clasificación según tamaño molecular o grupos DP carbohidratos en monosacáridos, disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos . Los monosacáridos son aldosas o cetosas quirales polihidroxiladas que no pueden hidrolizarse en unidades de carbohidratos más pequeñas ., Se pueden clasificar según el número de átomos de carbono en su estructura, que van de tres a nueve átomos de carbono (es decir, triosa, tetrosa, pentosa, hexosa, heptosa, octosa y nonosa), por el tipo de grupo carbonilo que contienen (es decir, Aldosa o cetosa), y por su estereoquímica (es decir, d o ʟ), y tienen la fórmula química general (CH2O)n . Las aldosas se conocen como azúcares reductores debido a su efecto reductor sobre ciertos iones o compuestos, oxidando su grupo aldehído a un grupo carbonilo ., El azúcar Aldosa más simple con un átomo quiral es el gliceraldehído, con su segunda molécula C unida a cuatro grupos diferentes, dando la capacidad para que este c tenga dos configuraciones espaciales, y por lo tanto el gliceraldehído existe tanto en la forma D – como en la XT -. Los átomos de carbono quirales tienen cada uno de sus cuatro enlaces tetraédricos conectados a un grupo diferente . La quiralidad de los azúcares y AA son comúnmente designados por el sistema d / ʟ y se nombra en relación con la estructura del gliceraldehído .,
monosacáridos
los monosacáridos más comunes son las aldohexosis 6-C, que incluyen la aldohexosa d-glucosa, y generalmente están presentes en sus estructuras de anillo llamadas anillo de piranosa en lugar de en estructuras de cadena abierta (Fig. 1) . En los oligosacáridos y polisacáridos, las aldopentosis pueden ocurrir como una estructura de anillo 5-C conocida como anillo furanosa . la D-glucosa, considerando todas sus formas combinadas, es el monosacárido más abundante que ocurre naturalmente en la naturaleza . La cetosa más abundante es la D-arabino-hexulosa, conocida más comúnmente por su nombre trivial, D-fructosa ., Las tres triosas incluyen la cetosa dihidroxiacetona y ambas formas enantioméricas de gliceraldehído . La eritrosa y la treosa son ejemplos de tetrosis, y las pentosas incluyen ribosa, arabinosa, xilosa y apiosa .
estructura química de los monosacáridos que se asocian comúnmente con carbohidratos digeribles y fibra. Adaptado de Albersheim et al.,
los azúcares, como la glucosa, la galactosa, la manosa y la fructosa, que tienen diferentes estructuras, pero tienen la misma fórmula química, C6H12O6, se llaman isómeros . Los azúcares que difieren en la configuración alrededor de un solo átomo de carbono se llaman epímeros, como la d-glucosa y la d-manosa, que varían en sus estructuras alrededor de C-2 . Un par de enantiómeros es un tipo especial de isomerismo donde los dos miembros del par son imágenes especulares el uno del otro y se designan como estando en la estructura d – o ʟ – (i. e.,, d-glucosa o glucose-glucosa), dependiendo de la posición del grupo-OH vinculado al carbono asimétrico más alejado del grupo carbonilo .
otros tipos de monosacáridos incluyen alditoles, o polioles, que son aldosas o cetosas que tienen sus grupos carbonilos reducidos a un alcohol . Un ejemplo de alditol natural en plantas y otros organismos es el D-glucitol, conocido comúnmente como sorbitol, que es el producto de la reducción de la d-glucosa . La absorción y el metabolismo de los polioles varían entre los tipos, pero la mayoría se fermentan en el intestino grueso .,
los azúcares desoxi carecen de uno o más grupos hidroxilo Unidos a sus átomos de carbono, como la 6-desoxi-Mann-manosa (am-ramnosa), que se asocia comúnmente con la pectina, la 2-desoxi – D-ribosa, el componente de azúcar del ADN, y la 6-desoxi-gal-galactosa (fuc-fucosa), un componente de las glicoproteínas y glicolípidos en las paredes celulares y las células de mamíferos .
