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Materiales y estructuras gastronómicas

2. Materiales y estructuras gastronómicas

La naturaleza se encarga de transformar moléculas en estructuras comestibles, y la cocina de convertirlas en platos y comidas. En este sentido los alimentos son materiales y así los solemos describir: duros o blandos, suaves o fibrosos, crujientes, etc. La ciencia de los materiales alimentarios proporciona el marco científico para la conversión de materias primas en estructuras con propiedades que apreciamos en nuestro paladar y también para aquellas estructuras sorprendentes que vendrán.

2.1. Estructuras naturales

Los alimentos provienen de tejidos que deben realizar una función específica en la naturaleza. A través del tiempo se han ido seleccionando aquellas plantas más fáciles de domesticar y seguras, y cuyas partes comestibles tienen sabores, olores y texturas que encontramos agradables. Es así que comemos flores (como la coliflor, el brócoli y la alcachofa) o sus partes (los estigmas que dan el azafrán), hojas (en el caso de la lechuga, la endivia y la espinaca) e incluso tallos (representados por el palmito y el espárrago). También están las frutas dulces que todos apreciamos en postres y jugos, aquellas que consideramos hortalizas, como los pepinos, el tomate y las paltas, y las aceitunas de las que también se obtiene su aceite. Se ha mencionado que frutos secos denominados cereales o granos, como el trigo, maíz y arroz, tienen una importancia culinaria y nutricional fundamental. Nuestros menús se enriquecen con semillas como las legumbres y algunas pseudo-raíces como las zanahorias, betarragas y los rabanitos, y con tallos engrosados que crecen bajo el suelo como las papas.⁴⁵

Simplificando, las “estructuras naturales” que constituyen las materias primas de los alimentos pueden clasificarse en cuatro grandes grupos: i) estructuras ensambladas a partir de pequeñas moléculas (glucosa) o macromoléculas (proteínas) en tejidos que tienen una funcionalidad específica, por ejemplo, los haces de celulosa presentes en las paredes celulares de vegetales y las fibras musculares en carnes y pescados; ii) materiales carnosos de plantas que son agrupaciones de células que presentan hidratación interna y cuyas paredes permiten la turgencia, como es el caso de tubérculos, frutas y hortalizas; iii) embriones encapsulados que contienen paquetes discretos de almidón, proteínas y lípidos, como sucede en granos y leguminosas, y donde entran también los huevos, y; iv) un complejo y particular líquido llamado leche, destinado a la nutrición de las crías de los mamíferos, que contiene los nutrientes básicos en un estado de dispersión coloidal o solución acuosa.

La manera que tiene la naturaleza para derivar funcionalidad a partir de un número limitado de moléculas pequeñas es asociarlas como macromoléculas o polímeros, los que a su vez se ensamblan dando lugar a estructuras jerárquicas que son cada vez más complejas: organelos, células, tejidos, órganos y organismos. Por ejemplo, la elasticidad de los tendones se consigue por una cadena de estructuras que va desde la molécula de colágeno hasta los haces fibrosos que componen el tendón. Aquellas moléculas que carecen de fines “nobles” o funcionales son simplemente acumuladas como reserva en estructuras pequeñas como los gránulos de almidón, los glóbulos de aceite y los cuerpos proteicos (agrupaciones de proteínas) que existen en cereales, legumbres y en las oleaginosas. Lo curioso es que tanto el almidón como algunas proteínas (por ejemplo, las del gluten de trigo) juegan roles importantes en las comidas, roles que no tienen en las plantas, cuales son el de espesante y matriz elástica, respectivamente. Es evidente que la naturaleza no ha tenido presente nuestro deleite y nutrición al diseñar y fabricar los tejidos y órganos de las plantas, sino que hemos ido descubriendo sus bondades en un lento proceso de prueba (¡literalmente!) y error.

Un mecanismo de control muy utilizado por la naturaleza es compartimentar a grupos de moléculas distintas que si estuvieran juntas reaccionarían a destiempo. También se suele mantener en forma pasiva a moléculas reactivas las que son activadas cuando es necesario. Este es el caso de las enzimas y los sustratos o moléculas específicas sobre los cuales estas actúan. En el interior de las células del ajo existen micro-compartimentos separados por finas membranas biológicas donde residen por un lado la enzima alinasa y por otro la aliína, una molécula inofensiva compuesta por aminoácidos. Al romper un diente de ajo se pierde la compartimentación y la enzima se pone en contacto con la aliína produciéndose la alicina, que da el olor pungente del ajo que todos reconocemos y apreciamos.

Si bien es cierto que comemos moléculas, ciertamente no las masticamos. En los alimentos encontramos a las moléculas formando parte de estructuras naturales en tejidos de plantas y animales, y en formas derivadas del procesamiento o la acción culinaria. Aunque el tema de la estructura de los alimentos se trata más adelante en varias secciones de este capítulo es pertinente referirse a cómo la naturaleza organiza las moléculas en complejas estructuras jerárquicas para que cumplan sus roles y, a su vez, cómo se derivan las propiedades culinarias de ellas. Se abordarán tres ejemplos: el almidón, las paredes celulares de plantas y los tejidos musculares (figura 2.1).

El almidón no es una molécula en sí, sino que es un minúsculo gránulo producto del ensamblaje de dos tipos de polímeros que tienen como monómero al azúcar glucosa: la amilosa, que tiene la forma de una hebra helicoidal y está compuesta por unas 200 a pocos miles de unidades de glucosa, y la amilopectina, que es una macromolécula ramificada en varios puntos y que puede llegar a tener varios miles de moléculas de glucosa. Como la función primordial del almidón es el almacenaje de energía, la naturaleza no se hace problema y compacta una gran cantidad de ambos tipos de moléculas en gránulos de almidón, donde se alternan capas cristalinas y ordenadas con otras desordenadas y amorfas (figura 2.1, izquierda). Al microscopio los gránulos de almidón son como pequeños granitos sólidos de tamaño máximo inferior al grosor de un pelo (figura 3.3). Todo el almidón que encontramos en la naturaleza está en forma de estos densos gránulos que miden desde 5 hasta aproximadamente 50 μm y varían en forma, desde redondos a elipsoidales. El almidón de la papa (chuño) o del maíz (maicena) se produce luego de una molienda y dispersión en agua, seguida por la centrifugación o filtración fina de la suspensión acuosa donde se separan los gránulos aprovechando las diferencias de densidad o sus tamaños, respectivamente. Un secado posterior da origen al almidón “en polvo” que se usa para diversos fines, desde hacer jarabes endulzantes hasta biocombustibles.

Cuando la naturaleza no puede derivar las cualidades deseables a partir de un solo material, lo combina con otros de manera que la estructura resultante tenga una propiedad superior a cada uno de los materiales por separado. En ingeniería se denomina compósito a una estructura que está formada por una matriz continua y tiene elementos dispersos que le proporcionan propiedades superiores. Un ejemplo son las planchas de plástico reforzadas con fibra de vidrio para una mayor resistencia y su analogía con las estructuras vivas son las paredes celulares de plantas. Los “ladrillos” de las estructuras vegetales son las células provistas de paredes celulares semi-rígidas (porque contienen agua) que circundan al citoplasma o todo el contenido interior de una célula, y dentro de este se encuentra una vacuola o globo que contiene una solución acuosa, ambos confinados por una membrana celular. Una célula vegetal mide unos 100 μm. La pared celular es un compósito donde una matriz amorfa es reforzada por moléculas de pectina (35%), celulosa (30%), hemicelulosas (20%) y algunas proteínas (figura 2.1, centro). Un cemento conocido como lámina media, mantiene unidas a células adyacentes por la parte externa de las paredes celulares, y juega un rol fundamental en el ablandamiento de los tejidos vegetales durante la maduración y la cocción.

FIGURA 2.1. Estructuras jerárquicas que dan origen a los gránulos de almidón, los vegetales y la carne. Partiendo de moléculas relativamente pequeñas la naturaleza fabrica progresivamente estructuras cada vez más complejas, que son básicas para entender el comportamiento de los alimentos durante el procesamiento y la cocción. Las dimensiones que se pueden leer en el eje vertical son muy aproximadas, y la escala cambia en un factor de un millón, desde 1 nanómetro (nm) a 1 milímetro (mm).

