libro fruver unad

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BSICAS, TECNOLOGAS E INGENIERA MDULO: 211616 PROCESOS FRUVER

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGA E INGENIERA

PROGRAMA DE INGENIERA DE ALIMENTOS

PROCESOS FRUVER

211616

AUTOR

Carolina Len Virgez

ACREDITADOR

Ruth Isabel Ramrez Acero

2013


Contenido UNIDAD 1: TECNOLOGA DE PROCESAMIENTOS ................................................................................ 8

CAPITULO 1: PROPIEDADES DE LAS FRUTAS Y HORTALIZAS ............................................................. 11

Introduccin. ................................................................................................................................. 11

Leccin 1: Estructura y clasificacin de las frutas y hortalizas. ..................................................... 11

Clasificacin de las frutas. ......................................................................................................... 12

Clasificacin de las verduras y hortalizas. ................................................................................. 14

Leccin 2: Composicin de las frutas y hortalizas. ........................................................................ 15

Composicin de las frutas. ........................................................................................................ 16

Composicin de las hortalizas ................................................................................................... 21

Leccin 3: Enzimas vegetales. ....................................................................................................... 23

Factores que promueven la disminucin de actividad enzimtica. .......................................... 24

Leccin 4: Biosntesis de pigmentos y aromas .............................................................................. 30

Aroma ........................................................................................................................................ 30

Pigmentos. ................................................................................................................................. 33

Leccin 5: Factores antinutricionales o txicos. .......................................................................... 36

Ejercicios del Captulo 1. ............................................................................................................... 37

CAPITULO 2: BIOQUMICA DE LAS FRUTAS Y HORTALIZAS .............................................................. 38

Introduccin. ................................................................................................................................. 38

Leccin 6: Respiracin como proceso bioqumico ........................................................................ 39

Glucolisis. ................................................................................................................................... 40

Respiracin aerbica. ................................................................................................................ 44

FOTOSNTESIS ............................................................................................................................ 52


Leccin 7: Coeficiente respiratorio CR .......................................................................................... 55

Leccin 8: Intensidad Respiratoria IR ............................................................................................ 57

Leccin 9: Relacin temperatura y oxgeno e IR ........................................................................ 58

Leccin 10: Efecto de las hormonas vegetales en el proceso de maduracin de frutas ............. 59

Efecto del etileno. ..................................................................................................................... 60

Biosntesis del etileno................................................................................................................ 60

Efecto de las auxinas. ................................................................................................................ 64

Efecto de las giberelinas. ........................................................................................................... 65

Efecto de las citocininas. ........................................................................................................... 66

Ejercicios del Captulo 2 ................................................................................................................ 68

CAPITULO 3: MECANISMOS DE DETERIORO EN FRUTAS Y HORTALIZAS.......................................... 69

Introduccin .................................................................................................................................. 69

Leccin 11: Pardeamiento enzimtico .......................................................................................... 70

Sustratos. ................................................................................................................................... 71

Mecanismos de reaccin. .......................................................................................................... 71

Prevencin del pardeamiento enzimtico. ............................................................................... 74

Leccin 12: Oxidacin del cido ascrbico ................................................................................... 76

Leccin 13: Degradacin clorofilas ................................................................................................ 78

Leccin 14: Degradacin de hidroperxidos ................................................................................. 79

Fase de iniciacin. ..................................................................................................................... 80

Fotooxigenacin. ....................................................................................................................... 80

Fase de propagacin. ................................................................................................................ 81

Antioxidantes. ........................................................................................................................... 83

Leccin 15: Accin peroxidasa ...................................................................................................... 86

Mecanismo de reaccin. ........................................................................................................... 86


Ejercicios del Captulo 3 ................................................................................................................ 88

ACTIVIDADES ................................................................................................................................. 88

UNIDAD 2: INGENIERA DE PROCESOS 1 ........................................................................................... 89

CAPITULO 4: PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LOS PROCESOS Y OPERACIONES UNITARIOS EN

FRUTAS Y HORTALIZAS. ..................................................................................................................... 92

Introduccin. ................................................................................................................................. 92

Leccin 16: Psicrometra. .............................................................................................................. 92

Propiedades del aire seco. ........................................................................................................ 93

Propiedades de vapor de agua. ................................................................................................. 94

Propiedades de las mezclas aire-vapor. .................................................................................... 95

Leccin 17: Transmisin de calor ................................................................................................ 103

Transferencia de calor por conduccin. .................................................................................. 103

Transferencia de calor por conveccin. .................................................................................. 104

Transferencia de calor en estado estacionario. ...................................................................... 105

Leccin 18: Transmisin de masa................................................................................................ 110

Proceso de difusin. ................................................................................................................ 110

Separacin por membranas .................................................................................................... 111

Leccin 19: Propiedades reolgicas y textura ............................................................................. 112

Leccin 20: Propiedades trmicas ............................................................................................... 113

Capacidad calorfica. ............................................................................................................... 113

Conductividad Trmica. ........................................................................................................... 114

CAPITULO 5: OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSPORTE Y SEPARACIONES FSICAS EN FRUTAS Y

HORTALIZAS. ................................................................................................................................... 117

Introduccin. ............................................................................................................................... 117

Leccin 21: Flujo y mezcla de fluidos .......................................................................................... 117

Esfuerzo cortante y viscosidad. ............................................................................................... 118


Leccin 22: Filtracin y Centrifugacin. ..................................................................................... 122

Filtracin. ................................................................................................................................. 122

Centrifugacin. ........................................................................................................................ 125

leccin 23: procesos qumicos. ................................................................................................... 125

Conservacin por adicin de azcar. Osmodeshidratacin. ................................................... 126

Leccin 25: Procesos biolgicos. ................................................................................................. 127

FERMENTACIN. ..................................................................................................................... 127

Fermentacin en vegetales ......................................................................................................... 127

Ejercicios del Captulo 5. ............................................................................................................. 129

CAPITULO 6: TRATAMIENTOS TRMICOS EN FRUTAS Y HORTALIZAS. ............................................ 130

Introduccin ................................................................................................................................ 130

Leccin 26: Escaldado ................................................................................................................. 130

Leccin 27: Congelacin .............................................................................................................. 133

Sistemas de congelacin. ........................................................................................................ 143

Leccin 28: Refrigeracin. ........................................................................................................... 147

Fundamentos de la refrigeracin. ........................................................................................... 147

Leccin 29: Irradiacin de Alimentos. ......................................................................................... 151

UNIDAD 3: INGENIERA DE PROCESOS II ......................................................................................... 160

CAPITULO 7: ELIMINACIN DE AGUA EN FRUTAS Y HORTALIZAS .................................................. 163

Introduccin. ............................................................................................................................... 163

Leccin 31: Concentracin. ......................................................................................................... 163

Aumento en el punto de ebullicin. ........................................................................................ 164

Principios fsicos de la evaporacin. ........................................................................................ 165

EQUIPOS. ................................................................................................................................. 168

Leccin 32: Secado. ..................................................................................................................... 171


Velocidad de secado. ............................................................................................................... 172

Leccin 33: Liofilizacin. .............................................................................................................. 178

Congelacin. ............................................................................................................................ 179

Secado por sublimacin. ......................................................................................................... 180

Equipo de liofilizacin. ............................................................................................................ 185

Leccin 34: Crioconcentracin. ................................................................................................... 186

EQUIPO .................................................................................................................................... 187

Clculo del contenido de hielo y de solucin concentrada. .................................................... 187

Leccin 35: Atomizacin.............................................................................................................. 190

Equipos. ................................................................................................................................... 191

Calentamiento del aire. ........................................................................................................... 192

Equipos. ................................................................................................................................... 192

Clculos asociados al secado por atomizacin. ....................................................................... 195

CAPITULO 8: ENVASES Y EMPAQUES. ............................................................................................. 196

Introduccin. ............................................................................................................................... 196

Leccin 41 Transferencia de materia y permeabilidad del material de envase. ....................... 196

Leccin 42. Tecnologas de tratamientos trmicos de productos envasados. .......................... 197

Leccin 43. Envases inteligentes. ................................................................................................ 198

Leccin 44. Envases y empaque para productos frescos. ........................................................... 198

Atmosferas modificadas. ......................................................................................................... 199

ATMOSFERAS CONTROLADAS. ................................................................................................ 202

