Ingeniería gastronómica. José Miguel Aguilera
las membranas celulares es muy importante en aquellos alimentos que deben seguir realizando su metabolismo, como frutas y vegetales frescos, pues se destruyen fácilmente por el calor. Hay también una ventaja tecnológica en conservar las paredes celulares y membranas casi intactas en algunos procesos para que actúen como filtros moleculares. Este es el caso de la extracción de azúcar de la remolacha donde los tubérculos se cortan en forma de largos fideos que tienen en su interior muchas células intactas que dejan pasar sólo las moléculas de azúcar y retienen el material intracelular no deseado. Los “fideos” de remolacha extraídos se secan y son un buen alimento animal llamado coseta.
La estructura del músculo esquelético de los animales está formada por células alargadas o fibras musculares, que no poseen paredes celulares como las de plantas (figura 2.1, derecha). La capacidad de contracción de los tejidos musculares se basa en el ensamblaje de dos proteínas, la actina y la miosina que constituyen más del 20% de las células musculares, y que dan origen a estructuras jerárquicas a niveles superiores. Ambas proteínas en el interior de las células están inmersas en un fluido llamado sarcoplasma y se entrecruzan y deslizan entre sí en forma paralela para dar la capacidad al músculo de estirarse y contraerse. Las células musculares se agrupan en cilindros alargados llamados miofibrillas de 1 a 2 μm de diámetro, que posteriormente se ensamblan formando haces de fibras musculares hasta llegar al tejido completo. Los haces de fibras son fácilmente separados con la ayuda de un tenedor en pescados y carnes que han sido bien cocidos. Toda la estructura fibrilar del músculo se mantiene unida por envolturas de tejido conectivo, compuesto principalmente por la proteína llamada colágeno, las que confluyen en los tendones que unen al músculo con el hueso (figura 2.1, derecha arriba). El colágeno está formado por tres cadenas de proteínas enrolladas en forma de hélice y estabilizadas por uniones intermoleculares. Cuanto más viejo es un animal, más abundante, entrecruzado y resistente a la cocción es el tejido conectivo, y de ahí su dureza culinaria. La gelatina proviene de la hidrólisis del colágeno de cueros y huesos.
De todo lo anterior se concluye que los denominados componentes y nutrientes de los alimentos no se encuentran distribuidos homogéneamente sino que forman parte de estructuras bastante complejas que les otorgan propiedades identificables por nuestros sentidos. El conocimiento preciso de estos arreglos, en que participan microscopistas y bioquímicos, ha permitido entender el origen de ciertas tecnologías e introducir mejoras significativas en los procesos. Por otra parte, resulta evidente que el proceso de digestión debe liberar a los nutrientes desde estas estructuras si es que ellos van a ser eficientemente absorbidos en el intestino, lo que se abordará en la sección 7.6.
2.2. Sociología molecular
Se ha hablado de moléculas y de estructuras, pero no de cómo se pasa de las primeras a las segundas. Las interacciones entre las moléculas vecinas, que pueden ser de atracción o repulsión, se pueden comparar a las interacciones entre los seres humanos y de ahí que se haya derivado el término sociología molecular. De hecho, se habla de si existe o no “química” entre las personas y el concepto sociológico de “química humana” analiza las “reacciones” para formar y deshacer enlaces entre seres humanos y las estructuras que se derivan de estas relaciones.46 Hacer analogías entre moléculas y seres humanos puede resultar bizarro, pero se justifica cuando se quiere hacer uso de la experiencia cotidiana y personal para explicar algo que es complejo.
Algunas personas se juntan y no se separan más, como se promete en el matrimonio. En química, la atracción tiene que ver con interacciones entre moléculas vecinas, que van de fuertes a débiles. La unión más cercana y permanente entre moléculas es el enlace covalente donde se comparten electrones externos entre dos o más átomos. Este es el enlace con que se unen los monómeros cuando forman los polímeros como las proteínas y los polisacáridos. En los alimentos se usan enzimas para romper estos enlaces, por ejemplo, la amilasa que corta las moléculas de almidón y las transforma en azúcares simples, y la renina (o cuajo) que escinde una parte de la caseína de la leche, desestabilizándola para que se forme la cuajada del queso.
