Amido: Sintesi, Produzione e Usi

• L'amido è il carboidrato di riserva più abbondante nelle piante e una primaria fonte di energia nella dieta umana, fornendo fino all'80% delle calorie giornaliere a livello globale.

Produzione e Sintesi

• L'amido di riserva estratto dall'endosperma dei cereali rappresenta oltre il 90% del mercato mondiale, con il mais come principale fonte, specialmente negli USA.
• Nelle piante superiori, l'amido è sintetizzato nei plastidi e accumulato in granuli, che variano in morfologia, dimensione e quantità a seconda dell'origine botanica e del tipo di tessuto.
• L'amido primario (transiente) è sintetizzato nelle foglie tramite fotosintesi durante il giorno, degradato di notte e trasportato alle cellule dell'endosperma (cereali) o del tubero (patata).
• L'amido primario viene trasformato in amido secondario (di riserva), composto principalmente da amilosio e amilopectina, e serve come fonte di carbonio per il metabolismo non fotosintetico.

Usi e Modificazioni

• L'amido è un materiale naturale, rinnovabile ed economico, utilizzabile in diversi settori, inclusi l'alimentare e l'industriale, nonché come fonte di energia dopo la conversione in etanolo.
• Le proprietà dell'amido possono essere modificate chimicamente, enzimaticamente o fisicamente per adattarsi a diversi usi.
• Circa due terzi dell'amido prodotto nei paesi occidentali è destinato all'industria alimentare, derivato principalmente da riso, mais, frumento e patata.

Struttura dell'Amido

• L'amido è il componente principale della cariosside di frumento (65-70% del peso secco) ed è composto da unità di D-glucosio unite da legami α-1,4 (catene lineari) e α-1,6 (ramificazioni).
• L'amido di riserva è costituito da amilosio e amilopectina, assemblati nell'endosperma in granuli insolubili in acqua, tridimensionali e semicristallini.
• L'amilopectina è fondamentale per la formazione delle regioni cristalline e la struttura dei granuli di amido.
• Amilosio e amilopectina differiscono per grado di polimerizzazione e frequenza delle ramificazioni.
• L'amilopectina è una molecola grande (grado di polimerizzazione da 105 a 107) con ramificazioni frequenti (ogni 15-20 unità di glucosio).
• L'amilosio ha un grado di polimerizzazione inferiore (103-104) e meno ramificazioni.
• Nei frumenti commerciali, il contenuto di amilosio varia tra il 18 e il 35%, mentre quello di amilopectina tra il 65 e l'82%.
• Le proprietà chimico-fisiche dell'amido sono influenzate dalle proporzioni relative di amilosio e amilopectina, oltre che dal grado di polimerizzazione delle catene di glucosio.
• La struttura dell'amilopectina prevede catene corte lineari (10-20 unità) avvolte in una doppia elica, organizzate in gruppi e legate a catene più lunghe, determinando la cristallinità dei granuli.
• La struttura dei granuli consiste in strati concentrici di materiale cristallino alternati a strati amorfi, con una periodicità di 9-10 nm.
• Le molecole di amilopectina sono disposte radialmente e formano strati continui di materiale cristallino, mentre gli strati amorfi sono composti da molecole di amilopectina e amilosio.

Canali nei Granuli

• I granuli di amido presentano canali radiali che influenzano il rigonfiamento, la digestione enzimatica e le modificazioni chimiche.
• Nel frumento, questi canali si concentrano nella regione equatoriale e possono accelerare la digestione durante la germinazione.
• L'eliminazione dell'amido sintasi di classe III (SSIII) altera la crescita degli anelli concentrici.
• Nel frumento, esiste una relazione diretta tra il contenuto di amilosio e lo spessore degli anelli dell'amido.

Proteine, Lipidi e Fosfati nei Granuli

• I granuli di amido di frumento contengono proteine come GBSS, SSI, BEIIa, BEIIb e SSIIa.
• Un'isoforma BEI ad alto peso molecolare è presente nei granuli di frumento ma non in altre specie.
• Altre proteine minori nei granuli di cereali hanno un ruolo sconosciuto nella sintesi dell'amido.
• Proteine come puroindoline, friabiline e GSP si legano ai granuli di amido durante la maturazione e l'essiccamento del seme.
• L'amido di frumento contiene fosfati legati covalentemente alle posizioni C-3 e C-6 del glucosio.
• I lipofosfolipidi contribuiscono maggiormente al contenuto di fosfati nei granuli, principalmente legati all'amilosio.

