate (EC 5.3.1.9) (endoamilasi)
DEGRADAZIONE DELL’ AMIDO DURANTE LA GERMINAZIONE DI CHICCHI DI GRANO segue DEGRADAZIONE DELL’ AMIDO DURANTE LA GERMINAZIONE DI CHICCHI DI GRANO Enzyme Reaction UTP-glucose 1-phosphate uridyl UTP + -D-glucose- 1 -phosphate —> UDP-glucose transferase (UDP- glucose pyrophosphorylase; + pyrophosphate glucose 1 -phosphate uridyltransferase, EC 2.7.7.9) Sucrose phosphate synthetase UDP-glucose + D-fructose-6-phosphate —> sucrose (EC 2.4.1.14) phosphate + UDP Sugar phosphatase (EC 3.1.3.23) Sugar phosphate (fructose-6-phosphate) —> sugar (fructose) + inorganic phosphate Sucrose phosphatase (EC 3.1.3.24) Sucrose-6-phosphate —> sucrose + inorganic phosphate Sucrose synthetase (EC 2.4.1.13) NDP-glucose + D-fructose —> sucrose + NDP (nucleoside difosfato) -fructose-furanosidase (invertase, Sucrose --> glucose + fructose succharase, EC 3.2.1.26)
DEGRADATION OF COMPLEX CARBOHYDRATES Enzyme Reaction Cellulose degradation during seed germination Cellulase (EC 3.2.1.4) Endohydrolysis of 1,4-β-glucosidic linkages in cellulose and cereal β-D-glucans Glucan 1,4-β-glucosidase Hydrolysis of 1,4 linkages in 1,4 β -D- glucan so as (Exo-1,4-β-glucosidase, to remove successive glucose units EC 3.2.1.74) Cellulose 1,4-β-cellubiosidase Hydrolysis of 1,4-β-D-glucosidic linkages in cellulose (EC3.2.I.91) and cellotetraose releasing cellubiose from the non-reducing ends of the chains β-galactosan degradation β-galactosidase (EC 3.21.1.23) β-(1-4)-linked galactan —> D-galactose 4
DEGRADATION OF COMPLEX CARBOHYDRATES Segue DEGRADATION OF COMPLEX CARBOHYDRATES Enzyme Reaction β–glucan degradation Glucan endo-1,6 β -glucosidase Random hydrolysis of 1,6 linkages in 1,6- β-D-glucans (EC 3.2.1.75) Glucan endo-1,4- β -glucosidase Hydrolysis of 1,4 linkages in 1,4-P-D-glucans so as to (EC 3.2.1.74) remove successive glucose units Glucan endo-1,3 β -D-glucanase Successive hydrolysis of β -D-glucose units from (EC 3.2.1.58) the nonreducing ends of 1,3-β -D-glucans, releasing β- glucose Glucan 1,3-β –glucosidase 1-3- β -D-glucans -> α-D-glucose (EC 3.2.1.39)
DEGRADATION OF COMPLEX CARBOHYDRATES SEGUE DEGRADATION OF COMPLEX CARBOHYDRATES Enzyme Reaction Pectin degradation Polygalacturonase Random hydrolysis of 1,4-α-D-galactosiduronic linkages (EC 3.2.1.15) in pectate and other galacturonans Galacturan 1,4- α galacturonidase (1,4- α -D-galacturoniside)n + H2O —> (1,4-a-D‑ [Exopolygalacturonase, poly galacturoniside)n-1 + D-galacturonate (galacturonate) hydrolase, EC 3.2.1.67) Pectate lyase Eliminative cleavage of pectate to give oligosaccharides (pectate transeliminase, with 4-deoxy- α -D-galact-4-enuronosyl groups EC 4.2.2.2) at their nonreducing ends Pectin lyase (EC 4.2.2.10) Eliminative cleavage of pectin to give oligosaccharides with terminal 4-deoxy-6-methyl--D-galact-4- enduronosyI groups.
