Introducción a los carbohidratos en los alimentos

Los carbohidratos son ubicuos y todo organismo contiene algún carbohidrato. Los carbohidratos pueden ir de un monosacárido simple a un polisacárido grande y complejo. Los polisacáridos, en combinación con proteínas, lípidos y ácidos nucleicos juegan un importante papel en muchos sistemas metabólicos en plantas y animales. Los carbohidratos tienen muchos papeles en los sistemas alimenticios, en donde funcionan para proporcionar sabor, estructura y textura al alimento, además de beneficios nutricionales para el consumidor.

Monosacáridos

Los monosacáridos están agrupados químicamente en 2 familias: los azúcares aldosa y los azúcares cetosa. Loa azúcares más comunes son pentosas y hexosas. Las pentosas más comunes son D-xilosa y L-arabinosa, siendo ambas aldosas, mientras que los azúcares hexosa más comunes son D-glucosa, D-galactosa, D-manosa y D-fructosa. D-glucosa, D-galactosa y D– manosa son aldosas.

Desde el punto de vista de ingrediente alimenticio, la D-fructosa es el único azúcar cetosa común en plantas. El resto de azúcares de 5 o 6 carbonos son desconocidos o raramente encontrados en la naturaleza y se designan usualmente como azúcares raros. Delos monosacáridos comúnmente encontrados en plantas, solamente glucosa y fructosa se encuentran no combinadas.

 

Producción comercial

La glucosa puede ser producida comercialmente por degradación de almidón a glucosa. El almidón puede ser licuado por ácidos calientes. Comercialmente, ácido clorhídrico es rociado en almidón bien mezclado, y la mezcla es calentada hasta que se obtiene el grado deseado de hidrólisis. El ácido es neutralizado y el producto es recuperado por filtración o centrifugación, luego lavado y secado.

El almidón licuado puede utilizarse para producir jarabes con valores de equivalencia de dextrosa de 60 a 98 (equivalencia de dextrosa = 100/número promedio de unidades de monosacárido en los oligosacáridos encontrados en el jarabe). Estos son usualmente producidos utilizando una exoamilasa (glucano-1,4-α-glucosidasa, también conocida como amiloglucosidasa). Esta enzima puede convertir almidón licuado en 95-98 % glucosa. El jarabe es filtrado y pasado sobre carbón activado y una resina intercambiadora de iones.

La glucosa puede ser convertida a fructosa, pasando jarabe de glucosa por una columna conteniendo glucosa-isomerasa. Esta etapa típicamente convierte aproximadamente el 40 % de la glucosa en fructosa. La fructosa es concentrada pasando la mezcla por una columna cromatográfica. El jarabe de maíz alto en fructosa contiene el 55 % de fructosa y es producido por la mezcla de fructosa en jarabe de glucosa.

Los azúcares raros pueden ser fabricados utilizando microorganismos o mediante el uso de enzimas. Agrobacterium tumefaciens ha sido utilizada para convertir fructosa en D-psicosa. Otros investigadores han reportado la manufactura de azúcares raros utilizando enzimas inmovilizadas. Una producción a gran escala de D-alosa ha sido demostrada utilizando ramnosa-isomerasa de Pseudomonas stutzeri para convertir D-psicosa en D-alosa.

 

Usos en alimentos

Glucosa y fructosa son generalmente utilizados como jarabes en ingredientes alimenticios. Poseen propiedades formadoras de película y adhesivas y son utilizados como coberturas para nueces rostizadas (tostadas), dulce, rellenos y sabores liofilizados. Los jarabes de maíz altos en fructosa se utilizan como edulcorantes y parecen casi ubicuos en donde se desea dulzor.

Los azúcares raros como D-alosa, D-psicosa, D-tagatosa y D-talosa han sido incorporados en alimentos y bebidas para el mercado “saludable”, en donde son usados como agentes de volumen, encafecimiento y edulcorantes bajos en energía para la preparación de alimentos. Estos azúcares raros tienen un sabor similar a la sacarosa.

 

Propiedades saludables

La glucosa es una fuente rápida de energía en humanos. Glucosa, galactosa, manosa, fucosa, xilosa, N-acetilglucosamina, N-acetilgalactosamina y ácido N-acetilneuramínico han sido identificados como esenciales para la síntesis de glicoproteínas en humanos.  Las glicoproteínas celulares son importantes en los sitios receptores celulares y los sitios de reconocimiento celulares. La investigación reciente ha mostrado que los 8 azúcares esenciales pueden ser fácilmente absorbidos en el cuerpo y directamente incorporados en glicoproteínas y glicolípidos.

Se han reportado propiedades saludables para los azúcares raros. D-psicosa, un azúcar cetosa, ha mostrado inhibir sacarasa y maltasa intestinales y suprimir el incremento de glucosa en plasma después de la ingestión de sacarosa y maltosa en ratas. D-alosa tiene reportes de mejorar el flujo sanguíneo en el hígado e inhibir la proliferación de células cancerosas.

 

Oligosacáridos

Los oligosacáridos están compuestos de hasta 20 unidades de monosacárido. Con frecuencia tienen propiedades coligativas, lo que significa que pueden causar la depresión de punto de congelación y la elevación del punto de ebullición en los sistemas alimenticios.

Los oligosacáridos digestibles representan una rápida fuente de energía para los humanos. Los oligosacáridos no digestibles tienen con frecuencia propiedades prebióticas, como ingredientes para selectivamente estimular la población de microorganismos deseables como Bifidobacterium spp y Lactobacillus spp en el intestino. Los oligosacáridos también pueden ser utilizados para ayudar a estabilizar probióticos en los sistemas alimenticios. Los alimentos probióticos contienen un cultivo de microorganismos que mejoran el balance de la microflora intestinal en el consumidor.

 

Sacarosa

La sacarosa, un disacárido, está compuesta de unidades α-D-glucosa y β-D-fructosa, que están unidas por sus extremos reductores., y por tanto la sacarosa es un azúcar no reductor. La sacarosa es sintetizada en el citoplasma celular en el tejido fotosintéticamente activo y es desplazada vía floema a sitios metabólicamente activos, en donde es usualmente separada en glucosa y fructosa, que son utilizados como intermediarios en varias rutas metabólicas. En plantas como el betabel (Beta vulgaris) y la caña de azúcar (Saccharum spp), la sacarosa es un carbohidrato de almacenamiento; en la caña de azúcar la sacarosa se acumula en las vacuolas de células localizadas en la región intermodal del tallo, mientras que en el betabel la sacarosa se acumula en las vacuolas de células localizadas en el tejido de la raíz.

 

Producción comercial

La sacarosa es extraída comercialmente del betabel y la caña de azúcar. La extracción del betabel comienza con el lavado y rebanado de las raíces en tira, que luego son colocadas en un gran tanque en donde el azúcar crudo es extraído en agua caliente. La extracción de sacarosa a partir de la caña de azúcar comienza por rompimiento y molido de los tallos. El jugo es exprimido pasando los tallos molidos por una serie de cilindros. Tanto para el betabel como para la caña, el jugo de azúcar crudo es clarificado utilizando una mezcla de limón y bióxido de carbono; el bióxido de carbono reacciona con el limón para producir carbonato de calcio. Las partículas que no son azúcar se unen al carbonato de calcio y precipitan. El jugo es filtrado y hervido al vacío, lo cual remueve el agua y deja un jarabe espeso. Este material es filtrado y centrifugado, y el azúcar es lavado con agua caliente y secado.

 

Usos en alimentos

La sacarosa afecta las propiedades coligativas del agua en los sistemas alimenticios, deprimiendo el punto de congelación y elevando el punto de ebullición, y puede retrasar la gelatinización de almidón. La sacarosa puede interactuar con los ingredientes para mejorar la retención de aroma y sabor en los alimentos. Sus propiedades antioxidantes han sido utilizadas para prevenir el deterioro del sabor en frutas enlatadas. Sus propiedades humectantes han sito empleadas para prevenir la pérdida de humedad en los productos horneados. Adicionalmente, la sacarosa puede proporcionar un color amarillo-café a los productos alimenticios, a través de degradación térmica, degradación alcalina o productos de Maillard.

