6. Hidratos de carbono
Objetivos
- Reconocer la importancia de los hidratos de carbono, su estructura y sus principales características.
- Comprender la importancia de los hidratos de carbono en la composición de los alimentos.
- Analizar la importancia de los hidratos de carbono en la naturaleza.
- Conocer su aplicación industrial.
- Aplicar las herramientas presentadas en esta unidad.
6.1. Introducción
Los seres vivos estamos formados por moléculas orgánicas, proteínas, ácidos nucleicos, hidratos de carbono y lípidos. Los productos orgánicos están presentes en todos los aspectos de nuestra vida cotidiana y, actualmente, tienen un gran desarrollo tecnológico. En la industria, la elaboración de productos alimenticios con mayor valor agregado, la búsqueda de recursos renovables, la aplicación de tecnologías limpias y la economía circular son temas prioritarios y, en todos estos, los hidratos de carbono tienen un rol fundamental.
6.2. Qué son los hidratos de carbono
Los hidratos de carbono, carbohidratos o glúcidos son sustancias orgánicas compuestas por tres elementos fundamentales: carbono, hidrógeno y oxígeno.
Los glúcidos son las moléculas alimentarias más abundantes en la naturaleza, constituyen aproximadamente el 75% del peso seco de todas las plantas terrestres y marinas. La ingesta de estas sustancias representa, en general, más del 50% de las calorías necesarias para el correcto funcionamiento del organismo. Su principal función está relacionada con el almacenamiento y la obtención de energía de forma inmediata, sobre todo en el cerebro y en el sistema nervioso.
El metabolismo de los hidratos de carbono incluye el conjunto de reacciones que se producen para el empleo de estas sustancias como reserva energética, combustibles y/o precursores de moléculas más complejas como los ácidos grasos. Su grado de reducción, o sea, su capacidad para oxidarse, los convierte en buenos combustibles, y la presencia de funciones oxigenadas (carbonilos y alcoholes) permite que interaccionen con el agua fácilmente.
Energéticamente, aportan aproximadamente el 50-60% de la ingesta calórica. Evitan que las proteínas corporales se utilicen con fines energéticos; regulan el metabolismo de lípidos, evitando la formación de cuerpos cetónicos; y, además, poseen una función estructural: por ejemplo, la celulosa se encuentra presente en las paredes de las células vegetales; y en los artrópodos (insectos y crustáceos) se encuentran formando su duro esqueleto externo, llamado exoesqueleto, que protege las partes internas más lábiles.
6.3. Estructura y clasificación de los carbohidratos
Los carbohidratos son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas compuestas por carbono, hidrógeno y oxígeno. Su fórmula empírica es Cn(H2O)n; son nutricionalmente importantes aquellos que poseen más de cuatro moléculas de carbono. Se pueden clasificar en simples (monosacáridos y disacáridos) y complejos (oligosacáridos y polisacáridos). Dependiendo de su digestibilidad pueden también agruparse en digeribles (azúcares y almidones) y no digeribles (oligosacáridos y fibra alimentaria) (G.6.1.).
Aunque no poseen la misma fórmula empírica, también se consideran carbohidratos a sus derivados: polialcoholes, ácidos glucónicos, almidones modificados y glicósidos. La estructura química de estas moléculas determina su funcionalidad y características organolépticas, principalmente en el sabor, la viscosidad, la estructura y el color.
6.4. Hidratos de carbono simples
Los hidratos de carbono simples poseen una composición química sencilla y son descompuestos rápidamente por nuestro organismo para ser usados como fuente de energía. Se encuentran en forma natural en alimentos como las frutas, la leche y sus derivados.
6.4.1. Monosacáridos
Los monosacáridos (CH2O)n son los hidratos de carbono más simples y se clasifican, según la cantidad de átomos de carbono, en triosas, tetrosas, pentosas y hexosas (3, 4, 5 y 6 átomos de carbono respectivamente). Los monosacáridos son compuestos sólidos, cristalinos, de color blanco, solubles en agua y de característico sabor dulce. Las moléculas de seis átomos de carbono son los azúcares más abundantes en los alimentos, mayoritariamente se encuentran como glucosa y fructosa.
