Come studiare la biochimica delle banane

Questo articolo descrive una selezione di esperimenti semplici ma significativi usando un frutto comune (la banana) per comprendere alcuni processi metabolici di base. Forse sorprendentemente, le banane forniscono un buon modo per comprendere i processi biochimici. In questa serie di attività rapide che coinvolgono le banane, gli studenti possono conoscere il metabolismo dello zucchero, la conservazione dell’amido, la produzione di melanina e le molecole responsabili del sapore di banana. Le attività sono adatte a studenti delle scuole secondarie e coinvolgono la chimica a diversi livelli.

Insieme ai platani, le banane fanno parte del genere Musa, che comprende circa 70 specie. Oggi, tuttavia, la maggior parte delle banane dolci proviene da un’unica varietà chiamata Cavendish. Queste banane sono coltivate usando la riproduzione asessuata, quindi sono geneticamente identiche. Questa perdita di biodiversità, tuttavia, le rende particolarmente vulnerabili agli attacchi parassitari, come sta attualmente accadendo in un’infezione globale da parte del fungo Fusarium.

Misurazione del contenuto di zucchero delle banane

Prima di iniziare, presenta ai tuoi studenti sei banane di diversa maturità (vedi banane 1–6 nella tabella 1, che sono numerate in termini di crescente maturità). Quale banana è immaginata essere la più dolce? La maggior parte degli studenti vota per la banana nera, ma la loro ipotesi è corretta? Gli studenti possono condurre un test di degustazione alla cieca per giudicare quale campione ha il sapore più dolce. Le loro papille gustative identificano la risposta corretta?

Per scoprirlo, gli studenti misurano il contenuto di zucchero di varie banane usando un rifrattometro. L’attività dura circa 20 minuti. Per sapere come si misura il livello di zucchero nel cibo e come si può scegliere un rifrattometro da pochi euro adatto allo scopo, ti potrà essere molto utile la lettura preliminare del nostro articolo Come misurare lo zucchero con un rifrattometro, che puoi trovare qui.

Tabella: contenuto medio di zucchero e immagini che mostrano la colorazione della soluzione di iodio di Lugol in base al contenuto di amido per banane di diversa maturità.

Ecco il materiale occorrente per questa esperienza:

  • Banane di diversa maturità (3 banane per ciascuno dei 6 gradi di maturità, ovvero 18 banane)
  • Rifrattometro multiscala
  • Forchetta
  • Ciotola
  • Morbido panno umido

La procedura da seguire per effettuare la misurazione è la seguente:

  • Sbuccia la banana meno matura (banana 1 nella tabella 1) e spezzare un pezzo di circa 3 cm di lunghezza.
  • Usando una forchetta, schiaccia la banana in una ciotola fino a ottenere una polpa semifluida.
  • Spalma della polpa sopra il gruppo prisma del rifrattometro. Chiudi la piastra di luce del giorno in modo che la polpa si diffonda su tutta la superficie del prisma senza bolle d’aria o punti asciutti.
  • Tieni il rifrattometro nella direzione di una fonte di luce naturale e guarda nell’oculare. Vedrai un campo circolare con graduazioni che mostrano la percentuale di Brix, ovvero il numero di grammi di saccarosio in 100 grammi di campione (ad esempio 1 g di saccarosio in 100 g di campione = 1% Brix). Potrebbe essere necessario focalizzare l’oculare per vedere chiaramente le graduazioni.
  • Registra il contenuto di zucchero in % Brix.
  • Pulisci lo strumento (sia la piastra della luce del giorno che la parte superiore del gruppo del prisma principale) usando il panno.
  • Ripeti questi passaggi per almeno tre diverse banane della stessa maturità e quindi calcolare il contenuto medio di zucchero (vedere la tabella precedente e la figura qui sotto).
  • Ripeti l’attività fino a quando non avrai registrato e calcolato il contenuto di zucchero per le banane 1–6.

Contenuto medio di zucchero nelle banane con vari gradi di maturità (1–6).

Analisi del contenuto di amido delle banane

Puoi usare la soluzione di iodio di Lugol (2% ioduro di potassio con 1% di iodio in acqua) per verificare la presenza di amido in diverse banane, dimostrando che la quantità di amido diminuisce durante il processo di maturazione. Questa attività richiede circa dieci minuti. Avrai bisogno di banane di diversa maturità (in pratica, di tre banane per ciascuno dei sei gradi di maturità, ovvero 18 banane in totale). La procedura è semplice. Taglia ogni banana a metà nel senso della lunghezza. Con un pennello, ricopri la superficie della banana con la soluzione di iodio di Lugol. Attendi un minuto e confronta i diversi risultati.

Durante il processo di maturazione, l’enzima amilasi catalizza la degradazione dell’amido (un polisaccaride) in zuccheri semplici, prima nel maltosio (un disaccaride) e poi nel glucosio (un monosaccaride). Dunque, la banana con il più alto contenuto di zucchero (sotto forma di monosaccaridi e disaccaridi) è la banana 3 della tabella mostrata in cima a questa pagina. Dopo questa fase di maturazione, il contenuto di zucchero inizia a diminuire, perché la maggior parte dell’amido è stata convertita in zuccheri semplici e banana continua a usare il glucosio per la respirazione cellulare.

Nelle cellule di una banana matura viste al microscopio, tutto l’amido viene convertito in monosaccaridi e disaccaridi, quindi gli amiloplasti non sono più presenti.

