Oggi mi sono imbattuto in un filmato molto divertente in cui due persone, dopo aver bevuto una birra all’elio, hanno cominciato a parlare con la voce di Paperino.
Ecco il filmato:
Divertente, vero?
Come mai quando respiriamo elio la nostra voce assume toni acuti?
Dovete sapere che l’emissione dei suoni è legata ad un meccanismo mediato dall’azione di corde vocali, faringe e bocca. Le prime, situate nella laringe (Figura 1), si avvicinano tra loro, si allontanano o vengono tese (insomma, vibrano) grazie all’azione di alcuni muscoli. Sono proprio le vibrazioni delle corde vocali a generare il suono che si propaga attraverso l’aria che respiriamo.
La frequenza del suono emesso da una sorgente che vibra è inversamente proporzionale alla radice quadrata della densità del mezzo in cui il suono si propaga. In altre parole, più denso è il mezzo, più bassa è la frequenza del suono. Più bassa è la densità del mezzo, maggiore è la frequenza del suono. Nel primo caso sentiamo suoni gravi, nel secondo sentiamo suoni acuti. Guardate il video qui sotto per conoscere meglio le caratteristiche dei suoni.
L’aria atmosferica, costituita da circa il 79% di azoto molecolare, il 20% di ossigeno molecolare e dall’1% di altri gas come anidride carbonica, argon etc., è mediamente otto volte più densa dell’elio. Questo vuol dire che il suono emesso dalle vibrazioni delle corde vocali attraversate dall’aria atmosferica ha una frequenza circa tre volte più bassa rispetto a quella del suono che si propaga attraverso l’elio (il “tre volte” viene fuori dal rapporto della densità dell’aria rispetto a quello dell’elio. La radice quadrata di 8 è 2.9, ovvero circa 3). La conseguenza di quanto appena scritto è che il suono che si propaga attraverso l’aria atmosferica è più grave di quello che si propaga attraverso l’elio. L’effetto finale quando respiriamo l’elio da un palloncino o beviamo birra addizionata di questo gas, come nel primo filmato di questa nota, è la caratteristica voce di Paperino.
Da un po’ di tempo sto studiando gli edulcoranti e nel mio vagabondare tra siti internet e libri di vario genere, incontro informazioni nuove e sempre molto interessanti. Ho già scitto in merito ad aspartame e saccarina. I due articoletti possono essere letti qui. Nei commenti a questi due articoletti sui vari social network in cui sono stati pubblicati, mi è stato chiesto di fare un confronto tra i diversi edulcoranti in termini di qualità dolcificante.
Come facciamo a stabilire quale edulcorante è il più dolce?
Esiste un parametro, chiamato “potere dolcificante”, che ci consente di confrontare la capacità degli edulcoranti di dare un sapore dolce all’alimento in cui essi sono contenuti.
Il potere dolcificante viene misurato rispetto ad una sostanza “dolce” di riferimento. La sua definizione prevede che esso vada inteso come il rapporto tra la concentrazione di una soluzione di saccarosio (il normale zucchero da tavola) e quella dell’edulcorante che ha la stessa intensità di sapore. In altre parole, prendiamo il saccarosio (sostanza di riferimento) e ne sciogliamo una quantità nota in acqua; attribuiamo il valore 1 al suo sapore (per esempio, assegniamo potere dolcificante pari a 1 ad una soluzione di 1 g di saccarosio in 1 L di acqua). A questo punto prepariamo soluzioni a concentrazioni differenti di un edulcorante qualsiasi. Confrontiamo il sapore di queste soluzioni con quella di 1 g/L di saccarosio. Se la soluzione contenente la quantità X g/L di dolcificante ha sapore uguale alla soluzione di saccarosio 1 g/L, allora il suo potere dolcificante (PX) è dato dal rapporto 1 (g/L) / X (g/L), ovvero:
PX = 1/X
e possiamo dire che il dolcificante ha dolcezza X volte quella del saccarosio.
Alla luce di quanto scritto, si può comprendere il significato dei numeri riportati nella tabella sottostante
Sostanza
Potere dolcificante
Lattosio
0.200
Galattosio
0.220
Maltosio
0.320
Sorbitolo
0.540
Mannitolo
0.700
Glucosio
0.740
Saccarosio
1
Fruttosio
1.5
Ciclammato
35
Aspartame
200
Acesulfame K
200
Saccarina
400
Il glucosio ha un potere dolcificante pari a 0.740. Significa che 1.00 g di glucosio sciolto in 0.740 L di acqua hanno lo stesso sapore di 1.00 g di saccarosio disciolto in 1.00 L di acqua:
In altre parole, occorre sciogliere più di 1 g di glucosio e solo 2.5 mg di saccarina in 1 L di acqua, rispettivamente, per ottenere lo stesso sapore di 1 g/L di saccarosio.
Conclusioni
Il potere dolcificante è molto utile per fare un corretto uso degli edulcoranti. Tuttavia, si tratta di un parametro il cui valore dipende da tanti fattori. Tra questi, i più importanti sono temperatura e concentrazione. Non bisogna dimenticare, però, che anche le sensazioni soggettive giocano un ruolo importante. Infatti, stabilire cosa abbia un sapore identico a quello di una qualsiasi sostanza di riferimentio significa fare i cosiddetti “panel test”. Questi consistono nel far assaggiare a delle persone un alimento. Queste persone, poi, devono stabilre sulla base delle loro sensazioni – che dipendono da tante cose, incluse lo stato di salute soggettivo – se l’alimento sotto indagine è identico o meno a quello di riferimento. Il potere dolcificante, in definitiva, va preso con le pinzette. Un esempio è dato dalla tabella su riportata che è estrapolata da un libro molto noto nella chimica degli alimenti (Cappelli, Vannucchi (2000) Chimica degli alimenti, seconda ed., Zanichelli); i valori del potere dolcificante lì riportati sono diversi rispetto a quelli di altri riferimenti come quello che potete trovare qui (sempre dalla Zanichelli).
