Chiamati anche glucidi o glicidi (dal greco glucùs = dolce), oppure saccaridi (dal latino saccharus = zucchero), i carboidrati sono molecole il cui nome “carboidrati” (= idrati del carbonio) ci fa già capire da quali atomi sono costituiti: carbonio, idrogeno e ossigeno, questi ultimi in rapporto 2 a 1 come nell’acqua (H2O). Questi atomi sono legati fra loro a formare unità saccaridiche.
I carboidrati sono i composti organici più abbondanti nel mondo vegetale. Essi infatti sono il risultato di biochimismi quale la fotosintesi clorofilliana, sono componenti delle strutture membranose cellulari e sono fondamentali molecole di riserva energetica. Negli animali svolgono similmente le stesse funzioni. Ciò che cambia è sia quali carboidrati vengono usati sia la quantità che ne viene accumulata.
I carboidrati possono essere definiti polimeri, ovvero molecole caratterizzate da unità assemblate a formare strutture più complesse e di dimensioni maggiori. Tali unità sono dette monosaccaridi. Ogni monosaccaride presenta un gruppo aldeidico o chetonico. Inoltre, in base a quanti atomi di carbonio posseggono vengono loro assegnati altri nomi: triosi se ne hanno tre, tetrosi se ne hanno 4, pentosi se ne ne hanno 5, esosi se ne hanno 6…e così via.
I carboidrati sono, chimicamente parlando, poliidrossialdeidi e poliidrossichetoni e sono formati da Carbonio, Idrogeno e Ossigeno. Ciò significa che sono molecole aventi gruppi aldeidici o chetonici, che posseggono numerosi gruppi ossidrilici e che molecole più grandi possono essere scomposte per idrolisi in unità più piccole. I carboidrati infatti sono polimeri di cui i monomeri sono i monosaccaridi.
A seconda di quante unità sono presenti, i carboidrati prendono il nome di monosaccaridi (1 unità), disaccaridi (2 unità), oligosaccaridi (fino a una decina di unità), polisaccaridi (molte unità). Monosaccaridi e disaccaridi sono comunemente chiamati zuccheri. Tutti quanti i carboidati apportano 4 kcal per grammo ma vengono metabolizzati con velocità diverse (hanno un diverso “indice glicemico”).
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La loro presenza è necessaria per il normale metabolismo lipidico: Pasteur più di 100 anni fa diceva: "I grassi bruciano al fuoco degli zuccheri". Questo concetto continua a ricevere conferme dagli studi scientifici attuali.
Monosaccaridi: Glucosio e Fruttosio
Glucosio
Monosaccaride con 6 atomi di carbonio (per questo è definito “esoso”). La sua formula molecolare (“formula bruta”) è C6H12O6. Può essere presente nelle due forme speculari D e L: dipende dall’orientazione di alcuni suoi atomi nello spazio. Il D-glucosio, la forma più diffusa, si chiama anche destrosio perché in soluzione fa ruotare il piano della luce polarizzata verso destra (in senso orario). E’ una proprietà delle sostanze “otticamente attive” che si misura con uno strumento chiamato polarimetro.
Il glucosio tende a chiudersi ad anello formando una struttura esagonale, che può essere nella forma “alfa” o “beta”. 5 vertici dell’esagono sono costituiti da atomi di carbonio (per convenzione non si indicano nella formula di struttura) e 1 vertice da ossigeno. In commercio solitamente viene venduto con il nome di destrosio quando è in forma cristallina (in polvere) e di glucosio (o “sciroppo di glucosio“) quando è in forma fluida.
Il destrosio è il monosaccaride puro, che può essere in forma anidra oppure come monoidrato, cioè con una molecola di acqua legata ai suoi cristalli (in pasticceria bisogna tenerne conto quando si bilanciano le ricette). Lo sciroppo di glucosio, invece, è una miscela che contiene anche disaccaridi (maltosio) e oligosaccaridi (destrine). Questo perché industrialmente si ottiene dall’idrolisi enzimatica dell’amido (un polisaccaride formato da tante unità di glucosio), che può essere più o meno spinta e dare sciroppi con una quantità più o meno elevata di glucosio e degli altri zuccheri composti da glucosio. Con successive operazioni di purificazione e cristallizzazione si ottiene poi il destrosio puro cristallino.
La quantità di glucosio presente negli sciroppi viene indicata attraverso il valore di DE (destrosio equivalenti), che va da zero (amido puro) a 100 (glucosio puro). Il glucosio è un po’ meno dolce del saccarosio e tende a cristallizzare meno.
