1.6. INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA DE LOS AZÚCARES

1.6. INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA DE LOS AZÚCARES
1.6.1. Composición química del azúcar
La sustancia denominada corrientemente “azúcar”, especialmente en sus
clases de consumo fabricadas cuidadosamente, está constituida casi en su
totalidad (prescindiendo de una insignificante cantidad de impurezas
inferior a un 2 por 1.000) por la especie química llamada sacarosa.
En otras clases de fabricación menos esmerada, así como en algunos de
los productos obtenidos durante el proceso industrial, se encuentran,
acompañando a la sacarosa, cantidades variables de otras impurezas
distintas a las anteriores, que están en menor cantidad y que corresponden a
otras moléculas de azúcares tales como la glucosa, levulosa, azúcar
invertido, rafinosa, etc.
El grupo de los azúcares se caracteriza por poseer algunas propiedades
comunes como su sabor dulce más o menos intenso, su facilidad de
cristalización, su gran solubilidad en agua y menor solubilidad en alcohol
(en el que algunos son insolubles), su insolubilidad en el éter y son
ópticamente activos, por lo que sus disoluciones hacen girar el plano de
polarización de la luz.
1.6.2. El grupo de los carbohidratos
Los carbohidratos son polihidroxialdehidos, polihidroxicetonas o
compuestos que, por hidrólisis, se convierten en aquellos. Si un carbohidrato
contiene un grupo aldehído es una “aldosa” y si contiene un grupo cetónico
es una “cetosa”.
Con relación al número de átomos de carbono que contegan, se clasifican
también en biosas, triosas, tetrosas, pentosas, hexosas, etc. Algunos de ellos,
como la glucosa y la levulosa, están muy repartidos en las frutas dulces, y se
encuentran en cantidades mayores todavía como elementos integrntes de los
polisacáridos, ya que la celulosa, formada por unidades de glucosa, es la
sustancia orgánica más abundante. También se encuentran en los glicósidos
resultantes de la combinación de azúcares con alcoholes, fenoles, etc., en los
colorantes rojos de flores y frutos, etc., combinaciones fácilmente solubles
en agua, difícilmente solubles en alcohol e insolubles en éter; muchos de
ellos de sabor dulce.
Son todos ópticamente activos. Esta es una propiedad importante, no sólo
porque los distintos valores de los poderes rotatorios específicos permite
diferenciarlos, sino porque además constituye el fundamento de un método
de análisis para determinar las cantidades de azúcar contenido en las
disoluciones.
Las disoluciones de azúcares amarillean al ser calentadas con
disoluciones de hidróxidos alcalinos. Su poder reductor se pone de
manifiesto calentándolos con AgNO3 amoniacal, que deposita Ag metálica;
o con el licor de Fehling, del que se separa CuO de color rojo. Con el HCN
se originan nitrilos.
La metilfenilhidracina permite separar aldosas de cetosas; con las aldosas
origina hidrazonas, y con las cetosas origina oxazonas. Del grupo de los
monosacáridos sólo estudiaremos dos de ellos correspondientes al grupo de
las hexosas como la glucosa y la fructosa.
1.6.2.1. Glucosa (C6H12O6).
La glucosa se encuentra formando parte de la composición de
muchos frutos unida a la fructosa y a la sacarosa, especialmente en las
uvas, de donde se deriva su denominación corriente.
Además, es unidad constituyente del almidón, de la celulosa y del
glucógeno, y por su función especial en procesos biológicos es,
considerablemente, el monosacárido más abundante (es probable que en
la naturaleza haya más unidades de glucosa que de cualquier otro grupo
orgánico), y es también el monosacárido más importante.
Se encuentra en la caña de azúcar en cantidades variables en todas
las épocas de su desarrollo, así como en todos los productos de su
proceso industrial. También la contienen la remolacha y los productos
que se obtienen durante su elaboración, pero en cantidades mucho
menores. Hay que realizar un trabajo cuidadoso para evitar su formación.
Esto se logra adoptando un régimen de temperaturas y alcalinidades
adecuado.
La glucosa experimenta la fermentación alcohólica. Esta
propiedad constituye la base de la fabricación del alcohol a partir de
varios grupos de sustancias; sustancias que contienen glucosa
fermentable directamente o sustancias que contienen azúcares que se
pueden descomponer por acción hidrolítica en otros azúcares
fermentables.
Así, una aplicación de las melazas de remolacha y caña es su
utilización como materia prima para la fabricación de alcoholes por vái
fermentativa.
