Latte e derivati: l’importanza della matrice per la salute umana e la nutrizione di precisione

Introduzione

La matrice alimentare descrive una rete tridimensionale di interazioni tra i componenti di un alimento, con effetti diretti su digeribilità e biodisponibilità. Nei prodotti lattiero-caseari, questa matrice si estende su diverse scale di lunghezza, dalla macrostruttura visibile fino al livello molecolare: i globuli di grasso (fino a 20 µm), le micelle di caseina e le componenti colloidali (es. CCP, MFGM) interagiscono tra loro influenzando la struttura finale.

Anche componenti minori – lattosio, minerali solubili, acidi organici – partecipano indirettamente alla struttura attraverso effetti osmotici o pH-dipendenti.

Il formaggio, in particolare, rappresenta un modello strutturale complesso, con una rete continua di proteine caseiniche, interspaziata da siero e grasso libero o coalescente (Figura 1).

Figura 1. Micrografia confocale a scansione laser di un formaggio da pizza: le proteine ​​sono colorate di verde, il grasso di giallo, le regioni nere non fluorescenti sono canali per l’acqua. (A) Raccolta di grasso libero da globuli di grasso rotti e coalescenti, e (B) globulo emulsionato più piccolo intrappolato in un canale per l’acqua.

La crescente attenzione alla nutrizione strutturale ha evidenziato come la microstruttura influenzi l’effettivo assorbimento intestinale, come dimostrato da studi recenti (Feeney e McKinley, 2020; Huppertz et al., 2024). L’analisi di strutture colloidali e molecolari in vitro e in vivo consente di comprendere meglio le modalità di rilascio e disponibilità dei nutrienti nel tratto gastrointestinale umano. Questo approccio supera la semplice valutazione compositiva, adottando una visione strutturale e meccanicistica della nutrizione.

Elementi strutturali

Lo studio della microstruttura dei prodotti lattiero-caseari è fondamentale per comprendere la loro funzionalità tecnologica e nutrizionale. Nel corso degli anni, numerosi approcci analitici sono stati utilizzati per caratterizzare le strutture su scala micro e nanometrica, fornendo una visione integrata delle fasi proteiche, lipidiche e minerali presenti in questi alimenti complessi.

Tecniche di analisi strutturale

Le principali metodologie utilizzate per l’indagine della microstruttura comprendono tecniche microscopiche (ottica, elettronica a scansione e trasmissione, microscopia confocale a scansione laser), tecniche di spettroscopia (imaging confocale Raman, fluorescenza, rilassometria NMR), tecniche reologiche e calorimetriche (DSC), fino alla diffrazione dei raggi X e alla diffusione di luce e neutroni.

Ciascuna di queste tecniche offre informazioni specifiche e complementari: ad esempio, la CLSM consente di visualizzare direttamente la distribuzione spaziale di grassi e proteine nei formaggi, la microscopia elettronica permette di osservare le strutture submicellari, la diffrazione dei raggi X evidenzia la presenza di fasi cristalline nei sali minerali del formaggio.

Everett e Auty (2017) hanno fornito una panoramica completa di queste metodiche, che oggi vengono integrate da approcci emergenti come la microscopia a forza atomica e la microscopia a due fotoni. Tutto ciò ha permesso di interpretare meglio il ruolo della microstruttura nella digeribilità e nel rilascio di nutrienti, mettendo in relazione le proprietà microscopiche con le funzioni fisiologiche.

Strutture minerali nei formaggi

Nel contesto dei formaggi stagionati, i minerali rappresentano una componente strutturale macroscopica evidente. La loro presenza è fortemente influenzata dal pH, dalla microflora e dalle condizioni ambientali durante la maturazione.

In diversi tipi di formaggi si osservano depositi minerali visibili anche a occhio nudo: cristalli di tirosina e leucina sono comuni in formaggi a lunga stagionatura come il Parmigiano Reggiano e il Gouda, mentre lattato di calcio e composti come la struvite o la brushite si localizzano in punti specifici, seguendo gradienti di acidità e attività microbica.

La scala dimensionale di questi cristalli varia da decine di micrometri fino a millimetri, e la loro presenza può influenzare la texture, l’aspetto visivo e la percezione sensoriale del prodotto.

Micelle di caseina: struttura e modelli

Le micelle di caseina rappresentano la principale entità colloidale del latte, con un diametro medio di circa 150 nm nel latte bovino. Si tratta di complessi auto assemblati composti da α-, β- e κ-caseine, stabilizzati da ponti a base di calcio-fosfato e da interazioni idrofobiche.