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Fruttosio
Monosaccaride con formula molecolare identica a quella del glucosio (C6H12O6), ciò significa che contiene gli stessi atomi nello stesso numero, tuttavia è strutturato in modo diverso. Anche il fruttosio è presente nella forma D o L. Il D-fruttosio è chiamato anche levulosio poiché la sua soluzione acquosa fa ruotare il piano della luce polarizzata in senso antiorario, ossia verso sinistra. Non fatevi, dunque, ingannare dalla lettera “D”, che indica la disposizione di alcuni atomi nella molecola. In natura si trova nella frutta e nel miele.
La sua produzione industriale, però, si fa a partire dall’amido di mais, molto più economico. L’amido viene idrolizzato a glucosio e quest’ultimo convertito in fruttosio. Entrambi gli step coinvolgono enzimi: amilasi per l’idrolisi e isomerasi per la conversione. Ciò che si ottiene è lo sciroppo di fruttosio e glucosio (HFCS, High Fructose Corn Syrup), che può avere una concentrazione differente dei due zuccheri a seconda del processo. Lo sciroppo è molto utilizzato tal quale dall’industria alimentare come ingrediente di bevande, merendine, ecc. Dalla sua purificazione si ottiene fruttosio puro cristallino.
Il fruttosio è più dolce del saccarosio, pertanto ne basta meno per dolcificare. L’aura salutistica di cui godeva fino a poco tempo fa è stata messa in discussione pertanto non bisogna eccedere (come del resto per tutti gli zuccheri semplici).
Disaccaridi: Saccarosio, Lattosio e Maltosio
Saccarosio
E’ il comune zucchero da cucina. E’ un disaccaride costituito da glucosio + fruttosio. Industrialmente si produce per estrazione da vegetali che lo contengono in grande concentrazione, come la barbabietola da zucchero (in Europa) o la canna da zucchero (Sudamerica). E’ bianco o bruno (più o meno scuro) a seconda del grado di raffinazione a cui lo zucchero viene sottoposto per eliminare la “melassa”. Generalmente lo zucchero bruno (“grezzo“) è ricavato dalla canna da zucchero perché ha caratteristiche sensoriali migliori.
In commercio si trova come demerara (con cristalli piuttosto grossi), turbinado (con cristalli ancora più grossi e di colore più chiaro), o golden caster (con cristalli più piccoli). Dalla sola spremitura della canna da zucchero ed evaporazione del succo che ne deriva, senza raffinazione, si ottiene lo zucchero di canna integrale. La tipologia più nota è il muscovado (o mascobado), una massa granulosa e appiccicosa con cristalli di dimensioni variabili, ma lo zucchero integrale esiste anche in forma di panetti compatti da grattugiare o affettare (panela, rapadura o dulcito).
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A partire dal saccarosio si può ottenere lo zucchero invertito, una miscela fluida di glucosio e fruttosio prodotta industrialmente per idrolisi enzimatica con l’enzima invertasi, che spezza il legame tra i due monosaccaridi. Lo stesso enzima è presente nelle nostre cellule intestinali e rende il saccarosio che introduciamo con l’alimentazione disponibile per l’assorbimento. Lo zucchero invertito si può fare anche a casa scaldando una soluzione di acqua, zucchero e acido citrico. Il nome “zucchero invertito” è dovuto al fatto che fa ruotare la luce polarizzata in senso opposto rispetto al saccarosio quando la soluzione viene analizzata al polarimetro. In commercio si trova anche il golden syrup, che è zucchero invertito contenente residui di melassa.
Lattosio
Disaccaride costituito da galattosio + glucosio. E’ tipicamente presente nel latte (4,6-4,8% in quello vaccino). Nel tubo digerente l’enzima lattasi lo scinde nei due monosaccaridi che lo compongono, assorbibili dagli enterociti. Solo pochi individui mantengono la capacità di sintetizzare la lattasi anche da adulti (“persistenza della lattasi”), mentre la maggior parte delle persone perde questa capacità. Il lattosio può allora dare problemi di intolleranza perché, rimanendo tal quale nell’intestino, viene fermentato dalla flora batterica con produzione di gas e conseguenti problemi addominali (flatulenza, diarrea, crampi).
Maltosio
Disaccaride formato dal legame fra due molecole di glucosio. E’ lo zucchero tipicamente presente nel malto, nome con cui si indicano i chicchi germinati dei cereali (frumento, orzo). La maltazione è il primo step nella produzione della birra, ad esempio. Consiste nel bagnare i chicchi e lasciarli germogliare in modo che gli enzimi presenti idrolizzino l’amido a zuccheri più semplici (come il maltosio, appunto), utilizzabili dai lieviti nel processo fermentativo.
Il malto “diastasico”, contiene gli enzimi attivi (le amilasi, una volta chiamate “diastasi”) ed è utilizzato in panificazione per favorire l’azione del lievito. Di solito è in polvere, ma si trova anche in pasta. Lo sciroppo di malto venduto come dolcificante è, invece, privo di potere diastasico perché ha subìto trattamenti termici che hanno disattivato gli enzimi.
