Classificazione in base alla dimensione molecolare o gruppi DP carboidrati in monosaccaridi, disaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi . I monosaccaridi sono aldosi o chetosi chirali, poliidrossilati che non possono essere idrolizzati in unità di carboidrati più piccole ., Essi possono essere classificati in base al numero di atomi di carbonio nella loro struttura, che vanno da tre a nove atomi di carbonio (cioè, triose, tetrose, pentoso, esoso, heptose, octose, e nonose), dal tipo di gruppo carbonilico che contengono (cioè, aldoso o ketose) e il loro stereochimica (cioè, d o ʟ), e hanno la formula chimica generale (CH2O)n . Gli aldosi sono indicati come zuccheri riduttori a causa del loro effetto riducente su determinati ioni o composti, ossidando il loro gruppo aldeidico in un gruppo carbonilico ., Lo zucchero aldoso più semplice con un atomo chirale è la gliceraldeide, con la sua seconda molecola C attaccata a quattro diversi gruppi, dando la possibilità a questo C di avere due configurazioni spaziali, e la gliceraldeide esiste quindi sia nella forma d che nella forma ʟ . Gli atomi di carbonio chirali hanno ciascuno dei loro quattro legami tetraedrici collegati a un gruppo diverso . La chiralità degli zuccheri e degli AA è comunemente designata dal sistema d / XT ed è denominata in relazione alla struttura della gliceraldeide .,
Monosaccaridi
I monosaccaridi più comuni sono le aldoesosi 6-C, che includono l’aldoesosio d-glucosio, e di solito sono presenti nelle loro strutture ad anello chiamate anello piranosio piuttosto che nelle strutture a catena aperta (Fig. 1) . Negli oligo-e nei polisaccaridi, le aldopentosi possono presentarsi come una struttura ad anello 5-C nota come anello furanosio . il d-glucosio, considerando tutte le sue forme combinate, è il monosaccaride più abbondante che si trova naturalmente in natura . Il chetoso più abbondante è il d-arabino-esulosio, noto più comunemente con il suo nome banale, d-fruttosio ., Le tre triosi includono chetosio diidrossiacetone ed entrambe le forme enantiomeriche di gliceraldeide . Erythrose e threose sono esempi di tetrosi e pentosi includono ribosio, arabinosio, xilosio e apioso .
Struttura chimica dei monosaccaridi comunemente associati a carboidrati e fibre digeribili. Adattato da Albersheim et al.,
Gli zuccheri, come glucosio, galattosio, mannosio e fruttosio, che hanno strutture diverse, ma hanno la stessa formula chimica, C6H12O6, sono chiamati isomeri . Gli zuccheri che differiscono nella configurazione attorno a un solo atomo di carbonio sono chiamati epimeri, come il d-glucosio e il d-mannosio, che variano nelle loro strutture intorno a C-2 . Una coppia di enantiomeri è un tipo speciale di isomerismo in cui i due membri della coppia sono immagini speculari l’uno dell’altro e sono designati come nella struttura d o ʟ (cioè,, d-glucosio o ʟ-glucosio), a seconda della posizione del gruppo –OH legato al carbonio asimmetrico più lontano dal gruppo carbonilico .
Altri tipi di monosaccaridi includono alditoli, o polioli, che sono aldosi o chetosi che avevano i loro gruppi carbonilici ridotti a un alcol . Un esempio di alditolo presente in natura nelle piante e in altri organismi è il d-glucitolo, noto comunemente come sorbitolo, che è il prodotto della riduzione del d-glucosio . L’assorbimento e il metabolismo dei polioli variano tra i tipi, ma la maggior parte sono fermentati nell’intestino crasso .,
Gli zuccheri deossi mancano di uno o più gruppi idrossilici attaccati ai loro atomi di carbonio, come il 6-deossi-ʟ-mannosio (ʟ-ramnosio), che è comunemente associato alla pectina, al 2-deossi – d-ribosio, la componente zuccherina del DNA e al 6-deossi-ʟ-galattosio (ʟ-fucosio), un componente delle glicoproteine e dei glicolipidi nelle pareti cellulari e nelle cellule di mammifero .
