Il tuo cibo acido preferito/odiato nasconde il segreto di come la vita ottiene energia

Gli alimenti non conservati correttamente possono facilmente deteriorarsi e causare diarrea se ingeriti.

Se non fai la doccia, sarai acido e puzzolente.

Cosa rende il cibo acido? Come producono l'acido i microrganismi? Perché gli esseri umani hanno un sapore aspro?

Scritto da Li Qingchao (Università Normale dello Shandong)

Se il cibo non viene conservato correttamente, può facilmente deteriorarsi e assumere uno sgradevole sapore aspro. Tuttavia, diventare acidi non è necessariamente una cosa negativa. Alle persone piace anche preparare cibi acidi, come yogurt, kimchi, aceto, ecc. La fermentazione artificiale può essere fatta risalire allo yogurt nel Nord Africa già nel 10.000 a.C.[1], e prove della vinificazione sono state trovate in Cina già nel 7.000 a.C.[2].

Cosa causa l'acidità del cibo? Uno degli esempi più famosi nella storia di deterioramento o fermentazione degli alimenti è l'acidità del vino. Il "Han Feizi" pre-Qin riporta che Yang Qian, uno studioso della dinastia Song, propose la teoria secondo cui "il cane è feroce e il vino è aspro". Dicevano che il cane fuori dall'enoteca era troppo feroce, quindi la gente aveva paura di comprare vino lì e il vino diventava acido perché non poteva essere venduto.

Il vino diventa acido se lasciato riposare troppo a lungo? In genere si ritiene che più a lungo si conserva il vino, più diventa morbido. Cosa sta succedendo veramente?

La fermentazione microbica produce acidi organici

Nel 1856, anche lo scienziato francese Louis Pasteur, su richiesta dei genitori di uno studente, studiò il problema dell'inacidimento del vino. Pasteur ipotizzò che il processo di fermentazione fosse causato da microrganismi vivi (teoria della fermentazione). Pasteur utilizzò un microscopio per scoprire che durante la normale fermentazione del vino erano presenti microrganismi rotondi (lieviti), mentre durante la fermentazione anomala erano presenti microrganismi più piccoli, a forma di bastoncino (batteri). Pertanto, la fermentazione anomala del vino che diventa acido è causata dalla contaminazione da parte di microrganismi "cattivi". Sulla base di queste teorie, Pasteur inventò la pastorizzazione (breve riscaldamento) per uccidere questi microrganismi, impedendo al vino di continuare a fermentare e di diventare acido, prolungandone così il periodo di conservazione.

Ora sappiamo che i metaboliti prodotti dai batteri e dai lieviti dopo la degradazione degli zuccheri sono diversi. La fermentazione tramite lievito produce alcol, mentre la fermentazione batterica può produrre sia alcol che acidi organici come l'acido lattico e l'acido acetico. Ciò è correlato ai percorsi metabolici dei microrganismi. In altre parole, la conservazione a lungo termine non è la causa per cui il vino diventa acido, e l'odore aspro del tuo corpo non è causato dal fatto di non aver fatto la doccia. Il vero colpevole è la fermentazione operata da specifici microrganismi.

Figura 1 Pasteur studiò il problema dell'inacidimento del vino. La fermentazione normale è causata dal lievito, mentre quella anomala è causata dai batteri.

Ora sappiamo che i microrganismi possono causare il deterioramento degli alimenti. Durante il processo di deterioramento degli alimenti, l'acidità è uno dei primi fenomeni che possono essere rilevati. Il suo meccanismo è basato sulla produzione di acidi organici durante il processo metabolico in cui i microrganismi scompongono gli zuccheri per rilasciare energia. Possiamo inibire la proliferazione dei microrganismi attraverso la conservazione a basse temperature, i conservanti, la salamoia, l'essiccazione, ecc., mentre il riscaldamento può uccidere i microrganismi per raggiungere lo scopo della conservazione degli alimenti.