Los ácidos Urónicos son ácidos de azúcar en los que el grupo terminal –CH2OH sufre oxidación para producir un ácido carboxílico ., Los ácidos urónicos que contribuyen a la fibra dietética incluyen componentes de polisacáridos no digeribles de plantas y algas, como el ácido D-glucurónico, el ácido D-galacturónico, el ácido D-manurónico y los ácidos ʟ-gulurónicos . El azúcar de la forma activada del ácido glucurónico se utiliza en la síntesis de glicosaminoglicanos en mamíferos, y el ácido XT-idurónico se sintetiza a partir del ácido D-glucurónico después de que se ha incorporado a la cadena de carbohidratos .
disacáridos
dos unidades de monosacáridos unidas por un enlace acetal o CETAL se conocen como disacáridos ., Un enlace glucosídico se une a 2 unidades de monosacáridos y puede ser un enlace α-glucosídico si el grupo hidroxilo anomérico del azúcar está en la configuración α o un enlace β-glucosídico si está en la configuración β . Un enlace glucosídico se nombra de acuerdo con la posición del átomo de carbono que está unido, por ejemplo, un enlace α-glucosídico que conecta C-1 de una molécula de glucosa y C-4 de otra molécula de glucosa en maltosa se llama un enlace glucosídico α-(1,4) (Fig. 2) . Los tres disacáridos más comunes son la maltosa, la lactosa y la sacarosa ., La maltosa es un azúcar reductor que es un producto de la hidrólisis del almidón por la enzima α-amilasa . La lactosa es un azúcar reductor que consiste en una unidad D-glucosil y una unidad α-D-galactopiranosil unidas por un enlace glucosídico β-(1,4) y está presente en la leche y productos lácteos como la leche descremada y el suero de leche . La sacarosa se compone de una glucosa y una fructosa unidas por un enlace glucosídico α-(1,2)., Contrariamente a la Unión General de cabeza a cola (átomo de carbono anomérico a átomo de carbono que contiene un grupo hidroxilo) en la estructura de los oligosacáridos y polisacáridos, en la sacarosa el enlace glucosídico que une una unidad α – D-glucopiranosil y una unidad β-D-fructofuranosil es de una manera cabeza a cabeza (átomo de carbono anomérico a átomo de carbono anomérico) lo que lo convierte en un azúcar no reductor . La sacarosa se sintetiza a través del proceso de fotosíntesis para proporcionar energía y átomos de carbono para la síntesis de otros compuestos en la planta .
la estructura Química de di – y oligosacáridos. Adaptado de Bach Knudsen et al.
la maltosa, la lactosa y la sacarosa se hidrolizan en sus unidades monosacáridos constituyentes por las enzimas maltasa, lactasa y sacarasa, respectivamente ., Los complejos α-glucosidasas maltasa-glucoamilasa y sacarasa-isomaltasa que están presentes en el borde del cepillo del intestino delgado rompen los enlaces glucosídicos en maltosa y sacarosa, respectivamente, con la mayor parte de la actividad de la maltasa procedente del complejo sacarasa-isomaltasa . Los monosacáridos que resultan de la digestión de estos disacáridos se absorben fácilmente en el intestino delgado . La lactasa, una β-galactosidasa, también es expresada por mamíferos jóvenes que digieren la lactosa en sus monosacáridos constituyentes que posteriormente son absorbidos en el intestino delgado .,
otros disacáridos que están presentes en la naturaleza incluyen trehalosa, celobiosa y gentiobiosa . La trehalosa es un disacárido no reductor compuesto por dos unidades α-D-glucopiranosil unidas entre sí por un enlace α-(1,1) glucosídico . La trehalosa se encuentra en pequeñas cantidades en Hongos, Levaduras, miel, ciertas algas e invertebrados como insectos, camarones y langostas . La trehalosa es digerida por la enzima α-glucosidasa trehalasa, que se expresa en el intestino delgado de los seres humanos y la mayoría de los animales ., Dos moléculas de glucosa están unidas entre sí por un β-(1,4) y un β-(1,6) enlaces glucosídicos para formar celobiosa y gentiobiosa, respectivamente, y estos disacáridos pueden ser utilizados solo después de la fermentación microbiana porque los cerdos carecen de las enzimas capaces de digerir estos enlaces . La celobiosa es un producto de la degradación de la celulosa, mientras que se cree que la gentiobiosa desempeña un papel en el inicio de la maduración de los frutos del tomate .,