Gli acidi uronici sono acidi dello zucchero in cui il gruppo terminale –CH2OH subisce l’ossidazione per produrre un acido carbossilico ., Gli acidi uronici che contribuiscono alla fibra alimentare includono costituenti di polisaccaridi non digeribili di piante e alghe, come l’acido d-glucuronico, l’acido d-galatturonico, l’acido d-mannuronico e gli acidi gul-guluronici . Lo zucchero dalla forma attivata di acido glucuronico viene utilizzato nella sintesi dei glicosaminoglicani nei mammiferi e l’acido ʟ-iduronico viene sintetizzato dall’acido d-glucuronico dopo che è stato incorporato nella catena dei carboidrati .
Disaccaridi
Due unità monosaccaride unite da un legame acetale o chetale sono indicate come disaccaride ., Un legame glicosidico unisce 2 unità monosaccaridiche e può essere un legame α-glicosidico se il gruppo idrossilico anomerico dello zucchero è nella configurazione α o un legame β-glicosidico se è nella configurazione β . Un legame glicosidico è chiamato in base alla posizione dell’atomo di carbonio collegato, ad esempio, un legame α-glicosidico che collega C-1 di una molecola di glucosio e C-4 di un’altra molecola di glucosio nel maltosio è chiamato legame glicosidico α-(1,4) (Fig. 2) . I tre disaccaridi più comuni sono maltosio, lattosio e saccarosio ., Il maltosio è uno zucchero riducente che è un prodotto dell’idrolisi dell’amido dall’enzima α-amilasi . Il lattosio è uno zucchero riducente costituito da un’unità d-glucosilica e da un’unità α-d-galattopiranosil legata da un legame glicosidico β – (1,4) ed è presente nel latte e nei prodotti lattiero-caseari come il latte scremato e il siero di latte . Il saccarosio è costituito da un glucosio e da un fruttosio legati da un legame glicosidico α-(1,2)., Contrariamente al legame generale testa-coda (atomo di carbonio anomerico all’atomo di carbonio contenente un gruppo idrossilico) nella struttura di oligo – e polisaccaridi, nel saccarosio il legame glicosidico che collega un’unità α-d-glucopiranosil e un’unità β-d-fruttofuranosil è in modo testa a testa (atomo di carbonio anomerico all’atomo di carbonio anomerico) rendendolo uno zucchero non riducente . Il saccarosio viene sintetizzato attraverso il processo di fotosintesi per fornire energia e atomi di carbonio per la sintesi di altri composti nella pianta .
Struttura chimica di di-e oligosaccaridi. Adattato da Bach Knudsen et al.
Il maltosio, il lattosio e il saccarosio vengono idrolizzati nelle loro unità monosaccaridiche costituenti dagli enzimi maltasi, lattasi e sucrasi, rispettivamente ., I complessi α-glucosidasi maltasi-glucoamilasi e sucrasi-isomaltasi presenti nel bordo del pennello dell’intestino tenue scindono i legami glicosidici in maltosio e saccarosio, rispettivamente, con la maggior parte dell’attività maltasi proveniente dal complesso sucrasi-isomaltasi . I monosaccaridi che derivano dalla digestione di questi disaccaridi sono prontamente assorbiti nell’intestino tenue . La lattasi, una β-galattosidasi, è anche espressa dai giovani mammiferi che digeriscono il lattosio nei suoi monosaccaridi costituenti che vengono successivamente assorbiti nell’intestino tenue .,
Altri disaccaridi presenti in natura includono trealosio, cellobiosio e gentiobiosio . Il trealosio è un disaccaride non riducente costituito da due unità α-d-glucopiranosil collegate tra loro da un legame glicosidico α-(1,1). Il trealosio si trova in piccole quantità in funghi, lieviti, miele, alcune alghe e invertebrati come insetti, gamberetti e aragoste . Il trealosio viene digerito dall’enzima α-glucosidasi trealasi, che si esprime nell’intestino tenue dell’uomo e della maggior parte degli animali ., Due molecole di glucosio sono collegate tra loro da legami glicosidici β-(1,4) e β-(1,6) per formare rispettivamente cellobiosio e gentiobiosio, e questi disaccaridi possono essere utilizzati solo dopo la fermentazione microbica perché i maiali mancano degli enzimi in grado di digerire questi legami . La cellobiosi è un prodotto della degradazione della cellulosa, mentre si ritiene che la gentiobiosi svolga un ruolo nell’inizio della maturazione dei frutti di pomodoro .,