 

Propiedades saludables

La sacarosa es rápidamente degradada a glucosa y fructosa, los cuales son fácilmente absorbidos al torrente sanguíneo en el intestino delgado, y por ende proporciona una rápida fuente de energía al cuerpo humano. Sin embargo, el consumo en exceso de sacarosa puede causar problemas de salud. Puede contribuir a la obesidad, caries dental, y puede ser problemática para personas con defectos en el metabolismo de la glucosa.

 

Oligosacáridos de la familia de la rafinosa

Los oligosacáridos de la familia de la rafinosa (RFO, por sus siglas en inglés) están compuestos de sacarosa y una variedad de unidades de α-D-galactosil (también llamado galactosilo). Rafinosa y estaquiosa son 2 miembros comunes de RFO, que se encuentran en plantas. La rafinosa está compuesta de glucosa, fructosa y galactosa. La estaquiosa es similar a la rafinosa pero contiene una unidad adicional α-D-galactosil. Estos α-D-galactósidos son formados por α(1-6) galactósidos unidos al C6 de la unidad glucosa de la sacarosa.

Estaquiosa es el principal carbohidrato de transporte en el floema de algunas plantas herbáceas y leñosas. Rafinosa y estaquiosa se encuentran en semillas de leguminosas como soya (Glycine max) y lupino (Lupinus spp), en donde previenen la desecación de las semillas luego de la maduración y sirven como reservas de carbono para usarse durante la germinación.

 

Producción comercial

Las melazas de betabel contienen aproximadamente el 18 % de rafinosa. Comercialmente, la rafinosa es removida de las melazas de betabel por separación cromatográfica.

 

Usos en alimentos

Rafinosa y estaquiosa se encuentran naturalmente en alimentos que contienen leguminosas. Pueden ser degradadas durante el procesamiento pues son termolábiles. Junto con otros RFO, tienen usos potenciales como prebióticos en sistemas alimenticios; sin embargo, debido a su tendencia a producir flatulencia en humanos, estos azúcares no son seleccionados con frecuencia para agregarse a alimentos.

 

Propiedades saludables

Los seres humanos carecen de α-galactosidasa necesaria para digerir estos azúcares. Rafinosa y estaquiosa contiene galactosa unidas con enlaces α(1-6), el cual es roto solamente con α-galactosidasas bacterianas en la parte inferior del intestino. La galactosa liberada de rafinosa y estaquiosa pueden ser una fuente de galactosa absorbida. Rafinosa y estaquiosa pueden promover el crecimiento de la población de bifidobacterias en el intestino grueso, y en consecuencia tienen potencial como ingredientes prebióticos en alimentos funcionales.

 

Fructanos

Los fructanos se encuentran como oligosacáridos y polisacáridos, lo que significa que su grado de polimerización puede variar desde menos de 20 unidades de azúcar hasta bien por arriba de tales unidades. Como ingrediente alimenticio, los fructanos tienen con frecuencia un grado de polimerización de 25 o menos, por lo que se les incluye aquí como oligosacáridos.

Hay 5 clases de fructanos: inulina, levano, levano mixto, neoserie de inulina y neoserie de levano. La inulina es un polisacárido lineal compuesto de unidades de (2-1)-β-D-fructosilo. El levano es un polisacárido lineal compuesto de unidades (2-6)-β-D-fructosilo. El levano mixto es un polisacárido ramificado compuesto de unidades (2-) y (2-6)- β-D-fructosilo. La neoserie de inulina es un polisacárido lineal compuesto de 2 polímeros de inulina, conectados por una molécula de sacarosa. La neoserie de levano es un polisacárido lineal compuesto de 2 polímeros de levano unidos por la unidad glucosa de la molécula de sacarosa.

El tipo de fructano producido varía con la especie de planta. Por ejemplo, plantas como achicoria (Cichorium intybus) y la alcachofa Jerusalén (Helianthus tuberosa) en la familia Asteraceae producen inulina. Plantas en la familia Liliaceae como el ajo (Allium savitum) producen neoserie de inulina. Plantas en la familia Poaceae como el trigo (Triticum spp), cebada (Hordeum vulgare) y avena (Avena sativa) produce levano mixto o neoserie de levano.

Las plantas que produces fructanos crecen en clinas templados, en donde las sequías y/o las heladas son comunes. Hay evidencia de que los fructanos participan en la tolerancia a la sequía o a la baja temperatura. En ciertas plantas, como la achicoria y la alcachofa Jerusalén, los fructanos sirven como una reserva de carbohidratos.

Los fructanos son sintetizados en las vacuolas de las plantas. La sacarosa del cloroplasto es transportada a una vacuola de almacenamiento en la misma célula o transportada al órgano primario de almacenamiento (tubérculo, raíz). En la vacuola, la sacarosa es convertida a fructano por 2 o más fructosil-transferasas; la primera enzima inicia la síntesis de fructano por catalización de la transferencia de un residuo fructosilo de una molécula de sacarosa a otra molécula de sacarosa, mientras que la segunda enzima transfiere los residuos fructosilo de una molécula de fructano a otra molécula de fructano o a una sacarosa.

 

Producción comercial

Las raíces de achicoria y alcachofa Jerusalén pueden contener más del 70 % de inulina en base seca. Comercialmente, la inulina es extraída por hidrólisis enzimática parcial utilizando una endo-inulinasa, seguida de secado por aspersión. Los fructo-oligosacáridos (FOS) pueden ser sintetizados a partir de sacarosa utilizando fructosil-transferasa. La inulina extraída tiene típicamente un grado de polimerización de 12-25, mientras que FOS tienen un grado de polimerización de 3-6. La alcachofa Jerusalén molida ha sido utilizada como un ingrediente sin procesamiento adicional.

 

Usos en alimentos

Los fructanos, inulina y FOS poseen estatus de ingrediente alimenticio en la mayoría de los países y son reconocidos como ingredientes GRAS (generalmente reconocidos como seguros). En general, los fructanos tienen un sabor neutro blando sin sabores extraños o regusto (mejor conocido como aftertaste). Los fructanos son utilizados en un amplio rango de productos alimenticios tales como productos de panadería, cereales para desayuno, bebidas y productos lácteos. Los fructanos son termolábiles y se rompen a pH bajo.

Los fructanos tienen propiedades humectantes que reducen la actividad acuosa y mejoran la estabilidad microbiológica. Cuando se mezcla con agua, la inulina puede formar una red de gel de partículas que resultan en una estructura cremosa blanca con una textura untable. La emulsión de fructano de cadena larga en agua tiene propiedades organolépticas similares a la grasa y ha sido utilizada como substituto de grasa en sistemas alimenticios. La inulina trabaja en sinergia con la mayoría de los agentes gelificantes.

Los FOS son muy solubles en agua y tienen algo de dulzor (30 % a 35 % de la sacarosa). Son utilizados en bebidas en donde mejoran la sensación en la bosa, potencian el sabor a fruta y sostienen el sabor con menos aftertaste cuando se agregan a edulcorantes artificiales, aspartame o acesulfame K.

 

Propiedades saludables

Los fructanos son una forma reconocida de fibra dietaria. Las enzimas digestivas en el intestino delgado humano son específicas para enlaces α-glicosídicos. Por tanto, la β-configuración del carbono anomérico hace que los fructanos sean resistentes a la hidrólisis en el intestino delgado humano. Los fructanos son una fuente eficiente de carbono para bifidobacterias en el colon, lo cual mejora el crecimiento de la microflora deseable, al tiempo que suprime el crecimiento de bacterias patógenas. Los fructanos promueven la absorción de minerales, particularmente el calcio, mejoran las funciones inmunes y la actividad antitumoral, y pueden modular el metabolismo de lípidos y carbohidratos en beneficio cardiovascular y de personas diabéticas.

 

Polisacáridos

Los polisacáridos están compuestos por más de 20 unidades de monosacárido. Con frecuencia son clasificados como almidones y no almidones. Los polisacáridos almidones representan una fuente de energía en los humanos, mientras que los polisacáridos no almidones generalmente son digestibles y son importantes para mantener la salud intestinal.

Los polisacáridos son un grupo muy diversos de compuestos. Pueden consistir de un tipo de azúcar (homoglucanos) o varios tipos de azúcares (heteroglucanos), pueden ser ramificados o no y también pueden variar en el tipo en enlace. La estructura tridimensional o conformación de las cadenas de polisacáridos está determinada por las unidades monosacáridas y la posición y tipo de enlaces glicosídicos. Por ejemplo, los polisacáridos con enlaces α-(1-4)-D-glucosilo o enlaces  β-(1-3)-D-glucosilo forman hélices huecas, mientras que aquellos con enlaces β-(1-4)-D-glucosilo forman conformaciones tipo listón. Las conformaciones tipo listón y de hélice hueca son las 2 conformaciones básicas de cadena.