oligosacáridos
los oligosacáridos consisten en galacto-oligosacáridos, fructo-oligosacáridos y manano-oligosacáridos que no pueden ser digeridos por enzimas pancreáticas o intestinales, pero son solubles en etanol al 80%. Los Galacto-oligosacáridos, o α-galactósidos, que están presentes en grandes cantidades en las legumbres, están compuestos de rafinosa, estaquiosa y verbascosa, que tienen una estructura que consiste en una unidad de sacarosa unida a una, dos o tres unidades de D-galactosa, respectivamente (Fig. 2) ., Estos oligosacáridos causan flatulencia en cerdos y humanos debido a la falta de una enzima, α-galactosidasa, que hidroliza los enlaces glucosídicos que unen a los monosacáridos que constituyen estos α-galactósidos y son, por lo tanto, utilizados por las bacterias en el intestino grueso . En la rafinosa, la D-galactosa está unida a la sacarosa por un enlace α-(1,6), mientras que dos unidades y tres unidades de D-galactosa están unidas a la sacarosa, también a través de enlaces α-(1,6) glucosídicos, en estaquiosa y verbascosa, respectivamente ., Los Transgalacto-oligosacáridos son otro tipo de galacto-oligosacáridos que pueden tener efectos prebióticos en cerdos jóvenes y se sintetizan comercialmente a partir de las acciones de transglicosilación de Las β-glucosidasas sobre la lactosa, creando polímeros β-(1,6) de galactosa Unidos a una unidad terminal de glucosa a través de un enlace glucosídico α-(1,4). Sin embargo, los transgalacto-oligosacáridos no se sintetizan naturalmente .
los fructooligosacáridos, o fructanos, son cadenas de monosacáridos de fructosa con una unidad terminal de glucosa y se clasifican como inulinas o levanos ., La inulina se encuentra principalmente en dicotiledones, mientras que los levanos se encuentran principalmente en monocotiledones . Los fructooligosacáridos no se hidrolizan en el intestino delgado debido a los enlaces β entre sus monómeros, pero pueden fermentarse a ácido láctico y SCFA en el intestino grueso . La inulina se encuentra naturalmente en las cebollas, el ajo, los espárragos, los plátanos, la alcachofa de Jerusalén, el trigo y la achicoria como un carbohidrato de almacenamiento . La inulina se compone de unidades β-D-fructofuranosil unidas por enlaces glucosídicos β-(2,1) y tienen un DP que varía de 2 a 60 ., El polímero está compuesto por residuos de fructosa presentes en la forma de anillo de furanosa y a menudo tienen una unidad terminal de sacarosa en el extremo reductor . Los levanos son fructanos que tienen una longitud promedio de 10 a 12 unidades de fructosa unidas por enlaces β-(2,6), pero pueden tener una DP de más de 100,000 unidades de fructosa y se encuentran en fructanos bacterianos y en muchos monocotiledones ., Los levanos se derivan de las reacciones de transglicosilación catalizadas por la enzima levansucrasa que es secretada por ciertas bacterias y hongos que utilizan preferentemente la unidad D-glicosil de la sacarosa, convirtiendo así la sacarosa en levanos con cadenas laterales enlazadas con β-(2,1). Los polisacáridos que contienen un número significativo de enlaces β-(2,1) también pueden denominarse «levan» . Un tercer tipo de fructanos, llamados fructanos de tipo graminano, contienen una combinación de enlaces β-(2,1) y β-(2,6) y están presentes en el trigo y la cebada .,
Los manano-oligosacáridos se componen de polímeros de manosa que se derivan de las paredes celulares de levadura, y se encuentran en la superficie exterior de las paredes celulares de levadura unidas a β-glucanos de la matriz interna a través de enlaces glucosídicos β-(1,6) y β-(1,3). Los manano-oligosacáridos y fructooligosacáridos pueden comportarse como prebióticos debido a sus efectos beneficiosos para la salud del huésped al estimular el crecimiento o la actividad de ciertas bacterias en el intestino grueso ., Se ha sugerido que los manano-oligosacáridos regulan la respuesta a los desafíos inmunológicos de los cerdos y pueden prevenir la sobreestimulación del sistema inmune del animal huésped después de una infección .