Oligosaccaridi
Gli oligosaccaridi sono costituiti da galatto-oligosaccaridi, frutto-oligosaccaridi e mannano-oligosaccaridi che non possono essere digeriti dagli enzimi pancreatici o intestinali, ma sono solubili in etanolo all ‘ 80%. Galatto-oligosaccaridi, o α-galattosidi, che sono presenti in grandi quantità nei legumi, sono costituiti da raffinosio, stachyose e verbascose, che hanno una struttura costituita da un’unità di saccarosio legata a una, due o tre unità di d-galattosio, rispettivamente (Fig. 2) ., Questi oligosaccaridi causano flatulenza nei suini e nell’uomo a causa della mancanza di un enzima, α-galattosidasi, che idrolizza i legami glicosidici che collegano i monosaccaridi che costituiscono questi α-galattosidi e sono, quindi, utilizzati dai batteri nell’intestino crasso . Nel raffinosio, il d-galattosio è legato al saccarosio da un legame α-(1,6), mentre due unità e tre unità di d-galattosio sono legate al saccarosio, anche attraverso legami glicosidici α-(1,6), rispettivamente in stachyose e verbascose ., I transgalacto-oligosaccaridi sono un altro tipo di galatto-oligosaccaridi che possono avere effetti prebiotici nei suini giovani e sono sintetizzati commercialmente dalle azioni di transglicosilazione delle β-glicosidasi sul lattosio, creando polimeri β-(1,6) di galattosio legati a un’unità terminale di glucosio tramite un legame glicosidico α-(1,4). Tuttavia, i transgalacto-oligosaccaridi non sono sintetizzati naturalmente .
I fruttoligosaccaridi, o fruttani, sono catene di fruttosio monosaccaridi con un’unità terminale di glucosio e sono classificati come inuline o levani ., L’inulina si trova principalmente nei dicotiledoni, mentre i levani si trovano principalmente nei monocotiledoni . I frutto-oligosaccaridi non sono idrolizzati nell’intestino tenue a causa dei legami β tra i loro monomeri, ma possono essere fermentati in acido lattico e SCFA nell’intestino crasso . L’inulina si trova naturalmente in cipolle, aglio, asparagi, banane, topinambur, grano e cicoria come carboidrato di stoccaggio . L’inulina è costituita da unità β-d-fructofuranosyl collegate da legami glicosidici β-(2,1) e hanno un DP che varia da 2 a 60 ., Il polimero è composto da residui di fruttosio presenti nella forma ad anello furanosio e spesso hanno un’unità terminale di saccarosio all’estremità riducente . I levani sono fruttani che hanno una lunghezza media di 10-12 unità di fruttosio collegate da legami β-(2,6), ma possono avere un DP di oltre 100.000 unità di fruttosio e si trovano nei fruttani batterici e in molti monocotiledoni ., I levani sono derivati dalle reazioni di transglicosilazione catalizzate dall’enzima levansucrasi che viene secreto da alcuni batteri e funghi che utilizzano preferenzialmente l’unità d-glicosil di saccarosio, convertendo così il saccarosio in levani con catene laterali legate a β-(2,1). Polisaccaridi contenenti un numero significativo di legami β-(2,1) possono anche essere indicati come “levan” . Un terzo tipo di fruttani, chiamati fruttani di tipo graminan, contiene una combinazione di legami β-(2,1) e β-(2,6) e sono presenti nel grano e nell’orzo .,
I mannan-oligosaccaridi sono composti da polimeri di mannosio derivati dalle pareti cellulari del lievito e si trovano sulla superficie esterna delle pareti cellulari del lievito attaccate ai β-glucani della matrice interna tramite legami glicosidici β-(1,6) e β-(1,3). Mannan-oligosaccaridi e frutto-oligosaccaridi possono comportarsi come prebiotici a causa dei loro effetti benefici sulla salute sull’ospite stimolando la crescita o l’attività di alcuni batteri nell’intestino crasso ., È stato suggerito che i mannan-oligosaccaridi regolano la risposta alle sfide immunologiche dai maiali e possono impedire l’iperstimolazione del sistema immunitario dell’animale ospite a seguito di un’infezione .