La celulosa es una cadena lineal de unidades de glucosa (¡igual que la amilosa del almidón!) pero pegadas con un enlace distinto que favorece la asociación lateral entre cadenas, formándose hebras largas y resistentes o fibrillas celulósicas de unos 3,5 nm de diámetro, que no se rompen fácilmente por calor ni por enzimas (figura 2.1 al centro). Esta propiedad de la celulosa permite a la naturaleza construir estructuras duras y resistentes como las cáscaras de las nueces. Las paredes de células vegetales van acumulando con el tiempo lignina, un polímero tridimensional en forma de malla que no es fácil de romper ni disolver y se asocia con la dureza del tejido. La lignificación se aprecia bien en los espárragos, que se vuelven más fibrosos y duros con el tiempo, e indirectamente en las legumbres viejas que no se suavizan durante la cocción (ver sección 3.8). Las paredes celulares de la madera contienen celulosa y lignina, ambas duras e indigestibles, pero que permiten a los árboles vivir muchos años y resistir los avatares de la naturaleza. Las células vegetales de productos frescos tienen la característica de ser células jóvenes con paredes celulares blandas (que forman parte posteriormente de la fibra dietética), y de estar hidratadas, donde los solutos presentes en el contenido acuoso de la vacuola ejercen una presión osmótica que es responsable de la turgencia de frutas y verduras. Se ha mencionado a la membrana celular que rodea al citoplasma. Las membranas biológicas son estructuras complejas que se autoensamblan formando una doble capa lipídica donde se insertan algunas proteínas. La naturaleza separa distintos compartimentos intracelulares por medio de estas membranas cuyo rol principal es controlar el transporte de moléculas desde y hacia el interior de los compartimentos. Mantener las membranas celulares es muy importante en aquellos alimentos que deben seguir realizando su metabolismo, como frutas y vegetales frescos, pues se destruyen fácilmente por el calor. Hay también una ventaja tecnológica en conservar las paredes celulares y membranas casi intactas en algunos procesos para que actúen como filtros moleculares. Este es el caso de la extracción de azúcar de la remolacha donde los tubérculos se cortan en forma de largos fideos que tienen en su interior muchas células intactas que dejan pasar sólo las moléculas de azúcar y retienen el material intracelular no deseado. Los “fideos” de remolacha extraídos se secan y son un buen alimento animal llamado coseta.

La estructura del músculo esquelético de los animales está formada por células alargadas o fibras musculares, que no poseen paredes celulares como las de plantas (figura 2.1, derecha). La capacidad de contracción de los tejidos musculares se basa en el ensamblaje de dos proteínas, la actina y la miosina que constituyen más del 20% de las células musculares, y que dan origen a estructuras jerárquicas a niveles superiores. Ambas proteínas en el interior de las células están inmersas en un fluido llamado sarcoplasma y se entrecruzan y deslizan entre sí en forma paralela para dar la capacidad al músculo de estirarse y contraerse. Las células musculares se agrupan en cilindros alargados llamados miofibrillas de 1 a 2 μm de diámetro, que posteriormente se ensamblan formando haces de fibras musculares hasta llegar al tejido completo. Los haces de fibras son fácilmente separados con la ayuda de un tenedor en pescados y carnes que han sido bien cocidos. Toda la estructura fibrilar del músculo se mantiene unida por envolturas de tejido conectivo, compuesto principalmente por la proteína llamada colágeno, las que confluyen en los tendones que unen al músculo con el hueso (figura 2.1, derecha arriba). El colágeno está formado por tres cadenas de proteínas enrolladas en forma de hélice y estabilizadas por uniones intermoleculares. Cuanto más viejo es un animal, más abundante, entrecruzado y resistente a la cocción es el tejido conectivo, y de ahí su dureza culinaria. La gelatina proviene de la hidrólisis del colágeno de cueros y huesos.

De todo lo anterior se concluye que los denominados componentes y nutrientes de los alimentos no se encuentran distribuidos homogéneamente sino que forman parte de estructuras bastante complejas que les otorgan propiedades identificables por nuestros sentidos. El conocimiento preciso de estos arreglos, en que participan microscopistas y bioquímicos, ha permitido entender el origen de ciertas tecnologías e introducir mejoras significativas en los procesos. Por otra parte, resulta evidente que el proceso de digestión debe liberar a los nutrientes desde estas estructuras si es que ellos van a ser eficientemente absorbidos en el intestino, lo que se abordará en la sección 7.6.

2.2. Sociología molecular

Se ha hablado de moléculas y de estructuras, pero no de cómo se pasa de las primeras a las segundas. Las interacciones entre las moléculas vecinas, que pueden ser de atracción o repulsión, se pueden comparar a las interacciones entre los seres humanos y de ahí que se haya derivado el término sociología molecular. De hecho, se habla de si existe o no “química” entre las personas y el concepto sociológico de “química humana” analiza las “reacciones” para formar y deshacer enlaces entre seres humanos y las estructuras que se derivan de estas relaciones.⁴⁶ Hacer analogías entre moléculas y seres humanos puede resultar bizarro, pero se justifica cuando se quiere hacer uso de la experiencia cotidiana y personal para explicar algo que es complejo.

Algunas personas se juntan y no se separan más, como se promete en el matrimonio. En química, la atracción tiene que ver con interacciones entre moléculas vecinas, que van de fuertes a débiles. La unión más cercana y permanente entre moléculas es el enlace covalente donde se comparten electrones externos entre dos o más átomos. Este es el enlace con que se unen los monómeros cuando forman los polímeros como las proteínas y los polisacáridos. En los alimentos se usan enzimas para romper estos enlaces, por ejemplo, la amilasa que corta las moléculas de almidón y las transforma en azúcares simples, y la renina (o cuajo) que escinde una parte de la caseína de la leche, desestabilizándola para que se forme la cuajada del queso.

Sin embargo, a medida que se progresa en los niveles jerárquicos de las estructuras biológicas comienzan a predominar interacciones menos específicas que los enlaces covalentes y adquieren una gran importancia las llamadas interacciones débiles, en que priman propiedades específicas de las moléculas mismas. El profesor Jean Marie Lehn (1939), premio Nobel de Química 1987 (ver sección 10.6), propuso el nombre de química supramolecular al estudio de las interacciones entre moléculas, más allá de los enlaces covalentes.⁴⁷ En la formación de estructuras alimentarias hay algunas interacciones no-covalentes que conviene tener presente. Las interacciones electrostáticas ocurren entre moléculas que tienen cargas eléctricas y pueden ser de atracción (cargas opuestas) o repulsión (cargas del mismo signo). Los enlaces o puentes de hidrógeno ocurren cuando este elemento se encuentra cargado positivamente (H⁺) y es atraído por cargas negativas en cualquier otra molécula pero con una intensidad que es sólo un 1% de la del enlace covalente. En las moléculas de agua (H⁺–O^––H⁺), el enlace de hidrógeno explica muchas de las propiedades de este compuesto y su interacción con grupos cargados de otras moléculas, como es el caso de la hidratación de proteínas y polisacáridos. Las interacciones de van der Waals corresponden a atracciones o repulsiones debido a efectos de cargas eléctricas débiles permanentes o momentáneas en las moléculas. Hay más sobre interacciones moleculares, pero lo visto permite progresar sin tropiezos.

Las cadenas de polímeros que poseen cargas eléctricas localizadas, como algunos polisacáridos, pueden ser unidas por un ión de signo contrario y así formar macroestructuras estables como los geles de carragenina o alginato. Pero la carencia de carga eléctrica también es una oportunidad para que las moléculas se asocien, especialmente si están en un ambiente altamente “cargado” como es el medio acuoso. Los grupos o zonas sin carga se “atraen” entre sí, se juntan y esconden al sentirse rechazados por el medio, dando lugar a las atracciones hidrofóbicas (odian estar en contacto con agua) que agrupan a las moléculas y las segregan del resto. Algunos geles proteicos se estabilizan en buena medida a través de este mecanismo. Las personas que se sienten discriminadas suelen también juntarse entre sí y apartarse. No es exagerado decir que estos y otros tipos de interacciones débiles, en forma individual o simultánea, son fundamentales en las estructuras que se obtienen en la cocina y en aquellas que darán origen a los alimentos del futuro.