Polisaccaridi: Amido, Glicogeno e Cellulosa
Con polisaccaridi si intendo le catene composte da più di 8-10 monosaccaridi. La loro struttura può essere più o meno complessa in base a come le unità di base si associano tra loro. Da ciò ne derivano le caratteristiche chimicofisiche della molecola. In generale gli organismi, vegetali e animali che siano, tendono a favorire la formazione di polisaccaridi in quanto la pressione osmotica conseguente risulta essere minore. Essa infatti non dipende dalle dimensioni, ma dal numero di molecole.
Amido
E’ il più importante polisaccaride di riserva nelle piante, che lo immagazzinano nelle loro cellule in forma di granuli. È composto da due tipologie di polimeri del glucosio: amilosio (10-30%) e amilopectina (70-90%). L’amilosio consiste di lunghe catene lineari, mentre l’amilopectina, più grande, è una molecola molto ramificata.
L‘amilosio è la componente lineare senza le ramificazioni. Esso costituisce il 20-25% delle riserve di amido. L’amilopectina è caratterizzata da una struttura lineare come quella dell’amilosio, che può arrivare anche a 10.000 unità, e delle ramificazioni che si “innestano” su questa con legami α-1,6 glicosidici. Esso rappresenta l’80-75% delle riserve di amido.
In cucina e in pasticceria si utilizza per il suo potere gelificante (dovuto all’amilosio, che intrappola l’acqua formando un gel) e addensante (dato dall’amilopectina) quando viene disciolto in un liquido e scaldato. E’ prodotto principalmente a partire da mais (chiamato anche “maizena” dal nome commerciale), frumento (“frumina“), riso e patate (in questo caso prende il nome di “fecola“).
Nel processo digestivo l’amido viene attaccato da enzimi denominati amilasi, che spezzano i legami tra le unità di glucosio (idrolisi). In natura esistono alfa- e beta-amilasi, che agiscono in diversi tratti delle catene. Le prime, prodotte sia dagli animali che dai vegetali, spezzano i legami glucosidici all’interno della molecola dell’amido liberando oligosaccaridi. Le seconde, che sono tipiche dei vegetali, spezzano l’amido a partire dalle estremità non riducenti liberando maltosio.
Glicogeno
Un altro polimero del glucosio è il glicogeno, l’equivalente dell’amido per il mondo animale. Si trova soprattutto nel fegato e nei muscoli, dove costituisce una riserva di zucchero utilizzabile a scopo energetico. È sempre un polisaccaride di alfa-glucosio, ma molto più ramificato e compatto dell’amilopectina.
Senza entrare nel dettaglio possiamo dire che il glicogeno, riserva per i mammiferi, è strutturalmente come l’amilopectina. Esso viene immagazzinato nelle cellule epatiche e successivamente idrolizzato se l’organismo lo richiede.
Cellulosa
La cellulosa è un polisaccaride lineare caratterizzato da sole unità di glucosio. La differenza con i precedenti sta nel legame glicosidico che si va a formare. Infatti questo è un legame β-1,4 glicosidico che porta le molecole di glucosio a disporsi linearmente. Questa caratteristica è fondamentale in quanto le fibre di cellulosa vanno a posizionarsi trasversalmente e longitudinalmente nella parete secondaria delle cellule vegetali; grazie a ciò queste posseggono una notevole resistenza a stimoli meccanici differenti.
Due omopolisaccaridi, la cellulosa (il polisaccaride più abbondante in natura) e la chitina (probabilmente dopo la cellulosa il secondo polisaccaride più abbondante in natura), fungono da elementi strutturali, rispettivamente nella parete delle cellule vegetali e nell'esoscheletro di quasi un milione di specie di artropodi (ad es. insetti e crostacei).
Nell’amido il glucosio è tutto nella conformazione alfa, mentre la cellulosa, il polisaccaride strutturale più abbondante nei vegetali, è costituita unicamente da beta-glucosio. I vertebrati non hanno enzimi in grado di spezzare il legame tra le unità di beta-glucosio, pertanto non sono in grado di digerire la cellulosa. Fanno eccezione i ruminanti, che ospitano nel rumine dei batteri che producono tali enzimi (cellulasi), presenti anche nelle termiti.
Eteropolisaccaridi
Gli eteropolisaccaridi sono i polisaccaridi che contengono due o più differenti tipi di monosaccaridi.