Polisaccaridi
I polisaccaridi sono carboidrati ad alto peso molecolare che sono polimeri di monosaccaridi . I polisaccaridi sono costituiti da polimeri di zucchero che variano di dimensioni e possono essere lineari o ramificati . Il DP varia con il tipo di polisaccaride e può variare da 7.000 a 15.000 in cellulosa e fino a più di 90.000 in amilopectina ., I polisaccaridi possono essere classificati come omopolisaccaridi se contengono un solo tipo di residuo di zucchero (ad esempio amido, glicogeno e cellulosa) o come eteropolisaccaridi se contengono due o più diversi tipi di residui di zucchero nella loro struttura (ad esempio, arabinoxilani, glucomannani e acido ialuronico; 2). I polisaccaridi sono presenti in grandi quantità nelle diete suine e sono suddivisi in amido e glicogeno e polisaccaridi non amilacei (NSP) .,
L’amido può essere lineare o ramificato ed è la forma di conservazione dei carboidrati nelle piante, mentre il glicogeno è altamente ramificato ed è presente solo nel tessuto animale, principalmente nel muscolo e nel fegato . L’amido è uno dei carboidrati più abbondanti in natura . È sintetizzato per immagazzinare energia per la crescita delle piante ed è immagazzinato in semi, tuberi, radici, steli, foglie e alcuni frutti . L’amido è un polimero di d-glucosio che è composto da due tipi di molecole, amilosio e amilopectina (Fig. 3) ., L’amilosio è un polimero lineare corto di glucosio con un DP medio di 1.000 unità di glucosio legate tramite legami α – (1,4). L’amilopectina contiene catene più grandi di glucosio con DP da 10.000 a 100.000 con punti di diramazione ai legami α-(1,6) per ogni 20-25 unità di glucosio . Il numero totale di legami α-(1,6) è solo circa il quattro-cinque % dei legami glicosidici totali in amilopectina . L’amido nativo contiene entrambe le forme come granuli semicristallini di proporzioni variabili di amilosio e amilopectina, a seconda della fonte vegetale ., I granuli di amido hanno composizioni strutturali e chimiche variabili a seconda delle specie vegetali e della parte della pianta in cui si trova . La dimensione dei granuli di amido influenza il rapporto superficie-volume e più piccolo è il granulo, maggiore è il rapporto superficie-volume con conseguente maggiore superficie per l’idrolisi enzimatica nel tratto digestivo . La digestione dell’amido inizia in bocca dove viene secreta l’α-amilasi salivare, che agisce solo sulle catene lineari collegate α-(1,4) di amilosio e amilopectina, fino a quando questo enzima non viene disattivato dal basso pH nello stomaco ., Grandi quantità di α-amilasi pancreatica specifiche solo ai legami α-(1,4) sono secrete nel lume duodenale, producendo maltosio e maltotriosio come prodotti della digestione dell’amilosio e dell’amilopectina luminale, insieme all’oligosaccaride ramificato α-destrina derivante dall’idrolisi parziale dell’amilopectina dovuta all’incapacità dell’α-amilasi di fendere i legami α-(1,6). La digestione dell’amido è completata da oligosaccaridasi (cioè α-glucosidasi) espresse dalle ghiandole nell’intestino tenue. Queste α-glucosidasi includono complessi di saccarosio-isomaltasi e maltasi-glucoamilasi ., Entrambi i complessi hanno differenze nel loro grado di specificità per i prodotti della digestione α-amilasi e fendono i legami α-(1,4) e α-(1,6) in α-destrine in modo complementare, producendo glucosio libero che viene trasportato negli enterociti .
