lunes, 10 de noviembre de 2014

Metabolismo de los Carbohidratos en la Fermentación Alcohólica del Vino



METABOLISMO DE LOS CARBOHIDRATOS EN LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA DEL VINO

Los carbohidratos son importantes en la fermentación alcohólica, porque son las moléculas que van a ser utilizadas, por los seres vivos, para obtener energía, tanto en condiciones aerobias como anaerobias.

La principal transformación en el metabolismo de los carbohidratos es siempre la conversión de glucosa en piruvato; a esta transformación se le conoce como glucólisis. El destino posterior del piruvato depende de la presencia o ausencia de oxígeno. En condiciones anaerobias (Situación en la que no está presente el oxígeno), se realiza la fermentación alcohólica, y en condiciones de aerobiosis (Situación en la que está presente el oxígeno) se produce la respiración celular.

La respiración celular y las fermentaciones son las vías catabólicas (Conjunto de reacciones bioquímicas, en las que los seres vivos transforman moléculas complejas en otras más sencillas y desprenden energía química, en forma de ATP) más corrientes para la obtención de la energía contenida en las sustancias orgánicas. Las sustancias orgánicas entrarían en forma de glucosa a estas vías catabólicas. Ambas vías tienen una fase común, la glucólisis.

- Los carbohidratos: Son compuestos formados por carbono, hidrogeno y oxígeno. En ocasiones, en glúcidos complejos, también presentan nitrógeno y fósforo. Responden a la fórmula general CnH2nOn. En cuanto al número de unidades que lo componen, pueden ser:

. Monosacáridos (una unidad de azúcar);
. Disacáridos (unión de dos azucares);
. Oligosacáridos (unión de hasta diez azúcares;
. Polisacáridos (unión de muchos azúcares).

En cuanto al número de carbonos, los monosacáridos contienen de tres a siete carbonos, así pueden ser: hexosas (6 carbonos), pentosas (5 carbonos), triosas (3carbonos), etc.

- Los principales carbohidratos que utiliza la levadura:


. Los monosacáridos: principalmente glucosa, fructosa y también galactosa.
. Los disacáridos: como la fructosa.

- Chaptalización: Entre 17-20 g/l de sacarosa añadida al mosto proporcionan 1º alcohólico en el vino. De esta forma la chaptalización es el procedimiento para aumentar el grado alcohólico de un vino por medio de la adición de azúcar a los mostos.

Por ejemplo si quisiéramos aumentar 1 º alcohólico probable en un vino, ¿qué cantidad de sacarosa añadiríamos para 1.000 litros de mosto?

17 x 1000 = 17000gramos. (17 Kg) 20 x 1000 = 20.000 gramos. (20 kg.). Es decir, entre 17 y 20 kg.


GRUPOS FUNCIONALES

El grupo funcional es un átomo o conjunto de átomos unidos a una cadena carbonada, representada en la fórmula general por R para los compuestos alifáticos y como Ar (radicales alifáticos) para los compuestos aromáticos. Los grupos funcionales son responsables de la reactividad y propiedades químicas de los compuestos orgánicos.

La combinación de los nombres de los grupos funcionales con los nombres de los alcanos de los que derivan brinda una nomenclatura sistemática poderosa para denominar a los compuestos orgánicos.

Los grupos funcionales se asocian siempre con enlaces covalentes, al resto de la molécula. Cuando el grupo de átomos se asocia con el resto de la molécula primero mediante fuerzas iónicas, se denomina más apropiadamente al grupo como un ion poliatómico o ion complejo.

- Los aldehídos: Son compuestos orgánicos caracterizados por poseer el grupo funcional -CHO. Se denominan como los alcoholes correspondientes, cambiando la terminación -ol por -al. Etimológicamente, la palabra aldehído proviene del latín científico alcohol dehydrogenatum (alcohol deshidrogenado).

