ruthciscar: CARNAVAL DE QUÍMICA

La cocina: ese laboratorio que tenemos en casa.

Esta entrada participa en la XX edición del Carnaval de Química organizado por @bioamara en el blog La Ciencia de Amara

Cuando a mis chavales de entre 8 y 12 años les hablo de química, directamente imaginan un laboratorio bien dotado, lleno de reactivos, disolventes, tubos de ensayo y sofisticados equipos de análisis y/o síntesis.

Pero hoy cuando les he dicho que entraran en mi laboratorio, se han reido: ¿en tu cocina? Pues sí. La cocina es un gran laboratorio. En la cocina, horneamos o asamos alimentos, hacemos mezclas, preparamos cremas, espesamos salsas, todas estas operaciones involucran cambios físicos y químicos.

La cara de mis chicos lo dice todo, así que vamos a demostrar que la cocina es nuestro laboratorio casero más importante.

Empezaremos por algo tan sencillo como salar la carne. Antiguamente la carne se salaba para que durara más tiempo sin descomponerse. Al añadir sal deshidratamos, mediante el fenómeno se ósmosis, las células. Así los microorganismos no pueden vivir en una solución tan concentrada y con ello se prolonga la conservación de los alimentos. Gracias a ello podemos comer el delicioso jamón sin ponernos malos, o el bacalao salado.

Un procedimiento muy común al preparar los alimentos es el troceado de los mismos. Cualquiera que se vaya a cocinar: zanahorias, filetes, etc., es casi inevitable cortarlos.

En general la velocidad de una reacción aumenta cuando aumenta la superficie de contacto (o superficie activa) entre ambos reactantes. En otras palabras, mientras más molido esté el café más cargado queda, aunque sea el mismo número de cucharadas.

Entremos en materia, preparando cremas, mahonesas y aderezos. Las soluciones, suspensiones, emulsiones y coloides son mezclas con dos fases de los tres estados de la materia, on la particularidad que en cada caso el tamaño de la fase dispersa o soluto es distinto.

Casi todos los aderezos para ensaladas están constituidos por dos líquidos no miscibles, que pueden o no llevar una especia. Para usarlos hay que agitarlos, a mayor agitación más tiempo tardan en separarse. Al dejar de agitar las gotas de aceite crecen hasta crear una capa que se separa. La adicción de una tercera sustancia llamada emulsificante impide que se separen y así conseguimos la mahonesa. Esta es una suspensión estabilizada por la lecitina de la yema de huevo. La clave para hacer la mayonesa es verter las gotas de aceite muy lentamente sobre el limón, la yema y la mostaza (bien batidos) de forma que la yema de huevo pueda cubrir las gotas de aceite que se están añadiendo impidiendo que se junten.

emulsión de aceite y agua

La mantequilla, sin embargo, es una emulsión de agua en medio acuoso.

Uno de los coloides más representativo que se encuentra en la cocina es la gelatina, una proteína com grupos carbonilo -C=O y imino =N-H, que forman enlaces por puente de hidrógeno con el agua. En agua caliente, está dispersa, pero al enfriarse forma un gel, un líquido disperso en un sólido, en este caso las partículas coloidales de gelatina están en contacto entre sí formando una red tridimensional, la cual engloba al líquido, como en celdas microscópicas.

Hay un fenómeno común en los geles, denominado sinéresis, consiste en la formación de un líquido constituido por las mismas moléculas coloidales muy diluidas. Este fenómeno se presenta cuando se enfrían gelatinas y postres semejantes: el gel se contrae y expulsa agua. La contracción se debe a un rearreglo de las moléculas del coloide que adquiere una estructura más estable.

Otro coloide cotidiano es la leche. Si ésta se diluye más de lo que el fabricante ya ha hecho puede notarse la dispersión de luz característica de los coloides. Las moléculas de caseína, una proteína de la leche, se mantienen dispersas por tener carga negativa. Obviamente la leche se "corta" cuando se aglomeran las partículas de caseína. Esto ocurre por la producción de ácido láctico debida a la fermentación de los azúcares de la leche. El ácido (que tiene carga positiva) se une a las moléculas de caseína neutralizándolas, al no repelerse en éstas se forman los grumos característicos de la leche cortada.