Fonte dell’immagine di copertina: CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=26027
Quando la luce colpisce un oggetto essa può essere assorbita, può attraversarlo o può essere riflessa. Le intensità della luce assorbita e di quella riflessa dipendono dalla lunghezza d’onda della luce incidente. In particolare, un qualsiasi oggetto che viene colpito dalla luce ordinaria ed assorbe tutte le radiazioni dello spettro luminoso visibile senza restituirne alcuna ai nostri occhi, appare nero; se riflette tutte le radiazioni dello spettro luminoso, il colore risultante dalla combinazione di tutte le radiazioni riflesse è il bianco; se l’oggetto assorbe solo un certo numero di radiazioni luminose tranne alcune, esso appare del colore generato dalla combinazione delle diverse radiazioni riflesse; se ad essere riflessa è una sola radiazione, l’oggetto appare del colore descritto dalla lunghezza d’onda della singola radiazione riflessa.
Cosa vuol dire “assorbimento della luce” a livello molecolare?
Quando la luce incide su un corpo, possono avvenire delle transizioni elettroniche. In altre parole, gli elettroni coinvolti nella formazione dei vari legami passano da un orbitale[1] ad un altro ad energia più elevata. Più vicini sono gli orbitali tra cui avviene la transizione elettronica e meno energia occorre perché essa avvenga. Nel caso di sistemi di natura organica, la distanza tra gli orbitali contigui tra cui avvengono le transizioni elettroniche si riduce all’aumentare del numero di doppi legami coniugati[2] presenti nelle molecole. Per questo motivo, molecole con un gran numero di legami coniugati sono in grado di assorbire gran parte della radiazione elettromagnetica e di conferire al macro-sistema in cui essi si trovano (per esempio i tessuti di una foglia oppure quelli di una carota) un colore corrispondente alla luce che viene riflessa. Per illustrare meglio questo concetto si faccia riferimento alla Figura 1. In essa si riporta, sull’asse orizzontale, lo spettro della radiazione elettromagnetica (la luce) tra circa 350 e circa 700 nm, ovvero nell’intervallo del visibile; sull’asse verticale si riporta la percentuale di assorbimento della radiazione luminosa; la curva arancione si riferisce all’assorbimento della luce da parte dei carotenoidi di cui un rappresentante, il β-carotene, è riportato in alto a sinistra. Si noti come i picchi di assorbimento siano compresi nell’intervallo 350-550 nm; la conseguenza è che la luce giallo-arancio (lunghezza d’onda, λ, > 550 nm) è quella che viene riflessa. Per questo motivo i tessuti vegetali che contengono i carotenoidi (per esempio le carote) appaiono arancioni.
Figura 1. Spettri di assorbimento dei carotenoidi e della clorofilla
La Figura 1 mostra anche i picchi di assorbimento della clorofilla-b la cui struttura è in alto a destra. Ci sono diversi massimi di assorbimento nell’intervallo tra 400 e 500 nm e tra 600 e circa 700 nm. Non c’è alcun assorbimento intorno ai 570 nm, ovvero la lunghezza d’onda della luce di colore verde. Il risultato è che i tessuti vegetali che contengono la clorofilla-b appaiono di colore verde. Quando la clorofilla si degrada, spariscono i massimi di assorbimento descritti e la colorazione delle foglie vira al giallo-arancio-rosso.
Ancora una volta la chimica mostra tutto il suo fascino. Fenomeni che possono sembrare magici hanno un significato riconducibile alle caratteristiche più intrinseche della materia. E la materia ci appare in tutta la sua poesia.
[1] Un orbitale è una zona dello spazio attorno al nucleo di un atomo in cui esiste la più elevata probabilità di poter trovare un elettrone in movimento.
[2] Senza prendere in considerazione la teoria dei legami chimici, per semplicità si può dire che i doppi legami coniugati sono doppi legami alternati tra diversi atomi di carbonio come nel seguente caso: -C=C-C=C-C=C-C=C-
Nel 2009 sono entrato nel mondo dei social network e da allora ho conosciuto tante persone, molte odiose, tante antipatiche, ma moltissime interessantissime oltre che simpaticissime. E’ questo il caso di Lele Pescia, Ivo Ortelli e La Iena Ridens che mi hanno ospitato nella loro trasmissione “Neandhertal Pride” a parlare di omeopatia.
Chi mi segue sa che mi sono interessato di questa pseudoscienza che fa tanti proseliti nel mondo. Se siete curiosi, qui trovate il link a quanto ho già scritto.
In realtà, siamo partiti dall’omeopatia per affrontare problematiche anche di carattere più generale.
Se avete perso la diretta e se siete interessati ad ascoltare la mia voce, cliccate qui sotto e vi si apriranno le porte del mio intervento di ieri in Neandhertal Pride
Ed eccoci di nuovo qui a parlare di dolcificanti. In un articolo di qualche tempo fa (qui) ho già parlato dell’aspartame e di come esso non sia affatto il terrore che si pensa a meno che un individuo non sia affetto da iperfenilalaninemia. Si tratta di una patologia che consiste nella incapacità di metabolizzare la fenilalanina, prodotto della degradazione del dolcificante citato. Adesso voglio prendere in considerazione il primo dolcificante che sia mai stato sintetizzato: la saccarina.
Un po’ di storia
Nella seconda metà del XIX secolo alla Johns Hopkins University negli Stati Uniti, il Prof. Ira Remsen stava studiando la chimica del catrame e delle sue componenti. Al suo gruppo di ricerca si aggregò per un certo periodo anche Constantin Fahlberg, chimico tedesco, giunto negli USA per incarico della HW Perot Import Firm che aveva subito il sequestro di una ingente quantità di zucchero da parte delle autorità statunitensi. L’azienda aveva commissionato al Dr. Fahlberg le analisi per valutare il grado di purezza del loro prodotto e, nello stesso tempo, aveva chiesto l’appoggio tecnico del laboratorio del Prof. Remsen. Dopo aver fatto le analisi e nell’attesa della propria testimonianza, il Dr. Fahlberg chiese, ed ottenne, di poter lavorare col gruppo di Remsen come borsista post dottorato sulla chimica del catrame.
