Química de Alimentos - Carboidratos

Química de Alimentos - Carboidratos

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CARBOIDRATOS

- Os carboidratos são as moléculas orgânicas mais abundantes da natureza.

- Constituem ¾ da massa seca de todas as plantas (grãos, verduras, hortaliças).

- São produzidos pelas plantas verdes na fotossíntese a partir da H2O, CO2 e luz solar. A energia é armazenada nas suas ligações químicas. Os carboidratos obtidos na natureza são normalmente a celulose e a sacarose, e com maior freqüência o amido. Dos quais por hidrólise são obtidas a glicose e a frutose.

- As moléculas dos carboidratos são constituídas por C, H e O.

Importância e funções dos carboidratos:

● pertencem ao grupo dos nutrientes básicos (têm função nutricional);

● são encontrados em grande quantidade na maioria dos alimentos;

● são alimentos baratos e de fácil digestão;

● principal fonte de fornecimento de energia na dieta da maioria dos organismos;

● alimentos de reserva (amido/plantas, glicogênio/humanos);

● atuam como componentes das membranas celulares;

● servem como componente estrutural (sustentação) de muitos organismos (ex: paredes celulares de bactérias, esqueleto de insetos, celulose fibrose de plantas);

● participam dos mecanismos de defesa (glicoproteínas e imunoglobulinas);

● carboidratos não digeríveis – fibras;

● nos alimentos exercem uma série de funções: edulcorantes, geleificantes, espessantes, precursores de compostos de aroma e cor;

● nos alimentos são responsáveis pela maioria das reações de escurecimento.

Classificação e nomenclatura dos carboidratos:

● Fórmula geral: Cn(H2O)m

● São classificados de acordo com seu tamanho molecular em:

MONOSACARÍDEOS

- São carboidratos simples, possuem cadeia não ramificada, e não podem ser hidrolisados;

- Fórmula geral dos monossacarídeos: Cn(H2O)m onde n=m;

- São chamados de polihidroxialdeídos (aldoses), ou polihidroxicetonas (cetoses) conforme o grupo funcional que apresentam (aldeído: O=C-H, cetona: C=O);

- São classificados de acordo com o número de átomos de carbono que contém. Exemplos de monossacarídeos comumente encontrados:

● 3 carbonos: trioses (gliceraldeído);

● 4 carbonos: tetroses (eritrose e treose);

● 5 carbonos: pentoses (ribose, xilose);

● 6 carbonos: hexoses (glicose, frutose, galactose, etc..)

 7 carbonos: heptoses (heptulose).

- Os monossacarídeos presentes nos alimentos apresentam normalmente 6 carbonos. Exemplos:

GLICOSE:

- É o açúcar do sangue.

- É abundante em frutas, milho, xarope de milho e certas raízes.

- Pode resultar da hidrólise de outros carboidratos.

- O sistema nervoso central usa glicose no suprimento de energia.

FRUTOSE:

- Açúcar das frutas e mel.

- Isoladamente é o + doce dos açúcares.

- É o + solúvel dos açucares.

- Pode resultar da hidrólise de outros carboidratos.

- Fornece energia de forma gradativa, absorvida lentamente, o que evita que a concentração de açúcar no sangue (glicemia) aumente muito depressa.

GALACTOSE:

- É o açúcar do leite.

- Não é encontrado na forma livre na natureza.

- Presente no leite e derivados.

- No fígado, é transformada em glicose para fornecer energia.

Os monossacarídeos são podem ser mostrados em uma estrutura aberta, dada pela projeção de Fisher, esta projeção mostra os monossacarídeos no espaço bidimensional. Através das estruturas mostradas nesta projeção (Figura abaixo), observa-se que a glicose e a frutose possuem mesma fórmula molecular (C6H12O6 – com m=n=6). No entanto, apresentam grupos funcionais diferentes, enquanto a glicose é uma aldose (com um grupo aldeído), a frutose é uma cetose (com um grupo cetona). Em ambas as estruturas o átomo de carbono da carbonila (C=O) é chamado de carbono anomérico, é o carbono que reage com a hidroxila formando a estrutura cíclica, na glicose: C1 e na frutose: C2.

Figura: Projeção de Fisher – estruturas abertas da glicose e da frutose.

Na realidade, a carbonila dos monossacarídeos não é encontrada livre como mostrado na Figura acima (estruturas abertas), mas sim combinada com uma das hidroxilas da mesma molécula em uma ligação hemiacetálica, formando os anéis representados por estruturas cíclicas. Portanto, a ligação hemiacetálica é uma ligação intramolecular que ocorre entre o carbono da carbonila (carbono anomérico) com uma das hidroxilas nos monossacarídeos, formando uma estrutura cíclica.

Nas estruturas cíclicas são normalmente formados anéis com 5 ou 6 membros (átomos), estes anéis são denominados furanose e piranose, respectivamente, em virtude de suas semelhanças com o furano e pirano, cujas estruturas podem ser observadas na Figura abaixo.

Figura: Estruturas do Pirano e Furano

Os monossacarídeos em anel do tipo piranose (com 6 C) ocorrerem em quantidades mais expressivas na natureza, no entanto, a frutose da sacarose (que é uma glicose + frutose) é uma furanose (com 5 carbonos). A Figura abaixo mostra as estruturas cíclicas nas formas piranose e furanose para a glicose e a frutose.

Figura: À esquerda - estruturas cíclicas D-glicopiranose e D-glicofuranose. À direita – estruturas cíclicas da D-frutofuranose e D-frutopiranose.

