CARBOHIDRATOS
-
Upload
david-santos-huancas -
Category
Documents
-
view
14 -
download
0
Transcript of CARBOHIDRATOS
“AÑO DE LA INVERSIÓN PARA EL DESARROLLO RURAL Y LA SEGURIDAD ALIMENTARIA”
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN
FACULTAD DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL
ASIGNATURA : QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS
DOCENTE : Ing. EPIFANIO EFRAÍN MARTÍNEZ MENA
TEMA : CARBOHIDRATOS EN LOS ALIMENTOS
ESTUDIANTE : DAVID SANTOS HUANCAS
Octubre del 2013
CARBOHIDRATOS
Los carbohidratos constituyen más del 90% de la materia seca de los vegetales.
Son por tanto abundantes, de fácil disponibilidad y baratos. Son un componente
común en los alimentos, bien como componentes naturales o bien como ingredientes
añadidos. Su uso está muy extendido, tanto por las cantidades que se consumen
como por la variedad de productos en los que se encuentran. Poseen muchas
estructuras moleculares diferentes, tamaños y formas, y exhiben una gran variedad
de propiedades físicas y químicas. Por otra parte, son susceptibles de modificación
química y bioquímica, y ambos tipos de modificaciones se utilizan comercialmente
para mejorar sus propiedades y para ampliar su uso. Por último, son inocuos (no
tóxicos).
El término carbohidrato sugiere una composición elemental genérica, concretamente
Cx(H2O)n, que coincide con moléculas que contienen átomos de carbono con otros
de hidrógeno y oxígeno en la misma proporción que el agua. Sin embargo, la gran
mayoría de los carbohidratos naturales producidos por los organismos vivos no
poseen esta simple formula empírica. De hecho, la mayoría de los carbohidratos
naturales se encuentran en forma de oligómeros (oligosacáridos) o polímeros
(polisacáridos) de azúcares sencillos o modificados. Los carbohidratos de peso
molecular más bajo se obtienen con frecuencia por despolimerización de los
polímeros naturales.
Como su nombre indica, los hidratos de carbono o carbohidratos son compuestos con
estructura de polihidroxialdehído o de polihidroxiacetona. Los hidratos de carbono que
provienen del reino vegetal son más variados y abundantes que los del reino animal;
se originan como producto de la fotosíntesis y son los principales compuestos
químicos que almacenan la energía radiante del sol. La glucosa sintetizada en las
plantas por el proceso de fotosíntesis representa la materia prima fundamental para la
fabricación de la gran mayoría de ellos: el bióxido de carbono reacciona con agua para
formar glucosa, con el consecuente desprendimiento de oxígeno:
6CO2+12H 2O→C6H 1206+6O2+H 2O a su vez la glucosa, mediante diversas rutas
bioquímicas, da origen a muchos otros como la sacarosa y la fructosa, o bien a
polímeros como !a celulosa y el almidón. Los organismos obtienen energía a través del
metabolismo bioquímico de los CHO (glucólisis y ciclo de Krebs).
La estructura química de los hidratos de carbono determina su funcionalidad y
características, mismas que repercuten de diferentes maneras en los alimento,
principalmente en el sabor, la viscosidad, la estructura y el color. Es decir las
propiedades de los alimentos, tanto naturales como procesados, dependen del tipo de
hidrato de carbono que contienen y de las reacciones en que éstos intervienen.
La glucosa es la forma de hidrato de carbono más importante en el metabolismo de las
células y su oxidación completa a CO2 y H2O, por medio de la glucólisis y el ciclo de
Krebs, genera ATP, base energética de los sistemas biológicos. La reserva de estos
compuestos en los animales y en las plantas son, respectivamente, el glucógeno, el
almidón, polímeros de glucosa cuya combustión genera 4 Kcal/g; la porción de fibra
dietética presente en los vegetales no produce energía.