El rompimiento de una relación es un acontecimiento doloroso. Las enzimas hidrolíticas son las mayores disociadoras y sirven para romper moléculas grandes como las proteínas, carbohidratos y lípidos, para dar lugar a moléculas más pequeñas. Pero bajo ciertas condiciones las enzimas pueden actuar como una casamentera y crear nuevos vínculos. En química muchas reacciones son reversibles y algunas enzimas pueden formar polímeros a partir de los monómeros (por ejemplo, sintetizar proteínas a partir de aminoácidos). Ciertas lipasas permiten pegar ácidos grasos específicos y formar triglicéridos con propiedades especiales, que se denominan lípidos estructurados. Es posible construir enzimáticamente anillos de 6 a 9 unidades de glucosa conocidos como ciclodextrinas con una región interna hidrofóbica donde se pueden albergar moléculas de aromas, pigmentos, vitaminas o compuestos “funcionales” poco solubles en agua, y cuyo exterior hidrofílico permite la dispersión en un medio acuoso.

El concepto de autoensamblaje (self-assembly) de moléculas se refiere a una asociación espontánea y reversible de grupos de moléculas para formar estructuras de acuerdo a cierta “información química” contenida en las moléculas mismas. Esta asociación produce un salto desde la escala molecular a la de decenas o centenas de nanómetros. Ejemplos de estas asociaciones de autoensamblaje que existen en los alimentos son las micelas de caseína en la leche que miden unos 200-400 nm (sección 2.9) y las membranas biológicas en células animales y vegetales. Los monoglicéridos y los fosfolípidos (moléculas de lípidos que tienen una cabeza polar y una cola apolar) pueden autoensamblarse espontáneamente, dependiendo de las condiciones del medio en que se encuentran, en una multitud de nanoestructuras con formas de láminas extendidas o lamelas (como las membranas biológicas), micelas (esferas compactas), vesículas (esferas con un centro hueco) e incluso fases ordenadas que se extienden en tres dimensiones.

Desde hace algún tiempo se sabe que las moléculas de ciertas proteínas forman agregados semi-esféricos de diversos tipos, algunos de los cuales prosiguen asociándose hasta formar las redes de los geles como el tofu o el yogurt. Otras proteínas como la beta-lactoglobulina del suero de queso se juntan para formar fibrillas del tamaño de varios nanómetros, que pueden ser transformadas en estructuras fibrosas. Resumiendo, tanto las moléculas de azúcares como de lípidos y proteínas que ya consumimos en los alimentos, bajo ciertas condiciones pueden formar estructuras supramoleculares a través de variados mecanismos que recién se comienzan a entender. Las posibles aplicaciones tecnológicas que permitan construir alimentos desde abajo hacia arriba están siendo investigadas con gran interés.

Las atracciones y repulsiones entre macromoléculas dan lugar a otros mecanismos de asociatividad supramoleculares que abarcan a una porción más extensa de materia llamada fase (ver sección 2.3). El equivalente sociológico de una fase podría ser los grandes conglomerados que forman los partidos políticos de izquierda y derecha, o los hinchas del Real Madrid y del Barcelona. Cuando moléculas de dos tipos distintos de polímeros se encuentran en solución en forma concentrada ocurre que en vez de mezclarse, se separan en dos fases inmiscibles enriquecidas cada una con un tipo de polímero (como las barras de fútbol en un estadio). Lo diferente a la separación en fases entre el aceite y el agua, es que en este caso el agua es el solvente común de ambas fases poliméricas luego de la separación. Ocurre que cuando hay pocas moléculas de cada polímero el solvente (agua) alcanza para rodearlas a todas, pero bajo condiciones de hacinamiento cada cadena polimérica se siente más cómoda rodeada por las de su clase (lo que es una experiencia frecuente entre los humanos). Por ejemplo, una mezcla de caseína y alginato en agua se separa en dos fases cuando la concentración total de los polímeros excede un 3%. Es común que durante el tiempo para alcanzar la separación final (o el equilibrio) entre las fases se produzcan “bolsones” de una fase dispersos en el continuo de la otra fase y por tanto microestructuras en la escala de micrones. Es posible “congelar” estas estructuras en cualquier etapa de la separación haciéndolas gelificar (formar geles, un proceso que se verá más adelante), y generar de esta manera texturas jamás saboreadas anteriormente. Otra forma de separación sucede cuando las moléculas de los polímeros tienen cargas de signo contrario lo que les permite asociarse y formar complejos poliméricos que se segregan del solvente (agua), como ocurre cuando se mezcla goma arábiga con proteínas del suero de leche. Estos dos fenómenos de asociación entre polímeros (la separación en fases y la formación de complejos) explican la creación de varias estructuras en varios alimentos procesados.⁴⁸ Sobre formación de redes poliméricas que dan lugar a estructuras macroscópicas como los geles se hablará en la sección 2.7.⁴⁹

Una analogía con el comportamiento de las personas explica por qué los polímeros en solución tienen propiedades que no se dan en el caso de soluciones de moléculas pequeñas. Si se acepta que un polímero puede ser una molécula muy larga que gira velozmente en todas direcciones cuando está sumergida en un solvente, acontece que el volumen de solvente “barrido” en este loco movimiento no está disponible para que entre otra cadena polimérica (que a su vez hace lo mismo). Entonces, las otras moléculas de polímero “ven” menos solvente donde ubicarse, lo que no ocurre con moléculas pequeñas que no ocupan mucho espacio. En la nieve, ¿alguien se atrevería a invadir la zona alrededor de una persona que se mueve erráticamente con sus esquís al hombro? Este esquiador abusivamente ocupa un volumen mucho mayor que alguien sin esquís y reduce sustancialmente el territorio disponible para el resto.

Las moléculas en fase gaseosa son algo especial. Como están muy distantes unas de otras, son las más independientes de todas y sólo les interesa estar esparcidas uniformemente en el espacio. Cuando se juntan muchas en una zona, tienden a diseminarse espontáneamente por todo el volumen. No ocurre lo mismo cuando se topan con una superficie de alta energía y se sienten atraídas. Las personas también son atraídas por superficies tentadoras. En un coctel, la gente se abalanza hacia las mesas que contienen las bandejas con sándwiches y pastelillos más exquisitos (o más caros) y permanece adherida a esos lugares. En términos químicos se diría que el contorno de las mesas se “satura” rápidamente con los más rápidos y golosos. Una segunda capa de individuos logra conseguir algo estirando los brazos pero su alcance es menor y, por último, una gran masa circula errática por entre las mesas como si estuviera en un paseo normal.

Igual acontece con las moléculas de agua en el aire cuando se aproximan al área exterior de los alimentos secos. Una primera capa o monocapa de moléculas se adhiere con gran energía a la superficie y es muy difícil de remover. Moléculas adicionales se disponen en forma de multicapas que tienen energías de adhesión decrecientes, pero aún no se comportan como el agua líquida. Sólo en alimentos frescos como las frutas, verduras y carnes en que existe una gran cantidad de agua (del orden de tres gramos de agua por gramo de sólidos) sucede que la inmensa mayoría de las moléculas se mueven como en un vaso de agua pura. Este espectro de hidratación, desde lo seco a lo muy húmedo, se describe por un parámetro conocido como la actividad de agua o a_w y da información de cómo se encuentra el agua en un alimento. La a_w varía entre 0 de un material seco y 1 del agua pura. Evidentemente, valores bajos de a_w representan poca disponibilidad de agua para el crecimiento de microorganismos y para la difusión de moléculas que podrían participar en reacciones químicas, y por tanto propician una mayor inocuidad y estabilidad química. Alimentos con alta a_w requieren de procesamiento térmico, ajustes de pH, uso de preservantes y/o refrigeración para quedar en forma estable. Los tallarines y la miel de abeja con valores de a_w de 0,30 y 0,75, respectivamente, representan bien el intervalo de a_w en que se encuentran los alimentos estabilizados controlando la humedad a niveles intermedios o bajos, removiendo agua y/o agregando solutos pequeños como azúcares o sal.⁵⁰

2.3. Ciencia de las estructuras masticables

Hasta ahora se ha visto que la naturaleza proporciona estructuras alimentarias en la forma de carnes, frutas, hortalizas, etc., que son la base de nuestra alimentación. Con el tiempo estas estructuras se fueron transformando como consecuencia del secado (pasas y charqui), la fermentación (quesos y yogures), y el calentamiento (papa cocida). Todas estas estructuras siguen siendo consideradas alimentos naturales a pesar de los cambios físicos y químicos que conllevan los procesos anteriores. Posteriormente se originaron productos procesados o elaborados más complejos como resultado de la aparición de ingredientes refinados y las mezclas entre ellos (helados de crema), con lo cual el espectro de las estructuras alimentarias aumentó considerablemente.

