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Fundación H. A. Barceló – Facultad de Medicina 2do. AÑO
Módulo 3: Hidratos de carbono Lección 1: Estructura Química
Bromatología y Tecnología de Alimentos
Docentes:
Dra. Susana Carnevali de Falke
Dra. María Claudia Degrossi
Bromatología y Tecnología de Alimentos Módulo 3 ‐ Lección 1
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Competencias a desarrollar en este Módulo
Luego de la lectura y realización de las actividades de este módulo, el alumno:
• Conoce las principales características de los hidratos de carbono.
• Relaciona la estructura química de los hidratos de carbono y sus funciones en los
alimentos.
• Analiza y jerarquiza las diferentes reacciones en las que participan los hidratos de
carbono.
• Reconoce la importancia de la reacción de Maillard.
• Comprende el concepto de grado Brix.
• Comprende las distintas etapas de la producción de xilitol y analiza sus aplicaciones
en la industria de alimentos.
• Conoce las principales características de la miel.
• Identifica las principales etapas en la producción de sacarosa.
• Distingue el proceso de cristalización de la transición vítrea.
• Comprende las aplicaciones de estos procesos.
Condiciones de aprobación del presente módulo • Participación en el Foro de cada lección del Módulo 3.
Ejes temáticos Mono, di y oligosacáridos Producción de azúcar de mesa
Reacciones de los azúcares Grado Brix
Reacción de Maillard Cristalización
Características de la miel Transición vítrea
Producción de xilitol y aplicaciones
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Marco Teórico del Módulo 3 Lección 1: Estructura Química 1- Introducción
Los hidratos de carbono son los principales compuestos químicos almacenadores
de energía radiante del sol; así, la glucosa sintetizada en las plantas por fotosíntesis
representa la materia prima fundamental para la fabricación de muchos otros
carbohidratos, como la fructosa, la sacarosa, y polímeros como la celulosa y al almidón.
Muchos de los compuestos orgánicos presentes en las plantas son derivados de los
carbohidratos; la misma síntesis de proteínas se lleva a cabo con los aminoácidos
provenientes de la reacción entre hidratos de carbono y diversas sustancias nitrogenadas.
Los hidratos de carbono constituyen las tres cuartas partes del mundo biológico y
un elevado porcentaje del aporte calórico de la humanidad. El más abundante en la
naturaleza es la celulosa, componente estructural principal de las plantas, mientras que el
componente mayoritario de los alimentos es el almidón. Uno muy utilizado por el hombre
es, sin dudas, la sacarosa, que está presente en pequeñas cantidades en la mayor parte
de los alimentos vegetales. Los productos de origen animal contienen menos hidratos de
carbono metabolizables que otros alimentos (1-4).
También se les puede conocer por los siguientes nombres:
• Glícidos o glúcidos (de la palabra griega que significa dulce), pero son muy
pocos los que aportan dulzor.
• Sacáridos (de la palabra latina que significa azúcar), aunque el azúcar común es
uno sólo de los centenares de compuestos distintos que pueden clasificarse en
este grupo.
Un aspecto importante de los hidratos de carbono es que pueden estar unidos
covalentemente a otro tipo de moléculas, formando glicolípidos, glicoproteínas (cuando el
componente proteico es mayoritario), proteoglicanos (cuando el componente glicídico es
mayoritario) y peptidoglicanos (en la pared bacteriana) como verán en microbiología.
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1.1- Clasificación y nomenclatura
Reciben este nombre por su fórmula general Cn(H2O)m. Es una denominación
incorrecta desde el punto de vista químico, ya que esta fórmula sólo describe a una ínfima
parte de estas moléculas. Son aldehídos o cetonas polihidroxiladas como se muestra en
la Figura 1, polihidroxialdehídos o aldosas y polihidroxicetonas o cetosas,
respectivamente, o productos derivados de dichos compuestos por oxidación, reducción,
sustitución o polimerización, como veremos más adelante.
Figura 1: Estructura química característica de los hidratos de carbono
Fuente: http://www.ehu.es/
Si bien se han desarrollado diversos criterios para su clasificación, el más utilizado
es el de la estructura química, que se basa en el tamaño de la molécula o en el número
de átomos de carbono que contiene, como se presenta en la Tabla 1.