CLASIFICACIÓN Y NOMENCLATURA
Existen diversas clasificaciones de los carbohidratos, cada uno de los cuales se basan
en un criterio distinto:
1. Estructura química: ubicación del grupo C═O (aldosas o cetosas)
2. Numero de átomos de carbono de la cadena (triosa, pentosa, hexosa)
3. Abundancia en la naturaleza
4. Uso en los alimentos
5. Poder edulcorante; etc.
Por lo que se prefiere el criterio de la estructura química, que hace referencia al
tamaño de la molécula o al número de átomos de carbono que esta contiene, así como
la cantidad de unidades de azúcar que lo conforman. De acuerdo a este principio
pueden clasificarse como:
Clasificación de los hidratos de carbono más importantes en lo alimentos:
a) Monosacáridos (1 unidad de azúcar):
Pentosas: xilosa, arabinosa, ribosa, etc.
Hexosas:
aldohexosas: glucosa, galactosa, manosa, etc.
cetohexosas: fructuosa, sorbosa, etc.
b) Oligosacáridos (de 2 a 10 unidades de azúcar):
Disacáridos: lactosa, sacarosa, maltosa, etc.
Trisacáridos: rafinosa, etc.
Tetra y pentasacáridos: estaquiosa, verbasosa, etc.
c) Polisacáridos (más de 10 unidades de azúcar):
Hemopolisacáridos: almidón, glucógeno, celulosa, etc.
Heteropolisacáridos: hemicelulosa, pectinas, etc.
Los hidratos de carbono que no pueden ser hidrolizados en otros más simples se
denominan monosacáridos como los de tres átomos de carbono llamados triosas o los
de cuatro, cinco y seis que corresponden a las tetrosas, pentosas y hexosas,
respectivamente. Por su parte, a los carbohidratos que contengan el grupo cetona se
les asigna el sufijo “ulosa” para distinguirlos de los aldehídos que llevan la terminación
“osa”; por ejemplo, la levulosa (fructosa) es una cetosa del grupo de las hexulosas,
mientras que la glucosa es una aldosa que pertenece a las hexosas. En el reino
vegetal se encuentran muchos azúcares de seis átomos de carbono, aunque sólo
cinco se han aislado en estado libre, tres de los cuales son aldosas (glucosa,
galactosa y manosa) y dos cetosas (fructosa y sorbosa).
Los monosacáridos son los monómeros o unidades básicas de los hidratos de carbono
más complejos; cuya unión química produce oligosacáridos; cuando el número es muy
grande, se forman los polisacárídos, que a su vez pueden estar constituidos por una o
varias clases de monómeros. La palabra azúcar se emplea para designar
generalmente a los hidratos de carbono clasificados como mono y oligosacáridos.
Su nomenclatura es algo confusa ya que, al igual que muchos otros compuestos
químicos, originalmente se les designó con nombres triviales y raíces que indican el
origen o procedencia, a la cual solo se le añade el sufijo "osa", como en el caso de la
lactosa que es el azúcar de la leche, la fructosa de las frutas, la maltosa de la malta,
etc. estos nombres no ofrecen una idea de su estructura química, pero se siguen
usando a pesar de que desde hace tiempo ya existe una nomenclatura científica para
diferenciarlos.
En el caso de los polímeros se emplea la terminación "ana"; por ejemplo, los
constituidos por la unión de moléculas de glucosa se denominan glucanas, los que
contienen sólo galactosa, galactanas, etc. Cuando están integrados por más de un tipo
de monómero se les da un nombre compuesto, como la galactomanana que es un
polímero de galactosa y manosa.
MONOSACÁRIDOS:
Estos compuestos son insolubles en etanol y en éter; solubles en agua y sus
soluciones tienen, en general, un sabor dulce aunque existen algunos que son
amargos y tienen una apariencia cristalina y blanca. Comparativamente, la cantidad de
monosacáridos en estado libre es muy inferior a la que se encuentra combinada
integrando los diversos polísacáridos. La mayoría se han podido cristalizar, pero en
ciertos casos este proceso es difícil si no se cuenta con cristales que permitan iniciarlo.
Al igual que otros, los cristales de los azúcares, pueden descomponerse a
temperaturas cercanas a su punto de fusión, e intervienen en un gran número de
reacciones.
