Saccarosio: struttura, sintesi, dove si trova, estrazione, digestione

Il saccarosio o zucchero da tavola o α-D-glucopiranosil-(1→2)-β-D-fruttofuranoside è un disaccaride formato da una molecola di α-D-glucosio, in forma piranosica, ed una di β-D-fruttosio, in forma furanosica. I due monosaccaridi sono uniti da un legame glicosidico α-(1→2), ossia un legame tra l’emiacetale del glucosio e  l’emichetale del fruttosio. La formazione di questo legame glicosidico avviene con ritenzione della configurazione del carbonio emiacetalico del glucosio, quindi è in configurazione alfa.
Al pari dei disaccaridi lattosio, maltosio e trealosio ha formula molecolare C12H22O11 e massa molare di 342,30 g/mol. Si presenta in forma di solidi cristallini bianchi ed inodore.
Come il trealosio, anche il saccarosio è uno zucchero non riducente in quanto il legame glicosidico α-(1→2) interessa il gruppo aldeidico del glucosio e quello chetonico del fruttosio,  che sono anche i due carboni anomerici. Ne consegue che in soluzione non può esistere in forma a catena aperta con i due gruppi carbonilici liberi.
E’ sintetizzato dalle alghe, cianobatteri e piante, ed è il prodotto finale della fotosintesi, la principale via metabolica presente sulla Terra per l’organicazione del carbonio. Nelle piante, una volta trasportato attraverso il floema ai tessuti non fotosintetici, può essere utilizzato come fonte di energia o come precursore per la sintesi di composti essenziali quali gli aminoacidi, e quindi le proteine, la cellulosa, l’amido, e nucleotidi. Inoltre è coinvolto nella regolazione dell’espressione genica.
E’ presente in praticamente tutte le piante, ma economicamente la sua estrazione è vantaggiosa solo dalla canna da zucchero (Saccharum officinarum) e dalla barbabietola da zucchero (Beta vulgaris ssp. vulgaris var. altissima). L’estrazione, tranne che per le fasi iniziali, è per il resto molto simile da entrambe le fonti.
Nonostante la concorrenza dei dolcificanti artificiali ipocalorici, il saccarosio è ancora il dolcificante più utilizzato sia per uso domestico che industriale. Inoltre, grazie alla sua azione antisettica, che si esplica a concentrazioni elevate, trova un largo uso come conservante, ad esempio nelle marmellate e confetture.
Con l’amido ed il lattosio è uno dei tre più comuni carboidrati assunti con la dieta.

INDICE

Storia

Il saccarosio sembra essere stato scoperto in India nel VI secolo a.C. a seguito della bollitura del succo di canna da zucchero. Fu l’esercito di Alessandro Magno che, tra gli occidentali, per primo ne venne in contatto. Tuttavia rimase una merce rara per oltre un millennio, e fu dopo le Crociate che assunse una certa importanza come dolcificante, sebbene solo tra le classi più abbienti.
Nel 1747 Marggraf A.S., un chimico tedesco, scoprì il saccarosio nella barbabietola da zucchero, e nel 1802 Achard F., un suo studente, mise a punto il processo industriale per la sua estrazione. Lo stesso processo verrà poi adattato, con piccole modifiche, anche alla canna da zucchero.
Il termine saccarosio fu coniato nel 1860 dal chimico francese Berthelot M., lo stesso che isolò il trealosio da Trehala manna, mentre il più comune termine inglese sucrose fu coniato dal chimico inglese Miller W. tre anni prima, nel 1857.

