Volume: il grano

Sezione: alimentazione

Capitolo: aspetti nutrizionali

Autori: Carlo Cannella, Norberto Pogna

Introduzione

I cereali presentano caratteristiche tali da renderli particolarmente idonei all’alimentazione umana fin dall’antichità: possono essere coltivati in un’ampia fascia di condizioni climatiche e ambientali; danno una buona resa di sostanze nutritive per unità di superficie coltivata; i semi maturi hanno un’umidità relativamente bassa (13-16%) in confronto agli altri alimenti di origine vegetale (80-90%) e quindi si conservano anche per un lungo periodo senza richiedere particolari accorgimenti.

Cariosside

Il granello del frumento (botanicamente si tratta di un frutto secco noto come “cariosside”), un piccolo “seme” elissoidale lungo 5-7 mm e largo 3-4 mm, è contenuto in 20-60 esemplari nella spiga. La cariosside consiste di un piccolo embrione (1517% del peso totale) ospitato in una depressione a forma di scudo presente a un’estremità della cariosside stessa, di un grosso endosperma (75-83%) e di un rivestimento noto come pericarpo (8-10%). Quest’ultimo è composto da 6 strati di cellule morte che vengono rimossi durante la molitura e vanno a costituire la crusca. Questa contiene anche lo strato più superficiale dell’endosperma o aleurone (un singolo strato di cellule rettangolari ricche di proteine sotto forma di granuli) e gran parte dei tessuti embrionali che vengono separati dal resto della cariosside perché contengono oli e grassi che possono facilmente irrancidire e alterare la qualità della farina. Il colore della cariosside delle varietà commerciali di grano tenero e grano duro dipende dal colore dell’endosperma e/o del pericarpo e può variare da bianco avorio, crema, giallo, fino al rosso o al bruno. Il peso medio della cariosside delle varietà commerciali è compreso tra 30 e 50 mg (ma sono noti anche valori più alti) e dipende principalmente dalla sua posizione nella spiga (cariossidi più grandi al centro, più piccole all’apice), dalle condizioni ambientali di coltivazione (temperatura, disponibilità di acqua e nutrienti, tipo di terreno) e dalle caratteristiche genetiche (genotipo) della pianta madre (“varietà”). La forma del granello può variare da lanceolata a quasi globulare e ciò influisce fortemente sulla quantità di farina che si ottiene con la molitura: per esempio, le cariossidi lunghe e sottili hanno basse rese in farina, quelle rotondeggianti hanno rese molto più elevate. Un tempo le cariossidi del genere Triticum erano “vestite”, con il vantaggio di una migliore conservabilità; questa è una caratteristica importante se si considera che nel passato non si disponeva di silos adeguati, necessari per assicurare la conservazione di questo cereale fondamentale per l’alimentazione della collettività. Successivamente, con lo sviluppo industriale dell’agricoltura e delle tecnologie di conservazione e trasformazione dei cereali, si sono affermate le varietà di Triticum con seme “nudo” che richiedono meno lavorazioni e minor spazio di conservazione, ma che hanno bisogno di maggiore attenzione durante la fase di post-raccolta e di conservazione perché più deperibili.

Endosperma ed embrione

L’endosperma costituisce la riserva energetica che l’embrione utilizza quando germina per produrre una nuova pianta. Esso contiene soprattutto amido (75-80%) e proteine (10-15%), ma anche zuccheri (per esempio glucosio, emicellulose, fruttosani ecc.) e vitamine. Delle sostanze nutritive presenti nella cariosside intera, l’endosperma contiene quasi tutto l’amido, il 90-92% delle proteine, il 43% della vitamina B5 (acido pantotenico), il 32% della vitamina B2 e il 12% della vitamina B3 (o PP). Nell’embrione o “germe” troviamo gran parte dell’olio e dei grassi della cariosside (complessivamente ne costituiscono circa il 2-3%), ma anche l’8% delle proteine, il 64% della vitamina B1 (tiamina) e il 21% della vitamina B6 (piridossina). Come abbiamo visto precedentemente, lo strato più esterno dell’endosperma (aleurone), tutto il pericarpo e gran parte dell’embrione vengono separati dal resto della cariosside durante la molitura e finiscono nella frazione nota come crusca, che rappresenta circa il 14-20% della cariosside. Delle sostanze nutritive presenti nella cariosside intera, la crusca contiene il 19% delle proteine, l’86% della vitamina B3, il 50% della vitamina B5 (acido pantotenico), il 42% della vitamina B2 (riboflavina) e il 33% della vitamina B1, oltre a gran parte dei sali minerali. Ovviamente queste sostanze nutritive non vanno perdute quando la crusca è macinata insieme all’endosperma per produrre farina integrale.