Hace 20 años, los ingenieros de alimentos se dieron cuenta que el comportamiento físico y mecánico de los alimentos, tanto naturales como procesados, no era distinto al de otros materiales de la vida diaria, y no podía ser de otra manera. De hecho, las mismas proteínas de la soya que se utilizan para hacer tofu, fueron empleadas por Henry Ford para fabricar los manubrios de su modelo T en los años 1930s, y la caseína de la leche ha sido moldeada y convertida en botones y peinetas por siglos. Recientemente los ingenieros de alimentos no han encontrado dificultad en transformar soluciones de almidón y otros polisacáridos en películas transparentes similares a las de polietileno, celofán o PVC de los envases. El bioetanol derivado de la caña de azúcar o del almidón de maíz, y el biodiesel a partir del aceite de oleaginosas, ya propulsan a muchos vehículos. Incluso se habla de biorrefinerías donde sean plantas o sus desechos los que proporcionen productos similares a los que actualmente se derivan del petróleo y así tener una economía “más verde”.

La característica fundamental de las estructuras alimentarias es que deben romperse y ser sabrosas. Nuestras bocas esperan ante todo recibir estructuras consistentes y que se deshagan de manera que generen sensaciones agradables. Este enfoque, que reconoce a los alimentos como estructuras apetecibles con propiedades nutritivas, diverge del punto de vista meramente químico tan prevalente en el estudio de los alimentos durante el siglo pasado, y abre paso a la Ciencia de los Materiales Alimentarios. Se entiende que esto cause escozor entre aquellos que piensan que los alimentos no pueden ser simples materiales pues representan parte de la esencia misma de los seres humanos, su cultura y sus tradiciones. Tienen mucha razón y es algo que no se debe perder nunca de vista.

Una razón importante para desarrollar una ciencia de los materiales masticables y sabrosos es aprovechar la abundante base científica y tecnológica disponible en otras áreas del conocimiento y alejarse del empirismo que ha caracterizado buena parte del estudio de los alimentos hasta la fecha. La aproximación más directa es con la ciencia de los polímeros sintéticos, dada la abundancia de las proteínas y polisacáridos en casi todos los alimentos. Es cierto que a diferencia de lo que ocurre con las tecnologías de polímeros sintéticos o “plásticos”, como se conocen comúnmente, en los alimentos los polímeros suelen estar mezclados con otros componentes que afectan su comportamiento y por tanto, la cosa se complica. Pero si la presencia de múltiples componentes fuera una excusa, no habría estudios básicos en alimentos. Se puede decir que el estudio de los materiales alimentarios no comenzó sino hasta fines de los años 1980s cuando dos científicos que trabajaban para la empresa Nabisco, el gigante norteamericano de las galletas, expusieron sus investigaciones en que aplicaban conceptos de la física de polímeros al estudio de algunos productos alimenticios.⁵¹

Un compuesto puro puede presentarse en distintos estados de agregación denominados fases y para el agua se habla de fase sólida (hielo), líquida (agua de la llave) y gaseosa (vapor de agua). Aunque se pueden distinguir dos fases en un vaso de agua con hielo o en una tetera con agua hirviendo, en el equilibrio (por ejemplo, cuando haya transcurrido un tiempo muy largo) y a temperatura ambiente y presión atmosférica el agua estará en forma líquida, como se muestra en un diagrama de equilibrio de fases. Esto significa que el hielo eventualmente se derretirá y al retirar la tetera del fuego no se generará más vapor de agua. En ciencia de los materiales alimentarios se prefiere llamar estado a una condición metaestable (es decir, alejada del equilibrio) que adquiere un material y que afecta el movimiento libre y espontáneo de las moléculas, lo que quedará claro más adelante en esta sección. Al analizar el efecto de las condiciones de procesamiento de los alimentos un diagrama de estado proporciona mejor información que un diagrama de equilibrio de fases, pues describe también los estados metaestables en que pueden quedar grupos de moléculas (más sobre esto en la sección 8.1).

Muchos alimentos parten del estado líquido y terminan siendo sólidos. Pensemos en azúcar fundida que al enfriarse se transforma en una cobertura o en dispersiones líquidas complejas como la leche que pasan a ser polvos luego de removerles el agua durante la deshidratación. El paso de líquido a sólido debe ser traumático para las moléculas porque pierden la libertad de moverse rápida y desordenadamente y en cambio en el estado sólido se ven inmóviles o atrapadas. La variable clave en esta transición de líquido a sólido es la velocidad de enfriamiento en el caso de un líquido puro, o la velocidad de remoción del agua en el caso de las soluciones. Se forma un vidrio cuando un líquido puro (por ejemplo, azúcar derretida a más de 150ºC) se enfría tan rápido que las moléculas no pueden ordenarse y quedan atrapadas en forma sólida casi en la misma posición que ocupaban en el estado líquido. En el caso de una solución (por ejemplo, la lactosa en la leche líquida), al remover rápidamente agua por deshidratación los solutos también quedan como un vidrio. Las estructuras formadas son amorfas o vítreas, y en general, a la condición en que grupos de moléculas se encuentran dispersos al azar en forma sólida debiendo estar ordenadas como lo indica el equilibrio, se le denomina estado vítreo. Se dice en “forma sólida” porque rigurosamente un vidrio es un líquido subenfriado y así definen en el colegio a los vidrios de las ventanas.⁵² Como son líquidos, los vidrios poseen viscosidad (sección 2.4) pero esta es tan alta que no se los ve fluir. La viscosidad de un algodón de azúcar (que técnicamente es un vidrio) es aproximadamente 10⁹ (o mil millones de veces) mayor que la de un almíbar. Varios tipos de moléculas alimentarias forman vidrios, como casi todos los azúcares (entre ellos, la sacarosa y la lactosa), las proteínas (especialmente si han sido hidrolizadas) y derivados del almidón, como las dextrinas.

Para algunos líquidos puros como el agua, la velocidad de enfriamiento necesaria para producir un vidrio es tan alta, que en condiciones normales de enfriamiento las moléculas pueden ordenarse en posiciones regulares y formar un cristal denominado hielo, que es el estado final de equilibrio. Evidentemente, en el estado vítreo no se ha alcanzado este equilibrio y por eso se dice que es un estado metaestable. Eventualmente, las moléculas de un vidrio se ordenarán y llegarán a ser cristales, estructuras con máximo orden y mínima complejidad, porque así lo dicta la termodinámica (sección 6.2). Es aquí donde se produce una de las paradojas más increíbles del mundo de los materiales. A pesar que bajo ciertas condiciones la situación de equilibrio es el estado cristalino y a él debieran llegar espontáneamente las moléculas, el tránsito a esta condición no es fácil. En un laboratorio y bajo condiciones controladas se puede producir el subenfriamento del agua en estado líquido, alcanzando temperaturas de hasta -40ºC, a pesar que el equilibrio dice que debiera estar en forma de hielo por debajo de los 0ºC (como en el congelador doméstico). En la cocina es posible preparar soluciones de azúcar más concentradas que lo indicado por la saturación o el equilibrio (67% de sacarosa a 20ºC) sin que se formen cristales, lo que se denomina sobresaturación. Lo que ocurre es que para que crezca un cristal, ya sea de hielo o de azúcar, primero es necesario que se forme un núcleo o una minúscula partícula cristalina sobre la cual se empiezan a adosar rápida y ordenadamente las otras moléculas para formar el cristal. Se habla entonces de nucleación homogénea, cuando hay que esperar hasta que un grupo pequeño de moléculas se ordenen espontáneamente en la forma que corresponde al cristal y de nucleación heterogénea cuando los núcleos nacen sobre imperfecciones en una superficie o en partículas contaminantes. Obviamente, el inicio de la cristalización es más difícil en el primer caso que en el segundo. El subenfriamiento y la sobresaturación corresponden a estados metaestables posibles en la congelación y la cristalización. Hay más sobre esto y el equilibrio en las secciones 6.2 y 6.3.

