ACQUA

1. ACQUA • Fa parte della classe di nutrienti essenziali che non apportano energia • Componente degli alimenti • Alimento di per se

2. Quantità media di acqua negli alimenti

3. Funzioni negli alimenti • Solvente universale • Sostanze inorganiche (sali, acidi e basi): • Sali: ioni solvatati per dissociazione elettrolitica • Acidi e Basi: si ionizzano, aumentando, rispettivamente [H+] ed [OH-] • Sostanze organiche: composti polari contenenti un solo gruppo polare • –OH, -COOH, -NH2 (alcoli, vitamine, zuccheri, gas, pigmenti) • Molecola ionizzabile (H3O+, OH-) • Influenza aspetto/consistenza degli alimenti • Nelle reazioni chimiche/enzimatiche: • Fase solvente (ambiente di reazione) • Reagente (es. reazioni di idrolisi): • Proteine + H2O → n aminoacidi • Trigliceridi + H2O → glicerolo + acidi grassi • Polisaccaridi (amido) + H2O → monosaccaridi (glucosio) • Stabilizza i sistemi colloidali mediante l’idratazione • Indispensabile per la crescita dei micro-organismi

4. Proprietà colligative dell’acqua • Sono correlate alla concentrazione del soluto disciolto ma indipendenti dalla sua natura • Tra queste: • Tensione di vapore  la presenza di molecole di soluto sulla superficie della soluzione riduce l’evaporazione • Punto di ebollizione  innalzamento del punto ebullioscopico; • Punto di congelamento  abbassamento crioscopico • QUESTE COSTANTI SONO IMPORTANTI PER VALUTARE LA QUALITA’ DI MOLTI PRODOTTI ALIMENTARI

5. PROPRIETÀ CHIMICO-FISICHE • Unico composto inorganico presente in natura allo stato solido, liquido e gassoso • Molecola binaria • Ibridizzazione O = sp3 (O è al centro di un tetraedro) • Lunghezza del legame O-H = 0.96Å • Struttura non lineare, angolo di legame = 104.5° in fase vapore • Legame O-H di tipo covalente (σ) con parziale carattere ionico (40%) • Elettronegatività O = 3.5, Elettronegatività H = 2.1 • Dipolo elettrico con O δ- e H δ+ • Forze di attrazione elettrostatica intermolecolari molto forti = Legami Idrogeno (lunghezza legame H---O = 1.86 Å) • Forte influenza su densità, tensione superficiale, punto di fusione, punto di ebollizione • Costante dielettrica (D) = 80x quella del vuoto

6. Legame idrogeno • Si forma per effetto dell’affinità che possiede un atomo elettropositivo come l’idrogeno (H) verso atomi molto elettronegativi come l’ossigeno (O). L’energia di legame è circa il 10% del legame covalente • È il legame intermolecolare più forte : 10 Kcal/mol

7. PROPRIETA’ CHIMICO-FISICHE • Stato solido: le molecole d’acqua unite da numerosi legami idrogeno formano una struttura a tetraedri regolari,separati da tunnel esagonali vuoti  ghiaccio come polimero di struttura cristallina. • Stato gassoso: vapore considerabile come monomero. • Stato liquido: due fasi • fase continua: singole molecole disordinate • fase discontinua: aggregati molecolari uniti da legami H, struttura ben definita simil-ghiaccio ma distanze intermolecolari minori Equilibrio dinamico tra f. continua e f. discontinua. • Polarità e legame idrogeno determinano le peculiari proprietà chimico - fisiche dell’H2O

8. Compounds MW MP(C) BP(C) CH4 16 -184 -164 34 -16 H2S -86 18 100 (-80) H2O 0 (- 90) GLI EFFETTI DEL LEGAME IDROGENO DELL’ACQUA

9. Alcune Costanti Fisiche • Punto di fusione (1 Atm) 0.0 °C • Punto di ebollizione (1 Atm) 100.0 °C • natura dipolare dell’acqua spiega le sue ottime proprietà solventi verso composti organici ed inorganici • Calore specifico a 15°C 1.0 cal/g • È il più alto delle sostanze conosciute • Acqua come importante sistema di regolazione della temperatura. • Calore di fusione a 0°C 79.8 cal/g • Calore di vaporizzazione a 100°C 539.2 cal/g • Calore di sublimazione a 0°C 675.6 cal/g • Liofilizzazione • Volume specifico (vapore) 1674.0 ml/g • Volume specifico (liquido) 1.0 ml/g • Volume specifico (solido) 1.1 ml/g • Costante di dissociazione (Kw) 10-14