Principali costituenti chimici della cariosside

All’interno del chicco di grano, i componenti chimici non sono uniformemente distribuiti: il tegumento è ricco di cellulosa, pentosani e ceneri (sali minerali); il germe è ricco di proteine, lipidi (acidi grassi essenziali), vitamine (in particolare vitamina E) e ceneri. La parte interna o endosperma è costituita da amido in una matrice proteica e il contenuto in proteine diminuisce dalla periferia verso l’interno, non solo come quantità, ma anche come qualità; nel germe o nello strato aleuronico esterno è presente la maggior densità proteica con un valore nutrizionale elevato. Le proprietà tecnologiche (attitudine alla panificazione o qualità panificatoria, e attitudine alla pastificazione o qualità pastificatoria) e nutrizionali del grano dipendono principalmente dalle proteine e dall’amido.

Proteine. La quantità e la struttura delle proteine contenute nella cariosside del grano sono i fattori principali che determinano l’attitudine delle farine e delle semole a fornire un buon pane o una buona pasta. Dalle proteine dipende anche il valore nutrizionale del frumento. Il contenuto proteico della granella di frumento varia mediamente tra 11 e 14%, ma si possono osservare valori superiori del 34%. Il contenuto proteico medio del grano duro è generalmente superiore di un punto percentuale rispetto a quello del grano tenero. Il contenuto in proteine è influenzato fortemente dalle condizioni di coltivazione (qualità e struttura del terreno, clima, disponibilità d’acqua e di sostanze nutritive) e pertanto è un parametro che dipende dalle pratiche agronomiche (concimazioni, diserbo, irrigazione ecc.). Inoltre il contenuto proteico tende a diminuire quando cresce la produzione, cioè contenuto proteico e resa sono inversamente proporzionali. Tuttavia il contenuto proteico è anche un carattere ereditario, che dipende per circa il 50% dalla costituzione genetica (genotipo) della pianta. In alcune specie selvatiche di grano come Triticum monococcum (grano monococco) e T. dicoccoides il contenuto proteico è spesso vicino o superiore al 20%, valore che si riscontra solo nei semi dei legumi. Fin dall’inizio del secolo scorso, le proteine del grano sono state classificate in 4 gruppi: albumine e globuline (dette anche proteine solubili), gliadine e glutenine (dette anche prolamine).

Proteine solubili. Costituiscono complessivamente il 15-20% delle proteine totali, sono solubili in acqua (albumine) o soluzioni saline (globuline) e comprendono un centinaio di proteine diverse, soprattutto enzimi (per esempio amilasi e proteasi per la degradazione rispettivamente dell’amido e delle proteine dell’endosperma durante il processo di germinazione del seme), inibitori di enzimi ma anche proteine non enzimatiche di particolare interesse “tecnologico”. Queste proteine sono contenute prevalentemente nell’aleurone e nel germe e hanno un contenuto elevato in lisina rispetto alle altre proteine della cariosside.

Prolamine. Questo è il termine con cui vengono chiamate collettivamente le gliadine e le glutenine, per mettere in evidenza il fatto che esse contengono un’elevata percentuale degli amminoacidi prol(ina) e (glut)amina. Le gliadine (solubili in soluzioni alcoliche, per esempio etanolo al 70%) e le glutenine (solubili in soluzioni diluite acide o alcaline) sono contenute nell’endosperma e costituiscono le proteine di riserva utilizzate dall’embrione durante la germinazione. Esse rappresentano circa l’80% delle proteine totali del granello e formano il glutine, una massa proteica elastica, appiccicosa e traslucida, con proprietà in qualche misura simili a quelle delle chewing gum, che si ottiene quando la farina è impastata delicatamente a mano sotto un rivolo d’acqua che allontana l’amido. Gliadine. Sono proteine semplici e globulari che conferiscono viscosità (resistenza allo scorrimento) al glutine. Esse comprendono una cinquantina di proteine diverse che possono essere separate utilizzando particolari tecniche di elettroforesi. Ogni varietà coltivata di grano tenero o grano duro produce una propria “famiglia” di gliadine e può essere riconosciuta e distinta dalle altre varietà in base al proprio diagramma elettroforetico. Le gliadine rappresentano il 40% circa delle proteine dell’endosperma e sono particolarmente povere di lisina (0,5%). Inoltre, sono le principali responsabili della tossicità del grano per le persone affette da celiachia, la principale patologia genetica alimentare che interessa l’1% circa della popolazione.