Struttura chimica di amilosio, amilopectina e cellulosa. Adattato da Bach Knudsen et al.,
L’amido può essere diviso in tre tipi: l’amido di tipo A ha una struttura aperta ed è presente nei cereali; l’amido di tipo B è presente nei tuberi e sembra essere più compatto; e l’amido di tipo C è una combinazione di amido di tipo A e B ed è I granuli di amido nelle patate crude e nelle banane verdi che hanno un alto contenuto di amilosio producono granuli più densi che sono più insolubili e resistenti alla digestione rispetto ai granuli contenenti amilopectina che sono più ramificati e meno densamente imballati ., Nel mais, nel grano e nella patata, l’amido può contenere circa il 20% di amilosio e l ‘ 80% di amilopectina . Tuttavia, il mais ceroso può avere amido contenente quasi il 100% di amilopectina, mentre il mais ad alto contenuto di amilosio può contenere fino al 75% di amilosio . Pertanto, l’amido non può sempre essere digerito dall’α-amilasi a meno che i chicchi di cereali non siano alterati mediante lavorazione fisica (ad esempio, macinazione o fresatura a rulli) e riscaldamento (ad esempio, pellettatura, espansione o estrusione) .,
Una parte dell’amido non viene digerita dall’α-amilasi o dagli enzimi del bordo della spazzola e può subire fermentazione microbica nell’intestino crasso; questo è indicato come amido resistente (RS) . L’amido può resistere alla digestione perché è fisicamente inaccessibile a causa della custodia all’interno di cellule o matrici vegetali intere (cioè RS-1). L’amido nativo o crudo (RS-2) inoltre resiste alla digestione a causa della struttura cristallina ungelatinizzata del granello e l’amido retrograded (RS-3) resiste alla digestione perché rapidamente è raffreddato dopo che è stato gelatinizzato via il riscaldamento., Se l’amido viene modificato chimicamente, può anche resistere alla digestione e viene indicato come RS-4 . L’amido resistente serve da substrato per la fermentazione del colon, ma indipendentemente dalla quantità che entra nell’hindgut, l’amido è solitamente completamente fermentato nell’hindgut . Gli ingredienti contenenti amido conterranno naturalmente RS, ma la quantità e il tipo di amido influenzeranno la proporzione di amido totale che è RS . La lavorazione può influenzare la percentuale di amido resistente alla digestione e i valori RS in genere vanno dallo 0 al 19% nella maggior parte dei cereali e dal 10% al 20% nei legumi (Tabella 1) ., La cottura o la maturazione diminuisce la quantità di RS in frutta o verdura cruda o immatura come banane verdi e patate .
di Glicogeno, un α-(1,4)-d-glucano con α-(1,6) collegato rami, ha un alto grado di ramificazione rispetto amilopectina ed è presente nei tessuti animali, principalmente nel muscolo scheletrico e nel fegato . Di conseguenza, solo i maiali alimentati con diete contenenti prodotti animali consumeranno glicogeno., I punti di ramo del glicogeno si verificano dopo una media di 8-10 unità glicosiliche . Un polimero di glicogeno può contenere fino a 100.000 unità di glucosio . La digestione del glicogeno è simile a quella dell’amilopectina, che provoca l’assorbimento del glucosio nell’intestino tenue . L’ampia ramificazione del glicogeno aumenta la sua solubilità, che consente al glucosio di essere mobilizzato più facilmente .,
Polisaccaridi non amido
I polisaccaridi non amido sono presenti principalmente nelle pareti delle cellule vegetali primarie o secondarie e sono costituiti da polisaccaridi sia solubili che insolubili che, a differenza dell’amido, non contengono unità glicosiliche α-(1,4) legate . Le pareti cellulari primarie che circondano le cellule in crescita sono principalmente composte da polisaccaridi e alcune proteine strutturali, mentre le cellule mature che si sono già differenziate sono circondate da pareti cellulari secondarie che contengono anche polisaccaridi e proteine, insieme a lignina e una maggiore quantità di cellulosa ., I polisaccaridi della parete cellulare sono costituiti da pentosi (cioè arabinosio e xilosio), esosi (cioè glucosio, galattosio e mannosio), 6-deossiesosi (cioè ramnosio e fucosio) e acidi uronici (cioè acidi glucuronici e galatturonici) . Questi componenti possono esistere nelle loro forme di piranosio e furanosio e formare legami α o β in uno qualsiasi dei loro gruppi idrossilici disponibili con conseguente ampia gamma di superfici funzionali adattando numerose forme tridimensionali . I residui fenolici di lignina o le sue catene laterali idrossiliche possono anche legarsi con legami glicosidici di NSP ., I polisaccaridi non amidacei possono acquisire proprietà idrofobiche collegandosi alla lignina e alla suberina, mentre il grado di esterificazione degli acidi uronici può influenzare le sue proprietà ioniche . La suberina, una miscela complessa idrofoba di acidi grassi idrossilati ed esteri grassi, è presente nei tessuti vascolari che forniscono una barriera insolubile durante il normale sviluppo e in risposta a ferite o infezioni fungine . I polisaccaridi non amidacei possono anche essere classificati come solubili e insolubili, dove il termine solubile si riferisce alla solubilità del NSP in acqua o soluzioni alcaline deboli .,