Una sera del 1878, di ritorno dal laboratorio, Fahlberg si mise a tavola a cenare con la moglie. Probabilmente non si era lavato molto bene le mani dopo il lavoro perché, mangiando del pane, si accorse che esso era particolarmente dolce. Dopo aver chiesto alla moglie se ella sentiva lo stesso sapore, si accorse che, in realtà, la dolcezza era dovuta alle sue mani. Residui di qualcosa che aveva toccato in laboratorio erano rimasti sulle mani. Tornato di corsa in laboratorio, Fahlberg cercò di capire cosa fosse accaduto. Dopo attenta analisi, egli si accorse che il prodotto della ossidazione della o-toluen-sulfonammide (Figura 1) – si legge orto toluene sulfonammide – aveva portato alla sintesi di un composto che fu chiamato “saccarina”. Per saperne molto di più sulla storia della saccarina cliccare/tappare qui e qui.
Figura 1. Struttura della o-toluen-sulfonammide (Fonte)
La chimica della saccarina
La sintesi della saccarina, secondo lo schema di Fahlberg, è fatta a partire dal toluene (Figura 2), un composto che si ottiene per distillazione del catrame.
In presenza di acido clorosolforico (ClSO3H), il toluene subisce il processo di solfonazione con formazione dell’acido o-toluensolfonico (si tratta di uno dei due prodotti di reazione. L’altro è l’acido p-toluensolfonico – si legge acido para toluensolfonico). L’isomero orto, liquido, si separa facilmente da quello para che è solido. Il primo viene, poi, sottoposto ad una reazione che porta prima alla formazione di un cloruro di arilsulfonile, poi alla formazione della o-toluene sulfonammide (Figura 1) mediante reazione con ammoniaca. La o-toluene sulfonammide subisce infine i processi riportati in Figura 3 con ottenimento della saccarina.
Figura 3. Stadi finali della sintesi della saccarina messa a punto da Fahlberg (Fonte)
Nel 1950, è stato messo a punto un nuovo schema sintetico che oggi è quello più usato. Questo schema è riportato in Figura 4.
Figura 4. Sintesi della saccarina messa a punto nel 1950 (Fonte)
La saccarina così com’è non è molto solubile in acqua. Per questo motivo l’idrogeno ammidico – ovvero quello legato all’azoto nella struttura della saccarina riportata sia in Figura 3 che in Figura 4 – viene fatto reagire in ambiente fortemente basico in modo da ottenere la saccarina sodica la cui struttura è riportata in Figura 5.
Figura 5. Saccarina sodica
Una volta solubilizzata, la saccarina sodica ha un potere dolcificante circa 500 volte più elevato di quello del saccarosio, ovvero dello zucchero che usiamo al bar. Insomma, ciò che usiamo come dolcificante non è la saccarina, ma il suo sale sodico. In realtà, in commercio non esiste solo il sale sodico, ma anche quello di calcio e di potassio. Il potere dolcificante, comunque non dipende dal catione, ma solo dall’anione. Infine, la saccarina ha una stabilità termica molto elevata (certamente più elevata di quella dell’aspartame di cui ho già scritto) per cui può essere anche utilizzata come valido sostituto del saccarosio nella preparazione di dolci che richiedono cottura ad alta temperatura.
Saccarina e salute
Il vantaggio nell’uso della saccarina è sempre stato legato al suo indice glicemico molto basso. In altre parole, non assomigliando neanche lontanamente al glucosio, la saccarina può essere usata senza alcun problema dai diabetici. In effetti, essa è stata il primo dolcificante per diabetici. Prima della sua sintesi, i diabetici non potevano assumere alimenti dolci. Questi erano per essi completamente proibiti. Tuttavia, nonostante quanto appena scritto, recentemente è apparsa una notizia nel sito della Fondazione Veronesi (qui) in cui si descrivono i risultati di uno studio che dimostrerebbe come un uso intenso di saccarina possa portare ad una alterazione della flora microbica intestinale con conseguente modifica del metabolismo del glucosio ed insorgenza di diabete. Insomma, a quanto pare la saccarina non sembrerebbe così inerte come si pensava e si pensa tuttora. Tuttavia, la stessa Fondazione Veronesi si guarda bene dal lanciare allarmi isterici perché finora lo studio di cui sto scrivendo è unico e solo. Come giustamente richiedono le regole del metodo scientifico, perché uno studio possa risultare attendibile è necessario superare la prova del tempo. Solo il tempo, durante il quale nuove prove potranno essere prodotte, potrà dirci se effettivamente la saccarina non è inerte nei confronti dell’insorgenza del diabete.
Uno dei tanti miti legati all’uso della saccarina è la relazione saccarina-cancro. Questo mito, che torna in auge di tanto in tanto soprattutto nelle pagine dei “nazi-salutisti”, è legato ad una serie di studi (molti descritti qui) in cui si è evidenziata una correlazione tra tumori alla vescica nei ratti e uso di saccarina. In realtà, non c’è mai stata una correlazione diretta tra uso di saccarina ed insorgenza di tumori alla vescica negli esseri umani. In particolare, è stato evidenziato che l’insorgenza di tumori vescicali nella sperimentazione animale era legata da un lato alle elevate concentrazioni di saccarina, cui gli umani non sono mai esposti, dall’altro alla fisiologia vescicale animale completamente diversa da quella umana che risultava, quindi, meno esposta all’azione del dolcificante in esame. Una trattazione più completa di quanto sto riportando è qui.
conclusioni
Come nel caso dell’aspartame di cui ho già detto, anche in quello della saccarina vale ciò che aveva intuito Paracelso qualche secolo fa: è la dose che fa il veleno. Notizie inneggianti ad una presunta pericolosità della saccarina sono assolutamente prive di ogni fondamento se decontestualizzate dallo specifico ambito sperimentale da cui esse sono tratte. Usate pure la saccarina se siete a dieta o se siete diabetici e soprattutto se incontra i vostri gusti, ma fatene un uso oculato. Come sono solito dire ai miei studenti, una sackertorte è buonissima. Ma se ne mangiate una fetta va bene. Il vostro palato ed il vostro umore ne trarranno vantaggi. Se la mangiate tutta o ne mangiate oltre ogni limite, non avrete alcun vantaggio ma solo un ricovero ospedaliero per indigestione, se siete fortunati, o per iperglicemia, se siete meno fortunati.