Glutenine. Rappresentano circa il 40% delle proteine dell’endosperma, ma a differenza delle gliadine formano grandi polimeri (i più grandi polimeri proteici noti in natura) legandosi tra loro a formare una rete tridimensionale estremamente eterogenea. I componenti di questa rete sono distinti in un piccolo gruppo di subunità ad alto peso molecolare (subunità gluteniniche HMW, il 10% circa delle proteine dell’endosperma) e un gruppo più numeroso di subunità a basso peso molecolare (LMW, 30% circa). Le subunità HMW (ogni varietà di grano contiene da 3 a 5 proteine di questo tipo) hanno una struttura a spirale simile a quella dell’elastina presente nei tessuti connettivi dei mammiferi, che conferisce proprietà elastiche alle arterie e ai legamenti. Le subunità HMW sono le principali responsabili delle proprietà elastiche del glutine e influiscono soprattutto sulla resistenza alla trazione degli impasti, mentre le subunità LMW (20-30 proteine per varietà) influiscono sia sull’elasticità sia sull’estensibilità del glutine e degli impasti. La presenza di particolari subunità HMW e LMW rende alcune varietà di grano tenero particolarmente adatte a produrre pane. Altre subunità LMW o HMW danno alla pasta una buona resistenza alla cottura e una bassa collosità, altre ancora rendono le farine meglio adatte alla produzione di biscotti. Gli studi genetici e tecnologici condotti nell’ultimo decennio dello scorso secolo hanno permesso di identificare e classificare le subunità HMW e LMW in base ai loro effetti sulle proprietà viscoelastiche degli impasti, assegnando a esse dei punteggi qualitativi. Anche le subunità gluteniniche sono povere di lisina e alcune di esse sono tossiche per i celiaci e sono coinvolte nelle reazioni allergiche che alcuni pazienti manifestano dopo ingestione o inalazione di farine.

Altre importanti proteine. Oltre alle prolamine, altre proteine influiscono sulle proprietà tecnologiche del grano. Per esempio, la durezza della cariosside, un’importante caratteristica varietale che ha una notevole influenza sulla resa in farina e sulla qualità panificatoria del grano tenero, dipende da una coppia di proteine solubili (globuline) note come puroindoline. Queste proteine sono assenti nel grano duro, la cui cariosside è sempre estremamente dura. Le farine ottenute da varietà tenere contengono granuli d’amido integri o poco danneggiati e pertanto richiedono meno acqua per sviluppare un impasto ottimale. Al contrario, le farine prodotte da varietà a granella dura sono più grossolane e contengono granuli d’amido più o meno gravemente frantumati che assorbono molta acqua durante la formazione dell’impasto. In questi granuli d’amido le puroindoline sono molto scarse o assenti a causa di mutazioni che hanno alterato la loro struttura e la loro capacità di legarsi all’amido.

Carboidrati. I carboidrati sono rappresentati prevalentemente da amido (circa il 90%) e per la restante parte da cellulosa, pentosani e zuccheri. L’amido è il principale carboidrato (zucchero) accumulato dalla cariosside durante la fase di formazione del seme. Esso costituisce il 65-70% della farina e si presenta sotto forma di granuli di 10-20 millesimi di millimetro di diametro (granuli grandi o di tipo A) o 20-50 volte più piccoli (tipo B). Questi granuli vengono più o meno danneggiati durante le operazioni di molitura e la conversione del grano in farina. L’amido contiene due componenti principali, entrambi sotto forma di polimeri di glucosio ad alto peso molecolare. L’amilosio è un polimero quasi completamente lineare mentre l’amilopectina è un polimero ramificato. Il rapporto tra queste due forme di amido è importante ai fini di una buona qualità panificatoria. Una volta formato l’impasto aggiungendo acqua alla farina, l’amido, per azione degli enzimi alfa-amilasici, libera zuccheri utilizzati dai lieviti per la loro crescita durante il processo di fermentazione. Inoltre l’amido quando viene scaldato in un ambiente acquoso si rigonfia e tende a perdere la propria struttura cristallina. La viscosità aumenta e si viene a formare una gelatina densa e plastica. La gelatinizzazione dell’amido è un fenomeno particolarmente importante nel processo di produzione del pane e della pasta. Gli zuccheri più semplici (glucosio, fruttosio, saccarosio, glucofruttani, raffinosio) sono presenti nella cariosside matura in piccole quantità, in genere inferiori al 2% in peso. Essi non influiscono sull’elasticità o sulla viscosità degli impasti ma costituiscono il primo substrato organico utilizzato dai lieviti durante la fermentazione degli impasti. I pentosani sono carboidrati complessi e ramificati contenenti gli zuccheri xilosio e arabinosio, presenti in piccole quantità (2-3%) nella granella matura. Alcuni di questi zuccheri accelerano il processo di raffermimento del pane.