Tabla 1: Clasificación de los hidratos de carbono más importantes en los alimentos
Monosacáridos (moléculas más sencillas)
Oligosacáridos (entre 2 y 10 unidades)
Polisacáridos (más de 10 unidades)
Pentosas xilosa arabinosa
ribosa
Disacáridos Lactosa, sacarosa, maltosa
Homo -polisacáridos
Almidón glucógeno celulosa
Aldohexosas (glucosa, galactosa, manosa)
Trisacáridos rafinosa Hexosas
Cetohexosas fructosa sorbosa
Tetrasacáridos estaquiosa
Hetero -polisacáridos
Hemicelulosa pectinas
Gliceraldehído aldotriosa
Dihidroxiacetona Cetotriosa
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Los hidratos de carbono que no pueden ser hidrolizados en otros más simples se
denominan monosacáridos, abarcando: triosas, cuando presentan 3 átomos de C;
tetrosas, si poseen 4; pentosas y hexosas cuando presentan 5 y 6 átomos de C,
respectivamente.
La unión química de 2 a 10 de estos monómeros da lugar a los oligosacáridos, y,
si el número es muy grande, se forman los polisacáridos. Estos últimos pueden estar
constituidos por un único tipo de monosacárido (homopolisacáridos), o pueden estar
formados por varios tipos de monómeros diferentes, en cuyo caso se denominan
heteropolisacáridos.
1.2- Monosacáridos 1.2.1- Estructura química
Todas las aldosas se consideran estructuralmente derivadas del D- y L-
gliceraldehído. Para saber a qué serie pertenece cualquier monosacárido basta con
representar su fórmula en proyección de Fischer y considerar la configuración del
penúltimo carbono. La posición de su grupo OH a la derecha o a la izquierda determinará
la serie D o L, respectivamente (Figura 2).
Análogamente, las cetosas se consideran estructuralmente derivadas de la D- y L-
eritrulosa. No pueden derivar de la dihidroxiacetona porque ésta carece de carbonos
asimétricos (Figura 3).
La casi totalidad de los monosacáridos presentes en la naturaleza pertenece a la
serie D.
Actividad 1 ¿Qué alimentos contienen rafinosa y estaquiosa, entre otros hidratos de carbono?
¿Qué consecuencias acarrean para el ser humano dichos carbohidratos?
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Figura 2: Aldosas (proyección de Fischer)
Fuente: http://www.ehu.es/
Figura 3: Cetosas (proyección de Fischer)
Fuente: http://www.ehu.es/
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Dada la capacidad de formar puentes de hidrógeno, son solubles en agua y sus
soluciones tienen, en general, sabor dulce, aunque existen algunos que resultan amargos
(1). La mayoría de los monosacáridos pueden cristalizar, aunque en algunos casos resulta
difícil que esto ocurra si no hay presente cristales que inicien el proceso. Los cristales
pueden descomponerse a temperaturas cercanas a su punto de fusión y participan en
numerosas reacciones químicas.
En disolución acuosa, los monosacáridos se cierran formando unos anillos de 5 ó
6 lados, denominados furanos y piranos, respectivamente. En la Figura 4 está
representada la fórmula lineal de Fischer y la cíclica de Haworth de la fructosa, formando
un anillo de cinco lados que corresponde al furano. Al cerrarse la molécula el grupo -OH
(marcado en rojo), puede ocupar dos posiciones, respecto al grupo -CH2OH del C5. Son
dos isómeros, denominados anómeros alfa (en posición trans) y beta (en posición cis).
Figura 4: Ciclación de una cetohexosa
Fuente: http://www.arrakis.es
En la Figura 5 se representan a la glucosa en su forma lineal de Fischer y cíclica
de Haworth, en este caso el anillo formado tiene 6 lados y corresponde al esqueleto
pirano.
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Figura 5: Ciclación de una aldohexosa
Fuente: http://www.arrakis.es
En realidad, las estructuras cíclicas de la glucosa no son planas, como indican los
modelos estudiados, sino que pueden adoptar dos configuraciones en el espacio: de
“bote” y de “silla”, pudiendo convertirse de una en otra. Esto es debido a que los enlaces
se orientan en el espacio y no en un plano. La más estable es la configuración silla.
