Principales reacciones de los carbohidratos

Principales reacciones de los carbohidratos.

Hidrólisis de los carbohidratos.

Los disacáridos y polisacáridos deben ser hidrolizados es decir reducidos hasta monosacáridos, por lo que la hidrólisis se lleva a cabo mediante la división de una molécula de agua del medio. El hidrógeno del agua se une al oxigeno del extremo de una de las moléculas del carbohidrato como lo puede ser el azúcar, mientras que el grupo funcional OH se une al carbono libre del otro residuo de azúcar y como resultado de esta reacción se tiene la liberación de un monosacárido, por otra parte la glucosa es trasportada al interior celular por medio de proteínas que se localizan en la membrana celular.
Un ejemplo de los carbohidratos más importantes se encuentra el almidón y la celulosa, los cuales, son carbohidratos que se pueden hidrolizar dando muchas unidades de monosacáridos. El almidón es un polisacárido cuyas unidades de glucosa se unen fácilmente para tomar esta sustancia  de reserva energética, o se separan para proporcionar energía a las células.
La hidrólisis del almidón o de la celulosa da lugar a muchas moléculas de glucosa como se muestra a continuación:

Deshidratación de los carbohidratos.

Por lo general todos los carbohidratos reaccionan con el reactivo de Molisch lo cual produce una disolución de color púrpura. Esto ocurre porque el carbohidrato experimenta una serie de reacciones de deshidratación sucesivas catalizadas por el ácido sulfúrico concentrado.

Hay otros disacáridos como la sacarosa que se sintetiza mediante una reacción de síntesis por deshidratación donde se elimina el hidrógeno de la glucosa y el grupo hidroxilo de la fructuosa. Por lo que podemos decir que la hidrólisis de la sacarosa es lo inverso de su síntesis como se muestra en la siguiente figura.  

Degradación térmica.

En la degradación térmica lo que se elimina es el átomo de carbono del grupo aldehído y es el carbono asimétrico inferior  en la proyección de Fischer (carbono asimétrico más alejado del grupo carbonilo eliminado) el que determina el enantiómero del gliceraldehído se forma mediante la degradación sucesiva.

En la degradación de una aldosa se elimina el átomo de carbono del grupo aldehído y se obtienen un azúcar más pequeño. Los azúcares de la serie D dan lugar a D (+)-gliceraldehído en la degradación a triosa. Por lo tanto, el grupo OH del átomo de carbono asimétrico inferior de los azúcares D ha de estar a la derecha en la proyección de Fischer.

Reacciones de Oscurecimiento

Reacciones por oscurecimiento no enzimáticas

Es el resultado de reacciones originadas por las condensaciones entre compuestos carbonilos y aminados; Estas reacciones conducen a la formación de polímeros oscuros que en algunos casos pueden ser deseables y en algunos otros casos con llevan alteraciones organolépticas y pérdidas del valor nutritivo de los alimentos afectados.

En este tipo de reacciones se incluyen las reacciones de:

1. Caramelización.
2. Reacción de Maillard.
3. Degradación del ácido ascórbico.

Caramelización.

Es una serie compleja de reacciones que comienza cuando los azucares de calientan por encima de su punto de fusión.

La Caramelización se presenta en alimentos tratados térmicamente de manera drástica como:

1. Leche Condensada.
2. Leche Azucarada.
3. Derivados de la Panificación.
4. Frituras.
5. Dulces de leche.

Reacciones de Caramelización.

Reacción de Maillard

Con este nombre se designa un grupo muy complejo de transformaciones que traen consigo la producción de melanoidinas coloreadas que van desde amarillo claro hasta café oscuro, o incluso negro en alimentos.

 La reacción de Maillard (técnicamente: glucosilación no enzimática de proteínas) se trata de un conjunto complejo de reacciones químicas  que se producen entre las proteínas y los azucares que se dan al calentar los alimentos o mezclas similares, como por ejemplo una pastas.

Reacción de Oscurecimiento de Maillard.

Oxidación de ácido ascórbico (Vitamina C)

• Es catalizada por el pH bajo y temperaturas elevadas.
• Los productos de descomposición resultantes de la oxidación del ácido ascórbico causan una coloración marrón y la pérdida de valor nutritivo.
• El ácido ascórbico se somete a una reacción química similar a la de los azúcares, salvo que los aminoácidos no son necesarios para el pardea miento. 
• El ácido ascórbico es muy reactivo, se degrada a través de dos rutas, las cuales permiten la formación de intermediaros de dicarbonil y por este motivo forman productos de pardea miento.

Las reacciones de pardeamiento son las responsables de muchos de los colores y sabores existentes en los alimentos:

• Galletas: el color tostado del exterior de las galletas genera un sabor característico.
• Caramelos: elaborados de mezclas de leche y azúcar.
• Responsable del color marrón en el pan tostado
• El color de alimentos tales como la cerveza, café, etc.
• El sabor, color y olor de la carne asada, horneada y frita además de las cebollas asadas
• El color del dulce de leche, obtenido al calentar la leche con el azúcar.

Reacciones de Oscurecimiento

Reacciones de Oscurecimiento enzimático.

