Reserva Energética: Lípidos

Bajo la denominación de lípidos se agrupa un conjunto de sustancias químicas de diferentes estructuras. Como los hidratos de carbono, los lípidos están compuestos por C, H y O, contienen menos O que los carbohidratos y más energía almacenada. A diferencia de los demás grupos de biomoléculas, los lípidos se clasifican teniendo en cuenta su solubilidad, no tienen una única estructura elemental como los hidratos de carbono que esté presente en todos los miembros de este grupo. La característica común a todos es que son insolubles en agua como consecuencia de su carácter no polar. Además de formar parte de la reserva energética, acumulándose en el tejido adiposo, los lípidos forman parte de las membranas biológicas. En los alimentos su presencia contribuye a dar textura y palatabilidad, consistencia y estructura. El consumo de ácido linoleico y linolénico resulta indispensable para conservar la salud cardiovascular.

Clasificación de los lípidos

Una molécula típica de aceite o grasa, es una combinación de un alcohol de tres carbonos, llamado glicerol, con tres moléculas de acidos grasos. De acuerdo a su estructura y sus propiedades químicas, se clasifican en saponificables y no saponificables. Dentro del grupo de los saponificables, que pueden reaccionar con hidróxido de sodio o de potasio para formar sales, se encuentran los acilglicéridos, las ceras, los fosfoglicéridos, los glucolípidos, entre otros. Y dentro del grupo de los no saponificables, se ubican los esteroides, los terpenoides y los icosanoides.

También se pueden clasificar en lípidos simples, lípidos compuestos y lípidos asociados. Los simples son las grasas y los aceites, formados por esteres de glicerol y ácidos carboxílicos y las ceras, formadas por esteres de alcoholes y ácidos grasos.   Los compuestos, son lípidos simples conjugados con moléculas no lipídicas como los fosfolípidos, glucolípidos, lipoproteínas. Por último los asociados son los pigmentos, esteroles y vitaminas A, D, E y K. 

Los ácidos grasos

Los ácidos grasos que forman los lípidos son ácidos de cadenas largas con un número de carbonos que pueden ir desde 4, como el ácido butanoico que se encuentra en la manteca, hasta 20, como el ácido araquidónico que forma parte de la manteca de maní.  Los ácidos grasos pueden ser saturados (forman las grasas saturadas) todos los enlaces C-C son simples o no saturados, donde uno o más enlaces pueden dobles (C=C). Existe un grupo de ácidos grasos, denominados esenciales, poliinsaturados, que son imprescindibles para las funciones biológicas de los seres humanos, y que el organismo no puede sintetizar. Estos ácidos, son importantes para el desarrollo del sistema inmunológico y nervioso. Las grasas saturadas se asocian a la formación de placas, ateromas. en las arterias, cuya consecuencia es la aterosclerosis, se encuentran en casi todos los alimentos de origen animal. Son sólidas a temperatura ambiente.

Los ácidos grasos monoinsaturados poseen un solo doble enlace C=C, como el ácido oleico; lo poliinsaturados poseen dos o más dobles enlaces. El ácido linoleico presenta uno entre los carbonos 9 y 10 y otros entre los carbonos 12 y 13, por ejemplo. Son de origen vegetal, líquidos a temperatura ambiente. Mediante un proceso conocido como hidrogenación, se eliminan los dobles enlaces, lo que hace que solidifiquen formando las margarinas, con moléculas de ácidos grasos, parcialmente hidrogenados.

Contenido energético

Los lípidos son moléculas muy energéticas, cada gramo de lípido libera 9 Kcal (9000 calorías) de energía, más del doble de la energía que libera la misma cantidad de hidratos de carbono (4 Kcal).