NotE
Ho messo in evidenza che Fahlberg si accorse del tutto casualmente di aver prodotto un dolcificante durante una cena a casa con la moglie dopo il suo lavoro. Ecco. Una cosa che NON bisogna mai fare è non lavare bene le mani e gli indumenti quando, dopo un lavoro in laboratorio, si è venuti a contatto con i prodotti con cui si è lavorato. Fahlberg è stato fortunato. La saccarina da lui prodotta non aveva effetti tossici. Tuttavia, quando si lavora in laboratorio NON bisogna mai operare a mani nude, ma sempre con gli opportuni dispositivi di sicurezza personali (camice, guanti, occhiali sono i più comuni). I composti che un chimico maneggia possono essere estremamente pericolosi. Mi ricordo ancora quando a noi studenti del primo anno di chimica veniva detto dai nostri professori che l’incidenza di cancro o altre patologie legate al laboratorio è molto alta tra i chimici. Col senno di poi, posso dire che non è granché vero. Però la lezione è servita. Anche io, ai miei collaboratori che entrano per la prima volta in laboratorio, spiego le basi della sicurezza di laboratorio. Un qualsiasi errore nel lavoro di laboratorio può portare a ferite serie o essere addirittura letale.
Vi ricordate di quando vi ho descritto il fuoco greco? No!? Beh, era a questo link. Si trattava di una miscela di composti chimici in grado di bruciare anche nell’acqua. Devo dire che la chimica della combustione è molto affascinante, soprattutto se questa innesca una serie di reazioni spettacolari come quelle che si osservano alla mezzanotte di ogni fine di anno con i famosi botti di capodanno.
Cerchiamo di capire cosa accade a livello chimico fisico quando giochi pirotecnici come quelli nel filmato qui sotto (che si riferisce ai fuochi della festa di Santa Rosalia a Palermo nel 2016) ci meravigliano per il loro effetto scenico.
I saggi alla fiamma
Dovete sapere che gli studenti di chimica al primo anno (almeno ai miei tempi. Oggi non so più come sono i programmi delle ex facoltà di Chimica) studiano i saggi alla fiamma. In soldoni, si tratta di indagini che ci consentono di identificare gli elementi chimici nelle miscele attraverso il riconoscimento di certi colori caratteristici.
Andiamo con ordine.
Quando il metallo contenuto in un sale disciolto in una soluzione acida viene posto ad alta temperatura sulla fiamma di un becco Bunsen (cosa sia e come si usa, lo potete vedere nel simpatico filmato qui sotto), subisce una transizione elettronica, ovvero i suoi elettroni passano da un livello energetico fondamentale ad uno eccitato. Quando gli elettroni ritornano nello stato fondamentale, emettono dei fotoni a delle lunghezze d’onda caratteristiche che noi riconosciamo come colori.
Ogni elemento chimico è in grado di colorare la fiamma del becco Bunsen in modo caratteristico. In Figura 1 si vede come il rame sia in grado di produrre una fiamma verde, il sodio giallo-arancio molto intenso, lo stronzio rosso vivo et che etc.
Figura 1. Colori caratteristici di alcuni elementi della tavola periodica (Fonte)
I giochi pirotecnici
Cosa c’entrano i saggi alla fiamma con i giochi pirotecnici? Beh, prendiamo in considerazione la polvere da sparo. Si tratta di una miscela contenente: carbone (C), nitrato di potassio (KNO3) e zolfo (S). Per effetto dell’innesco della combustione, i composti anzidetti reagiscono in un processo esotermico portando alla formazione di carbonato di potassio (K2CO3), solfato di potassio (K2SO4), solfuro di potassio (K2S), carbonato di ammonio ((NH4)2CO3), oltre a un insieme di gas tra cui anidride carbonica (CO2), azoto molecolare (N2), idrogeno molecolare (H2), acqua (H2O), acido solfidrico (H2S) e metano (CH4),
Se la polvere da sparo viene compressa in un volume piccolo, per esempio un tubo, la reazione di combustione non produce solo calore. Infatti, la rapida espansione dei gas anzidetti produce anche un forte rumore che noi siamo abituati a chiamare “botto”. Se la polvere da sparo viene miscelata con i sali di metalli quali il titanio, il calcio, il litio, l’antimonio, il sodio, il rame, il bario etc. all’esplosione, dovuta alla rapida espansione dei gas, si associa anche una colorazione dovuta al fatto che, grazie alle alte temperature raggiunte durante la reazione, i metalli anzidetti emettono luce che noi percepiamo con i tipici colori illustrati nel paragrafo sui saggi alla fiamma.
Correva l’anno 1948 e lo zoologo H.M. Peters conduceva delle osservazioni sulle modalità con cui i ragni tessono la loro tela. Peters aveva necessità di documentare le sue osservazioni con delle foto. Incontrò ben presto un problema. I ragnetti non sembravano molto collaborativi. Tessevano la tela nelle prime ore del mattino, preferendo operare nella totale oscurità. Questo, oltre a costringere Peters a delle levatacce, impediva l’uso delle tecniche allora in uso per scattare le foto. Nel ‘48 non esistevano le macchine fotografiche di oggi e per ottenere immagini decenti era necessario illuminare la scena. L’illuminazione, tuttavia, contrastava con le abitudini dei ragnetti. Peters decise, allora, di rivolgersi ad un suo collega farmacologo, Peter Witt, per capire se fosse possibile somministrare un qualche farmaco ai ragnetti per spostare la loro attività dalla notte fonda alle prime luci del mattino.
Witt decise di somministrare ai ragnetti diverse sostanze psicotrope e di valutarne gli effetti sul comportamento e la produttività.
La Figura 1 mostra la tela normale di un ragno a cui non era stato somministrato nulla.