Los polisacáridos asociados con las paredes celulares tienen generalmente una conformación tipo listón. La conformación de listón permite que las cadenas se alineen en forma paralela entre sí, lo que promueve el empaque eficiente y fuentes uniones hidrógeno, lo que a su vez les permite forman agregados fibrosos insolubles en agua. Todas las conformaciones tipo listón poseen algún grado de estructura zigzag. Las hélices huecas tienen a ser más flexibles que las conformaciones tipo listón. La flexibilidad es reducida por formación de un complejo de inclusión con otra molécula (por ejemplo, complejo amilosa-lípido) o por combinación para formar múltiples hélices o conformaciones helicoidales anidadas.

Las unidades glucosilo no substituidas contienen 3 grupos hidroxilo y un oxígeno en el anillo, los cuales pueden formar uniones de hidrógeno con otros polímeros o con agua. Las uniones hidrógeno tienen una influencia importante en la solubilidad de los polisacáridos en agua. Durante la hidratación, la unión hidrógeno cambia de los grupos hidroxilo de moléculas adyacentes de glucano a enlaces hidrógeno con agua (el inverso sucede durante la deshidratación).

La solubilidad de los polisacáridos depende de la unión hidrógeno intermolecular y si un obstáculo estérico (frecuentemente en forma de ramas) mantiene las cadenas a distancia de manera que el agua puede penetrar e hidratar los polímeros. Las unidades individuales y neutrales de monosacárido con un tipo de enlace y pocas o ninguna rama son usualmente insolubles en agua y son difíciles de solubilizar; forman una conformación ordenada dentro de la cadena y en la interacción cadena-cadena. Los polisacáridos  ramificados son más solubles en agua; las ramas reducen la interacción cadena-cadena, lo que permite una hidratación más fácil. Los polisacáridos ramificados secos se rehidratan más rápidamente que los polisacáridos no ramificados secos.

La mayoría de los polisacáridos incrementa la viscosidad de una solución. Las propiedades en solución de un polisacárido dependen de su estructura, peso molecular y concentración. Las moléculas lineales en solución barren un gran espacio, lo que incrementa su probabilidad de colisionar con otras moléculas y formar una solución viscosa. En contraste, las moléculas altamente ramificadas del mismo peso molecular barren menos espacio y forman soluciones menos viscosas. Los polisacáridos no almidones generalmente tienen propiedades de flujo newtoniano a bajas concentraciones y comportamiento de flujo no newtoniano en concentraciones moderadas a altas. El flujo está basado en la cohesividad de la mezcla de moléculas con diferentes formas y tamaños y en cuanta fuerza se requiere para moverlas.

La formación de gel requiere un balance de la homogeneidad de la cadena con las irregularidades de la cadena. Así, muchos polisacáridos no forman geles sino que forman redes enredadas. Un polisacárido homoglucano tenderá a asociarse bastante con otras cadenas y precipitar de la solución. Las cadenas que no permiten la interacción cadena-cadena no pueden formar un gel pues son incapaces de formar zonas de ensamble necesarias para construir una red tridimensional. Las cadenas que permiten alguna interacción cadena-cadena más factiblemente formaran un gel. La región de la interacción cadena-cadena (zonas de ensamble) está con frecuencia terminada por irregularidades estructurales que evitan la agregación completa y precipitación del polisacáridos. Por esta razón, no es poco común que una mezcla de polisacáridos forme un gen aun cuando en forma individual sean incapaces de hacerlo. Por ejemplo, la goma de algarroba (no gelificante) y la goma xantana (gel débil)  juntas forman un gel fuerte; esto se atribuye a la interacción entre diferentes polímeros de cadena y formación de zonas de ensamble mixtas.

 

Almidón

La función primeria del almidón es servir cono almacenamiento de energía y como fuente de carbono para la biosíntesis de novo de macromoléculas. El almidón puede acumularse temporalmente en el cloroplasto de las células del tejido fotosintético, aunque la mayoría del almidón se encuentra en los órganos de almacenamiento como el endospermo de las semillas, o en raíces y tubérculos.

El almidón está compuesto de los polisacáridos, amilosa y amilopectina. Tanto amilosa como amilopectina son polimoleculares (conteniendo enlaces α-(1-4) y α-(1-6)-D-glucosilo) y polidispersos (varían en el grado de polimerización). La amilopectina es una molécula grande y altamente ramificada con un grado de polimerización de 104-107 con 4 % – 5 % de los enlaces involucrados con puntos ramificados. Las ramas de amilopectina se categorizan como cadenas A, cadenas B y cadenas C. La cadena C es la cadena original; las cadenas B son cadenas rama que tienen ramas, mientras que las cadenas A son cadenas rama que no están ramificadas y por tanto son las cadenas más hacia el exterior. La amilosa es más pequeña que la amilopectina con un grado típico de polimerización de 103-104 y es casi no ramificada con solo 0.3 % – 0.6 % de los enlaces involucrados con puntos ramificados. En general, la amilosa comprende 20 % – 30 % del almidón, aunque existen almidones altos en amilosa (alrededor del 65 %) y bajos en amilosa (< 1 %).

La amilopectina forma la estructura principal del gránulo de almidón. Los 3 modelos propuestos para la síntesis de amilopectina incluyen sintetasa de almidón soluble para incrementar la longitud de la cadena, enzimas ramificadoras para incorporar los puntos ramificados y enzimas desrramificadoras para remover ramas en exceso o mal colocadas. Hay varias isozimas de sintetasa de almidón y enzimas ramificadoras. Cada isozima tiene una función; por ejemplo, el arroz (Oryza sativa) tiene 4 sintetasas de almidón soluble (SI, SSII, SSIIIa y SSIIIb) y 3 enzimas ramificadoras (BEI, BEIIa y BEIIb). SSI cataliza las cadenas cortas de amilopectina, SSII cataliza la elongación de cadenas A y cadenas B, mientras que  SSIIIa y SSIIIb catalizan la elongación de cadenas B. BEI agrega ramas a la amilosa, y BEIIa y BEIIb agregan ramas a amilopectina. Los almidones altos en amilosa son formados en las plantas que carecen de enzimas ramificadoras.

La síntesis de amilopectina involucra la elongación de la cadena, seguida por la ramificación. La ramificación ocurre en racimos, en donde 20 a 25 cadenas pueden estar incluidas en un racimo, el cual es llamado lamela cristalina. Cerca del 80 % – 90 % de las cadenas están involucradas en racimos. Algunas de las cadenas en un racimo pueden existir como hélices de doble cadena que giran a la izquierda, lo que incrementa la estabilidad de los racimos. Los racimos están enlazados por largas cadenas B, y la mayoría de las cadenas B se extienden a 2 o 3 racimos. Entre los racimos hay una región con pocas ramas, llamada lamela amorfa; así, hay una secuencia alternante de lamelas cristalinas y amorfas dentro de la molécula de amilopectina.

Se han propuesto 3 modelos para la síntesis de amilosa. Independientemente del modelo, la síntesis de amilosa ocurre dentro de la molécula de amilopectina, detrás de la zona de síntesis de amilopectina. La amilosa es sintetizada por sintetasa de almidón unido en gránulos (GBSS, por sus siglas en inglés), la cual está localizada dentro de la lamela cristalina de una molécula de amilopectina. Cuando una cadena de amilosa se alarga, se mueve hacia la lamela amorfa de la amilopectina. La mayoría de la amilosa se encuentra en las regiones amorfas del gránulo de almidón. El almidón de plantas que carecen de genes para GBSS, contiene solamente amilopectina, y estos almidones se conocen como almidones cerosos.