CAMBIAMENTI NEI CARBOIDRATI NELLA PREPARAZIONE DEL FORMAGGIO Azione, Enzyme o Sistema enzimatico Reaction Formation of lactic acid Lactase (EC 3.2.1.108) Lactose + H2O --> D-glucose + D-galactose Tagatose pathway Galactose-6-P —> lactic acid Embden-Meyerhoff pathway Glucose —> pyruvate —> lactic acid Formation of pyruvate from citric acid Citrate (pro-3S) lyase (EC 4. 1.3.6) Citrate ---> oxaloacetate Oxaloacetate decarboxylase Oxaloacetate —> pyruvate + CO2 (EC 4.1.1.3) Formation of propionic and acetic acids Propionate pathway 3 lactate —> 2 propionate + 1 acetate + CO2 + H20 3 alanine —> propionic acid + 1 acetate + CO2 + 3 ammonia Formation of succinic acid Mixed acid pathway Propionic acid + CO2 --> succinic acid 25/03/2017 7
CAMBIAMENTI NEI CARBOIDRATI NELLA PREPARAZIONE DEL FORMAGGIO segue CAMBIAMENTI NEI CARBOIDRATI NELLA PREPARAZIONE DEL FORMAGGIO Azione, Enzima o Sistema enzimatico Reaction Formation of butiric acid Butyric acid pathway 2 lactate —> 1 butyrate + CO2 + 2H2 Formation of ethanol Phosphoketolase pathway Glucose —> acetylaldehyde —> ethanol Pyruvate decarboxylase (EC 4.1.1.1) Pyruvate —> acetylaldehyde + CO2 Alcohol dehydrogenase (EC 1.1.1.1) Acetylaldehyde + NADH + H+ —> ethanol + NAD+ Formation of formic acid Pyruvate-formate lyase (EC 2.3.1.54) Pyruvate + CoA —> formic acid + acetyl CoA Formation of diacetvl, acetoine, 2-3 butylene glycol Citrate fermentation pathway Citrate —> pyruvate —> acetyl CoA —> diacetyl —> acetoine —> 2-3 butylene glycol Formation of acetic acid Acetyl-CoA hydrolase (EC 3.1.2.1) Acetyl CoA + H2O —> acetic acid + CoA
LOCALIZZAZIONE E FUNZIONI PRINCIPALI DI PROTEINE MIOFIBRILLARI ASSOCIATE CON L’APPARATO CONTRATTILE E LA STRUTTURA DEL CITOSCHELETRO Localizzazione Proteina Funzione principale Contractile apparatus A-band Myosin Muscle contraction c-protein Binds myosin filaments F-, H-, I-proteins Binds myosin filaments M-line M-protein Binds myosin filaments Myomesin Binds myosin filaments Creatine kinase ATP synthesis I-band Actin Muscle contraction Tropomyosin Regulates muscle contraction Troponins T, I, C Regulates muscle contraction -, y-actinins Regulates actin filaments
LOCALIZZAZIONE E FUNZIONI PRINCIPALI DI PROTEINE MIOFIBRILLARI ASSOCIATE CON L’APPARATO CONTRATTILE E LA STRUTTURA DEL CITOSCHELETRO Localizzazione Proteina Funzione principale Cytoskeletal framework GAP filaments Connectin (titin) Links myosin filaments to Z-line N2-Line Nebulin Unknown By sarcolemma Vinculin Links myofibrils to sarcolemma Z-line -actinin Links actin filaments to Z-line Eu-actinin, filamin Links actin filaments to Z-line Desmin, vimmentin Peripheral structure to Z-line Synemin, Z-protein, Z-nin Lattice structure of Z-line
residues in PI and P'1 positions PROTEASES IN ANIMAL TISSUES AND THEIR DEGRADATION Enzyme Reaction Acid/aspartyl proteases Pepsin A (Pepsin, EC 3.4.23.1) Preferential cleavage, hydrophobic, preferably aromatic, residues in PI and P'1 positions Gastricsin (pepsin C, EC 3.4.23.3) More restricted specificity than pepsin A; high preferential cleavage at Tyr bond Cathepsin D (EC 3.4.23.5) Specificity similar to, but narrower than that of pepsin A Serine proteases Trypsin (α- and β-trypsin, EC 3.4.21.4) Preferential cleavage: Arg-, Lys Chymotrypsin (Chymotrypsin A and B, Preferential cleavage: Tyr-, Trp-, Phe-, Leu‑ EC 3.4.21.1) Chymotrysin C (EC 3.4.21.2) Preferential cleavage:Leu-, Tyr-, Phe-, Met-, Trp-, Gln-, Asn Pancreatic elastase (pancreato‑ Hydrolysis of proteins, including elastin. Preferential peptidase E, pancreatic elastase I, cleavage: Ala+ EC 3.4.21.36) Per rendere la carne più tenera
