1. 1 Introduccin a la qumica de los alimentos 0WEN R. fENNEMA
University of Wisconsin-Madison, Madison, Wisconsin STEVEN R.
TANNENBAUM Massachusetts lnstitute of Technology, Cambridge,
Massachusetts 1.1 Qu es la qumica de los alimentos? . 1 1.2
Historia de la qumica de los alimentos 2 1.3 Mtodo d~ estudio de la
qumica de los alimentos 8 1.3.1 Atributos de calidad e inocuidad 8
1.3.2 Reacciones qumicas y bioqumicas 9 1.3.3 Efecto de las
reacciones en la calidad e inocuidad de los alimentos 10 1.3.4
Anlisis de las condiciones encontradas durante el almacenamiento y
procesado de los alimentos 11 1.4 Papel social de los qumicos de
los alimentos 15 1.4.1 Por qu deben intervenir los qumicos de los
alimentos en problemas sociales? 15 1.4.2 Tipo de intervencin 15
Bibliografa 17 1.1 QU ES LA QUMICA DE LOS ALIMENTOS? La preocupacin
por los alimentos se extiende por todo el mundo aunque bajo
aspectos distintos que varan de un lugar a otro. En los pases
subdesarrollados la mayora de la poblacin se dedica a la produccin
de alimentos, no obstante, la obtencin de los distintos nutrientes
en cantidades adecuadas es un problema permanente. En las regiones
desarrolla- das la produccin de alimentos est muy mecanizada y slo
un pequeo porcentaje de la 1
2. 2 Qumica de los alimentos poblacin se dedica a esta
actividad. Se dispone de alimentos en abundancia y en gran parte
procesados, siendo corriente el empleo de aditivos qumicos. En
estos lugares afortunados la preocupacin principal por los
alimentos es su precio, su calidad, su variedad, la facilidad con
que se preparan y los efectos del procesado y de los productos
qumicos aadidos en su salubridad y en su valor nutritivo. Todos
estos aspectos son importantes y constituyen el objeto de la
Ciencia de los Alimentos1 , ciencia que estudia las propiedades
fsicas, qumicas y biolgicas de los alimentos, en relacin con su
estabilidad, precio, calidad, procesamiento, seguridad, valor
nutritivo, inocuidad y facilidad de preparacin para el consumo. La
Ciencia de los Alimentos es una materia interdisciplinar en la que
estn implicadas principalmente la Bacteriologa, la Qumica, la
Biologa y la Ingeniera. La Qumica de los Alimentos, parte
fundamental de la Ciencia de los Alimentos, trata de su composicin
y propiedades y de los cambios qumicos que sufren durante su
manipulacin, procesado y almacenamiento. Esta ntimamente
relacionada con la Qumica, Bioqumica, Qumica Fi- siolgica, Botnica,
Zoologa y Biologa Molecular. Para estudiar y controlar eficazmente
las sustancias biolgicas que constituyen las fuentes alimenticias
del ho,mbre, el qumico de los alimentos se basa fundamentalmente en
el conocimiento de las ciencias citadas. El cono- cimiento de las
propiedades inherentes de las sustancias biolgicas y el dominio de
sus mtodos de estudio interesan tanto a los qumicos de los
alimentos como a los bilogos2 Los fines fundamentales que persiguen
los bilogos comprenden la reproduccin, el cre- cimiento y los
cambios que los productos biolgicos experimentan bajo condiciones
am- bientales compatibles o casi compatibles con la vida. De otro
lado los qumicos de los ali- mentos se preocupan fundamentalmente
de las sustancias biolgicas que estn muertas o muriendo (fisiologa
de los vegetales ya recolectados y fisiologa muscular post mortem)
y de los cambios que sufren cuando se exponen a una gran variedad
de condiciones ambienta- les. Por ejemplo, a los qumicos les
preocupan las condiciones adecuadas para mantener los procesos
vitales residuales durante el mercadeo de frutas y hortalizas
frescas, mientras que las condiciones incompatibles con los
procesos vitales les son del mximo inters cuando se pretende
conservar mucho tiempo el alimento. Adems los qumicos de los
alimentos estu- dian las propiedades qumicas de los tejidos
alimenticios desorganizados (harina, zumos de fruta y hortalizas,
constituyentes aislados y modificados y alimentos manufacturados),
de los alimentos unicelulares (huevos y microorganismos) y de uno
de los ms importantes lquidos biolgicos, la leche. En resumen, los
qumicos de los alimentos tienen mucho en comn con otros bilogos,
aunque tambin tienen intereses que son distintos y de la mayor
importancia para la humanidad. 1.2 HISTORIA DE LA QUMICA DE LOS
ALIMENTOS Los orgenes de la Qumica de los Alimentos son oscuros y
su historia no ha sido todava debidamente estudiada y registrada
Ello no es sorprendente puesto que no adquiri su verda- 1 N. del
T.: En Espaa, Francia y dems pases latinos ala Cienciade los
Alimentos se le llama Bromatologa, vocablo de origen griego, cuyo
uso decae en favor de la primera. 2 N. del T.: Nombre que incluye a
cuantos profesionales estudian algn aspecto biolgico: bilogos,
farma- cuticos, veterinarios, etc.
3. Introduccin a la qumica de los alimentos 3 dera identidad
hasta el presente siglo y su historia est ntimamente ligada ala de
la qumi- ca agrcola, cuya documentacin histrica no se considera
completa [5,14]. Por ello la breve incursin en la historia de la
Qumica de los Alimentos que haremos a continuacin es incompleta y
algo selectiva. No obstante, las noticias disponibles son
suficientes para hacemos una idea de cundo, dnde y por qu han
ocurrido ciertos hechos notables en Qumica de los Alimentos y para
relacionar algunos de estos hechos con los principales cambios
acaecidos en la salubridad del aporte alimentario desde comienzos
de 1800. Aunque el origen de la Qumica de los Alimentos se remonta
en cierto sentido a la antigedad, los descubrimientos que hoy
juzgamos ms significativos se inician a fines de la dcada de 1700.
Las mejores descripciones de los desarrollos alcanzados en este
pero- do son las de Filby [12] y Browne [5] de las que proceden
muchos de los datos aqu expuestos. Durante el perodo de 1780-1850
varios qumicos famosos hicieron importantes descu- brimientos,
muchos de los cuales se relacionan directa o indirectamente con la
Qumica de los Alimentos. Los orgenes de la moderna Qumica de los
Alimentos descansan en las publicaciones de Scheele, Lavoisier, de
Saussure, Gay-Lussac, Thenard, Davy, Berzelius, Thomson, Beaumont y
Liebig. Algunos podran preguntarse cmo estos cientficos, cuyos
descubrimientos ms famosos guardan escasa relacin con la Qumica de
los Alimentos, deben reconocerse como las figuras ms destacadas de
los orgenes de esta moderna ciencia. Si bien es difcil clasificar a
los cientficos primitivos como qumicos, bacterilogos o cien- tficos
de los alimentos, es relativamente fcil determinar si-un cientfico
determinado apor- t conocimientos fundamentales a un campo concreto
de la ciencia. De los breves ejemplos siguiente& se deduce
claramente que muchos de estos cientficos estudiaron a fondo los
alimentos e hicieron descubrimientos de importancia tan fundamental
para la qumica de los alimentos que la exclusin de sus trabajos de
cualquier relacin histrica de esta ciencia no tendra razn de ser.
Carl Wilhelm Scheele (1742-1786), farmacutico sueco, fue uno de los
qumicos ms eximios de todos los tiempos. Adems de sus famosos
descubrimientos del cloro, glicerol y oxgeno (3 aos antes que
Priestly, aunque no lo publicase), aisl y estudi las propiedades de
la lactosa (1780), prepar cido mcico por oxidacin del cido lctico
(1780), ide un mtodo de conservar el vinagre mediante el calor
(1782, bastante antes del descubrimien- to de Appert), aisl el cido
ctrico a partir del jugo de limn (1784) y de las grosellas (1785),
el mlico de las manzanas (1785) y,determin en veinte frutas
corrientes los cidos ctrico, mlico y tartrico (1785). Sus
aislamientos de varios compuestos qumicos nuevos, a partir de
sustancias animales y vegetales, se considera que constituyen en la
qumica agrco- la y alimentaria el inicio de la investigacin
analtica exacta. Al qumico francs Antoine Laurent Lavoisier
(1743-1794) se le debe el abandono de la teora del flogisto y la
formulacin de los fundamentos de la qumica moderna. Por lo que
concierne a la qumica de los alimentos estableci las bases
fundamentales del anlisis org- nico por combustin, fue el primero
en demostrar que el proceso de la fermentacin poda expresarse como
una ecuacin equilibrada, intent por primera vez determinar la
composi- cin elemental del alcohol (1784) y public unode los
primeros trabajos sobre los cidos orgnicos de diversas frutas
(1786). (Nicols) Thodore de Saussure (1767-1845), otro qumico
francs, contribuy mucho al ordenamiento y clasificacin de los
principios de la qumica agrcola y alimentaria esta- blecidos por
Lavoisier. Tambin estudi los intercambios de C02 y 0 2 durante la
respiracin
4. 4 Qumica de los alimentos de las plantas (1804), su
contenido mineral por incineracin y llev a cabo el primer anlisis
elemental exacto del alcohol (1807). Joseph Louis Gay-Lussac
(1778-1850) y Louis Jacques Thenard (1777-1857), idearon en 1811 el
primer mtodo de estimar cuantitativamente los porcentajes de
carbono, hidrge- no y nitrgeno en los productos vegetales
desecados. El qumico ingls Sir Humphry Davy (1778-1829), entre los
aos 1807 y 1808, aisl los elementos K, Na, Ba, Sr, Ca y Mg. Sus
contribuciones a la qumica agrcola y alimentaria se muestran en sus
libros sobre qumica agrcola, de los que el primero fue (1813)
Elements of Agricultura[ Chemistry, in a Course ofLectures for the
Board ofAgriculture [8]. Sus libros sirvieron para organizar y
clasificar el conocimiento existente en su poca. En la primera
edicin afirmaba: Todas las distintas partes de los vegetales pueden
descomponerse en unos pocos elementos. Sus empleos como alimento o
con otro fin utilitario, depen- den de cmo se dispongan estos
elementos, que son producidos o por sus par- tes organizadas o a
partir de los jugos que contienen; el examen de la naturale- za de
estas sustancias constituye una parte esencial de la qumica
agraria>>. En la quinta edicin sealaba que las plantas se
componen corrientemente de slo siete u ocho elementos y que [9] las
sustancias vegetales ms esenciales constan de hidrgeno, carbono y
oxgeno en proporciones diversas, generalmente solos, pero en unos
pocos casos, combinados con el zoe (nitrgeno). Los trabajos del
qumico sueco Jons Jacobs Berzelius (1779-1848) y del escocs Thomas
Thomson (1773-1852), dieron lugar al empleo por primera vez de las
frmulas qumicas sin las cuales el anlisis orgnico sera un desierto
inexplorado y el anlisis de los alimen- tos un trabajo sin fin
[12]. Berzelius determin los componentes elementales de unos 2.000
productos, comprobando as la ley de las proporciones definidas.