Empacado al vaco. .................................................................................................................. 202

Empacado activo. .................................................................................................................... 203

Leccin 45. Envases y empaque para productos procesados .................................................. 203

CAPITULO 9: Inocuidad y Tecnologas emergentes en frutas y hortalizas. .................................... 204


Introduccin. ............................................................................................................................... 204

Leccin 41: Microencapsulacin. ................................................................................................ 204

Microencapsulacin de alimentos. ............................................................................................. 205

Leccin 42: Tecnologas de pulsos elctricos. ............................................................................. 205

Leccin 43: Nuevas fuentes de antioxidantes ............................................................................. 205

Leccin 44: Inocuidad. ................................................................................................................. 206

Alemania se enfrenta a la epidemia ms grave de E. coli de toda su historia ................................................ 206

Epidemia inusual .......................................................................................................................... 207


UNIDAD 1: TECNOLOGA DE PROCESAMIENTOS

Nombre de la Unidad Tecnologa de Procesamientos

Justificacin

La importancia en la comprensin de los fenmenos

bioqumicos que tienen lugar en las frutas y hortalizas

radica en la necesidad de establecer claramente los

mecanismos que intervienen en su crecimiento y

desarrollo, para de esta forma, estar en capacidad de

disear y aplicar mtodos de transporte, conservacin y

transformacin que garanticen la calidad de los

productos obtenidos en diferentes procesos.

Para iniciar se debe presentar un contexto de la

clasificacin y composicin de frutas y hortalizas que

permita una caracterizacin general de la materia prima,

el estudiante debe conocer cada uno de los

componentes que hacen parte de las alimentos y la

proporcin en que esto se encuentran distribuidos.

Con estas bases se procede a la presentacin de los

principales procesos bioqumicos mediante los cuales los

alimentos vegetales se desarrollan, estos son la

respiracin y la maduracin. En este punto es necesario

precisar que se requieren algunos conceptos bsicos

previos de fisiologa vegetal, que son presentados a nivel

general en el inicio de la Unidad. La temtica de esta

seccin de la Unidad est orientada al rea bioqumica y

resulta de gran importancia para el desarrollo de las

unidades posteriores.

Se hace un especial nfasis en el efecto de cada

mecanismo bioqumico sobre las caractersticas finales

obtenidas por el alimento a nivel organolptico y fsico.

Los tejidos vegetales experimentan durante su existencia


diferentes reacciones de deterioro que afectan sus

caractersticas nutritivas, fsicas y organolpticas, en

general son reacciones naturales que suelen coincidir

con el fin del periodo de maduracin, o que pueden

presentarse en fases anteriores cuando son sometidos a

condiciones extremas. En el Captulo 3 se estudiarn los

principales mecanismos de deterioro de las frutas y

hortalizas, cuya comprensin estar fundamentada en la

mayora de los casos en los proceso vistos en el

Captulo 2.

En conclusin la Unidad 1 presenta los conceptos

fundamentales de la fisiologa de frutas y hortalizas

requeridos para comprender los procesos unitarios que

intervienen en la transformacin de estas materias

primas.

Intencionalidades

Formativas

Proporcionar los conocimientos fundamentales con

respecto a la clasificacin y composicin de las frutas y

hortalizas de comn manejo en la industria.

Presentar la informacin relacionada con los procesos

naturales de formacin de aromas y pigmentos.

Caracterizar los procesos bioqumicos comprendidos en

la respiracin y maduracin de frutas y verduras y la

influencia de factores como la temperatura,

concentracin de oxgeno y presencia de enzimas en su

desarrollo.

Describir los mecanismos de deterioro natural de frutas y

hortalizas con el fin de sentar las bases conceptuales

para la comprensin de los mtodos de conservacin.

CAPITULO 1 Propiedades de las frutas y hortalizas

Leccin 1 Estructura de las materias primas

Leccin 2 Composicin de las materias primas

Leccin 3 Enzimas vegetales

Leccin 4 Biosntesis de pigmentos y aromas


Leccin 5 Factores antinutricionales o txicos

CAPITULO 2 Bioqumica de las frutas y hortalizas

Leccin 6 Respiracin como proceso bioqumico

Leccin 7 Coeficiente respiratorio CR

Leccin 8 Intensidad respiratoria IR

Leccin 9 Relacin temperatura y Oxigeno e IR

Leccin 10 Efecto de las hormonas vegetales en el proceso de

maduracin de frutas

CAPITULO 3 Mecanismos de deterioro en frutas y hortalizas

Leccin 11 Pardeamiento enzimtico

Leccin 12 Oxidacin del cido ascrbico

Leccin 13 Degradacin de clorofilas

Leccin 14 Degradacin de hidroperxidos

Leccin 15 Accin peroxidasa


CAPITULO 1: PROPIEDADES DE LAS FRUTAS Y HORTALIZAS

INTRODUCCIN.

Una importante fraccin de la alimentacin humana est basada en el consumo de

frutas y hortalizas, estos alimentos de origen natural aportan desde tiempos

inmemorables una fuente de vitaminas, minerales, fibra alimentaria y

carbohidratos al ser humano. Debido a la gran diversidad de especies y gamas de

resultados generados en las propiedades organolpticas, el consumo de frutas y

hortalizas tiene un alto nivel de aceptacin en todos los pblicos. El consumo de

frutas y hortalizas puede hacerse en algunos casos de forma directa en fresco, sin

embargo, con el desarrollo del rea de tratamiento de alimentos se han incluido

diferentes mtodos de limpieza y procesos, dando origen a una amplia gama de

productos de origen vegetal.

LECCIN 1: ESTRUCTURA Y CLASIFICACIN DE LAS FRUTAS Y

HORTALIZAS.

La diferenciacin entre frutas y hortalizas puede entenderse teniendo en cuenta su

origen y caractersticas de consumo, bajo esta gua, y aun cuando es muy difcil

llegar a un conceso en este aspecto, se propone trabajar con las siguientes

definiciones:

Frutas: Todo aquel fruto o parte carnosa de un rgano floral que se encuentra en

un estado de madurez tal que permite el consumo humano.

Hortalizas: Parte de un vegetal que puede ser usada para consumo humano en

estado fresco, en conserva o en cualquier otro tipo de preparacin.


Verduras: Las verduras estn contempladas dentro del grupo de hortalizas, su

definicin formal es la de todos aquellos vegetales cuya parte comestible

corresponde a los rganos verdes tales como hojas, tallos o inflorescencias.

Clasificacin de las frutas.

Debido a la diversidad de caractersticas que poseen las frutas, no es posible

hablar de una clasificacin nica para este grupo de alimentos, sin embargo, se

manejan tres categoras principales a nivel acadmico e industrial. Los criterios de

clasificacin de las frutas incluyen su naturaleza, su estado de hidratacin, su

fisiologa y su categora comercial.

Segn su naturaleza las frutas pueden ser carnosas cuando contienen un 50% de

agua en su parte comestible como el melocotn o la pera; secas cuando el

contenido de humedad es menor del 50% en la parte comestible, por ejemplo

avellanas, nueces, higos, ciruelas pasas y almendras; y oleaginosas cuando se

emplean para la obtencin de grasas y aceites, como es el caso de la oliva, las

aceitunas, el aguacate y el coco. Las frutas carnosas se clasifican a su vez de

acuerdo al tipo de fruto de procedencia y a la disposicin de las semillas [1].

Tabla 1.1: Clasificacin general de frutas.

Denominacin Ejemplo

Bayas Uvas, arndanos

Hesperidium Naranja, pomelo, limn

Pepnidas Meln, sanda

Drupas Cerezas, melocotn, albaricoque,

ciruela

Rosceas Manzanas. Peras

Agregadas Fresas, frambuesas. Grosella

Mltiples Pia, higo

Fuente: Adaptacin [1].


Las bayas estn conformadas por agrupaciones de pequeos agregados, tienen

un fino epicarpio que va desde el rojo de la fresa hasta el morado en las moras [1].

Las frutas de la categora Hesperidium se caracterizan por contener una gran

cantidad de aceites aromticos en la capa ms externa, mientras que en la parte

interna se encuentran concentradas las pectinas. El endocarpio contiene una serie

de gajos que contiene el zumo y se ubican alrededor del depsito de semillas.

Figura 1.1: Estructura de un fruto tipo baya.

Fuente: [2].