Segue acid/aspartyl proteases PROTEASES IN ANIMAL TISSUES AND THEIR DEGRADATION Enzyme Reaction Plasmin (fibrinase, fibrinolysin, Preferential cleavage: Lys- > Arg-; higher selectivity EC 3.4.21.7) than trypsin Enteropeptidase (enterokinase, Activation of trypsinogen by selective cleavage EC 3.4.21.9) of Lys-Ile bond Collagenase General term for hydrolysis of collagen into smaller molecules Thio/cysteine proteases Cathepsin B (cathepsin B l, Hydrolysis of proteins, with broad specificity EC 3.4.22.1) for peptide bonds, preferentially cleaves Arg-Arg- bonds in small molecule substrates Papain* (EC 3.4.22.2) Hydrolysis of proteins, with broad specificity for peptide bonds, but preference for an amino acid bearing a large hydrophobic side chain at the P2 position. Does not accept Val in PI' Elastasi e collagenasi -> demolizione del tessuto connettivo 25/03/2017 12
PROTEASES IN ANIMAL TISSUES AND THEIR DEGRADATION Enzyme Reaction Fiacin* (ficin, EC 3.4.23.3) Similar to that of papain Bromelain* (3.4.22.4) Broad specificity similar to that of pepsin A gamma-glutamyl hydrolase Hydrolyzes gamma-glutamyl bonds (EC 3.4.22.12 changed to 3.4.1.99) Cathepsin H (EC 3.4.22.16) Hydrolysis of proteins; acts also as an aminopeptidase (notably, cleaving Arg bond) as well as an endopeptidase Calpain-1 (EC 3.4.22.17 Limited cleavage of troponin I, tropomyosin, and C-protein changed to 3.4.22.50 from myofibrils and various cytoskeletal proteins from other tissues. Activates phosphorylase, kinase, and cyclicnucleotide-dependent protein kinase Metalloproteases Procollagen N-proteinase Cleaves N-propeptide of procollagen chain α1(I) at Pro + (EC 3.4.24.14) Gln and α2(I) at Ala+Gln
CAMBIAMENTI PROTEOLITICI NELLA PRODUZIONE DI FORMAGGIO Action and Enzymes Reaction Coagulation Chymosin (rennin, K-Casein ->Para-K-casein + glycopeptide, similar to pepsin A EC 3.4.23.4) Proteolysis Proteases Proteins —> high molecular weight peptides + amino acids Amino peptidases, Low molecular weight peptides —> amino acids dipeptidases, tripeptidases Proteases, endopeptidases, High molecular weight peptides —> low molecular weight aminopeptidases peptides
CAMBIAMENTI PROTEOLITICI NELLA PRODUZIONE DI FORMAGGIO segue CAMBIAMENTI PROTEOLITICI NELLA PRODUZIONE DI FORMAGGIO Action and Enzymes Reaction Decomposition of amino acids Aspartate transaminase (EC 2.6.1.1) L-Asparate + 2-chetoglutarate —> oxaloacetate + L-glutamate Methionine y-lyase (EC 4.4.1.11) L-methionine —> methanethiol + NH3 + 2-oxobutanolate Tryptophanase (EC 4.1.99.1) L-tryptophan + H2O —> indole + pyruvate + NH3 Decarboxylases Lysine —> cadaverine Arginine —> putrescine Histidine —> histamine Glutamate —> aminobutyric acid Tyrosine —> tyramine Tryptophan —> tryptamine Deaminases Alanine —> pyruvate Tryptophan —> indole Glutamate —> a-ketoglutarate Serine —> pyruvate Threonine —> a-ketobutyrate
DEGRADAZIONE DI PROTEINE NEI SEMI IN GERMINAZIONE Enzyme Reaction Aminopeptidase (EC 3.4.11.11 deleted in 1992, Neutral or aromatic aminoacyl-peptide + H2O --> referred to corresponding aminopeptidase) neutral or aromatic amino acids + peptide Carboxypeptidase A (EC 3.4.17.1) Release of a C-terminal amino acid, but little or no action with -Asp, -Glu, -Arg, -Lys, or -Pro