Tambin ide un mtodo para determinar, con exactitud, el contenido de
agua de las sustancias orgnicas, algo que faltaba al mtodo de
Gay-Lussac y de Thenard. De otra parte, Thomson demostr que las
leyes que rigen la composicin de las sustancias inorgnicas tambin
se cumplen en las orgnicas. En un libro titulado Considrations
gnrales sur l'analyse et sur ses applications [6], Michel Eugene
Chevreul (1786-1889), un qumico francs, seal los elementos que se
saba en aquel tiempo que formaban parte de las sustancias orgnicas
(0, Cl, 1, N, S, P, C, Si, H, Al, Mg, Ca, Na, K, Mn, Fe) y seal las
tcnicas entonces disponibles para el anlisis orgnico: (a) extraccin
con un solvente neutro, como agua, alcohol o ter acuoso, (b) des-
tilacin simple o fraccionada, (e) destilacin en corriente de vapor,
(d) paso de la sustancia por un tubo incandescente y (e) anlisis
con oxgeno. Chevreul fue un pionero del anlisis de las sustancias
orgnicas y su clsica investigacin sobre la composicin de la grasa
ani- mal permiti descubrir y dar nombre a los cidos esterico y
oleico. El Dr. William Beaumont (1785-1853), un cirujano del
ejrcito estadounidense destaca- do en Fort Mackinac, Michigan, llev
a cabo sus clsicos experimentos sobre la digestin gstrica que
acabaron con la idea existente, desde tiempos de Hipcrates, de que
los alimen- tos contenan un solo componente nutritivo. Sus
experiencjas las realiz entre 1825 y 1833 con un canadiense, Alexis
St. Martin, cuya herida de mosquete permita acceder directa- mente
a la cavidad gstrica, posibilitando as la introduccin de alimentos
en el estmago y subsiguientemente el examen de los cambios
digestivos [4].
5. Introduccin a la qumica de los alimentos 5 Entre sus muchos
y notables descubrimientos, Justus von Liebig (1803-1873) demostr
en 1837 que el acetaldehdo era un intermediario entre el alcohol y
el cido actico que se produca durante la fermentacin del vinagre.
En 1842 dividi los alimentos en nitrogena- dos (fibrina vegetal,
albmina, casena, carne y sangre) y no nitrogenados (grasas,
carbohi- dratos y bebidas alcohlicas). Aunque esta clasificacin es
incorrecta en ciertos aspectos, permiti establecer diferencias
importantes entre los distintos alimentos. Tambin perfec- cion los
mtodos del anlisis cuantitativo de las sustancias orgnicas,
especialmente por combustin, y en 1847 public el libro Researches
on the Chemistry ofFood [18] que fue el primer tratado de qumica de
los alimentos. En l se incluyen sus investigaciones sobre los
componentes hidrosolubles musculares (creatina, creatinina,
sarcosina, cido inosnico, ci- do lctico, etc.). Es interesante
sealar que los descubrimientos citados van paralelos con el
comienzo de adulteraciones graves y muy extendidas de los alimentos
y no es exagerado afirmar que la necesidad de detectar las
impurezas de los alimentos ha sido el principal estmulo para el
desarrollo de la qumica analtica en general y de la qumica analtica
de los alimentos en particular. Por desgracia, tambin es cierto que
los avances de la qumica contribuyeron algo a la adulteracin de los
alimentos, puesto que los abastecedores desaprensivos se aprove-
charon de la bibliografa qumica a su alcance, que inclua frmulas de
alimentos adultera- dos y que permita la sustitucin de los antiguos
mtodos fraudulentos, ms empricos y menos eficaces, por otros ms
efectivos, basados en principios cientficos. Por lo tanto, la
historia de la qumica de los alimentos y la de su adulteracin estn
ntimamente ligadas por una trama de relaciones causales variadas;
de aqu la conveniencia de estudiar la adultera- cin de los
alimentos bajo una perspectiva histrica [12]. La historia de la
adulteracin de los alimentos en los pases ms desarrollados del mun-
do, p~dra dividirse en tres fases distintas: desde los tiempos
antiguos hasta 1820, aproxima- damente, la adulteracin de los
alimentos no constituy un problema serio y no se necesita- ban
tcnicas para su deteccin. La explicacin ms obvia de esta situacin
es que los alimentos se adquiran en industrias pequeas o
individuales y las transacciones implicaban un alto grado de
interrelacin personal. La segunda fase comienza hacia 1800 cuando
la adultera- cin de los alimentos aumenta mucho, tanto en
frecuencia como en intensidad. Tal aumento puede atribuirse
principalmente a la creciente centralizacin del procesado y
distribucin de los alimentos, con la consiguiente disminucin de la
interrelacin personal y tambin al desarrollo de la qumica moderna,
segn hemos visto. La adulteracin de los alimentos cons- tituy un
serio problema hasta 1920 aproximadamente, fecha que marca el final
de la segun- da fase y el inicio de la tercera. En este momento las
presiones legales y la disponibilidad de mtodos de deteccin
eficaces, redujeron la frecuencia y la intensidad de la adulteracin
alimentaria a niveles ms llevaderos y desde entonces hasta la
fecha, la situacin ha mejora- do gradualmente. Algunos argirn que
)].acia 1950 comienza la cuarta fase de adulteracin de los alimen-
tos, al prevalecer cada vez ms los alimentos con aditivos qumicos
permitidos, al aumentar el empleo de los muy procesados, tanto que
en los pases muy industrializados representan la mayor parte de la
dieta, y al contaminarse algunos alimentos con subproductos
industria- les, como el mercurio y los plaguicidas, algo ,que ha
preocupado al pblico y a la legislacin sanitaria. La preocupacin
pblica por la seguridad y la adecuacin nutritiva del aporte de
alimentos ha determinado algunos cambios, tanto voluntarios como
involuntarios, en la manera en que los alimentos se producen,
tratan y procesan y muchos de ellos sern inevitables a
6. 6 Qumica de los alimentos medida que aprendamos ms sobre las
tcnicas de manipulacin alimentaria y sean ms seguras las
estimaciones de los mximos tolerables de ingredientes
perjudiciales. En los primeros aos de 1800 fue grande la
preocupacin pblica por la calidad del aporte alimentario. Esta
preocupacin o mejor dicho, esta indignacin surgi en Inglaterra por
la publicacin del libro de Frederick Accum, A Treatise on
Adulteration ofFood [1] y por una publicacin annima titulada Death
in the Pot [3]. Accum afirm: Es de hecho difcil mencionar un solo
producto alimenticio que no est adulterado y son muy pocos los
genuinos que pueden conseguirse (pg. 14). Ms adelante insiste: No
es menos lamenta- ble que la aplicacin generalizada de la qumica
con fines vitales tiles, se haya pervertido convirtindose en un
auxiliar de este trfico villano (pg. 20). Aunque Filby [2] afirm
que las acusaciones de Accum eran algo exageradas, la grave- dad de
la adulteracin de los alimentos, que prevaleci en los primeros aos
de 1800, se refleja bien en algunas de las adulteraciones
corrientes citadas por Accum y Filby: Bija o achicote: Entre sus
adulterantes se incluyen: crcuma, centeno, cebada, harina de trigo,
sulfato y carbonato de calcio, sal, rojo de Venecia (xido frrico
que, en ocasio- nes, estaba a su vez adulterado con minio y cobre).
Pimienta negra: Esta especia tan importante se adulteraba
corrientemente con arenilla, hojas, ramitas, tallos, polvos de
pimienta, harina de linaza y porciones trituradas de otros
vegetales distintos de la pimienta. Pimienta de Cayena: Para
disimular el blanqueamiento de la especia debido a su exposi- cin a
la luz, se le adicionaban productos como bermelln (o sulfuro de
mercurio), ocre (mezclas trreas de xidos metlicos y arena) y
crcuma. Aceites esenciales: Aceite de trementina, otros aceites y
alcohol. Vinagre: cido sulfrico. Jugo de limn: cido sulfrico y
otros. Caf: Granos de cereales tostados, en ocasiones zanahorias
tostadas o judas y guisantes tostados; tambin hgado de caballo
tostado. T: Hojas de t extradas y redesecadas y hojas de muchas
otras plantas. Leche: La principal adulteracin era el aguado;
tambin era frecuente la adicin de yeso, almidn, crcuma (color),
gomas y soda. A veces se encontraron gelatina, dextrina, glucosa,
conservadores (brax, cido brico, cido saliclico, salicilato sdico,
nitra- to potsico, fluoruro sdico y benzoato) y colorantes como
bija, azafrn, caramelo y algunos colorantes sulfonados. Cerveza: El
extracto negro, obtenido por coccin en agua de las bayas venenosas
de Cocculus indicus, seguida de la concentracin del lquido, era un
aditivo muy comn que imparta a la cerveza aroma, propiedades
narcticas y otras cualidades txicas. Vino: Colorantes: alumbre,
pieles de bayas de saco, palo de Brasil y azcar quemado, entre
otros. Aromas: almendras amargas, tintura de semillas de uvas,
escaramujos, rizomas de Iris florentina y otros. Agentes de
envejecimiento: bitartrato de potasio, ter heptlico y sales de
plomo. Conservadores: cido saliclico, cido benzoico, fluoroboratos
y sales de plomo. Anticidos: cal, calcita, yeso y sales de plomo.
Azcar: Arena, polvo, cal, pulpa y materias colorantes. Mantequilla:
Exceso de sal y agua, fcula de patata, cuajadas. Chocolate: Almidn,
galletas molidas, sebo, ladrillo pulverizado, ocre, rojo de Venecia
(xido frrico) y fcula de patata.
7. Introduccin a la qumica de los alimentos 7 Pan: Alumbre y
harinas de productos distintos del trigo. Productos de confitera:
Colorantes que contenan plomo y arsnico. Cuando el pblico
comprendi, a partir de 1800, la gravedad de la adulteracin ali-
mentaria, aumentaron progresivamente las medidas para remediarlo;
consistieron en una nueva legislacin que convirti en ilegal la
adulteracin y en un gran esfuerzo de los qumicos para establecer
las propiedades inherentes de los alimentos, las sustancias qu-
micas empleadas corrientemente como adulterantes y las maneras de
detectarlas. Por lo tanto, durante el perodo de 1820-1850, la
qumica general y la de los alimentos alcanza- ron gran importancia
en Europa. Ello fue posible gracias al trabajo de los cientficos
antes citados, en gran parte debido al estmulo que supuso el
establecimiento en diversas uni- versidades de laboratorios qumicos
de investigacin qumica [5]. Desde entonces los avances en Qumica de
los Alimentos han continuado a ritmo acelerado y algunos de estos
avances y sus factores responsables se mencionarn a continuacin. En
1860 se estableci en Weede, Alemania, la primera estacin agrcola
experimental de subvencin pblica, siendo nombrados director y
qumico, respectivamente, W. Hanneberg y F. Stohmann. Apoyndose en
gran parte en los trabajos de los primeros qu- micos idearon un
importante procedimiento para la estimacin rutinaria de los
componen- tes mayores de los alimentos. Dividiendo una muestra dada
en varias porciones (submuestras) establecieron su contenido de
humedad, de grasa bruta, de ceniza y de nitrgeno. A continuacin,
multiplicando la cifra de nitrgeno por 6,25 calculaban el con-
tenido de protena. La digestin secuencial o fraccionada con un cido
diluido y luego con un lcali diluido originaba un residuo llamado
fibra bruta. La porcin restante una vez descontadas la protena, la
grasa, las cenizas y la fibra bruta se denomin extractivo libre de
nitrgeno que se crea que representaba los carbohidratos
utilizables. Desgraciada- mente durante muchos aos los qumicos y
los fisilogos admitieron errneamente que los valores obtenidos por
este procedimiento representaban el mismo valor nutritivo cual-
quiera que fuese el tipo de alimento [20]. En 1871 Jean Baptiste
Dumas (1800-1884) sugiri que una dieta compuesta exclusiva- mente
de protena, carbohidratos y grasa era inadecuada para la
conservacin de la vida. En 1862 el Congreso de los EE UU aprob la
Land-Grant College Act propuesta por Justin Smith Morrill. Gracias
a ella se fundaron las escuelas de Agricultura de los EE UU y se
dio un gran impulso a la formacin de qumicos agrcolas y qumicos de
los alimen- tos. Tambin en 1862 se fund el United States Department
ofAgriculture (Departamento de Agricultura de los EE UU), siendo su
primer director Isaac Newton. En 1863 Harvey Washington Wiley fue
nombrado qumico jefe del Departamento de Agricultura de los EE UU;
desde cuya oficina desarroll una campaa contra los alimen- tos
fraudulentos y adulterados que culmin con la aprobacin de la
primera Pure Food and Drug Act (Ley de alimentos puros y
medicamentos) de los EE UU (1906). En 1887, como resultado de la
entrada en vigor del Batch Act, se fundaron en los EE UU las
estaciones agrcolas experimentales. El delegado de Missouri,
William H. Hatch, presidente del House Committee on Agriculture
(Comit de la Casa (Blanca) para la Agri- cultura), fue el autor de
esta medida. Como resultado surgi el sistema nacional de esta-
ciones agrcolas experimentales mayor del mundo, lo que tuvo un gran
impacto en la investigacin alimentaria de los EE UU.
