José Miguel Aguilera - Ingeniería gastronómica

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 gdepende de la humedad. Sin embargo, T gno 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 gdisminuye 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 ges 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 gy 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 trigo 53y, 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.