La torbidità della birra Chill-Haze Esistono due tipi di torbidità che possono caratterizzare la birra fatta in casa. La torbidità propria della birra e quella dovuta al lievito responsabile della rifermentazione in bottiglia. La prima dipende da un imperfetta procedura, mentre la seconda e' in una certa misura, inevitabile. Il primo tipo di torbidita' può essere dovuto a diversi motivi. I più comuni sono infezioni e proteine. Nel caso di infezioni, che si possono evitare con una buona pulizia e "sanitazione" degli strumenti, potremo avere una birra perennemente torbida. Nel caso delle proteine (e dei polifenoli), avremo il cosiddetto "chill haze", cioè una birra che a temperatura ambiente risulta limpida, diventa torbida una volta raffreddata. Questo avviene perché le proteine che a temperatura ambiente sono disciolte nella birra, col raffreddamento coagulano. Le proteine, che sono presenti nell'orzo, cominciano a scomporsi già durante la maltazione. Nei malti meno modificati, questa scomposizione sarà minore, mentre in quelli più modificati, sarà maggiore. I malti moderni, soprattutto quelli di alta qualità disponibili per l'homebrewing, sono molto modificati. Quelli inglesi, poi, lo sono tradizionalmente in misura ancora maggiore. 25/03/2017 17 17
CAMBIAMENTI BIOCHIMICI DE LIPIDI NEGLI ALIMENTI
CAMBIAMENTI DEI LIPIDI NELLA PREPARAZIONE DEL FORMAGGIO Enzima o azione Reazione Lipolysis Lipases, esterases Triglycerides —>11-keto acids, acetoacetate, fatty acids Acetoacetate decarboxylase Acetoacetate + H+ —> acetone + CO2 (EC 4.1.1.4) Acetoacetate-CoA ligase Acetoacetate + ATP + CoA —> acetyl CoA (EC 6.2.1.16) + AMP + diphosphate Esterases Fatty acids —> esters Conversion of fatty acids p-oxidation and 3-Keto acids --> methyl ketones decarboxylation 25/03/2017 19
DEGRADAZIONE DEI LIPIDI NELLA GERMINAZIONE DEI SEMI Enzima o sistema enzimatico Reazione Lipase (oil body) Triacylglycerol —> diacylglycerol + fatty acid Triacylglycerol —> monoacylglycerol + fatty acids Diacylglycerol —> monoacylglycerol + fatty acid Fatty acid + CoA —> acyl CoA P-oxidation (glyoxysome) Acyl CoA —> acetyl CoA Glyoxylate cycle (glyoxysome) Acetyl CoA + succinate Mitochondrion Succinate --> phosphoenol pyruvate Reverse glycolysis (Cytosol) Phosphoenol pyruvate —> hexoses --> sucrose 25/03/2017 20
21 carne in putrefazione e ne reca il caratteristico odore fetido Cadaverina Putresceina La triptamina funge da intermediario al metabolismo dell'ormone vegetale Acido indol-3-acetico. Istamina Triptammina Svolge nell’uomno ruolo di neuromodulatore e neurotrasmettitore. Tiramina ha pertanto attività ipertensiva 21
Indolo acido γ-amminobutirrico (GABA) γ-amminoacido, principale neurotrasmettitore inibitorio nei mammiferi, del sistema nervoso centrale. Responsabile nella regolazione dell'eccitabilità neuronale in tutto il sistema nervoso. Negli esseri umani GABA è anche direttamente responsabile per la regolazione del tono muscolare. Indolo
Serina ____________ amminoacrilato -> piruvato deidratasi 23
Carboidrati complessi AMIDO -GLUCANI CELLULOSA PECTINE INULINA I β -glucani (dal lievito di birra-zimosan. Beta glucosio con legami 1-3 e 1-6) sono i maggiori componenti della frazione solubile della fibra alimentare e come tali esercitano, nel nostro organismo, una serie di effetti benefici correlati alla fibra alimentare, quali: rallentamento dello svuotamento gastrico, incremento della peristalsi intestinale. Inoltre, numerose evidenze sperimentali, negli ultimi anni, hanno evidenziato il ruolo dei β-glucani dell’orzo e dell’avena nel contenimento del livello di colesterolo e di glucosio ematico nell’uomo e in animali da laboratorio . β-glucani 3/6 g/die
Cellulosa 25/03/2017 26
Attualmente si conoscono tre tipi di emicellulose o glucani concatenati: Xilani (xilosio; tegumento dei chicchi dei cereali, crusca; Galattani-o galattosani/arabinolattani Mannani/glucomannani EMICELLULOSE In contrapposizione alla cellulosa, la cui molecola lineare è formata da unità di solo glucosio, le emicellulose sono invece costituite da zuccheri differenti, Inoltre hanno una struttura ramificata e non fibrosa. 25/03/2017 27
XILANI sono catene polisaccaridiche composte da uno scheletro di β-1,4-xilosio.