Estructura química
Los monosacáridos más comunes en la naturaleza, tales como las treosas, pentosas y
hexosas, derivan del D-gliceraldehído con la adición de grupos CHOH a la cadena
básica de carbonos.
Proyección de Fischer de los azucares derivados del D-gliceraldehído de 4, 5, y 6 átomos de carbono.
Diferentes representaciones de la D-glucosa (dextrosa)
El átomo número 2 del gliceraldehído es asimétrico y puede existir como los isómeros
D y L; en los primeros el hidroxilo del carbono asimétrico más alejado del aldehído se
encuentra a la derecha del plano lineal de la molécula (en las hexosas, las pentosas y
las tetrosas, se localiza en el C-5, C-4 y C-3 respectivamente), y en los de la serie L
dicho hidroxilo de referencia se ubica a la izquierda del plano central.
Es necesario hacer notar que las designaciones D y L no indican la dirección en ¡a
cual el azúcar hace rotar el plano de la luz polarizada, y si se desea hacer mención a
su poder rotatorio, se deben incluir los signos (+) o (-) que corresponden a
carbohidratos dextrorrotatorios o levorrotatorios respectivamente.
Se llama epímero el azúcar cuya única diferencia en su molécula es la localización o
posición de un solo hidroxilo que no sea el de referencia; así, la glucosa es epímero de
la manosa en el hidroxilo del C-2; igualmente, la glucosa y la galactosa son epímeros
por el hidroxilo del C-4.
Las representaciones químicas pueden hacerse con las proyecciones de Fischer y de
Haworth, o bien con la fórmula conformacional.
Representación de la D-fructuosa (levulosa)
En la primera, los carbonos están en una cadena lineal abierta y se numeran a partir
del aldehído, pero en el caso de las cetosas se hace por el átomo de carbono más
cercano a la cetona. Debido a su alta reactividad, el carbonilo interacciona con grupos
alcohol de la misma molécula, produciendo enlaces hemiacetales intramoleculares que
originan azúcares cíclicos, y que en agua se encuentran en equilibrio con la cadena
abierta. En las hexosas se producen generalmente compuestos de conformación de
piranosa (anillos de seis átomos), excepto en el caso de la fructosa que es una
furanosa (anillo de cinco átomos); de estos dos arreglos, el primero es el más estable
y más común entre los distintos azúcar debido a que presenta menos tensiones en los
enlaces. Por lo tanto, estos hidratos de carbono, se denominan con la terminación
piranosa o furanosa, según el tipo de anilloque desarrollen.
Enlaces hemiacetal de los monosacáridos
Son los azúcares más sencillos. Tienen sabor dulce, son cristalinos y solubles en
agua.
Hay diferentes tipos de monosacáridos:
1. GLUCOSA
Es el hidrato de carbono más importante para el hombre, ya que constituye su
principal fuente de energía. En ausencia de glucosa las células obtienen energía
utilizando las reservas grasas y las proteínas.
2. GALACTOSA
Es uno de los componentes de la lactosa, por tanto, la encontramos principalmente en
la leche. Tras ser
absorbida se transforma en glucosa en el hígado y por tanto, también constituye una
fuente energética.
3. FRUCTOSA
También tiene como función ser una fuente de energía. En la fruta y la miel. Además
forma parte de la sacarosa. Tiene gran poder edulcorante. La fructosa se puede
convertir en glucosa y así se metaboliza
También podemos encontrar otro tipo de monosacáridos ribosa, desoxirribosa. Que
no es que no tienen demasiado interés nutricional.
DISACÁRIDOS
Resultan de la unión de dos a diez moléculas de monosacáridos. Los más abundantes
son los que están formados por la unión de dos monosacáridos
Hay diferentes tipos de disacáridos:
1. SACAROSA
Es muy abundante en la naturaleza y aparece por la unión de una molécula de glucosa
y una molécula de fructosa. La separación de ambas moléculas tiene lugar en el ribete
del cepillo de la mucosa intestinal a través de la acción de la enzima sacarasa.