Las frutas Rosceas poseen un endocarpio carnoso y un pericarpio resistente con

una sola semilla o blando y con varia semillas. Las Pepnides son de gran tamao

y estn cubiertas por una corteza dura, en su interior tienen un tejido carnoso que

encierra un gran nmero de semillas. Las frutas agregadas y mltiples se

determinan dependiendo del comportamiento de la inflorescencia en su desarrollo,

cuando de una sola flor se obtienen varios frutos se habla de agregados, mientras

que cuando varias flores participan en la formacin de un solo fruto, se tiene un

fruto mltiple.

De acuerdo al estado de hidratacin, las frutas pueden ser frescas, deshidratadas

o desecadas. Las frutas frescas son aquellas que se encuentran en su estado

natural, pudiendo ser consumidas directamente sin ningn tratamiento previo. En

las frutas deshidratadas se ha reducido el contenido de humedad mediante tcnica

son naturales pero autorizadas, de tal forma que sus propiedades nutritiva no se


han visto afectadas. Por ltimo, las frutas desecadas han sufrido una disminucin

considerable de su contenido de humedad por accin natural del aire o del sol.

La categorizacin por fisiologa comprende las frutas climatricas y no

climatricas, el criterio de eleccin est relacionado con el ciclo de respiracin de

la fruta y su comportamiento fisiolgico durante la maduracin, en la Leccin 10 se

profundizara sobre estos conceptos.

Teniendo en cuenta caractersticas como el color, sabor, olor y textura las frutas

se pueden clasificar comercialmente incluyndolas en diferentes categoras que

determinarn su precio y proceso de comercializacin, por ejemplo, para

manzanas y peras se han definido las clases Extra I y Extra II cuyos niveles de

calidad varan entre si determinando el mercado al cual estarn dirigidas.

Clasificacin de las verduras y hortalizas.

El grupo de las verduras y hortalizas es bastante heterogneo y comprende

alimentos de diversa naturaleza. Su clasificacin se basa en la parte de la planta a

la cual pertenecen, la presentacin y la categora comercial.

El criterio ms especfico corresponde a la parte de procedencia en la planta, la

hortaliza puede ser denominada como bulbo, fruto, col, hojas y tallos tiernos,

inflorescencia, legumbre verde, pepnide y raz. En la Tabla 1.2 se presentan los

nombres de hortalizas comunes bajo esta clasificacin.


Tabla 1.2: Clasificacin general de hortalizas.

CLASIFICACIN DE HORTALIZAS

Hojas

Flores

inflorescencias

tallos

Bulbos races

y tubrculos

tallos

subterrneos

Frutos Legumbres Hierbas

Lechugas Brcoli Cebolla Tomate Arveja Cebolln

Espinacas Coliflor Cabezona Pepinos Frjol Eneldo

Berros Alcaparras Ajo Pimienta Habas Perejil

Perejil Alcachofas Remolacha Calabazas Habichuelas Mostaza

Acelgas Esprragos Zanahoria Berenjenas Guascas

Espinacas Apio Yuca Pltanos

Repollo Cebolla ame

larga Arracacha

Palmito Rbano

Nabos

Papa

Cbios

Ibias

Fuente: Adaptacin [1].

LECCIN 2: COMPOSICIN DE LAS FRUTAS Y HORTALIZAS.

La composicin de las frutas y hortalizas vara dependiendo de su tipo y nivel de

maduracin, factores como la ubicacin geogrfica de las plantas, poca de

recoleccin y caractersticas especiales de la siembra determinan la variacin en

los contenidos de carbohidratos, protenas, agua, vitaminas, lpidos y polisacridos

entre otros.


Composicin de las frutas.

En las frutas el componente mayoritario es el agua presentndose entre el 75% y

el 90% del peso de la parte comestible, los azucares constituyen entre el 5% y el

18% y los polisacridos y cidos orgnicos entre el 0,5 % y el 6%. Otros

compuestos de menor presencia son los compuestos nitrogenados que se

encuentran en un rango entre 0,1% y 1,5%; y las grasas que pueden oscilar entre

0,1% y 0,5%. Las sustancias responsables de alguna caractersticas

organolpticas se presentan generalmente en muy bajas concentraciones, en la

Tabla 1.3 se presenta la composicin de algunos frutos conocidos, si usted desea

ampliar el nmero de datos puede consultar la bibliografa que se presenta al final

del captulo.

Carbohidratos.

Los carbohidratos (Hidratos de Carbono) juegan un papel importante en la

composicin de las frutas y hortalizas, qumicamente se definen como cadenas

conformadas por Carbono, Hidrogeno y Oxigeno, su degradacin en cualquier

sistema genera un aumento en el nivel de energa por ello se reconocen como

fuentes energticas por naturaleza.

En las frutas los carbohidratos ms comunes se presentan en forma de azucares,

almidn, fibra y algunos polialcoholes, el contenido de estos compuestos vara

depende de factores relacionados con la poca de recoleccin, la variedad y el

grado de madurez. El azcar se expresa en forma de fructosa, glucosa y sacarosa

mayoritariamente, aunque tambin se han encontrado trazas de xilosa, arabinosa

y manosa. En la Tabla 1.4 se presenta el contenido de azucares en algunas frutas

reconocidas.

Las drupas generalmente tienen un alto contenido en sacarosa, mientras que las

pomas se caracterizan por el contenido de glucosa y fructosa, siendo esta ltima

de mayor proporcin


Tabla 1.3: Composicin de algunos frutos reconocidos.

Fruto Agua Protena Carbohidratos Lpidos Fibra

Aguacate 78.8 1.5 5.9 1.2 1.8

Aceituna 73.8 0.8 1 2.0 4.4

Albaricoque 87.6 0.8 9.5 Tr 2.1

Cereza 83.7 0.8 13.5 0.5 1.5

Ciruela 86.3 0.6 11 Tr 2.1

Fresa 89.6 .0.7 7 0.5 2.2

Higo 80.3 1.2 16 Tr 2.5

Limn 98.4 0.3 1.3 Tr 0

Mandarina 88.3 0.8 9 Tr 1.9

Manzana 85.7 0.3 12 Tr 2

Melocotn 89 0.6 9 Tr 1.4

Meln 92.4 0.6 6 Tr 1

Naranja 88.6 0.8 8.6 Tr 2

Pera 86.7 0.4 10.6 Tr 2.3

Pia 86.8 0.5 11.5 Tr 1.2

Pltano 75.1 1.2 20 0.3 3.4

Sanda 64.6 0.4 4.5 Tr 0.5

Uva 82.3 0.6 16.1 Tr 0.9

Fuente: [3].

En cuanto al contenido de almidn, otro carbohidrato reconocido, generalmente es

mayor en la fruta no madura y disminuye con los procesos metablicos de

evolucin, con excepcin de algunos frutos como el pltano, la chirimoya y el Kiwi.


Fibra.

La fibra se expresa en forma de celulosa, hemicelulosa, lignina y pectina, los tres

primeros compuestos conforman las paredes celulares del fruto. Las pectinas

confieren consistencia y caractersticas de textura a la fruta, siendo compuestos

polimricos de alto peso molecular, la degradacin de la pectina a compuestos

solubles y cido galacturnico ocurre durante la maduracin y sobremaduracin.

El contenido de fibra total se encuentra entre 0,3% para la sanda y 2,5 para el

pltano. En general la fibra insoluble se encuentra en mayor proporcin de la fibra

soluble, tal como se indica en la Tabla 1.5.

Lpidos.

En las frutas frescas no se encuentran contenidos importantes de lpidos, las

semillas de algunas drupas presentan contenidos de hasta 50% y las ceras

presentes en los recubrimientos de pomos son de especial inters por el efecto

protector que desarrollan ante insectos o microorganismos patgenos. El aguacate

resulta una excepcin con un contenido de hasta 30% en lpidos, representados

como cido oleico, el coco a su vez es rico en acido palmtico.

Las frutas secas y las semillas de las frutas oleaginosas como girasol, man, linaza

y aceituna so ricas en lpidos.

Protenas.

Las pocas protenas presentes en las frutas estn asociadas a las enzimas que

participan en los procesos de maduracin.


Tabla 1.4: Composicin en azucares de diversas frutas.