Fig. 2 Acidi organici prodotti dal metabolismo microbico. La produzione di acido acetico o acido lattico da parte dei batteri è la causa principale dell'acidità del cibo, mentre la fonte dell'odore acido del sudore è principalmente l'acido propionico prodotto dai batteri. [3]

Ma se vogliamo arrivare in fondo alla questione, gli organismi non producono forse anidride carbonica e acqua quando decompongono gli zuccheri? Perché producono acidi organici?

Gli acidi organici sono prodotti intermedi dell'ossidazione biologica

Il processo mediante il quale gli organismi ossidano completamente il glucosio per produrre energia è simile alla reazione chimica della combustione del glucosio, quindi la decomposizione dello zucchero produrrà anidride carbonica e acqua.

Tuttavia la vita non è "un fuoco". La decomposizione e il metabolismo degli zuccheri non si limitano a bruciarli, ma producono energia e metaboliti intermedi. L'energia circola sotto forma di ATP (adenosina trifosfato) e può essere utilizzata per diverse attività vitali; mentre i metaboliti intermedi possono essere utilizzati per sintetizzare altre sostanze importanti, come gli amminoacidi, il ribosio, i grassi, ecc.

Figura 3 L’ATP è la “valuta” energetica universale degli esseri viventi.

A differenza delle violente reazioni redox come la combustione e l'esplosione, l'ossidazione biologica che si verifica negli organismi viventi è una reazione chimica graduale, controllabile e relativamente lenta, catalizzata da enzimi.

Figura 4 A differenza delle reazioni chimiche come la combustione, l'ossidazione biologica avviene passo dopo passo ed è controllabile.

In una reazione redox, l'agente riducente perde elettroni e l'agente ossidante li guadagna. Il processo di ossidazione graduale della materia organica può essere intuitivamente compreso come un processo di ossigenazione e deidrogenazione. Nell'ossidazione biologica, questi processi sono completamente sviluppati e semplificati: il processo di ossidazione della materia organica richiede molteplici fasi di ossigenazione, deidrogenazione e decarbossilazione, che devono essere trasferite e rimosse.

Dov'è l'acido? Il glucosio produce piruvato attraverso la glicolisi. Il piruvato viene convertito in acetil-CoA e poi entra nel ciclo dell'acido tricarbossilico (TCA o ciclo dell'acido citrico) per produrre numerosi acidi organici. I metaboliti intermedi del ciclo degli acidi tricarbossilici sono molto importanti per gli organismi. Tra questi, l'acido citrico è noto come il primo acidificante commestibile ed è ampiamente utilizzato nell'industria alimentare. È il più grande acido organico al mondo prodotto con metodi biochimici (fermentazione), con una produzione annua di milioni di tonnellate, ed è uno dei prodotti pilastro dell'industria della fermentazione [4].

Figura 5 Ciclo di Krebs.

Il trasferimento e la trasmissione di elettroni sono accompagnati dall'acquisizione e dalla perdita di elettroni (nella catena respiratoria o catena di trasporto degli elettroni). Il trasferimento di elettroni determina il trasporto di ioni idrogeno contro il gradiente di concentrazione, generando energia potenziale protonica (differenza di concentrazione) su entrambi i lati della membrana (inclusa la membrana mitocondriale interna degli eucarioti o la membrana citoplasmatica dei procarioti). Il riflusso di ioni idrogeno, spinto dall'energia potenziale del protone, determina la sintesi di ATP da parte dell'ATP sintasi. Questo processo di trasferimento di idrogeno ed elettroni attraverso la catena respiratoria e di accoppiamento della sintesi di ATP è chiamato fosforilazione ossidativa. Il percorso metabolico che coinvolge la fosforilazione ossidativa è chiamato respirazione (respirazione cellulare; si noti che non è "respirazione" nel senso di inspirazione ed espirazione).

