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, Tg 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 Tg 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. Tamb = 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