La estructura básica de todos los monosacáridos es una cadena de átomos de carbono no ramificada en la que todos ellos están unidos entre sí por enlaces simples. Uno de estos átomos de carbono está unido a un átomo de oxígeno por un enlace doble formando un grupo carbonilo, todos los demás están unidos a grupos hidroxilo. Si el grupo carbonilo se encuentra en un extremo de la cadena carbonada, el monosacárido es un aldehído y se denomina aldosa; si el grupo carbonilo se encuentra en cualquier otra posición el monosacárido es una cetona y recibe el nombre de cetosa.
La glucosa y sus isómeros
La glucosa es considerada el monosacárido más importante de la naturaleza. Es un azúcar reductor de seis carbonos que se encuentra en la sangre de todos los mamíferos en concentraciones constantes (aproximadamente 4,5 mM), en las frutas y en algunos vegetales. Tiene la capacidad de formar polímeros de reserva en plantas y animales, como glucógeno, almidón y celulosa.
Otros monosacáridos importantes y ampliamente extendidos en la naturaleza son la fructosa y la galactosa. Glucosa, galactosa y fructosa tienen la misma fórmula molecular, pero difieren en la organización de sus átomos, es decir, son isómeros entre sí. Esta diferencia les otorga propiedades particulares, por ejemplo, la fructosa es más dulce y absorbe agua con mayor facilidad.
La glucosa y la galactosa son estereoisómeros entre sí: sus átomos están enlazados en el mismo orden, pero tienen una organización tridimensional diferente respecto a la orientación de los grupos hidroxilos (-OH). Esta pequeña diferencia es suficiente para que posean propiedades físicas, bioquímicas y organolépticas distintas.
Formas anulares de los azúcares
Los azúcares de cinco y seis carbonos pueden existir como una cadena lineal o en una o más formas anulares. Estas formas existen en equilibrio entre sí, pero este favorece considerablemente a las formas anulares (particularmente en una solución acuosa o a base de agua). Por ejemplo, en una solución, la configuración principal de la glucosa es un anillo de seis miembros. Aunque la glucosa tenga un anillo de seis miembros, puede ocurrir de dos formas diferentes con distintas propiedades. Durante la formación del anillo, el carbonilo, que se convierte en un grupo hidroxilo, quedará atrapado por “arriba” o por “debajo” (del lado contrario de este grupo) del anillo. Cuando el hidroxilo está debajo, se dice que la glucosa está en su forma alfa (α) y cuando está arriba, que está en su forma beta (β).
Estos tipos de isómeros difieren solamente en la configuración del carbono del grupo carbonilo y se los conoce como anómeros. Esta pequeña diferencia estructural da lugar a diferencias muy importantes en el comportamiento de los hidratos de carbono en los alimentos. Por ejemplo, el almidón está formado por unidades de α-glucosa y la celulosa por unidades de β-glucosa.
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Determine qué clase de azúcares son los siguientes compuestos (como ejemplo tome que la glucosa es una aldohexosa).
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Dibuje las fórmulas estructurales de las formas de cadena abierta y de cadena cerrada de los siguientes monosacáridos:
- α-D-Glucosa
- D-Manosa
- D-Galactosa
- D-Fructos
6.4.2. Disacáridos
Los disacáridos están formados por dos monosacáridos unidos mediante un enlace glucosídico. Este enlace se produce por una reacción de deshidratación, también conocida como reacción de condensación. En este mecanismo de reacción, el grupo hidroxilo de un monosacárido se combina con el hidrógeno de otro formando un enlace covalente (glucosídico) y libera una molécula de agua. En el siguiente gráfico puede observarse la reacción de deshidratación entre la glucosa y la fructosa que da como productos sacarosa y agua (que no aparece en la ilustración).