Figura 6 Il processo di fosforilazione ossidativa è un processo in cui [H] e gli elettroni prodotti dalle reazioni redox rilasciano gradualmente energia e generano energia potenziale protonica durante il processo di trasferimento, spingendo così l'ATP sintasi a sintetizzare ATP.

Il ciclo TCA è un percorso metabolico molto diffuso, quindi perché non tutto il nostro cibo è acido? Il motivo è che gli intermedi nel ciclo TCA generalmente non si accumulano in grandi quantità.

Per raggiungere gli obiettivi di produzione, nell'industria della fermentazione è spesso necessario aumentare l'attività delle sintasi e ridurre l'attività degli enzimi di decomposizione per accumulare specifici acidi organici. Ad esempio, nella produzione di acido citrico viene utilizzato principalmente l'Aspergillus niger, che può aumentare di dieci volte l'attività della citrato sintasi, mentre viene ridotta l'attività di altri enzimi che degradano l'acido citrico (aconitasi, isocitrato deidrogenasi). Tuttavia, l'aumento del citrato era più probabilmente dovuto a un miglioramento della biosintesi piuttosto che all'inibizione della degradazione. Inoltre, la piruvato carbossilasi, che converte il piruvato in ossalacetato, è un enzima chiave nella produzione di citrato.

Come avviene l'accumulo di acido in condizioni di non produzione?

Gli acidi organici sono i prodotti finali della fermentazione

La vita non produce né distrugge gli elementi, essi sono semplicemente stazioni di transito per il metabolismo della materia; la vita non produce energia dal nulla, è semplicemente un convertitore, un immagazzinatore e un consumatore di energia. Allo stesso modo, l'[H] prodotto durante la decomposizione degli zuccheri non scomparirà nel nulla, ha bisogno di un posto dove andare. Durante la fosforilazione ossidativa, [H] può essere eventualmente ceduto all'ossigeno per produrre acqua, un processo chiamato respirazione aerobica. In assenza di ossigeno, [H] può anche essere trasferito a sostanze inorganiche ossidanti come nitrato e solfato, o ad acido fumarico esogeno. Questo tipo di respirazione è chiamata respirazione anaerobica.

Cosa dobbiamo fare se [H] non entra nella catena respiratoria e non può essere trasferito agli ossidi attraverso la catena respiratoria?

Impedendo all'acetil-CoA di entrare nel ciclo dell'acido tricarbossilico si produrrà più [H]. L'[H] prodotto durante la glicolisi (il glucosio viene scomposto in piruvato) che non ha dove andare verrà restituito ai metaboliti intermedi. L'ultimo percorso metabolico che restituisce [H] alla materia organica endogena è chiamato fermentazione (in senso stretto). In questo caso, la fermentazione significa che non c'è alcun processo di produzione di energia catabolica tramite fosforilazione ossidativa, ma esiste solo la fosforilazione a livello del substrato (un altro nuovo concetto, che si riferisce al trasferimento diretto di gruppi fosfato dai substrati all'ADP o al GDP per produrre ATP o GTP senza la necessità dell'ATP sintasi).

Nel processo di decomposizione dello zucchero per produrre piruvato, vengono prodotti [H] e ATP. Se [H] non entra nella catena respiratoria, troverà un modo per restituirlo al piruvato o ai metaboliti del piruvato.

Il piruvato accetta [H] e viene ridotto per produrre acido lattico.

Figura 7 Riduzione del piruvato a lattato.

In alcuni processi di decomposizione del glucosio, invece di produrre due acidi piruvici, il glucosio viene scisso in uno zucchero a quattro atomi di carbonio (che viene poi convertito in uno zucchero a cinque atomi di carbonio) e acetil fosfato (percorso HK), oppure viene decarbossilato per produrre uno zucchero a cinque atomi di carbonio e poi scisso in 3-fosfogliceraldeide (che viene poi convertito in acido piruvico) e acetil fosfato (percorso PK). Il piruvato può produrre acido lattico, mentre l'acetilfosfato può accettare [H] per produrre etanolo, oppure essere ossidato per produrre acido acetico.