8. 8 Qumica de los alimentos Durante la primera mitad del siglo
XX se descubrieron y caracterizaron la mayora de las sustancias
dietticas esenciales, como vitaminas, minerales, cidos grasos y
algunos ami- nocidos. El desarrollo y empleo extensivo de
sustancias qumicas para ayudar a la produccin, manufactura y
mercadeo de los alimentos fue a mediados del siglo actual un hecho
especial- mente digno de mencin y muy cuestionado sobre el que
volveremos ms adelante. Esta revisin histrica, aunque breve,
demuestra que el aporte actual de alimentos parece casi perfecto en
comparacin con el que exista en los aos 1880. 1.3 MTODO DE ESTUDIO
DE LA QUMICA DE LOS ALIMENTOS La qumica de la formulacin, procesado
y almacenamiento de los alimentos debe estudiarse con un mtodo que
permita utilizar los resultados derivados del examen de un alimento
o de un sistema modelo, en la mejor comprensin de otros productos
alimenti- cios. Este mtodo consta de cuatro componentes: (a)
determinar las propiedades que cons- tituyen las caractersticas
importantes de los alimentos inocuos y de gran calidad, (b) esta-
blecer las reacciones qumicas y bioqumicas que tienen influencias
marcadas en las prdidas de calidad y/o salubridad de los alimentos,
(e) integrar ambos aspectos de forma que se comprenda cmo influyen
en la calidad e inocuidad las reacciones clave, tanto qumicas como
bioqumicas y (d) aplicar este conocimiento a las distintas
situaciones que encontra- mos durante la formulacin, almacenamiento
y procesado de los alimentos. 1.3.1 Atributos de calidad e
inocuidad Es necesario reiterar que el requisito fundamental de
cualquier alimento es su inocuidad o seguridad; en su sentido ms
amplio significa que en el momento de su consumo est libre de
cualquier contaminante qumico o microbiano. Por razones prcticas,
~este con- cepto se toma a menudo en su sentido operativo. En la
industria conservera el trmino de esterilidad comercial, aplicado a
los alimentos de baja acidez, significa ausencia de esporas viables
de Clostridium botulinum. Este concepto a su vez se traduce en una
serie de condiciones especficas de tratamiento trmico de un
producto dado en un tipo deter- minado de envase. Conocido el
tratamiento requerido se seleccionan las condiciones es- pecficas
de tiempo y temperatura que optimizarn la retencin de los atributos
de calidad. Del mismo modo, en un producto, como la crema de
cacahuete, la seguridad operativa puede tomarse como la ausencia de
aflatoxinas, sustancias carcinogenticas producidas por ciertas
especies de mohos. Las medidas tomadas para prevenir el crecimiento
de los mohos responsables, pueden interferir o no con la retencin
de algn otro atributo; sin embargo, deben cumplirse las condiciones
que originan un producto seguro. La Tabla 1 muestra algunos de los
atributos de calidad de los alimentos y ciertos cambios
perjudiciales que pueden experimentar. Los cambios que ocurren,
salvo los que afectan al valor nutritivo e inocuidad, los detecta
fcilmente el consumidor.
9. Introduccin a la qumica de los alimentos 9 TABLA 1
Clasificacin de los cambios perjudiciales que acaecen en los
alimentos durante su manipula- cin, procesado y almacenamiento.
Atributo Textura Sabor Color Valor nutritivo Seguridad Alteracin
Prdida de solubilidad Prdida de la capacidad de retencin de agua
Endurecimiento Ablandamiento Desarrollo de Rancidez (hidroltica u
oxidativa) Flavor a cocinado o a caramelo Otros flavores extraos
Flavores agradables Oscurecimiento Empalidecimiento Desarrollo de
otros colores extraos Desarrollo de colores agradables (por ej.,
pardeamiento de los productos horneados) Prdida, degradacin y
alteracin de la biodisponibilidad de protenas, lpidos, vitaminas,
minerales Desarrollo de sustancias txicas Produccin de sustancias
protectoras de la salud lnactivacin de sustancias txicas 1.3.2
Reacciones qumicas y bioqumicas Muchas -reacciones dan lugar al
deterioro de la calidad del alimento o de su inocuidad. Algunas de
las ms importantes de estas reacciones se indican en la Tabla 2. En
cada reac- TABLA 2 Reacciones qumicas y bioqumicas que llevan al
deterioro de la calidad o de la seguridad alimen- ticias. Tipo de
reaccin Pardeamiento no enzimtico Pardeamiento enzimtico Oxidacin
Hidrlisis Interacciones con metales Ejemplos Alimentos horneados
Frutas cortadas o golpeadas Lpidos (flavores extraos), degradacin
de vitaminas, decoloracin de pigmentos, protenas (prdida de valor
nutritivo) Lpidos, protenas, vitaminas, carbohidratos, pigmentos
Formacin de complejos (antocianinas), prdida de Mg de la clorofila,
oxidacin cataltica Isomerizacin de los lpidos Cis "'4 trans; sin
conjugar "'4 conjugados Ciclizacin de lpidos cidos grasos
monocclicos Polimerizacin de lpidos Formacin de espuma durante la
fritura profunda Desnaturalizacin proteica Coagulacin de la clara
de huevo, inactivacin enzimtica FormaCin enlaces cruzados proteicos
Prdida de valor nutritivo durante el procesado alcalino Sntesis de
polisacridos En los productos vegetales despus de cosechados
Cambios glucolticos Tejidos animales post mortem, tejidos vegetales
postrecoleccin
10. 10 Qumica de los alimentos cin pueden estar implicados
distintos,reaccionantes o sustratos, dependiendo del alimento
especfico y de las condiciones particulares de manipulacin,
procesado y almacenamiento. Se estudian, como reacciones tipo,
porque en todos los alimentos los reaccionantes o sustra- tos
tienen la misma naturaleza general. As, el pardeamiento no
enzimtico implica reaccio- nes de los compuestos carbonilos, que
pueden derivar de los azcares reductores existentes o de diversas
reacciones previas, como la oxidacin del cido ascrbico, la
hidrlisis del almidn o la oxidacin de los lpidos. La oxidacin puede
implicar a lpidos, protenas, vitaminas y pigmentos o ms
especficamente la oxidacin de los lpidos puede implicar
fundamentalmente a los triacilglicridos en un alimento y a los
fosfolpidos, en otro. Estas reacciones se tratarn con detalle en
los siguientes captulos de este libro. 1.3.3 Efectos de las
reacciones en la calidad e inocuidad del alimento Las reacciones de
la Tabla 2 llevan al deterioro de los atributos de calidad
descritos en la l. La integracin de los datos de ambas tablas lleva
a una comprensin de las causas de alteracin de los alimentos. El
deterioro de un alimento consiste generalmente en una serie de
fenmenos fundamentales, seguido cada uno de una serie de hechos
secundarios que, a su vez, se manifiestan finalmente como
alteraciones de los atributos de calidad (Tabla 1). En la Tabla 3
se dan ejemplos de secuencias de este tipo. Obsrvese especialmente
que un atributo de calidad dado puede alterarse como consecuencia
de diversos fenmenos pri- marios. Si la Tabla 3 se lee de izquierda
a derecha observaremos un fenmeno primario particular, los hechos
secundarios (consecuencias) que con l se relacionan y sus efectos
en TABLA 3 Relaciones de causa a efecto en el deterioro alimenticio
durante el manejo, almac;:enamiento y procesado. Fenmeno
responsable primario Hidrlisis lipdica Hidrlisis de polisacridos
Oxidacin lipdica Golpes de la fruta Tratamiento-trmico de
hortalizas verdes Tratamiento trmico del tejido muscular Conversin
cis ~ trans de los lpidos Fenmeno secundario Los cidos grasos
libres reaccionan con las protenas Los azcares reaccionan con las
protenas Los productos de la oxidacin reaccionan con otros muchos
componentes Se rompen las clulas, se liberan enzimas, oxgeno
accesible Paredes y membranas celulares pierden su integridad, se
liberan cidos, se inactivan enzimas Las protenas se desnaturalizan
y agregan, los enzimas se inactivan Se favorece la polimerizacin
durante la fritura profunda Atributo afectado (vase Tabla 1)
Textura, flavor, valor nutritivo Textura, flavor, color, valor
nutritivo Textura, flavor, color, valor nutritivo Textura, flavor,
color, valor nutritivo Textura, flavor, color, valor nutritivo
Textura, flavor, color, valor nutritivo Formacin excesiva de espuma
en la fritura profunda; menor biodisponi- bilidad de lpidos
11. ACTIVIDAD DE AGUA INTERMEDIA, TEMPERATURA AMBIENTE ALTA
Introduccin a la qumica de los alimentos 11 VITAMINAS OLORES
FLAVORES EXTRAOS COLORES ANORMALES PRDIDA DE VALOR NUTRITIVO PRDIDA
DE TEXTURA FIGURA 1 Resumen de las principales intemcciones de los
componentes mayoritarios de los alimentos. L, pool de los lpidos
(triacilgliceroles, cidos grasos y fosfolpidos); e, pool de los
hidratos de carbono (polisacridos, azcares, cidos orgnicos, etc.);
P, pool de las protenas (protenas, pptidos, aminocidos y otras
sustancias nitrogenadas). los atributos de calidad. De otro lado-se
puede determinar la causa probable de un cambio de calidad que se
haya observado (Columna 3, Tabla 3), analizando todos los fenmenos
pri- marios que pueden estar implicados y aislando despus, mediante
los anlisis qumicos apro- piados, el fenmeno primario fundamental.