A ligação hemiacetálica que forma o anel (estrutura cíclica) converte o átomo de carbono da carbonila (que faz a ligação hemiacetálica) em um centro quiral, ou seja, o carbono passa a ser assimétrico, já que pode se ligar com quatro substituintes diferentes. A forma cíclica ocorre, portanto, com um par de isômeros óticos, chamados de e anômeros, e sua configuração depende da posição da hidroxila (OH) no carbono quiral, quando estiver para baixo, será  e quando estiver para cima, . Estes isômeros são de suma importância no estudo dos carboidratos e recebem o nome de anômeros.

As Figuras abaixo mostram os isômeros  e  da glicose e da frutose. A glicose está representada como um piranose (glicopiranose: estrutura cíclica com 6 C) e frutose está representada como uma furanose (frutofuranose: estrutura cíclica com 5 C).

Figura: Isômeros α e β da glicose (piranose); e isômeros α e β da frutose (furanose).

O grupo hidroxila ligado ao carbono anomérico (resultante da ligação hemiacetálica) é denominado hidroxila anomérica ou hidroxila redutora . Esse grupo é extremamente reativo e confere ao monossacarídeo a propriedade de ser um agente redutor em reações de óxido-redução. Se este grupo hidroxila estiver para baixo o monossacarídeo será , e se estiver para cima o monossacarídeo será . Tais formas são interconvertidas através do fenômeno da mutarrotação.

Os monossacarídeos com mais de cinco átomos de carbono, quando dissolvidos em água, apresentam o fenômeno da mutarrotação, que consiste na mudança gradativa da rotação óptica até alcançar um ângulo de equilíbrio. Esse comportamento se deve ao fato de que esses compostos apresentam duas estruturas espaciais possíveis (isômeros α e β), uma das quais se transforma na outra durante a dissolução, até que um estado de equilíbrio, onde ambas as estruturas coexistem, seja alcançado. Esta mistura de equilíbrio contém 63,6% do anômero , 36,4% do anômero  e 1% da forma aberta linear.

As estruturas cíclicas da glicose e da frutose são exemplos de açúcares (monossacarídeos) redutores. Porque os átomos de C1 da glicose (aldose) e C2 da frutose (cetose) são carbonos anoméricos, também chamados de redutores, pois contém o grupo hidroxila redutor.

Os açúcares redutores são suscetíveis a oxidação por vários agentes oxidantes contendo íons cúpricos (Cu2+), como soluções de Fehling ou Benedict.

Estudaremos as reações das quais os açúcares redutores participam mais adiante.

DISSACARÍDEOS:

 São dois monossacarídeos unidos por ligações glicosídicas. Ex: sacarose (glicose + frutose), maltose (glicose + glicose), lactose (glicose + galactose).

 Ligação glicosídica: é formada entre o grupo hidroxila (anomérico ou redutor) de um átomo de carbono anomérico com um grupo hidroxila de outra molécula, com eliminação de uma molécula de água (H2O).

 As ligações glicosídicas são, portanto, ligações intermoleculares (ocorre entre duas moléculas diferentes). O produto resultante da ligação glicosídica é um glicosídeo.

 Quando o glicosídeo é formado por 2 monossacarídeos temos os dissacarídeos.

SACAROSE:

 É o dissacarídeo mais comum; conhecido como açúcar de mesa, encontrado na cana-de-açúcar, beterraba, açúcar mascavo, mel.

 A sacarose é formada pela ligação glicosídica entre dois monossacarídeos, a -D-glicose (piranose) e a -D-frutose (furanose).

 A ligação glicosídica da sacarose é representada por , (1→2), o que indica que a ligação ocorre entre os carbonos C1 da -D-glicose e C2 da -D-frutose. A ligação ocorre, portanto entre os dois carbonos anoméricos, C1 da glicose (piranose) e C2 da frutose (furanose). Esta ligação é mostrada na Figura abaixo.

Figura: Molécula de Sacarose, com ligação glicosídica entre -D-glicose e -D-frutose.

 A sacarose é um açúcar não-redutor, observando a estrutura da molécula de sacarose, observa-se que esta não possui terminação redutora livre (estão comprometidas na ligação glicosídica).

 A sacarose também não apresenta atividade ótica (mutarrotação), porque não contém carbono anomérico livre.

MALTOSE:

 É o açúcar do malte, não ocorre em abundância na natureza, e é usada na indústria de alimentos em fórmulas para alimentação de crianças e outras bebidas (como a cerveja).

 A maltose é obtida por fermentação e pela hidrólise do amido.

 A maltose é um dissacarídeo resultante da ligação glicosídica entre duas D-glicoses (a primeira glicose é sempre , enquanto a segunda pode ser  ou ), resultando em -Maltose e -Maltose, respectivamente.

 A ligação glicosídica da maltose é representada por (1→4), porque ocorre entre a hidroxila do carbono anomérico (C1) de uma D-glicose com a hidroxila do C4 de outra D-glicose (como mostrado nas Figuras abaixo).

 Dessa forma, a segunda glicose permanece com seu carbono anomérico (C1) livre, assim a maltose pode coexistir nas formas  e , apresentando, portanto mutarrotação. Além disso, o fato da maltose possuir um carbono anomérico livre também lhe confere a característica de ser um açúcar redutor.

 As Figuras abaixo mostram a α-Maltose e a -Maltose.

α-Maltose: resultante da ligação glicosídica entre as hidroxilas do C1 de uma -D-glicose com uma hidroxila do C6 de outra -D-glicose;

 -Maltose: resultante da ligação glicosídica entre a hidroxila do C1 de uma -D-glicose e a hidroxila do C4 de uma -D-glicose.

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