Lipidi. Gli oli e i grassi della cariosside di grano sono accumulati in gocce, gli sferosomi, soprattutto nel germe e nell’aleurone. Oltre a trigliceridi e fosfolipidi, nella frazione lipidica del grano troviamo anche i tocoferoli (tocoli e tocotrienoli), importanti antiossidanti noti anche come vitamina E, di cui il germe è particolarmente ricco. Per quanto minoritari (2-3% in peso), i lipidi svolgono un ruolo importante nella panificazione in quanto stabilizzano le bolle di gas che si formano durante la fermentazione dell’impasto, formando una sottile pellicola all’interfaccia tra gas e acqua.

Altri costituenti

Il consumo di alimenti a base di frumento fornisce all’organismo non solo amido e proteine (nutrienti energetici), ma anche un significativo apporto di altri nutrienti (~10% del fabbisogno giornaliero) quali minerali (potassio, magnesio, fosforo, ferro, rame e zinco) e vitamine (tiamina, riboflavina, niacina, vitamina B6 e acido folico). Merita una menzione a parte il contributo del frumento nel soddisfare il fabbisogno in selenio, se i terreni di coltivazione contengono questo minerale, e in vitamina E, se il cereale viene utilizzato nella forma di farina integrale, cioè con il germe. Infine, oltre la fibra, il frumento contiene altre sostanze “non nutrienti” presenti in piccole quantità e tra queste acido fitico, fitosteroli, polifenoli e flavonoidi. Si tratta di sostanze che vengono comunemente indicate come phytochemicals o fitochimici (composti organici di origine vegetale); alcuni svolgono effetti benefici per la salute dell’uomo partecipando a reazioni che non sono collegate al metabolismo cellulare. Per esempio, mediante studi in vitro è stato dimostrato che svolgono un’attività antiossidante e fitoestrogenica che potrebbe avere effetti significativi anche in vivo.

Ruolo del glutine

Il glutine è un composto che si forma tra due gruppi di proteine (gliadine e glutenine) quando la farina, dopo essere stata impastata con acqua, viene lasciata riposare per circa 20 minuti. Le proteine del glutine, interagendo tra loro, formano un reticolo che conferisce all’impasto elasticità e tenacità rendendolo “lievitabile” cioè capace di intrappolare l’anidride carbonica prodotta dalla fermentazione dello zucchero liberato dall’amido per azione dei lieviti (saccaromiceti). Ecco in che cosa consiste la “lievitabilità” degli impasti di farina di frumento: è la capacità di “crescere” aumentando in volume, diventando più soffice e arricchendosi dei prodotti della fermentazione; non solo gassosi (anidride carbonica) ma anche acidi organici, peptidi, alcoli ecc. che ne migliorano sia il gusto sia la digeribilità. Con la successiva cottura in forno, il reticolo di glutine viene denaturato dal calore, perdendo la solubilità e conferendo al cibo una stabile struttura alveolata, morbida e soffice all’interno, croccante all’esterno. È quindi il glutine che conferisce al grano la sua grande versatilità nella produzione di prodotti lievitati, paste alimentari, biscotti ecc.