Las grasas trans

Las grasas trans son ácidos grasos insaturados que se forman cuando los aceites vegetales se procesan y trnasforman en sólidos por hidrogenación. Proporcionan entre el 2% y el 4% de la energía de la dieta, provienen de alimentos procesados, como las margarinas y los alimentos que la contienen. Estas grasas están presentes en este tipo de alimentos porque ayudan a la fabricación, los mantienen frescos más tiempo y les dan una textura más agradable al paladar, 

Los hidratos de carbono en los alimentos

Los hidratos de carbono o carbohidratos son moléculas orgánicas formadas por Carbono, Hidrógeno y Oxígeno. Según su estructura se pueden clasificar en monosacáridos, disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos.

Los monosacàridos son los hidratos de carbono más simples, pueden estar formados por 3 a 6 átomos de carbono, la unión de dos de ellos forma un disacárido. Todos poseen sabor dulce y son solubles en agua. Los oligosacáridos están formados por 3 a 10 unidades de monosacáridos, cuando la cantidad es mayor de 10 el polímero formado se llama polisacárido. Estos polímeros no son dulces, ni solubles en agua.

Los hidratos de carbono, reciben este nombre porque su fórmula general es Cn(H20)n , por ejemplo la glucosa , que posee 6 carbonos, tiene una fórmula general C6(H2O)6 . Cuando se forman disacáridos u otros compuestos que poseen más de un monosacárido, la relación no es la misma, porque por cada unión se `pierde una molécula de agua.

Monosacáridos

Son los hidratos de carbono más simples, se clasifican de acuerdo a la cantidad de carbonos en:

• Treosas ( 3 carbonos)
• Tetrosas (4 carbonos)
• Pentosas (5 carbonos)
• Hexosas (6 carbonos)

También se pueden clasificar según el grupo funcional que posean en aldosas (grupo aldehído) y cetosas (grupo cetona). Las hexosas son los monosacáridos más abundantes en la naturaleza, dentro de ellos se encuentran la glucosa (aldosa) y la fructosa (cetosa).

La figura muestra las representaciones de Fischer en donde los carbonos forman una cadena lineal abierta y se numeran desde el grupo aldehído o desde el carbono más próximo al grupo cetona . Otra forma de representarlos es mediante las proyecciones de Hawort en donde se forman anillos de 5 o 6 carbonos que reciben el nombre de furanos o piranos respectivamente.

Cuando se forma el anillo el grupo aldehído o cetona se transforman en un grupo alcohol, que puede ubicarse por encima o por debajo del anillo, esto da lugar a los llamados isómeros alfa y beta (abajo y arriba)

La unión que permite forman disacáridos, oligosacáridos o polisacáridos se llama enlace glucosídico

Disacáridos

Están formados por dos monosacáridos, los más abundantes son la sacarosa, la maltosa y la lactosa. La sacarosa está formada por una molécula de glucosa y una de fructosa, se encuentra en el azucar comùn, que se puede obtener de la caña de azucar o la remolacha azucarera. La maltosa está formada por dos moléculas de glucosa, se obtiene a partir de la cebada y es la materia prima para la elaboración de cerveza. La lactosa es el azúcar de la leche, está formada por glucosa y galactosa.

Las características de los mono y disacáridos, como componentes fundamentales de los añlimentos son su sabor dulce y su gran afinidad por absorber y retener agua, también su solubilidad. 

Su sabor dulce se puede cuantificar a partir de la sacarosa a la que se le dió en forma arbitraria el valor de 100. Además de los hidratos de carbono, hay algunos polialcoholes que se usan como edulcorantes como el sorbitol y el xilitol, que se obtienen por reducción de la glucosa y la xilosa.

Los edulcorantes como la sacarina, el aspartame o la sucralosa tienen mucho más poder endulzante que la sacarosa, por eso se usan en cantidades mucho más pequeñas.

La afinidad por el agua varía dependiendo del hidrato de carbono, es menor en la lactosa y muy alta en la fructosa. Esto puede evidenciarse en los distintos alimentos, por ejemplo unas galletitas elaboradas con miel absorben mayor cantidad de agua que las que no la contienen. 