La síntesis de almidón ocurre en los amiloplastos, que contienen gránulos de almidón simple o compuesto. Los gránulos de almidón simple ocurren cuando solamente se forma un gránulo por amiloplasto, mientras que los gránulos de almidón compuesto ocurren cuando se forman muchos gránulos de almidón por amiloplasto. La ocurrencia de gránulos de almidón simple y compuesto es determinada por la especie de planta; por ejemplo, trigo, cebada y centeno (Secale cereale) forman gránulos de almidón simple, mientras que arroz y avena forman gránulos de almidón compuesto. El tamaño y forma del gránulo varían con la fuente botánica y con ambiente de crecimiento. Los gránulos de almidón dentro de una planta no son uniformes; por ejemplo, los cereales con gránulos de almidón simple tendrán una distribución de tamaño bimodal o trimodal de los gránulos de almidón. Estos tamaños de gránulo se conocen con frecuencia como gránulos A, gránulos B y gránulos C. Las diferencias en tamaño están frecuentemente relacionados a cuando se inició la síntesis de gránulo. En el trigo, los gránulos A son grandes ( 14 µm) y son iniciados poco después de la fertilización; los gránulos B son de tamaño medio (5-16 µm) y se forman unos 10 días después de la fertilización, mientras que los gránulos C son bastante pequeños ( 5 µm) y se forman unos 21 días después de la fertilización.

Los gránulos de almidón tienen varios niveles de estructura. El primer nivel consiste de lamelas cristalinas y amorfas.  Un segundo nivel de estructura consiste de anillos de crecimiento. Un corte del gránulo muestra zonas alternadas de zonas cristalinas y amorfas que juntas constituyen los anillos de crecimiento; estos anillos de crecimiento son concéntricos de zonas que tienen diferente densidad de empacado molecular.

Las características cristalinas de un gránulo de almidón pueden ser estudiadas utilizando difracción por rayos X. A través de éstas técnicas, se ha estimado que los gránulos de almidón nativos tienen una cristalinidad cuyo rango va de 15 % a 45 %. Los almidones nativos tienen 1 de 3 patrones de difracción por rayos X. El patrón cristalino A, común en el almidón encontrado en los granos de cereales, indica cristales densamente empacados arreglados en una matriz monoclínica, con pocas moléculas de agua asociadas con el almidón. El patrón cristalino B indica cristales menos densamente empacados, arreglados en una matriz hexagonal, con más agua asociada con el almidón. El patrón cristalino C indique que el gránulo contiene tanto tipos cristalinos A como B, en donde el tipo cristalino B se encuentra en el centro del gránulo y está rodeado por el tipo cristalino A.

La evidencia indica la existencia de un tercer nivel de estructura en el gránulo, llamada bloquete. La microscopía de fuerza atómica de gránulos de almidón que han sido lintnerizados (tratamiento ácido de los gránulos de almidón para permitir la visualización) muestra una regularidad de estructuras tipo bloque. Estos bloquetes parecen ser agrupaciones de lamelas de amilopectina en esferas. La estructura del bloquete contiene varias lamelas amorfas y cristalinas repetidas. Los bloquetes difieren en tamaño dependiendo de la fuente botánica y la localización del gránulo. Los bloquetes son más grandes para los tipos cristalinos A que par los tipos cristalinos B.

 

Procesamiento comercial

El aislamiento del almidón a partir de granos de cereales involucra saturación con solvente, molido grueso, desgerminado, molido fino, cribado, separación por centrifugación y secado. Durante la saturación, los granos son empapados en una solución acuosa de dióxido de azufra y ácido láctico para aflojar los gránulos en la estructura celular empacada del endospermo. El grano ablandado es molido en grado grueso y un separador hidrociclón separa el germen, que es menos denso debido a que contiene un alto nivel de lípidos. El material restante es finamente molido para liberar el almidón. El almidón es aislado de otros componentes celulares por centrifugación.

El aislamiento de almidón a partir de tubérculos y raíces involucra lavado y pelado de los tubérculos, que son empapados en una solución acuosa de bisulfito de sodio para evitar la descoloración. Los tubérculos son molidos por un tambor cilíndrico con navajas rotatorias. El almidón es aislado de otros componentes celulares por centrifugación.

 

Funcionalidad

La funcionalidad del almidón en los sistemas alimenticios está primariamente relacionada a sus propiedades de gelatinización, retrogradación y empaste. La funcionalidad del almidón nativo varía con la fuente botánica, la estructura fina de la amilopectina y la relación amilosa:amilopectina.

 

Gelatinización

La gelatinización es la hinchazón irreversible de los gránulos de almidón en un exceso de agua caliente, e involucra la plastificación de las lamelas amorfas y cristalinas por agua y calor. El agua se mueve más rápidamente en las zonas y las lamelas amorfas que en las zonas y lamelas cristalinas. La hidratación de las lamelas amorfas induce una transición de un estado vidrioso a un estado ahulado, lo que permite que las lamelas amorfas se hinchen, lo que a su vez facilita la hidratación y disociación de las dobles hélices en las lamelas cristalinas.

A temperatura ambiente hay una fuente unión hidrógeno entre cadenas de amilosa y amilopectina. Se requiere energía en forma de calor para romper estas uniones hidrógeno. Cuando se incrementa la temperatura, hay un cambio de uniones hidrógeno intermoleculares a la formación de uniones hidrógeno con el agua, lo que incrementa la movilidad de las cadenas de amilosa y amilopectina y promueve la disociación de las doble hélices en las lamelas cristalinas.

Eventualmente, la amilosa es lixiviada del gránulo y las cadenas de amilosa y amilopectina son incapaces de regresar a su posición original por enfriado y deshidratación. La temperatura a la cual ocurre la gelatinización es menor para los gránulos con el tipo cristalino B que para los gránulos con el tipo cristalino A.

 

Empaste/Retrogradación

Si una fuerza de corte es aplicada a gránulos de almidón gelatinizados, estos se interrumpirán y se formarán una pasta. La pasta de almidón es una masa viscosa consistente de una fase continua de moléculas de amilosa enredada solubilizada y una fase discontinua de remanentes de gránulo. Cuando la pasta caliente de almidón se enfría, las moléculas de amilosa se reasocian en agregados y forman un gel. La firmeza del gel es mayor para almidones con contenidos más altos de amilosa que para los almidones con bajos contenidos de amilosa. Las moléculas gelatinizadas de almidón se reasocian y forman una estructura ordenada con dobles hélices durante el almacenamiento, en un proceso llamado retrogradación.

La retrogradación ocurre en 2 etapas. La primera etapa es la formación rápida de la región cristalina a partir de amilosa retrograda. La segunda etapa es la lenta formación de una estructura ordenada dentro de la amilopectina en que la amilosa forma asociaciones helicoidales dobles. La cristalización de amilopectina ocurre por la asociación de las cadenas de almidón más exteriores. La ausencia de amilosa, por ejemplo, en los almidones cerosos, retrasa la retrogradación. Adicionalmente, las cadenas exteriores cortas reducen la retrogradación de la amilopectina.

 

La funcionalidad del almidón puede ser cambiada por medio de modificaciones físicas y químicas. La retrogradación puede ser modificada reduciendo enzimáticamente la longitud de las cadenas exteriores de amilopectina.

El recocido puede cambiar la funcionalidad del almidón; el recocido es una reorganización física de los gránulos de almidón cuando se caliente en exceso de agua en o por debajo de la temperatura de transición vítrea. El almidón recocido retiene su estructura granular. El recocido optimiza el orden cristalino e incrementa la rigidez de las regiones amorfas. No forma nuevas hélices dobles pero optimiza las existentes. El recocido resulta en una hinchazón reducida del almidón, mayor temperatura de gelatinización del almidón, menor rango en la temperatura de gelatinización y una restricción en la lixiviación de amilosa.

El tratamiento con calor húmedo involucra la exposición del almidón con bajo contenido de humedad (18 % – 27 %) a alta temperatura. El tratamiento con calor húmedo modifica físicamente el almidón. El bajo contenido de humedad limita la movilidad molecular y la gelatinización durante el tratamiento. El almidón que ha sido tratado con calor húmedo posee una mayor temperatura de gelatinización.

Modificaciones químicas comunes incluyen la derivatización de grupos hidroxilo, entrecruzamiento de cadenas y despolimerización de cadenas. Los derivados del almidón involucran muy pocos grupos hidroxilo. El grado se substitución con grupos ester o éter generalmente está en el rango de 0.002 a 0.2. La adición de ramas reduce la interacción entre las cadenas que retrasan la retrogradación. El entrecruzamiento de ester de fosfato es un enlace común; el entrecruzamiento fortalece el gránulo, reduce la tasa y cantidad de hinchazón y la subsecuente desintegración.