- Una cetona es un compuesto orgánico caracterizado por poseer un grupo funcional carbonilo unido a dos átomos de carbono, a diferencia de un aldehído, en donde el grupo carbonilo se encuentra unido al menos a un átomo de hidrógeno. Cuando el grupo funcional carbonilo es el de mayor relevancia en dicho compuesto orgánico, las cetonas se nombran agregando el sufijo -ona al hidrocarburo del cual provienen (hexano, hexanona; heptano, heptanona; etc). También se puede nombrar posponiendo cetona a los radicales a los cuales está unido (por ejemplo: metilfenil cetona). Cuando el grupo carbonilo no es el grupo prioritario, se utiliza el prefijo oxo- (ejemplo: 2-oxopropanal).

El grupo funcional carbonilo consiste en un átomo de carbono unido con un doble enlace covalente a un átomo de oxígeno.

El tener dos radicales orgánicos unidos al grupo carbonilo, es lo que lo diferencia de los ácidos carboxílicos, aldehídos, ésteres. El doble enlace con el oxígeno, es lo que lo diferencia de los alcoholes y éteres. Las cetonas suelen ser menos reactivas que los aldehídos dado que los grupos alquílicos actúan como dadores de electrones por efecto inductivo.


MONOSACÁRIDOS

- Son sólidos cristalinos, de color blanco, solubles en agua y de sabor dulce.
- Químicamente son polihidroxialdehídos, polihidroxicetonas o sus derivados.

Un polihidroxialdehído: Es un compuesto orgánico que tiene una función aldehído (grupo funcional -CHO. Se denominan como los alcoholes correspondientes, cambiando la terminación -ol por -al) en el primer carbono y en los restantes carbonos una función alcohol.

Las polihidroxicetonas en lugar de una función aldehído tienen una función cetona, normalmente en el carbono 2. El resto de carbonos poseen también una función alcohol.

Los monosacáridos que tienen función aldehído (H-C=O) se llaman aldosas. Asimismo, se denominan cetosas a los que tienen una función cetona. (-C=O)

Las principales hexosas son:

. D-glucosa: Monosacárido, aldosa, hexosa (seis átomos de carbono), y cuyo último carbono asimétrico, más distante del grupo aldehído, tiene el grupo -OH orientado a la derecha. Se la conoce como azúcar de la uva.

. D-galactosa: Monosacárido, aldosa, hexosa (seis átomos de carbono), y cuyo carbono asimétrico más distante del grupo aldehído, contiene el grupo -OH orientado a la derecha. Junto con la D-glucosa forma el disacárido lactosa, glúcido propio de la leche.

. D-fructosa: Monosacárido con la misma fórmula empírica que la glucosa, pero con diferente estructura, ya que es una cetosa, es decir, presenta un grupo carbonilo en el carbono número dos Se encuentra de forma libre en la fruta y, asociada con la glucosa, forma la sacarosa, esta última está presente en la remolacha azucarera y en la caña de azúcar.


Las principales hexosas utilizadas por la levadura son: 

. Glucosa (C6H12O6): La glucosa es un monosacárido con fórmula molecular C6H12O6. Es una hexosa, es decir, contiene 6 átomos de carbono, y es una aldosa, esto es, el grupo carbonilo está en el extremo de la molécula (es un grupo aldehído).
. Fructosa (C6H12O6): Es un monosacárido con la misma fórmula empírica que la glucosa pero con diferente estructura, es decir, es un isómero de ésta. Es una hexosa (6 átomos de carbono), pero cicla en furano (al contrario que las otras hexosas, que lo hacen en pirano).
. Galactosa (C6H12O6): Al igual que la glucosa, pertenece al grupo de las hexosas, que son monosacáridos (glúcidos simples) formados por una cadena de seis átomos de carbono. Su fórmula molecular o empírica es igual a la de la glucosa: C6H12O6, aunque difiere de ésta por ser un epímero de la glucosa en el Carbono número 4, es decir, que el grupo de alcohol de este carbono está dirigido hacia la izquierda (en la fórmula lineal, en la forma cíclica se encuentra dirigida hacia arriba). La galactosa es una piranosa ya que teóricamente puede derivarse del anillo de seis lados formado por 5 átomos de carbono y 1 de oxígeno, llamado pirano. Por ello en su forma cíclica se denominará galactopiranosa, existiendo la forma β si el -OH unido al carbono anomérico esta hacia arriba, y la forma α si el -OH unido al carbono anomérico está hacia abajo. De igual forma existe la forma D y la forma L, siendo la primera la más abundante de forma natural.