La utilidad de elaborar dichas secuencias es que le estimulan a uno
a resolver los proble- mas del deterioro de los alimentos de una
forma analtica. La Figura 1 es un resumen sencillo de las
reacciones e interacciones de los principales componentes del
alimento. En el lado izquierdo del diagrama se muestran los
principales pooles celulares de carbohidratos, lpidos, protenas y
sus metabolitos intermediarios. La naturaleza exacta de esos pooles
depende del estado fisiolgico del tejido en el momento del
procesado o almacenamiento, y de los componentes, presentes o
adicionados a los alimentos no tisulares. Cada tipo de compuesto
sufre un tipo de deterioro caracterstico. Es de gran inters el
papel comn que desempean en el proceso alterativo los componentes
carbonilo. Se originan por oxidacin lipdica y por degradacin de los
carbohidratos y llevan a la destruccin del valor nutritivo y a la
produccin de colores y flavores extraos. Ni que decir tiene que
estas mismas reacciones pueden originar flavores y colores
deseables durante el tratamiento culinario de los alimentos. 1.3.4
Anlisis de las condiciones encontradas durante el almacenamiento y
procesado de los alimentos Conocidos los atributos de los alimentos
inocuos y de gran calidad; las reacciones qumi- cas ms
significativas implicadas en el deterioro de los alimentos y las
relaciones entre unos y otras, se puede comenzar a pensar cmo
aplicar tales conocimientos a las situaciones que se encuentran
durante el almacenamiento y procesado de los alimentos.
12. 12 Qumica de los alimentos TABLA 4 Factores importantes que
gobiernan la estabilidad de los alimentos durante su manipulacin,
procesado y almacenamiento. Factores del alimento: Propiedades
qumicas de sus componentes individuales (incluidos los catalizado-
res), contenido de oxgeno, pH, actividad del agua, Tg y Wg.
Factores ambientales: Temperatura (1), tiempo (t), composicin de la
atmsfera, tratamientos qumicos, fsicos y biolgicos aplicados,
exposicin a la luz, contaminacin, abuso fsico. Notas: Actividad del
agua= p/p0, en donde pes la presin parcial de vapor de agua en tomo
del alimento yp0 la presin de vapor de agua pura; Tg es la
temperatura de transicin cristalina y Wg el contenido de agua del
alimento a Tg. En la Tabla 4 se muestran las variables de inters
durante el almacenamiento y proce- sado de los alimentos. Quiz la
temperatura sea la ms importante por su gran influencia en todo
tipo de reacciones qumicas. El efecto de la temperatura en una
reaccin indivi- dual puede determinarse a partir de la ecuacin de
Arrhenius, k =Ae.ID'RT. Los datos que cumplen la ecuacin de
Arrhenius dan una lnea recta cuando log k se representa grfica-
mente frente a 1/T. Las grficas de Arrhenius de la Figura 2
representan reacciones impor- tantes del deterioro alimenticio. Es
evidente que las reacciones de los alimentos cumplen generalmente
la ecuacin de Arrhenius dentro de un rango de temperaturas
intermedias, pero a otras mayores o menores se presentan
desviaciones [21]. Por lo tanto es importante recordar que en los
sistemas alimenticios la ecuacin de Arrhenius slo puede emplearse
en un rango de temperaturas comprobadas experimentalmente. Las
desviaciones de la ecuacin de Arrhenius se presentan por alguna de
las siguientes causas, la mayora de las cuales son inducidas por
temperaturas altas o bajas: (a) prdida de la actividad enzimtica,
(b) cambio de la ruta de la reaccin o influencia ejercida por
una(s) reaccin(es) competitiva(s), (e) cambios del estado fsico del
sistema (por ej., por congelacin), y (d) agotamiento de uno o ms
reaccionantes. Otra variable importante de la Tabla 4 es el tiempo.
Durante el almacenamiento de un producto alimenticio frecuentemente
se desea saber el tiempo que puede mantenerse con un nivel dado de
calidad. Por lo tanto se est interesado en el tiempo, en funcin de
los cambios integrales qumicos y/o microbiolgicos que tienen lugar
durante un perodo de almacena- miento dado, y en la forma en que se
combinan estos cambios para determinar la vida de almacn especfica
del producto. Durante el procesado a menudo se est interesado en el
tiempo necesario para inactivar una poblacin determinada de
microorganismos, o en el requerido para que una reaccin alcance un
nivel dado. Por ejemplo, puede interesar cono- cer el tiempo que
tardan las patatas fritas en adquirir el color amarillo-marrn
deseado du- rante la fritura. Para ello debe prestarse atencin al
cambio de temperatura con el tiempo, esto es, a la velocidad del
cambio de temperatura (dT/dt). Esta relacin es importante porque
determina la velocidad a que son destruidos los microorganismos y
las velocidades relativas de las reacciones qumicas competidoras.
Lo ltimo tiene inters en los alimentos que se alteran por ms de una
causa, como la oxidacin lipdica y el pardeamiento no enzimtico. Si
los productos de la reaccin de pardeamiento son antioxidantes, es
importante conocer si las velocidades relativas de sus reacciones
se solapan lo suficiente como para causar una interaccin
significativa.
13. ' CI ....... ....~ Introduccin a la qumica de los alimentos
13 NO ENZIMTICA /'l e / ,,~ /1 CATALIZADA ENZIMTICAMENTE d '
'b_,,........ 1 ' t ' '' '1 l '1 1 FIGURA 2 Las reacciones
alterantes de los alimentos cumplen la ecuacin de Arrhenius. (a)
Por encima de un cierto valor de T puede haber desviaciones de la
linealidad debido a un cambio en el curso de la reaccin. (b) A
medida que la temperatura desciende por debajo del punto de
congelacin del sistema, la fase consti- tuida por el hielo
(esencialmente puro) aumenta y la fase lquida, que contiene todos
los solutos disminuye. Esta concentracin de los solutos en la fase
no congelada puede disminuir las velocidades de la reaccin
(suplementando el efecto del descenso de la temperatura) o
aumentarlas (oponindose al efecto del descenso de la temperatura),
dependiendo de la naturaleza del sistema. (e) En una reaccin
enzimtica hay una tempe- ratura en las proximidades del punto de
congelacin del agua en donde cambios mnimos, como la disolu- cin
del complejo enzimtico, pueden c,ausar una brusca disminucin de la
velocidad de la reaccin. El pH es otra variable que influencia las
velocidades de muchas reacciones qumicas y enzim~ticas.
Generalmente para inhibir intensamente el crecimiento microbiano y
los proce- sos enzimticos se requieren valores extremos de pH y
estas condiciones dan lugar a una aceleracin de las reacciones
catalizadas en condiciones cidas o bsicas. Como contraste los
cambios de pH, relativamente pequeos, ocasionan profundos cambios
en la calidad de algunos alimentos, como por ejemplo en los
msculos. La composicin del alimento es importante ya que determina
los reactantes disponibles para las transformaciones qumicas. A
este respecto y desde el punto de vista de calidad es
14. 14 Qumica de los alimentos muy importante la relacin
existente entre la composicin de la materia prima y la del pro-
ducto terminado. Por ejemplo: (a) la forma en que frutas y
hortalizas se manipulan, despus de recolectadas, influye en su
contenido azucarado que, a su vez, influencia el grado de
pardeamiento durante la deshidratacin o fritura intensa. (b) La
forma en que se manipulan los tejidos animales, despus del
sacrificio, influye en la extensin y velocidad de la prote- lisis,
de la gluclisis y de la degradacin del ATP y stas, a su vez,
influyen en la vida de almacn, capacidad de retencin de agua,
dureza, flavor y color. (e) La mezcla de materias primas puede
causar interacciones inesperadas: por ejemplo, la velocidad de
oxidacin se acelera o inhibe dependiendo de la cantidad de sal
presente. Uno de los componentes que ms influye en las velocidades
de las reacciones de los alimentos es la actividad del agua (aw).
Numerosos investigadores han demostrado que la aw es un factor
importante en las reacciones enzimticas [2], en la oxidacin lipdica
[16,22] en el pardeamiento no enzimtico [10,16], en la hidrlisis de
la sacarosa [23], en la degrada- cin de la clorofila [17], de la
antocianina [11] y en muchas otras reacciones. Como se estudia en
el Captulo 2, la velocidad de la mayora de las reacciones disminuye
por debajo de la aw de los alimentos de humedad intermedia
(0,75-0,85). La oxidacin de los lpidos y sus efectos secundarios,
como la decoloracin de los carotenoides, son excepciones a esta
regla, esto es, tales reacciones se aceleran en el lmite inferior
de la escala de aw. Ms recientemente se ha visto que la temperatura
de la transicin cristalina (Tg) de un alimento y su contenido de
agua (Wg) a dicha temperatura (Tg) estn relacionadas (como agentes
causantes) con las velocidades de los eventos del alimento
limitados por la difusin. En consecuencia la Tg y el Wg son
importantes en las propiedades fsicas de los alimentos congelados y
deshidratados, en las condiciones necesarias para la liofilizacin,
en los cam- bios fsicos que implican cristalizacin,
recristalizacin, gelatinizacin y retrogradacin del almidn en las
reacciones qumicas limitadas por la difusin (vase Captulo 2). En
los alimentos fabricados su composicin puede controlarse
incorporndoles aditivos autorizados, como acidulantes, agentes
quelantes, flavorizantes y antioxidantes, o eliminan- do los
reaccionantes indeseables, como por ejemplo, separando la glucosa
de la clara de huevo deshidratada. La composicin de la atmsfera es
importante, sobre todo en relacin con la humedad relativa y el
contenido en oxgeno, si bien el etileno y el C02 son igualmente
importantes durante el almacenamiento de los alimentos vegetales
vivos. Desgraciadamente aunque en ciertas situaciones la exclusin
del oxgeno sea importante, no se puede conseguir por com- pleto.
Los efectos alterantes de pequeas cantidades residuales de oxgeno
en ocasiones se aprecian durante el almacenamiento. As la formacin
temprana de una pequea cantidad de cido deshidroascrbico (por
oxidacin del cido ascrbico) puede ocasionar la reaccin de Maillard
durante el almacenamiento. La exposicin a la luz altera ciertos
alimentos por lo que conviene envasarlosen material impermeable a
la luz o si es posible controlar su intensidad y longitud de onda.
Los qumicos de los alimentos deben ser capaces de integrar la
informacin disponible sobre atributos de calidad de los alimentos,
reacciones de alteracin a las que son sensibles y los factores que
gobiernan los distintos tipos y velocidades de estas reacciones
deteriorantes para resolver los problemas relacionados con la
formulacin de los productos alimenticios, con su procesado y con su
estabilidad durante el almacenamiento.