Sebbene vengano chiamate “micelle”, non rientrano nella definizione classica di micella tensioattiva, in quanto la loro struttura è altamente disordinata e dinamica. Un aspetto cruciale è la localizzazione delle molecole di β-caseina sulla superficie micellare, che tende a dissociarsi a basse temperature a causa della riduzione delle interazioni idrofobiche.

La Figura 2 mostra un’immagine ottenuta con microscopia elettronica a scansione a emissione di campo, in cui si osserva la morfologia superficiale framboidale delle micelle con la presenza di strutture tubulari riconducibili a κ-caseina.

Figura 2. Immagine della micella di caseina ottenuta mediante microscopia elettronica a scansione a emissione di campo che mostra una superficie framboidale di strutture tubulari di caseina associate a κ-CN sulla superficie esterna. Barra di scala 200 nm.

Diversi modelli teorici sono stati proposti per spiegare l’organizzazione interna delle micelle. Il modello submicellare (Walstra, 1999) è stato in parte superato da approcci che prevedono la presenza di nanocluster di fosfato di calcio (De Kruif, 2014), capaci di legare fosfoserine presenti nelle caseine e conferire stabilità alla struttura.

La Figura 3 presenta un modello attuale che mostra α- e β-caseina legate a nanocluster minerali (CCP), con uno strato esterno stabilizzante costituito da κ-caseina.

Figura 3. Modello di micella di caseina che mostra α – CN e β-CN (rossi) legati a nanocluster di fosfato di calcio (sfere grigie) con uno strato sterico stabilizzante di κ-CN (verde) attaccato alla superficie della micella e β-CN (blu) legato idrofobicamente all’interno della micella.

Queste strutture, evolutivamente, sembrano essere finalizzate a mantenere il calcio in soluzione sotto forma colloidale, aumentando la sua concentrazione nel latte senza formazione di precipitati. Inoltre, i fosfopeptidi derivati dalla digestione della caseina, come dimostrato in studi recenti, facilitano il trasporto del calcio attraverso la barriera intestinale, contribuendo alla mineralizzazione ossea.

La capacità di altri peptidi fosforilati di formare nanocluster suggerisce un ruolo strutturale e regolativo anche al di fuori della sfera alimentare, come nei processi di calcificazione dei tessuti.

Globuli di grasso e loro distribuzione

I globuli di grasso nel latte sono principalmente composti da triacilgliceridi, rivestiti da una membrana biologica complessa nota come MFGM (milk fat globule membrane). Questi globuli variano in dimensione da 100 nm fino a 20 µm e sono fondamentali per le proprietà fisiche e nutrizionali del latte e dei formaggi. Nelle paste filate, i globuli si inseriscono nei canali acquosi della matrice proteica, favorendo inizialmente la fuoriuscita del siero. Col tempo, l’assorbimento d’acqua da parte delle caseine riduce l’espulsione del siero e stabilizza la struttura.

A dimensioni inferiori (decine di nanometri), i globuli possono presentarsi come vescicole lipidiche prive di contenuto di triacilgliceridi, ponendo sfide significative per la caratterizzazione analitica.

Struttura della MFGM

La membrana del globulo di grasso ha una struttura a tre strati, costituita da una combinazione di fosfolipidi, colesterolo e proteine. Lo strato interno è formato da un monostrato fosfolipidico con le catene idrofobiche rivolte verso l’interno lipidico, mentre all’esterno si trova un doppio strato, separato dalla regione citoplasmatica residua della cellula secretoria. La superficie esterna è dominata dalle teste polari dei fosfolipidi.

Tra i componenti principali troviamo fosfatidilcolina, sfingomielina, fosfatidilserina, fosfatidiletanolammina e colesterolo. Questi formano domini liquido-ordinati (Lo) e disordinati (Ld), che possono essere visualizzati grazie all’uso di sonde fluorescenti specifiche. La Figura 4 mostra una CLSM in cui i domini Lo appaiono come aree nere, inaccessibili alla sonda Rh-DOPE, mentre le aree rosse corrispondono a regioni Ld.

Figura 4. Immagine di scansione laser confocale di un grande globulo di grasso che mostra domini ordinati in modo liquido (neri) all’interno di una regione disordinata in modo liquido (rossa) colorata con Rh-DOPE; le sfere rosse attaccate alla superficie del globulo potrebbero costituire vescicole.