Sin embargo, a medida que se progresa en los niveles jerárquicos de las estructuras biológicas comienzan a predominar interacciones menos específicas que los enlaces covalentes y adquieren una gran importancia las llamadas interacciones débiles, en que priman propiedades específicas de las moléculas mismas. El profesor Jean Marie Lehn (1939), premio Nobel de Química 1987 (ver sección 10.6), propuso el nombre de química supramolecular al estudio de las interacciones entre moléculas, más allá de los enlaces covalentes.47 En la formación de estructuras alimentarias hay algunas interacciones no-covalentes que conviene tener presente. Las interacciones electrostáticas ocurren entre moléculas que tienen cargas eléctricas y pueden ser de atracción (cargas opuestas) o repulsión (cargas del mismo signo). Los enlaces o puentes de hidrógeno ocurren cuando este elemento se encuentra cargado positivamente (H+) y es atraído por cargas negativas en cualquier otra molécula pero con una intensidad que es sólo un 1% de la del enlace covalente. En las moléculas de agua (H+–O––H+), el enlace de hidrógeno explica muchas de las propiedades de este compuesto y su interacción con grupos cargados de otras moléculas, como es el caso de la hidratación de proteínas y polisacáridos. Las interacciones de van der Waals corresponden a atracciones o repulsiones debido a efectos de cargas eléctricas débiles permanentes o momentáneas en las moléculas. Hay más sobre interacciones moleculares, pero lo visto permite progresar sin tropiezos.
Las cadenas de polímeros que poseen cargas eléctricas localizadas, como algunos polisacáridos, pueden ser unidas por un ión de signo contrario y así formar macroestructuras estables como los geles de carragenina o alginato. Pero la carencia de carga eléctrica también es una oportunidad para que las moléculas se asocien, especialmente si están en un ambiente altamente “cargado” como es el medio acuoso. Los grupos o zonas sin carga se “atraen” entre sí, se juntan y esconden al sentirse rechazados por el medio, dando lugar a las atracciones hidrofóbicas (odian estar en contacto con agua) que agrupan a las moléculas y las segregan del resto. Algunos geles proteicos se estabilizan en buena medida a través de este mecanismo. Las personas que se sienten discriminadas suelen también juntarse entre sí y apartarse. No es exagerado decir que estos y otros tipos de interacciones débiles, en forma individual o simultánea, son fundamentales en las estructuras que se obtienen en la cocina y en aquellas que darán origen a los alimentos del futuro.
El rompimiento de una relación es un acontecimiento doloroso. Las enzimas hidrolíticas son las mayores disociadoras y sirven para romper moléculas grandes como las proteínas, carbohidratos y lípidos, para dar lugar a moléculas más pequeñas. Pero bajo ciertas condiciones las enzimas pueden actuar como una casamentera y crear nuevos vínculos. En química muchas reacciones son reversibles y algunas enzimas pueden formar polímeros a partir de los monómeros (por ejemplo, sintetizar proteínas a partir de aminoácidos). Ciertas lipasas permiten pegar ácidos grasos específicos y formar triglicéridos con propiedades especiales, que se denominan lípidos estructurados. Es posible construir enzimáticamente anillos de 6 a 9 unidades de glucosa conocidos como ciclodextrinas con una región interna hidrofóbica donde se pueden albergar moléculas de aromas, pigmentos, vitaminas o compuestos “funcionales” poco solubles en agua, y cuyo exterior hidrofílico permite la dispersión en un medio acuoso.
El concepto de autoensamblaje (self-assembly) de moléculas se refiere a una asociación espontánea y reversible de grupos de moléculas para formar estructuras de acuerdo a cierta “información química” contenida en las moléculas mismas. Esta asociación produce un salto desde la escala molecular a la de decenas o centenas de nanómetros. Ejemplos de estas asociaciones de autoensamblaje que existen en los alimentos son las micelas de caseína en la leche que miden unos 200-400 nm (sección 2.9) y las membranas biológicas en células animales y vegetales. Los monoglicéridos y los fosfolípidos (moléculas de lípidos que tienen una cabeza polar y una cola apolar) pueden autoensamblarse espontáneamente, dependiendo de las condiciones del medio en que se encuentran, en una multitud de nanoestructuras con formas de láminas extendidas o lamelas (como