Biosintesi del saccarosio

Il saccarosio è il prodotto finale della fotosintesi, un processo che, utilizzando energia luminosa, acqua e carbonio inorganico in forma di anidride carbonica (CO2), trasforma l’energia luminosa in energia chimica e porta alla fissazione o organicazione del carbonio, ossia alla formazione di composti organici ad alta energia. In aggiunta, la fotosintesi rilascia ossigeno molecolare nell’ambiente.
Considerando le piante, nello stroma dei cloroplasti il carbonio, attraverso il ciclo di Calvin o fase oscura della fotosintesi, viene fissato a dare triosi fosfato che possono rimanere nel cloroplasto ed essere convertiti in amido, che sarà quindi utilizzato nella notte successiva, o essere trasportati nel citosol da uno specifico trasportatore che opera un antiporto con gli ioni fosfato.
Nel citosol la fruttosio-1,6-bisfosfato aldolasi, o semplicemente aldolasi (EC 4.1.2.13), catalizza la condensazione aldolica tra due molecole di trioso fosfato, il diidrossiacetone fosfato e la gliceraldeide-3-fosfato, a dare il fruttosio-1,6-bisfosfato.
Il fruttosio-1,6-bisfosfato può essere metabolizzato in altri esosi fosfato, come fruttosio-6-fosfato che può essere convertito in glucosio-6-fosfato, nella reazione di isomerizzazione reversibile catalizzata dalla fosfoglucosioisomerasi (EC: 5.3.1.9). Aldolasi e fosfoglucosioisomerasi sono enzimi che intervengono anche nella glicolisi, dove catalizzano le reazioni inverse, e nella gluconeogenesi.
Il glucosio-6-fosfato, previa isomerizzazione reversibile a glucosio-1-fosfato nella reazione reversibile catalizzata dalla fosfoglucomutasi (EC 5.4.2.2), enzima che interviene anche nella glicogenolisi e nella sintesi del glicogeno, potrà essere attivato a seguito del legame al carbonio anomerico di nucleotidi, come l’UDP, a dare UDP-glucosio, nella reazione catalizzata dalla UDP-glucosio pirofosforilasi (EC 2.7.7.9). L’UDP-glucosio è una molecola ad alta energia che svolge un ruolo centrale nel metabolismo dei carboidrati; ad esempio è coinvolta nella sintesi del glicogeno, nel metabolismo del galattosio, previa conversione in UDP-galattosio, e, negli organismi fotosintetici, nella biosintesi del saccarosio.

Biosintesi del saccarosio nelle piante ed idrolisi intestinale
Biosintesi del Saccarosio nelle Piante e Digestione Intestinale

L’UDP-glucosio ed il fruttosio-6-fosfato sono i mattoni di partenza per la biosintesi del saccarosio, che avviene in due passaggi. Nel primo la saccarosio-6-fosfato sintasi (EC 2.4.1.14) catalizza una reazione reversibile in cui l’unità di glucosio dell’UDP-glucosio è trasferita al fruttosio-6-fosfato, con formazione del saccarosio-6-fosfato. Il saccarosio-6-fosfato viene quindi defosforilato a saccarosio nella reazione irreversibile catalizzata dalla saccarosio-fosfato fosfatasi (EC 3.1.3.24). L’idrolisi catalizzata dalla fosfatasi sposta l’equilibrio della reazione catalizzata dalla saccarosio-6-fosfato sintasi verso la formazione del saccarosio.

Regolazione della biosintesi

La biosintesi del saccarosio è strettamente regolata e coordinata con la biosintesi dell’amido, che avviene nei cloroplasti. La saccarosio-6-fosfato sintasi, che è coinvolta anche nel metabolismo dell’amido, è l’enzima regolatore chiave, ed è regolata attraverso effettori allosterici e modifiche covalenti, cioè fosforilazioni reversibili. E, come nel caso della regolazione della glicolisi e della gluconeogenesi, il fruttosio-2,6-bisfosfato gioca un ruolo centrale.

Regolazione della sintesi del saccarosio nelle piante
Regolazione della Biosintesi del Saccarosio

Sembra inoltre che nella regolazione sia coinvolto anche il trealosio-6-fosfato, il cui ruolo principale sarebbe quello di regolare e segnalare i livelli del saccarosio agendo come un regolatore a feedback negativo.

Funzione nelle piante

Il saccarosio è il principale prodotto dei tessuti fotosintetici ed il principale zucchero trasportato dai tessuti fotosintetici, attraverso il floema, ai tessuti non fotosintetici della pianta.
Nei tessuti non fotosintetici può entrare in molte differenti vie metaboliche che, utilizzando il suo scheletro carbonioso, portano alla produzione ad esempio di amido, cellulosa, aminoacidi, polifenoli, nucleotidi, acidi grassi, lipidi, carotenoidi e molti altri composti, o può essere utilizzato come fonte di energia. E’ inoltre coinvolto nella risposta della pianta a stress abiotici e nel controllo trascrizionale e post-trascrizionale dell’espressione genica.
Nelle Tracheofite, anche dette piante vascolari, svolge molte delle funzioni che nei batteri, funghi e insetti sono svolte dal trealosio. In queste piante la sua concentrazione è da 100 a 1000 volte quella del trealosio, e le ragioni di tale prevalenza non sono chiare. E’ stato suggerito che la minore viscosità delle soluzioni concentrate di saccarosio possa averlo reso più adatto al trasporto nel floema rispetto al trealosio.