Figura 1. Tela fatta da un ragno non “drogato” (Fonte)
Dopo somministrazione di mescalina, la rete appariva come in Figura 2
Figura 2. Tela ottenuta dopo somministrazione di mescalina (Fonte)
La mescalina è una sostanza che si trova in un cactus che veniva masticato dai nativi americani per indurre allucinazioni. Queste venivano descritte come veri e propri contatti con le divinità. Evidentemente, i ragnetti, a cui era apparsa improvvisamente la loro aracno-divinità suprema, avevano dimenticato di costruire parte della loro tela lasciando il lavoro a metà.
La dietilammide dell’acido lisergico o LSD è una sostanza allucinogena la cui struttura è simile a quella dell’acido lisergico, tossina da cui è stata sintetizzata. Quest’ultima è contenuta nella segala cornuta. La LSD, come lo stesso acido lisergico, provoca stati di alterazione che corrispondono ad un aumento delle percezioni sensoriali e visioni distorte della realtà. Sembra che la tossina contenuta nella segala cornuta sia stata responsabile delle allucinazioni che, nel XVII secolo, furono alla base delle accuse di stregoneria e della caccia alle streghe che si realizzò a Salem. Per effetto delle “allucinazioni” indotte da LSD, la tela dei ragnetti appariva come in Figura 3.
Figura 3. Tela tessuta dopo somministrazione di LSD (Fonte)
I ragni hanno “dimenticato” di tessere gran parte dei fili interni nella struttura portante della loro tela.
Quante volte diciamo “ma che ti sei fumato?” quando vogliamo riferircia qualcuno il cui comportamento è svagato? Questa locuzione, come è ben noto, si riferisce all’uso di marijuana che ha la proprietà di alterare le proprietà cognitive degli individui. Ebbene, a quanto pare anche i ragni vengono influenzati dagli effetti della marijuana. La Figura 4 mostra la rete fabbricata dai ragni a cui è stata somministrato questo farmaco.
Figura 4. Ragnatela fatta da ragni soggetti all’azione della marijuana (Fonte)
I caffè, si sa, contengono caffeina, un alcaloide che, se assunto in grande quantità, può portare a problemi cardiaci. Oltre agli effetti cardiaci, la caffeina stimola anche il sistema nervoso centrale tanto è vero che molte volte diciamo “no, grazie. Il caffè mi rende nervoso”. Il ragno che ha tessuto la tela mostrata in Figura 5 si deve essere innervosito non poco per aver fatto una ragnatela che ha poco in comune con quella tradizionale di Figura 1.
Figura 5. Ragnatela fatta da un ragno sottoposto all’azione della caffeina (Fonte)
La benzedrina è una molecola che appartiene alla classe delle amfetamine, farmaci che stimolano sia il sistema nervoso centrale che periferico. La sua somministrazione “induce una spiccata capacità di iniziativa, stato di eccitazione ed esaltazione; scompare qualsiasi sensazione di fatica con conseguente aumento dell’attività motoria e logorrea; si fortifica mentalmente il soggetto senza che però si potenzi il rendimento personale”. I ragnetti che hanno prodotto la tela di Figura 6 hanno lavorato con maggiore velocità rispetto al normale fabbricando, in ogni caso, una rete molto più asimmetrica rispetto a quella di Figura 1.
Figura 6. Tela ottenuta sotto l’effetto di benzedrina (Fonte)
Quando i ragnetti sono stati sottoposti all’azione di un sonnifero, la ragnatela è risultata largamente incompleta, come mostrato in Figura 7.
Figura 7. Ragnatela ottenuta sotto l’effetto di un sonnifero (Fonte)
Gli esperimenti condotti da Witt alla fine degli anni quaranta del XX secolo, sono stati riprodotti, ed i risultati confermati, dagli scienziati della NASA molto recentemente. Purtroppo per Peters, i ragnetti non hanno modificato le loro abitudini mattutine, ma solo quelle relative alla loro capacità di costruire le ragnatele.
L’ acrilamide è una molecola di cui di tanto in tanto si sente parlare in giro per la rete o nei giornali a tiratura nazionale soprattutto nei periodi di festa durante i quali si prospettano enormi abbuffate.
Si tratta di una molecola dalle caratteristiche genotossiche e cancerogene, ovvero in grado di modificare il DNA e provocare il cancro, ottenuta per degradazione ad alte temperature (>120° C) di alcune molecole contenute negli alimenti sottoposti a cottura.
Ma andiamo con ordine.
L’ acrilamide ha la struttura riportata in Figura 1.
Come si evince dalla struttura, si tratta di una molecola con doppi legami coniugati in cui il gruppo funzionale che ne determina le caratteristiche chimiche è quello amidico, ovvero il sistema -NH2 legato al carbonio carbonilico.
Il meccanismo attraverso cui l’ acrilamide si forma durante la cottura degli alimenti è stato delucidato solo nel 2003 (Figura 2).
Figura 2. Il lavoro in cui è stato proposto per la prima volta il meccanismo di formazione dell’acrilamide
La Figura 3 mostra tutte le reazioni coinvolte nella formazione dell’ acrilamide.
Figura 3. Meccanismo di formazione dell’acrilamide
Un aminoacido, l’arginina, reagisce con il gruppo carbonilico di uno zucchero. Si forma una base di Schiff, responsabile dell’imbrunimento dell’alimento durante la cottura, dalla cui decarbossilazione si ottiene una base di Schiff decarbossilata che può essere soggetta a due meccanismi di decomposizione. Da un lato si può avere idrolisi con formazione di 3-propionamide dalla cui de-amminazione si ottiene l’ acrilamide; dall’altro si può avere degradazione termica con formazione di acrilamide ed una nuova base di Schiff come sottoprodotto.
La Figura 3 è presa dal lavoro pubblicato su J. Agric. Food Chem. di cui si riporta il titolo in Figura 2. La rivista è una delle più accreditate in ambito agricolo ed alimentare. Nonostante questo non posso non rilevare un errore nel meccanismo descritto. Infatti, la decarbossilazione della base di Schiff porta alla formazione di una base di Schiff decarbossilata che, secondo gli autori, è soggetta all’equilibrio descritto in Figura 4.
Figura 4. Equilibrio cui è soggetta la base di Schiff decarbossilata secondo gli autori del lavoro pubblicato su J. Agric. Food Chem.
