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L’ACQUA

L’acqua è il composto più diffuso in natura: tre quarti della superficie terrestre sono ricoperti da acqua, sottoforma di mari, oceani, fiumi, laghi, ghiacciai, etc... (Figura 1).

Figura  1

Ciò che qui interessa però è il fatto che l’acqua costituisce  dal 50% al 95% del peso di ogni sistema vivente: nell’organismo umano ben il 60-70% in peso è costituito da acqua. Da un punto di vista alimentare, essa dunque riveste un ruolo fondamentale non solo qualitativamente, ma anche solo quantitativamente.

La molecola d’acqua è costituita da un atomo di ossigeno legato covalentemente a due atomi di idrogeno (H₂O); la forte differenza di elettronegatività tra le due specie di atomi determina una diseguale localizzazione delle cariche, ossia gli elettroni messi in comune tra O e H sono maggiormente attratti dall’O cosicché la molecola, pur rimanendo complessivamente neutra (n° elettroni = n° protoni), presenta proprietà polari: la regione vicina al nucleo di idrogeno è debolmente positiva, mentre quella del nucleo di ossigeno (ove tra l’altro sono presenti altri due doppietti di elettroni non coinvolti nel legame covalente), è debolmente carica negativamente.

Figura  2

Naturalmente ciò influisce su molte caratteristiche microscopiche e macroscopiche dell’acqua, prime fra tutte la geometria delle molecole e le modalità di aggregazione tra le molecole ( Figura 2): la molecola d’acqua, in termini di polarità, presenta quattro vertici di cui due negativi (doppieti non coinvolti nel legame covalente) e due positivi (atomi di idrogeno), ma l’angolo tra gli H non è di 109° come avverrebbe in un tetraedro regolare, bensì di 104.5° per motivi di interazione elettrostatica. Inoltre i vertici costituiti dagli H di una molecola tendono, sempre per interazione elettrostatica, ad attrarre i vertici costituiti dall’O delle molecole circostanti cosicché si forma un legame relativamente forte tra le molecole: il legame o ponte a idrogeno.

Proprietà dell’acqua

La polarità della molecola e la presenza di numerosi legami a idrogeno determinano le peculiari caratteristiche chimico-fisiche dell’acqua:

1.     Coesione ed adesione: tensione superficiale e capillarità

La coesione (attrazione tra molecole della stessa sostanza) tra le molecole di acqua determinata dalla presenza del legame a idrogeno fa sì che queste presentino una certa resistenza alla separazione: è per questo che oggetti relativamente leggeri e con una buona estensione superficiale possono galleggiare sulla superficie dell’acqua indipendentemente dal principio di Archimede e per questo l’acqua che si sparge in piccole quantità su di un piano tende a riaggregarsi sottoforma di gocce (Figura 3). Allo stesso modo le molecole di acqua vengono attratte da superfici solide secondo un certo angolo di contatto (adesione, ossia attrazione tra molecole di sostanze diverse) e da qui la capacità di bagnare la maggior parte dei solidi.

Quando la forza di adesione con la superficie di un recipiente e la forza di coesione tra le molecole di acqua a contatto con la superficie e quelle più centrali (dunque lontane da essa e non soggette all’adesione) superano la forza gravitazionale che la terra esercita sull’acqua, si innescano i cosiddetti fenomeni di capillarità: la capacità dell’acqua di muoversi (generalmente risalire) in un capillare (recipiente di sezione molto ridotta) di qualsiasi natura (un tubicino in vetro nelle osservazioni di laboratorio, ma anche i pori di laterizi e pietre nel caso dell’umidità di risalita o le microcapillarità di molte membrane cellulari da cui la loro permeabilità all’acqua).

Figura  3

2.    Elevati punto di fusione (0 °C), punto di ebollizione (100 °C), calore specifico (1 cal/g°C) e calore latente di evaporazione (596 cal/g a 0 °C e 540 cal/g a 100 °C), da cui l’esistenza dell’acqua allo stato liquido in condizioni ambiente e la sua resistenza ai cambiamenti di temperatura così importanti per la termoregolazione e le funzioni vitali degli organismi viventi; anche queste proprietà dipendono direttamente dal legame a idrogeno che mantiene assieme le molecole di acqua e tende ad ostacolare il loro movimento, ossia a contenere la loro energia cinetica direttamente legata alla  temperatura del liquido.