La funcionalidad del almidón también puede ser afectada por la presencia de otros compuestos que se encuentran con frecuencia en los sistemas alimenticios. Las sales y los azúcares disminuyen la actividad acuosa y retrasan la gelatinización, al tiempo que incrementan la temperatura de gelatinización al unirse al agua en competencia con el almidón. Los azúcares también disminuyen la viscosidad pico y la fuerza del gel, en donde los disacáridos son más potentes que los monosacáridos. Los ácidos interrumpen las uniones hidrógeno, lo que resulta en una hinchazón más rápida del gránulo. Los sólidos solubles interfieren al amarrar el agua necesaria para la hidratación. Las grasas y las proteínas tienden a recubrir el almidón, lo que retrasa la hidratación del gránulo y disminuye la tasa de hinchado. La amilosa es capaz de encapsular lípidos, en un complejo que es relativamente insoluble y resiste la gelatinización.

 

Usos en alimentos

El almidón y/o los derivados del almidón son casi ubicuos en los sistemas alimenticios. El almidón afecta las propiedades sensoriales y la textura del alimento. El almidón se utiliza para estabilizar la estructura actuando como un agente de volumen. El almidón puede funcionar como un agente espesante para salsas y rellenos de pie, así como un estabilizador coloidal para aderezos de ensalada. También se utiliza como agente de cobertura, glaseado y formador de gel para la confitería de goma.

La alta temperatura y el corte provocan que los gránulos nativos de almidón sean frágiles y susceptibles de ruptura durante el procesamiento. Por tanto, los almidones nativos tienen uso limitado en la industria alimentaria. Los almidones son frecuentemente modificados para mejoras las propiedades deseadas. La conveniencia de un almidón depende de la temperatura de procesamiento, la duración del tiempo a dicha temperatura, las fuerzas de corte y el pH. Los almidones entrecruzados son más tolerantes a las duras condiciones de procesamiento alimentario; en general, un mayor entrecruzamiento resulta en una mayor tolerancia a condiciones acídicas y a menor rompimiento del almidón.

 

Propiedades saludables

El almidón puede ser degradado a glucosa, la cual es rápidamente absorbida al torrente sanguíneo en el intestino delgado, proporcionando una fuente de energía para el cuerpo; sin embargo, el consumo en exceso de almidón puede causar problemas de salud. El almidón en los alimentos cocinados ricos en almidón es fácilmente digerido; sin embargo, no todo el almidón es fácilmente digerido, y estos almidones se conocen como almidones resistentes.

El almidón resistente no es digerido en el intestino delgado y experimenta fermentación parcial en el intestino grueso, similar a aquella de la fibra dietaria tradicional. Hay 4 tipos de almidón resistente (RS, por sus siglas en inglés). RS-I es almidón protegido físicamente; este almidón está generalmente atrapado dentro de la célula vegetal o en una matriz de alimento muy densa. RS-I incluiría granos enteros o parcialmente molidos. RS-II proviene de ciertas plantas cuyo almidón nativo (no gelatinizado) limita la accesibilidad de las enzimas digestivas; estos incluyen  gránulos no gelatinizados con cristalinidad tipo B, tales como el de papa cruda y plátano verde. También incluye el almidón alto en amilosa, el cual es una importante fuente comercial de almidón resistente. RS-III es un almidón retrógrado; el recocido y el tratamiento con calor húmedo pueden incrementar la cantidad de RS-III en los productos alimenticios. RS-IV es un almidón modificado químicamente.

El almidón resistente represente una fuente de fibra en los sistemas alimenticios. A diferencias de las fuentes de fibra más tradicionales que tienen una alta capacidad de ligado al agua, el almidón resistente no tiene propiedades elevadas de ligado al agua. Por tanto, el almidón resistente puede con frecuencia substituir al almidón nativo 1:1 sin efectos adversos en el procesamiento o en la calidad del uso final.

 

Polisacáridos no almidones

Los polisacáridos no almidones tienen 3 importantes funciones en las plantas. Pueden servir como almacenamiento primario de carbohidratos. Los galactomananos en las leguminosas endospérmicas son una fuente de almacenamiento de carbohidratos. De manera similar, el glucomanano es un carbohidrato primario de almacenamiento encontrado en los tubérculos de la planta de konjac (Amorphophallus konjac). Celulosa y los polisacáridos hemicelulósicos como arabinoxilano y pectina funcionan como importantes componentes de las paredes celulares. Por último, los polisacáridos pueden funcionar para proteger la planta de invasión, daño y relaciones desfavorables con el agua; por ejemplo, las gomas exudadas como la goma arábiga y la goma gatti son exudadas por la planta en respuesta a un daño. Las gomas mucílago se encuentran en la capa epidérmica de la cubierta de la semilla en ciertas especies de plantas como la semilla de linaza (Linum usitatissimum), semilla de mostaza amarilla (Sinapis alba) y plantas del género Plantago (que incluye 5 subgéneros y unas 200 especies). Estas gomas protegen la semilla de deshidratación y aseguran que hay suficiente humedad para la germinación.

 

Usos en alimentos

Existen por lo menos 5 funciones primarias de los polisacáridos no almidones en los sistemas alimenticios: retención de agua, reducción de evaporación de humedad, alteración de la tasa de congelación, modificación de la formación de cristales de hielo y regulación de las propiedades reológicas o viscosidad.

 

Propiedades saludables

En general, los polisacáridos no almidones son resistentes a la digestión en el intestino delgado y son fermentables en el intestino grueso humano. Por tanto, los polisacáridos no almidones son una fuente de fibra dietaria. La habilidad para fermentar en el intestino grueso parece estar relacionada con la solubilidad en agua. Los polisacáridos altamente fermentables son hidrosolubles, mientras que los pobremente fermentados son insolubles en agua. La fibra dietética ayuda a reducir el colesterol y atenuar la glucosa en sangre, mantener la salud gastrointestinal y afectar positivamente la biodisponibilidad de calcio y la función inmune. Ciertos polisacáridos no almidones pueden ser utilizados como sustrato fermentable para el crecimiento de microorganismos probióticos en los sistemas alimenticios y pueden ser usados como prebióticos que promueven el crecimiento de bifidobacterias y lactobacilos en el intestino grueso.

 

Polisacáridos no almidones comerciales

Hay muchos importantes polisacáridos no almidones comúnmente utilizados en sistemas alimenticos. Algunos se incluyen a continuación.

 

Celulosa

La celulosa es un polisacárido lineal no ramificado que puede contener hasta 10,000 unidades glucosilo unidas con enlaces β-D-(1-4), en una conformación plana tipo listón. Las moléculas de celulosa se pueden asociar para formar paquetes cristalinos que son altamente insolubles e impermeables en agua. Estos paquetes son el componente primario de las pareces celulares en las plantas. La celulosa proporciona a la pared celular la fuerza para resistir la presión turgente en las células vegetales, mantener tamaño y forma, e influir en la dirección del crecimiento de la planta.

La celulosa es sintetizada por celulosa-sintetasa, un gran complejo enzimático que aparece como una roseta hexamérica (con simetría de 6) y está localizada en la membrana plasmática. Un gran número de cadenas de glucano son sintetizadas simultáneamente. Seis cadenas de glucano son dirigidas hacia el canal de salida del complejo en donde luego son unidas con enlaces de hidrógeno en una microfibrilla cristalina de celulosa I. El arreglo paralelo de las cadenas de glucano en la microfibrilla de celulosa requiere que las cadenas de glucano recientemente sintetizadas se alineen entre sí y se aseguren en un arreglo cristalino específico.

Hay 2 clases de celulosa, celulosa I y celulosa II. La mayoría de la celulosa es producida como celulosa cristalina y se define como celulosa I. Las cadenas de glucano en la celulosa I están paralelas entre sí y son empacadas lado a lado para formar las microfibrillas. Hay 3 subalomorfos de celulosa I, celulosa Iα, celulosa Iβ y celulosa Iγ. Α-celulosa es insoluble en álcali al 18 %; β-celulosa es soluble en álcali, pero precipita cuando la solución es neutralizada y la celulosa-γ permanece en solución aún después de la neutralización. Las celulosas Iα, Iβ y Iγ difieren en su empacado cristalino, conformación molecular y uniones de hidrógeno, lo que afecta sus propiedades físicas. La celulosa II es formada naturalmente en unos pocos organismos y por mutantes. El arreglo de cadena de glucano en la celulosa II es antiparalelo y ocurre como resultado del doblez de la cadena durante la síntesis.