Questo fenomeno è dimostrato anche dalla reazione con la colorazione di iodio di Lugol: le banane acerbe hanno un contenuto di amido più elevato rispetto alle banane mature, come mostrato da una colorazione più scura con la soluzione di iodio di Lugol. Con l’ulteriore maturazione, la colorazione è notevolmente ridotta a causa della minore quantità di amido. In alternativa allo iodio di Lugol, puoi usare le soluzioni illustrate nell’articolo Come fare il test dell’amido con lo iodio, che trovi qui.

In un test di degustazione alla cieca, gli studenti potrebbero non scegliere la banana con il più alto contenuto di zucchero come la più dolce. Altri fattori che possono influenzare il gusto includono la morbidezza della banana e il suo contenuto di acqua. Inoltre, poiché nella nostra saliva è presente anche l’amilasi, gli alimenti che contengono molto amido (ma poco zucchero) iniziano a sembrare dolci dopo la masticazione, poiché l’amilasi scompone parte dell’amido in zucchero.

Il test dello iodio effettuato su una banana.

Discuti alcune delle seguenti domande con i tuoi studenti:

  • Quale banana è più dolce?
  • Perché il contenuto di zucchero aumenta all’inizio del processo di maturazione ma diminuisce verso la fine?
  • Come cambia il contenuto di amido durante il processo di maturazione?
  • C’è più amido nelle banane all’inizio del processo di maturazione rispetto alla fine o meno amido? Puoi spiegare perché?
  • La dolcezza è puramente connessa alla quantità di zucchero presente o altri fattori influenzano la dolcezza?

Come individuare il “ripostiglio” dell’amido

In questa attività, gli studenti preparano campioni microscopici usando la polpa di banana delle banane più e meno mature. Al microscopio, gli studenti possono visualizzare gli organelli cellulari che immagazzinano l’amido (che si chiamano “amiloplasti”) e capire perché questi organelli scompaiono durante il processo di maturazione. Questa attività richiede circa 15 minuti. Ecco il materiale occorrente:

  • Polpa di banana dall’attività 1 (banane 1 e 6 dalla tabella iniziale)
  • Soluzione di iodio di Lugol (o equivalente)
  • Microscopio
  • Vetrini portaoggetto per microscopio
  • Vetrini coprioggetto

Procedura. Spalma una piccola quantità di polpa di banana su un vetrino da microscopio e aggiungi una goccia della soluzione di iodio di Lugol. Posiziona il vetrino sulla parte superiore del campione. Usando il microscopio ad un ingrandimento tra 100x e 400x, prova a localizzare gli organelli che immagazzinano l’amido nella banana. Ripeti i passaggi 1 e 2 con l’altro campione di polpa di banana.

Amiloplasti colorati con iodio nelle cellule di una banana non matura, osservati al microscopio.

Gli amiloplasti sono responsabili della sintesi e della conservazione dei granuli di amido attraverso la polimerizzazione del glucosio. Nelle banane acerbe, la colorazione con la soluzione di iodio di Lugol trasforma l’amido e gli amiloplasti assumono un colore viola intenso. Nelle banane più mature, non vi è alcuna reazione con la soluzione, poiché la quantità di amido è ridotta e gli amiloplasti non sono più presenti in questi campioni.

Come rendere la pelle delle banane scura

Gli studenti apprendono l’effetto della produzione di melanina e del danno cellulare nelle banane in questa semplice attività, in cui una banana viene immersa in acqua calda, facendo diventare la pelle nera. L’attività dura circa cinque minuti. Ecco il materiale occorrente per l’esperienza:

  • Banana gialla (ad es. Banana 2 dalla tabella iniziale)
  • Becher da 1 litro contenente acqua bollita

La procedura è semplice. Immergi metà della banana nell’acqua calda. Dopo un minuto, la metà sommersa della banana diventerà nera. Infatti, quando la banana viene immersa in acqua calda, le sue cellule vengono esposte al calore, causando danni alle cellule. In risposta, viene prodotta la melanina a pigmenti scuri, la quale fa sì che la buccia della banana diventi nera.

 

Dopo aver immerso la metà di una banana in acqua bollente, la pelle diventa nera a causa della
produzione di melanina.

Questo pigmento protegge le cellule esterne (sia nelle piante che negli animali) dai danni ultravioletti e contrasta anche la presenza di radicali liberi grazie alle sue proprietà antiossidanti. La melanina è prodotta dall’ossidazione dell’amminoacido tirosina, che è catalizzata da un enzima contenente rame chiamato tirosinasi. Quando le cellule della banana sono danneggiate, la tirosinasi viene rilasciata.

La produzione di melanina non influisce sul processo di maturazione, ma poiché le banane più mature sono più vecchie e hanno quindi subito più danni alle cellule, sono più marroni. La tirosinasi è un enzima che non soltanto controlla la produzione di melanina e l’imbrunimento della buccia di banana, ma svolge anche un ruolo importante nella formazione dei melanomi, cioè nei tumori della pelle.

Due campioni di polpa di banana per la visualizzazione al microscopio.

Secondo i ricercatori, il livello di tirosinasi e la sua ripartizione sul corpo forniscono informazioni affidabili sulla malattia e lo sviluppo dei melanomi. È stato dunque di recente messo a punto, dal Politecnico di Losanna, uno scanner che segnala sulla superficie della pelle la distribuzione e la quantità di tirosinasi. L’obiettivo è di utilizzare lo strumento per identificare i tumori ed eliminarli.