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