 

Procesamiento comercial

Las fuentes comerciales de celulosa incluyen la pulpa de madera y línteres de algodón (fibras cortas que permanecen en las semillas de algodón luego de que las fibras largas han sido removidas). Las fibras de algodón son aproximadamente 98 % celulosa, mientras que la madera es 40 % – 50 % celulosa, 30 % hemicelulosa y 20 % lignina. La madera requiere un extenso procesamiento para solubilizar y remover hemicelulosa y ligninas.

La celulosa microcristalina es celulosa purificada y parcialmente despolimerizada. El procesamiento comercial de celulosa microcristalina involucra la hidrólisis de la pulpa de madera purificada utilizando ácido clorhídrico para reducir el grado de polimerización, resultando en regiones cristalinas de poca resistencia al ácido. La celulosa microcristalina tiene un rango de tamaño de partícula de 20-90 µm y puede ser sujeta a energía mecánica después de la hidrólisis, lo que rompe las microfibrillas y proporciona agregados de tamaño coloidal.

La calidad de la celulosa es medida por el contenido de α-celulosa. No es necesario que la celulosa en polvo grado alimenticio alcance el 99 % de pureza porque todos los materiales celulósicos de la pared celular ocurren naturalmente en frutas, verduras y cereales. Las formas altamente purificadas (> 99 % de α-celulosa) se utilizan para hacer derivados de celulosa como la metil-celulosa y la sodio-carboximetil-celulosa. La metil-celulosa es hecha por reacción de celulosa con cloruro de metilo. La carboximetil-celulosa es hecha tratando la celulosa con álcali y luego haciéndola reaccionar con ácido monocloroacético. La carboximetil-celulosa tiene generalmente un grado de substitución de 0-6 – 0.9; las substituciones ocurren en O2 y/o O6, y se encuentran ocasionalmente en O3.

 

Usos en alimentos

La celulosa es utilizada como un auxiliar de procesamiento en la filtración de jugos, como un agente antigrumos (anticaking) para el queso rallado y como substituto de grasa y como agente de volumen en alimentos bajos en energía. La celulosa debe ser modificada físicamente o químicamente para utilizarse en sistemas alimenticios. El uso de celulosa en polvo es limitado dado que puede resultar en una sensación pobre en la boca; la celulosa en polvo se utiliza en mezclas para pasteles a fin de ayudar en la estabilidad de la espuma. Puede ser utilizada para reducir la grasa e incrementar el contenido de humedad en alimentos fritos; la celulosa restringe el desplazamiento de agua por la grasa durante el freído debido a fuertes uniones hidrógeno con el agua. La temperatura y el pH no afectan significativamente la retención de agua de la celulosa en polvo.

La celulosa microcristalina es dispersible en agua y tiene propiedades similares a las de las gomas hidrosolubles. La celulosa microcristalina es utilizada como una gente de volumen, como substituto de grasa en productos alimenticios basados en emulsión y es utilizado para agregar cremosidad a las bebidas (como las de chocolate). Disminuir el tamaño de partícula de la celulosa microcristalina incrementa su capacidad de retención de agua.

La metil-celulosa es no iónica, pero puede actuar como un emulsificante porque contiene tanto grupos hidrofílicos como hidrofóbicos. Funciona como un emulsificante/estabilizante en aderezos para ensalada bajos en aceite o libres de aceite y puede ser aplicada a alimentos fritos para reducir la absorción de aceite. La metil-celulosa es utilizada en productos horneados para evitar la ebullición de los rellenos de pastelería y para ayudar en la retención de gas durante el horneado. Puede formar un gel a temperaturas elevadas debido a interacciones hidrofóbicas entre regiones altamente substituidas que estabilizan las uniones de hidrógeno intermoleculares.

La carboximetil-celulosa es un polímero aniónico hidrosoluble capaz de formar soluciones muy viscosas. Es soluble en condiciones básicas e insoluble en condiciones acídicas. Se utiliza como un agente espesante, estabilizante y de suspensión. La carboximetil-celulosa inhibe el crecimiento de cristales de hielo en los postres congelados y en el helado blando. También es utilizado para mejorar el volumen de la hogaza durante el horneado, por estabilización de las burbujas de gas.

 

β-Glucano mixto

El β-glucano mixto, comúnmente referido como β-glucano es un importante componente estructural de las paredes celulares de varios granos de cereales comunes, como cebada, avena y centeno. El contenido total de β-glucano va de 3 % – 8 % en la cebada, a 4 % – 6 % en la avena y a 1 % – 3 % en el centeno. El contenido de β-glucano en el grano del trigo generalmente no excede el 1 % y está concentrado en el pliegue de la semilla.

Los β-glucanos mixtos son cadenas lineales de unidades β-D-glucosilo, en donde aproximadamente el 70 % están unidas con enlaces β-(1-4) y el 30 % con enlaces β-(1-3). Los enlaces β-(1-3) ocurren uno a la vez y están separados por unidades de celotriosil y celotetrasil. En la avena, la cantidad de unidades celotriosil es casi el doble de las de celotetrasil; en la cebada la cantidad de unidades celotriosil es 3-3.5 veces más que la de las unidades celotetrasil. El enlace β-(1-3) interrumpe la estructura de listón uniforme típica de los β-(1-4)-glucanos (celulosa) y permite mayor flexibilidad y solubilidad en agua. Se ha descrito la conformación molecular del β-glucano como un cilindro tipo gusano, parcialmente rígido.

El β-glucano mixto es sintetizado por (1-3),(1-4)-β-glucano-sintetasa, la cual está localizada en el aparato de Golgi y consiste de 2 glicotransferasas. Una transferasa sintetiza primariamente unidades celotetrasil y la otra sintetiza unidades celotriosil.

 

Procesamiento comercial

La hidrólisis enzimática representa un problema importante en la extracción y utilización de β-glucano. La endo-(1-3),(1-4)-β-D-glucanasa hidroliza un enlace (1-4) en los (1-3),(1-4)-β-D-glucanos, en donde el residuo D-glucosilo es substituido en la posición 3. Las enzimas glucanasas pueden ser nativas de los granos o originarse en microorganismos. Por tanto, la extracción de β-glucano de los granos de cereales requiere que las enzimas hidrolíticas sean desactivadas.

Las enzimas son desactivadas por el reflujo de harina de grano de cereal en etanol acuoso o tratando la harina con ácido acuoso diluido. Posteriormente, el β-glucano es extraído con agua caliente o con una solución de carbonato de sodio; la extracción con una solución de carbonato de sodio a pH 10 permite que la extracción ocurra en temperaturas relativamente bajas. La temperatura del agua es usualmente mantenida por debajo de 60°C para evitar la gelatinización del almidón. El extracto es centrifugado para remover el material insoluble y secado en rodillos calientes o con secado por aspersión.

La solubilidad, la extractabilidad y el rendimiento del β-glucano son influenciadas por el tamaño de partícula y el pretratamiento de los materiales del cereal, así como por las condiciones de extracción (temperatura, pH y fuerza iónica).

 

Propiedades funcionales

Las soluciones de β-glucanos tienen elevada viscosidad a concentraciones relativamente bajas. La viscosidad es estable en un amplio rango de pH (2-10), pero disminuye con el incremento de la temperatura. Comparado con otros espesantes a una concentración de 0.5 %, el β-glucano de la avena es menos viscoso que la goma xantana y la goma guar, pero más viscoso que la goma de algarroba y la goma arábiga. Las propiedades de viscosidad varían con la fuente botánica; por ejemplo, la viscosidad es mayor con una solución equivalente de β-glucano de avena que con una de β-glucano de trigo. Esto probablemente refleja las diferencias en contenidos de celotriosil y celotetrasil.

En altas concentraciones (10 % de β-glucano), las moléculas de β-glucano pueden asociarse y formar agregados. La formación de agregados ocurre al calentar muestras de diferentes pesos moleculares, con la formación de una estructura de gel débil por enlaces físicos entre las cortas secuencias de las cadenas. La hidrólisis ácida de las cadenas de β-glucano puede resultar en un comportamiento más parecido al de un gel, por promoción de la agregación y formación de una red tridimensional.