15. Introduccin a la qumica de los alimentos 15 1.4 PAPEL
SOCIAL DE LOS QUMICOS DE LOS ALIMENTOS 1.4.1 Por qu deben
intervenir los qumicos de los alimentos en problemas sociales? Los
qumicos de los alimentos deben sentirse obligados a participar en
los asuntos socia- les que incluyen aspectos indudablemente
tecnolgicos (asuntos tcnico-sociales) por las siguientes razones:
Los qumicos de los alimentos han tenido el privilegio de recibir
una enseanza supe- rior y de adquirir habilidades cientficas
especiales y tales privilegios y habilidades llevan consigo la
obligacin de una gran responsabilidad. Las actividades de los
qumicos de los alimentos influyen en la disponibilidad de un buen
aporte alimentario, en el bienestar general de la poblacin, en el
coste de los alimentos, en la creacin y eliminacin de residuos, en
el uso del agua y la energa y en el desarrollo de normas
alimentarias. Puesto que estas materias influyen en el bienestar de
las personas, es de justicia que sientan la responsabilidad de
orientar estas actividades para beneficio de la sociedad. Si los
qumicos de los alimentos no intervienen en los asuntos
tcnico-sociales preva- lecern las opiniones de otros profesionales
cabilderos, de personas de los medios de comunicacin de masas, de
activistas del consumismo, de charlatanes y de fanticos
antitecnolgicos. La mayora de estos individuos estn mucho peor
cualificados que los qumicos de los alimentos para hablar de los
asuntos relacionados con los alimen- tos y algunos obviamente nada
cualificados. 1.4.2 Tipo de intervencin Las obligaciones sociales
de los qumicos de los alimentos comprenden: realizar un buen
trabajo, ser buenos ciudadanos y guardar la tica de la comunidad
cientfica; pero cumplir con todas estas importantsimas obligaciones
no es suficiente. Un deber adicional de enor- me importancia y que
a menudo no cumplen los qumicos de los alimentos es el ayudar a
conocer cmo interpreta y utiliza la sociedad el conocimiento
cientfico. Aunque ni los qumicos de los alimentos, ni otros
cientficos alimentarios pueden, ni deben, ser los nicos rbitros de
las decisiones a tomar, en inters de la ms conveniente, deben
exponer sus puntos de vista y dejarse or. La aceptacin de esta
posicin, que seguramente es incuestio- nable, lleva necesariamente
a preguntarse qu deben hacer, a este respecto, los qumicos de los
alimentos para salvar sus responsabilidades? Son varias las
respuestas vlidas. 1 Participar en las correspondientes sociedades
profesionales. 2 Actuar en los comits asesores gubernamentales si
se nos invita. 3 Tomar iniciativas personales con carcter de
servicio pblico. La ltima puede implicar el envo de cartas a
peridicos, revistas, legisladores, organis- mos gubernamentales,
ejecutivos de empresas, administradores de universidades y otros,
as como dictar charlas en diversas asociaciones ciudadanas.
16. 16 Qumica de los alimentos Los objetivos principales son la
educacin e ilustracin del pblico en lo referente a productos
alimenticios y prcticas dietticas. No es fcil conseguirlo dado que
una parte significativa del pblico tiene ideas falsas sobre los
alimentos y las prcticas dietticas correctas y porque para muchos
individuos los alimentos poseen connotaciones que superan con mucho
el estrecho punto de vista de los qumicos. Para estos individuos
los alimentos son una parte integral de la prctica religiosa, de la
herencia cultural, un rito, un simbolismo social y un camino al
bienestar fisiolgico, actitudes que, en la mayora, no llevan a
conocer los alimentos y las prcticas dietticas de forma racional y
cientfica. Uno de los asuntos alimentarios ms polmicos y ms difctl
de resolver por la poblacin de forma racional y cientfica es la
modificacin de los alimentos al adicionarles sustancias qumicas. La
quimicofobia, el miedo a los productos qumicos, afecta a una porcin
signi- ficativa de personas incultas, para muchas de cuyas mentes
los aditivos con la causa de autnticos peligros, lo que en realidad
es insostenible. Con asombrosa facilidad uno se encuentra en la
literatura popular artculos cuyos auto- res proclaman con
preocupante facilidad que el aporte alimentario estadounidense est
lo suficientemente cargado de venenos como para convertirlo en
insalubre en el mejor de los casos y en el peor en amenaza para la
vida. Verdaderamente chocante, dicen ellos, es la forma en que los
industriales Codiciosos envenenan nuestros alimentos para su
provecho, mientras una ineficaz Food and Drug Administration lo
observa con una complaciente des- preocupacin. Debe creerse a
quienes mantienen este punto de vista? Para valorar la vali- dez de
cualquier artculo periodstico que trate de estos asuntos es
recomendable aplicar los criterios siguientes: Credibilidad del
autor. Est el autor capacitado para escribir sobre estas materias
en virtud de su preparacin, experiencia y aceptacin entre los
cientficos de pres- tigio? Para que sea un escritor con autoridad
deber haber publicado con cierta frecuencia trabajos en revistas
cientficas prestigiosas, especialmente en las que exigen una
revisin meticulosa. Si el autor slo ha publicado en revistas
populares, sobre todo en forma de artculos con ttulos
sensacionalistas y frases atractivas, esto determinar que se preste
un cuidado especial para ver si la exposicin es cientficamente
correcta. Citas bibliogrficas adecuadas. La falta de citas
bibliogrficas no constituye prueba de un trabajo irresponsable o
inexacto, pero debe provocar en el lector un sentimiento de
moderado escepticismo. En las publicaciones dignas de crdito, casi
invariable- mente se indican las referencias bibliogrficas que
remiten al lector a trabajos consi- derados como altamente
cientficos. Cuando los artculos populares constituyen casi toda la
bibliografa citada, los puntos de vista del autor deben analizarse
con cuidado. Credibilidad del editor. El editor del artculo, libro
o revista es considerado por los cientficos conocidos como un
editor cualificado de materias cientficas de calidad? De no ser as
al leer el artculo conviene prestarle una atencin extra. Si
personas cabales basndose en los criterios sealados evaluasen las
publicaciones sensaciona- listas su nmero disminuira por
mentirosas. Sin embargo, aun siguiendo tales crite- rios, algunas
personas cultas difieren respecto de la inocuidad de los alimentos.
' La gran mayora de las personas con conocimientos cientficos
sostienen que nuestro aporte alimentario es aceptable, sano y
nutritivo y que los aditivos alimentarios legalmente
17. Introduccin a la qumica de los alimentos 17 autorizados no
presentan riesgos especiales [7,13,15,19,24-26]. No obstante, aun
siguiendo estos criterios hay un pequeo grupo de personas
prestigiosas que creen que nuestro aporte alimentario presenta
riesgos innecesarios particularmente en lo que respecta a ciertos
aditi- vds legalmente autorizados; el ms entusiasta defensor de
este punto de vista es Michael Jacobson y su Center for Science in
the Public Interest (Centro para la Ciencia de Inters Pblico). Esta
seria dualidad de opiniones no puede resolverse aqu, pero la
informacin que proporciona el Captulo 13 ayudar a las personas
indecisas a disponer de una opinin bien fundada basada en su
perspectiva personal sobre los aditivos, los contaminantes
alimenta- rios y la seguridad de los alimentos. En resumen, los
cientficos tienen mayores obligaciones con la sociedad que las
perso- nas sin formacin cientfica; se espera que generen
conocimientos ticos, pero esto no es suficiente. Deben aceptar la
responsabilidad de asegurar que el conocimiento cientfico se
utilice de modo que produzca el mayor beneficio posible para la
sociedad. El cumplimiento de esta obligacin exige que los
cientficos no solamente se esfuercen por conseguir lo mejor en sus
actividades profesionales diarias, de acuerdo con las mejores
normas ticas, sino que adems desarrollen una preocupacin, bien
asentada, por el bienestar e ilustracin de la poblacin. BIBLIOGRAFA
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19. 2 Agua y hielo OWEN R. FENNEMA University of
Wisconsin-Madison, Madison, Wisconsin Prlogo: Agua, la
decepcionante materia de la vida y la muerte 20 2.1 Introduccin 21
2.2 Propiedades ISicas del agua y del hielo 22 2.3 La molcula de
agua 23 2.4 Asociacin de las molculas de agua 24 2.5 Estructura del
hielo 27 2.5.1 Hielo puro 27 2.5.2 Hielo en presencia de solutos 32
2.6 Estructura del agua 32 2.7 Interacciones agua-soluto 34 2.7.1
Nivel macroscpico (agua ligada, hidratacin y capacidad de retencin
de agua) 34 2.7.2 Nivel molecular: comentarios generales 35 2.7.3
Nivel molecular: agua ligada 36 2.7.4 Interaccin del agua con los
iones y grupos ionizados 36 2.7.5 Interaccin del agua con grupos
neutros capaces de formar enlaces de hidrgeno (solutos hidrfilos)
38 2.7.6 Interaccin del agua con sustancias apolares 39 2.7.7
Detalles de la orientacin del agua adyacente a molculas orgnicas 43
2.7.8 Secuencia de hidratacin de una protena 45 2.8 Actividad del
agua y presin de vapor relativa 45 2.8.1 Introduccin 45 2.8.2
Definicin y medida 48 2.8.3 Dependencia de la temperatura 50 2.9
Isotermas de sordn de humedad 54 2.9.1 Definicin y zonas 54 2.9.2
Dependencia de la temperatura 57 2.9.3 Histresis 57 2.10 Presin de
vapor relativa y estabilidad de los alimentos 59 19
20. 20 Qumica de los alimentos 2.11 Movilidad molecular (Mm) y
estabilidad de los alimentos 64 2.11.1 Introduccin 64 2.11.2
Diagramas de estado e 66 2.11.3 Nueve conceptos clave favorables al
concepto de la movilidad molecular (Mm) y estabilidad de los
alimentos 68 2.11.4 Aspectos tecnolgicos: Congelacin 83 2.11.5
Aspectos tecnolgicos: Desecacin con aire . 91 2.11.6 Aspectos
tecnolgicos: Desecacin a vaco (Liofilizacin) 92 2.11.7 Aspectos
tecnolgicos: Otras aplicaciones del enfoque de la Mm (lista
parcial) 93 2.11.8 Aspectos tecnolgicos: Estimacin de la vida til
relativa 94 2.11.9 Aspectos tecnolgicos: Relaciones de la Tg y la
Mm con la presin de vapor relativa (plp0) e isotermas de sorcin de
humedad 94 2.11.10 Resumen informativo sobre la Mm y la estabilidad
de los alimentos 96 2.12 Mtodos combinados y estabilidad de los
alimentos 96 2.13 Comentarios finales sobre el agua 98 Glosario:
Movilidad molecular y estabilidad de los alimentos 99
Agradecimientos 102 Abreviaturas y smbolos 102 Bibliografa 102
Referencias 103 PRLOGO: AGUA, LA DECEPCIONANTE MATERIA DE LA VIDA
Y. LA MUERTE Inadvertida en la oscuridad de una caverna subterrnea,
una gotita de agua escurre lenta- mente hacia el pico de una
estalactita, siguiendo la senda trazada por incontables predeceso-
ras e impartiendo, como lo hicieran las otras, un pequeo pero casi
mgico toque de belleza mineral. Haciendo una pausa en el pico, la
gotita crece lentamente hasta alcanzar su tamao pleno y, entonces,
se precipita rpidamente hacia el suelo de la caverna, como si
estuviese ansiosa de realizar otras tareas o de asumir diferentes
formas. Las posibilidades del agua son innumerables. Algunas
gotitas desempean papeles de serena belleza: sobre la manga del
abrigo de un nio, en la que un copo de nieve de diseo nico y
perfeccin exquisita yace inadvertido; sobre una telaraa, en la que
las gotas de roco resplandecen con sbito fulgor al contacto con el
primer rayo de sol matutino en el campo, donde un chaparrn de
verano propicia frescura; o en la ciudad, en la que la niebla
invade suavemente el aire de la noche, atenuando ruidos
estrepitosos revestidos por un barniz de tranquilidad. Otras,
contribuyen al fragor y vigor de una catarata, a la sobrecogedora
inmensidad de un glaciar, a la siniestra naturaleza de una
amenazadora tormenta, o a la persuasividad de una lgrima sobre la
meji- lla de una mujer. Para otras, el papel es menos obvio pero
mucho ms crtico. Hay vida, iniciada y sustentada por agua de una
forma sutil y pobremente conocida, o muerte inevitable, catalizada
bajo circunstancias especiales por unos cuantos cristales de hielo
hostiles, o podredumbre en el suelo del bosque, donde el agua
trabaja incesante e implacablemente para desmantelar el pasado, de
modo que la vida pueda surgir de nuevo. Pero la forma del agua ms
familiar no es ninguna de stas; es bastante simple, ordinaria
y
21. Aguay hielo 21 carente de inspiracin, inmerecedora de
atencin especial cuando fluye con fra abundancia de un grifo
domstico. Montona, como el croar de una rana que parece mirar con
ptrea indiferencia el medio acuoso del que depende su propia vida.