COMPOSICIN DE AZCARES DE DIVERSAS

FRUTAS

(porcentaje de porcin comestible)

Fruto Glucosa Fructuosa Sacarosa

Bayas

Zarzamora 3.2 2.9 0.2

Fresas 2.6 2.3 1.3

Grosolia 2.3 1.0 0.2

Frambuesa 2.3 3.7 1.0

Uva 8.2 2.4 0.0

Pia 2.3 8.0 7.9

Pltano 5.8 3.8 6.6

Dtil 32.0 4.0 8.2

Higo 5.5 23.7 0.0

Drupas

Albaricoque 1.9 0.4 4.4

Cereza 5.5 66.1 0.0

Melocotn 1.5 0.9 6.7

Ciruela 3.5 1.3 1.5

Hesperidios

Naranja 2.4 2.4 4.7

Pomelo 2.0 1.2 2.1

Limn 0.5 0.9 0.2

Pomas

Manzana 1.8 5.0 2.4

Pera 2..2 6.0 1.1

Fuente: [4].


Vitaminas.

Las Vitaminas A y C se encuentran en una proporcin considerable en las frutas.

La Vitamina A o retinol se sintetiza a partir de carotenoides tales como beta-

caroteno, alfa-caroteno y beta-criptoxantina, a partir de 6g de beta-caroteno es

posible obtener 1 g de Vitamina A, mientras que para los otros carotenos el

rendimiento se reduce a la mitad.

Tabla 1.5: Contenido en fibra diettica de algunos frutos (g fibra/100g fruta).

CONTENIDO EN FIBRA DIETTICA DE ALGUNAS

FRUTAS

(los valores se expresan en g de fibra/100g de fruta)

Fruta Fibra insoluble Fibra soluble Fibra total

Ciruela 1.76 1.12 2.87

Fresas 1.70 0.60 2.30

Kiwi 2.61 0.80 3.39

Mandarina 1.40 0.40 1.80

Manzana 1.54 0.67 2.21

Melocotn 1.16 0.84 2.00

Naranja 0.99 1.37 2.35

Pera 2.25 0.92 3.17

Pia 1.42 0.04 1.46

Pltano 1.21 0.58 1.79

Sandia 0.27 0.13 0.40

Uvas

(verdes) 0.32 0.58 0.90

Fuente: [5].


La Vitamina C tambin conocida como cido ascrbico suele encontrarse

mayoritariamente en las cortezas o piel de frutas como melocotn, manzana,

naranja, guayaba y acerola, segn estudios realizados para distintas especies, el

contenido es entre tres y cinco veces mayor que en la pulpa.

En cuanto al cido flico, perteneciente al complejo de Vitaminas B, est presente

principalmente en las naranjas en una concentracin de 40g/100g de fruta, en las

fresas y frambuesas con 45-52g/100g y en el kiwi con una fraccin aproximada

de 30g/100g. En la Tabla 1.6 se presentan las vitaminas ms reconocidas

contenidas en frutas y hortalizas reconocidas.

Minerales.

El contenido de los minerales es muy escaso en las frutas, solo se destaca la

presencia de potasio y fosforo en frutas como pltano, kiwi, meln y uvas negras.

Composicin de las hortalizas.

Las hortalizas al igual que otros alimentos de origen vegetal contienen un alto nivel

de hidratacin, entre el 80% y el 90% del total de su peso, la mayora no contienen

niveles apreciables de grasa y la presencia de protenas y carbohidratos es muy

baja. La materia seca de las hortalizas est compuesta por un porcentaje de

carbohidratos entre 3 y 20%, compuestos nitrogenados entre el 1 y 5%, fibra bruta

presente entre 0,6 y 2,5%, minerales entre 0,5 y 1,5% y un porcentaje de lpidos

entre 0,1 y 0,9%.

Tambin se encuentran presentes compuestos como cidos orgnicos, fenoles,

sustancias aromticas y pigmentos aunque su composicin es muy baja. El aporte

calrico de las hortalizas es del orden de 50kCal por 100g de porcin comestible

[6]. En los siguientes apartados se presenta una descripcin ms detallada de

cada uno de los componentes de estos alimentos.


Carbohidratos.

Los carbohidratos en las verduras existen en forma de hidrato de carbono, en el

almidn, y polisacridos, estos ltimos sobresalen con respecto al contenido de

azucares simples, es por esta razn que el sabor de estos vegetales es muy bajo

en dulce. La rigidez caracterstica de los tallos se debe al efecto que tienen la

celulosa, hemicelulosa y las pectinas sobre las paredes celulares.

Compuestos nitrogenados.

Una fraccin de las protenas que se encuentran en las hortalizas est asociada

con la carga enzimtica responsable de las reacciones que afectan el aroma, el

color y las caractersticas tisulares. Las enzimas caractersticas de este tipo de

alimentos son las oxidorreductasas, hidrolasas, transferasas, liasas y ligasas.

En varias hortalizas se ha encontrado la presencia de aminas, en las espinacas

existen histamina, N-acetilhitamina y N-N-Dimetilhistamina; en el tomate y la

berenjena se encuentran trazos de triptamina, serotonina y tiramina.

Lpidos.

Al igual que en las frutas el contenido de lpidos en las hortalizas es nfimo, el bajo

porcentaje eta compuesto por triacilglicridos, glucolipidos y fosfolpidos.

Vitaminas.

La Vitamina A se encuentra en la mayora de las hortalizas en forma de

provitamina expresada como -caroteno, su importancia radica en

Las vitaminas del grupo B se presentan en forma de folatos especialmente en los

alimentos de hoja verde como las espinacas y las coles. Los folatos se presentan

en forma poliglutmica y en el organismos son transformados a la estructura


monoglutmica. Se considera que alrededor del 60% de los folatos son aportados

por las verduras [6].

Las hortalizas son ricas en Vitamina C, especialmente las coles, pimientos, el

brcoli y el coliflor, esta vitamina resulta sensible al calor y puede descomponerse

en los tratamientos trmicos, es por esta razn, que se recomienda su consumo

en verduras frescas o tratadas mnimamente con temperatura.

Los guisantes, espinacas, lechugas, zanahorias y coles contienen las vitaminas E

y K.

Protenas.

El consumo de protenas es supremamente importante para la dieta humana, se

recomienda mantener rangos adecuados de cantidad y calidad para lograr un

funcionamiento ptimo del cuerpo, de acuerdo con la edad y peso del individuo se

manejan rangos de ingesta entre 0,8 y 1,5 g por kg de peso al da. Las frutas y

hortalizas no se caracterizan por un alto contenido de protena, sin embargo su

presencia en el alimento es fundamental a la hora de regular procesos

metablicos de gran importancia.

LECCIN 3: ENZIMAS VEGETALES.

Las enzimas son sustancias proteicas que catalizan reacciones qumicas en

condiciones adecuadas, actan sobre un grupo de molculas llamadas sustratos

transformndolos en determinados productos. Por su carcter de catalizador su

funcin principal es la de disminuir la energa de activacin de una reaccin

especfica, la actividad de una enzima se ve afectada por la temperatura, el pH y

la concentracin del sustrato.

Las enzimas vegetales presentes en frutas y hortalizas pueden generar un efecto

deseable o indeseable sobre el alimento, entre los deseables se encuentra el

efecto sobre las caractersticas organolpticas en el material fresco o luego de

procesado, por ejemplo en la maduracin, son las encargadas de facilitar

reacciones generadoras de aromas, sabor y textura. Los efectos indeseables van


desde el enraizamiento del alimento hasta la afectacin del valor nutricional con la

destruccin principalmente de vitaminas como la tiamina y el cido ascrbico [7].

Factores que promueven la disminucin de actividad enzimtica.

Las enzimas son molculas selectivas que actan bajo condiciones muy precisas,

su actividad depende del control de diversos factores, a continuacin e describen

las ms importantes.

Temperatura.

A nivel general el aumento de temperatura favorece la velocidad de la mayora de

reacciones enzimticas, sin embargo, debido a su carcter proteico, a cierta

temperatura las enzimas inician su desnaturalizacin, este punto coincide con su

mxima actividad, la temperatura a la cual se alcanza tal efecto se conoce como

Temperatura optima y es propia de cada enzima, aunque la mayora de estas

presentan su mayor efecto en el rango comprendido entre 30 y 50C. Si el sistema

contina adquiriendo calor, la actividad enzimtica comienza a decrecer

disminuyendo as la velocidad de reaccin.