3.    Anomalo comportamento della  densità: il ghiaccio

Nella maggior parte dei liquidi, la densità (massa della sostanza in un’unità di volume, kg/m³) cresce al diminuire della temperatura fino a raggiungere il valore massimo allorquando il liquido si solidifica. Anche la densità dell’acqua aumenta al diminuire della temperatura ma solo fino al valore di 4 °C; al di sotto di tale temperatura infatti le molecole di acqua sono talmente vicine e si muovono così lentamente da poter instaurare tutti e quattro i legami a idrogeno possibili per ciascuna molecola in modo da raggiungere la minima configurazione energetica per il sistema; d’altra parte affinché ciò avvenga, per motivi legati alla geometria della molecola, le molecole devono allontanarsi leggermente l’una dall’altra e da qui un minore grado di impacchettamento.

Questo fenomeno, seppur deleterio per le tubazioni dell’acqua nei mesi invernali, è fondamentale per la continuazione della vita negli ambienti acquatici: lo strato di ghiaccio che si forma sulle superfici di laghi, stagni, etc... non va ad accumularsi sul fondo permettendo la nuova formazione di ghiaccio con il rischio di non sciogliersi più, bensì galleggia (proprio perché di densità inferiore a quella del liquido) isolando termicamente l’acqua liquida sottostante e proteggendo gli organismi acquatici che vi si trovano.

4.    Proprietà solventi

La polarità delle molecole d’acqua è responsabile della capacità dell’acqua di comportarsi come solvente nei confronti di sostanze polari, ioniche o elettricamente cariche, ossia di interagire con le molecole di una sostanza (il soluto) separandole le une dalle altre, provocando una loro dispersione tra le proprie molecole e creando con esse legami di tipo elettrostatico. Le sostanze che possono essere sciolte dall’acqua dunque sono:

▪   composti ionici (NaCl, KCl, etc...) ove l’attrazione esercitata dalle molecole d’acqua spezza i legami ionici e dà luogo agli ioni solvatati della sostanza (Na⁺, Cl^-, K⁺, etc...),  (Figura 4;

Figura 4

▪   gas come l’ossigeno, l’anidride carbonica, l’ammoniaca vi si disciolgono bene;

▪   molecole unite da legami covalenti polari che si ionizzano, spesso comportandosi da acidi (aumentando la concentrazione di ioni H⁺) o basi (aumentando la concentrazione di ioni OH^-);

▪   sostanze organiche dotate di gruppi polari come gli alcooli (-OH), gli acidi carbossilici (-COOH) e gli zuccheri;

▪   molecole complesse dotate di una parte idrofila ed una idrofoba che si disperdono formando aggregati micellari.

La presenza di soluti modifica le proprietà dell’acqua:

▪   innalzamento del punto di ebollizione

▪   diminuzione del punto di congelamento

▪   variazione della pressione osmotica

L’acqua nell’organismo umano

Come già visto, l’acqua rappresenta il 60% in peso dell’organismo umano adulto (con un massimo del 75% nel neonato). In particolare:

1. acqua intracellulare 40%

2. acqua extracellulare 20%

▪         acqua interstiziale (15%)

▪         acqua plasmatica[1] (5%)

Il contenuto elettrolitico del liquido intra ed extracellulare varia qualitativamente, ossia è diversa la tipologia di soluti tra l’ambiente all’interno della cellula e quello all’esterno poiché diversi sono i processi che vi si svolgono; tale compartimentazione è resa possibile dalla permeabilità delle membrane cellulari, le quali lasciano passare l’acqua ma sono selettive nei confronti dei soluti.