Figura 8 Fermentazione eterolattica, che produce acido lattico e altri prodotti.

Se il piruvato viene decarbossilato ad acetaldeide e poi ridotto, diventa etanolo.

Figura 9 Fermentazione alcolica: il piruvato produce acetaldeide e poi accetta [H].

In condizioni di ricchezza di ossigeno, l'etanolo può continuare a subire un metabolismo ossidativo incompleto ed essere ossidato in acido acetico sotto l'azione dei batteri dell'acido acetico: l'etanolo viene prima ossidato in acetaldeide dall'alcol deidrogenasi, poi l'acetaldeide viene idratata per formare acetaldeide idrato e infine quest'ultima viene sottoposta all'azione dell'acetaldeide deidrogenasi per formare acido acetico. Inoltre, il piruvato può essere ridotto a propionato tramite il metabolismo del Propionibacterium.

Sembra che gli acidi organici siano un tipo di sostanza che viene facilmente prodotta durante la fermentazione microbica. Perché gli esseri umani hanno bisogno di percepire l'esistenza di questa sostanza?

Il significato evolutivo del sapore aspro

Il gusto può apportare vantaggi alla sopravvivenza nell'evoluzione. Le specie possono ottenere vantaggi per la sopravvivenza ricercando i gusti piacevoli ed evitando quelli sgradevoli. Ad esempio, il tanto amato sapore dolce rappresenta zucchero ed energia, mentre lo sgradevole sapore amaro spesso indica tossicità. Si parla relativamente poco del sapore aspro. Questo perché il gradimento o l'avversione per il sapore aspro non è assoluto. Dipende dal grado di acidità e dalla combinazione con altri sapori.

Il sapore aspro è causato dagli acidi organici (tra cui l'acido lattico, l'acido citrico, l'acido malico e l'acido acetico) e dagli acidi inorganici (come l'acido cloridrico, l'acido nitrico e l'acido solforico). Nei vertebrati, il senso del sapore aspro è evolutivamente piuttosto conservato e studi hanno dimostrato che quasi tutti i vertebrati, compresi i pesci primitivi come le lamprede, hanno il senso del sapore aspro. Al contrario, alcuni uccelli hanno perso il senso del dolce e i cetacei non riescono a percepire il gusto amaro.

Per i pesci, il sapore aspro può ricordare loro di prestare attenzione all'acidità e all'alcalinità dell'acqua. Per altri animali, l'informazione rappresentata dal sapore aspro è relativamente complessa. I frutti acidi spesso rappresentano immaturità, ma sono anche ricchi di vitamina C. L'acidità è molto meno efficace dell'astringenza e dell'amarezza nel dissuadere gli animali dal mangiare frutti acerbi.

Un altro significato di acido è fermentazione. La fermentazione degli alimenti ha effetti in due direzioni, a seconda del tipo di alimento e del ceppo di batteri che provoca la fermentazione. Un prodotto di fermentazione acido mescolato a un odore sgradevole e ammuffito indica generalmente prodotti metabolici tossici. D'altro canto, la civiltà umana ha anche padroneggiato le tecniche di fermentazione artificiale e di produzione di prelibatezze acide. Il motivo per cui le persone preferiscono prodotti fermentati acidi più puri è che la frutta e la verdura fermentate principalmente con lievito e batteri dell'acido lattico spesso rendono il cibo migliore: la fermentazione produce più aminoacidi liberi e vitamine e scompone anche le fibre e alcune tossine vegetali. Contemporaneamente vengono prodotti acidi organici, il valore del pH diminuisce e la crescita di batteri nocivi viene inibita. Inoltre, la presenza di alcol rende la frutta fermentata più appetitosa. Anche gli animali della giungla conoscono questi segreti.

Figura 10 Animale neozelandese dell'anno 2018: un colombaccio neozelandese ubriaco appeso a testa in giù su un albero.

Fa caldo, quindi fate attenzione alla vostra dieta.

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