Apporto del frumento nella dieta

Nelle abitudini alimentari mediterranee il frumento soddisfa per circa 1/3 il fabbisogno giornaliero di energia e di proteine di un adulto (~2.400 kcal/die). Da un punto di vista nutrizionale la farina di grano è un alimento che fornisce circa 320 kcal/100 g, con un valore energetico che proviene per l’80% da carboidrati a lento assorbimento e per il 15% da proteine con un valore nutritivo non elevato (per la ridotta quantità di lisina e treonina); scarso è il contributo da parte dei lipidi o grassi, soprattutto nelle farine raffinate. Per questo motivo il grano è un alimento di base che necessita del “companatico” per il completamento delle potenzialità nutritive della frazione proteica. Nelle varie civiltà che hanno utilizzato il grano o un altro cereale come alimento base (riso e/o mais) si nota l’abbinamento dei cereali con le leguminose. Questa usanza tradizionale (pasta e fagioli, riso e soia, mais e arachidi) trova una spiegazione nella complementarietà tra le composizioni aminoacidiche delle proteine di questi due alimenti: quelle del grano completano la loro carenza di lisina e treonina con il surplus di questi aminoacidi nelle proteine dei legumi e queste ultime compensano la loro carenza in aminoacidi solforati (metionina e cisteina) con le proteine del grano. Questa complementarietà è alla base della tradizione gastronomica mediterranea che vede per esempio il formaggio completare il valore nutritivo della pasta, del pane e della pizza. Il significato delle porzioni trova dunque applicazione nella complementarietà dei cibi per ottenere una miscela di nutrienti adeguata al mantenimento dello stato di salute e alla prevenzione del sovrappeso. L’apporto nutritivo del frumento cambia in conseguenza del processo di raffinazione. Rammentiamo, infatti, che per migliorare la conservabilità delle farine, facilitare il loro utilizzo nelle produzioni alimentari e allontanare talune sostanze “non nutrienti” presenti negli strati esterni del chicco di grano (fitati, tannini, resorcinoli ecc.), le cariossidi del grano vengono raffinate mediante eliminazione delle parti esterne e del pericarpo (crusca). Ciò comporta anche la perdita di una parte del sottostante strato corticale del seme, aleurone e germe, con conseguente perdita parziale di un amminoacido essenziale quale il triptofano, che è particolarmente abbondante nelle proteine dello strato aleuronico. Allo stesso tempo bisogna ricordare che il processo di raffinatura migliora la conservabilità nel tempo e la sicurezza d’uso della farina rendendo questo processo nel complesso favorevole e quindi conveniente per la nostra salute. Con la crusca, inoltre, viene allontanata anche quella frazione non digeribile che viene comunemente chiamata fibra ed è stato dimostrato che l’alimentazione a base di cereali raffinati deve essere integrata con un adeguato consumo di frutta e ortaggi (5 porzioni al giorno) per assicurare un apporto di fibra sufficiente alle necessità del nostro intestino (20-25 g/die).

Effetti negativi

Possono inoltre esistere situazioni nelle quali il consumo di frumento può comportare effetti nocivi: – se consumato prevalentemente integrale per l’effetto “antinutriente” dell’acido fitico che, a livello intestinale, interferisce nell’assorbimento dei cationi bivalenti: zinco, calcio, ferro, magnesio ecc. e di altri composti presenti nella parte esterna della cariosside quali tannini e resorcinoli, che sono inibitori degli enzimi digestivi; – per la presenza del glutine, costituito da un insieme di proteine (gliadine e glutenine) che conferiscono al cereale particolari proprietà merceologiche (per es. panificabilità) ma che non è tollerato dai soggetti celiaci; – se contaminato da muffe e/o funghi microscopici, per la presenza di micotossine quali aflatossina (da Aspergillus flavus), tricoteceni (da Fusarium spp.), alcaloidi (da Claviceps purpurea) ecc.

Nuovi obiettivi della ricerca

Il secolo scorso ci ha lasciato in eredità un problema in gran parte irrisolto, quello della malnutrizione presente in molti paesi africani ed asiatici. Attualmente il 15% circa dei 6 miliardi di persone che popolano attualmente il pianeta è gravemente malnutrito, ma la crescita della popolazione mondiale, l’urbanizzazione e l’industrializzazione stanno riducendo la superficie agricola e le risorse idriche mondiali. Per esempio, in 18 paesi dell’Africa subsahariana la popolazione cresce al ritmo del 5% all’anno, mentre la desertificazione dovuta all’aumento costante delle temperature causa ogni anno la perdita di 25 milioni di tonnellate di terreno agricolo ed entro 10 anni ridurrà del 25% la biodiversità esistente. Nel frattempo le produzioni mondiali di riso, mais e grano sono calate significativamente negli ultimi anni portando le riserve mondiali di cereali a solo 57 giorni, rispetto ai 65 suggeriti dalla FAO. D’altra parte, nei paesi più sviluppati, l’agricoltura e, in particolare, la granicoltura che ne costituisce a livello globale la principale manifestazione in termini di superfici coltivate e produzione lorda vendibile, sono fortemente orientate dal consumatore, come è dimostrato dal crescente numero di alimenti etichettati “a basso contenuto in grassi” o “dietetici”, oppure dalle centinaia di nuovi alimenti biologici o tipici. Cresce anche il numero di cittadini che mangiano fuori casa (destinando a questo oltre il 30% della spesa alimentare complessiva), guardando alla convenienza dei prezzi e alla rapidità dei servizi (vedi mense aziendali e catene “fast-food”), ma anche alla qualità e variabilità dei cibi (vedi ristoranti etnici e locali “slow-food”). Con queste premesse si comprende perché produttività, qualità degli alimenti, conservazione delle risorse naturali e innovazione dei prodotti (diversificazione delle materie prime, recupero e valorizzazione di specie marginali o abbandonate) e dei metodi di produzione (minima lavorazione dei terreni, agricoltura di precisione) siano gli obiettivi principali delle ricerche attualmente condotte sul grano.

 


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