Fonti di saccarosio

Il saccarosio, essendo il prodotto finale della fotosintesi, è uno zucchero ampiamente diffuso nella frutta e verdura, assieme al fruttosio e glucosio. Tuttavia i tre carboidrati sono presenti in quantità assai diverse nei diversi vegetali. Ad esempio, nei pomodori, uva, mirtilli, more, ciliegie, fichi, avocado, e limoni  prevalgono glucosio e fruttosio, mentre il saccarosio è praticamente assente; al contrario nelle banane, pesche, arance, mango, mais dolce, piselli dolci, e carote prevale il saccarosio.
Tra i dolcificanti naturali, è il principale zucchero presente nello sciroppo d’acero e nella melassa, dove rappresenta rispettivamente oltre il 98% e circa il 53% degli zuccheri totali. Al contrario, costituisce circa il 14% e poco più dell’1% degli zuccheri dello sciroppo d’agave e del miele.

Estrazione dalla canna da zucchero

Il saccarosio estratto dalla canna da zucchero, di cui costituisce circa il 10-15 del peso della pianta pronta per la raccolta, rappresenta circa il 75% della produzione mondiale.
La pianta, una volta tagliata, deve essere lavorata velocemente in quanto si deteriora rapidamente.
Nel primo passaggio della lavorazione, la canna da zucchero è macinata e schiacciata al fine di estrarne il sugo. Il residuo legnoso rimanente è detto bagasse e, una volta seccato, può essere utilizzato come combustibile.
Segue la filtrazione del sugo. Per evitare che il saccarosio presente sia trasformato in glucosio e fruttosio dagli acidi organici presenti, il che porterebbe alla produzione di zucchero invertito, viene aggiunto idrossido di calcio (Ca(OH)2).
Il sugo neutralizzato è portato a 95 °C e, grazie all’azione di Ca(OH)2, è chiarificato, ossia si verifica la precipitazione, non completa, di impurezze e residui, come glucosio, fruttosio, fibre, pectine, ceneri inorganiche, aminoacidi, proteine ed altri composti, che formano una fanghiglia che viene separata per gravità o centrifugazione.
Tramite riscaldamento si ottiene una parziale evaporazione dell’acqua, che arriva ad una concentrazione pari a circa il 35% del sugo. Gli ioni calcio (Ca2+) presenti, derivanti da Ca(OH)2, vengono rimossi attraverso la CO2 che è fatta gorgogliare nel sugo: la reazione tra CO2 e Ca2+ forma carbonato di calcio che precipita depositandosi sul fondo.
Il passo successivo è la cristallizzazione con la quale, attraverso più fasi di centrifugazione ed evaporazione, il saccarosio è separato dalla melassa: il prodotto finale è lo zucchero grezzo di canna pronto per la vendita.
La melassa è tra gli additivi che possono essere aggiunti ai mangimi per gli animali; inoltre può essere utilizzata per produrre etanolo, rum, acido citrico e lievito in compresse.

Lo zucchero bianco raffinato è ottenuto dallo zucchero grezzo attraverso la rimozione della melassa residua, che dal punto di vista nutrizionale ha un valore del tutto trascurabile.
Dopo aver sciolto lo zucchero in acqua calda, si aggiunge Ca(OH)2 per far precipitare i rimanenti residui di melassa ed ottenere una ulteriore chiarificazione.
A questo punto la soluzione contenente residui giallastri è fatta passare su carbone attivo che assorbe i residui.
Infine, attraverso una serie di cristallizzazioni e centrifugazioni si ottiene lo zucchero bianco.