Existen muchas situaciones en que el procesamiento conduce a la formación de vidrios o cristales alimentarios. La confitería se basa en gran medida en que la sacarosa no cristalice y permanezca como un vidrio, y los caramelos son una muestra de ello. Sin embargo, en la producción de azúcar de mesa, el jarabe de azúcar sobresaturado se “siembra” con pequeños cristales de azúcar flor para que la sacarosa cristalice más rápidamente. En el secado por aspersión para producir leche en polvo, la rápida remoción del agua desde las gotas de leche deja a la lactosa en forma vítrea.

En ciencia de los materiales se denomina estado gomoso a aquel en que la movilidad de las moléculas de un sólido, chicas o grandes, es suficiente para que se desplacen ligeramente unas respecto a las otras. Un material en estado gomoso se muestra flexible y deformable. Una cañería de PVC es rígida porque sus moléculas están impedidas de moverse (es un vidrio), mientras que una manguera del mismo material es flexible porque la adición de un plastificante actúa como lubricante y permite la movilidad de las moléculas (por tanto la manguera es literal y científicamente una “goma”). El paso de vidrio a cristal es un proceso que depende del tiempo y requiere el paso a través del estado gomoso porque las moléculas necesitan tener una cierta movilidad para ordenarse (figura 2.2). En la naturaleza, y por ende en los alimentos, existe un plastificante cuya presencia transforma a un material vítreo en gomoso: el agua. El cochayuyo seco es rígido como la tubería de PVC, pero luego de un remojo se suaviza y se pone flexible como una manguera.

La frontera entre el estado vítreo y el gomoso está dada por la temperatura de transición vítrea o T_g, que es propia de cada material, tal como lo son la temperatura de fusión y de ebullición, pero en este caso T_g depende de la humedad. Sin embargo, T_g no representa una transición de fase, sino que corresponde a un cambio de estado (del estado vítreo al estado gomoso) y no requiere del aporte de una gran cantidad de calor para que ocurra (el llamado calor latente o de cambio de fase). El paso del estado vítreo al estado de goma se facilita al aumentar la humedad (porque T_g disminuye con la humedad) o por calentamiento, pues ambos fenómenos favorecen la movilidad de las moléculas. De aquí a que el material cristalice, es cuestión de tiempo (figura 2.2).

FIGURA 2.2. Transformaciones del estado líquido al estado sólido en alimentos. Dependiendo de la velocidad de enfriamiento se puede formar un vidrio amorfo que es metaestable o un cristal ordenado y estable. El paso de vidrio a cristal ocurre espontáneamente a través del estado gomoso, si se dan las condiciones para la movilidad y el ordenamiento de las moléculas.

El aire que nos rodea contiene agua en forma de vapor, lo que se indica como humedad relativa del aire (HR) en los pronósticos meteorológicos (ver también sección 8.1). Una galleta crocante recién sacada de su envoltorio se fractura en la boca de manera quebradiza y ruidosa, lo que es típico de su estado vítreo. Dejada al aire ambiente, la galleta absorbe agua desde el aire (¡en forma de moléculas!) y la percibimos deformable y “silenciosa”, lo que revela su paso al estado gomoso (figura 2.2). El agua ha “plastificado” al almidón de las galletas, del mismo modo que los plastificantes químicos convierten al PVC rígido en el material suave y flexible de las mangueras. El agua es el plastificante natural de los materiales biológicos y en ese rol es también fundamental para la vida en la Tierra. Resumiendo, T_g es un parámetro fundamental de los alimentos amorfos con poca humedad y criterio fundamental para determinar su estructura, textura y reactividad química puesto que da información sobre la movilidad de las moléculas en el sistema. Más sobre T_g y su efecto en la estabilidad de los alimentos se verá en la sección 8.1.

No debe confundirse el estado gomoso con la elasticidad de gomas (rubber elasticity). Una goma, como el caucho de los neumáticos de los autos, es una red polimérica entrecruzada al azar que muestra propiedades elásticas. Un elástico de billetes puede estirarse varias veces sin romperse y al retirar la fuerza que lo deforma vuelve a su largo original. Esto se debe a que al estirarse las largas cadenas del polímero se ordenan momentáneamente y al retirar la fuerza deben volver espontáneamente a un estado de mayor desorden o entropía (concepto que se verá en la sección 6.2). La elastina es la principal proteína elástica en los vertebrados y forma parte, junto al colágeno, de los ligamentos de las articulaciones. No hay muchos materiales alimentarios que exhiban una notoria elasticidad de gomas, salvo el chicle, el gluten de trigo⁵³ y, en forma limitada, la carne de locos y abalones.

El método más común de transformar la estructura de los alimentos para comerlos es calentarlos. A medida que se aumenta la temperatura primero se desestabilizan las interacciones moleculares más débiles (como las interacciones hidrofóbicas) y eventualmente se acumula suficiente energía para romper enlaces covalentes y producir varias reacciones químicas (ver sección 2.2). La figura 2.3 muestra los cambios que se producen en distintos componentes de los alimentos durante el calentamiento.

Las proteínas al ser calentadas pierden progresivamente su estructura nativa, se despliegan y pasan a otro estado más desordenado en un proceso complejo que se denomina denaturación térmica. Al denaturarse, las moléculas de proteína pierden solubilidad, retienen menos agua, hacen más viscosas a las soluciones, etc., lo que desde el punto de vista culinario significa que coagulan, se agregan y gelifican. Normalmente el proceso de denaturación de proteínas ocurre dentro de un rango de temperaturas que depende de muchos factores (por ejemplo, contenido de agua, pH y presencia de iones), pero por sus roles biológicos en seres vivos casi nunca se inician bajo los 60ºC. Por ejemplo, la clara de huevo se empieza a denaturar a los 63ºC, forma un gel suave a los 65-70ºC y se endurece cerca de los 77ºC, mientras que la yema comienza a denaturarse a los 65ºC y termina de endurecerse pasado los 80ºC. El calentamiento de un calamar a 100ºC por un minuto hace soluble las fibras de colágeno y suaviza la estructura compuesta. A temperaturas más altas hay suficiente energía como para que se formen nuevos enlaces entre las moléculas de proteínas a través de reacciones de entrecruzamiento. La ligazón química entre las moléculas estiradas de proteína de soya, que ocurre a unos 140-160ºC, permite obtener una proteína texturizada o carne vegetal que mantiene su estructura fibrosa durante la cocción (sección 4.8). Temperaturas aún más altas, producen la descomposición de las proteínas.

FIGURA 2.3. Efecto del calentamiento en los cambios de fase, transiciones de estados y algunas reacciones en los principales componentes de los alimentos. T_amb = Temperatura ambiente.