1.6.2.2. Levulosa o fructosa (C6H12O6).
La fructosa es una cetosa de 6 átomos de carbono. Se encuentra
en la caña que no ha adquirido su madurez, en la demasiado madura y en
la caña dañada, así como en los productos de su elaboración en que la
sacarosa haya experimentado alguna inversión. Aparece en la miel
asociada con la glucosa y en gran cantidad de frutos, procedente
posiblemente de la inversión de la sacarosa. Se puede separar de la
glucosa añadiendo a su mezcla una lechada de cal, que forma glucosato y
levulosato cálcicos. Esta mezcla se enfría con hielo para separar el
levulosato, que es muy poco soluble puesto en suspensión en agua y
precipitando el calcio con H2C2O4; o bien haciendo pasar una corriente
de CO2 y evaporando el líquido filtrado hasta consistencia de jarabe. En
ese momento la levulosa cristaliza al enfriar.
Fermenta por la acción de la levadura de cerveza, aunque de
manera más lenta que la glucosa. Esta propiedad se aprovecha para su
separación. También fermenta por la acción de los fermentos butíricos y
lácticos.
1.6.2.3. Azúcar invertido.
Se da este nombre a la mezcla en cantidades iguales de glucosa y
fructosa. No se debe confundir con los azúcares reductores, que están
constituidos por mezclas de dextrosa, levulosa y otros monosacáridos en
cantidades variables.
La descomposición del azúcar invertido mediante la cal produce
sales cálcicas de reacción neutra, sin actividad óptica ni reacción
reductora con el reactivo de Fehling. Esta descomposición depende
esencialmente de la temperatura y de la cantidad de cal. Respecto de la
temperatura, señalaremos que el azúcar invertido se descompone
sensiblemente a temperatura ordinaria y en pocos minutos cuando la
temperatura es elevada. En el desarrollo de este proceso, se producen
fenómenos de coloración.
1.6.3. Disacáridos
Los disacáridos son carbohidratos que están formados por dos unidades
de monosacáridos que se liberan al ser sometidos a hidrólisis. La unión de
los dos monosacáridos se produce por la reacción del hidroxilo acetálico de
uno de ellos con un hidroxilo de la otra molécula con eliminación de una
molécula de agua.
Algunos de estos disacáridos no contienen grupos hodróxilo acetálicos
libres, por lo que no ejercen acción reductora y no reaccionan con el líquido
de Fehling. A este grupo pertenecen la trealosa, asotrealosa y sacarosa.
Los disacáridos por ebullición con ácidos diluidos o mediante enzimas
sufren hidrólisis. Para los disacáridos existentes en la naturaleza se
encuentran siempre enzimas que los descomponen, específicas del azúcar
que hidrolizan. Algunos de los disacáridos de este grupo se encuentran
libres en los vegetales. El más importante es la sacarosa.
1.6.3.1. Sacarosa.
(+)-Sacarosa es nuestro azúcar de mesa que se obtiene de la caña
y la remolacha. Es el compuesto orgánico de mayor producción en forma
pura.
(+)-Sacarosa tiene la fórmula molecular C12H22O11. No reduce el
reactivo de Tollens, ni el de Fehling: es un azúcar no reductor. Además,
no forma oxazona; no presenta anómeros ni mutarotación en solución.
Todos estos hechos indican que la (+)-sacarosa no contiene grupos
aldehído o cetónico “libre”.
Cuando se hidroliza (+)-sacarosa con ácido acuoso diluído o por
acción de la enzima invertasa (de la levadura), se obtienen cantidades
iguales de D-(+)-glucosa y D-(-)-fructosa. Esta hidrólisis va acompañada
por el cambio en el signo de la rotación de + a -; por eso se suele llamar
la inversión de la sacarosa, y la mezcla levógira de -(+)-glucosa y D-(-)fructosa se ha llamado azúcar invertido. Casi toda la miel es azúcar
invertido, las abejas proporcionan la invertasa. Mientras (+)-sacarosa
tiene una rotación específica de +66,5º y D-(+)-glucosa de +52,7º, D-(-)fructosa tiene una muy negativa: -92,4º, lo que da un valor negativo neto
para la rotación específica de la mezcla. Debido a sus rotaciones opuestas
y a su importancia como componentes de la (+)-sacarosa, a la (+)-glucosa
y (-)-fructosa se les llama en forma habitual dextrosa y levulosa,
respectivamente.
Se encuentra en el reino vegetal en numerosas plantas, aunque en
cantidades pequñas. En una cuantía suficiente para permitir su extracción
industrial la contienen la caña de azúcar y la remolacha azucarera, la caña
de sorgo y menos abundante el árbol de maple y algunas palmas.
La sacarosa es muy soluble en agua. A temperaturas crecientes
aumenta su solubilidad. Se disuelve algo más en el alcohol metílico que
en el etílico, en el que es casi insoluble. Es insoluble en alcohol absoluto,
en éter y en cloroformo.
Las soluciones acuosas concentradas de varios azúcares y
especialmente las de sacarosa se consideran sistemas semicoloidales, cyo
grado de dispersión se encuentra ntre la dispersión coloidal y la
molecular. Así lo demuestra la existencia en las oluciones concentradas
de sacarosa del efecto Tyndall, prueba suficiente de la heterogeneidad del
medio, a diferencia de las soluciones moleculares ópticamente inactivas.