polisacáridos
Los polisacáridos son carbohidratos de alto peso molecular que son polímeros de monosacáridos . Los polisacáridos se componen de polímeros de azúcar que varían en tamaño y pueden ser lineales o ramificados . El DP varía con el tipo de polisacárido y puede variar de 7,000 a 15,000 en celulosa y hasta más de 90,000 en amilopectina ., Los polisacáridos se pueden clasificar como homopolisacáridos si contienen solo un tipo de residuo de azúcar (por ejemplo, almidón, glucógeno y celulosa) o como heteropolisacáridos si contienen dos o más tipos diferentes de residuos de azúcar en su estructura (por ejemplo, arabinoxilanos, glucomananos y ácido hialurónico; 2). Los polisacáridos están presentes en grandes cantidades en las dietas de los cerdos, y se dividen en almidón y glucógeno y polisacáridos no amiláceos (NSP) .,
El almidón puede ser lineal o ramificado y es la forma de almacenamiento de carbohidratos en las plantas, mientras que el glucógeno es altamente ramificado y está presente solo en el tejido animal, principalmente en el músculo y el hígado . El almidón es uno de los carbohidratos más abundantes en la naturaleza . Se sintetiza para almacenar energía para el crecimiento de las plantas y se almacena en semillas, tubérculos, raíces, tallos, hojas y algunas frutas . El almidón es un polímero de D-glucosa que se compone de dos tipos de moléculas, amilosa y amilopectina (Fig. 3) ., La amilosa es un polímero lineal corto de glucosa con un DP promedio de 1.000 unidades de glucosa unidas a través de enlaces α-(1,4). La amilopectina contiene cadenas más grandes de glucosa con DP de 10,000 a 100,000 con puntos de ramificación en los enlaces α-(1,6) por cada 20 a 25 unidades de glucosa . El número total de enlaces α-(1,6) son solo alrededor de cuatro a cinco % de los enlaces glucosídicos totales en la amilopectina . El almidón nativo contiene ambas formas como gránulos semicristalinos de proporciones variables de amilosa y amilopectina, dependiendo de la fuente de la planta ., Los gránulos de almidón tienen diferentes composiciones estructurales y químicas dependiendo de la especie de planta y la parte de la planta donde se encuentra . El tamaño de los gránulos de almidón influye en la relación superficie-volumen, y cuanto más pequeño es el gránulo, mayor es la relación superficie-volumen, lo que resulta en más área de superficie para la hidrólisis enzimática en el tracto digestivo . La digestión del almidón comienza en la boca, donde se secreta La α-amilasa salival, que actúa solo en las cadenas lineales de amilosa y amilopectina unidas a α-(1,4), hasta que esta enzima se desactiva por el bajo pH en el estómago ., Grandes cantidades de α-amilasa pancreática específica solo a los enlaces α-(1,4) se secretan en el lumen duodenal, produciendo maltosa y maltotriosa como productos de la digestión de amilosa luminal y amilopectina, junto con el oligosacárido ramificado α-dextrina resultante de la hidrólisis parcial de amilopectina debido a la incapacidad de la α-amilasa para romper los enlaces α – (1,6). La digestión del almidón se completa con oligosacaridasas (es decir, α-glucosidasas) expresadas por las glándulas en el intestino delgado. Estas α-glucosidasas incluyen los complejos sacarosa-isomaltasa y maltasa-glucoamilasa ., Ambos complejos tienen diferencias en su grado de especificidad para los productos de la digestión de α-amilasa y escinden los enlaces α-(1,4) y α-(1,6) en α-dextrinas de manera complementaria, produciendo glucosa libre que se transporta a los enterocitos .
