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 Tg, que es propia de cada material, tal como lo son la temperatura de fusión y de ebullición, pero en este caso Tg depende de la humedad. Sin embargo, Tg 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 Tg 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