Gránulo de almidón

El almidón es un polisacárido de reserva energética que puede ser encontrado en diversos tejidos, dependiendo de la planta, tales como hojas, tallos, frutos, raíces, tubérculos y semillas. Éste se localiza en los amiloplastos de las células vegetales para el almacenamiento por largo tiempo o en cloroplastos para el almacenamiento temporal. La moléculas de almidón se disponen como gránulos densamente empaquetados con una estructura semicristalina. Los gránulos son insolubles y se hidratan levemente en agua fría (Pérez & Bertoft, 2010; Jane, 2009). En función de la fuente botánica, los gránulos, presentan diferentes formas, tamaños, composición y estructura molecular (Sivak & Preiss, 1998). Este puede ser esférico (trigo, maíz, papa), ovoide (papa), angular (maíz o arroz), filamentoso (maíz de alta amilosa), redondo con extremos truncados (mandioca), elongado, lenticular, etc. (Wurzburg, 1986b; Jane, 2009). En la superficie pueden tener poros o canales (Fannon et al., 1992). Los gránulos presentan tamaños de menos de 1 µm a más de 100 µm los cuales pueden variar durante la maduración del tejido de reserva (Teerawanichpan et al., 2008; Asaoka et al., 1993) o por las condiciones ambientales (Svihus et al., 2005). Se pueden presentar distribuciones de tamaños de gránulos de tipo unimodal, bimodal o trimodal. La forma y el tamaño del gránulo de almidón pueden influir en las propiedades funcionales de los almidones (Svihus et al., 2005). El gránulo de almidón se encuentra formado por dos tipos de homopolisacáridos de glucopiranosa con diferentes estructuras y propiedades:

Corrientes (6,4 %) Formosa (5,5 %) Chaco (3,4 %) Misiones (84,7 %) Form o sa Cha co Mis ion es C_orri en_te s

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la amilosa y la amilopectina (Pérez & Bertoft, 2010). Además presenta moléculas intermedias entre amilosa y amilopectina y trazas de lípidos como fosfolípidos o ácidos grasos libres (1,5 % p/p), proteínas/enzimas (0,1-0,7 % p/p) y monoésteres de fosfatos (Jane, 2009). De acuerdo a diversos investigadores el almidón de mandioca presenta un contenido de proteínas: 0,06-0,75 %, lípidos: 0,01‒1,2 %, fósforo: 0,0029‒0,095 % y amilosa: 0-30,3 % (Zhu, 2015). Los gránulos de los almidones difieren en el contenido, la estructura y la organización de las moléculas de amilosa y amilopectina, en la estructura de las ramificaciones de la amilopectina y en el grado de cristalinidad (Lindeboom et al., 2004). La relación entre amilosa/amilopectina varía con el origen botánico. Los llamados almidones céreos tienen un contenido de amilosa menor al 15 %, los almidones normales entre 20-30 % y los almidones de alta amilosa más de 40 % (Tester et al. 2004). La biosíntesis del gránulo de almidón comienza en el hilum. El gránulo aumenta su tamaño por aposición en el extremo no reductor a medida que las moléculas crecen en dirección radial (French, 1984).

2.2.2. Amilosa

La amilosa es un polisacárido largo principalmente lineal formado por alrededor de 324 a 4920 unidades de α-D-glucopiranosa unidas por enlaces glucosídicos α-1,4 (99 %). Su estructura y tamaño varía en función del origen botánico. Además, se pueden presentar escasas ramificaciones de 9-20 conectadas por enlaces α-1,6, cada 170-500 unidades de glucopiranosa. Las cadenas contienen aproximadamente 200 a 700 unidades glucosídicas (Tester et al., 2004). Por lo general los almidones contienen mezclas de moléculas de amilosas lineales y ramificadas (Pérez & Bertoft, 2010). En el almidón de mandioca el grado de polimerización (GP) se encuentra en el rango de 2050-4390 con un número de ramificaciones en promedio de 4,7‒7,5 (Charoenkul et al., 2006). La estructura de la amilosa afecta las propiedades funcionales y usos del almidón (Ahuja et al., 2013).

Se han propuesto tres hipótesis en cuanto a la localización de la amilosa en el gránulo de almidón. Dentro de ellas el modelo aceptado considera que las moléculas de amilosa se hallan distribuidas como cadenas individuales dispuestas al azar y orientadas radialmente entre las cadenas de la amilopectina. Las mismas se hallan en mayor concentración en la periferia del gránulo donde presentan cadenas más cortas que las observadas en la parte central del gránulo (Pérez et al., 2009). Las cadenas más largas

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de la amilosa participarían en la formación de doble hélices con la amilopectina (Imberty et al., 1991).