La sacarosa a temperatura ambiente se encuentra en forma cristalina y algunas veces en estado amorfo como un vidrio (ver sección 2.5). Consumimos también otros tipos de azúcares como la fructosa en las mieles y frutas, y la lactosa en la leche. Cuando la sacarosa se calienta por encima de 100ºC se desata una serie de reacciones complejas conocidas como reacciones de caramelización, que dan origen tanto a compuestos odoríferos como a pigmentos de color café asociados con el tostado y el caramelo. Los cristales de sacarosa se funden en un líquido incoloro alrededor de los 154ºC, que comienza a ponerse ámbar a partir de los 168ºC y se quema a los 190ºC dando lugar a sabores amargos y un color oscuro. El azúcar líquido entre los 155 y 165ºC es un excelente medio de calentamiento y una manera novedosa de “freír” alimentos en azúcar. Ciertos azúcares llamados azúcares reductores (glucosa, fructosa, maltosa y lactosa) si se calientan en presencia de proteínas, péptidos, aminoácidos o aminas, participan en una reacción conocida como reacción de Maillard, llamada así en honor al bioquímico francés Louis Camille Maillard (1878-1936). La reacción de Maillard origina pigmentos de color café, compuestos volátiles que son muy importantes en la cocción, el horneo y la fritura, y también da lugar a sustancias amargas. Se ha descubierto que algunos compuestos de esta reacción tienen una potencial actividad mutagénica.⁵⁴

El almidón existe en la naturaleza en forma de gránulos de tamaños entre 5 y 50 micrones, que son como diminutos granos de arena en el sentido que los dos componentes poliméricos del almidón, la amilosa y la amilopectina, se encuentran empacados en forma densa e insoluble (sección 2.1). Si el almidón se calienta en presencia de abundante agua, los gránulos de almidón comienzan a hidratarse e hincharse a partir de los 55-65ºC, fenómeno que se conoce como gelatinización del almidón, que no hay que confundir con gelificación o formación de geles, que se verá en la sección 2.7. La figura 3.3 del capítulo 3 presenta la hinchazón de un gránulo de almidón en el tiempo vista bajo un microscopio de luz. Durante el calentamiento, la suspensión se vuelve progresivamente más viscosa al romperse los gránulos hinchados y liberar amilosa y amilopectina, como es común de apreciar al agregar almidón o harina a una salsa caliente o cuando se hace engrudo. Un exceso de agitación en esta etapa produce una reducción de viscosidad y si es seguida de enfriamiento conduce a una débil gelificación y eventualmente a una cristalización parcial de los polímeros liberados. Otro fenómeno que puede sufrir el almidón es la dextrinización, que es el corte de las moléculas de amilosa y amilopectina por medio de enzimas o también por fricción y calentamiento en seco, como sucede en el caso en los productos extruidos (por ejemplo, snacks de maíz). Las dextrinas son polímeros cortos de la glucosa (y por tanto relativamente solubles) que se usan, entre otras cosas, para hacer alimentos infantiles en forma de papillas.

Los lípidos, ya sea en la forma de aceites o como grasas fundidas, son líquidos que tienen la propiedad que a presión atmosférica pueden ser calentados hasta alrededor de 190-200ºC sin alterarse químicamente. A temperaturas superiores, que varían entre los 200 y 230ºC comienzan a descomponerse, lo que se conoce como punto de humo. Esto permite que diversos alimentos puedan ser calentados en un medio líquido a alta temperatura en el proceso llamado fritura (sección 8.7). No hay muchos medios líquidos que a presión atmosférica cubran la brecha de temperaturas entre los 100ºC del agua hirviendo y los 180 a 190ºC de los aceites calientes. En condiciones de manejo y almacenamiento, los lípidos están expuestos a dos reacciones de deterioro, que son la rancidez hidrolítica y la rancidez oxidativa (sección 1.3) La primera reacción es causada por enzimas existentes en los alimentos y que liberan ácidos grasos, los que a su vez generan malos olores y sabores (como el ácido butírico en la mantequilla rancia). La oxidación de grasas (o rancidez oxidativa) es una reacción entre el oxígeno y los ácidos grasos insaturados, la que se puede controlar parcialmente usando antioxidantes.

2.4. Líquidos y sólidos extraños

Para un físico los alimentos son materia suave condensada, es decir, un sólido que se deforma o un líquido que fluye bajo pequeños esfuerzos y donde sus numerosas moléculas se mantienen muy cerca unas de otras a través de múltiples interacciones (ver sección 2.2). Basta abrir la puerta del refrigerador para constatar la enorme diversidad de materiales que cumplen con esta definición: mayonesa, leche, quesos, huevos, etc.

A los ingenieros les gusta tener referentes simples cuyo comportamiento sea fácil de explicar y de modelar, pero que posiblemente sólo existan en su imaginación. Por eso, definen un sólido ideal y un líquido ideal, ambos en las antípodas del espectro del comportamiento mecánico de todas las formas reales de materia condensada que conocemos (ver sección 5.2). Total, las conductas físicas de los materiales reales, como la mayoría de los líquidos y sólidos alimentarios, se pueden explicar “complicando” estos comportamientos ideales.

Los líquidos no tienen forma fija y adoptan aquella del recipiente que los contiene. Fluyen en forma instantánea ante la aplicación de cualquier fuerza con una propiedad característica que se denomina viscosidad, equivalente a la consistencia o fluidez. Cuando un líquido fluye, las moléculas deben deslizarse unas respecto a otras y por ende los líquidos formados por moléculas pequeñas tienen una viscosidad menor que aquellos que contienen moléculas grandes (como los polímeros) o partículas irregulares. La viscosidad del agua es 100 y 1000 veces menor que la del aceite y un jarabe, respectivamente.

Para algunos líquidos que contienen polímeros la viscosidad no es constante y si se deforman en forma rápida (como cuando se agitan en una batidora o dentro de un frasco) aparentan ser menos espesos. Estos líquidos se denominan fluidos pseudoplásticos. En estos casos la estructura del líquido cambia y las moléculas de polímero se alinean en la dirección de la deformación oponiendo menos resistencia a fluir, y por ende exhiben una viscosidad menor que cuando están quietos. Al remover la agitación, el líquido vuelve a ser tan espeso como originalmente. Si se revuelve una solución del 1% de carragenina con una batidora que gira a cincuenta revoluciones por segundo la viscosidad aparente es casi un quinto de la que tiene si se la deja fluir lentamente. Otra evidencia de que los líquidos complejos tienen estructura es el extraño comportamiento del ketchup. Para que el ketchup fluya desde una botella es necesario vencer una fuerza que se opone al flujo y que es producida por el entrecruzamiento de las moléculas del concentrado de tomate. Al agitar la botella se generan fuerzas de corte sobre el material, el que entra en fluencia y continúa chorreando hasta vaciarse completamente si fuera necesario. También se puede vencer esta condición de taponamiento apretando una botella plástica, lo que impulsa al fluido por la boquilla. Otros productos que exhiben este comportamiento extraño son algunas mayonesas y mostazas, así como también la pasta de dientes.

La idea intuitiva de un sólido es algo que resiste la aplicación de una fuerza sin deformarse mayormente. Es lo que se espera de los parachoques de los autos y las vigas de los edificios, no así de un trozo de carne, una manzana o una jalea. Se comportan casi como sólidos ideales los caramelos y las nueces enteras que resisten altas fuerzas y no se deforman antes de quebrarse o fracturarse en forma repentina. Otros alimentos que nos parecen sólidos, como los quesos, presentan una deformación plástica antes de partirse, es decir, se deforman apreciablemente. Una gran proporción de los alimentos exhiben un comportamiento que no es exactamente el que se puede esperar de un sólido, en buena medida porque contienen bastante agua, pero tampoco fluyen fácilmente. Por lo tanto, se dice que son viscoelásticos: en parte muestran viscosidad y cierta tendencia a fluir, y en parte se recuperan como un sólido elástico, pero oponen resistencia a una fuerza. Todas estas sutilezas en el comportamiento de los materiales son percibidas en mayor o menor grado en la boca y constituyen parte de las propiedades sensoriales de los alimentos.