Y ¿cómo vamos de olores?. Ajos, cebollas, coliflor, pescados, etc son conocidos por sus fantásticos olores. El mecanismo de producción es el siguiente:

Se trata, en general, de sustancias separadas por la membrana celular, la cual al romperse (sea por corte, macerado, cocimiento, etc.) permite que reaccionen produciendo las sustancias odoríferas. La mejor manera de eliminarlos es cocinarlos con gran cantidad de agua para reducir el tiempo de coción y hacerlo sin tapadera, para que los ácidos volátiles se eliminen rápidamente.

En el caso del ajo y la cebolla si disminuimos la cantidad de membranas destruidas, troceando en vez de picando y controlando la temperatura de cocción (el calor destruye las paredes celulares) podremos controlar su olor y sabor.

El pescado debe su olor a la destrucción de sus proteínas. Son grupos alquil unidos a un grupo amina. Para disminuir su olor hay que rociar con limón, así el grupo amino captará iones hidrógeno dando una molécula cargada eléctricamente

R — NH₂ + H⁺ è R — NH₃+

y así las partículas olorosas quedarán disueltas en el agua del jugo de limón.

No hay duda de que el arte culinario pretende combinar sabor con nutrición. Y para lo primero se emplean aditivos como sal, azúcar, especias, etcétera.

Curiosamente los principales componentes de los alimentos (proteínas, hidratos de carbono, grasas, etc.) tienen relativamente poco sabor. El azúcar es el único ingrediente que tiene importancia por su sabor. En gran medida son las "impurezas" (sustancias en muy bajo porcentaje) las que suministran el sabor a los víveres

Los saborizantes de origen natural pertenecen a diversas familias químicas: alcoholes, cetonas, aminas, ácidos, ésteres, aldehídos, lactonas, hidrocarburos sulfurosos, etc. Sorprenderá saber que se emplean en porcentajes muy bajos, menos de un 0.001%, al preparar los alimentos. Hay ciertas sustancias que mejoran considerablemente el sabor de los alimentos, son los llamados potenciadores por tecnólogos de alimentos y sazonadores por los cocineros. Entre ellos están la sal y el glutamato.

Un protagonista importante en la mayoría de las recetas es el huevo, debido a su composición química.

Cuando mezclamos los ingredientes para hacer un flan, las proteínas del huevo se encuentran en su forma más común o natural, pero al calentar al baño María la proteína del huevo de desnaturaliza haciendo que la mezcla sea cada vez más y más espesa. Lo mismo sucede cuando hacemos una tortilla.

Las proteínas se desnaturalizan cuando modifican su plegamiento, cambiando su estructura. Al cocinar un huevo o la carne, se vuelven firmes, debido a este proceso. Sin embargo puede lograrse no solo con calor sino también con el agregado de alcohol, acetona, ácidos y bases.  Cuando decimos que la leche se cortó, estamos haciendo referencia a que se produjo una desnaturalización proteica, el aumento de ácido generado por las bacterias es el responsable de tal cambio. Esta es una de las tantas reacciones que se producen en nuestra cocina.

Actualmente las recetas incorporan como ingredientes nuevas sustancias, como son el lactato de calcio y el alginato de sodio, que dan una textura especial a los alimentos, sin modificar su sabor.

El reactor: la olla a presión.

Si vemos el diagrama de fases del agua, a presión constante, la temperatura máxima de equilibrio entre el vapor y el líquido es la temperatura de ebullición del H₂O. Observemos que la curva de equilibrio LG (líquido-gas) se interrumpe a 374°C; ésta es la temperatura crítica del agua; la presión correspondiente se llama, obviamente, "presión crítica".

diagrama de fases del agua

Cuando hervimos los garbanzos, la temperatura max es de 93º, si abro el gas para aumentar la llama, lo único que conseguiré es evaporar más agua y tener que añadir más. El único modo de reducir el tiempo de cocción es usar una olla de presión.

Su funcionamiento está basado en el “digestor de vapor” diseñado en 1679 por un ayudante de Robert Boyle, Denise Papin.

En contra de lo que se cree, en el interior de una olla a presión el agua no llega nunca a hervir. Lo que acelera la cocción es el simple incremento de la temperatura del agua.