L’acqua presente nell’organismo umano regola numerosi processi biologici:

▪         è il solvente di gas (O₂, CO₂), di elettroliti, di colloidi che possono così muoversi nell’organismo;

▪         trasporta alle cellule le sostanze nutritive ed allontana i prodotti di rifiuto

▪         partecipa ai processi di termoregolazione ed al mantenimento dell’equilibrio termico fra le cellule

▪         costituisce il mezzo in cui avvengono tutte le reazioni digestive e metaboliche

▪         svolge funzione plastica dando turgore alle cellule

L’assunzione di acqua avviene in massima parte per via esogena (bevande e alimenti), ma per una piccola parte anche per via endogena (dall’ossidazione dei nutrienti l’organismo ricava circa 300 ml di acqua al giorno). L’eliminazione avviene invece con le urine, le feci, il sudore, la respirazione.

Per un corretto funzionamento dell’organismo, senza che si verifichino problemi di disidratazione o intossicazione da acqua, è necessario mantenere un equilibrio tra assunzione e perdita di acqua; a capo di tale regolazione troviamo vari ormoni (vasopressina o adiuretina, aldosterone, sistema renina-angiotensina, fattore natriuretico atriale), nonché il centro nervoso posto nell’ipotalamo denominato centro della sete.

Normalmente, al fine di preservare l’equilibrio idrico, la quantità di acqua di cui un uomo adulto necessita è di circa 2.5 l (ossia 1 ml/Kcal introdotta oppure 30-35 ml/Kg di peso):

▪         1500 ml come bevande

▪         300 ml come acqua di ossidazione

▪         700 ml dai cibi solidi

L’acqua negli alimenti

L’acqua è presente negli alimenti (Tabella 1) in due forme:

1. acqua legata o incongelabile:

▪   acqua di struttura e di cristallizzazione le cui molecole sono incorporate nel reticolo cristallino delle sostanze componenti gli alimenti costituendone parte inscindibile

▪   acqua dello strato monomolecolare strettamente attratta elettrostaticamente dai gruppi polari o dotati comunque di una carica elettrica superficiali di proteine e sali

▪   acqua immobilizzata occupante gli strati immediatamente successivi a quello monomolecolare e per questo ancora fortemente unita alle molecole degli alimenti e ben poco reattiva o, per estensione del termine, l’acqua contenuta in microcapillari di diametro inferiore a 10 nm (10^-8 m)

2.    acqua libera:

acqua di imbibizione contenuta nei macrocapillari dell’alimento, trattenuta da sole forze fisiche e facilmente allontanabile mediante pressatura. La sua attività è di poco inferiore a quella dell’acqua pura e le sue proprietà se ne discostano leggermente (ad esempio, punto di congelamento più basso) per la presenza dei soluti.

Le alterazioni degli alimenti ed in particolare l’attività microbica dipendono esclusivamente dell’acqua libera ed la grandezza normalmente utilizzata per definire il grado di predisposizione di un alimento al deterioramento ossia la sua stabilità nei confronti dell’attacco microbico è l’attività dell’acqua (a_w): rapporto tra la tensione di vapore della soluzione (gli alimenti possono essere considerati soluzioni acquose più o meno concentrate) e la tensione di vapore dell’acqua pura alla stessa temperatura dell’alimento. Numerosi alimenti di uso comune (carne, verdure, etc...) hanno a_w = 0.98÷0.99, ossia coincidente con l’optimum di attività di tutti i microrganismi pari a 0.99÷1. Al contrario, le tecniche di conservazione degli alimenti devono assicurare che l’a_w sia inferiore a 0.65 poiché alcuni microrganismi (osmofili e alofili) tollerano valori di a_w anche molto bassi.

Tabella 1

L’acqua potabile

Per definizione l’acqua potabile è un’acqua limpida, inodore, incolore, insapore e innocua, priva cioè di microrganismi patogeni e sostanze chimiche nocive per l’uomo. La normativa di riferimento è il DL 31/01, in attuazione alle direttive europee, che più in generale parla di acque destinate al consumo umano, ossia tutte le acque, qualunque ne sia l’origine, allo stato in cui si trovano o dopo trattamento, che siano: a) fornite al consumo; b) utilizzate dalle industrie alimentari nella fabbricazione, trattamento e conservazione degli alimenti.