Otra característica de los hidratos de carbono es intervenir en las reacciones de pardeamiento que ocurren durante la cocción como la reacción de Maillard, que es la responsable del color que se produce en la corteza del pan o en el dulce de leche. También intervienen en las reacciones de caramelización que se producen cuando se concentra una solución de azúcar a alta temperatura. 

Polisacáridos

Son polímeros lineales o ramificados de alto peso molecular formados por cientos o miles de monosacáridos unidos por enlaces glucosídicos. Se clasifican en:

• Almidones, polisacáridos vegetales, sustancia de reserva que se almacena en los granos de los cereales, tubérculos, frutas y legumbres. Están compuestos por dos tipos de polisacáridos la amilosa, una molécula lineal con uniones alfa (1-4)  y la amilopectina, una molécula ramificada con uniones alfa (1-4) y alfa (1-6), ambos formados por glucosa. Estos polisacáridos se agrupan en gránulos.
• Celulosa, polisacárido vegetal estructural, insoluble en agua, se usa como espesante y estabilizante. Está formado por unidades de glucosa unidas por enlaces Beta (1-4). Es el componente de la pared de frutas, vegetales y granos. El hombre no puede degradarla, constituye la fibra o salvado.
• Gomas vegetales, se extraen de cáscaras y semillas, de las algas, exudados de plantas entre otros orígenes, se usan como espesantes y gelificantes. Las pectinas están presentes en las frutas, constituídas por ácido galacturónico, gelifican en diferentes condiciones según su estructura, las llmadas ATM gelifican a pH ácido, cercano a 3 y las BTM, a pH neutro en presencia de calcio, son las que se usan en los postres lácteos.
• Glucógeno, polisacárido de origen animal, almacena energía.

Los polisacáridos que se utilizan en la elaboración de alimentos en general son espesantes o gelificantes, retienen agua en su estructura. El almidón es insoluble en agua fría pero si se calienta los enlaces de hidrógeno se rompen y el agua ingresa en los gránulos. Cuando el almidón gelatinizado se enfría se reestablecen los puentes hidrógeno, reteniendo el agua en su interior. Estos procesos explican la formación de capas de agua sobre los postres y la salsa blanca al enfriarse o el endurecimiento del pan en su interior. 

El agua en los alimentos

El agua es el compuesto químico más importante del planeta, constituye del 50 al 90% de la masa de la mayoría de los organismos vivos. En muchas ocasiones debido a que no sufre cambios químicos durante su utilización biológica, no se considera como un nutriente, sin embargo sin ella no podrían llevarse a cabo las reacciones bioquímicas en nuestro organismo. Las principales funciones biológicas del agua se fundamentan en su capacidad para transportar diferentes sustancias y para disolver distintos tipos de sustancias y mantenerlas tanto en solución como en suspensión coloidal.

Distribución del agua en los alimentos

En los tejidos animal y vegetal el agua no está uniformemente distribuida debido a los complejos hidratados que se establecen con proteínas, hidratos de carbono, lípidos y otros constituyentes. En general, el contenido de humedad de un alimento se refiere a toda el agua en forma global  sin embargo en la mayoría de los productos existen zonas que no permiten su presencia. Por eso, no toda el agua de un producto tiene las mismas propiedades, y esto se puede comprobar fácilmente por las diversas temperaturas de congelamiento. 

Se emplean los términos  “agua ligada” y “agua libre”, para referirse a la forma y el estado energético que tiene en los alimentos. Se considera que el agua ligada es aquella porción que no se congela en las condiciones normales de congelamiento a –20ºC., y que el agua libre es la que se volatiliza fácilmente, se pierde en el calentamiento, se congela primero y es la principal responsable de la actividad acuosa.