La ebullición se logrará siempre y cuando se consiga atravesar la denominada «línea de cambio de estado», la que separa las zonas de líquido (L) y gas (G) en el diagrama termodinámico.

Al cerrar la tapa de la olla la mayoría del gas contenido en su interior será aire, no vapor de agua, de modo que en todo momento la presión en el interior será la suma de la debida al vapor de agua, cuya cantidad se va incrementando por efecto de la evaporación a medida que aumenta la temperatura, y al aire, cuya presión parcial es la responsable de que a medida que se calienta la olla la presión en el interior se aleje más y más de la de saturación, lo que impide la ebullición del agua en el interior de la olla, es decir, la línea de cambio de estado no corta nunca a la línea 1→2 que representa la evolución de las condiciones de presión y temperatura en el interior de la olla.

Del mismo modo, una vez alcanzada la presión máxima que determina la válvula (por su peso o por un muelle) en el interior de la olla, ésta no puede modificarse, y mantenerla a fuego fuerte no acelera la cocción sino que simplemente incrementa la evaporación de agua y las pérdidas de vapor por la válvula.

La presión interna que se llega a generar en la olla es de 1.40 kg cm², lo que implica una temperatura de ebullición del agua de casi 130°C. No parece mucho, pero basta para aumentar la velocidad de las reacciones de cocimiento casi diez veces.

Las enzimas son también las protagonistas en la cocina, ellas intervienen en una gran cantidad de procesos de elaboración de alimentos y bebidas. Las levaduras son, sin duda, las más frecuentes, pero no olvidemos a las bacterias. Veamos rápidamente algunas:

La papaina y la bromelaína (enzima de la piña) hidroliza el colágeno de la carne y la ablanda.

La levadura de pan libera dos enzimas, una de las cuales, la "invertasa" o "sacarasa", convierte la sacarosa en glucosa:

C₁₂ H₂₂ O₁₁ + H₂O 2C₆ H₁₂ O₆

La glucosa, a su vez, se convierte en etanol y bióxido de carbono por la acción de otra enzima: la "zimasa":

C₆ H₁₂ O₆ 2C₂ H₅ OH + 2CO₂

Esta fermentación alcohólica tiene diversas aplicaciones en el campo de la alimentación. En unos casos se aprovecha el CO₂ (para que esponje el pan) y en otros el etanol (cerveza, vino, etc.). En este caso la reacción no requiere oxígeno, lo que químicos y biólogos llaman proceso anaerobio.

Las bacterias útiles en la alimentación son las llamadas saprófitas, que producen sustancias útiles para el medio en que viven o bien descomponen la materia orgánica pasándola a material mineral.

Las principales fermentaciones bacterianas son

Fermentación acética:

C₂ H₅ OH CH₃ COOH + H₂O

Alcohol etílico ácido acético

Fermentación láctica:

lactosa ácido láctico

La produce el lactobacillus. Tiene lugar en la fabricación del yogur; kéfir, quesos con mohos, col fermentada, etcétera.

Fermentación butírica:

glúcidos ácido butírico

requiere oxígeno y es producida por el clostridium butiricum y el bacillus amylobacter. Es la fermentación que tiene lugar al enranciarse la mantequilla; también se emplea para la obtención de fécula de patata.

Fermentación pútrida:

consiste en la desintegración de las proteínas en aminoácidos a partir de los restos vegetales o animales; en el proceso se liberan gases como el amoníaco, bióxido de carbono, hidrógeno, metano y otros de olor fétido como sulfuro de hidrógeno, nidol, escatol, etc. Se producen también las "ptomaínas", sustancias muy tóxicas.

Bueno podríamos continuar y tendríamos para un libro, solo espero que cada vez que entréis en la cocina os sintáis como auténticos químicos.

Ruth Císcar

Mamá, ¿que tendrán las espinacas que no me gustan?

Esta entrada participa en la XIX edición del Carnaval de Química organizado por @scariosHR en el blog de LEET ME Explain

Seguro que alguna vez os habéis hecho esta pregunta, pues si os apetece hoy podemos dar algunas respuestas.

La espinaca es originaria de China, llegó a España en el siglo XI y de ahí pasó al resto de Europa en torno al siglo XV. Su nombre científico es Spinacia oleracea.