A livello normativo, la potabilità dell’acqua viene determinata mediante il controllo del soddisfacimento di alcuni requisiti:

Parametri organolettici

Colore, torbidità, odore e sapore devono rispondere ad esigenze di gradevolezza dell’acqua, anche perché spesso l’alterazione di questi parametri è indice di inquinamento.

Parametri chimico-fisici

I valori di tali parametri sono fortemente legati alle proprietà igieniche e alimentari delle acque, nonché alla loro idoneità ad essere utilizzate per i vari usi domestici (cottura alimenti, bucato, etc...) ed ad essere distribuite mediante i normali impianti idraulici (corrosione, depositi calcarei, etc...).

Temperatura: 12-25 °C; già a 15 °C l’acqua risulta sgradevole ed è favorita la proliferazione batterica;

pH: 6.5-9.5; acque troppo acide causano fenomeni di corrosione, mentre acque troppo basiche sono sgradevoli;

Durezza totale (contenuto di sali di calcio e magnesio, del tipo HCO₃^-, Cl^-, SO₄^2-, NO₃^-)[2]: 15-50 gradi francesi; le acque dure presentano molteplici inconvenienti: incrostano pentole e macchinari per precipitazione del calcare (carbonato di calcio), riducono il grado di cottura di alcuni cibi, non sono idonee al lavaggio con i saponi tradizionali;

Cloruri: 250 μg/l; possono essere indice di inquinamento da deiezione umana o animale;

Ione ammonio (NH₄⁺): 0.5 μg/l; generalmente deriva dall’azoto proteico e quindi da fenomeni di inquinamento organico-biologico in atto (allo stesso modo, nitriti NO₂^-  nitrati NO₃^- che dall’ammonio derivano per successiva ossidazione, ma anche da fertilizzanti)

Ione ferroso (Fe²⁺): 200 μg/l; la relativa ossidazione dà origine a composti ferrici con alterazione delle proprietà organolettiche dell’acqua;

Ione manganoso (Mn²⁺): 20 μg/l; la relativa ossidazione da origine a composti manganici con alterazione delle proprietà organolettiche dell’acqua;

Inoltre, presenza di sostanze che oltre certi limiti molto ristretti costituiscono un pericolo per il consumatore: metalli pesanti, cianuri, arsenico, antimonio, vanadio, selenio,  antiparassitari e pesticidi.

Parametri microbiologici

Sono indice di inquinamento di origine fecale (Escherichia Coli, enterococchi, etc.) e di scarsa pulizia delle acque per superficialità o scarsa protezione della fonte (colonie su agar per determinare la carica batterica totale)

In passato per l’approvvigionamento idrico venivano utilizzate quasi esclusivamente le acque dei pozzi e delle sorgenti. Con l’aumento del consumo (400 l/giorno pro capite nelle grandi città) si deve oggi ricorrere sempre più all’impiego di acque superficiali notevolmente inquinate. Principali fonti di inquinamento idrico:

▪   piogge acide (dall’immissione industriale di NO_x e SO_x in aria ove generano i relativi acido nitrico e solforico) che si infiltrano nel sottosuolo e, trascinando tra l’altro con sè metalli tossici dal terreno, inquinano le falde acquifere;

▪   pratiche agricole che prevedono l’uso di fertilizzanti e fitofarmaci;

▪   vicinanza di acque salmastre o marine

▪   discariche di rifiuti urbani e industriali

▪   acque reflue urbane: acque di scarico e reflue da natura civile (liquami in gran parte resi innocui dalla naturale azione ossidante dell’ossigeno che viene a contatto con l’acqua in presenza di radiazioni solari, detersivi con tensioattivi anionici e coadiuvanti fosfatici che causano l’eutrofizzazione[3]) e industriale (immissione di metalli pesanti, acidi e basi, acque ad elevate temperature, coloranti, grassi e olii, idrocarburi, liquami, etc...). Secondo le normative comunitarie (dir. 91/271 CEE) e nazionali tutte le acque reflue immesse nella rete fognaria o direttamente nei corsi d’acqua devono prima subire trattamenti per abbattere gli inquinanti e rispettare alcuni parametri fondamentali.