10. Diagrammi di fase

11. Diagramma di fase dell’acqua

12. PERCHÉ L’ACQUA È UN BUON SOLVENTE? • Tensione superficiale elevata: azione fisica di dispersione delle molecole di soluto dovuta alla elevata attività delle molecole di acqua sulla superficie del soluto • Costante dielettricaelevata: 80X quella del vuoto. Diminuisce l’efficacia delle forze attrattive di natura elettrostatica che tendono a tenere unite tra loro molecole/ioni di soluto • Legame a idrogeno: permette l’idratazione dei soluti polari

13. “Forme” di acqua negli alimenti • ACQUA LIBERA (o MOBILE), fino al 96% • Contenuta negli spazi intergranulari e all’interno dei macrocapillari (acqua intrappolata) • Trattenuta solo da forze fisiche • Conserva le tipiche caratteristiche chimiche dell’acqua • Solvente per sistemi cristallini e per molecole polari • Disperdente per i sistemi colloidali • Emulsionante per le sostanze grasse

14. “Forme” di acqua negli alimenti • ACQUA LEGATA (o INCONGELABILE), fino al 4-5% • ACQUA DI CRISTALLIZZAZIONE (es. FeSO4 . 7H2O, stato solido): • residuo di acqua nei cristalli di un sale dopo evaporazione della soluzione • ACQUA VICINALE o DELLO STRATO MONOMOLECOLARE (0.5±0.4%) • Acqua di idratazione o solvatazione:se i soluti sono ioni. Legata con interazioni di natura elettrostatica • NaCl, 8 molecole di acqua nella prima sfera di idratazione • Fe3+, Cr3+, Ni2+ in acqua (complessi ottaedrici; ibridazione sp3d2) • Acqua dello strato monomolecolare (monostrato):se i soluti sono molecole polari (es. glucosio; amidi; pectine; proteine; ecc…). L’elevata energia di adsorbimento (1-15 kcal/mol) rende difficile l suo allontanamento dagli alimenti. • ACQUA IMMOBILIZZATA (multistrato), 3±2 E’ quella che risente ancora del campo elettrostatico dei soluti e si sistema in molteplici strati successivi al monomolecolare.

15. ACQUA LEGATAAcqua di cristallizzazioneFeSO4 .7H2O

16. ACQUA LEGATAAcqua vicinaleAcqua di idratazione, es. Na+Cl- e Fe3+ • Forze elettrostatiche tra H2O e ioni di soluto

17. ACQUA LEGATAAcqua vicinaleAcqua monostrato, es. β-D-Glucosio • Legami idrogeno tra H2O e molecole con gruppi polari • 3.7 molecole di H2O x 1 di zucchero

18. Attività dell’acqua (aw) • Fornisce una stima quantitativa della frazione di acqua libera contenuta in un alimento • L’acqua libera: • è prontamente utilizzata dai micro-organismi per la loro riproduzione; • consente l’interazione per contatto dei reagenti nelle reazioni chimiche o enzimatiche, desiderabili o indesiderabili • imbrunimento termico o reazione di Maillard • imbrunimento enzimatico • È uno dei fattori più critici nel determinare qualità e sicurezza di alimenti, farmaci, cosmetici: • Stabilità chimica e biologica (shelf life, safety) • Aspetto, consistenza, sapore, odore

19. Attività dell’acqua (aw) Definizione • È il rapporto tra la pressione di vapore presente al di sopra dell’alimento (pa), ad una certa temperatura, e la pressione di vapore dell’acqua pura (p0) alla stessa temperatura: • aw = pa / p0 • aw è una costante caratteristica di ogni alimento (a t = cost.) • L’equazione è equivalente a quella che esprime la legge di Raoult per le soluzioni contenenti soluti non volatili: • xw = p soluzione/ p0 solvente • Poiché xw( frazione molare) è sempre < 1, p è sempre inferiore a p0 • Analogamente il valore di attività dell’acqua negli alimenti è sempre inferiore a 1 (0 < aw <1) • In una camera ermetica l’acqua libera contenuta in un alimento, evaporando spontaneamente, tende a saturare l’ambiente fino all’equilibrio:

20. Velocità relative di deterioramento degli alimenti come funzione di aw

21. Valori approssimati di awper alcuni alimenti

22. pH • Il pH esprime la concentrazione di ioni idrogeno in una soluzione (acidità) • pH = - Log10 [H3O+] • La cinetica delle reazioni chimiche ed enzimatiche dipende anche dal pH dell’ambiente • La maggior parte dei batteri si sviluppa in ambienti il cui pH è compreso tra 4,5 e 9. • La maggior parte dei batteri non si riproduce se l’ambiente è fortemente acido.