Cuando algo no nos gusta, intentamos no comerlo, pura lógica, sin embargo vamos a ver porque es necesario comer espinacas: porque inhibe (frena, retrasa, evita) la aparición de tumores cancerosos. ¡ ANDA YA ! , estarás pensando. Pues sí, la espinaca es rica en betacarotenos, como la zanahoria, que son los precursores de la vitamina A. El betacaroteno no es más que un pigmento vegetal que se transforma en vitamina A al llegar al hígado y al intestino delgado. Su poder antioxidante evita la aparición del cáncer. Esta provitamina junto con la clorofila, que le da el color verde, dotan a este vegetal de tan magnificas propiedades como: es antioxidante, fortalece los sistemas circulatorios e intestinal, disminuye el colesterol y los triglicéridos, es antiánemica, etc.

Quedémonos con la clorofila. Se trata de una biomolécula que permite a las espinacas, todas las plantas y algas absorber energía en todas las longitudes de onda del espectro, excepto el verde, de ahí su color, y usan esa energía para generar el oxígeno que respiramos. A este proceso se le conoce como fotosíntesis.

imagen de juan-lafotosintesisylaclorofila.blogspot.com.es

Se trata de una porfirina sustituida con pequeños grupos enlazados y una cadena larga llamada fitol. Éste está formado por cadenas orgánicas de C e H. En el centro de la porfirina encontramos un átomo de Mg²⁺.

imagen de www.biología.edu.ar

Bueno ahora que ya tenemos la tarjeta de presentación de nuestra fuente de oxígeno, la Sra. Clorofila vamos a comprobar que realmente está en las espinacas que mamá compra. Para ello vamos a hacer dos cromatografías una de papel y otra con tiza blanca, la del cole.

Los materiales que vamos a necesitar son:

v Hojas de espinacas.

v Alcohol de 96º (podemos usar el que tenemos en casa para las heridas)

v Un mortero

v Filtros de café o papel de filtro de farmacia

v Un embudo

v Algunos vasos

v Una tiza blanca redonda

v Un lápiz, o un palito de pincho o una pinza.

Procedimiento:

1. Primer paso: extraer la clorofila de la espinaca para que quede disuelta en el alcohol. Para ello colocaremos las hojas de las espinacas en el mortero, le añadiremos un poco de alcohol y lo machacaremos hasta que el alcohol adquiera un color verde intenso.

2. Segundo paso: Separar la fase sólida o pulpa de la liquida o extracto. Para ello pondremos dentro del embudo un filtro de café y filtraremos el líquido obtenido, depositándolo en un vaso.

3. Ahora prepararemos el soporte donde realizaremos la cromatografía o separación de los componentes. En nuestro caso una tiza o un papel de filtro.

A. Separación en tiza:

Colocar medio centímetro de altura del filtrado en un vaso.
Sumergir dentro del extracto la base de la tiza, y dejarla entre 3 y 5 minutos.
Transcurrido este tiempo, retirar la tiza, y colocarla en un vaso que contenga medio centímetro de altura de alcohol. Hay que tener en cuenta que la línea de extracto en la tiza no ha de quedar sumergida en el alcohol.
Dejar la tiza en el alcohol y observar lo que sucede.

B. Separación en papel de filtro:

Cortar una tira de papel de filtro de unos 4 x 12 cm.
Colocar con un cuenta gotas una gota del extracto a un centímetro del borde y dejar secar. Repetir la operación dejando caer una gota sobre la gota seca y dejar secar de nuevo hasta tener unas 8 ó 10 gotas de extracto.
Pegar el papel a un lápiz, palito de pincho o usar una pinza para sumergir la tira de papel en un vaso con alcohol sin que el nivel de alcohol sobrepase la línea de extracto del papel. Dejar el papel en el alcohol y observar lo que sucede.

Como podéis ver en la foto, de la cromatografía que ha hecho Paula (8 años), podemos distinguir 4 bandas o zonas que corresponden a los distintos pigmentos fotosintéticos presentes en las espinacas.

De bajo hacia arriba encontramos una banda verde intenso que es la clorofila b, luego otra verde menos oscura que es la clorofila a, a continuación encontramos una banda amarilla muy ancha donde encontramos la xantofila y los carotenos.