A temperaturas muy bajas como las de congelacin varias enzimas continan con

su actividad aunque muy lentamente, es por esta razn, que a menos que se haga

un tratamiento previo, los alimentos congelados tienden a experimentar deterioro

en periodos largos de almacenamiento. En caso de que las enzimas permanezcan

presentes en las frutas o verduras podran generarse efectos como un cambio en

el color de la clorofila o los carotenoides, pardeamiento, rancidez, cambios en el

sabor, aroma, valor nutritivo y finalmente en la textura del producto debido a las

enzimas pectinolticas [8].

Existen algunos casos que se han observado especficamente en la catalasa de

las verduras y las pectinolasas de los jugos ctricos, en que tales enzimas logran

regenerarse por lo menos parcialmente luego de un almacenamiento prolongado

del alimento, aunque el proceso es lento, debe tenerse en cuenta esta posibilidad


a la hora de manipular las variables de profundidad y tiempo de la inactivacin

trmica.

En el tratamiento de frutas y verduras es muy comn que se desee desactivar

ciertas enzimas responsables de deterioro y de efectos adversos sobre el

producto, para ello, se recurre a tratamientos como la precoccin o el escaldado,

as, las reacciones indeseables se detendrn en las siguientes etapas debido a la

ausencia del catalizador.

pH.

La mayora de enzimas vegetales son muy sensibles a los cambios en el pH, al

igual que con la temperatura, presentan una mxima actividad a un determinado

pH, para valores distantes tienden a desnaturalizarse. Este comportamiento se

debe al efecto de la acidez del medio sobre los grupos susceptibles de ionizarse

que se encuentran contenidos en la cadena polipeptdica de la enzima,

especialmente grupos carboxilo y amino. El pH ptimo para un gran grupo de

enzimas presentes en los alimentos esta entre 4 y 8, aunque existen algunas

pocas excepciones.

El rango opimo de pH en el que acta eficazmente una enzima no solo depende

de su naturaleza sino tambin de la concentracin del sustrato y la temperatura.

Concentracin del sustrato.

El aumento en la concentracin de sustrato para una concentracin fija de enzima,

genera un aumento exponencial en la velocidad de la reaccin catalizada, debido

a que la existencia de un mayor nmero de molculas de sustrato facilitara el

encuentro con la enzima. La concentracin del sustrato aumenta hasta un valor en

que ya no genera ningn efecto sobre la velocidad de reaccin debido a que

satura la enzima, es otras palabras, todas las molculas de enzima se encuentran

en accin, en este punto se dice que se ha llegado a la velocidad mxima.


Michelis y Maud Menten encontraron en 1913 que la relacin velocidad-

concentracin de sustrato est dada por la siguiente ecuacin:

Dnde:

V: Velocidad de reaccin para una determinada concentracin de sustrato.

Vmx: Velocidad mxima de la reaccin.

: Concentracin del sustrato.

Km: Constante de Michelis-Menten, caracterstica de cada enzima.

En la Figura 1.2 se observan las curvas de velocidad para seis concentraciones

distintas de sustrato.

Inhibidores.

Existen algunos compuestos qumicos que se unen a la enzimas disminuyendo

incluso impidiendo su actividad, pueden ser del tipo ion o molcula. Su accin se

denomina Inhibicin y puede ser de los siguientes tipos:

Inhibicin irreversible: Ocurre cuando el inhibidor se une permanentemente a los

sitios activos de la enzima o altera su estructura de forma que impide

completamente su actividad


Figura 1.2: Curvas de velocidad para diferentes concentraciones de sustrato.

Fuente: [9].

Inhibicin reversible: Se presenta en caso de que se una temporalmente

impidiendo el normal funcionamiento pero no de forma completa.

Inhibicin competitiva: Sucede cuando el inhibidor es similar al sustrato y se une a

la enzima compitiendo con este, esta situacin puede contrarrestarse al aumentar

la concentracin de sustrato.

PROFUNDIZA! Las enzimas constituyen una temtica amplia y enriquecedora. En los siguientes enlaces encontrar informacin complementaria acerca de:

Enzimas

Ejercicio resuelto.

Enzimas vegetales.


Clasificacin general de las enzimas.

De acuerdo a su accin sobre las molculas de sustrato, las enzimas se clasifican

a nivel general en oxidoreductasas, hidrolasas, transferasas, liasas, isomerasas y

ligasas. En la Tabla 1.7 se listan las enzimas ms comunes para cada categora.

Tabla 1.7: Clasificacin de enzimas comunes segn su accin sobre el sustrato.

Fuente: [10].

CIENCIA AL DIA! Los alimentos constituyen una importante fuente de enzimas vegetales, es por ello que gran parte de los estudios biotecnolgicos estn orientados en la bsqueda de nuevas fuentes y mtodos de extraccin. Modelamiento de la tasa de respiracin de banano basado en las ecuaciones de la cintica enzimtica de Michaelis-Menten.


Enzimas presentes en frutas y hortalizas.

Segn estudios realizados por Braverman, las enzimas presentes en los alimentos

pueden agruparse en dos categoras generales, las hidrolasas y las enzimas

oxidantes. Dentro de las hidrolasas se encuentran las esterasas, carbohidrasas y

proteasas, en estos subgrupos se encuentran a su vez enzimas ms especficas.

Papana: Bastante conocida, proviene de la papaya, ayuda en la digestin

de carbohidratos, grasas y protenas.

Bromelina: Se encuentra principalmente en el vstago de la pia, es una

enzima rica en azufre que cataliza el rompimiento de protenas.

Amilasa: Se extrae de la parte verde de frutas y sobretodo verduras, su

funcin es catalizar la degradacin de almidones.

Celulasa: Est presente en naranjas, duraznos y tomates. Catalizan el

rompimiento de las paredes celulares de los frutos y por esta razn se

relacionan con el ablandamiento de tejidos.

Maltasa: Se encuentra en algunas variedades de papa y remolacha.

COMPLEMENTA!

Cintica enzimtica de la Polifenol oxidasa del banano

en diferentes estados de maduracin


LECCIN 4: BIOSNTESIS DE PIGMENTOS Y AROMAS

Aroma

El aroma es una de las caractersticas ms atractivas de las frutas y verduras, se

debe principalmente a la presencia de compuestos voltiles en el alimento. Se han

encontrado ms de 600 estructuras responsables del aroma, entre las cuales

existen aldehdos, esteres, alcoholes, cidos, cetonas y algunos derivados

terpnicos [11]. Debido al carcter voltil de estos compuestos, su prdida es

recurrente cuando los alimentos son sometidos a tratamientos trmicos de alta

temperatura, por ello, una de las principales preocupaciones del Ingeniero a la

hora de procesar una fruta o verdura, es el hecho de conservar su aroma al final

del proceso.

Cuando la actividad enzimtica de la frutas se encuentra en un nivel propicio, el

desarrollo de las mltiples reacciones que tienen lugar en la maduracin conlleva

la formacin de los componente voltiles necesarios para que el fruto adquiera las

caractersticas sensoriales que lo hacen apetecible al consumidor, generalmente,

estos compuestos con subproductos de reacciones ms complejas como la

conversin de almidones pectinas y la degradacin de clorofila. En la Figura 1.3

se representa la presencia de voltiles responsables del aroma para un mismo

fruto en diferentes estados de maduracin, se puede ver que aunque existen

desde la fase de inmadurez, su crecimiento es notorio durante el climaterio y

empiezan a desaparecer en la etapa de senescencia como consecuencia de las

reacciones de deterioro y degradacin del fruto.

Particularmente en las frutas la sntesis del aroma, entindase la generacin de

compuestos voltiles, se produce en la conversin de almidones, transformacin

de aminocidos, conversin de cidos grasos, sntesis de terpenos, conversin de

L-fenilanalina a esteres fenlicos y oxidacin enzimtica de los cidos linolico y

linolnico principalmente.


Figura 1.3: Presencia de compuestos voltiles en un fruto para diferentes estados

de madurez.

Fuente: [12]

En la Tabla 1.8 se presenta un consolidado de los componentes asociados al

aroma que se generan en las diferentes reacciones.

Para observar de forma prctica el anlisis que se puede realizar

experimentalmente a los compuestos voltiles de una fruta, por favor revise el

siguiente artculo:

Anlisis de los compuestos voltiles de las ciruelas amarillas.