Seguramente, la caracterstica ms prominente del agua es la
decepcin, porque en realidad es una sustancia de compleji- dad
infinita, de gran e inapreciable importancia, dotada de una rareza
y belleza suficientes como para excitar y retar a cualquiera que
pretenda conocerla. 2.1 INTRODUCCIN En nuestro planeta el agua es
la nica sustancia que coexiste abundantemente en los tres estados
fsicos posibles. Es nuestro nico lquido comn y el slido puro ms
ampliamente distribuido, estando siempre presente en todas partes
como en la atmsfera suspendido en forma de partculas de hielo o
sobre la superficie terrestre en diversos tipos de nieve y hielo.
Es esencial para la vida: como importante reguladora de la
temperatura corporal, como di- solvente y como vehculo portador de
nutrientes y productos catablicos, como reactante y medio de
reaccin, como lubricante y plastificador, como estabilizadora de la
conformacin de biopolmeros, como probable inductora del
comportamiento dinmico de macromolcu- las, incluyendo sus
propiedades (enzimticas) catalticas y de otras formas ignoradas. Es
verdaderamente sorprendente que la vida orgnica dependa tan
ntimamente de esta peque- a molcula inorgnica y quiz ms destacable
an que muy pocos cientficos se hayan percatado de ello. El agua es
el principal componente de muchos alimentos, teniendo cada alimento
su propio y caracterstico contenido de este componente (Tabla 1).
El agua en la cantidad, localizacin y orientacin apropiadas influye
profundamente en la estructura, aspecto y sa- bor de los alimentos
y en su susceptibilidad a la alteracin. Debido a que la mayora de
los alimentos frescos contienen grandes cantidades de agua, se
necesitan modos de conserva- cin eficaces si se desea su
almacenamiento a largo plazo. La eliminacin del agua, tanto TABLA 1
Contenido de agua de diversos alimentos. Alimento Contenido de
agua(%) Carnes De cerdo, cruda, de cortes magros Vacuna, cruda,
cortes de venta al por menor De pollo, de todas clases, carne cruda
sin piel Pescado, protenas musculares Frutas Bayas, cerezas, peras
Manzanas, melocotones, naranjas, uvas Ruibarbo, fresas, tomates
Hortalizas Aguacates, pltanos, guisantes (verdes) Remolachas,
brcoles, zanahorias, patatas Esprragos, judas (verdes), berzas,
coliflores, lechugas 53-60 50-70 74 65-81 80-85 90-95 90-95 74-80
85-90 90-95
22. 22 Qumica de los alimentos por deshidratacin convencional
como por separacin local en forma de cristales de hielo puro
(congelacin), altera considerablemente las propiedades nativas de
los alimentos y materiales biolgicos. Adems, todos los intentos
(rehidratacin, descongelacin) para re- tornar el agua a su estado
original nunca han tenido ms que un xito parcial. Existe amplia
justificacin, por consiguiente, para estudiar el agua y hielo con
la mxima atencin. 2.2 PROPIEDADES FSICAS DEL AGUA Y DEL HIELO Como
primer paso para familiarizarse con el agua, conviene considerar
las propiedades fsicas que se muestran en la Tabla 2. Comparando
las propiedades del agua con las de molculas de similar peso
molecular y composicin atmica (CH4, NH3, HF, H2S, H2Se, H2Te), es
posible determinar si el agua se comporta de forma normal. Basndose
en esta comparacin, se observa que el agua funde y hierve a
temperaturas anormalmente altas, que exhibe valores inusualmente
elevados de tensin superficial, constante dielctrica, capaci- dad
calrica y calores de transicin de fase (calores de fusin,
vaporizacin y sublimacin), que su densidad tiene un valor
moderadamente bajo, que exhibe el inusual atributo de ex- pandirse
al solidificar y que posee una viscosidad que, a la luz de las
anteriores rarezas, es sorprendentemente normal. TABLA 2
Propiedades fsicas del agua y del hielo. Propiedad Peso molecular
Propiedades de transicin de fase Punto de fusin a 101,3 kPa (1 atm)
Punto de ebullicin a 101,3 kPa (1 atm) Temperatura ctica Presin
ctica Punto triple Entalpa de fusin a 0C Entalpa de vaporizacin a
1oooc Entalpa de sublimacin a ooc Otras propiedades Densidad
(g/cm3) Viscosidad (Pa seg-1) Tensin superficial frente al aire
(N/m) Presin de vapor (kPa) Capacidad calrica (J/g K) Conductividad
trmica (lquido) (W/m K) Difusividad trmica (m2/s) Constante
dielctrica (permittivity) Fuente: De la Ref. 69. 20C 0,99821 1,002
X 10-3 72,75 X 10-3 2,3388 4,1818 0,5984 1,4 x w-7 80,20 Valor
18,0153 o,ooooc 100,000C 373,99C 22,064 MPa (218,6 atm) 0,01oc y
611,73 Pa (4,589 mm Hg) 6,012 kJ (1,436 kcal)/mol 40,657 kJ (9,711
kcal)/mol 50,91 kJ (12,16 kcal)/mol Temperatura 0C 0C (hielo) -20C
(hielo) 0,99984 0,9168 0,9193 1,793 X 10-3 75,64 x w-3 0,6113
0,6113 0,103 4,2176 2,1009 1,9544 0,5610 2,240 2,433 1,3 x 10-7 n,7
x 10-7 11,8 X lQ-7 87,90 -90 -98
23. Aguay hielo 23 Adems, la conductividad trmica del agua es
grande si se compara con la de otros lquidos y la conductividad
trmica del hielo es moderadamente grande en comparacin con la de
otros slidos no metlicos. De mayor inters es el hecho de que la
conductividad trmica del hielo a ooc es aproximadamente cuatro
veces mayor que la del agua a la misma temperatura, indicando que
el hielo conduce la energa calrica a una velocidad mucho mayor que
el agua inmovilizada (por ej., en los tejidos). Las difusividades
trmicas del agua y del hielo an tienen mayor inters, puesto que
estos valores indican la velocidad a la que las"formas slidas y
lquidas del HOH experimentan cambios de temperatura. El hielo tiene
una difusividad trmica aproximadamente nueve veces mayor que la del
agua, indicando que el hielo, en un ambiente dado, experimenta un
cambio de temperatura a una velocidad mucho mayor que el agua.
Estas diferencias mensurables en los valores de conductividad
trmica y difusividad trmica del agua y del hielo proporcionan una
buena base para expli- car porqu los tejidos congelan ms rpidamente
que descongelan, cuando se emplean dife- renciales de temperatura
(gradientes). iguales pero invertidos. 2.3 LA MOLCULA DE AGUA Las
propiedades anmalas del agua sugieren la existencia de grandes
fuerzas atracti- vas intermoleculares y de estructuras no comunes
del agua y hielo. Estas caractersticas se explican mejor
considerando primero la naturaleza de una nica molcula de agua y
des- pus la de pequeos grupos de molculas. Para formar una molcula
de agua, dos tomos de hidrgeno se aproximan a los dos orbitales de
enlace sp3 del oxgeno y forman dos enlaces sigma (cr) covalentes
(40% de carcter inico parcial), cada uno de los cuales tiene una
energa de disociacin de 4,6 x 102 kJ/mol (110 kcal/mol). Los
orbitales moleculares localizados permanecen orientados
simtricamente respecto a los ejes orbitales originales, reteniendo
as una estructura tetradrica aproximada. En la Figura la se mues-
tra el modelo orbital esquemtico de una molcula de agua y en la
Figura 1b se muestran los radios de van der Waals apropiados. - El
ngulo de los enlaces de la molcula de agua {estado de vapor) es
104,5, acercn- dose el valor al del ngulo tetradrico perfecto de
10928'. La distancia internuclear 0-H es de 0,96 y los radios de
van der Waals del oxgeno e hidrgeno son, respectivamente, de 1,40 y
1,2 . Es importante resaltar que el cuadro o modelo que hasta ahora
se ha presentado est supersimplificado. El agua pura no slo
contiene molculas HOH ordinarias sino tambin muchos otros
constituyentes en cantidades vestigiales o traza. Adems de los
istopos comunes 160 y 1 H, tambin estn presentes 17 0, 18 0, 2 H
(deuterio) y 3H (tritio) originando 18 variantes isotpicas de HOH
molecular. El agua tiene igualmente partculas inicas, tales como
iones hidrgeno (que existen como H30+), iones hidroxilo y .sus
variantes isotpicas. El agua, por tanto, consta de ms de 33
variantes qumicas del HOH, pero las variantes solamente se
encuentran en cantidades diminutas e insignificantes. 2.4 ASOCIACIN
DE LAS MOLCULAS DE AGUA La forma en V de una molcula de agua y la
naturaleza polarizada del enlace 0-H origi- nan una distribucin de
cargas asimtrica y un momento dipolar en estado de vapor de
24. 24 Qumica de los alimentos (a) (b) FIGURA 1 Modelo
esquemtico de una molcula HOH simple: (a) configuracin sp3 y (b)
radios de van der Waals de una molcula HOH en estado de vapor. 1,84
D para el agua pura. La polaridad de esta magnitud produce fuerzas
atractivas intennoleculares y las molculas de agua se asocian en
consecuencia con considerable tena- cidad. Las fuerzas atractivas
intermoleculares del agua anormalmente grandes no pueden,
25. Aguay hielo 25 sin embargo, ser completamente comprendidas
en funcin de su gran momento dipolar. Esto no es sorprendente,
puesto que los momentos dipolares no aportan informacin de en qu
grado estn expuestas las cargas o de la geometra de la molcula,
aspectos stos que, por supuesto, tienen una importante funcin sobre
la intensidad de la asociacin molecular. Las grandes fuerzas
atractivas intermoleculares del agua pueden explicarse muy adecua-
damente en funcin de su capacidad de intervenir en la formacin de
enlaces de hidrgeno mltiples tridimensionales. En comparacin con
los enlaces covalentes (energa media de enlace de unos 335 kJ/mol),
los enlaces de hidrgeno son dbiles (tpicamente 2-40 kJ/mol) y
tienen longitudes mayores y ms variables. El enlace oxgeno-hidrgeno
tiene una energa de disociacin de unos 13-25 kJ/mol. Puesto que las
fuerzas electrostticas contribuyen significativamente a la energa
del enlace de hidrgeno (quiz la principal contribucin) y puesto que
el modelo electrosttico del agua es simple y conduce a una
descripcin geomtrica esencialmente correcta de las molculas HOH,
como el que se sabe que existen en el hielo, la ulterior discusin
de los modelos o cuadros geomtricos formados por la asociacin de
molculas de agua resaltar o har nfasis en los efectos
electrostticos. Este modelo simplificado, aunque totalmente sa-
tisfactorio para los objetivos actuales, deber modificarse para
explicar adecuadamente otras caractersticas de la conducta o
comportamiento del agua. El oxgeno altamente electronegativo de la
molcula de agua puede considerarse que comparte peridicamente los
electrones nicos de los dos tomos de hidrgeno unidos cova-
lentemente, dejando por tanto a cada tomo de hidrgeno con una carga
positiva parcial (temporal) y una mnima cobertura electrnica; es
decir, cada tomo de hidrgeno asume algunas caractersticas de un
protn desnudo. Puesto que los orbitales de enlace hidrgeno- oxgeno
estn dirigidos hacia dos de los ejes de un tetraedro imaginario
(Fig. la), ambos ejes pueden considerarse como lneas
representativas de fuerza positiva (sitios donadores de enlaces de
hidrgeno). Los otros dos pares de orbitales del oxgeno pueden
suponerse como si residiesen dirigidos a lo largo de los dos ejes
restantes del tetraedro imaginario y entonces representan lneas de
fuerza negativa (sitios aceptares de enlaces de hidrgeno). En
virtud de estas cuatro lneas de fuerza, cada molcula de agua es
capaz de formar enlaces de hidr- geno con un mximo de otras cuatro.