Dos derivados de la sacarosa son glúcidos no aprovechables por el organismo, siendo
éstos la rafinosa y la estaquiosa, relativamente abundantes en las favoreciendo la
aparición de gases en el intestino grueso causando la flatulencia.
2. LACTOSA
Es el azúcar de la leche de los mamíferos, tiene un sabor dulce moderado. Es el
menos soluble en agua, está formado por la unión de una molécula de glucosa y una
molécula de galactosa que se desdoblan en el intestino gracias a la acción de la
enzima lactasa,
3. MALTOSA
Está formado por dos moléculas de glucosa, es soluble en agua y es la consecuencia
de la hidrolisis enzimática del almidón.
POLISACÁRIDOS
Convencionalmente, se ha considerado polisacárido aquel polímero constituido por
más de 10 monosacáridos unidos por distintos enlaces glucosídicos; los de menos de
10 son los oligosacáridos. A pesar de esta distinción, la gran mayoría de los
polisacáridos naturales contienen cientos de monómeros y en ocasiones, varios miles.
No producen verdaderas soluciones, sino más bien dispersiones de tamaño coloidal;
puros no tienen color, aroma o sabor. Su peso molecular, que puede llegar a ser hasta
de millones, es en realidad un promedio, puesto que las moléculas no son iguales y
siempre presentan una distribución de valores.
Se encuentran como cadenas lineales, o bien, ramificadas, que a su vez pueden estar
integradas por un solo tipo de monosacárido (homopolisacárido), como el almidón y la
celulosa, o también por varios tipos de monosacáridos (heteropolisacárido), como es el
caso de la mayoría de las gomas. De cualquier manera, sus componentes siempre
están unidos regularmente con una secuencia y estructura repetitivas, representando
polímeros con un alto grado de ordenación.
De los hidratos de carbono contenidos en la mayoría de los tejidos animal y vegetal,
los polisacáridos son los más abundantes; los azúcares libres generalmente están en
una menor concentración. Interaccionan fuertemente con las proteínas en los sistemas
biológicos lo cual determina muchas de las funciones celulares; la unión entre estos
polímeros se efectúa principalmente por enlaces electrostáticos, aun cuando pueden
existir puentes de hidrógeno, hidrófobos y, en ocasiones, covalentes. Algunos de estos
complejos forman geles cuando se calientan y producen una estructura ordenada
tridimensional en la que queda atrapada el agua.
Su nomenclatura se basa en la adición de la terminación "ana" a las primeras letras
que identifiquen el nombre del azúcar que lo integra; por ejemplo, aquellos constituidos
por glucosa exclusivamente se denominan glucanas, los que contienen sólo galactosa,
galactanas, etc. Cuando contienen más de un monómero se hace una combinación,
como galactomanana, arabinogalactana, etcétera.
De acuerdo con su función biológica se han dividido en dos grandes grupos: los que
constituyen la estructura celular y le confieren rigidez a los tejidos (celulosa, pectinas.
gomas, etc.), y los que representan la reserva energética de animales (glucógeno) y
vegetales (inulina y almidón).
Su hidrólisis, al igual que la de los oligosacáridos depende del pH, la temperatura, el
tipo de enlace glucosídico, la configuración anomérica y la presencia de grupos
voluminosos que ejercen un efecto estabilizador. Por ejemplo los α-D-enlaces del
almidón son más susceptibles que los β-D-enlaces de la celulosa; a su vez, los α-(1,3)
se rompen más fácilmente que los α-(1,6) o los α-(1,4). Las uniones en que intervienen
furanosas (fructosa) son más lábiles que en las que contienen píranosas. La presencia
de grupos sulfato estabiliza los enlaces glucosídícos a pesar de que éstos en forma
individual son muy sensibles a los ácidos.
Los polisacáridos se encuentran en forma natural en muchos alimentos, pero en
algunas ocasiones se añaden a otros para obtener la formulación correcta, como en el
caso del almidón, la carragaenina y las pectinas, que se utilizan por sus propiedades
funcionales. Por su gran capacidad de retener agua, producen partículas coloidales
muy hidratadas, razón por la cual a los polisacáridos se les da el nombre de
hidrocoloides.