I NSP più comuni nelle pareti cellulari sono la cellulosa e i polisaccaridi non cellulosici (NCP) . In media, il contenuto di cellulosa delle pareti cellulari primarie è dal 20% al 30%, mentre le pareti cellulari secondarie possono contenere fino al 50% di cellulosa . Le pareti cellulari primarie si depositano tra la lamella media e la membrana plasmatica durante la crescita cellulare, mentre alcune cellule specializzate depositano uno strato interno più spesso chiamato parete cellulare secondaria all’inizio della differenziazione . La cellulosa è costituita da unità lineari β-(1,4)-legate d-glucopiranosil con un DP che varia da 500 a 14.000., Le unità lineari di cellulosa sono stabilizzate mediante legame di idrogeno tra residui di glucosio adiacenti, formando una disposizione organizzata di molecole di cellulosa all’interno delle microfibrille (Fig. 3) . Le regioni cristalline si formano quando le microfibrille di cellulosa altamente organizzate sono allineate parallele l’una all’altra per consentire il massimo legame dell’idrogeno, mentre le sezioni paracristalline o amorfe si formano in regioni meno organizzate ., Il reticolo tridimensionale formato dalla struttura lineare e non ramificata strettamente imballata della cellulosa forma le microfibrille che danno la struttura delle pareti delle cellule vegetali . Le regioni amorfe meno organizzate della cellulosa sono idrolizzate dalle endoglucanasi, producendo le estremità della catena che sono idrolizzate dalle exoglucanasi (cioè, cellobiohydrolases) . Il disaccaride risultante, cellobiose, viene idrolizzato dalla β-glucosidasi per produrre due monomeri di glucosio .,
Gli NCP altamente ramificati sono costituiti da eteropolimeri di pentosi ed esosi, il più comune dei quali è chiamato xilano, o una catena di unità d-xilopiranosil legate a β-(1,4) con catene laterali che sono comunemente composte da unità ʟ-arabinofuranosil, d-galattopiranosil, d-glucuronopiranosil e / o 4-O-metil-d-glucuronopiranosil . I polisaccaridi non cellulosici possono anche contenere acidi uronici derivati da glucosio e galattosio, dando la capacità di formare sali con Ca e Zn ., I polisaccaridi non cellulosici spesso servono come polisaccaridi strutturali nei tessuti vegetali e sono strettamente associati alla cellulosa e alla lignina .
La lignina non è un carboidrato, ma è associata ai polisaccaridi della parete cellulare . È costituito da unità polimerizzate di fenilpropano (cioè coniferile, p-cumarile e alcoli sinapilici) legate da legami etere e carbonio-carbonio in un modello 3-dimensionale irregolare . Una parete cellulare lignificata può essere costituita da un sottile strato primario, seguito da uno spesso strato secondario multilamellare ad alto contenuto di cellulosa e, eventualmente, da un terzo strato ., La lignina può collegarsi ai polisaccaridi formando legami covalenti con residui di zucchero o acidi ferulici che sono esterificati a questi polisaccaridi . La lignificazione si verifica solo dopo che la divisione cellulare, l’espansione cellulare e l’allungamento cellulare sono cessati e, quindi, costituisce la differenziazione terminale, che è tipicamente seguita dalla morte cellulare programmata . La lignina previene la degradazione biochimica e il danno fisico alle pareti cellulari cementando e ancorando le microfibrille cellulosiche e altri polisaccaridi della matrice, quindi, rafforzando l’integrità strutturale della parete cellulare ., La lignina funge anche da barriera agli agenti patogeni e ai parassiti . I tessuti vegetali diventano lignificati o legnosi quando la concentrazione di lignina è elevata . La lignina è più concentrata nello strato esterno della buccia dei grani rispetto alle pareti cellulari dell’endosperma come è evidente nelle concentrazioni elevate nei sottoprodotti degli ingredienti (Tabella 2).