 

Usos en alimentos

El β-glucano es neutro y no iónico, haciéndolo adecuado para un amplio rango de productos alimenticios. Las buenas propiedades formadoras de viscosidad hacen del β-glucano un potencial agente espesante en diferentes aplicaciones en alimentos, tales como helados, salsas y aderezos para ensaladas. Es utilizado en bebidas y tiene el potencial para ser usado como substituto de grasa en sistemas cárnicos y lácteos. También puede emplearse para hacer películas comestibles.

 

Propiedades saludables

Se ha reportado que el consumo de β-glucano reduce el colesterol en suero y reduce los niveles de glucosa en sangre. La elevada viscosidad es crucial para lograr el efecto positivo en la glucosa pico en sangre. Los efectos fisiológicos se deben probablemente a un aumento en la viscosidad de los contenidos intestinales.

 

Galactomanano

Los galactomananos están insertados en las pareces celulares primarias de una amplia variedad de plantas como campanilla dorada (Ipomoea purpurea), loto corniculado (Lotus corniculatus var japonicus), acacia del Japón (Sophora japonica), lechuga (Lactuce sativa) y algarrobos (Prosopis spp). Los galactomananos en las paredes celulares ayudan a mantener las relaciones acuosas antes y durante la germinación; son también un importante carbohidrato de reserva (energía) en el endospermo de las leguminosas endospérmicas como Cyamopsis tetragonoloba (goma guar), Ceratonia siliqua (goma algarroba), Caesalpinia spinosa (goma tara) y Cassia tora/obtusifolia (goma cassia).  Los galactomananos se acumulan en la vacuola de las células del endospermo, generalmente como una estructura amorfa, y se cree que contribuyen a la estabilización de enzimas en el endospermo seco al prevenir la deshidratación.

Los galactomananos están compuestos de un columna de β-(1-4)-D-manosilo con cadenas laterales substituidas de α-(1-6)-D-galactosilo. La síntesis de galactomanano involucra 2 glucosiltransferasas unidas a la membrana de Golgi, manano-sintetasa y galactomanano-galactosiltransferasa.  La especificidad de galactomanano-galactosiltransferasa es importante en la regulación de la distribución y cantidad de substitución α-(1-6)-galactosil en la columna de manano unida con β-(1-4). La substitución de galactosa evita que las moléculas se auto-asocien. Las especies difieren en la relación galactosa/manosa; por ejemplo, la relación galactosa/manosa es 1:2 para goma guar, 1:3 para goma tara, 1:4 para goma algarroba y 1:5 para goma cassia.

 

Procesamiento comercial

El galactomanano es aislado de semillas de leguminosas endospérmicas tales como Cyamopsis tetragonoloba, Ceratonia siliqua, Caesalpinia spinosa y Cassia atora/obtusifolia. Las semillas son removidas de las vainas y la cáscara de la semilla es removida por abrasión mecánica o por tostado (rostizado), que afloja la cáscara, permitiendo que sea separada de la semilla. Las semillas son quebradas y el germen es separado del endospermo. Luego el endospermo es molido al tamaño deseado de partícula.

 

Propiedades funcionales

Los galactomananos son polímeros neutros que tienen una estructura tipo listón y toman una conformación aleatoria de resorte en soluciones acuosas. Variar las cantidades de galactosa afecta la solubilidad en agua y las propiedades gelificantes de estas gomas. La formación de gel ocurre con la asociación de regiones libres de galactosa en el polímero, en donde los segmentos manano de la cadena pueden interactuar juntos. La solubilidad se incrementa con un mayor número de ramas de galactosilo. Así, el poder espesante disminuye a medida que se incrementa el contenido de galactosa. A baja concentración o tasa de corte, los galactomananos exhiben un comportamiento de flujo newtoniano; a alta concentración o alto corte, exhiben viscosidad pseudoplástica, en tanto que la viscosidad disminuye con un aumento en la tasa de corte.

 

Usos en alimentos

La goma guar es soluble en agua fría y caliente, y puede formar soluciones de alta viscosidad. La goma guar es utilizada en sistemas alimenticios como una película, emulsificante, estabilizante, agente de suspensión, agente espesante y agente ligador de agua. Es utilizada como un agente estabilizante a <1 % del peso del alimento para mantener la suspensión de sólidos insolubles en aderezos para ensalada, bebidas carbonatadas y jugos de frutas. También se utiliza en productos horneados y pastelería para reducir la retrogradación del almidón y mejorar la textura y la vida de anaquel.

La goma algarroba es solo parcialmente soluble en agua fría. Es generalmente sinergística con otras gomas, particularmente la goma xantana, y es utilizada para mejorar el comportamiento de descongelación de los productos congelados, por ejemplo, en helados y postres congelados. La goma algarroba se utiliza típicamente a  0.5 %. Su papel principal es proporcionar viscosidad, sensación específica en la boca y textura a alimentos como helados, sorbetes, queso crema, yogur, rellenos de pie, salsas y aderezos.

 

Propiedades saludables

Los galactomananos como goma guar y goma algarroba podría tener algunas aplicaciones terapéuticas en el tratamiento de la obesidad, hipercolesterolemia, gastritis, úlcera gastroduodenal y constipación.

 

Glucomanano

El glucomanano se acumula en los tubérculos de la planta konjac (Amorphophallus konjac) en donde es el principal carbohidrato de almacenamiento. El glucomanano de konjac es un heteropolisacárido neutro, consistente en un polímero de unidades β-(1-4)-D-manosilo y unidades β-(1-4)-D-glucosilo en una relación 1.6:1, con un azúcar acetilado ocasional; es una cadena lineal semiflexible con algunas ramificaciones en los C-3 de D-manosa y D-glucosa.

 

Procesamiento comercial

Los tubérculos de konjac son lavados, pelados, rebanados y secados. Las rebanadas secas son molidas como harina y clasificadas por aire. La harina konjac contiene un 70 % de glucomanano, y puede ser purificada adicionalmente con alcohol para remover el almidón soluble y producir goma konjac.

 

Propiedades funcionales

El glucomanano es soluble en agua fría y caliente, formando una solución viscosa. Forma un gel cuando es calentado en una solución alcalina. El glucomanano konjac interactuará con almidón y es sinérgico con κ-carragenina, goma xantana y goma algarroba.

 

Usos en alimentos

La harina konjac es utilizada para hacer fideos y otros productos alimenticios. El glucomanano konjac tiene muy alta capacidad para ligar agua y se utiliza en bebidas de fibra y como un agente espesante en alimentos como salsas y rellenos de pie.

 

Propiedades saludables

El glucomanano konjac se conoce como un alimento “no calórico” en China y Japón. Se considera que proporciona fibra dietaria de alta calidad y se ha demostrado que ayuda en la reducción de peso, control de glucosa y reducción de colesterol.

 

Pectina

La pectina es una clase compleja de polisacárido de la pared celular de plantas, compuesto de galacturonanos y ramnogalacturonanos.  La pectina tiene una columna de ácido β-(1-4)-D-galacturónico con unidades α-(1-2)-L-ramnosa entremezcladas. Las unidades de ácido galacturónico están parcialmente acetiladas y metiladas, y las unidades L-ramnosa contienen cadenas laterales que incluyen arabinosa y/o galactosa.

 

Procesamiento comercial

La pectina es comercialmente derivada de pulpa cítrica y pulpa de manzana. Para el caso de la pulpa de manzana, la pectina es extraída en una solución cítrica acídica caliente (97°C) y luego es enfriada rápidamente para minimizar la despolimerización. El extracto enfriado es tratado con alcohol, con lo que la pectina flota en la superficie de la mezcla alcohol/agua, para ser luego filtrada, secada y molida.

 

Propiedades funcionales

Las pectinas son hidrosolubles y adoptan una conformación aleatoria de resorte en solución. Hay 2 tipos importantes de pectina. Las pectinas de alta metoxilación (HM-pectina, por sus siglas en inglés) tienen > 50 % de metilación, son solubles en agua y forman geles a pH bajo y en la presencia de alta concentración de azúcar. Las pectinas de baja metoxilación (LM-pectina, por sus siglas en inglés) se hinchan e hidratan en agua fría y forman geles en la presencia de calcio. LM-pectina no requiere azúcar para formar un gel.