In realtà le due strutture descritte differiscono tra loro solo per la distribuzione degli elettroni, per cui esse sono ibridi di risonanza e non possono essere correlate dalla doppia freccia. Esse devono essere correlate da una freccia a doppia punta (↔).
Il meccanismo di azione dell’ acrilamide
Il gruppo vinilico dell’acrilamide è molto reattivo e può dar luogo alla formazione dell’epossido mostrato in Figura 5.
Figura 5. Forma epossidica dell’acrilamide (Fonte)
È proprio questa forma epossidica che, in presenza delle basi nucleotidiche del DNA, reagisce per dare i prodotti mostrati in Figura 6.
Figura 6. Prodotti delle reazioni tra le basi nucleotidiche e la forma epossidica dell’acrilamide (Fonte)
Gli addotti ottenuti per reazione della forma epossidica dell’acrilamide con le basi nucleotidiche del DNA sono responsabili delle alterazioni strutturali del DNA e della possibile insorgenza di forme tumorali.
Cosa fare
Dalla breve disamina sulla chimica dell’acrilamide appare chiaro che gli alimenti più pericolosi per la salute, quando sottoposti a cottura ad alta temperatura, sono quelli con elevato contenuto di zuccheri liberi. Tra questi le patate e tutti quelli ad elevato tenore di amido. Per evitare la formazione di acrilamide quando si utilizzano le patate, bisogna usare un po’ di accorgimenti (fonte):
per la frittura si devono utilizzare oli con un punto di fumo elevato; i piu’ idonei sono l’ olio di oliva, l’ olio di arachide e il tanto bistrattato olio di palma. L’ olio di girasole e l’ olio di semi di soia sono assolutamente da evitare. Di fatto, gli oli formulati per le fritture sono costituiti in genere da una miscela di olio di arachide e olio di palma;
L’ olio non deve essere riutilizzato per piu’ fritture;
le patatine non devono diventare troppo scure; bisogna diminuire il piu’ possibile i tempi di frittura;
prima di friggerle è buona norma lasciare le patate in ammollo in acqua e sale per almeno 30 minuti; in questo modo parte degli zuccheri semplici passano nell’ acqua e di conseguenza si originerà un quantitativo inferiore di acrilammide;
le patate devono essere conservate al buio ma non in frigorifero, perché il freddo le rende più dolci, dunque più ricche di zuccheri liberi in grado di reagire con l’asparagina;
è da evitare la germinazione perchè essa riattiva il metabolismo della patata che si arricchisce di zuccheri semplici e di amminoacidi.
i limiti suggeriti
La tabella mostrata in Figura 7 mostra i limiti massimi di acrilamide che devono essere presenti in alcuni alimenti. Per una visione migliore di questa tabella si può cliccare qui.
Figura 7. Limiti massimi ammissibili di acrilamide in alcuni alimenti
Note conclusive
Devo delle scuse a quelli dei miei lettori che non hanno una preparazione chimica. In questo lungo post ho deciso di non usare un linguaggio semplice. Ho utilizzato il linguaggio chimico che richiede delle conoscenze almeno da primo anno di università. Non c’è un motivo particolare per aver fatto questa scelta se non la mia pigrizia che in questo momento mi impedisce di concentrarmi a sufficienza per elaborare un discorso accessibile a quante più persone possibili. Spero sia chiaro che bisogna fare attenzione ai sottoprodotti che si ottengono durante la preparazione degli alimenti. Questi possono avere effetti avversi. Tuttavia, come già evidenziato in tanti altri post sul mio blog, è la dose che fa il veleno. Una alimentazione sana ed equilibrata assicura un ottimo stato di salute.
La lettura di questo articoletto molto poco divulgativo deve evidenziare che è possibile trovare errori più o meno gravi anche in lavori pubblicati su riviste molto ben accreditate in ambito scientifico. Purtroppo tali errori sono visibili solo agli occhi dei tecnici e talvolta nemmeno ad essi visto che questi errori possono superare i filtri della peer review. Nel caso specifico della chimica dell’acrilamide gli errori cui si fa riferimento sono stati superati grazie alla prova del tempo. Dal 2003 ad oggi il meccanismo proposto per la formazione dell’acrilamide è stato più volte confermato.
Mi scuso anche per la bassa qualità delle immagini dell’articolo proposto. L’articolo è stato scritto usando un tablet e su questo mezzo le immagini appaiono di buona qualità. Sui computer, purtroppo, non è così.
Una delle riviste che mi piace leggere è Wired. Non sempre lo faccio perché è una rivista che esce un paio di volte all’anno e non sempre mi ricordo di prenderla in edicola. Stavolta sì; mi è capitata sotto gli occhi nell’edicola dell’aeroporto e l’ho presa. Capisco che sapere quali siano le mie letture preferite non è che importi a molti, così come non é particolarmente interessante sapere in che modo mi ricordi di prendere le riviste in edicola. Questo sproloquio introduttivo mi serve solo per dire che nell’ultimo numero di Wired, dedicato a come sarà il nostro futuro, ho trovato una introduzione di Carlo Rovelli, tra i fisici italiani più prestigiosi, che mi ha fatto molto riflettere.
Rovelli in sintesi afferma: “Il futuro non dipenderà da nuove prodigiose scoperte o inaspettate tecnologie ma sarà determinato dai governanti che ci sceglieremo: ragionevoli o irragionevoli”. Le sue argomentazioni sembrano molto ragionevoli e condivisibili: “parlare del futuro è sempre parlare del presente. Scienza e tecnologia continuano ad avanzare ma, fra le due, c’è uno scarto. Presto mi aspetto maggiori passi avanti nella conoscenza del mondo […]. Ma non credo che la tecnologia spiccherà grandi salti avanti. […] A me, in effetti, sembra che lo sviluppo tecnologico sia già in un periodo di forte rallentamento. Da quando sono nato ho visto arrivare l’uso di massa del trasporto aereo, i computer, internet. Sembra molto ma, se provo a confrontarlo coi cambiamenti che ha vissuto mia nonna le novità di oggi impallidiscono. Lei ha conosciuto la radio, la televisione, l’illuminazione stradale, le automobili, gli aeroplani, la penicillina, l’educazione generalizzata, l’uomo sulla Luna e la bomba atomica. E ci sono state, in passato, innovazioni tecnologiche che hanno sovvertito la vita del pianeta […]. Per esempio la diffusione dei trattori ha fatto sì che la percentuale di uomini che coltivava la terra passasse da più del novanta percento a meno del dieci, e ciò ha cambiato l’esistenza di milioni di esseri umani e sovvertito in modo radicale la struttura sociale della società”.