Reacción entre dos monosacáridos y formación de enlace glucosídico
Sacarosa
Conocida comúnmente como azúcar de mesa, es el endulzante más utilizado en los alimentos. Está constituida por una molécula de fructosa y otra de glucosa unidas por un enlace glucosídico. Es un azúcar muy soluble en agua que cristaliza fácilmente. Se extrae industrialmente a partir de la caña de azúcar y de la remolacha. Se utiliza, además, para mejorar el sabor ácido y amargo de muchos alimentos y para conservarlos mediante un aumento de la presión osmótica, lo que impide el crecimiento de muchos microorganismos.
Maltosa
Es el azúcar reductor constituido por dos moléculas de glucosa unidas por un enlace glucosídico, está presente en algunos frutos donde supone el 15% del total de los azúcares. No muchos alimentos tradicionales contienen naturalmente altas concentraciones de maltosa, pero cuando los alimentos ricos en almidón –como cereales, maíz, papas– son digeridos, se produce la maltosa. También se encuentra en la melaza, un producto dulce que le da un sabor distintivo a los productos horneados. Asimismo, hay algunas bebidas malteadas que se sirven como un producto similar al chocolate caliente con leche.
Su dulzor es 50% comparado con el de la sacarosa. Se hidroliza en el intestino por la acción de la maltasa. La maltosa forma parte de las maltodextrinas y de jarabes de glucosa, y es utilizada como ingrediente en numerosos alimentos como fuente de energía.
Lactosa
La lactosa es un disacárido que se encuentra en forma natural en la leche de todos los mamíferos. Está formado por la unión de una molécula de galactosa y una de glucosa unidas por un enlace glucosídico. Debido a que el componente de glucosa contiene un grupo hemiacetal, la lactosa es un azúcar reductor. Se hidroliza por la acción de la lactasa, enzima cuya actividad desciende a partir de la adultez en la mayoría de los seres humanos, debido a la disminución del consumo de lácteos.
6.4.3. Polisacáridos
Los polisacáridos, también llamados glucanos, están formados por unidades de monosacáridos conectados por enlaces glucosídicos. Los más pequeños se denominan oligosacáridos, y son polímeros que contienen entre 10 o 15 monosacáridos. Generalmente, se encuentran unidos a polipéptidos formando estructuras que se conocen como glucoproteínas. Los polímeros constituidos por mayor número de monómeros se denominan en términos generales como polisacáridos y estos pueden dividirse en dos clases: homoglucanos, formados por un solo tipo de monosacáridos y heteroglucanos, que contienen dos o más tipos de monosacáridos.
Como características generales podemos decir que los polisacáridos poseen un peso molecular elevado, no tienen sabor dulce y pueden ser insolubles o formar dispersiones coloidales. A partir de su función biológica, los polisacáridos se pueden agrupar en estructurales (celulosa, pectinas, gomas) y energéticos (glucógeno, inulina y almidón).
El almidón es un polisacárido complejo que se encuentra ampliamente distribuido en la naturaleza entre los alimentos de origen vegetal. Está formado por unidades de glucosa unidas entre sí por enlaces α1-4 y ramificaciones en posición α1-6.
El glucógeno es un polisacárido de reserva energética de los animales y no contribuye al sabor dulce de los alimentos. Se acumula en el hígado como glucógeno hepático y en el músculo como glucógeno muscular. El glucógeno hepático es el encargado de mantener el nivel de glucosa en sangre en concentraciones normales y el muscular se encarga de abastecer de energía al músculo en la contracción vigorosa. Es un polímetro de subunidades de glucosa unidas por enlaces α1-4 y ramificaciones del tipo α1-6.
El glucógeno forma gránulos de gran tamaño, que son a su vez agrupaciones de gránulos más pequeños. Algunos gránulos de glucógeno contienen, además, internamente unidos, las enzimas responsables de su síntesis y degradación.