 

Usos en alimentos

Las pectinas son utilizadas como agentes gelificantes, ya sea a través del uso de entrecruzamiento con calcio en el caso de LM-pectinas o deshidratación inducida por azúcar con HM-pectinas. Se emplean como espesantes y estabilizadores en jaleas, mermeladas y productos de frutas. La pectina puede actuar como un estabilizante de dispersión de proteína en los productos lácteos acidificados, como el yogur y bebidas de frutas con base láctea.

 

Propiedades saludables

La pectina es una fibra dietaria soluble y ejerce efectos fisiológicos en el tracto gastrointestinal, tales como retraso del vaciado gástrico, absorción reducida de glucosa y reducción de colesterol en suero, todas probablemente relacionadas a su capacidad formadora de gel y de retención de agua. Se ha propuesto que la pectina disminuye los niveles de colesterol al interferir con la absorción de colesterol y por incrementar el recambio (turnover) metabólico del mismo.

La pectina que ha sido parcialmente hidrolizada (oligosacáridos de pectina) tiene alguna actividad prebiótica. Se ha demostrado que incrementan los números de Bifidobacterium spp y Eubacterium spp, pero no tanto como otros oligosacáridos prebióticos como FOS.

El grado de metilación, peso molecular y pH parecen tener un impacto significativo en el papel potencial de la pectina en la salud humana. La mayor fermentación ocurre con metilación baja más que con metilación alta. Las LM-pectinas son mejores prebióticos que las HM-pectinas. Es interesante que la LM-pectina podría ser útil en la inhibición de la expansión de células tumorales asociadas con el cáncer de próstata; la metilación influye en el número de sitios de unión de receptor, que inhibe la expansión  de células tumorales asociadas con dicho cáncer, pues a más metilación hay menos sitios de unión. La pectina cítrica puede ser modificada para tener una muy baja metilación (5 % – 10 %) y reducido peso molecular (1,000-15,000) comparado con la pectina sin modificar (20,000 – 400,000).

 

Xiloglucano

Los xiloglucanos son las hemicelulosas predominantes en las paredes primarias de verduras y frutas comestibles de las plantas dicotiledóneas. Son formados en el aparato de Golgi y son secretadas a la pared celular por vesículas secretoras. Los xiloglucanos entrecruzan las microfibrillas de celulosa y proporcionan la flexibilidad necesaria  para que las microfibrillas se deslicen durante el crecimiento y alargamiento celular. Los xiloglucanos también se encuentran en las paredes celulares del endospermo de las semillas, como las de tamarindo.

Los xiloglucanos consisten de una columna de unidades β-(1-4)-D-glucosilo con cadenas laterales de α-(1-6)-xilanosa. Otros azúcares tales como β-D-galactosa y disacáridos de fucosa y galactosa pueden encontrarse unidos a O-2. Los xiloglucanos tienen una conformación lineal de resorte flexible, las cadenas son bastante rígidas, siendo más rígidas que las cadenas de galactomanano pero menos rígidas que las cadenas de xantano.

 

Procesamiento comercial

Los xiloglucanos no se aíslan por lo general, sino que son usados como harina de semillas tamarindo (Tamarindus indica) molidas, o la semilla de Detarium senegalense, una planta leguminosa africana.

 

Propiedades funcionales

Los xiloglucanos en el tamarindo tienen un comportamiento de resorte algo aleatorio, en donde la columna tipo celulosa promueve las interacciones inter-cadena. Los xiloglucanos son hidrosolubles, pero las macromoléculas individuales tienden a no hidratarse por completo, por lo que las especies supramoleculares agregadas permanecen aun en soluciones muy diluidas. El tamarindo es una goma gelificante, que puede formar un gel con concentrados de azúcar aun en agua fría. El tamarindo y otras gomas exudadas son macromoléculas de alto peso molecular que pueden ser fácilmente disueltas y dispersadas en agua bajo condiciones apropiadas. Pueden modular las propiedades reológicas de los alimentos y son generalmente empleadas como espesantes, modificadores de textura, estabilizantes y emulsificantes en varias aplicaciones.

 

Usos en alimentos

La harina de tamarindo se utiliza como agente espesante, estabilizante y gelificante. Los polisacáridos de las semillas de tamarindo pueden ser empleados para substituir a la pectina en la fabricación de jaleas y mermeladas, puede usarse en la conservación de fruta con o sin ácidos y puede usarse también como un estabilizante en helado, mayonesa y queso.

 

Gomas exudadas

La goma arábiga, la goma gatti, la goma karaya y la goma tragacanto son las principales gomas exudadas comerciales. La goma arábiga se origina de los árboles acacia gomífera (Acacia Senegal) o acacia árabe (Acacia seyal); la goma gatti proviene del árbol dhaora (Anogeissus latifolia); la goma karaya procede de los árboles Sterculia spp y la goma tragacanto procede del astrágalo de goma (Astragalus gummifer). Las gomas exudadas son un mecanismo de defensa en las plantas; estos polisacáridos son exudados como resultado de daño o ataque por hongos.

Las gomas exudadas con muy diversas y complejas en estructura y composición. La composición varía con la especie y con variaciones de temporada del año y geografía. Las gomas exudadas pueden ser agrupadas basándose en su columna como arabinogalactanos (goma arábiga), glucuronomananos substituidos (goma gatti) y ramnogalacturonanos substituidos (goma karaya); la goma tragacanto es una mezcla de arabinogalactano y galacturonano. Cada tipo de goma proviene de un rango de especies y ambiente de crecimiento, lo cual resulta en una variación en composición y funcionalidad.

 

Procesamiento comercial

Las gomas arábiga, gatti y karaya son recolectadas por incisión superficial de las ramas y tronco de los árboles, mientras que la goma tragacanto es recolectada por incisión superficial de la raíz. La goma es recolectada de manera manual como gotas parcialmente secas, limpiadas a mano para remover tierra, corteza y otro material extraño; luego la goma es secada. Las gomas secas son duras y parecidas al vidrio y pueden ser molidas en un molino de martillo. Las gomas molidas son cribadas a un tamaño de partícula uniforme.

 

Propiedades funcionales

Las gomas arábiga, karaya y tragacanto no forman geles. La goma arábiga es una goma no gelificante y de baja viscosidad; es soluble en agua caliente y fría, exhibiendo flujo newtoniano aún en altas concentraciones. La goma gatti es algo soluble en agua caliente y fría, aunque no se disuelve completamente en agua sino que forma una dispersión; la solución acuosa de goma gatti muestra un comportamiento de flujo no newtoniano. La goma karaya no se disuelve en agua pero se hincha para dar dispersión, hinchándose hasta más de 60 veces su volumen original; las soluciones acuosas de goma karaya muestran un comportamiento de flujo newtoniano a bajas concentraciones (< 0.5 %), adelgazamiento al corte a 0.5 % – 2 % y se vuelven una pasta o geles Untables por arriba de 2 %. La goma tragacanto se hincha rápidamente en agua fría o caliente para formar una suspensión coloidal viscosa; la viscosidad de la suspensión alcanza un máximo después de 24 horas a temperatura ambiente. La goma tragacanto muestra un comportamiento de adelgazamiento al corte.

 

Usos en alimentos

La goma arábiga es utilizada para estabilizar las emulsiones de aceite en agua, actúa como un emulsificante en el jugo de fruta y en las bebidas carbonatadas con sabor a cola, y es empleada en la industria de la confitería en donde evita la cristalización de la sacarosa, proporciona liberación controlada del sabor y hace más lenta la fusión en la boca.

La goma gatti es utilizada como un emulsificante y estabilizante en bebidas. Se emplea para encapsular y estabilizar vitaminas liposolubles.

La goma karaya se usa como un estabilizante en productos lácteos como la crema batida y los quesos Untables, así como agente ligador de agua en carnes procesadas y pasta. La goma karaya puede controlar la formación de cristales de hielo en los postres congelados. La estabilidad al ácido, su alta viscosidad y las propiedades de suspensión la hacen adecuada para estabilizar emulsiones a pH bajo como salsas y aderezos.

La goma tragacanto es un excelente agente emulsificante de aceite en agua, con buena estabilidad al calor, acidez y envejecimiento. Se utiliza en aderezos para ensalada, emulsiones de aceite y sabores, helados, rellenos de pastelería, coberturas y confitería. La goma tragacanto se emplea para crear una sensación cremosa en la boca. Se emplea en pastillas o gotas medicadas como un espesante y para proporcionar textura.