2.5. Odios que dan amores

El agua y el aceite no se mezclan espontáneamente y se separan en dos fases. Si se agitan juntos, se logra dispersar uno dentro del otro en forma de gotas, pero a la larga estas gotas se juntan y las fases se separan. Una emulsión es una dispersión de dos líquidos que son inmiscibles, uno de los cuales pasa a formar la fase dispersa (gotitas) mientras el medio que las rodea constituye la fase continua. La emulsiones más comunes en alimentos tienen dos componentes: agua (W) y aceite (O). Consecuentemente, se tienen emulsiones en que gotas de aceite están suspendidas en agua (O/W), típicas de las mayonesas y salsas, y viceversa (W/O), como ocurre en la mantequilla. En general, en una emulsión los tamaños medios de las gotas de la fase dispersa varían entre 1 y 50 μm (ver figura 2.8 D). Las cremas y muchas salsas son emulsiones de una consistencia suave y cremosa agradable al paladar con la ventaja que permiten albergar colores, sabores y aromas solubles en una o ambas fases.

Para formar una emulsión O/W primero hay que suministrar energía que disperse al aceite en forma de gotas (por ejemplo, en una juguera) y luego estabilizar las gotas de modo que no se vuelvan a juntar, lo que se logra posicionando moléculas especiales en la interfase entre el aceite y el agua. Los agentes químicos que hacen este último trabajo se denominan emulsificantes o surfactantes y actúan reduciendo la tensión superficial (o energía superficial) que atrae a las moléculas de líquido en la interfase hacia el interior de las gotas. Al bajar la energía interfasial disminuye también la cantidad de energía necesaria para formar la emulsión. Los surfactantes comerciales son moléculas que tienen cabezas polares (que apuntan al agua) y colas apolares (que se sumergen en el aceite). La relación entre el efecto polar y el apolar se conoce en la jerga técnica como valor HLB (hydrophile-lipophile balance), varía entre 1 y 20 y sirve para seleccionar un surfactante, pues el tipo de emulsión depende bastante del tipo de emulsificante y de su solubilidad en la fase continua. Los emulsificantes solubles en aceite tienen un HLB bajo (3 a 6) y los solubles en agua uno alto (10 a 18). La otra regla general para formar una emulsión estable es que la fase continua tiende a ser aquella que está en mayor proporción, pero esto no es siempre así. Con estos criterios técnicos estamos en condiciones de buscar el emulsificante de grado alimentario para hacer nuestra propia emulsión.

Pero no sólo las moléculas de surfactantes pueden estabilizar emulsiones; también lo pueden hacer los polímeros y las partículas finas. Algunos polisacáridos, pero fundamentalmente las proteínas que se encuentran desplegadas (denaturadas), se posicionan en las interfases con sus partes hidrofílicas e hidrofóbicas apuntando hacia las fases acuosa y oleosa, respectivamente. Por su gran tamaño evitan que las gotas lleguen a tocarse y la presencia de una carga eléctrica neta (positiva o negativa) provoca la repulsión. Finas partículas que logran ubicarse en la interfase de las gotas ayudan a mantenerlas separadas, como en el caso de los granos de mostaza molidos finamente que se agregan a la mayonesa y estabilizan la emulsión.

Un desarrollo reciente con posibilidades insospechadas en alimentos son las emulsiones dobles. Una mayonesa espesa está compuesta en un 80 a 90% por gotitas de aceite con un tamaño medio de 20 μm, empacadas apretadamente en una fase acuosa. ¿Qué pasaría si dentro de cada gotita de aceite se ubicara una gotita más pequeña de agua? En primer lugar sería una emulsión doble: las gotitas de agua dentro de la gota de aceite constituirían una emulsión de agua en aceite (W/O), y las gotas de aceite rellenas por estar dispersas en una fase acuosa, corresponderían a una emulsión O/W. En la terminología anterior esta emulsión doble es una emulsión W/O/W. Lo importante de una emulsión doble como la anterior, nunca antes vista en los alimentos, pues requieren de cierta tecnología, es que las calorías aportadas por las gotas de aceite de una emulsión convencional podrían ser reducidas drásticamente al tener un centro acuoso, y la naturaleza del producto seguiría siendo la misma, es decir, una emulsión de “gotas de aceite hipocalóricas” en agua. La tecnología tiene ahora la palabra para este nuevo diseño de salsas emulsificadas con menos calorías.

2.6. Aprisionando el aire

El aire es un componente barato en los alimentos y que no se declara en la etiqueta. Las espumas son una categoría de materiales en los cuales hay una gran cantidad de gas (generalmente aire) dispersa en forma de burbujas en un medio continuo que puede ser líquido, sólido o semi-sólido. Existe la espuma de la cerveza, en que pequeñas burbujas de dióxido de carbono (o nitrógeno) se distribuyen en el líquido, y la miga del pan que es una espuma sólida, donde las celdas de aire están rodeadas por paredes de almidón y proteína. En las “sustancias” (marshmallows) la matriz es elástica y por tanto son más parecidas a una esponja. Las burbujas de gas hacen que los alimentos sean más suaves y livianos, sólo basta pensar lo que sería el pan sin ellas, y está de moda “airear” salsas y postres. La sección 8.6 trata de otras esponjas sólidas como el popcorn y el suflé.

Para que se forme una espuma líquida es fundamental que exista un líquido y un gas, pero esto no basta, como hemos comprobado muchas veces al batir agua pura con una cuchara. Es necesario que “algo” se ubique en la interfase entre la burbuja y el líquido y estabilice la espuma. Como es de conocimiento común, si se agrega una gotita de detergente de cocina al agua se forma una espuma abundante. La formación de espumas también tiene que ver con la tensión superficial del líquido. En contacto con el gas, la tensión superficial del agua pura es bastante alta por lo que es necesario añadir un surfactante (también conocido como agente tensoactivo) para que sea más fácil formar la espuma.

Los alimentos aireados, como se les conoce también a las espumas alimentarias, existen en la confitería, productos de horneo, snacks y cereales de desayuno, helados y bebidas.⁵⁵ ¿Cuánto aire se puede comprar? Bueno, 95% en las cabritas o popcorn, 90% en un merengue, 70% en el pan, 50% en un helado de crema y 40% en una barra de chocolate aireado, razón por la cual algunos de estos alimentos se venden por volumen (por ejemplo, el helado por litro). Las espumas se pueden generar de varias maneras: batiendo aire dentro de una fase líquida (helados y merengues), fermentando con levaduras que producen CO₂ (pan), a partir de la reacción química de polvos de hornear (queques y galletas), bajando la presión de un líquido sobresaturado con gas (cerveza y champagne) o por expansión bajo vacío (chocolate aireado).

Hay tres tipos de inestabilidades que ocasionan el colapso y la muerte de una espuma. Primero está el llamado desproporcionamiento, en que el gas tiende a difundir desde las burbujas chicas (donde está a una presión mayor) hacia las grandes, con lo que crece continuamente el tamaño de las burbujas. Por esta razón hay bastante interés en desarrollar tecnologías que produzcan espumas con burbujas de tamaño uniforme (o monodispersas) que minimicen este fenómeno. Luego existe el drenaje de líquido en las lamelas o finas películas líquidas que separan a las burbujas, que se soluciona parcialmente aumentando la viscosidad de la fase líquida, por ejemplo, agregando algún polímero. Por último, está la coalescencia o fusión de burbujas al romperse las lamelas que las separan y en este caso lo recomendable es usar un surfactante que otorgue mayor elasticidad o protección a las interfases.

Respecto a los gases, hay siete cuyo uso como aditivos en forma pura está permitido comercialmente por la Unión Europea: oxígeno, hidrógeno, dióxido de carbono, nitrógeno, óxido nitroso, helio y argón.⁵⁶ De estos, sólo el óxido nitroso no está presente en cantidades significativas en el aire que respiramos (¡pero sí lo están gases tóxicos producto de la combustión y contaminación, y que no queremos agregar!). Los gases son solubles en líquidos y al subir la presión la cantidad de gas disuelto aumenta. Por esta razón no vemos burbujas de CO₂ en las botellas de gaseosas que están a una presión de 1,2 atmósferas (20% más que la presión atmosférica) cuando están frías, y casi al doble a 20ºC. Para comparar, la presión de un neumático de auto es casi 2 atmósferas, equivalentes a las 28 a 30 libras por pulgada cuadrada, que es al número a que apuntamos cuando queremos inflarlos. Distintos gases tienen diferente solubilidad en un líquido y esto influye en la formación de las burbujas, como se aprecia al abrir una lata de cerveza Guinness que genera una espuma cremosa y fina debido al nitrógeno que es dispensado desde un receptáculo especial.