Un modello schematico aggiornato della membrana MFGM è riportato in Figura 5, dove si evidenzia l’organizzazione spaziale dei domini e la distribuzione dei componenti lipidici.

Figura 5. Modello aggiornato del tristrato della membrana del globulo di grasso del latte che mostra domini ordinati in modo solido e liquido all’interno di una regione disordinata in modo liquido.

Studi recenti hanno mostrato che le caratteristiche della MFGM variano in funzione della dimensione del globulo di grasso, aprendo prospettive interessanti per la formulazione di alimenti funzionali con proprietà lipidiche e nutrizionali specifiche.

Elaborazione della matrice lattiero-casearia

Le tecnologie di trasformazione del latte influenzano in modo decisivo la microstruttura dei prodotti lattiero-caseari, con ripercussioni sulla digeribilità e sul rilascio dei nutrienti. I trattamenti termici, la coagulazione e l’omogeneizzazione determinano modifiche strutturali che influiscono sulla disponibilità delle proteine e dei lipidi durante la digestione.

La pastorizzazione e, in misura maggiore, la sterilizzazione UHT causano la denaturazione parziale delle sieroproteine, che possono formare legami con la κ-caseina sulla superficie micellare. Questo altera la struttura delle micelle e può ridurre l’accessibilità dei legami peptidici agli enzimi digestivi.

Allo stesso tempo, temperature elevate intensificano le interazioni idrofobiche tra caseine, formando una matrice più compatta e meno digeribile, mentre la solubilizzazione del fosfato di calcio altera la stabilità micellare.

Durante la produzione del formaggio, la coagulazione enzimatica o acida del latte porta alla formazione di gel con caratteristiche strutturali diverse. I gel acidi risultano più porosi e rilasciano più rapidamente le proteine durante la digestione, mentre quelli ottenuti con caglio generano coaguli più compatti, con rilascio proteico più lento e minore produzione di peptidi bioattivi.

L’omogeneizzazione, infine, modifica i globuli di grasso e la struttura del coagulo gastrico. In studi su suinetti, il latte UHT omogeneizzato ha mostrato una cagliata più debole e meno aggregata, associata a uno svuotamento gastrico più rapido e a un rilascio accelerato di proteine e amminoacidi.

Nel complesso, le tecnologie di trasformazione influenzano profondamente la microstruttura del latte e dei suoi derivati, modulando la velocità e l’efficacia della digestione.

Struttura e digeribilità

La digestione gastrica si riferisce alla scomposizione iniziale di macronutrienti nello stomaco, distinta dalla digestione intestinale, che ristruttura i nutrienti e ne influenza la biodisponibilità.

La matrice lattiero-casearia gioca un ruolo chiave nel determinare accessibilità e assorbimento. Le principali particelle colloidali del latte (micelle di caseina, globuli di grasso, proteine del siero, CCP) sono progettate per ottimizzare l’assorbimento neonatale. Le dinamiche di idrolisi e rilascio di aminoacidi variano tra caseine e sieroproteine in base agli enzimi presenti e alla struttura della dispersione, influenzata dalla composizione e dal calcio.

Durante la digestione, lipidi e proteine subiscono una scomposizione sequenziale: nello stomaco, pepsina e lipasi agiscono rispettivamente su proteine e trigliceridi, mentre nell’intestino avviene la maggior parte dell’idrolisi. In un modello a tre stadi, la degradazione strutturale di un formaggio Gouda avviene principalmente nella fase intestinale.

Figura 6. Formaggio Gouda prima della digestione in vitro (A) e durante la fase orale (B), la fase gastrica (C) e la fase intestinale (D). Verde, rosso e nero rappresentano rispettivamente proteine, grassi e siero. Barre di scala 10 μm.

Digestione delle proteine

Durante la digestione gastrica, il latte coagula formando gel che rallentano lo svuotamento gastrico e migliorano l’assorbimento intestinale. La consistenza del gel influenza il tasso digestivo: gel duri si svuotano più velocemente rispetto a gel morbidi.

Studi su latte riscaldato mostrano che la denaturazione delle sieroproteine ne aumenta l’idrolisi. Anche il formaggio e lo yogurt mostrano una digestione più rapida rispetto a emulsioni liquide proteiche. La matrice alimentare e i trattamenti termici influiscono sia sulla coagulazione gastrica sia sulla biodisponibilità intestinale degli aminoacidi.