Propectina. Forma colloidi nella parete Conferisce durezza. PECTINE Formate da unità di acido galatturonico Propectina. Forma colloidi nella parete Conferisce durezza. Alla maturazione viene metabolizzata in molecole più piccole e quindi i frutti diventano più soffici. Questi cambiamenti sono importanti Nella maturazione di pomodori, meli, caki. Innovazioni tecnologiche: pomodori geneticamente modificati e mele fuji con una più lunga shelf life. Nella matuterazione anche importante l’idrolisi dell’amido. Proprietà gelificante in presenza di zuccheri (naturale in mela, pere, limone.); Integratore commerciale: E440 Pectine fluide per aggiunte di metili ai gruppi carbossilici (metilesterasi); Possono contenere ramnosio (metile in posizione 6) 25/03/2017 29
sono legate fra loro con legame 1→4; irregolarmente e con frequenza La catena principale degli xilani è costituita da D-β-xilopiranosio le cui unità sono legate fra loro con legame 1→4; irregolarmente e con frequenza variabile a seconda della specie vegetale e/o della parte della pianta interessata, su questa catena possono innestarsi ramificazioni, costituite ancora da xilosio, oppure da (in ordine di frequenza decrescente): arabinosio (in forma L-arabinofuranosidica), acido 4-O-metil-glucuronico, mannosio, galattosio, rahmnosio. L'abbondanza delle ramificazioni costituite da arbinosio, nel più dei casi singole unità legate in posizione 2 e/o 3 sullo xilosio, giustifica l'identificazione di una ottoclasse di emicellulose anch'essa molto frequente in natura, gli arbino-xilani. INULINA (prebiotico-FOS ) L'inulina è un polimero glucidico con peso molecolare minore dell'amido, solubile in acqua e totalmente accumulato nei vacuoli . Si ottiene dalla polimerizzazione del β-D-fruttosio. Per azione dell'enzima inulasi l'idrolisi risultante produce fruttosio (zucchero consigliato per i diabetici). 25/03/2017 30
OSSIDAZIONE ENZIMATICA DEI LIPIDI IN SISTEMI ALIMENTARI Enzima Reazione Arachidonate-5-lipoxygenase (5-lipoxygenase, Arachidonate + 02 —> (6E, 8Z, I IZ, 14Z)-(5S)- EC 1.13.11.34) 5-hydroperoxyicosa-6-8-1 I ,14-tetraenoate Arachidonate-8-lipoxygenase (8-lipoxygenase, Arachidonate + 02 —> (5Z, 9E, I IZ, I4Z)-(8R)- EC 1.13.11.40) 8-hydroperoxyicosa-5,9,11,14-tetraenoate Arachidonate 12-lipoxygenase (12-lipoxygenase. Arachidonate + 02 —> (5Z, 8Z, 10E, 14Z)-(12S)- EC 1.13.11.31) 12-hydroperoxyicosa-5,8,10,14-tetraenoate Arachidonate I 5-lipoxygenase (15-lipoxygenase, Arachidonate + O2 --> (5Z, 8Z, i IZ, 13E)-(15S)- EC 1.13.11.33) 15-hydroperoxyicosa-5,8,11,13-tetraenoate Lipoxygenase (EC 1.13.11.12) Linoleate + 02 --> (9Z, I IE)-(13S)-13- hydroperoxyoctadeca-9, 11-dienoate
PRODUZIONE SECONDARIA DI AMMINE IN PRODOTTI ITTICI Enzima reazione Histidine decarboxyalse (EC 4.1.1.22) L-Histidine —> histamine + CO2 Lysine decarboxylase (EC 4.1.1.18) L-Lysine —> cadaverine + CO2 Ornithine decarboxylase (EC 4.1.1.17) L-Ornithine --> putrescine + CO2
ALCUN I ENZIMI COMMERCIALI PRODOTTI BIOTECNOLOGICAMENTE Enzima Applicazione Acetolactate decarboxylase (EC 4.1.1.5) Beer aging and diacetyl reduction a-amylase (EC 3.2.1.1) High fructose corn syrup (HFCS) production Amylo-1,6-glucosidase (EC 3.2.1.33) High fructose corn syrup (HFCS) production Chymosin (EC 3.4.23.4) Milk clotting in cheese manufacturing Lactase (EC 3.2.1.108) Lactose hydrolysis Glucan 1,4-a-maltohydrolase Anti-staling in bread (evita che il pane diventi (maltogenic a-amylase, EC 3.2.1.133) stantio)
Tagatosio Si trova in piccole quantità nei latticini e può essere prodotto dal lattosio; l'idrolisi di quest'ultimo dà glucosio e galattosio, il galattosio per trattamento con basi forti - nello specifico, con idrossido di calcio - isomerizza a tagatosio. Trova uso come agente dolcificante alternativo al saccarosio.
Rimozione di glucosio nella produzione di uova in polvere intervento di glucosio ossidasi e catalasi Glucosio +O2 6-gluconolattone + H2O2 glucosio ossidasi catalasi H2O