Figura 7: Estructura silla de la glucosa
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Fuente: http://www.bioquimicaqui11601.ucv.cl
Figura 8: Estructura bote de la glucosa
Fuente: http://www.scientificpsychic.com/fitness/glucosebdboat.gif
1.2. 2- Distribución en la naturaleza de los monosacáridos
Entre los principales monosacáridos podemos mencionar:
• La glucosa es un azúcar muy importante desde el punto de vista industrial. Se
encuentra presente de forma natural en las frutas (Tabla 2) y hortalizas, dependiendo
su concentración del grado de maduración del producto, como se muestra en la
Figura 9. En las mieles se la encuentra en altas proporciones, cercanas al 40%.
Tabla 2: Contenido de azúcares de algunas frutas (%)
Sacarosa Glucosa Fructosa
Pera
Manzana
Durazno
Ciruela
1,0
3,6
6,7
4,3
2,4
1,7
1,5
4,0
7,0
6,0
1,0
1,4
Fuente: Badui Dergal, S.
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Figura 9: Conversión de almidón en azúcares durante la maduración del plátano
Fuente: Badui Dergal, S.
Se obtiene por hidrólisis enzimática del almidón, el cual proviene a su vez del maíz
o de otros cereales. Se comercializa generalmente disuelta en forma de jarabe o
cristalizada como el monohidrato.
• La fructosa, como su nombre indica, se encuentra presente en las frutas (Tabla
2). También es muy abundante en la miel. Se obtiene industrialmente por
isomerización enzimática de la glucosa con el enzima glucosa isomerasa. Dado
que la isomerización glucosa - fructosa es un equilibrio, se obtiene una mezcla
con, en el mejor de los casos, un 42% de fructosa. Los jarabes mezcla de glucosa
y fructosa reciben a veces comercialmente el nombre de "isoglucosa". La mezcla
de glucosa y fructosa se fracciona por cromatografía a gran escala. La fructosa
pura obtenida así se comercializa generalmente como polvo cristalino.
La fructosa es un azúcar muy interesante para la industria, dado que, aunque su
precio es superior al de la glucosa, esto se compensa en parte por su mayor poder
edulcorante, superior incluso al de la sacarosa. Además, el dulzor de la fructosa
incorpora una nota "fresca", que lo hace particularmente apreciado.
Sacarosa
Inmaduro Muy inmaduro
Almidón
Glucosa + Fructosa
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• En los últimos años está adquiriendo interés la D- tagatosa, dado que es casi tan
dulce como la sacarosa, el azúcar común, pero se absorbe solamente alrededor
del 30 % de la ingerida, lo que hace que su aporte calórico sea bastante menor.
1.2.3- Propiedades físicas
La presencia de carbonos asimétricos en los monosacáridos les confiere la
propiedad de desviar el plano de luz polarizada. Se dice que estos compuestos son
ópticamente activos.
Figura 10: Desviación de la luz polarizada
Fuente: http://es.geocities.com/batxillerat_biologia/glucids.htm
La actividad óptica se mide mediante un instrumento llamado polarímetro que
permite establecer el ángulo de giro de la luz polarizada (poder rotatorio):
α = [α]D20 . c . l
Actividad 2 En función de la información sobre la tagatosa, ¿Qué aplicaciones tiene en la
industria de alimentos?
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Donde:
- α es el ángulo de giro medido experimentalmente,
- [α]D20 es el poder rotatorio específico de cada azúcar, medido a 20º C (es un valor que
se encuentra en tablas físicas),
- c es la concentración del azúcar en g/ml
- l es la longitud del tubo del polarímetro en dm.
Los compuestos que desvían el plano de luz polarizada hacia la derecha se llaman
dextrógiros o dextrorrotatorios, y esa característica se indica anteponiendo el signo (+) al
nombre del compuesto. Los compuestos que desvían el plano de luz polarizada hacia la
izquierda se llaman levógiros o levorrotatorios, y esa característica se indica anteponiendo
el signo (-) al nombre del compuesto. Por estas propiedades la glucosa es conocida como
dextrosa y la fructosa como levulosa.