La disposicin tetradrica resultante se representa en la Figura 2.
Debido a que cada molcula de agua tiene igual nmero de sitios
donadores y receptores de enlaces de hidrgeno, dispuestos para
permitir la expansin tridimensional de los enlaces de hidrgeno,
resulta que las fuerzas atractivas entre molculas .de agua son
anormalmente grandes, incluso cuando se comparan con las existentes
entre otras molculas pequeas tambin implicadas en la formacin de
enlaces de hidrgeno (por ej., NH3, HF). El amona- co, con su
disposicin tretradrica de tres hidrgenos y un sitio receptor, y el
fluoruro de hidrgeno, con su disposicin tetradrica de un hidrgeno y
tres sitios receptores, no tienen igual nmero de sitios donadores y
receptores y, en consecuencia, slo pueden formar redes
bidimensionales de enlaces de hidrgeno, por lo que tienen menos
enlaces de hidrgeno por molcula que el agua. Conceptualizar la
asociacin de unas pocas molculas de agua se complica mucho ms si se
tienen en cuenta las variantes isotpicas y los iones hidronio e
hidroxilo. El ion hidronio, debido a su carga positiva, debera
exhibir un mayor potencial donador de enlaces de hidr- geno que el
agua no ionizada (las lneas discontinuas son enlaces de
hidrgeno).
26. 26 Qumica de los alimentos H H-0~ 1 H ,', EsTRUCTURA 1
Estructura y posibilidades de establecer enlaces de hidrgeno de un
ion hidronio. Las lneas discontinuas son enlaces de hidrgeno. El
ion hidroxilo, debido a su carga negativa, debera exhibir un mayor
potencial aceptor de enlaces de hidrgeno que el agua no ionizada
(XH representa un soluto o una molcula de agua). EsTRUCTURA 2
Estructura y posibilidades de establecer enlaces de hidrgeno de un
ion hidroxilo. Las lneas discontinuas son enlaces de hidrgeno y XH
representa un soluto o una molcula de agua. La capacidad del agua
para intervenir en la formacin tridimensional de enlaces de hi-
drgeno permite explicar lgicamente muchas de sus propiedades
anormales; sus grandes valores de capacidad calrica, punto de
fusin, punto de ebullicin, tensin superficial y entalpas de las
diversas transiciones de fase estn todos relacionados con la energa
extra necesitada para romper los enlaces de hidrgeno
intermoleculares. La constante dielctrica (permittivity) del agua
depende tambin de los enlaces de hidrgeno. Aunque el agua es un
dipolo, este hecho por s solo no explica la magnitud de su
constante dielctrica. Los grupos de molculas unidas por .enlaces de
hidrgeno parecen originar dipolos multimoleculares, que aumentan
eficazmente la constante dielctrica del agua. Ms adelante se
discutir la viscosidad del agua.
27. Aguay hielo 21 FIGURA 2 Configuracin tetradrica de molculas
de agua unidas por enlaces de hidrgeno. Los crculos blancos
representan tomos de oxgeno y los negros de hidrgeno. Los enlaces
de hidrgeno estn represen- tados por lneas discontinuas. 2.5
ESTRUCTURA DEL HIELO La estructura del hielo se tratar antes que la
estructura del agua porque la primera se conoce mucho mejor que la
ltima y porque la estructura del hielo representa una amplia- cin
lgica de la informacin hasta ahora expuesta. 2.5.1 Hielo puro El
agua, con sus fuerzas dirigidas tetradricamente, cristaliza en una
estructura abierta (de baja densidad) que ha sido elucidada con
precisin. En el hielo la distancia intemuclear 0-0 entre molculas
vecinas ms prximas es de 2,76 y el ngulo de enlace 0-0-0 es de
aproximadamente 109, muy pr6ximo al del ngulo tetradrico perfecto
de 109~8' (Fig. 3). La forma en que cada molcula HOH puede
asociarse con otras cuatro (nmero de coordina-
28. 28 Qumica de los alimentos FIGURA 3 Clula unidad del hielo
ordinario a C. Los crculos representan tomos de oxgeno de molcu-
las de agua. La distancia intemuclear 0-0 entre vecinas ms prximas
es 2,76 y q es 109. cin de cuatro) se muestra claramente en la
clula unidad de la Figura 3, en la que puede verse que la molcula W
est asociada a sus cuatro vecinas ms prximas 1, 2, 3 y W'. Cuando
se combinan varias clulas unidad y se miran desde arriba (hacia
abajo en la direccin del eje e) se observa en el hielo la simetra
hexagonal, como se muestra en la Figura 4a. La subestructura
tetradrica sera evidente considerando la molcula W y sus cuatro
vecinas ms prximas, en la que las molculas 1, 2 y 3 aparecen
visibles y la cuarta, situada debajo del plano del papel, estara
totalmente eclipsada por la molcula W. Cuando la Figura 4a se mira
en tres dimensiones, como en la Figura 4b, se observa que
intervienen dos planos de molculas (crculos blancos y negros).
Estos dos planos son paralek>s, muy prximos entre s y se mueven
como una unidad cuando se deslizan o fluyen bajo la presin del
hielo, como en un glaciar. Los pares de planos moleculares de este
tipo forman los planos basales del hielo. Apilando diversos planos
basales se obtiene una estructura ex- tendida del hielo. Para
formar la estructura que muestra la Figura 5 se han combinado tres
planos basales. Mirando hacia abajo desde el eje e, el aspecto es
exactamente el mismo que el mostrado en la Figura 4a, lo que indica
que los planos basales estn perfectamente alinea- dos, quedando
eclipsados los tomos de los planos subyacentes. En esta direccin
(eje e) el hielo es monorrefringente, mientras que en todas las
dems direcciones es birrefringente. El eje e es por tanto el eje
ptico del hielo. En lo que respecta a la localizacin de los tomos
de hidrgeno en el hielo, se coincide en que:
29. Aguay hielo 29 o a 4.52.A (a) e (b) FIGURA 4 El plano basal
del hielo (combinacin de dos capas de elevacin ligeramente
diferente). Cada crculo representa el tomo de oxgeno de una molcula
de agua. Los crculos blancos y negros representan, respectivamente,
los tomos de oxgeno de las capas superior e inferior de los planos
basales. (a) Estructura hexagonal vista hacia abajo del eje c. Las
molculas numeradas se refieren a la clula unidad de la Figura 3.
(b) Vista tridimensional de un plano basal. El borde frontal de la
vista b corresponde al borde inferior de la vista a. Los ejes
cristalogrficos se han dispuesto de acuerdo con la simetra (punto)
externa. 1 Cada lnea que conecta dos tomos de oxgeno vecinos ms
prximos est ocupada por un tomo de hidrgeno situado a 1 0,01 del
oxgeno al que est covalente- mente unido y a 1,76 0,01 del oxgeno
al que est unido por un enlace de hidr- geno. Esta configuracin se
muestra en la Figura 6a.
30. 30 Qumica de los alimentos e FIGURA S Perspectiva de la
estructura del hielo ordinario. Slo se muestran los tomos de
oxgeno. Los crculos claros y los sombreados representan,
respectivamente, los tomos de oxgeno de las capas superior e
inferior de un plano basal. 2 Si las localizaciones de los tomos de
hidrgeno se observan durante un perodo de tiempo, no
instantneamente, el panorama obtenido es algo diferente. Un itomo
de hidrgeno sobre la lnea que conecta a los dos tomos de oxgeno
vecinos ms prxi- mos, X e Y, puede situarse per se en una de las
dos posiciones posibles, bien a 1 de X o a 1 de Y. Las dos
posiciones tienen la misma probabilidad de estar ocupadas.
Expresado de otra forma, cada una de las posiciones estar, por
trmino medio, ocu- pada la mitad del tiempo. Esto es posible porque
las molculas HOH, excepto a tem- peraturas extremadamente bajas,
pueden rotar cooperativamente, y los tomos de hi- drgeno pueden
saltar entre tomos de oxgeno adyacentes. La estructura media
resultante, conocida tambin como la del medio hidrgeno, de Pauling,
o estructura estadstica, se muestra en la Figura 6B. En lo que
respecta a la simetra del cristal, el hielo ordinario (tipo I)
pertenece a la clase bipiramidal dihexagonal del sistema hexagonal.
Adems, el hielo puede existir en otras nue- ve estructuras
polimrficas cristalinas, as como tambin en un estado slido vtreo o
amor- fo, enigmtico, pero mayoritariamente carente de estructura
cristalina. Del total de las once estructuras, solamente el hielo
hexagonal comn es estable a presin normal y 0C. La estructura del
hielo no es tan simple como se ha indicado. Ante todo, el hielo
puro contiene no slo molculas HOH ordinarias sino tambin variantes
inicas e isotpicas del
31. 1 .!~ -~--+~~ l (A) ~~~- -~,~- 1 (8) Aguay hielo 31 FIGURA
6 Localizacin de los tomos de hidrgeno (e) en la estructura del
hielo. (A) Estructura instant- nea. (B) Estructura media (conocida
tambin como del medio hidrgeno (t), de Pauling o estructura estads-
tica). El crculo blanco es oxgeno. ~ ~ 1 FALTAD it~:1 L ROTACIN . ~
?JJ- FALTA L -9-- ..,' DE==C> '~,,, , '1- crMOLCULA 1 - r(A) (B)
FIGURA 7 Representacin esquemtica de defectos de protn en el hielo.
(A) Formacin de defectos orientacionales. (B) Formacin de defectos
inicos. Los crculos blancos y negros representan, respectiva-
mente, tomos de oxgeno e hidrgeno. Las lneas continuas y
discontinuas representan, respectivamente, enlaces qumicos y
enlaces de hidrgeno.