Struttura dei Granuli

• L'amido è impacchettato in granuli densi (1.5-1.6 g/cm3) e semicristallini.
• Nel frumento maturo, ci sono due tipi di granuli: tipo "A" (15-30 μm di diametro, lenticolari con un solco equatoriale) e tipo "B" (meno di 10 μm, sferici).
• I granuli di tipo B sono più numerosi (circa 80% del totale).
• La proporzione tra i due tipi di granuli può influenzare la gelatinizzazione dell'amido e le proprietà dell'impasto.
• La formazione di complessi tra amilosio e grassi (mono e digliceridi) influenza la temperatura di gelatinizzazione, la viscosità dell'impasto e la retrogradazione (riformazione dei legami idrogeno durante il raffreddamento).
• La concentrazione di lipidi nell'amido è correlata positivamente al contenuto di amilosio.
• Il processo di formazione dei granuli di amido nel frumento avviene in due fasi: formazione dei granuli di tipo “A” (3-7 giorni dopo l’antesi) e sviluppo dei granuli di tipo “B” (a metà dello sviluppo dell’endosperma).

Fattori che Influenzano la Funzionalità dell'Amido

• Le proprietà e la funzionalità dell'amido di frumento dipendono dalla natura e composizione dei granuli, nonché dal materiale endospermico circostante.
• Fattori cruciali includono il contenuto di amido, la durezza delle cariossidi, la distribuzione e forma dei granuli, la presenza di lipidi endogeni e la struttura dell'amilopectina.
• Questi fattori influenzano la risposta dell'amido al trattamento termico e all'acqua e possono essere modificati geneticamente.
• La durezza delle cariossidi influenza la quantità di amido danneggiato durante la molitura e l'assorbimento di acqua dalla farina.
• Le cariossidi "hard" si fratturano maggiormente, causando un maggiore assorbimento di acqua, e sono adatte alla produzione di pane e noodle.
• Le cariossidi "soft" sono utilizzate per i biscotti.
• Il locus Ha sul cromosoma 5D controlla la durezza della cariosside.
• Le puroindoline a, b e GSP-1 (codificate da geni nel locus Ha) influenzano la durezza, con le puroindoline che riducono la durezza.
• A causa della limitata biodiversità nella forma e distribuzione dei granuli, ci sono poche ricerche sull'impatto di questi fattori sulla lavorazione e resa dell'amido.
• I granuli piccoli assorbono meglio l'acqua, ma hanno qualità panificatorie inferiori rispetto agli amidi non frazionati.
• I granuli B aumentano l'estensibilità, mentre i granuli grandi aumentano la resistenza.
• La composizione del granulo influenza la sua forma, con granuli deformati nelle linee "high amylose" di frumento Sgp-1.
• Il contenuto lipidico influisce sulla viscosità e sulla qualità degli amidi.
• I lipidi nei granuli di amido di frumento sono divisi in non-amido, superficiali e interni (lipofosfolipidi, che interagiscono con l'amilosio).
• I lipofosfolipidi nei granuli di amido formano complessi con l'amilosio, ostacolando il rigonfiamento dei granuli durante l'assorbimento di acqua e il riscaldamento
• I geni flp-1 e flp-2, strettamente legati al locus Ha, controllano il contenuto di lipidi nell'amido, suggerendo che i lipidi polari sono coinvolti nelle interazioni tra le puroindoline e la superficie dei granuli di amido.

Gelatinizzazione, Rigonfiamento, Viscosità e Retrogradazione

• La gelatinizzazione è la trasformazione dei granuli di amido in acqua da uno stato ordinato a uno disordinato tramite riscaldamento.
• Durante il riscaldamento, i granuli assorbono acqua, si rigonfiano, perdono birifrangenza e aumentano la viscosità dell'impasto.
• La viscosità aumenta fino a un picco, poi i granuli collassano e rilasciano amilosio, causando una diminuzione della viscosità.
• La gelatinizzazione è simile nei granuli normali e waxy (privi di amilosio), indicando che le proprietà dell'amilopectina sono più critiche.
• L'amilosio forma complessi con i lipidi, riducendo la mobilità dell'acqua e opponendosi al rigonfiamento.
• Aumentare il peso molecolare e le ramificazioni dell'amilopectina incrementa la viscosità dell'amido.
• Durante il raffreddamento, i polimeri lineari di amilosio interagiscono e formano complessi a doppia elica, fenomeno chiamato retrogradazione.