Actividad del agua

El agua libre en los alimentos es la que está disponible para el crecimiento de los microorganismos o para intervenir en las transformaciones hidrolíticas, químicas, enzimáticas, etc.. El agua ligada como esta unida a la superficie sólida , no puede intervenir en estos procesos. La “actividad acuosa” (aw)   representa el grado de interacción del agua con los demás constituyentes, o la porción que está disponible en un producto para sustentar las reacciones ya mencionadas. Y teniendo en cuenta este valor se puede predecir la estabilidad de un alimento. Es una  propiedad intrínseca de cada alimento y únicamente se relaciona con el contenido de humedad global de dicho alimento por medio de las llamadas curvas o isotermas de adsorción y desorción. No hay que confundir la actividad acuosa con el contenido de agua ya que la relación no es lineal y por ende

no significan lo mismo.

En general, las tablas informan que las frutas tienen un valor promedio de  0.983, las hortalizas de 0.985 y la carne de 0.990, los productos deshidratados van de aproximadamente 0.4 a 0.6, mientras que los llamados alimentos de humedad intermedia se ubican entre estos dos grupos extremos. Los enlatados también presentan valores elevados, normalmente en el intervalo de 0.950 a 0.984. La actividad acuosa, junto con la temperatura, el pH y el oxígeno son los factores que más influyen en la estabilidad de los productos alimenticios. 

Alimentos de humedad intermedia

Son aquellos que pueden consumirse sin necesidad de rehidratarlos para su consumo o refrigerarlos para su conservación; tienen un grado de humedad alto, no causan una sensación de sequedad, pero lo suficientemente bajo como para no requerir refrigeración. Su actividad acuosa se ubica entre 0,65 y 0, 90 y su contenido de agua de 25 a 50% (base húmeda). De todos modos, esta actividad impide el crecimiento de bacterias, pero no de hongos y levaduras, por eso se añaden aditivos conservantes para estos microorganismos..

Se pueden realizar diferentes mecanismos para la reducción del agua,  entre ellos se encuentra la desorción, que se usa por ejemplo en la concentración por evaporación en la elaboración de dulces, jaleas, sopas , etc.  La adsorción se produce cuando se agregan solutos de bajo peso molecular que tienen la propiedad de reducir la aw; por ejemplo azucar, sal , alcoholes y ácidos.

Congelamiento de los alimentos

La reducción de temperatura de un alimento provoca la inhibición de un gran número de reacciones químicas y enzimáticas, así como la reducción del desarrollo microbiano; Pero debido a que los alimentos tienen disueltas muchas sustancias de bajo peso molecular, como sales y azúcares, presentan zonas , que debido al descenso crioscópico, tienen una temperatura de congelación mucho más baja, por eso no todo el agua se convierte en hielo. La velocidad de congelamiento es un factor determinante en la formación y localización de los cristales de hielo; El congelamiento lento es más dañino que el rápido ya que afecta más la membrana celular  y además establece cristales intercelulares que tienen la capacidad de unir las células e integrar grandes agregados.

Pueden ver los gráficos y las tablas en el siguiente enlace: Actividad del Agua

Cuestionario Guía de Estudio: El agua en los alimentos

Propiedades Físicoquímicas del Agua

Entre las principales propiedades fisicoquímicas del agua encontramos las siguientes:

1. Alta capacidad de formar puentes de hidrógeno con otras moléculas de agua, así como con otras moléculas que contengan átomos altamente electronegativos.
2. Alto valor de su calor específico (4.184 kj/kgºK o 1.0 cal/g ºC, a 20ºC), que es uno de los más elevados, cuando se suministra energía térmica a los líquidos en los que no existen puentes de hidrógeno, la cinética de las moléculas aumenta, y por tanto, la temperatura; en el caso del agua, parte de esta energía se usa principalmente para romper dichas uniones, de allí que se requiera una mayor cantidad de calor para incrementar la temperatura. 
3. Calor de vaporización,  es una medida directa de la cantidad de energía requerida para romper las fuerzas de atracción en un líquido, de tal manera que las moléculas, en forma individual, puedan escapar de la fase liquida y pasar a la gaseosa. Para el agua el calor de vaporización a 100ºC es de 538.7 cal/g (40.63 kj/mol o 9.70 Kcal/mol), muy superior al de muchos compuestos, lo que indica el alto grado de interacción de sus moléculas. 
4. Elevado momento eléctrico dipolar, razón por la cual, es el disolvente universal. El agua también disuelve diversas sustancias no iónicas pero con carácter polar, como azúcares y  alcoholes  en la soluciones, la concentración del agua es muy superior a la del soluto; sin embargo, cuando hay poca agua, las sustancias no se disuelven, solamente se hidratan, y forman fluidos muy viscosos o geles.

Propiedades de las soluciones:

Pocos materiales son sustancias puras, la mayor parte como ya sabemos, son mezclas y gran parte de ellas son homogéneas. Son las denominadas soluciones, en donde uno de los componentes se encuentra en mayor proporción, el solvente y otro en menor proporción, el soluto. Pueden ser sólidas (aleaciones), gaseosas (como el aire) o líquidas. El estado de la solución, lo determina el estado de su componente principal, el disolvente.

Propiedades Coligativas

Muchas de las propiedades de las soluciones dependen del número de partículas de soluto en la solución y no de la naturaleza de las partículas del soluto. Estas propiedades se denominan propiedades coligativas porque tienen un mismo origen; todas dependen del número de partículas sean átomos, moléculas o iones.

1. Disminución de la presión de vapor

Si un soluto es no volátil la presión de vapor de su disolución es menor que la del disolvente puro. Esto significa que la relación entre la presión de vapor y presión de vapor del disolvente depende de la concentración del soluto en la disolución. 

2. Ascenso ebulloscópico: elevación del punto de ebullición

El punto de ebullición de una sustancia es la temperatura a la cual su presión de vapor iguala a la presión atmosférica externa. La adición de un soluto no volátil disminuye la presión de vapor de la solución, por lo tanto a cualquier temperatura dada, la presión de vapor de la solución es más baja que la del agua pura líquida. Si tenemos en cuenta que el punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la cual su presión de vapor es igual a 1 atm., al punto de ebullición normal del agua líquida (100 °C), la presión de vapor de la solución será menor de 1 atm, entonces se necesita una temperatura más elevada para lograr alcanzar una presión de vapor de 1 atm. Por lo tanto, el punto de ebullición es mayor que el del agua líquida. Este incremento del punto de ebullición es directamente proporcional al número de partículas de soluto. 

3. Descenso crioscópico: reducción del punto de congelación

La presión de vapor en una solución es más baja que en el agua pura,  esto también afecta el punto de congelamiento de la solución, porque cuando se congela, los cristales del solvente puro generalmente se separan y las moléculas de soluto no son solubles en la fase sólida. Como el punto triple de la temperatura de la solución es más bajo que el del líquido puro, el punto de congelamiento de la solución también será más bajo que el del agua líquida pura.

Simulación interactiva propiedades coligativas

4. Presión osmótica y Ósmosis

Las membranas biológicas y algunos materiales sintéticos como el celofán tienen la característica de ser semipermeables, esto es, cuando se ponen en contacto con una solución,  permiten el paso de algunas moléculas pero no de otras. Casi siempre, pasan las moléculas pequeñas de solvente como el agua pero no los solutos más grandes o iones. El carácter semipermeable, se debe a la red de poros diminutos de la membrana. Si solo el solvente puede pasar a través de la membrana, cuando está colocada entre dos soluciones de diferente concentración, las moléculas de solvente se moverán en ambas direcciones a través de la membrana.  Si una de las soluciones es más  concentrada y la otra menos, el solvente se moverá desde la menor a la mayor concentración. Este proceso se llama ósmosis. La presión que evita la ósmosis se conoce como presión osmótica de la solución. 