32. 32 Qumica de los alimentos HOH. Afortunadamente, las
variantes isotpicas se presentan en cantidades tan pequeas que
pueden ignorarse en la mayora de los casos, permitiendo centrar la
atencin y conside- rar solamente HOH, H+ (H30+) y OH-. En segundo
lugar, los cristales de hielo nunca son perfectos, y los defectos
encontrados son normalmente de tipo orientacional (causados por la
dislocacin de un protn acompaa- da de orientaciones polarizantes) o
inico (causados por la dislocacin de un protn con formacin de H30+
y OH-) como puede verse en la Figura 7. La presencia de estos
defectos permite explicar la movilidad de los protones en el hielo
y la escasa reduccin de la conductividad elctrica (corriente
discontinua) que se produce cuando el agua se congela. Adems de las
movilidades atmicas implicadas en los defectos del cristal, existen
otros tipos de actividad en el hielo. Se cree que en el hielo cada
molcula HOH vibra con una amplitud media (suponiendo que cada
molcula vibre como una unidad) de alrededor de 0,4 Aa -l0C. Adems,
las molculas HOH que presuntamente existen en algunoS de los
espacios intersticiales del hielo podran difundir lentamente a
travs del retculo cristalino. El hielo por tanto est lejos de ser
esttico y homogneo y sus caractersticas dependen de la temperatura.
Aunque las molculas HOH en el hielo estn tetra-coordinadas a todas
las temperaturas, es necesario rebajar la temperatura a unos -180C
o inferior para fijar los tomos de hidrgeno en una de sus muchas
configuraciones posibles. Por consiguiente, slo a temperaturas
prximas a -180C o inferiores estarn intactos todos los enlaces de
hidrge- no y a medida que la temperatura se eleva decrece
gradualmente el nmero medio de enlaces de hidrgeno intactos
(fijos). 2.5.2 Hielo en presencia de solutos La cantidad y tipo de
solutos presentes influyen en la cantidad, tamao, localizacin y
orientacin de los cristales de hielo. Aqu solamente se tendrn en
consideracin los efectos de los solutos sobre la estructura del
hielo. Luyet et al. [75,77] estudiaron la naturaleza de los
cristales de hielo formados en presencia de diversos solutos entre
los que figuraban sacarosa, glicerol, gelatina, albmina y miosina.
Establecieron un sistema de clasificacin basado en la morfologa,
elementos de simetra y la velocidad de enfriamiento requerida para
desarrollar los diversos tipos de estructura del hielo. Las cuatro
clases mayoritarias son . las formas hexagonales, las dendritas
irregulares, las esferulitas simples y las esferulitas
evanescentes. Las formas hexagonales, que son las ms altamente
ordenadas, son las nicas que se encuentran exclusivamente en los
alimentos, siempre que se evite la congelacin extrema- damente
rpida y que el soluto sea de un tipo y est a una concentracin que
no interfiera indebidamente con la movilidad de las molculas de
agua. La gelatina a altas concentracio- nes producir, por ejemplo,
formas ms desordenadas de cristales de hielo. 2.6 ESTRUCTURA 1 DEL
AGUA Puede parecer extrao hablar de la estructura de un lquido
cuando la fluidez es la esen- cia del estado lquido. An persiste
una vieja y bien aceptada idea [96] de que el agua lquida tiene
estructura, obviamente no lo suficientemente establecida y extensa
como para producir
33. Aguay hielo 33 rigidez a larga distancia, pero ciertamente
mucho ms organizada que la de las molculas en estado de vapor;
adems es lo suficientemente intensa como para que una molcula de
agua determinada pueda influir en la orientacin y movilidad de sus
vecinas. La evidencia sobre este punto de vista es convincente. Por
ejemplo, el agua es un lquido abierto, teniendo solamente el 60% de
la densidad que sera de esperar en funcin del denso empaquetado que
puede prevalecer en los lquidos no estructurados. La baja densidad
del agua se explica fcilmente por la retencin parcialde la
disposicin tetradrica, de enla- ces de hidrgeno y estructura
abierta del hielo. Adems, el calor de fusin del hielo, aunque
anormalmente alto, slo es suficiente para romper alrededor del15%
de los enlaces de hi- drgeno que se cree existen en el hielo. Esto
no significa necesariamente que el 85% de los enlaces de hidrgeno
existentes en el hielo sean retenidos por el agua (por ej., es
posible que se rompan ms, pero el cambio de energa puede quedar
enmascarado por el aumento simul- tneo de las interacciones de van
der Waals); los resultados de mltiples estudios sostienen la idea
de que en el agua lquida exiten muchos enlaces de hidrgeno
agua-agua. La elucidacin de la estructura del agua pura es un
problema sumamente complejo. Se han propuesto muchas teoras, aunque
todas son incompletas, demasiado simplificadas y con puntos dbiles
que rpidamente citan los que sostienen teoras rivales. sta es, por
cier- to, una situacin conveniente que terminar en un modelo (o
modelos) sobre la estructura precisa del agua. Mientras tanto,
pocas afirmaciones pueden hacerse con la seguridad de que
permanecern esencialmente inalteradas los prximos aos. En
consecuencia, solamente se tratar brevemente esta materia. Se han
propuesto tres tipos de modelos generales: el de la mezcla, el
intersticial y el continuo (conocido tambin como modelo uniformista
u homogneo) [5]. Los modelos de la mezcla (bifsicos) se basan en el
concepto de que los enlaces de hidrgeno intermoleculares se
concentran momentneamente en voluminosos agregados de molculas de
agua que es- tn en equilibrio dinmico con otras especies ms densas,
entendindose por momento o en equilibrio una efmera vida media de
-10-11 seg [73]. Los modelos continuos parten de la idea de que los
enlaces de hidrgeno intermoleculares estn distribuidos
uniformemente por toda la muestra y que muchos de los enlaces que
exis- ten en el hielo simplemente se distorsionan en lugar de
romperse cuando se funde el hielo. Se ha sugerido que esto permite
la existencia de un retculo continuo de molculas de agua que, por
supuesto, es de naturaleza dinmica [107,120]. El modelo
intersticial implica el concepto de agua retenida en una estructura
geliforme o tipo clatrato con molculas de agua individuales
llenando los espacios intersticiales de los clatratos. En los tres
modelos, la caracterstica estructural dominante es la asociacin me-
diante enlaces de hidrgeno del agua lquida en tetraedros efmeros y
distorsionados. Todos los modelos admiten tambin que molculas de
agua individuales frecuentemente alteran sus relaciones de enlace,
rompindose fugazmente los enlaces de hidrgeno distorsionados de una
molcula de agua para sustituirlos o intercambiarlos inmediatamente
por otros nue- vos, manteniendo simultnea o instantneamente, a
temperatura constante, un nivel dinmicamente equilibrado de enlaces
de hidrgeno y estructura para el sistema global o de conjunto. El
grado de enlaces de hidrgeno entre las molculas de agua es, por
supuesto, depen- diente de la temperatura. El hielo a ooc tiene un
nmero de coordinacin (nmero de veci- nas ms prximas) de 4,0 con las
vecinas ms prximas a una relativa corta distancia de 2,76 . Con la
aportacin del calor latente de fusin el hielo se funde; es decir,
que algunos
34. 34 Qumica de los alimentos enlaces de hidrgeno se rompen
(la distancia entre vecinas ms prximas aumenta) y otros son
distorsionados cuando las molculas de agua asumen el estado fluido
asocindose ms compactamente. A medida que aumenta la temperatura,
el nmero de coordinacin aumenta desde 4,0 en el hielo a 0C, a 4,4
en el agua a 1,5C 't. a 4,9 a 83C. Simultneamente, la distancia
entre vecinas ms prximas aumenta de 2,76 A en el hielo a 0C, a 2,9
Aen el agua a 1,5C y a 3,05 Aa 83C [7,80]. Es evidente por tanto
que la transformacin hielo-agua va acompaada por un aumento en la
distancia entre vecinas ms prximas (menor densidad) y por un
aumento del nmero medio de vecinas ms prximas (mayor densidad),
predominando el ltimo efecto determi- nante del incremento neto de
densidad. El ulterior calentamiento por encima del punto de fusin
hace que la densidad alcance un valor mximo a 3,98C que despus
disminuye gradualmente al aumentar la temperatura. Es manifiesto,
por consiguiente, que el efecto del incremento del nmero de
coordinacin predomina a temperaturas comprendidas entre ooc y 3,98C
y que el efecto del aumento de la distancia entre vecinas ms
prximas (expansin trmica) predomina por encima de 3,98C. La baja
viscosidad del agua es fcilmente reconciliable con el tipo de
estructuras que han sido descritas, puesto que las uniones por
enlaces de hidrgeno de las molculas de agua son altamente dinmicas,
permitiendo por tanto que las molculas individuales, en cuestin de
nano- o picosegundos, cambien sus relaciones de enlaces de hidrgeno
con las molculas vecinas, facilitando as su movilidad y fluidez.
2.7 INTERACCIONES AGUA-SOLUTO 2.7.1 Nivel macroscpico (agua ligada,
hidratacin y capacidad de retencin de agua) Antes de tratar de las
interacciones agua-soluto a nivel molecular es conveniente discutir
los fenmenos relacionados con el agua a que se refieren trminos
tales como agua ligada, hidratacin y capacidad de retencin de agua.
En lo que respecta a los alimentos, los trminos agua ligada e
hidratacin se usan generalmente para referirse a la tendencia
general del agua a asociarse con las sustancias hidrfilas,
incluyendo los materiales celulares. Cuando se usan en tal sentido,
los trminos se aplican a nivel macroscpico. Aunque trminos o
acepciones ms especializados, tales como potencialligante de agua,
son definidos en trminos cuantitativos, an se aplican solamente a
nivel macroscpico. El grado y tenacidad de la unin del agua o
hidratacin depende de diferentes factores entre los que se incluye
la naturaleza del constituyente no acuoso, la composicin salina, el
pH y la temperatura. La capacidad de retencin de agua es un trmino
que se emplea frecuentemente para describir la eficacia de una
matriz de molculas, normalmente macromolculas presentes a bajas
concentraciones, para atrapar fsicamente grandes cantidades de
agua, inhibiendo la exudacin. Entre las matrices alimentarias
familiares que atrapan agua de este modo figuran los geles de
pectina y de almidn, as como las clulas de los tejidos, tanto
vegetales como animales.
35. Aguay hielo 35 El agua fsicamente atrapada no fluye de los
alimentos tisulares aunque se corten o re- duzca el tamao de
partcula (aumento de superficie). Por otra parte, este agua se
comporta casi como el agua pura durante el procesado de los
alimentos; esto es, se elimina fcilmente durante la desecacin, se
transforma rpidamente en hielo durante la congelacin y conser- va
su capacidad disolvente. Aunque su flujo masivo est severamente
restringido, el movi- miento de molculas individuales es
esencialmente igual al de las molculas de agua de una solucin
salina diluida. Casi toda el agua de los tejidos y geles est
fsicamente atrapada y la modificacin de la eficacia acaparadora
(capacidad de retencin de agua) de los alimentos tiene un profundo
efecto sobre su calidad. Ejemplos de defectos de calidad que surgen
de la reduccin de la capacidad de retencin de agua son la sinresis
de los geles, el exudado de la descongela- cin de alimentos
previamente congelados y el rendimiento inferior del tejido animal
embu- tido en forma de salchichas, resultante del descenso del pH
muscular durante los cambios post mortem normales. Las estructuras
de los geles y la capacidad de retencin de agua se discuten con ms
detalle en otros captulos. 2.7.2 Nivel molecular: comentarios
generales La adicin de solutos al agua determina la alteracin de
las propiedades de ambos cons- tituyentes.. Los solutos hidrfilos
originan cambios en la estructura y movilidad del agua adyacente y
el agua modifica la reactividad y a veces la estructura de los
solutos. Los grupos