GELATINIZACIÓN Y OTRAS PROPIEDADES DEL ALMIDÓN
Los gránulos de almidón intactos no son solubles en agua fría, pero pueden embeber
pequeñas cantidades de agua de forma reversible, ocasionando un pequeño
hinchamiento. Este incremento del diámetro del gránulo varía entre 9,1 % para el
almidón normal y 22,7 % para el maíz céreo.
Cuando los gránulos de almidón se calientan en presencia de agua, sufren un proceso
llamado gelatinización. La gelatinización es la disrupción del orden molecular dentro
del gránulo. La evidencia de la pérdida del orden, incluye:
hinchamiento irreversible del gránulo
pérdida de birrefringencia
pérdida de cristalinidad.
Se produce dentro de un estrecho margen de temperatura, gelatinizando primero los
gránulos más grandes y por último los más pequeños.
Temperatura de gelatinización de almidones de distintas fuentes:
Si se continúa el calentamiento de los gránulos de almidón en exceso de agua, resulta
un gránulo hinchado con adicional extracción de amilosa. Si además se aplica en esta
etapa un esfuerzo de corte, los gránulos se rompen y se forma una pasta. Una pasta
de almidón es una masa viscosa consistente de una fase continua (una dispersión
molecular) de amilosa y amilopectina solubilizada y una fase discontinua de gránulos
remanentes. La completa dispersión molecular se obtiene bajo condiciones de altas
temperaturas, altos esfuerzos de corte y con exceso de agua, condiciones raras, en
los productos alimenticios.
La gelatinización y empastamiento de los gránulos de almidón ocurren, debido a que la
temperatura de la suspensión de almidón en agua se incrementa, las moléculas de
almidón vibran y giran vigorosamente, rompiendo los enlaces de hidrógeno
intermoleculares, permitiendo así la penetración de agua, así como la separación
progresiva de más y mayores segmentos de cadena de almidón, aumentando el azar
en la estructura general y disminuyendo el número y tamaño de las regiones
cristalinas.
Cuando las pastas cocidas de almidón son enfriadas y almacenadas, el almidón se
torna progresivamente menos soluble. En solución diluida, las moléculas de almidón
precipitan, y este material insoluble es difícil de redisolverlo por calentamiento. Si una
solución de almidón concentrada se enfría, en ausencia de agitación, se forma un gel
rígido. Este retorno al estado insoluble se llama retrogradación. La retrogradación del
almidón cocido involucra a los dos polímeros constituyentes, la amilosa y amilopectina.
La retrogradación de la amilosa es mucho más rápida que la que sufre la amilopectina.
USOS DEL ALMIDÓN
Almidones modificados
Los distintos almidones poseen un espectro amplio den características, que los hacen
adecuados para multitud de usos. Sin embargo, la gran diversidad de aplicaciones que
tiene actualmente el mismo hace que los almidones nativos no cubran la gama de
propiedades físico-químicas requeridas por la industria. Por esta razón, se someten a
procesos de modificación, por vía física y/o química para obtener tipos adecuados
para usos específicos.
La modificación o derivatización, tiene como objetivos:
Modificar las características de gelatinización y de cocción de los almidones
nativos.
Modificar las tendencias a la retrogradación y formación de geles de los
almidones.
Aumentar la capacidad de retención de agua a bajas Temperaturas de las
dispersiones.
Impartir propiedades hidrofóbicas.
Introducir componentes iónicos.
Los procesos más comunes son:
1. Pre gelatinización
Es un almidón que ha sido cocido o gelatinizado de alguna forma, y a
continuación secado, tiene la propiedad de redisolverse en agua fría, dando
una pasta que difiere poco de la del almidón original. La aplicación más
importante de los almidones pregelatinizados es la preparación de bebidas
instantáneas a base de cacao y de postres instantáneos que se sirven
inmediatamente después de agitarlos con leche fría; se aplica, con frecuencia,
a almidones modificados por vía química, para combinar las propiedades de
éstos con la facilidad de hincharse en agua fría.