La célula acumula glucógeno como reserva energética en lugar de glucosa, porque se almacena con mucha menor cantidad de agua y no contribuye con la presión osmótica celular. La celulosa forma parte de la fibra vegetal. Aunque no es un verdadero nutriente porque no puede ser utilizado por las células, es muy importante en la dieta. Es el principal componente de la pared celular de los vegetales. La celulosa es un polímero con cadenas largas sin ramificaciones de β-D-Glucosa. La ausencia de cadenas laterales permite a las moléculas de celulosa acercarse unas a otras para formar estructuras rígidas, lineales o fibrosas. En estas estructuras se establecen múltiples puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo de distintas cadenas yuxtapuestas, haciéndolas impenetrables al agua, y originando fibras compactas que constituyen la pared celular de las células vegetales.
Estructura de la celulosa
Las pectinas se encuentran formando parte de la lámina media de las paredes celulares de los vegetales. La parte blanca de las cáscaras de limón o naranja contienen aproximadamente un 30% de pectina. Este polisacárido es un éster metilado del ácido poligalacturónico, y está formado por cadenas de 300 a 1000 unidades de ácido galacturónico conectadas por enlaces 1α-4. El grado de esterificación (GE) afecta las propiedades gelificantes de la pectina. La pectina es un ingrediente importante para conservas de frutas, jaleas y mermeladas.
Las gomas y mucílagos se encuentran especialmente en semillas y legumbres. Son polisacáridos complejos en cuanto a los tipos de sacáridos componentes, ramificaciones y grado de polimerización. Todos estos polisacáridos tienen la característica común de que no son degradables por las enzimas digestivas y constituyen una gran parte de lo que se conoce como fibra dietética.
Los azúcares reductores contienen un grupo carbonilo (C=O) en su estructura, el cual puede funcionar como aldehído o cetona según su posición. Son moléculas reductoras porque poseen la capacidad de reducir otros compuestos cediendo electrones al reaccionar. Todos los monosacáridos son azúcares reductores, como así también algunos disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos. En el siguiente gráfico se muestra a la glucosa como ejemplo de azúcar reductor.
La determinación de azúcares reductores es de suma importancia en medicina, en la industria alimenticia y en la gastronomía.
Las pruebas de detección de azúcares reductores se han utilizado durante años para diagnosticar pacientes con diabetes, ya que estos presentan un aumento de los niveles de glucosa en sangre, que contiene grupo carbonilo (C=O) reactivo. En el área de la alimentación, la calidad de ciertos alimentos puede ser determinada por la presencia de azúcares reductores; por ejemplo, en vinos y jugos la concentración de estos se usa como indicativo de la calidad del producto.
En el procesamiento de alimentos a altas temperaturas, la reacción de Maillard es muy relevante. Esta reacción ocurre al aumentar la temperatura, los grupos carbonilo de los azúcares reductores reaccionan con los grupos amino de los aminoácidos; esta reacción genera diversos productos, algunos de los cuales son beneficiosos, pero otros son tóxicos e incluso cancerígenos.
En este recurso audiovisual se hace la Prueba de Fehling para la determinación de azúcares reductores. El empleo de esta técnica sencilla requiere la preparación de una solución de la muestra a evaluar en presencia de calor para garantizar que se disuelva por completo. Luego de esto, se agrega la solución de Fehling agitando constantemente. Si hay azúcares reductores presentes, la solución debería comenzar a cambiar de color a medida que se forma un óxido o un precipitado de color rojo. Si no hay azúcares reductores presentes, la solución permanecerá azul o verde.
“Prueba de Fehling” (Videotutoriales Informática Educativa, en español, duración: 4:22 min.).
¿Mediante qué reacción se pone de manifiesto el carácter reductor de un monosacárido? Ejemplifique con ecuaciones.
Defina qué son disacáridos y polisacáridos. Busque ejemplos concretos de su uso en la industria.
Escriba la estructura de los siguientes disacáridos: maltosa, celobiosa, lactosa y sacarosa. Señale aquellos que sean reductores.
- ¿Cuál es la diferencia entre azúcares reductores y no reductores?
- Represente un disacárido no reductor a partir de dos unidades de glucosa.
- Represente un disacárido reductor a partir de dos unidades de glucosa.
Investigue sobre los polisacáridos denominados hidrocoloides, cuál es su estructura, características, propiedades y su empleo en la industria de alimentos.