Fenotipi di β-caseina (es. A1 vs A2) influenzano la degradazione del formaggio e la velocità di digestione. Le proteine associate alla MFGM (membrana del globulo di grasso del latte) mostrano resistenze variabili alla digestione in base alla loro localizzazione nella struttura nativa, alla glicosilazione e all’interazione con lipidi.

Figura 7. Diagramma dei processi che si verificano durante la digestione gastrica e intestinale. (A) Struttura a tre strati della MFGM nativa con proteine ​​incorporate. (B) digestione gastrica; (C) inizio della digestione intestinale; (D) ulteriore digestione intestinale. ADPH = adipofilina; BTN = butirrofilina; CD36 = cluster di differenziazione 36; MFGM = membrana del globulo di grasso del latte; XO = xantina ossidasi.

Digestione dei lipidi

La digestione lipidica inizia nello stomaco con la liberazione di acidi grassi e continua nell’intestino, dove i sali biliari favoriscono l’azione della lipasi pancreatica. I lipidi si integrano in micelle miste per l’assorbimento intestinale. Alcuni componenti lipidici della MFGM (es. sfingomielina, gangliosidi) risultano resistenti alla digestione infantile, ma mancano dati su sistemi nativi e sulla sfingomielinasi, più attiva a pH alcalino.

Studi su vari formaggi mostrano che la degradazione strutturale dipende dalla composizione e dalla maturazione. La mozzarella, per esempio, mostra maggiore disintegrazione e rilascio di acidi grassi, soprattutto in fase gastrica, a causa dell’assenza di un rivestimento emulsionante. Il cheddar stagionato, meno elastico, si degrada più in fase gastrica, mentre il cheddar magro si disintegra soprattutto in fase intestinale.

Formaggi solidi risultano più resistenti alla digestione rispetto a yogurt e latte, ma il latte omogeneizzato facilita la lipolisi per la maggiore superficie esposta dei globuli grassi.

Struttura e assorbimento

La complessità della matrice lattiero-casearia suggerisce che qualsiasi preoccupazione riguardo al consumo di latticini interi e il suo impatto sulla salute cardiovascolare debba essere contestualizzata considerando il latte come alimento completo, piuttosto che ridurre l’analisi ai singoli componenti. Questo approccio riduzionista non tiene conto delle interazioni biochimiche e fisiche tra i vari componenti della matrice lattiero-casearia, che, come sottolineato da alcuni studi, possono avere effetti sinergici sulla salute cardiovascolare e ossea.

Assorbimento dei lipidi

L’MFGM (membrana dei globuli di grasso) contiene lipidi polari che svolgono un ruolo protettivo nei confronti della salute metabolica. Questi lipidi hanno effetti positivi sul microbiota intestinale, riducendo il rischio cardiometabolico e l’infiammazione, e favoriscono una riduzione dell’assorbimento del colesterolo intestinale.

L’assorbimento dei lipidi varia a seconda della struttura dei prodotti lattiero-caseari. Prodotti come panna e panna acida, che presentano una struttura lipidica minimamente distrutta, mostrano un tasso di assorbimento più rapido rispetto a formaggi e burro. L’efficacia dell’emulsione grassa nel latte è determinata dalla tensione superficiale tra olio e acqua, che facilita l’accesso delle lipasi ai lipidi. La biodisponibilità degli acidi grassi può essere ostacolata dalla formazione di sali di calcio, che impedisce l’incorporazione di acidi grassi a catena lunga nelle micelle, rallentando il loro assorbimento.

Assorbimento degli aminoacidi

L’assorbimento degli aminoacidi essenziali varia a seconda della matrice lattiero-casearia consumata. Studi sugli effetti di latte, yogurt, concentrati proteici e formaggi hanno mostrato che lo yogurt e il concentrato proteico del siero (WPC) sono particolarmente efficaci nell’aumentare la concentrazione di aminoacidi nel sangue, mentre i formaggi rilasciano aminoacidi più lentamente.

La struttura solida del formaggio e la sua viscosità sembrano rallentare la velocità di digestione, mentre i prodotti liquidi come le bevande a base di panna e formaggio omogeneizzato favoriscono una digestione più rapida degli aminoacidi. Inoltre, il contenuto di grasso nei prodotti lattiero-caseari sembra influenzare negativamente la velocità di assorbimento degli aminoacidi.

Assorbimento del calcio

Il calcio presente nei latticini gioca un ruolo fondamentale nella salute ossea, e la sua forma strutturale è cruciale per la biodisponibilità. Studi hanno evidenziato che il calcio del latte, in forma di fosfato di calcio, è più biodisponibile rispetto ad altre forme di calcio, come il carbonato di calcio.