En el caso de las verduras, los compuestos aromatizantes ms comunes son

derivados del azufre, es por esta razn que algunos olores y sabores asociados a

estas no resultan del todo agradables. En el tejido celular los precursores del

aroma se encuentran de forma inodora y son activados en algunos casos a partir

de un dao mecnico o corte que permita el contacto entre el precursor y las

enzimas adecuadas generando la liberacin de la fraccin voltil.

Cuando las verduras son sometidas a tratamientos con altas temperaturas o

deshidratacin es posible que los compuestos aromticos se pierdan y le producto

obtenido no presente mayor aroma, sin embargo, los precursores siguen


presentes al interior de la verdura por lo que solo es necesario reactivarlos

mediante la adicin de un extracto aromtico que permita la reaccin de

regeneracin del aroma [13].

Tabla 1.8: Compuestos voltiles abundantes en frutos y vegetales.

Fuente: [8]

Un mecanismo comn de generacin de aroma en las verduras est presente en

productos del genero Allium caracterizados por olores fuertes y penetrantes, como

la cebolla y el ajo. Para estos productos los precursores son sulfxido de S1-y

propenil cisterna.


Pigmentos.

Una de las caractersticas ms atractivas de los

alimentos vegetales consiste en la diversidad de

colores y tonalidades que ofrecen en las

diferentes etapas de su crecimiento, el color de

una fruta o verdura resulta de gran importancia a

la hora de obtener la aceptacin del consumidor,

adems, puede ser un indicador de la calidad del

alimento y su nivel de madurez comercial. El color se asocia inevitablemente con

otras caractersticas organolpticas como sabor y aroma.

El color de los vegetales se adjudica a los pigmentos naturales tales como la

clorofila, los carotenoides y los flavonoides.

Los carotenoides son los compuestos responsables de las coloraciones amarilla y

naranja, se ubican en los cromoplastos de la clula, la sntesis de carotenoides

depende principalmente de la presencia de oxgeno y de la temperatura, en

atmosferas anaerbicas se inhibe la formacin de estas sustancias. Con respecto

a la temperatura, la sntesis de carotenoides se ve favorecida por temperaturas del

orden de 20-30C, mientras que parece decrecer e incluso detenerse para

temperaturas mayores [14]. Se ha reconocido el papel provitamnico de los

COMPLEMENTA!

Para conocer los desarrollos en investigacin que se han

realizado en el campo de los aromas revise los

siguientes artculos:

Avances en el aislamiento de compuestos voltiles.

Compuestos voltiles responsables del sabor del tomate


carotenoides debido al rompimiento que sufre en el intestino generando retinol

como fuente de Vitamina A.

La estructura qumica de los carotenoides corresponde a la de un tetraterpeno

liposoluble con una cadena de dobles enlaces conjugados, una reduccin en la

conjugacin da origen a un color amarillo, mientras que una oxidacin genera

tonos rojizos. De acuerdo a su frmula qumica se clasifican en Carotenos cuando

solo estn compuestos de hidrogeno y carbono, y Xantofilas cuando adems

contienen oxigeno [15].

La biosntesis de carotenoides es catalizada por un gran nmero de enzimas que

permiten la conversin de los compuestos presentes en las partes internas de la

clula, en compuestos coloreados como el -caroteno y la neoxantina. En la

Figura 1.4 se presenta el esquema de biosntesis al que se ha llegado luego de

diversas investigaciones.

PROFUNDIZA! Los pigmentos carotenoides resultan de gran inters en la industria qumica, en los siguientes enlaces podr encontrar mayores detalles acerca de su estructura y comportamiento. Pigmentos carotenoides: consideraciones estructurales y fisicoqumicas. Pigmentos carotenoides en frutas y vegetales, mucho mas que simples colorantes naturales.


Figura 1.4: Esquema de biosntesis de carotenoides.

Fuente: [16].


LECCIN 5: FACTORES ANTINUTRICIONALES O TXICOS.

Aunque los beneficios del consumo de frutas y verduras son numerosos para la

dieta humana, no debe dejarse de lado la posibilidad de que estos alimentos

conlleven factores antinutricionales o txicos, aunque no es una situacin comn

y se han desarrollado diferentes mtodos para garantizar la calidad de estos

alimentos, es necesario tener en cuenta las condiciones que facilitan la presencia

de agentes nocivos.

Las actividades toxicas provocadas por ciertos compuestos pueden generar dos

efectos claros, el primero, se relaciona con una actividad toxica directa que no

puede revertirse con un aporte nutricional. El segundo efecto es indirecto y se

presenta cuando la presencia del agente reduce la disponibilidad de un nutriente o

provoca su perdida.

Nitratos.

En el caso de las verduras, algunas variedades pueden presentar un exceso de

nitratos, debido generalmente a que la capacidad de transformacin del nitrgeno

recibido a travs de la raz no se ve compensada con la velocidad de absorcin.

Las hortalizas de hoja tienden a acumular mayor cantidad de nitratos que las de

fruto o raz. Sin embargo esto depende de la variedad y otros factores como el tipo

de fertilizante utilizado y la clase de suelo en que se desarrolla el cultivo.

Una dosis alta de nitratos puede generar algunas complicaciones como

intoxicaciones o cianosis especialmente en poblacin vulnerable como nios o

mujeres embarazadas.

Acido oxlico.

El cido oxlico en dosis altas y condiciones especiales puede tener un carcter

descalcificante, las acelgas, apio, berenjena, calabaza, col, espinaca, pepinos,


perejil y remolacha contienen ms de 10mg por porcin lo que resulta riesgoso

cuando su consumo es habitual y se tienen problemas asociados al rin.

EJERCICIOS DEL CAPTULO 1.

1. Seleccione un fruto autctono de su regin e investigue su composicin y la

categora a la cual pertenece. Realice el mismo ejercicio con una verdura.

2. Simplifique la ecuacin de Michaelis Menten para los siguientes casos:

a. [S] mucho menor que Km.

b. [S] igual a km.

c. [S] mucho mayor que Km.

3. Investigue y describa detalladamente un caso de inhibicin enzimtica

irreversible, uno reversible y uno competitivo.

4. Ingrese al siguiente enlace http://prezi.com/y_dvg625ee2b/enzimas-

vegetales/ y extraiga los conceptos principales de acuerdo a la

presentacin, plsmelo en un documento Word.

5. Investigue tres mtodos de extraccin de pigmentos en frutas y/o verduras,

describa de forma general las tcnicas utilizadas.

PROFUNDIZA! Aunque las frutas y hortalizas no presentan gran nmero de antinutrientes es importante que como Ingeniero de Alimentos conozca otras fuentes de estos compuestos. En el siguiente enlace podr profundizar acerca del tema:

Toxicologa alimentaria.


CAPITULO 2: BIOQUMICA DE LAS FRUTAS Y HORTALIZAS

INTRODUCCIN.

Los alimentos vegetales se comportan, al igual que todas las plantas, como

organismos vivos que requieren de procesos metablicos para su existencia.

Biolgicamente cada planta constituye un complejo universo de compuestos y

reacciones encadenas perfectamente por la naturaleza para dar lugar a los

productos que conocemos como alimentos vegetales, la raza humana debe

considerarse infinitamente afortunada por tener a la mano un sin nmero de

variedades, colores, sabores, aromas y experiencias gustativas.

Los fenmenos metablicos y catablicos que dan origen a la existencia de las

frutas y hortalizas pueden describirse de manera general para todas las

variedades, actualmente no cesan los estudios cientficos buscando caracterizar

de forma precisa los mecanismos fisicoqumicos de cada sntesis y degradacin

de compuestos al interior de las plantas, la importancia de este conocimiento

radica en la mejora que representara para los tratamientos de manejo pre y

poscosecha.

La vida de los vegetales puede dividirse en tres grandes fases, crecimiento,

maduracin y senescencia; en la primera fase tiene lugar el aumento de tamao

de las clulas y tejidos hasta lograr las dimensiones caractersticas; en la

maduracin, ocurre la diferenciacin de los tejidos y la sntesis de las enzimas

encargadas de facilitar las reacciones que darn las caractersticas organolpticas

al fruto. Por ltimo, en la senescencia o vejez del vegetal, se produce la muerte

celular que acaba progresivamente con la vida del alimento. En el presente

capitulo se tratan los procesos generales de respiracin, maduracin y

senescencia de los vegetales, con el fin de que usted comprenda el

comportamiento de estos ante diferentes condiciones o tratamientos industriales.


