Carbohidratos: Propiedades, Clasificación y Funciones en la Industria Alimentaria

Temario del Segundo Parcial - QFB 503 2013

Carbohidratos: Conceptos Básicos

¿Qué son los carbohidratos?

Los carbohidratos son compuestos químicos formados por carbono, hidrógeno y oxígeno. Están presentes en los alimentos en diferentes formas y porcentajes.

¿Por qué razón se les conoce también como hidratos de carbono?

Se les conoce como hidratos de carbono debido a que muchos de ellos contienen estos elementos en la relación de Cn(H2O)n.

¿Cómo se definen químicamente los carbohidratos?

Químicamente, se definen como aldehídos o cetonas polihidroxiladas, es decir, compuestos orgánicos que contienen carbono, hidrógeno y oxígeno, con varios grupos hidroxilo (-OH) y un grupo aldehído (-CHO) o cetona (-CO).

Funciones Biológicas de los Carbohidratos

¿Cuáles son las funciones biológicas que realizan los carbohidratos?

Los glúcidos cumplen un papel muy importante en nuestro organismo, que incluyen las funciones relacionadas con el tema energético, el ahorro de las proteínas, la regulación del metabolismo de las grasas y el tema estructural.

• a) Energía: Los carbohidratos aportan 4 kilocalorías (KCal) por gramo de peso neto, sin agua. Una vez repuestas y cubiertas todas las necesidades de energía del cuerpo, una pequeña parte se almacena en el hígado y los músculos en forma de glucógeno (normalmente no más de 0,5% del peso de la persona). El resto se transforma en tejido adiposo y se almacena en el organismo como grasas. Se suele recomendar que mínimamente se efectúe una ingesta diaria de 100 gramos de hidratos de carbono para mantener los procesos metabólicos.
• b) Ahorro de proteínas: Cuando el cuerpo no dispone de suficientes hidratos de carbono, utilizará las proteínas con fines energéticos, consumiéndolas e impidiendo, por tanto, realizar otras funciones de construcción.
• c) Regulación del metabolismo de las grasas: En caso de no cumplir con una ingestión suficiente de carbohidratos, las grasas se metabolizan como cuerpos cetónicos, que son productos intermedios que pueden provocar problemas como la cetosis. La cetosis es una situación metabólica del organismo originada por un déficit en el aporte de carbohidratos, lo que induce el catabolismo de las grasas a fin de obtener energía, generando unos compuestos denominados cuerpos cetónicos.
• d) Estructura: Los carbohidratos constituyen una porción pequeña del peso y estructura del organismo, pero igualmente importante.

Clasificación y Estructura de los Carbohidratos

¿Cuáles son los grupos funcionales de un carbohidrato?

Los carbohidratos tienen dos grupos funcionales principales: las aldosas (por presentar un grupo aldehído en el C1 (-CHO)) y las cetosas (por presentar un grupo cetona en el C2 (-CO)).

¿Cómo se clasifican los carbohidratos por el número de unidades monoméricas agrupadas?

Los carbohidratos se dividen de acuerdo con su complejidad estructural o número de unidades que contengan en: monosacáridos o azúcares simples, disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos.

¿Cómo se clasifican los monosacáridos por el número de carbonos que los constituyen?

Se nombran por el número de átomos de carbono en su cadena con la terminación -osa: triosas, tetrosas, pentosas, hexosas, etcétera. Se nombran haciendo referencia al número de carbonos (3-7), terminado en el sufijo -osa.

¿Cómo se clasifican los monosacáridos de acuerdo a su grupo funcional?

Se clasifican en aldosas y cetosas.

Para las aldosas de 3 a 6 átomos de carbono tenemos:

• 3 carbonos: triosas, hay una: D-Gliceraldehído.
• 4 carbonos: tetrosas, hay dos, según la posición del grupo carbonilo: D-Eritrosa y D-Treosa.
• 5 carbonos: pentosas, hay cuatro, según la posición del grupo carbonilo: D-Ribosa, D-Arabinosa, D-Xilosa, D-Lixosa.
• 6 carbonos: hexosas, hay ocho, según la posición del grupo carbonilo: D-Alosa, D-Altrosa, D-Glucosa, D-Manosa, D-Gulosa, D-Idosa, D-Galactosa, D-Talosa.

Las cetosas de 3 a 7 átomos de carbono son:

• Triosas: hay una: Dihidroxiacetona.
• Tetrosas: hay una: D-Eritrulosa.
• Pentosas: hay dos, según la posición del grupo carbonilo: D-Ribulosa, D-Xilulosa.
• Hexosas: hay cuatro según la posición del grupo carbonilo: D-Sicosa, D-Fructosa, D-Sorbosa, D-Tagatosa.
• Heptosas: Ejemplo, la sedoheptulosa.