Tuttavia, la presenza di altri nutrienti nei latticini, come magnesio e vitamina D, può influenzare ulteriormente la bioaccessibilità e l’assorbimento del calcio. La struttura del calcio nel latte, simile all’idrossiapatite (la principale componente dei denti e delle ossa), è un fattore che facilita la mineralizzazione ossea.

Il calcio contenuto nei latticini sembra anche avere un effetto positivo sulla riduzione della biodisponibilità del ferro, un aspetto importante per prevenire il rischio di malattie.

Assorbimento dei micronutrienti

I micronutrienti nei latticini, come l’acido folico, sono presenti in diverse matrici lattiero-casearie, ma la loro bioaccessibilità e biodisponibilità possono variare. Ad esempio, l’acido folico, presente moderatamente nel latte, viene assorbito più rapidamente nel latte scremato rispetto al latte intero.

L’interazione tra le proteine leganti i folati nel latte e il loro assorbimento intestinale, pur riducendo la bioaccessibilità, ha un effetto marginale sulla biodisponibilità del 5-metiltetraidrofolato, la forma biologicamente attiva dell’acido folico. Tuttavia, il processo di arricchimento con folati nei latticini potrebbe ottimizzare l’assorbimento di questi micronutrienti.

Prospettive future

La struttura delle matrici lattiero-casearie è stata ampiamente studiata, ma vi sono lacune nella comprensione dei meccanismi biochimici e strutturali. Sebbene esistano numerosi studi sull’impatto della matrice sulla salute umana, la conoscenza dei termini bioaccessibilità e biodisponibilità rimane confusa nella letteratura scientifica, creando la necessità di definizioni comuni. La ricerca sull’effetto delle matrici lattiero-casearie sulla biodisponibilità dei micronutrienti è ancora carente.

Il termine “alimento ultraprocessato” è spesso connotato negativamente nella stampa popolare, ma l’impatto delle tecnologie di lavorazione e della loro interazione con la struttura dei latticini non è ancora stato esplorato a fondo. La digeribilità, la biodisponibilità e l’efficacia dei componenti bioattivi nei latticini necessitano di ulteriori studi.

I modelli di digestione in vitro, pur essendo utili, sono limitati dalla complessità dell’apparato digerente umano, con differenze tra fasce d’età. Nuovi modelli stanno cercando di imitare meglio la digestione umana, considerando anche il microbiota e altre variabili fisiologiche.

La dieta delle bovine influisce sui componenti del latte e sulla sua struttura, con ricerche condotte in Irlanda che suggeriscono che la qualità del latte dipende dalle razioni alimentari. Tuttavia, è necessaria più ricerca sulla bioaccessibilità nelle matrici lattiero-casearie trasformate.

I lipidi polari della MFGM del latte hanno effetti positivi sullo sviluppo neurologico e sulle funzioni cognitive, ma l’impatto della lavorazione dei latticini sulla biodisponibilità di questi lipidi e i possibili effetti a lungo termine sono ancora poco conosciuti. Modelli più avanzati della struttura della MFGM potrebbero migliorare la comprensione della digeribilità dei globuli di grasso del latte nativo.

Conclusioni

La matrice alimentare lattiero-casearia contiene componenti strutturali su scale di lunghezza che vanno dai nanometri ai micrometri. La digeribilità e l’assorbimento dei nutrienti sono in gran parte determinati dai componenti della matrice e dalle interazioni tra questi, a indicare che la qualità dei nutrienti è maggiore della somma dei singoli componenti presi isolatamente.

Le fasi di lavorazione dei latticini nella produzione di prodotti lattiero-caseari ne alterano la struttura, e ciò richiede la comprensione dell’impatto sull’apporto nutrizionale per la salute umana.

Studi clinici hanno riportato risultati sulla salute derivanti dal consumo di latticini che non riflettono i risultati del consumo di componenti del latte in una matrice alimentare diversa o presi isolatamente. Questo apparente paradosso richiede una comprensione più approfondita della chimica strutturale e della biochimica del latte in condizioni digestive.

La sfida futura è sviluppare modelli di digestione in vitro che imitino fedelmente la digestione umana.

Fonte: “Dairy Foods: A Matrix for Human Health and Precision Nutrition—The impact of the dairy food matrix on digestion and absorption”,
David W. Everett. J. Dairy Sci. 108:3070–3087. https://doi.org/10.3168/jds.2024-25682.