la estructura Química de la amilosa, amilopectina, y la celulosa. Adaptado de Bach Knudsen et al.,
El almidón se puede dividir en tres tipos: el almidón Tipo A tiene una estructura abierta y está presente en los cereales; el almidón Tipo B está presente en los tubérculos y parece ser más compacto; y el almidón tipo C es una combinación de los tipos A y B y está presente en las legumbres . Los gránulos de almidón en papas crudas y plátanos verdes que tienen un alto contenido de amilosa dan como resultado gránulos más apretados que son más insolubles y resistentes a la digestión en comparación con los gránulos que contienen amilopectina que son más ramificados y menos apretados ., En maíz, trigo y Papa, el almidón puede contener aproximadamente 20% de amilosa y 80% de amilopectina . Sin embargo, el maíz ceroso puede tener almidón que contiene casi 100% de amilopectina, mientras que el maíz con alto contenido de amilosa puede contener hasta 75% de amilosa . Por lo tanto, el almidón no siempre puede ser digerido por α-amilasa a menos que los granos de cereal se alteren por procesamiento físico (por ejemplo, molienda o molienda de rodillos) y calentamiento (por ejemplo, granulación, expansión o extrusión) .,
una proporción del almidón no es digerida por la α-amilasa o las enzimas del borde del cepillo y puede sufrir fermentación microbiana en el intestino grueso; esto se conoce como almidón resistente (RS) . El almidón puede resistir la digestión porque es físicamente inaccesible debido al encierro dentro de células o matrices de plantas enteras (es decir, RS-1). El almidón nativo o sin cocer (RS-2) también resiste la digestión debido a la estructura cristalina no laminada del gránulo, y el almidón retrógrado (RS-3) resiste la digestión porque se enfría rápidamente después de que se ha gelatinizado a través del calentamiento., Si el almidón se modifica químicamente, también puede resistir la digestión y se conoce como RS-4 . El almidón resistente sirve como sustrato para la fermentación colónica, pero independientemente de la cantidad que ingresa al intestino posterior, el almidón generalmente se fermenta completamente en el intestino posterior . Los ingredientes que contienen almidón naturalmente contendrán RS, pero la cantidad y el tipo de almidón influirán en la proporción de almidón total que es RS . El procesamiento puede influir en la proporción de almidón resistente a la digestión y los valores de RS típicamente varían de 0 a 19% en la mayoría de los granos de cereales y de 10% a 20% en las legumbres (Tabla 1) ., La cocción o maduración disminuye la cantidad de RS en frutas o verduras crudas o inmaduras, como plátanos verdes y papas .
glucógeno, un α-(1,4)-D-glucano Con α-(1,6) ramas vinculadas, tiene un mayor grado de ramificación en comparación con con amilopectina y está presente en los tejidos animales, principalmente en el músculo esquelético y el hígado . Como consecuencia, solo los cerdos alimentados con dietas que contienen productos animales consumirán glucógeno., Los puntos de ramificación del glucógeno ocurren después de un promedio de 8 a 10 unidades de glicosilo . Un polímero de glucógeno puede contener hasta 100.000 unidades de glucosa . La digestión del glucógeno es similar a la de la amilopectina, lo que resulta en la absorción de glucosa en el intestino delgado . La extensa ramificación del glucógeno aumenta su solubilidad, lo que permite que la glucosa se movilice más fácilmente .,
polisacáridos sin almidón
Los polisacáridos sin almidón están presentes principalmente en las paredes celulares primarias o secundarias de las plantas y consisten en polisacáridos solubles e insolubles que, a diferencia del almidón, no contienen unidades glicosiladas vinculadas a α-(1,4). Las paredes celulares primarias que rodean a las células en crecimiento están compuestas principalmente por polisacáridos y algunas proteínas estructurales, mientras que las células maduras que ya se han diferenciado están rodeadas por paredes celulares secundarias que también contienen polisacáridos y proteínas, junto con lignina y una mayor cantidad de celulosa ., Los polisacáridos de la pared celular consisten en pentosas (es decir, arabinosa y xilosa), hexosas (es decir, glucosa, galactosa y manosa), 6-desoxihexosas (es decir, ramnosa y fucosa) y ácidos urónicos (es decir, ácidos glucurónico y galacturónico) . Estos componentes pueden existir en sus formas de piranosa y furanosa y formar enlaces α – O β-en cualquiera de sus grupos hidroxilos disponibles, lo que resulta en una amplia gama de superficies funcionales mediante la adaptación de numerosas formas tridimensionales . Los residuos fenólicos de lignina o sus cadenas laterales hidroxilo también pueden unirse con enlaces glucosídicos de NSP ., Los polisacáridos sin almidón pueden adquirir propiedades hidrofóbicas al unirse a la lignina y la suberina, mientras que el grado de esterificación de los ácidos urónicos puede influir en sus propiedades iónicas . La suberina, una mezcla compleja hidrofóbica de ácidos grasos hidroxilados y ésteres grasos, está presente en los tejidos vasculares que proporcionan una barrera insoluble durante el desarrollo normal y en respuesta a heridas o infecciones fúngicas . Los polisacáridos sin almidón también pueden clasificarse como solubles e insolubles, donde el término soluble se refiere a la solubilidad del NSP en agua o soluciones alcalinas débiles .,
los NSP más comunes en las paredes celulares son la celulosa y los polisacáridos no celulósicos (NCP) . En promedio, el contenido de celulosa de las paredes celulares primarias es del 20% al 30%, mientras que las paredes celulares secundarias pueden contener hasta un 50% de celulosa . Las paredes celulares primarias se depositan entre la lámina media y la membrana plasmática durante el crecimiento celular, mientras que ciertas células especializadas depositan una capa interna más gruesa llamada pared celular secundaria al inicio de la diferenciación . La celulosa consiste en unidades D-glucopiranosil ligadas a β-(1,4) lineales con un DP que varía de 500 a 14.000., Las unidades lineales de celulosa se estabilizan mediante enlaces de hidrógeno entre residuos de glucosa adyacentes, formando una disposición organizada de moléculas de celulosa dentro de las microfibrillas (Fig. 3) . Las regiones cristalinas se forman cuando las microfibrillas de celulosa altamente organizadas se alinean paralelas entre sí para permitir un enlace máximo de hidrógeno, mientras que las secciones paracristalinas o amorfas se forman en regiones menos organizadas ., La celosía tridimensional formada de la estructura lineal y no ramificada de la celulosa estrechamente empaquetada forma las microfibrillas que dan la estructura de las paredes celulares de las plantas . Las regiones amorfas menos organizadas de celulosa son hidrolizadas por endoglucanasas, produciendo extremos de cadena que son hidrolizados por exoglucanasas (es decir, celobiohidrolasas) . El disacárido resultante, celobiosa, es hidrolizado por β-glucosidasa para producir dos monómeros de glucosa .,
Las PCN altamente ramificadas consisten en heteropolímeros de pentosas y hexosas, el más común de los cuales se llama xilano, o una cadena de unidades D-xilopiranosil unidas a β-(1,4) con cadenas laterales que se componen comúnmente de unidades ʟ-arabinofuranosil, D-galactopiranosil, D-glucuronopiranosil, y / o 4-o-metil-D-glucuronopiranosil . Los polisacáridos no celulósicos también pueden contener ácidos urónicos que se derivan de la glucosa y la galactosa, dando la capacidad de formar sales con Ca y Zn ., Los polisacáridos no celulósicos a menudo sirven como polisacáridos estructurales en los tejidos de las plantas y están estrechamente asociados con la celulosa y la lignina .
la lignina no es un carbohidrato, pero se asocia con polisacáridos de la pared celular . Consiste en unidades polimerizadas de fenilpropano (es decir, alcoholes de coniferilo, P-cumarilo y sinapilo) unidas por éter y enlaces carbono-carbono en un patrón irregular de 3 dimensiones . Una pared celular lignificada puede consistir en una capa primaria delgada, seguida de una capa secundaria multilamelar gruesa que es alta en celulosa, y posiblemente una tercera capa ., La lignina puede unirse a polisacáridos formando enlaces covalentes con residuos de azúcar o ácidos ferúlicos que se esterifican a estos polisacáridos . La lignificación ocurre solo después de que la división celular, la expansión celular y elongación celular han cesado y, por lo tanto, constituye una diferenciación terminal, que típicamente es seguida por muerte celular programada . La lignina previene la degradación bioquímica y el daño físico a las paredes celulares al cementar y anclar las microfibrillas de celulosa y otros polisacáridos de la matriz, por lo tanto, reforzando la integridad estructural de la pared celular ., La lignina también sirve como barrera contra patógenos y plagas . Los tejidos vegetales se vuelven lignificados o leñosos cuando la concentración de lignina es alta . La lignina está más concentrada en la capa exterior de la cáscara de los granos en comparación con las paredes celulares de endospermo, como es evidente en las concentraciones elevadas en los subproductos de los ingredientes (Tabla 2).