LECCIN 6: RESPIRACIN COMO PROCESO BIOQUMICO

Los alimentos vegetales requieren de energa para continuar su existencia, esta

energa se provee principalmente a travs de los procesos de respiracin y

transpiracin que tienen lugar a nivel general en la transformacin de oxigeno (O2)

en dixido de carbono (CO2), y en la perdida de agua respectivamente. La

respiracin como proceso metablico se basa en las reacciones oxidativas de

diferentes compuestos carbohidratados como almidones, azcares, cidos

orgnicos y otras sustancias que permiten la generacin de CO2 y liberan energa.

ALGUNOS CONCEPTOS PREVIOS.

A continuacin se presenta una sntesis de las definiciones que usted debe

tener en cuenta a la hora de analizar el sistema metablico.

NAD+ (Nicotinamida adenina dinucletido): Coenzima que se encuentra

en las clulas vivas, contiene dos nucletidos unidos por grupos fosfato. Se

encarga de intercambiar electrones e hidrogeniones participando

activamente en la produccin de energa celular.

NADH: Forma reducida de NAD+.

ATP (Adenosn trifosfto): Molcula de gran importancia en los procesos

metablicos celulares, contiene una base nitrogenada unida a un azcar de

tipo ribosa o pentosa y tres grupos fosfato. Su funcin principal radica en el

almacenamiento y transporte de energa.

ADP (Adenosn Difosfato): Corresponde a la parte estructural del ATP sin

fosforilar, contiene un nuclesido y dos grupos fosfato unidos entre s. Se

obtiene durante el ciclo de Krebs por la descarboxilacin de algunos

compuestos.


Las etapas bsicas de la respiracin son la gluclisis y la respiracin aerbica

como tal, esta ltima ocurre en tres fases: Ciclo de Krebs, transporte de electrones

y Fosforilacin oxidativa. El conjunto de etapas tiene como fin la generacin de

energa qumica almacenada en molculas de ATP, seguidamente se har un

repaso por las reacciones involucradas en la respiracin celular.

Glucolisis.

La glucosa es una molcula altamente energtica cuya participacin en los

mecanismos de respiracin de la planta resulta crucial, ya que mediante su

degradacin es posible obtener la energa necesaria para los procesos

metablicos vitales. La primera fase en la respiracin corresponde a la

degradacin de la glucosa y se conoce como Glucolisis, en trminos generales es

un proceso oxidativo que tiene como objetivo principal la disposicin de energa en

forma de molculas de ATP y ocurre mediante el encadenamiento de siete fases

que se describen a continuacin:

Etapa I: Fosforilacin de la glucosa.

En esta etapa se realiza la activacin de la molcula, debido a su alta estabilidad

es necesario invertirle energa para que pueda posteriormente ser fragmentada, la

energa proviene entonces de la clula a travs de la llegada de una molcula de

ATP bajo la presencia de la enzima hexoquinasa, el grupo fosfato cedido por el

ATP se adiciona en la posicin 6 de la glucosa formando glucosa-6-fosfato.

Etapa II: Isomerizacin de la fructosa.

La molcula obtenida en la primera etapa se reorganiza mediante isomerizacin

en presencia de la enzima fosfoglucoisomerasa para convertirse en frutosa-6P.


Etapa III: Fosforilacin de la fructosa.

La fructosa-6P es activada mediante la inversin de una nueva molcula de ATP

por parte de la clula, cada ATP donara un grupo fosfato, de esta forma se genera

la fructosa-1,6-bifosfato, altamente inestable. La enzima encargada de catalizar

esta reaccin es la fosfofrutoquinasa.

Etapa IV: Ruptura de la fructosa.

En esta etapa la fructosa bifosfatada se fragmentara debido a su inestabilidad en

presencia de aldolasa generando dos molculas de tres carbonos cada una, la

primera corresponde a dihidroxiacetona fosfato y la segunda es el gliceraldehdo

fosfato, ambas son ismeros.

Etapa V: Oxidacin y formacin de enlace fosfato de alta energa.

Hasta el momento solo se ha invertido energa en el proceso, en esta etapa se

inicia la recoleccin energtica que tiene como objetivo la glucolisis, para iniciar,

interviene una molcula de NAD+ actuando como coenzima y la deshidrogenasa

que tiene el papel enzimtico, su accin conjunta logra la oxidacin del

gliceraldehdo fosfato y la consecuente reduccin de NAD+ a NADH, la energa

liberada es utilizada para atraer un grupo fosfato que se unir en la posicin 1 de

la molcula oxidada formndose as el 1,3- difosfoglicerato. Es importante tener

en cuenta que esta etapa ocurre teniendo como limitante la presencia del fosforo

inorgnico disponible en el citoplasma.

Etapa VI: Generacin de ATP.

De nuevo por alta inestabilidad el 1,3- cido difosforoglicrico cede un grupo

fosfato a una molcula de ADP circundante convirtindola en el primer ATP


obtenido en el proceso, de esta manera el cido pasa a cido 3-fosfoglicrico. La

reaccin es catalizada por una enzima llamada fosfoglicerato quinasa

Figura 2.1: Reacciones de las etapas I, II y III en la gluclisis.

Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3

Fuente: [17].


Etapa VII: Reordenamiento molecular.

El fosfato que an permanece en la molcula se reordena en una ubicacin que le

representa mayor energa, as que pasa de la posicin 2 a la 3. La mutasa es la

enzima encargada de facilitar la mutacin.

Figura 2.2: Reacciones de las etapas IV, V y VI en la gluclisis.

Etapa IV Etapa V Etapa VI

Fuente: [17].

Etapa VIII: Eliminacin de agua.

Gracias a la presencia de la enzima enolasa se elimina una molcula de agua

dejando como remanente el cido fosfoenolpirvico.


Etapa IX: Generacin de ATP.

El nico grupo fosfato restante es atrapado por una molcula de ADP formando un

ATP transportador de energa.

Figura 2.3: Reacciones de las etapas VII, VIII y IX en la gluclisis.

Etapa VII Etapa VIII Etapa IX

Fuente: [17].

Respiracin aerbica.

La respiracin aerbica ocurre en presencia de oxgeno, el mecanismo general de

la oxidacin del cido pirvico generado en la glucolisis a dixido de carbono y

agua. La primera etapa del ciclo de Krebs ocurre al interior de la matriz

mitocondrial, mientras que los procesos de transporte de electrones y fosforilacin

oxidativa se llevan a cabo acopladamente en la cresta mitocondrial.


Ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs es conocido como el ciclo de los cidos tricarboxlicos y describe

una ruta metablica que tiene lugar en la respiracin de organismos aerobios, en

el ciclo convergen los productos de las reacciones precedentes de degradacin de

aminocidos, glcidos y cidos grasos. La funcin principal del ciclo es el aporte

de poder reductor a la cadena respiratoria con la consecuente generacin de CO2.

Las reacciones que componen el ciclo de Krebs se describen a continuacin:

Reaccin de condensacin de oxalacetato con AcetilCoA.

Por medio de la accin de la enzima citrato sintrasa la Acetil-CoA se condensa con

el oxalacetato para generar una molcula de citrato, durante la reaccin es

liberada la enzima HSCoA.

Fuente: [18]

Reaccin de isomerizacin del citrato a isocitrato.

Esta etapa corresponde a una reaccin en equilibrio, el citrato se isomeriza

mediante la accin de la enzima Aconitasa.


Fuente: [19].

Reaccin de oxidacin y descarboxilacin del isocitrato.

Para la transformacin del isocitrato en -Cetoglutarato, es necesaria una

descarboxilacin que genera la liberacin de una molcula deCo2, adicionalmente

la enzima isocitrato deshidrogenasa acta reduciendo un NAD y permitiendo la

formacin de 3 ATP.

Fuente: [19]

Reaccin de transformacin del -Cetoglutarato en succinil-CoA.

En esta etapa ocurre una segunda descarboxilacin oxidativa gracias a la accin

de la enzima -Cetoglutarato deshidrogenasa con la consecuente formacin de 3

ATP.


Fuente: [19].

Transformacin de la Succinil-CoA en succinato y GTP.