Le acque superficiali da avviare al trattamento di potabilizzazione devono rispondere ad alcuni requisiti previsti dalle norme e vengono classificate in tre categorie a seconda del loro grado di inquinamento:

1. categoria A1 (le migliori qualitativamente) per le quali è previsto un semplice trattamento fisico e la disinfezione;

2.    categoria A2 (di caratteristiche intermedie) per le quali è previsto un trattamento fisico, chimico e disinfezione;

3.    categoria A3 (le più inquinate) per le quali è previsto un trattamento fisico e chimico spinto, l’affinazione e la disinfezione;

I trattamenti sulle acque destinate al consumo umano si distinguono in:

Correzioni: riguardano i caratteri fisici, chimici, organolettici dell’acqua

Correzione di odori e sapori sgradevoli che si possono sviluppare nei bacini di raccolta per azione della flora acquatica o che dipendono da inquinamento; questi possono essere allontanati aerando bene l’acqua o adsorbendoli su carbone o argilla;

Correzione di torbidità, eliminata con la precipitazione causata dall’aggiunta di solfato di alluminio;

Correzione di eventuali colorazioni, eliminate con l’ossidazione mediante permanganato di potassio (KMnO₄) o l’adsorbimento su carbone attivo;

Correzione di eccessive quantità di Fe²⁺, eliminate mediante aerazione dell’acqua e dunque ossidazione di Fe²⁺ a Fe³⁺, precipitazione dei sali ferrici che così si vengono a formare naturalmente e loro allontanamento per filtrazione su letti di quarzo;

Correzione di eccessive quantità di Mn²⁺, eliminate mediante ossidazione di Mn²⁺ a MnO₂ (insolubile) grazie all’aggiunta di un ossidante molto energico, il permanganato di potassio (KMnO₄), precipitazione dell’ossido manganoso e suo successivo allontanamento;

Correzione di eccessiva durezza, eliminata mediante aggiunta di calce idrata Ca(OH)₂ o di soda Na₂CO₃ e successiva filtrazione dei composti così formatisi

o con il metodo più costoso delle “resine” a scambio ionico (PNa₂), ossia silico-alluminati di sodio naturali (zeoliti) o artificiali (permutiti) che hanno la proprietà di scambiare i loro ioni con il calcio ed il magnesio; esse poi, una volta esaurite, possono essere riattivate mediante lavaggio con una soluzione di NaCl al 10-20%;

Potabilizzazione: riguarda i caratteri microbiologici dell’acqua

Preclorazione: vengono utilizzate a questo scopo sostanze ossidanti e antibatteriche come il cloro gassoso, l’ipoclorito di sodio (più usati in passato e ora in gran parte abbandonati per la capacità di reagire con sostanze organiche dando luogo a sgradevoli odori e composti tossici per l’uomo) ed il biossido di cloro (attualmente usato); esse esplicitano la loro azione ossidante nei confronti dei composti chimici organici ed inorganici e quella battericida nei confronti dei microrganismi presenti nell’acqua.

La quantità di reattivi da aggiungere viene calcolata come “cloro-richiesta”, ma la quantità addizionata è sempre leggermente superiore in modo che il cloro residuo rimanga disponibile per svolgere azione battericida nel caso di contaminazione nella rete di distribuzione.