Approfondimento sull'Amido

• L'amido è un polisaccaride complesso insolubile in acqua, usato come riserva nelle cellule vegetali e come fonte di carboidrati per il metabolismo umano.
• L'amido si trova nei tuberi, nei cereali e nei legumi in forma cristallina nei granuli di amido all'interno del citoplasma.
• È costituito da amilosio (polimero lineare del glucosio) e amilopectina (polimero ramificato del glucosio).
• Le ramificazioni nell'amilopectina (ogni 10-20 residui) impediscono la formazione ad elica tipica dell'amilosio e favoriscono strutture ad albero.
• Si suppone che l'amilopectina sia orientata radialmente nel granulo di amido con l'estremità riducente rivolta verso l'interno.
• La disposizione di amilosio e amilopectina conferisce al granulo proprietà semicristalline, rendendolo insolubile a temperatura ambiente e resistente alla digestione.
• La gelatinizzazione è necessaria per rendere l'amido digeribile, trasformandolo da una struttura cristallina a un gel.
• Il riscaldamento in ambiente acquoso permette la gelatinizzazione, durante la quale i granuli si gonfiano, perdono la struttura cristallina e l'amilopectina e l'amilosio entrano in soluzione.
• La gelatinizzazione diminuisce l'acqua libera e aumenta la viscosità.
• Dopo la gelatinizzazione, le catene di amilosio e amilopectina sono più esposte all'azione idrolitica degli enzimi digestivi, favorendo l'utilizzazione metabolica dell'amido.
• Il raffreddamento favorisce la retrogradazione, con il ripristino parziale della struttura ordinata.
• L'amido retrogradato può essere nuovamente gelatinizzato con il calore.

Fattori che Influenzano Gelatinizzazione e Retrogradazione

• Contenuto in acqua e temperatura: l'umidità minima è del 25% e la temperatura tra 50 e 70°C, a seconda dell'origine.
• Soluti (cloruro di sodio, zuccheri), lipidi o proteine: aumentano la temperatura di gelatinizzazione e rallentano la retrogradazione.
• Origine vegetale dell'amido: gli amidi differiscono per il rapporto amilosio/amilopectina.
• L'amilosio ricristallizza più velocemente dell'amilopectina; amidi ricchi di amilosio (mais, frumento, legumi) gelatinizzano con più difficoltà e ricristallizzano più facilmente, mentre amidi con più amilopectina (patata, riso) gelatinizzano più facilmente.
• La quantità di amido retrogradato è direttamente proporzionale al contenuto di amilosio.
• L'amido è usato nell'industria alimentare come additivo addensante (prodotti congelati, bevande, prodotti per l'infanzia, caramelle, salse, formaggi cremosi).
• Esistono amidi nativi o modificati per diverse applicazioni, con modificazioni strutturali che alterano le proprietà di gelatinizzazione e retrogradazione.
• L'amido WAXY (mais o riso geneticamente modificato) ha bassissime percentuali di amilosio (1-2%) e alte percentuali di amilopectina (99-98%), rendendolo molto resistente alla retrogradazione.
• Amidi con elevatissime percentuali di amilosio creano forti legami e formano gel molto resistenti.

Gelificazione dell'Amido

• Il processo di gelificazione consiste nel rigonfiamento per idratazione della parte amorfa dei granuli, con destabilizzazione delle regioni cristalline.
• Si passa da una struttura ordinata e in parte cristallina a una struttura disordinata, con le caratteristiche di un gel.
• Le regioni amorfe sono costituite prevalentemente da amilosio e da parte delle catene di amilopectina, mentre le regioni cristalline sono formate dalle catene laterali dell'amilopectina.
• La gelatinizzazione avviene in ambiente acquoso, a una temperatura tra 50 e 70°C, e non è una reazione chimica, ma un processo fisico.
• È necessario che la concentrazione dell'acqua all'interfaccia raggiunga un valore soglia (circa 30-35%).
• La gelatinizzazione avviene rapidamente durante la cottura in acqua di farine e semole o durante la cottura in forno di impasti ad alto contenuto d'umidità.
• Durante la cottura di pasta e riso, l'acqua diffonde all'interno della struttura porosa e la gelatinizzazione procede da una zona periferica verso l'interno.
• Nella cottura di prodotti meno umidi, come i biscotti, l'amido può conservare parzialmente la sua struttura nativa.
• La gelatinizzazione richiede una temperatura di transizione vetrosa (Tg) e una quantità adeguata d'acqua, e consiste in transizione vetrosa, fusione della frazione cristallina di amilopectina e cristallizzazione di amilosio amorfo.
• La gelatinizzazione favorisce l'assimilazione e l'utilizzazione metabolica del glucosio, fornendo energia pronta all'uso.