El agua y el puente hidrógeno: La unión más allá de las moléculas

Hay dos tipos de enlace covalente, el no polar y el polar surgido como consecuencia de la electronegatividad de los átomos que conforman la unión. Recuerden que electronegatividad es la capacidad de atraer electrones compartidos en el enlace. El estudio de las moléculas se realiza en general teniendo en cuenta la teoría de la  repulsión de electrones de valencia (TREPEV), en donde se analizan las estructuras planares ( todos los átomos en un mismo plano) y las no planares (átomos no ubicados en un mismo plano), esta teoría explica los comportamientos que surgen de las estructuras tridimensionales.

¿Qué sucede con el agua? 

Es una molécula formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Cada átomo de hidrógeno posee un electrón y el átomo de oxígeno presenta en su último nivel de energía seis. Como tiene seis electrones, según la teoría del octeto, deberá recibir dos, para completarlo. La unión  que resulta del oxígeno y el  hidrógeno es covalente pero no pura sino polar. Su estructura espacial puede semejarse a un  tetraedro.  

La propiedad  de presentar una clara diferenciación de cargas positivas cerca de los átomos de hidrógeno y negativa sobre el átomo de oxígeno, le permite a la molécula de agua interactuar con moléculas que presenten las mismas características(diferenciación de cargas eléctricas o presencia de dipolos). La más importante de estas uniones intermoleculares que condicionan el comportamiento de los alimentos es la llamada “unión puente de hidrógeno”

Puente de Hidrógeno

No es un enlace químico propiamente, sino una atracción electrostática que se produce cuando dos átomos negativos de compuestos polares (por ej. nitrógeno, oxígeno, cloro), se vinculan mediante uno de hidrógeno,

que ya está unido, químicamente, a alguno de ellos. Es una atracción  muy débil si se la compara con el enlace covalente. El número de estas uniones como la longitud del puente de hidrógeno entre moléculas vecinas se ven afectados por la temperatura del sistema. Las temperaturas bajas favorecen la formación de puentes de hidrógeno, mientras que las altas los destruyen.

Debido a esta diferencia de cargas, el agua tiene dos sitios receptores y dos donadores de electrones, por lo que la formación de puente de hidrógeno crea grandes estructuras tridimensionales estables en el hielo y en el agua líquida, responsables de sus propiedades físicas tan particulares como la menor densidad del hielo  que la del agua líquida. 

La obesidad ya es tan grave como el hambre (ONU)

La obesidad se convirtió según las Naciones Unidas en un problema tan grave como la desnutrición, según las estadísticas en el mundo, el 18% de la población está desnutrida y el 30% tiene sobrepeso u obesidad. Estas enfermedades se asocian al consumismo, el aumento de la comida chatarra y el consumo de alimentos poco saludables. En Argentina, desde hace tiempo se habla de "Hambre Escondida", según la Sociedad Argentina de Nutrición , es la causante de la obesidad en las personas de bajos recursos, la que se produce por la mala alimentación y el consumo exagerado de pan y fideos.

Para leer más sobre este tema y poder debatirlo, les sugiero que lean el artículo que publicó el diario Clarín el miércoles 7 de marzo y piensen como es su alimentación, solo por dar uh ejemplo, les cuento que un alfajor de 38 gramos tiene aproximadamente 162 calorías y aporta 6 gramos de grasa, mientras que una barra de cereal de 22 gramos, solo tiene 90 calorías y 3,5 gramos de grasa.

Teoría Atómico Molecular de la Materia

Revisaremos en estas clases algunos temas que ya aprendimos en 3° año de la secundaria: estructura atómica,  propiedades periódicas y enlaces químicos.

Para ello, vamos a analizar el siguiente cuadro conceptual:

Seguro que mucho no se acordarán de las uniones químicas, por eso les sugiero que vean los videos que se encuentran en otra sección de este blog : Enlace Químico = Unión Química