Un poco de trivia tecnológica relativa a espumas alimentarias. Las espumas de clara de huevo, fundamentales en los merengues y suflés, son bastante estables porque una fracción de las proteínas en las claras, entre ellas las globulinas, se denatura por el batido y migra a la interfase de las burbujas estabilizándolas para que no se rompan. Otra fracción importante representada por la ovoalbúmina (54% del total de proteínas) no se modifica por la acción mecánica y le otorga una alta viscosidad al líquido que se ubica entre las burbujas, retardando el drenaje. Durante la cocción la ovoalbúmina se denatura por el calor y vuelve rígida la estructura. Pero hay más. Cuando las claras de huevo se baten en un recipiente de cobre se forma un complejo entre los iones de este metal y otra proteína, la conalbúmina, lo que vuelve más estable a la espuma.⁵⁷ Aunque se dice que la yema de huevo y el aceite atentan contra un buen batido de la clara de huevo, pues compiten con la proteína por llegar a la interfase aire-líquido de las burbujas, hay interfases de espumas que se estabilizan exclusivamente con lípidos. Tal es caso de la crema batida donde la acción mecánica produce la ruptura de la membrana que rodea los glóbulos de grasa en la crema líquida (sección 2.9) y provoca la salida de grasa líquida que actúa como pegamento entre los glóbulos que se posicionan en la interfase con las burbujas. Una recomendación es enfriar la crema en el refrigerador antes de batirla y así reducir la proporción de grasa líquida en el interior de los glóbulos de grasa (que aumenta con la temperatura hasta que se derriten totalmente a 32ºC). Puesto que muchos glóbulos de grasa (la crema es 30% lípidos) se van a ubicar en las interfases de las burbujas, como se muestra en la figura 2.4, es conveniente que estén más sólidos y no se deformen para otorgar una mayor rigidez de la espuma.⁵⁸

FIGURA 2.4. Microestructura de la crema de leche batida observada con un microscopio electrónico de barrido en condiciones de congelación. Nótese la profundidad de campo de esta técnica, que permite ver el interior de las burbujas de aire. Se pueden apreciar los glóbulos de grasa entre las burbujas y algunos que se asoman hacia el interior de las burbujas, el que se sella con la grasa líquida.

2.7. Gel o no gel

Entre las estructuras vivientes más curiosas están los peces gelatinosos (jellyfish) y las medusas. Su apariencia transparente se debe a que carecen de esqueleto y prácticamente son una solución acuosa con tan solo 1% de materia orgánica. Los orientales los comen y son materias primas muy preciadas.⁵⁹ El interior de nuestras células o citoplasma tiene en buena medida la estructura de los peces gelatinosos. La manera de conseguir que el agua exhiba un comportamiento semi-sólido es “sujetarla” con una matriz polimérica tridimensional que sea capaz de “disolverse” o hincharse en el medio acuoso, lo que se conoce como gel. Un gel es lo más parecido a tener agua sólida a temperatura ambiente, pues estas estructuras suaves y autosoportantes pueden llegar a tener del orden de 98 partes de líquido y sólo dos partes de sólido. El proceso de gelificación es similar a una solidificación donde el cambio de fase ocurre desde una solución llamada sol al estado de gel. Los geles son importantes en la cocina para formar estructuras cuasi-sólidas, delicadas y transparentes, o para retener agua y atrapar exudados.

La matriz de un gel debe estar formada por una red, ya sea de un polímero (colágeno en la gelatina, alginato, etc.) o de cadenas de agregados proteicos que se unen como en un collar de perlas (caseína, albúmina de clara de huevo). Dentro de esta red queda atrapada el agua o una solución (figura 2.5). Lo importante es que las largas cadenas de polímeros o de agregados estén unidas en algunos puntos o zonas de entrecruzamiento que restrinjan el movimiento local y den estabilidad a la estructura. Polímeros como los alginatos forman zonas de entrecruzamiento con iones de calcio (Ca⁺²) que actúan como puentes entre moléculas adyacentes del polímero, mientras algunos carragenatos lo hacen en presencia del ión potasio (K⁺). En los geles proteicos el mecanismo es básicamente a través de atracciones hidrofóbicas (sección 2.2). Tanto los ingredientes que forman geles como los mecanismos de gelificación, es decir, de la transición de sol a gel, son muy variados y se recomienda consultar una fuente especializada.⁶⁰ Hay geles que se forman después de enfriar una dispersión caliente como, por ejemplo, los de gelatina y κ-carragenato. En general, las proteínas globulares como aquellas de la clara y yema de huevo, soya, suero de queso, etc. forman geles no-reversibles por calentamiento (por ejemplo, un huevo duro). Lo que se requiere es que primero la proteína se desdoble o denature, se formen agregados muy pequeños (de menos de 1 μm de diámetro) y luego interaccionen entre ellos formando cadenas. El pH y la fuerza iónica del medio (dada por la concentración de sales disueltas) juegan un rol fundamental en la consistencia y transparencia u opacidad de estos geles. Con un poco de ayuda del laboratorio es posible hacer un gel transparente de clara de huevo.⁶¹

El yogurt es un gel que se produce por la acción sobre la leche de dos microorganismos beneficiosos productores de ácido: el Lactobacillus bulgaricus y el Streptococcus thermophilus. Previo a la inoculación de las bacterias, la leche debe ser calentada a 85ºC por varios minutos para que se denaturen las proteínas del suero de la leche e interaccionen con una fracción llamada κ-caseína que ocupa la superficie de las micelas caseínicas, lo que favorece la textura del yogurt. Al descender gradualmente el pH a 4,6 por la producción de ácido, se forma el gel suave que conocemos como yogurt. Mirado al microscopio electrónico un yogurt aparece como una red tridimensional de agregados de proteína que retienen la fase acuosa en el interior, como se aprecia en la figura 2.5.

FIGURA 2.5. Microestructura de un gel lácteo tipo yogurt vista con un microscopio electrónico de transmisión. Los objetos redondos oscuros son micelas de caseína que están unidas como en un “collar de perlas” y forman la red del gel. También se pueden ver un par de glóbulos de grasa. El área gris representa la solución acuosa atrapada por la red.

Hay trucos simpáticos que se pueden hacer con geles. El “té frío-caliente” desarrollado en el célebre restaurante británico Fat Duck se basa en agregar un gelificante al té común y corriente para que se forme un gel suave. Luego, se muele finamente el gel y se divide en dos porciones, una de las cuales se calienta. Si se coloca momentáneamente un divisor en un vaso se puede verter en un lado una porción del fluido caliente y en el otro el fluido frío, sin que se mezclen. A simple vista parece un vaso con un líquido único que debe servirse y tomarse rápidamente.

En el horizonte gastronómico están los aerogeles y los geles colapsables (también llamados geles inteligentes). Los aerogeles se obtienen al remover cuidadosamente el líquido de un gel sin que la red colapse. Con esto se originan espumas sólidas muy livianas e increíblemente porosas. Esta tecnología, que dista mucho de ser sencilla, ya se usa para fabricar aislantes térmicos y protectores de vidrios. Los geles colapsables se basan en la analogía del proceso de gelificación con una transición de fase de un material, donde una pequeña variación de la temperatura ocasiona un impresionante cambio de volumen. En el caso del agua que está en fase líquida a 99ºC (y presión atmosférica) las moléculas se dispersan espontáneamente como vapor en un volumen más de 1.000 veces mayor ante un aumento de un par de grados en la temperatura, ocurriendo lo contrario al invertir el proceso. En algunos geles un reducido salto en pH o temperatura produce el colapso o el hinchamiento de algo que es casi sólido, lo que se piensa aplicar para hacer músculos artificiales o aparatos inteligentes. Sería notable un postre consistente en una píldora gelificada en el fondo de un líquido, que cuando se agregue limón o se le aproxime una llama se hinche casi instantáneamente y se transforme en un exquisito mousse. La ciencia no dejará de “alimentar” la magia de los chefs