2. Fluidización por ácidos
Se obtienen calentando, a temperatura suave (50 °C), una suspensión del
almidón en ClH diluido, seguido de filtración, lavado y secado. El tratamiento
produce una hidrólisis parcial de las moléculas de amilosa y amilopectina, con
la cual se obtiene un producto cuya pasta caliente es de baja viscosidad, y que
puede utilizarse en concentraciones altas con una fluidez manejable. En el
enfriamiento, la retrogradación es mayor que la del almidón original,
produciéndose geles rígidos. Tienen gran aplicación en la confección de
caramelos y confites de textura gomosa.
3. Eterificación
Se hace reaccionar los grupos OH del almidón con reactivos que introduzcan
en las moléculas cadenas con grupos hidrofílicos alcohólicos, catiónicos o
aniónicos). La presencia de estos grupos disminuye la temperatura de
gelatinización y aumenta la velocidad de hinchamiento. Los grupos iónicos
mejoran la capacidad de retención de agua y dan pasta de gran viscosidad.
Las pastas son, además, de buena transparencia y con muy escasa
retrogradación. Dichas características y su capacidad de formar películas
transparentes y flexibles en el secado, son la base de las aplicaciones en las
industrias textil y papelera.
4. Esterificación
Los grupos OH del almidón pueden esterificarse con diversos anhídridos
orgánicos e inorgánicos, obteniéndose varios tipos de ésteres de almidón,
entre los que destacan los fosfatos y los acetilados. La presencia de estos
grupos disminuye la temperatura de gelatinización. Los fosfatos de almidón
muy sustituidos pueden hincharse incluso con agua fría. Las pastas
producidas son de mayor viscosidad, con buena transparencia y presentan
poca retrogradación. Los ésteres de almidón se aplican en las industrias textil,
papelera y alimentaria. Los fosfatos de almidón, poseen propiedades
excelentes para la formulación de alimentos congelados, por su buen
comportamiento en los ciclos de congelación y descongelación.
5. Almidones con enlaces cruzados
Se obtienen cuando se hace reaccionar el almidón con un compuesto con
varios grupos funcionales capaces de reaccionar con los grupos OH. El
resultado es la formación de puentes intermoleculares que refuerzan la
estructura del gránulo. La ventaja principal de estos derivados es la estabilidad
que presentan sus pastas frente a la agitación y el calentamiento, incluso en
medio ácido. Son importantes sus aplicaciones en alimentos que han de sufrir
un proceso de esterilización o que se preparan con un pH ácido.
6. Oxidación
Se puede realizar con diferentes reactivos, si bien los más utilizados son el
ácido peryódico y el hipoclorito de Na. La oxidación con ácido peryódico da
lugar al almidón dialdehído, de gran aplicación en la industria papelera y del
curtido. El almidón dialdehído se condensa con las proteínas, a lo que debe
sus propiedades curtientes, y con los grupos OH de la molécula de celulosa,
que adquiere mayor resistencia a la ruptura.
La oxidación con hipoclorito es, generalmente, el único procedimiento
autorizado por la legislación de diversos países para obtener almidones
oxidados que se utilizarán en alimentos. Este tratamiento produce la oxidación
de algunos grupos OH del almidón a carbonilo y carboxilo, así como alguna
hidrólisis de las cadenas. Presentan temperatura de gelatinización y
viscosidad menores que los almidones nativos. La viscosidad disminuye
rápidamente con el calentamiento y la agitación, dando pastas fluidas, de gran
transparencia y con escasa retrogradación.
Al extender y secar las pastas forman películas transparentes, continuas y
muy adherentes. Esta propiedad es la base de la utilización de estos
almidones en la industria de adhesivos y papelera.
La estabilidad de sus pastas en el enfriamiento los hace útiles en la
preparación de alimentos, cuando es importante evitar la geleficación. Su baja
viscosidad en caliente permite emplearlos en los alimentos en que se necesita
disponer de una alta proporción de sólidos, compatible con una viscosidad
moderada.
BIBLIOGRAFÍA:
1. BADUI. Bergal Salvador 2006. Química de los alimentos. Cuarta
edición. PEARSON EDUCACIÓN, México. Pág. 29-109