1.2.4- Mutarrotación y anomerización
Las disoluciones de D-glucosa presentan el fenómeno llamado mutarrotación.
Cuando se disuelve en agua la D-glucosa cristalina su poder rotatorio varía gradualmente
con el tiempo, hasta alcanzar un valor estable (+52,5º). Este fenómeno se llama
mutarrotación. Además, se observa que, dependiendo del proceso seguido para la
cristalización de la D-glucosa, el poder rotatorio inicial difiere considerablemente. Así, la
D-glucosa recristalizada de piridina tiene un poder rotatorio inicial de +112,2º mientras que
la recristalizada de alcohol tiene un poder rotatorio inicial de +18,7º. Ambas disoluciones,
al cabo de 24 horas tienen el mismo valor: 52,5º.
Actividad 3 En función de fórmula, ¿Qué aplicaciones tiene la polarografía en alimentos?
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Figura 11: Mutarrotación
Fuente:
http://milksci.unizar.es/
Tabla 3: Rotación específica de la glucosa
1.2.4- Derivados de los monosacáridos
Aminoazúcares: Estos compuestos son el resultado de la sustitución de un OH, normalmente en el carbono 2, por un grupo amino (NH2), dando compuestos como la D-glucosamina que forma parte de la pared celular de las bacterias como N- acetilglucosamina.
Figura 12: D-glucosamina
Fuente: http://www.scientificpsychic.com/
α-glucosa
β -glucosa Equilibrio
Rotación específica 112,0 18,7 52,7
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Desoxiazúcares: Estos azúcares se producen cuando los azúcares pierden un átomo de
oxígeno de un OH. Entre ellos, el 2-desoxi-D-ribosa es el componente de los ácidos
desoxiribonucleicos.
Polioles: Estos compuestos se forman cuando los grupos aldehído o cetona de los
azúcares se reducen y se forma un OH. El poliol más conocido es la glicerina o glicerol,
que es parte constitutiva de las grasas y aceites. Otro compuesto de interés es el xilitol,
cuya fórmula se presenta en la Figura 13.
Figura 13: Xilitol
Fuente: http://www.zoetecnocampo.com
Es un pentitol que se presenta en la naturaleza en pequeñas cantidades, en las
levaduras, hongos, líquenes, en algunas frutas y verduras. Asimismo se forma en el
cuerpo humano como un intermedio normal en el metabolismo de la glucosa en
cantidades que varían desde los 5 a los 15 g diarios. La industria alimentaria lo utiliza en
diversos productos en reemplazo de la sacarosa, con la ventaja de que puede obtenerse a
partir del marlo de maíz, u otros productos de desecho, como bagazo, corteza de frutas
secas: nueces, almendras, avellanas, paja, cáscara del arroz, entre otros. Todos ellos son
materiales que contienen pentosanos. Estos son polisacáridos formados por unidades de
pentosas (monosacáridos con 5 átomos de carbono). En la naturaleza los pentosanos
muchas veces están asociados con la lignina y la celulosa. El contenido de pentosanos
de los productos indicados puede variar del 15-25% en base seca.
Como muestra la Figura 14, por hidrólisis ácida, en condiciones moderadas, se
obtienen dichas pentosas siendo en nuestro caso de interés la D-xilosa. Dicha pentosa
según la materia prima empleada la acompañan otras pentosas (arabinosa y ribosa) de
las cuales debe ser separada.
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El ácido a emplear puede ser el ácido sulfúrico. Se mezcla la materia prima molida
(marlo de maíz, por ejemplo) con la solución ácida y se calienta a temperatura de
ebullición (aprox. 100°C).
Una vez efectuada la hidrólisis el licor obtenido contiene la D-xilosa, la cual deberá
ser sometida a la hidrogenación para reducirla y llegar al xilitol. Previamente es necesario
separarla del material sólido y proceder a la neutralización. Una vez neutralizado el
hidrolizado se concentra y desmineraliza.
La separación de otras pentosas (arabinosa, ribosa), se efectúa por cromatografía.