Las tres responden a la misma fórmula general (C6H12O6), pero la distribución de los átomos no es la misma, y eso es, precisamente, lo que les confiere a cada una de ellas características y propiedades diferentes.

Las hexosas son monosacáridos (glúcidos simple) formados por una cadena de seis átomos de carbono. Su fórmula general es C6H12O6. Su principal función es producir energía. Un gramo de cualquier hexosa produce unas 4 kilocalorías de energía. Las más importantes desde el punto de vista biológico son: glucosa, galactosa y fructosa.


¿Qué son los monosacáridos o azúcares simples?

Son los glúcidos más sencillos, no se hidrolizan, es decir, no se descomponen en otros compuestos más simples. Poseen de tres a siete átomos de carbono 1 y su fórmula empírica es (CH2O)n, donde n ≥ 3. Se nombran haciendo referencia al número de carbonos (3-7), y terminan con el sufijo -osa. El principal monosacárido es la glucosa, la principal fuente de energía de las células.

- Características: La cadena carbonada de los monosacáridos no está ramificada y todos los átomos de carbono menos uno contienen un grupo alcohol (-OH). El átomo de carbono restante tiene unido un grupo carbonilo (C=O). Si este grupo carbonilo está en el extremo de la cadena se trata de un grupo aldehído (-CHO) y el monosacárido recibe el nombre de aldosa. Si el carbono carbonílico está en cualquier otra posición, se trata de una cetona (-CO-) y el monosacárido recibe el nombre de cetosa.

Todos los monosacáridos son azúcares reductores, ya que al menos tienen un -OH hemiacetálico libre, por lo que dan positivo a la reacción con reactivo de Fehling, a la reacción con reactivo de Tollens, a la Reacción de Maillard y la Reacción de Benedict.

Otras formas de decir que son reductores es decir que presentan equilibrio con la forma abierta, presentan mutarotación (cambio espontáneo entre las dos formas cicladas α (alfa) y β (beta)), o decir que forma osazonas.

Así 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.

Al igual que los disacáridos, son dulces, solubles en agua (hidrosolubles) y cristalinos. Los más conocidos son la glucosa, la fructosa y la galactosa.

Estos azúcares constituyen las unidades monómeras de los hidratos de carbono para formar los polisacáridos.

Todos los monosacáridos simples tienen uno o más carbonos asimétricos, menos la dihidroxiacetona. El caso más sencillo, el del gliceraldehído, tiene un centro de asimetría, lo que origina dos conformaciones posibles: los isómeros D y L.

Para saber si es D o L podemos representar su fórmula en proyección de Fischer y considerar la configuración del penúltimo carbono (que es el carbono asimétrico más alejado del grupo funcional). La posición de su grupo OH a la derecha o a la izquierda determinará la serie D o L, respectivamente. Los isómeros D y L del gliceraldehído son imágenes especulares entre sí y, por tanto, se dice que son isómeros quirales, enantiómeros o enantiomorfos.

Todas las aldosas se consideran estructuralmente derivadas del D- y L- gliceraldehído. Análogamente, las cetosas se consideran estructuralmente derivadas de la D y L- eritrulosa. La casi totalidad de los monosacáridos presentes en la naturaleza pertenece a la serie D.

Cuando la molécula posee más de un carbono asimétrico aumenta el número de isómeros ópticos posibles. El número de isómeros ópticos posibles es 2n, siendo n el número de carbonos asimétricos. En este caso, no todos los isómeros ópticos son imágenes especulares entre sí y se pueden distinguir varios tipos de isómeros ópticos:

. Epímeros: dos monosacáridos que se diferencian en la configuración de uno solo de sus carbonos asimétricos. Por ejemplo la D-Glucosa y la D-Manosa sólo se diferencian en la configuración del hidroxilo en el C2

. Anómeros: dos monosacáridos ciclados que se diferencian sólo en el grupo -OH del carbono anomérico (el que en principio pertenece al grupo aldehído o cetona). Dan lugar a las configuraciones α y β. por convenio alfa abajo y beta arriba del plano de proyección de Haworth.