En diversas ocasiones hemos observado como alguna fruta o vegetal al ser dañado físicamente el área afectada empieza a tornarse más oscura, con lo cual normalmente se atribuye que se ha dañado. No obstante esto no es más que una reacción química entre los sustratos presentes y el oxígeno del ambiente, dicha reacción es conocida como oscurecimiento enzimático u oxidativo. El oscurecimiento enzimático tiene lugar en muchos productos vegetales y se hace evidente cuando se corta una manzana, una papa o una banana. Cuando el tejido vegetales cortado, golpeado o aplastado existe una disrupción a nivel celular y una exposición de los sustratos de tipo fenólico al oxígeno del aire, siendo convertido por vía enzimática en melaninas, que son compuestos oscuros de color marrón y caracterizan a este tipo de oscurecimiento. Este mismo también se observa en camarones, siendo responsable de la melanosis, la marcada en el camarón con cabeza, dado que es en el cefalotórax donde se encuentra la mayor carga enzimática de este crustáceo.

Las enzimas que catalizan estas reacciones reciben el nombre genérico de fenolasas, y para que la reacción tenga lugar se requiere la presencia de oxígeno molecular y cobre como grupo protéstico. El pH óptimo para la reacción es ligeramente ácido.

Existen diversos tipos de compuestos fenólicos en los alimentos que pueden actuar como sustrato para las reacciones de oscurecimiento enzimático, entre los cuales se pueden citar: L-tirosina, catecol, ácido cafeico, ácido clorogénico, 3-4, dihidroxifenilalanina, ácido gálico, floroglucinol, hidroquinonas, antocianinas, flavonoides, ácido protocatecuico, guayacol y ácido felúrico, entre otros. La reacción de oscurecimiento se desarrolla con la conversión de un compuesto fenólico presente en el alimento de la quinona. Este oscurecimiento suele presentarse en algunas frutas y vegetales, jugos concentrados y pulpas, y en productos deshidratados y congelados en los cuales no se han inactivado las enzimas previamente. Las fenolasas se conocen con diversos nombres, tales como polifenol oxidasa, fenolasas, polihenolasas y polifenolasas.

Por ejemplo, en el oscurecimiento enzimático de la papa los sustratos envueltos son el ácido clorogénico, el ácido cafeico, el catecol, 3-4 dihidro-L-fenilalanina y p-cresol. La reacción típica de conversión comprende la catálisis de dos clases de reacción: hidroxilación y oxidación.

La hidroxilación (actividad de la cresolasa) ocurre en fenoles que contienen un único grupo hidróxilo, produciendo un compuesto orto fenólico. La reacción de oxidación, también conocida como actividad de catecolasa, tiene lugar cuando un o-difenol, como el catecol, es convertido para producir la correspondiente benzoquinona. Estas reacciones se ilustran en el caso de la tirosina (hidroxilación) y de 3-4 di-hidroxi-fenilalanina (actividad de la catecolasa):

El oscurecimiento enzimático en los alimentos se puede controlar o reducir empleando cualquiera de las técnicas para inactivar enzimas o para reducir su actividad. Entre estas medidas se pueden citar las siguientes:

1. Tratamiento térmico o escaldado para inactivar las enzimas antes de la conservación por bajas temperaturas.
2. Aplicación de compuestos azufrados como dióxido de azufre gaseoso o soluciones de sulfitos, bisulfitos o metasulfitos para inactivar las enzimas antes de la congelación.
3. Remoción del oxígeno, como por ejemplo empacado al vacío o en atmósferas inertes, o protegiendo al producto del oxígeno del aire durante el procesamiento, como empleando inmersión en agua o aplicando vacío al producto para luego sustituir los espacios evacuados de aire con solución de almíbar o salmuera. En las frutas congeladas, el tratamiento del alimento por inmersión en almíbares reduce la solubilidad del oxígeno en el tejido y retrasa la difusión de este, retardando por consiguiente el oscurecimiento.
4. Inmersión en el procesamiento en soluciones de sal. Este método se emplea para proteger al producto durante su procesamiento y es ampliamente utilizado en la industria de papas fritas.
5. Aplicaciones de ácidos y reducción de pH. El pH óptimo de las fenolasas cubre un rango entre 6 y 7. Reduciendo el pH la actividad se reduce notablemente, habiéndose encontrado que por debajo de pH 3 la actividad es prácticamente nula. Entre los ácidos más utilizados en la industria para este fin están el ácido cítrico, málico, y como un efectivo inhibidor del oscurecimiento enzimático. Las frutas se sumergen, antes de la congelación, en soluciones ácidas con este fin.
6. Reducción de la temperatura. Como es conocido, la actividad enzimática se reduce, pero no se detiene, al bajar la temperatura; por consiguiente, las bajas temperaturas son capaces de retardar el oscurecimiento enzimático.
7. Uso de aditivos como boratos y ácido bórico. El uso de estos aditivos está prohibido en muchos países. Estudios han demostrado que soluciones al 1.5% de tetraborato de sodio son capaces de inhibir el oscurecimiento enzimático, especialmente, si se utilizan en conjunto con otros compuestos como ácido ascórbico y compuestos de azufre.

En el siguiente video se pueden observar ejemplos prácticos de algunas medidas presentadas anteriormente.