Se ha comprobado el desplazamiento en el campo eléctrico de las
partículas de sacarosa en relación con la electroforesis de los coloides
verdaderos. Además, las soluciones azucaradas concentradas, puras e
impuras, pueden estirarse en hilo. La acción sedimentadora del azúcar en
la sedimentación, parecida a la acción de los coloides y otras muchas
pruebas demuestran pues la naturaleza semicoloidal de las disoluciones
acuosas de sacarosa. Las disoluciones azucaradas tienen un punto de
ebullición superior al del agua pura.
La cantidad de azúcar invertida en un período de tiempo
determinado es proporcional a la cantidad de sacarosa presente. Por
tanto, la velocidad de la inversión para una cantidad de ácido
determinada es siempre proporcional a la cantidad de azúcar no invertido
presente y, por tanto, la velocidad va disminuyendo con el tiempo de
reacción.
La velocidad de inversión varía con la naturaleza del ácido, la
temperatura y su pH. Esta propiedad permite la determinación de la
concentración iónica de las disoluciones ácidas midiendo
polarimétricamente la sacarosa transformada en un tiempo determinado.
La inversión del azúcar constituye una pérdida de sacarosa.
Además, el azúcar invertido sufre una descomposición continuada por la
acción de los álcalis y del calor dando lugar a la aparición de compuestos
que acentúan el color oscuro de las disoluciones en que se encuentran. A
pesar de esto, en la marcha de la fabricación hay necesidad de calentar
las disoluciones azucaradas a temperaturas elevadas, a veces en medio
ácido, como en el jugo de difusión, y especialmente en los productos de
fabricación del azúcar de caña. Se procurará por tanto, en lo posible,
evitar la reacción ácida y demás circunstancias favorables a la
producción de azúcar invertido.
Como ya se ha indicado anteriormente, la sacarosa se invierte por
la acción de un gran número de fermentos solubles, fermentando cuando
su diastasa específica, la lucrosa, la hidroliza produciendo se
desdoblamiento y dando como productos finales alcohol, CO2 y otros
secundarios como la glicerina, ácido succínico, etc.
Se considera como rendimiento industrial el de 61 litros de
alcohol a 100 ºC por 100 kilos de azúcar.
Tambien en los procesos de fabricación se producen reacciónes
químicas formándose sucratos y sacaratos alcalinos y cálcicos, que son
importantes en la formación de las melazas. La formación de estos
sacaratos indica el comportamiento de la sacarosa como un ácido.
En las disoluciones azucaradas del proceso de la fabricación,
relativamente puras y con una cantidad pequeña de no-azúcar, la mayor
parte de la sacarosa se encuentra en estado libre y sólo una pequeñísima
parte combinada. En los productos con pureza menor y mayor cantidad
de no-azúcar, la cantidad de sacarosa combinada es mayor.
Existen dos tipos diferentes de combinaciones: combinaciones
químicas complejas de la sacarosa con el no-azúcar integrante de la
composición de los productos de la fabricación y combinaciones de
adsorción de la sacarosa con los componentes capilarmente activos de
dichos productos.
La reacción más usada para la investigación de pequeñas
cantidades de sacarosa, utilizada en la fábrica, sobre todo para descubrir
su presencia en las aguas y otros líquidos que se sopecha que la
contengan, es la reacción del naftol.
1.6.4. Polisacáridos
Son compuestos constituídos por muchas unidades de monosacáridos:
moléculas, cientos y aún miles de ellas. Estas unidades se mantienen unidas
mediante enlaces glicosídicos al igual que los disacáridos.
Los polisacáridos son polímeros naturales que pueden considerarse
derivados de aldosas o cetosas por la reacción de polimerización por
condensación. Un polisacárido que deriva de hexosas, por ejemplo, tiene la
fórmula general (C16H10O5)n.
1.6.4.1. Rafinosa
Se encuentra este trisacárido en pequeñísimas cantidades en la
remolacha (0,02 %), y en cantidades aún menores en las melazas de
remolacha y de refinería, así como en los bajos productos de extracción
del azúcar de las melazas por ósmosis.
Cristaliza en disoluciones acuosas con cinco moléculas de agua
de cristalización. Es menos soluble en agua fría que la sacarosa, y más en
la caliente. Se disuelve fácilmente en el alcohol metílico absoluto y es
poco soluble en el alcohol etílico absoluto y frío. Es insoluble en éter.
La rafinosa resiste las temperaturas elevadas y los agentes
químicos en mayor grado que la sacarosa. No se deja eliminar por los
procedimientos corrientes de depuración y atravesando todo el proceso
de fabricación llega hasta la melaza en donde se acumula. También se
combina con las bases formando rafinosatos.