En solución, la molécula de amilosa adopta una forma de espiral al azar inestable (Hayashi et al., 1981) con 6 unidades de α-D-glucopiranosa por cada giro (Banks & Greenwood, 1975). Ésta forma complejos de inclusión de cadena simple con un ligando adecuado (Takeo et al., 1973) o forma doble hélices por asociación entre sus cadenas (Jane, 2009). En los complejos de inclusión, también llamados amilosa tipo V, las cadenas lineales ubican sus residuos hidrofóbicos hacia el interior de la hélice la que se halla enrollada hacia la izquierda permitiéndole interactuar con las porciones no polares del ligando (Putseys et al., 2010). El número de unidades de glucosa de las hélices de amilosa en los complejos de inclusión varía de acuerdo al compuesto. Algunos ligandos son iodo, alcohol, ácidos grasos libres, fosfolípidos y monoglicéridos (Pérez & Bertoft, 2010). Esto indica que parte de los lípidos presentes en los gránulos de almidón nativo se hallan formando complejos con las moléculas de amilosa (Kiseleva et al., 2003). En ausencia del agente de inclusión la hélice de amilosa adopta la forma de espiral al azar o adquiere una estructura de doble hélice (Jane & Robyt, 1984). Para la formación de las dobles hélices se requiere un GP mínimo de 10. Las cadenas más cortas pueden co-cristalizar con cadenas largas de polímeros (Pfannemüller, 1987). Dependiendo del GP, las moléculas de amilosa pueden precipitar (GP ˂ 110) o formar geles (> 1100) (Gidley & Bulpin, 1989). La estructura del precipitado de amilosa es de tipo cristalino de doble hélice. En la estructura de gel la amilosa forma una red continua de doble hélices unidas por segmentos de cadenas simples (Biliaderis, 1992; Leloup et al., 1992) (Figura 2.5).

La estructura en dobles hélices de la amilosa retrogradada presenta patrones de difracción de rayos-X tipo A, B o C dispuestas en forma paralelas con giro hacia la izquierda con un ordenamiento hexagonal o pseudohexagonal (Pérez & Bertoft, 2010).

13 Figura 2.5. Modelo de red continua para el gel de amilosa. Fuente: Adaptado de Leloup

et al. (1992).

2.2.3. Amilopectina

La amilopectina es un polisacárido altamente ramificado. Entre un 4-5 % de los enlaces glucosídicos son puntos de ramificación (Manner, 1989). Las cadenas de amilopectina difieren en tamaño presentando una distribución polimodal (Hizukuri, 1986). La longitud depende del origen del almidón, del estado de maduración y de la localización en el gránulo. En promedio, la longitud de las cadenas de amilopectinas es de 17-26 residuos de glucosa. Las ramificaciones de la amilopectina se agrupan en “clústers”. Se han propuesto diversos modelos de “clústers” de la estructura de la amilopectina como los presentados por French (1972), Robin et al. (1974), Nikuni (1978), Manners & Matheson (1981), Hizukuri (1986), entre otros. Bertoft et al. (1999) introdujeron el concepto de bloques de construcción, los cuales son considerados las unidades básicas del modelo de columna vertebral, que actualmente se encuentra en discusión (Tang et al., 2006; Bertoft 2013; Vamadevan & Bertoft, 2015). El modelo de “clúster” propuesto por Hizukuri (1986), para la molécula de amilopectina, se muestra en la Figura 2.6. Zona amorfa Red de Solvente Segmento amorfo Doble Red de cadenas Zona intermedia Doble hélice Segmento amorfo Red de cadenas

14 Figura 2.6. Modelo de amilopectina. Fuente: Hizukuri (1986).

Referencias: A y B1-B3 = cadenas, ᴓ = cadena C que lleva el extremo reductor,

LC = longitud de las cadenas.

Las cadenas de la amilopectina pueden ser clasificadas en base a su longitud y a su posición en el gránulo. Las cadenas A son cadenas no ramificadas y se extienden a lo largo de un “clúster”. Las cadenas A y B se unen por su extremo reductor a otras cadenas B o a la cadena C. Las cadenas B se encuentran ramificadas por cadenas A o por otras B. Éstas últimas reciben el nombre de B1-B4 de acuerdo al número de “clúster”

que abarcan 1-4 respectivamente. El extremo reductor de la molécula de amilopectina se encuentra en la única cadena C presente en la molécula orientada hacia el hilum del gránulo (Jane, 2009). Las cadenas A y B1 se encuentran en la parte más externa de la

molécula y forman doble hélices que pueden asociarse para formar zonas cristalinas (Figura 2.6). Los tamaños promedio de las cadenas son 12-16 (A), 20-24 (B1), 42-48

(B2), 69-75 (B3) y 101-119 (B4) unidades glucosídicas. En general, los almidones con

cristalinidad tipo A presentan cadenas de menor tamaño en comparación a los mismos del tipo B (Tester et al., 2004). Los “clúster” completos presentan un tamaño aproximado de 27-28 residuos de glucosa (Hizukuri, 1986). La relación entre cadenas largas y cortas influye en la forma de la amilopectina lo cual afecta el empaquetamiento en el gránulo (Jane, 2007). En la Figura 2.7 se muestra esquemáticamente las diferencias entre el modelo de “clúster” y el de bloques de construcción.

LC =

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Figura 2.7. Representación esquemática de las diferencias a nivel estructural de los

modelos de “clúster” y de bloques de construcción de la amilopectina. Fuente: Adaptado de Vamadevan & Bertoft (2015).

Referencias: C = lamela cristalina, A = lamela amorfa, SIB = segmentos interbloques,

SIC = segmentos “interclúster”. La principal diferencia entre ambos modelos consiste en que en el modelo de “clúster” las moléculas de amilopectina (SIC) atraviesan las lamelas mientras que en el modelo de bloques de construcción permanecen en la lamela amorfa.