Para ello se pasa la solución a través de una columna cromatográfica que permite separar
las distintas fracciones. Posteriormente la solución así tratada se decolora mediante el
pasaje a través de una columna conteniendo carbón activo, luego de lo cual la D-xilosa en
solución se hidrogena. En el caso que se emplee Ni como catalizador durante la
hidrogenación la solución adquiere color, siendo necesario tratarla con una resina de
intercambio iónico (resina catiónica) para despojarla del Ni.
La solución que contiene xilitol se concentra, el xilitol se cristaliza, se separa, se
seca y se envasa en bolsas o en recipientes idóneos para su almacenamiento y
transporte. El producto obtenido tiene un título mínimo del 99,7% (5).
Actividad 4 a) Investigue las ventajas y desventajas de reemplazar la sacarosa por xilitol
en los alimentos. Este aditivo alimentario, ¿está permitido en Argentina?
b) Elabore un mapa conceptual sobre el xilitol.
c) Investigue sobre la producción de sorbitol y sus aplicaciones
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Figura 14: Producción de xilitol
Fuente: http://www.zoetecnocampo.com/
Glucósidos: Estos compuestos se sintetizan cuando un azúcar se une, mediante su
carbono anomérico reductor, a un OH propio o de otro compuesto (que puede o no ser un
azúcar y que recibe el nombre genérico de aglucona). Generalmente la aglucona se
relaciona con la función del compuesto, mientras que el azúcar estabiliza la molécula.
Dentro de este grupo se encuentran las saponinas, las cuales se encuentran en
una importante variedad de plantas, muchas de ellas comestibles.
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Figura 15: estructura química de una saponina
Derivados por oxidación: Los extremos de la cadena carbonada de los monosacáridos
pueden oxidarse para dar ácidos carboxílicos:
• Si la oxidación tiene lugar en el carbono 1 se obtienen los ácidos aldónicos
• Si la oxidación tiene lugar en el carbono 6 se obtienen los ácidos urónicos
• Si la oxidación tiene lugar en los carbonos 1 y 6 se obtienen los ácidos aldáricos
Actividad 5 a) Investigue sobre el uso de saponinas en la industria alimentaria.
b) Investigue sobre los denominados glucósidos cianogénicos. ¿En qué
alimentos se encuentran? ¿qué efectos adversos pueden producir?
¿Cómo se previene?
c) Los monosacáridos son azúcares reductores. ¿Qué significa? ¿Conservan
el carácter reductor los glicósidos?
Azúcares
Aglicona
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Así, a partir de la glucosa se pueden obtener los ácidos glucónico, glucurónico y
glucárico, respectivamente. Los ácidos urónicos son parte esencial de importantes
polisacáridos. El ácido glucurónico juega un papel muy importante en la destoxificación
de sustancia en el organismo, se une a numerosas sustancias liposolubles, facilitando su
solubilización en agua y su posterior eliminación.
Con frecuencia, el carboxilo de los ácidos urónicos o aldónicos forma un enlace
éster intramolecular con el hidroxilo en d, formando estructuras cíclicas llamadas d-
aldonolactonas. Estos azúcares ácidos y sus lactonas también pueden presentarse como
ésteres fosfóricos. Ejemplos son el ácido 6-fosfoglucónico y la 6-fosfo-d-gluconolactona,
dos importantes intermediarios metabólicos.
Figura 16: glucono-δ -lactona
Oxidación del aldehído
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Referencias
(1) Badui Dergal, S. Química de los Alimentos. Ed. Prentice Hall, México (2006).
(2) Fennema, O.R. Química de los Alimentos. Ed. Acribia, Zaragoza, España (2008).
(3) Gutiérrez, J. B. Ciencia bromatológica. Principios generales de los Alimentos. Ed.
Díaz de Santos, Madrid, España, 2000.
(4) Ordoñez Pereda. J.A. Tecnología de los Alimentos. Vol. I. Editorial Síntesis, S.A.
Madrid, España, 1998.
(5) Agrogea. Consulta realizada en Noviembre de 2008. Disponible en:
http://www.zoetecnocampo.com/Documentos/biodie_lar/xilitol.htm