. Enantiómeros: aquellos monosacáridos que tienen una estructura especular en el plano (D y L), por dextógira y levógira respectivamente.

Diasteroisomeros: monosacáridos que no son imágenes especulares entre si.



DISACÁRIDOS

- Son oligosacáridos formados por dos monosacáridos.
- Son solubles en agua, dulces y cristalizables.

El principal disacárido que utiliza la levadura y, por tanto, participa en la elaboración de los vinos, es la sacarosa. La sacarosa es el azúcar de consumo habitual, es decir, la que te echamos al café.

¿Qué son los  disacáridos o azúcares dobles?

Son un tipo de glúcidos formados por la condensación (unión) de dos azúcares monosacáridos iguales o distintos mediante un enlace O-glucosídico (con pérdida de una molécula de agua) pues se establece en forma de éter siendo un átomo de oxígeno el que une cada pareja de monosacáridos, mono o dicarbonílico, que además puede ser α o β en función del -OH hemiacetal o hemicetal. Los disacáridos más comunes son:

- Sacarosa: formada por la unión de una glucosa y una fructosa. A la sacarosa se le llama también azúcar común. No tiene poder reductor.
- Lactosa: formada por la unión de una glucosa y una galactosa. Es el azúcar de la leche. Tiene poder reductor.
- Maltosa, isomaltosa, trehalosa y celobiosa: formadas todas por la unión de dos glucosas, son diferentes dependiendo de la unión entre las glucosas. Todas ellas tienen poder reductor, salvo la trehalosa.



El carácter reductor: se da en un disacárido si uno de los monosacáridos que lo forman tiene su carbono anomérico (o carbonílico) libre, es decir, si este carbono no forma parte del enlace O-glucosídico. Dicho de otra forma, si el enlace O-glucosídico es monocarbonílico el disacárido resultante será reductor (maltosa, celobiosa, etc.), mientras que si el enlace O-glicosídico es dicarbónílico el disacárido resultante será no reductor (sacarosa, trehalosa).

La fórmula empírica de los disacáridos es C12H22O11. El enlace covalente entre dos monosacáridos provoca la eliminación de un átomo de hidrógeno de uno de los monosacáridos y de un grupo hidroxilo del otro monosacárido, de forma que en conjunto podemos decir que se elimina una molécula de agua (H2O) que se libera al medio de reacción.

En la mucosa del tubo digestivo del ser humano existen unas enzimas llamadas disacaridasas, que hidrolizan el enlace glucosídico que une a los dos monosacáridos, para su absorción intestinal.

Los principales disacáridos de interés biológico son los siguientes:

- Maltosa: Se encuentra libre de forma natural en la mal­ta, de donde recibe el nombre y forma parte de varios polisacáridos de reserva (almidón y glu­cógeno), de los que se obtiene por hidrólisis. La malta se extrae de los granos de cereal, ricos en almidón, germinados. Se usa para fabricar cerveza, whisky y otras bebidas. La molécula tiene características reductoras.

- Lactosa o azúcar de la leche: Se encuentra libre en la leche de los mamíferos. Gran parte de la población mundial presenta la llamada “intolerancia a la lactosa”, que es una enfermedad caracterizada por la afectación más o menos grave de la mucosa intestinal que es incapaz de digerir la lactosa.

- Sacarosa o azúcar de caña y remolacha: Es el azúcar que se obtiene industrialmente y se comercializa en el mercado como edulcorante habitual. Además, se halla muy bien representada en la naturaleza en frutos, semillas, néctar, etc. No posee carácter reductor debido a que los carbonos anoméricos están unidos entre sí.

- Celobiosa: Presente en la molécula de celulosa y no se encuentra libre.

- Isomaltosa: Está presente en los polisacáridos “almidón” y “glucógeno” y no se halla libre.

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