Devo dire che, probabilmente perché sono appassionato di fantascienza e per questo abbastanza sognatore, non sono molto d’accordo con Rovelli. Egli ha fatto una serie di esempi molto significativi, però a me non convincono molto.
Chi avrebbe potuto prevedere nel 1905 che la spiegazione dell’effetto fotoelettrico di Einstein avrebbe portato dopo più di ottanta anni ai cancelli automatici? E chi avrebbe potuto prevedere negli anni sessanta del novecento che le tavolette usate dal Dr. Spock in Star Trek, noto telefilm di fantascienza, sarebbero diventate reali con gli attuali e-reader e tablet? Vogliamo parlare degli attuali telefoni cellulari di cui si anticipa l’esistenza sempre in Star Trek?
Mi potreste dire: “ma di cosa stai blaterando? Stai confondendo finzione con realtà. Una cosa è l’effetto fotoelettrico altra è la fantasia degli sceneggiatori di Star Trek”. È vero. Solo che molte volte la realtà supera la fantasia come spiega Lawrence Krauss nel suo “La fisica di Star Trek”.
Dove voglio andare a parare? Voglio semplicemente dire che lo sviluppo delle nostre conoscenze scientifiche non ci consente di dire come, quando e quanto la tecnologia potrà subire salti in avanti. Quello che a Rovelli sembra un periodo di forte rallentamento tecnologico, io lo vedo in altro modo.
La tecnologia è indissolubilmente legata al progresso scientifico. Ma anche il progresso scientifico è legato allo sviluppo tecnologico. Cose che oggi sono possibili, solo qualche anno fa erano impensabili a partire da internet di cui parla Rovelli e dal World Wide Web. La necessità di superare la lentezza nello scambio di informazioni nel mondo scientifico portò Timothy John Berners-Lee ad inventarsi quello che a noi oggi sembra qualcosa di ovvio: il web a cui internet è legato a doppio filo. E col web oggi io posso lavorare sul mio tablet scrivendo questo articolo mentre sorseggio il mio caffè. Di esempi del genere ne potrei fare a bizzeffe. Solo per rimanere nel mio ambito settoriale che è quello della risonanza magnetica nucleare, chi potrà mai dire cosa ci consentirà di conoscere in termini scientifici l’applicazione della rilassometria NMR a ciclo di campo combinata con la risonanza magnetica per immagini? Questo che è uno sviluppo tecnologico non potrà fare altro che far avanzare le frontiere della nostra conoscenza. Con esse ci saranno altri sviluppi tecnologici che potranno consentire ulteriori passi avanti nelle conoscenze in un ciclo senza fine.
La tecnologia che deriva dallo sviluppo scientifico non è neutra neanche nei nostri confronti. Essa influenza il nostro modo di pensare e di muoverci man mano che la utilizziamo. Faccio mie e rendo più generali le riflessioni di Nicholas Carr nel suo “Internet ci rende stupidi?”: quando facciamo uso di uno strumento, qualsiasi esso sia, il nostro cervello viene modificato. In altre parole, si modificano le nostre connessioni neuronali in modo tale da permetterci di adattarci allo strumento di cui facciamo uso. Lo sviluppo di strumenti sempre più innovativi ci porta ad una riprogrammazione continua del nostro computer interno – il nostro cervello – cosicché esso è di gran lunga differente rispetto a quello dei nostri nonni.
Pur non essendo il nostro hardware – il nostro aspetto fisico – differente da quello dei nostri antenati di 10000 anni fa, il nostro software – ovvero le connessioni neuronali nel nostro cervello – invece lo è perché si è dovuto riprogrammare progressivamente per poter adattarsi alle innovazioni avvenute nel corso dei secoli. Questa riprogrammazione richiede del tempo ed è, secondo me, quello che a Rovelli sembra il periodo di progressivo rallentamento tecnologico in cui viviamo.
La Figura 1 (fatta a mano in un rigurgito vintage scientifico) rappresenta quello che penso in merito al progresso scientifico – ovvero delle conoscenze – e tecnologico. Ogni volta che c’è una innovazione (segmenti con pendenza positiva) abbiamo bisogno di tempo per la riprogrammazione del nostro software interno (segmenti con pendenza quasi nulla). Dopo questo tempo si presentano nuove innovazioni seguite da nuovi periodi di apparente rallentamento.
Non sono un neuro-scienziato e so benissimo di essermi avventurato in un campo che non è il mio. È molto probabile che io abbia detto una serie di sciocchezze, ma è proprio questo lo scopo di queste riflessioni: intavolare una discussione proficua con chi è più esperto di me.
Immagine di copertina. Foto personale della copertina di Wired inverno 2017/18
Nelle mie lezioni di chimica del suolo c’è una parte del programma che riguarda la chimica dei colloidi. Ogni anno accademico, quando descrivo i colloidi del suolo, alleggerisco la lezione facendo esempi di sistemi colloidali nella vita di tutti i giorni discutendo, tra le altre cose, della schiuma del cappuccino.
Ma andiamo con ordine.
Cos’è un sistema colloidale?
Un sistema colloidale si definisce tale solo in base alle dimensioni delle particelle di soluto che lo costituiscono. Qui sotto una tabella in cui si riportano le dimensioni delle particelle di soluto che ci consentono di distinguere tra soluzioni vere, dispersioni colloidali e sospensioni solide
Sistemi chimici Dimensioni delle particelle di soluto
Soluzioni vere < 2 x 10-9 m (ovvero < 2 nm)
Dispersioni colloidali tra 2 x 10-9 e 2 x 10-6 m (cioè tra 2 nm e 2 μm)
Sospensioni solide > 2 x 10-6 m (ovvero > 2 μm)
Un sistema colloidale può essere del tipo liquido-solido (come, per esempio, nel caso della soluzione suolo in cui i minerali argillosi, delle dimensioni indicate in tabella, sono disperse nell’acqua dei suoli), liquido-liquido (come, per esempio, nel caso delle microgoccioline di olio disperse in acqua o della maionese), gas-liquido (come, per esempio, nel caso della panna montata, dei gelati o del cappuccino, di cui si dirà fra poco) e gas-gas (come, per esempio, nel caso della dispersione di microgocce di acqua in aria così da costituire la nebbia).