23. Deteriorabilità degli alimentiin funzione di awepH

24. “L’ALIMENTO” ACQUA • “Access to safe water is a fundamental human need and, therefore, a basic human right. Contaminated water jeopardizes both the physical and social health of all people. It is an affront to human dignity.” (Kofi Annan, United Nations Secretery-General, in “Right to water”, 2003) • Poter disporre di acqua sicura (potabile) è una necessità fondamentale dell'uomo e pertanto un diritto fondamentale dell’umanità. Un’acqua contaminata compromette la salute fisica e sociale delle popolazioni. E’ un affronto per la dignità umana.

25. DEFINIZIONE DELLE ACQUE DESTINATE AL CONSUMO UMANO (D.L. 2/2/2001, n. 31) “Ai fini del presente decreto, si intende per acque destinate al consumo umano: • le acque trattate o non trattate, destinate ad uso potabile, per la preparazione di cibi e bevande, o per altri usi domestici, a prescindere dalla loro origine, siano esse fornite tramite una rete di distribuzione, mediante cisterne, in bottiglie o in contenitori; • le acque utilizzate in un’impresa alimentare per la fabbricazione, il trattamento, la conservazione o l’immissione sul mercato di prodotti o di sostanze destinate al consumo umano…”

26. È IL COMPONENTE PRINCIPALE DEL CORPO UMANO

27. È coinvolta in una serie di funzioni: • Solvente per le numerose sostanze chimiche • Regola la temperatura corporea e il volume cellulare • Rende possibile il trasporto di nutrienti e la rimozione di scorie metaboliche • Favorisce i processi digestivi • È una fonte di sali minerali • Svolge un ruolo di diluente delle sostanze introdotte nell’organismo, farmaci inclusi

28. Il bilancio idrico • Acqua esogena • Introdotta con le bevande e gli alimenti • Acqua endogena • Prodotta con il metabolismo e non sufficiente a coprire il fabbisogno (circa 300 ml/die) • Carboidrati 0.6 g/g • Proteine 0.4 g/g • Lipidi 1.07 g/g • Fabbisogno • Adulto: 1 ml/kcal • Bambino: 1.5 ml/kcal (a causa del maggior contenuto di acqua corporea per unità di peso) • In condizioni fisiologiche il turnover giornaliero nell’adulto è pari al 4% del peso corporeo

29. Il bilancio idrico

30. REQUISITI IGIENICI FONDAMENTALI • BUONA ACCESSIBILITA' • GRADEVOLEZZA (requisito auspicabile ma non vincolante) • Limpida, incolore, inodore, insapore • INNOCUITA’ (esigenza obbligata) • Parametri microbiologici • Parametri chimici • Parametri indicatori • Radioattività • Parametri accessori

32. CRITERI DI SCELTA DEI PARAMETRIMICROBIOLOGICI • L’obiettivo consiste nel verificare la possibilità di un inquinamento fecale pertanto: • non si ricercano direttamente i potenziali patogeni (batteri, virus, protozoi) che richiederebbero molte analisi complesse e molto tempo per ottenere i risultati • ma si ricercano degli “indicatori fecali” che sono assai più numerosi e sempre presenti

33. CRITERI DI SCELTA DEI PARAMETRI CHIMICO-FISICIE DELLE MASSIME CONCENTRAZIONI AMMESSECOMPOSTI NON CANCEROGENI • Si calcola la dose giornaliera tollerabile (DGT) esente da effetti sfavorevoli: • NOAEL = Livello senza effetti sfavorevoli osservabili • LOAEL = Livello con effetti sfavorevoli osservabili minimi • FS = Fattore di sicurezza basato su variabilità individuale, tipo di effetto, etc. (da 1 a 1000) • Dalla DGT si deriva la concentrazione massima ammissibile (CMA) in funzione di peso corporeo (P), volume di acqua ingerito giornalmente (V) e presenza della sostanza in altri alimenti o matrici ambientali (F)

34. CRITERI DI SCELTA DEI PARAMETRI CHIMICO-FISICIE DELLE MASSIME CONCENTRAZIONI AMMESSECOMPOSTI CANCEROGENI(per es. metalli pesanti, cianuro, arsenico, ecc…) • Come per l’aria, i valori proposti come limiti corrispondono in realtà ad una stima di aumento del rischio di cancro pari ad 1 caso su 100.000 in soggetti esposti per tutta la durata della vita (70 anni) alla concentrazione in oggetto. • Nota: talora 1/10.000 o 1/1.000.000

35. Acque minerali naturali • Definizione • “acque che, avendo origine da una falda o giacimento sotterraneo, provengono da una o più sorgenti naturali o perforate e che hanno caratteristiche igieniche particolari e, eventualmente, proprietà favorevoli alla salute”. • Per le acque potabili, le ultime due specificazioni (caratteristiche igieniche e proprietà salutari) non sono invece richieste

36. Classificazione in base al residuo fisso

37. Classificazione in base alle sostanze disciolte