Flocculazione e decantazione: la presenza nell’acqua di numerose particelle in sospensione rende indispensabile, per un loro allontanamento, l’aggiunta di una sostanza flocculante (sali di alluminio o ferro) che precipitando (sottoforma dei corrispondenti idrossidi formatisi per idrolisi) trascinano con sé le particelle in sospensione; dopodiché l’acqua che affiora sulla superficie dei decantatori deborda e passa ai letti di quarzo;

Filtrazione: l’acqua viene drenata da un letto di sabbia e ghiaia ad imitare ciò che avviene in natura attraverso il terreno; tali drenanti vengono poi ripuliti dalle sostanze raccolte mediante immissione di acqua in controcorrente;

Ozonizzazione: l’ozono (O₃), ottenuto tramite un costoso processo di scissione con scariche elettriche da aria depurata e deumidificata, è utilizzato per la sua azione battericida, virulicida e ossidante;

Filtrazione su carbone attivo

Postclorazione: si somma al cloro residuo della preclorazione e ne ha la stessa funzione; la legge prevede la presenza di 0.2 mg/l di cloro residuo.

Controlli ufficiali da parte delle autorità sanitarie (Ministero della Sanità, ASL) e autocontrolli da parte degli stessi gestori degli acquedotti, effettuati periodicamente e lungo tutto il processo (alla sorgente, agli impianti di adduzione, accumulo, potabilizzazione, alla rete di distribuzione) garantiscono la sicurezza del consumatore.

Acque minerali

Secondo il DL 105/92, in attuazione alla direttiva 80/777 CEE, le acque minerali sono quelle acque che avendo origine da una falda o giacimento sotterraneo provengono da una o più sorgenti naturali o perforate e che hanno caratteristiche igieniche particolari e proprietà favorevoli alla salute. Dunque, se in realtà tutte le acque contengono sostanze minerali, le acque minerali propriamente dette si differenziano dalla comune acqua potabile poiché non hanno subito processi di potabilizzazione, sono imbottigliate all’origine, ma soprattutto hanno caratteristiche e proprietà che le rendono utilizzabili in terapia.

Già i greci ed i romani ne conoscevano l’esistenza da cui la creazione di tante stazioni termali e la costruzione degli imponenti acquedotti. Oggi l’uso delle acque minerali ha subito un forte incremento per motivi legati alla non sempre gradevole acqua di acquedotto e per un fatto di costume.

L’autorizzazione ad utilizzare una sorgente viene rilasciata al concessionario che ne fa richiesta dalla Regione, mentre il riconoscimento di un’acqua minerale viene rilasciato dal Ministero della Sanità con apposito decreto in cui si specificano le caratteristiche particolari dell’acqua e tutto quanto può essere riportato in etichetta.

L’etichetta di un’acqua minerale deve contenere:

▪   la dicitura “acqua minerale naturale” ed eventuali aggiunte o privazioni di anidride carbonica; “effervescente naturale” è invece un’acqua che già alla sorgente presenta un contenuto di CO₂ libera superiore a 25 ml/l;

▪   località di provenienza, titolare della concessione, denominazione di vendita;

▪   risultati delle analisi chimico-fisiche, la data ed il laboratorio che le ha effettuate (ogni 5 anni); in particolare, è importante il residuo fisso calcolato a 180 °C da cui l’appartenenza dell’acqua alle “minimamente mineralizzate” (R.F. < 50 mg/l), “oligominerali o leggermente mineralizzate” (R.F. < 500 mg/l), “ricche di sali minerali” (R.F. > 500 mg/l). Inoltre, in base al contenuto di un particolare minerale, può essere riportata una delle seguenti diciture: contenente bicarbonato, solfata, clorurata, calcica, magnesiaca, ferruginosa, acidula, sodica, indicata per diete povere di sodio.

▪   contenuto nominale;

▪   numero di lotto e termine minimo di conservazione;

Non sono ammesse diciture a scopo pubblicitario sulle confezioni e le pubblicità devono essere sottoposte a parere preventivo da parte del Ministero della Sanità, sempre rimanendo vietate indicazioni che attribuiscano all’acqua proprietà curative a meno che tale carattere terapeutico non sia comprovato da esami farmacologici e menzionato nel decreto di riconoscimento.

Oltre alle acque minerali, è possibile trovare in commercio:

Acqua di sorgente: differisce dalle acque minerali per il fatto che non ha proprietà favorevoli alla salute.

Acqua da tavola: si tratta di acqua potabilizzata imbottigliata.