Disacáridos Importantes

Describa la lactosa y mencione los monosacáridos que la constituyen y cómo están unidos

La lactosa es un disacárido formado por la unión de una molécula de glucosa y otra de galactosa. Concretamente, intervienen una β-D-galactopiranosa y una D-glucopiranosa unidas por los carbonos 1 y 4 respectivamente, mediante un enlace β(1→4).

Describa la sacarosa y mencione los monosacáridos que la constituyen y cómo están unidos

La sacarosa, o azúcar común, es un disacárido formado por α-glucopiranosa y β-fructofuranosa.

Su nombre químico es α-D-Glucopiranosil - (1→2) - β-D-Fructofuranósido, mientras que su fórmula es C₁₂H₂₂O₁₁.

La sacarosa es un disacárido de glucosa y fructosa. Se sintetiza en plantas, pero no en animales superiores. No contiene ningún átomo de carbono anomérico libre, puesto que los carbonos anoméricos de sus dos unidades monosacáridos constituyentes se hallan unidos entre sí, covalentemente mediante un enlace O-glucosídico. Por esta razón, la sacarosa no es un azúcar reductor y tampoco posee un extremo reductor.

Describa la maltosa y mencione los monosacáridos que la constituyen y cómo están unidos

La maltosa, también conocida como maltobiosa o azúcar de malta, es un disacárido formado por dos glucosas unidas por un enlace glucosídico α(1→4) producido entre el oxígeno del primer carbono anomérico (proveniente de -OH) de una glucosa y el oxígeno perteneciente al cuarto carbono de la otra.

Propiedades y Reacciones de los Carbohidratos

Describe el fenómeno de mutarrotación

La mutarrotación es un fenómeno de isomerización que ocurre en monosacáridos referido a la rotación que sufre el carbono anomérico al pasar de un confórmero al otro. Puede pasar de un enlace de carbono α a uno β, o viceversa. En la serie "D", por convención, si la disposición del OH es hacia arriba lo llamamos β, si es hacia abajo lo denominamos α, ocurriendo lo contrario en la serie "L", donde el OH hacia arriba indica el confórmero α, y hacia abajo, el β. Para pasar de un estado al otro debe pasar primero por el estado de cadena abierta.

¿Qué son químicamente hablando los polioles y qué importancia tienen en la industria de alimentos?

Los polioles son alcoholes polihídricos con varios grupos hidroxilo. La fórmula química general es C_nH_2n+2O_n. Un poliol es un carbohidrato que contiene más grupos hidroxilo que el azúcar al cual está asociado. Son edulcorantes con bajo contenido energético (debido a su absorción parcial en el intestino) que, en muchos casos, se prefieren antes que a los azúcares edulcorantes debido a que no afectan los niveles de azúcar en sangre y no provocan la aparición de caries dentales.

Aumentan la dulzura en los alimentos sin agregar demasiada azúcar.

¿Cómo ocurre la reacción de oxidación de los monosacáridos, cuáles son sus productos?

La oxidación de los monosacáridos puede ocurrir en diferentes condiciones y con diferentes agentes oxidantes. Los productos de la oxidación dependen del carbono que se oxide. Si se oxida el grupo aldehído, se forma un ácido aldónico. Si se oxida el grupo hidroxilo del carbono terminal, se forma un ácido urónico. Si se oxidan ambos grupos, se forma un ácido aldárico.

¿Qué nombre recibe el enlace entre carbohidratos?

En los carbohidratos se llama enlace glucosídico.

Polisacáridos

¿Cómo se clasifican los polisacáridos según sus constituyentes?

Los polisacáridos se clasifican en homopolisacáridos, si están formados por un solo tipo de monosacárido, y heteropolisacáridos, si están formados por diferentes tipos de monosacáridos.

¿Cuáles son los polisacáridos más comunes en la naturaleza?

Los polisacáridos más comunes en la naturaleza son el almidón, el glucógeno y la celulosa.

¿Qué macromoléculas constituyen el almidón?

El almidón está constituido por dos macromoléculas: amilosa y amilopectina.

¿Cuáles son las fuentes naturales del almidón?

Las fuentes naturales del almidón son principalmente los cereales (como el maíz, el trigo y el arroz), los tubérculos (como la papa y la yuca) y las legumbres.

Describa la amilosa

La amilosa es un polímero lineal de glucosa con enlaces α(1→4). Es soluble en agua y forma una solución coloidal.