Stereoisomeria e Proiezioni di Haworth
Con stereoisomeria si intende, brevemente, l’insieme delle proprietà strutturali e spaziali di una molecola che ne permettono una migliore classificazione in base alle conseguenti proprietà chimiche. Se in una molecola è presente almeno un centro chirale, allora hanno degli isomeri. Con centro chirale si intende un atomo all’interno della molecola (il carbonio nel caso dei carboidrati) legato a quattro “gruppi” differenti. Se, come in questo caso, il centro chirale è uno si parla di epimeri. In più essendo le molecole speculari e non sovrapponibili sono enantiomeri. Il numero di enantiomeri aumenta con l’aumentare dei centri chirali secondo la seguente formula: 2^n. Dove n è il numero di centri chirali. Nel caso ci siano più centri chirali si considera anche l’orientamento nello spazio ottenendo così diastereoisomeri. Oltretutto nel nostro caso sono presenti le diciture D ed L.
Nonostante siamo abituati a vedere i monosaccaridi rappresentati linearmente, in natura sono quasi sempre ciclizzati. Infatti il gruppo ossidrilico del penultimo carbonio, lo stesso considerato per le diciture D e L, reagisce con il carbonio carbonilico formando un emiacetale ciclico. In base al numero di atomi si otterranno strutture cicliche con diverse strutture. Per rappresentare dunque un carbonio ciclico e tener conto della sua posizione nello spazio, è utile utilizzare le proiezioni di Haworth. Esse consistono nel tener conto del fatto che i gruppi legati ai carboni dell’anello principale si trovino al di sopra o al di sotto del piano su cui giace l’anello stesso. Il carbonio emiacetalico, quello che nella struttura lineare era il carbonio carbonilico, è detto anomerico. In base al fatto che il gruppo ossidrilico del carbonio anomerico si trovi sotto o sopra il piano già citato si parlerà di configurazione α, si trova sotto, β, si trova sopra. Per esempio, il glucosio, in una miscela all’equilibrio, presenta il 64% di β-D-glucopiranosio, il 36% di α-d-glucopiranosio e qualche traccia della forma lineare. Tale caratteristica è importante in quanto responsabile della mutarotazione. Questa consiste nella capacità di ruotare il piano di un raggio di luce polarizzata.
Ovviamente le strutture di Haworth sono solo teoriche. Nella realtà tali molecole assumono sì una forma ciclica, ma questa è più similmente detta “a sedia”. Infatti le estremità delle molecole tendono a piegarsi in direzioni spaziali opposte (verso l’alto e verso il basso) per allontanare il più possibile i gruppi legati ai carboni. Infatti si parla di ingombro sterico per indicare che più una molecola è grande più occuperà spazio e tenderà a respingere altri gruppi, causando instabilità.
Ossidazione e Legami Glicosidici
Gli zuccheri, in quanto portatori di gruppi aldeidici e chetonici, possono essere ossidati. Basta un blando ossidante come l’O2. Tutti gli aldosi sono ossidabili ad acidi aldonici (acidi carbossilici di derivazione aldeidica). Per quanto riguarda i chetoni la storia è diversa. Infatti un chetone è ossidabile solo se soggetto a tautomeria cheto-enolica. Gli acidi formati da tali processi vengono nominati con l’aggiunta di -olo.
I monosaccaridi finora esaminati tendono a legare tra loro per formare catene complesse. In base al numero di monosaccaridi coinvolti si assegnano nomi che esprimano tale numero, appunto. Esso consiste nella reazione tra un gruppo ossidrilico di un monosaccaride e il gruppo emiacetalico dell’altro. Dunque si tratta di una reazione di formazione di un acetale, ovvero una molecola con un carbonio cui sono legati due gruppi alchilici risultati dall’interazione tra un aldeide o un chetone e un’abbondanza di alcool.
- il saccarosio è un disaccaride formato da un glucosio e un fruttosio tramite un legame α-1,2 glicosidico (il carbonio 1 del glucosio in posizione α è legato al carbonio 2 in β del fruttosio).
- il lattosio, principale zucchero presente nel latte, è il risultato del legame β-1,4 glicosidico tra galattosio e glucosio.
- il maltosio consiste di un legame α-1,4 glicosidico tra due molecole di glucosio: una in alfa, l’altra in beta. Esso è così chiamato perché è prodotto dalla germinazione del mais e altri cereali.
Quanti Carboidrati Consumare?
Secondo i LARN (valori di riferimento per la dieta) stabiliti dall’EFSA, un quantitativo tale da apportare il 45-60% delle calorie totali introdotte con l’alimentazione quotidiana.
In conclusione si è capito come i carboidrati siano molecole complesse già a partire dalle loro unità di base: i monosaccaridi. Infatti studiarne le proprietà chimico-fisiche permette di capire come questi si associno e quindi l’utilità biologica che essi ricoprono. Si possono infatti processare in vario modo così da ampliare lo spettro di utilizzazione. Studiando poi come questi si associano si arriva ad un livello di complessità tale da richiedere analisi biochimiche sempre più complesse.
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