Per convenzione si ritiene che una dispersione colloidale sia stabile quando il tempo di flocculazione è > 2 h, ovvero se ci vogliono più di due ore prima che cominci la flocculazione. Quest’ultima consiste nel processo di aggregazione delle diverse particelle colloidali che, dopo il raggiungimento di certe dimensioni limite, risentono più della forza di gravità che delle forze di dispersione. Nel caso di particelle colloidali cariche elettricamente, le forze di dispersione sono le repulsioni elettrostatiche e le dispersioni vengono indicate come elettrocratiche. Nel caso di soluti neutri, le forze di dispersione dipendono dalle interazioni soluto-solvente e le dispersioni vengono indicate come solventocratiche.
La schiuma del cappuccino
Alla luce delle poche cose scritte, si evince che la schiuma del cappuccino è una dispersione colloidale di un gas in un liquido. Il liquido è il latte usato per il cappuccino, mentre il gas è costituito dall’aria e dal vapor d’acqua usati per montare il latte. Le goccioline di aria possono formare una dispersione colloidale nel latte grazie alla presenza in esso di surfattanti1, ovvero di molecole in grado di abbassare la tensione superficiale2 del liquido in cui esse sono presenti. La caratteristica chimica più importante dei surfattanti è l’anfifilicità, ovvero la presenza nella struttura sia di gruppi idrofili che di gruppi idrofobi. Nel latte queste molecole sono le proteine (di cui le caseine rappresentano l’80% del totale proteico) ed i fosfolipidi (che mediamente sono lo 0.8% della massa grassa).
Quando il latte viene insufflato col vapore acqueo mediante l’utilizzo di una tipica macchina da bar (Figura 1), si forma una schiuma in cui goccioline di gas delle dimensioni comprese tra 2 nm e 2 μm sono disperse nel mezzo liquido.
Figura 1. Macchina da caffè per bar. In fondo a destra c’è il cannello usato per insufflare aria e vapore acqueo nel latte per la preparazione del cappuccino (Fonte)
La stabilità di questa schiuma dipende dalla concentrazione relativa di surfattanti. Più essa è elevata, più la schiuma è stabile, ovvero le goccioline di gas non si uniscono a formare gocce più grandiche si allontanano dalla bevanda3. È per questo motivo che più è bassa la concentrazione di grassi come i trigliceridi che non sono surfattanti e rappresentano circa il 90% della massa grassa del latte, e più persistente è la schiuma o “cappuccio” del caffé. Tuttavia, l’uso del latte scremato o parzialmente scremato produce un cappuccino non molto gustoso; è meglio usare un latte intero per avere una bevanda migliore in termini di sapore, sebbene con una schiuma meno persistente.
È importante la temperatura del latte?
Chi ha familiarità con la chimica, come i miei studenti, avrà sicuramente sentito dire che la solubilità di un gas in un liquido dipende sia dalla pressione esercitata dal gas sulla superficie del liquido che dalla temperatura.
Più alta è la pressione del gas sulla superficie del liquido, maggiore è la quantità di gas disciolta (Figura 2).
Figura 2. Più alta è la pressione del gas sulla superficie del liquido, maggiore è la quantità di gas disciolta in soluzione (Fonte)
All’aumentare della temperatura la quantità di gas disciolto in un liquido diminuisce (Figura 3).
Figura 3. Dipendenza della solubilità di un gas dalla temperatura (Fonte)
Alla luce di quanto appena scritto, appare chiaro che per avere una schiuma consistente per il cappuccino occorre sciogliere quanto più gas possibile. Questo si può realizzare se il latte viene preso direttamente dal frigorifero e se il bricco entro cui si prepara la schiuma è freddo.
Quanto appena scritto è la lezione di chimica del cappuccino che faccio ad ogni barista nuovo che si mette dietro al bancone nel bar di fronte al mio dipartimento. Lo so, sembro arrogante, ma ci tengo a bere un buon cappuccino la mattina. Il latte e caffè me lo faccio da solo a casa e non ho bisogno del bar per questo. Buon cappuccino a tutti
Note
Per quei chimici che hanno il vezzo del purismo della lingua italiana: il termine “surfattante”, anche se non piace, esiste nel dizionario di italiano ed è sinonimo di “tensioattivo”. Esso è entrato nell’uso comune e non è più da considerarsi errore o cattiva traduzione dell’inglese surfactant che è l’acronimo di surface active agent. (Surfattante nel dizionario Treccani)
La locuzione “tensione superficiale” si riferisce alle forze di coesione che, all’interfaccia liquido-gas, tengono unite le molecole del liquido alla superficie del liquido stesso. In termini quantitativi, la tensione superficiale è la forza necessaria a tener uniti i lembi di un ipotetico taglio fatto sulla superficie del liquido. All’aumentare della temperatura, le forze di coesione che tengono unite le molecole alla superficie del liquido diminuiscono di intensità e la tensione superficiale diminuisce.
Le microparticelle di soluto tendono ad unirsi ed a formare aggregati a dimensione progressivamente maggiore per diminuire l’area superficiale a contatto col mezzo liquido in cui esse sono insolubili. Per questo motivo, nel tempo, tutte le dispersioni colloidali tendono a subire una separazione di fase: le emulsioni olio-acqua tendono a formare una fase acquosa sul fondo ed una fase organica sulla superficie; la maionese tende a formare uno strato di olio superficiale per effetto della separazione di quest’ultimo dalla fase acquosa; le sostanze umiche (acidi umici, fulvici ed umina) tendono ad aggregarsi ed a flocculare; etc etc.
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