En esta reaccin ocurre una hidrolisis o rompimiento que genera una cantidad de

energa del orden de 33.5kJ/mol, esta energa e sutilizada para la formacin de un

enlace fosfoanhidro entre un fosfato y un GDP para dar un GTP. La reaccin

conlleva la liberacin de HSCoA.

Fuente: [19].

El GTP posteriormente se convierte en ATP mediante la siguiente reaccin:

(2.1)


Transformacin del succinato en fumarato.

El succinato se oxida por la accin de la succinato deshidrogenasa produciendo 2

ATP y generando el fumarato.

Fuente: [19].

Reaccin de hidratacin del fumarato.

El fumarato e hidrata convirtindose en malato mediante la accin de la enzima

fumarasa.

Fuente: [19].

Reaccin de oxidacin del malato a oxalacetato.

La enzima malato deshidrogenasa permite la oxidacin del malato a oxalacetato

reduciendo un NAD y generando 3 ATP, de esta forma se llega al inicio del ciclo

nuevamente.


Globalmente se puede observar que en el ciclo de Krebs no se obtiene

especficamente ninguna molcula de ATP, sin embargo se generan varias

coenzimas reducidas NADH y FADH2, estas sern la fuente de ATP en las

reacciones posteriores.

Transporte de electrones.

En esta etapa los tomos de hidrogeno o electrones equivalentes son conducidos

por la cadena respiratoria mediante ciertos transportadores denominados

citocromos, que se oxidan y reducen consecutivamente. Para que esto sea

posible, las coenzimas reducidas obtenidas en el ciclo de Krebs se oxidan a NAD+

y FAD+. Se genera agua debido a que el ltimo aceptor de la cadena es el

oxgeno.


Figura 2.4: Esquema sintetizado del ciclo de Krebs.

Fuente: [20].


Fosforilacin oxidativa.

El flujo de electrones descrito en el apartado anterior no es posible sin la

formacin de ATP, ya que esta molcula es la encargada de recibir la energa

cedida en el transporte electrnico a travs de la cadena respiratoria. Cada cada

de los electrones a un nivel ms energtico ms bajo libera energa que es

adoptada por la molcula de ATP. En la Figura 2.5 se presentan las etapas de la

fosforilacin oxidativa de forma escalonada.

Figura 2.5: Esquema sintetizado del flujo de electrones durante la fosforilacin

oxidativa.

Fuente: [21].


FOTOSNTESIS

Las plantas sintetizan compuestos orgnicos, que requieren para su crecimiento y

para la formacin de nuevos tejidos, a partir de CO2 atmosfrico, agua y

nutrientes aportados por el suelo, el proceso de transformacin se denomina

fotosntesis. La radiacin recibida por la planta y la temperatura son los factores

encargados de controlar la cantidad de carbono fijado y el proceso de respiracin.

La radiacin solar aporta los fotones requeridos comprendidos entre 400 y 700 nm

de longitud de onda, estos son absorbidos por las hojas brindando la energa

requerida para el proceso.

Las reacciones bioqumicas asociadas a la fotosntesis tienen lugar en el

cloroplasto de la clula y ocurren en dos fases principalmente, la primera es

dependiente de la luz y se denomina Fotofosforilacin; la segunda, independiente

de la luz o Fase oscura comprende la reduccin de CO2 a azcar y se explica

mediante el ciclo de Calvin.

Fotofosforilacin.

En esta etapa las molculas de clorofila a absorben energa lumnica que produce

la excitacin de algunos de los electrones y tomos de hidrogeno desde el agua

hacia un receptor energtico que en este caso es NADP+, los electrones ingresan

a una cadena transportadora similar a la de la respiracin celular, durante el

proceso el ADP se convierte en ATP mediante el mecanismo de quimismosis. El

agua por su parte se descompone liberando oxgeno.

Reaccin de fotlisis del agua.

(2.2)


En el proceso de Fotofosforilacin intervienen dos fotosistemas que estn

presentes en todos los organismos fotosintticos, consisten bsicamente en una

antena colectora de luz y un centro de reaccin que incluye una molcula de

Clorofila a.

La diferencia entre los fotosistemas I y II radica en el pico de absorcin de la

clorofila, el primero corresponde a 700nm y el segundo a 680nm.

Esta primera etapa se inicia con la captacin de luz por parte del Fotosistema II,

los electrones excitados son transportados a otros niveles energticos hasta llegar

a la molcula de clorofila a contenida en el Fotosistema I, la energa liberada en la

cadena es aprovechada para la formacin de ATP a partir de ADP y grupos

fosfato.

Reaccin de formacin de ATP a partir de ADP

(2.3)

Cuando los electrones retornan a la molcula de clorofila, se habla de una

Fotofosforilacin cclica. Cuando los electrones no retornan, son reemplazados por

electrones derivados del agua, en este caso los electrones transferidos y el

hidrogeno proveniente del rompimiento de las molculas de agua reducen el

NADP a NADPH, la Fotofosforilacin ser acclica.

Reaccin de reduccin de NADP a partir de NADPH


Ciclo de Calvin o Fijacin de Carbono.

La segunda fase de la fotosntesis denominada fase oscura corresponde a las

reacciones independientes de la luz, se lleva a cabo mediante un ciclo que ha sido

presentado por Calvin-Benson, el objetivo de esta etapa es incorporar el CO2 a

compuestos orgnicos como la glucosa, de ah que reciba el nombre de fijacin de

Carbono.

Inicialmente el CO2 es absorbido por la planta a travs de estructuras conocidas

como estomas. Al interior de la planta, se combina con una molcula del azcar

de cinco Carbonos conocido como Ribulosa difosfato, en presencia de la enzima

RuBP carboxilasa, cada seis vueltas se generan seis molculas de un

intermediario que luego, por rompimiento producir doce molculas de

fosfoglicerato. Luego, estas ltimas molculas se reducen a doce molculas de

gliceraldehdo fosfato, diez de estos gliceraldehdos se regeneran formando seis

molculas de Ribulosa difosfato de cinco carbonos, las dos molculas restantes de

gliceraldehdo constituyen la fuente de otras reacciones de importancia para la

planta.

La fuente energtica del Ciclo de Calbin son las molculas de ATP y NADPH

generadas en la etapa de Fotofosforilacin.

Los procesos de respiracin y fotosntesis ocurren simultneamente en los

vegetales, el crecimiento de las plantas se da debido a la conjugacin de estos

fenmenos. En trminos globales la fotosntesis lleva a cabo la captura de energa

y la respiracin consume esta energa para procesarla al interior de la planta.

Debido a que la fotosntesis ocurre en determinados rganos de la planta, su

velocidad debe exceder la tasa de respiracin para dar abasto con los

requerimientos energticos.


Figura 2.6: Esquema de Fotofosforilacin cclica y acclica.

Fuente: [22].

LECCIN 7: COEFICIENTE RESPIRATORIO CR

Una forma de cuantificar el grado de respiracin aerobia es establecer la

proporcin entre el volumen de CO2 emitido y el volumen de O2 consumido en un

tiempo dado para una misma masa de materia respirante. El factor que relaciona

estas dos magnitudes se conoce como Coeficiente Respiratorio (CR), su medida

es un indicador del tipo de substrato que est siendo oxidado en la respiracin.


(2.5)

Se ha encontrado que para valores de CR menores de 1, se metabolizan las

grasas:

C18H36O7 + 26O2 = 18CO2 + 18H2O CR = 0,7 (2.6)

Valores de CR mayores de 1 sugieren el metabolismo de cidos grasos:

C4H6O5 + 302 = 4CO2 + 3H2O CR = 4/3 = 1,33 (2.7)

Y valores iguales a 1 indican el metabolismo de azucares:

C6H12O6 + 602 = 6CO2 + 6H2O CR = 6/6 = 1 (2.8)

Valores intermedios entre 0,7 y 1 indican la oxidacin simultnea de glcidos y

lpidos, la proporcin de cada compuesto puede ser calculada por la ley de

mezclas. Sin embargo, debe resaltarse que estos resultados son bastante

aproximados, ya que en un mismo instante pueden estarse oxidando diferentes

compuestos.

Experimentalmente la determinacin de CO2 liberado puede obtenerse al hacer

pasar una corriente de aire libre de gas sobre cierta cantidad de tejido material,

luego, se hace pasar el aire por una solucin de lcali, por ejem

libro fruver unad

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