Estrazione dalla barbabietola da zucchero

Il contenuto in saccarosio della barbabietola da zucchero pronta per la raccolta, grazie alle continue selezioni operate negli ultimi due secoli, è passato dal 4,5% al 16-18%. La sua coltivazione è particolarmente importante in Europa.
L’estrazione del saccarosio dalla barbabietola da zucchero avviene in maniera simile a quanto visto per la canna da zucchero.
Le barbabietole, dopo essere state raccolte e lavate, sono tagliate in fette e messe in acqua a 60-80 °C, trattamento che porta alla rottura delle membrane cellulari ed al rilascio del disaccaride. In questa soluzione, detta sugo grezzo, insieme al saccarosio, in una concentrazione pari al 10-15%, ci sono molte impurezze, sia inorganiche, come sali, che organiche, quali acido glutammico, proteine, compresi enzimi responsabili di processi di ossidazione, polifenoli, acidi, saponine, betaine, pectine, che conferiscono un colore che va dal marroncino al nero, e che dovranno essere eliminate. Gli eventuali microrganismi resistenti al calore sono eliminati aggiungendo un disinfettante come ad es. l’anidride solforosa (SO2), che sarà aggiunta nuovamente alla soluzione anche in un passaggio successivo, al fine di prevenire reazioni di imbrunimento e degradazione.
Come per la lavorazione della canna da zucchero:

  • viene utilizzato Ca(OH)2 per far precipitare parte delle impurità;
  • nel succo viene fatta gorgogliare CO2 per far precipitare il bicarbonato di calcio che porta con se parte delle impurità;
  • passaggi successivi di evaporazione e cristallizzazione portano alla produzione di uno zucchero con purezza superiore al 99,7%.

Digestione del saccarosio

Nei mammiferi, e quindi anche nell’uomo, la digestione dei carboidrati avviene principalmente nel duodeno, la porzione dell’intestino successiva allo stomaco. Le idrolasi nell’orletto a spazzola degli enterociti e l’alfa-amilasi pancreatica idrolizzano disaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi nei monosaccaridi costituenti, ovvero glucosio, galattosio e fruttosio. Segue l’assorbimento dei monosaccaridi rilasciati.
Il legame glicosidico α-(1→2) del saccarosio è idrolizzato nella reazione catalizzata dall’enzima saccarasi-isomaltasi (EC 3.2.1.48), un enzima dotato di due siti attivi e codificato da un singolo gene.
Un sito attivo, la saccarasi, catalizza l’idrolisi del legame glicosidico del:

  • saccarosio, a dare glucosio e fruttosio;
  • maltosio, a dare due molecole di glucosio;
  • alcuni amidi ramificati e piccoli oligomeri di glucosio, composti da almeno sei unità di glucosio legate da legami glicosidici α-(1→4), con liberazione di molecole di glucosio.

Da notare che la saccarasi è responsabile di circa l’80% dell’attività maltasica del intestino tenue.
L’altro sito attivo, la isomaltasi, catalizza il rilascio di catene lineari dalle destrine α-limite, polimeri di glucosio con almeno un legame glicosidico α-(1→6), in una reazione α-(1→6) glicosidasi. Per questa attività, l’enzima è anche detto α-destrinasi.

Deficit di saccarasi-isomaltasi

Il deficit primario o congenito di saccarasi-isomaltasi è una malattia genetica riportata per la prima volta nel 1960. È causata da più di venticinque mutazioni a carico del gene della saccarasi, e di cui sono noti sette fenotipi. Possono essere interessate le subunità della saccarasi o dell’isomaltasi.
Non essendoci trasportatori di membrana per i disaccaridi, il saccarosio non assorbito può causare diarrea osmotica e, una volta entrato nel colon, essere in parte metabolizzato dal microbiota intestinale, che fa parte del più ampio microbiota umano, generando metano, anidride carbonica e idrogeno, e provocando grande disagio e diarrea osmotico-fermentativa.
L’unico trattamento è ridurre o evitare l’assunzione di saccarosio.

Nota: la diarrea osmotica è conseguenza dell’accumulo nel lume della parte distale dell’intestino tenue e nel colon di soluti non assorbibili ed osmoticamente attivi. Questa situazione si presenta ad esempio nel caso della deficienza di una o più disaccaridasi dell’orletto a spazzola degli enterociti, in conseguenza della quale si ha un accumulo di disaccaridi e quindi un aumento della pressione osmotica intraluminale. Ciò a sua volta determina un afflusso di acqua nel lume intestinale e la successiva perdita di un eccesso di liquidi ed elettroliti con le feci.

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Biochemistry, metabolism and nutrition