Describa la amilopectina

La amilopectina es un polímero ramificado de glucosa con enlaces α(1→4) en la cadena principal y enlaces α(1→6) en los puntos de ramificación. Es menos soluble en agua que la amilosa.

Describa al glucógeno

El glucógeno es un polímero ramificado de glucosa similar a la amilopectina, pero con mayor número de ramificaciones. Es la principal forma de almacenamiento de glucosa en los animales y se encuentra principalmente en el hígado y los músculos.

Describa cómo están constituidos químicamente la celulosa, la quitina y las pectinas

• Celulosa: Es un homopolisacárido lineal de glucosa con enlaces β(1→4). Es el principal componente de las paredes celulares de las plantas.
• Quitina: Es un homopolisacárido lineal de N-acetilglucosamina con enlaces β(1→4). Es el principal componente del exoesqueleto de los artrópodos y de las paredes celulares de los hongos.
• Pectinas: Son heteropolisacáridos formados principalmente por ácido galacturónico con enlaces α(1→4). Son componentes importantes de la pared celular de las plantas y se utilizan como agentes gelificantes en la industria alimentaria.

Carbohidratos en la Industria Alimentaria

¿Cuáles son las propiedades funcionales de los carbohidratos más importantes en la industria de los alimentos?

Las propiedades funcionales de los carbohidratos más importantes en la industria de los alimentos incluyen su capacidad para actuar como: edulcorantes, espesantes, estabilizantes, gelificantes, humectantes, crioprotectores y formadores de películas.

¿A qué se le llama azúcar invertido y cuál es su importancia en la química de alimentos?

El azúcar invertido es una mezcla equimolar de glucosa y fructosa que se obtiene por hidrólisis ácida o enzimática de la sacarosa. Es más dulce que la sacarosa y tiene una menor tendencia a cristalizar, por lo que se utiliza en la elaboración de jarabes, caramelos, helados y otros productos alimenticios.

¿Qué son las dextrinas y cuál es su importancia para el químico de alimentos? Explica.

Las dextrinas son productos de la hidrólisis parcial del almidón. Tienen un menor peso molecular que el almidón y son más solubles en agua. Se utilizan en la industria alimentaria como espesantes, estabilizantes, agentes de encapsulación y adhesivos.

¿Cómo explicarías la importancia de la retrogradación del almidón en la manufactura de pan?

La retrogradación del almidón es un proceso que ocurre durante el enfriamiento del almidón gelatinizado, en el cual las moléculas de amilosa y amilopectina se reasocian formando una estructura cristalina. Este proceso es responsable del endurecimiento del pan y de la pérdida de su frescura. La retrogradación es importante en la manufactura del pan porque afecta su textura, vida útil y calidad.

¿Qué son las gomas y cuál es su importancia para el químico de alimentos? Explica.

Las gomas son polisacáridos de alto peso molecular que tienen la capacidad de formar soluciones viscosas o geles en agua. Se utilizan en la industria alimentaria como espesantes, estabilizantes, gelificantes, emulsionantes y agentes de suspensión. Algunos ejemplos de gomas son la goma arábiga, la goma xantana, la goma guar y la carragenina.

Reacciones de Oscurecimiento en Alimentos

¿Cómo ocurre la caramelización?

La caramelización es una reacción de oscurecimiento no enzimático que ocurre cuando los azúcares se calientan a altas temperaturas en ausencia de agua. Durante la caramelización, los azúcares se deshidratan y se forman compuestos volátiles que dan lugar al color y aroma característicos del caramelo.

¿Cuáles son las características de la Reacción de Maillard?

La Reacción de Maillard es una reacción de oscurecimiento no enzimático que ocurre entre un grupo amino (de un aminoácido, péptido o proteína) y un grupo carbonilo (de un azúcar reductor). Esta reacción es responsable del color, aroma y sabor de muchos alimentos cocinados, como la carne asada, el pan tostado y el café.

¿Qué otros tipos de oscurecimiento ocurren en los alimentos y a qué se deben?

Otros tipos de oscurecimiento que ocurren en los alimentos son el oscurecimiento enzimático, que se debe a la acción de enzimas como la polifenoloxidasa, y el oscurecimiento por oxidación de lípidos, que se debe a la reacción de los lípidos con el oxígeno.

¿Qué importancia tiene la Reacción de Maillard en la química de los alimentos?

La Reacción de Maillard es importante en la química de los alimentos porque contribuye a las características sensoriales de muchos alimentos, como el color, el aroma y el sabor. También puede afectar el valor nutricional de los alimentos y la formación de compuestos potencialmente tóxicos, como la acrilamida.