quimica de los alimentos

Química de los alimentos

La química de los alimentos se produce en sitios tan comunes como una simple cocina.

La química de alimentos es el estudio, desde un punto de vista químico, de los procesos e interacciones existentes entre los componentes biológicos (y no biológicos) que se dan en la cocina cuando se manipulan alimentos. Las sustancias biológicas aparecen en algunos alimentos como las carnes y las verduras (y hortalizas), y en bebidas como la leche o la cerveza. Este estudio es muy similar al de la bioquímica desde el punto de vista de los ingredientes principales, como los carbohidratos, las proteínas, los lípidos, etc. Además incluye el estudio del agua, las vitaminas, los minerales, las enzimas, los sabores, y el color.¹ Se estudia principalmente en el procesado de alimentos, y en la nutrición. Algunos autores definen la química de los alimentos como una ciencia interdisciplinaria entre la bacteriología y la química.² Un ejemplo de estudio de la química de los alimentos se puede ver en la reacción de Maillard, que define el color tostado de ciertos alimentos.

Historia de la química de los alimentos

La química de los alimentos data de los comienzos de la propia química, es decir desde el siglo XVIII en el que algunos investigadores empezaron a realizar estudios sobre ciertos alimentos, entre ellos cabe destacar a Carl Wilhelm Scheele (aisló el ácido málico en las manzana en el año 1785), y Sir Humphry Davy (publicó el primer libro que relacionaba la química con la agricultura en 1813 titulado Elements of Agricultural Chemistry, en una serie de lecturas en el Reino Unido, este libro llegó hasta la quinta edición.) En el año 1874 la "Society of Public Analysts" se formó dando lugar a estandarización de métodos analíticos.⁴ De todas formas la química de los alimentos no tomó una forma definitiva hasta entrado el siglo XX.² a pesar de todo existen estudios incipientes que se pueden categorizar dentro de lo que denominamos hoy en día química de los alimentos.^{5 6}

Durante el periodo de tiempo que va desde 1780–1850 se hicieron numerosas contribuciones y los químicos de importancia desarrollaban trabajos dentro del área de los alimentos. Cabe desatacar al químico sueco Carl Wilhelm Scheele que hizo descubrimientos relacionados con la química, siendo uno de los más importantes el descubrimiento de las propiedades de la lactosa (1780), la oxidación del ácido láctico (1780), aisló el ácido cítrico del zumo de limón (1784).

Agua

Uvas con agua congelada del rocío de la mañana. El agua juega un papel importante en la química de los alimentos.

El agua es un compuesto esencial de muchos alimentos. Puede encontrarse en los medios intracelulares o como un componente extracelular en los vegetales así como en los productos de origen animal. Se puede entender su función como la de favorecedor de la dispersión de diferentes medios así como la de un disolvente de una gran variedad de productos químicos. Es necesario el estudio del agua en los alimentos debido a su presencia en ellos, la comprensión de sus propiedades y concentración hace que se pueda controlar por ejemplo la química del deterioro y la micro biológica de los alimentos.

Asimismo, la eliminación (secado) o la congelación de agua es esencial para algunos métodos de conservación de alimentos. La presencia de agua en algunos alimentos es entendida a veces como una parte determinante de su textura (en particular la denominada actividad acuosa),⁷ es por esta razón que su medida analítica en los alimentos es considerada de gran importancia. De la misma forma las propiedades del agua tienen un papel importante en la mecánica de congelación de alimentos, los cambios si no se controlan desde el procesado de alimentos pueden ser la desestabilización de emulsiones, la floculación de proteínas, pero también a macro escala los daños irreversibles en los tejidos de carne y vegetales.

La analítica de contenido de agua permite detectar concentraciones "anómalas" de agua en los tejidos con el objeto de averiguar posibles fraudes alimentarios, en algunas ocasiones cuando los alimentos se comercializan 'al peso' la presencia de cantidades inusuales de agua permite sospechar de fraude, algunos casos conocidos son el de la comercialización de las carnes que se ve sometida a vigilancia intensiva por parte de las autoridades alimentarias.

Lípidos

Mantequilla ejemplo de concentración elevada de grasas de origen animal.

Es difícil proporcionar una definición científica acerca de las sustancias denominadas lípidos. Antiguamente las definiciones se centraban en definir mediante la discriminación de aquellas substancias que son solubles en solventes orgánicos como puede ser el benceno, el cloroformo y que no es soluble en agua (esta propiedad se emplea en la separación de los lípidos de las proteínas). Algunas de las definiciones hacen énfasis en el carácter central de los ácidos grasos, debido en parte a que los lípidos son compuestos derivados de estos últimos. Cada definición posee algunas limitaciones, por ejemplo los monoglicéridos de cadena corta son indudablemente lípidos, pero no se ajustan a la definición dada anteriormente sobre la solubilidad debido a que son más solubles en agua que en los disolventes orgánicos. No obstante se puede ver que la mayoría de los lípidos son ésteres de los ácidos grasos y del glicerol. Casi el 99% de los lípidos en las plantas y los animales consiste en este tipo de ésteres, denominados a veces de forma popular como grasas o también aceites animales.

El contenido graso de los alimentos puede ir desde el más bajo hasta el más alto tanto en los alimentos de origen vegetal como aquellos de origen animal. En algunos alimentos puros (como puede ser la leche, los cereales, etc) el contenido de lípidos es una especie de mezcla, por ejemplo el procesado de algunos alimentos como puede ser el de las margarinas son una mezcla de diversos ácidos triglicéridos (esta es la definición popular de las grasas⁸ ). Las grasas en los alimentos se pueden clasificar en "visibles" (visibles a simple vista) e "invisibles" (disueltas en las texturas del alimento), aunque la clasificación más empleada en nutrición es la que los clasifica en función de su origen: grasas procedentes de origen animal o bien de origen vegetal.

Las grasas de 'origen animal' que se componen por regla general de ácidos grasos polisaturados pueden ser subdivididas en:

• Depósitos de mamíferos como puede ser el tocino, el beicon, etc.
• Grasas procedentes de la leche principalmente del ordeño de animales rumiantes
• Aceites de animales marinos por regla general de pescados y de ballenas.

Las grasas de 'origen vegetal' se pueden subdividir a su vez en:

• Aceites de semillas como puede ser el aceite de soja o el de canola
• Aceites de cáscaras de frutas como puede ser el aceite de palma o el de oliva
• Aceites de huesos como pueden ser los aceites extraídos de los huesos del coco o de la palma.

La misión nutricional de los lípidos es la de proporcionar calorías y ácidos grasos esenciales a las actividades nutricionales del organismo, siendo favorecedores del transporte de vitaminas a lo largo del cuerpo, incrementan la sensación de sabor de los alimentos y durante las últimas décadas del siglo XX se han mantenido intensos debates acerca de su toxicidad y capacidad de generación de enfermedades.

Carbohidratos

Sucrosa: se trata del azúcar ordinario y posiblemente uno de los carbohidratos más familiares.

Los hidratos de carbono representan casi más del 90% de la materia seca de las plantas.^{2 9} Son compuestos abundantes y disponibles en los alimentos con relativa facilidad además de ser de bajo costo. Se les considera como elementos comunes existentes en casi todos los alimentos, tanto de forma natural o como componentes y como ingredientes artificialmente añadidos. Su uso es muy grande y puede decirse que son muy consumidos. Tienen diferentes estructuras moleculares, tamaños y formas que exhiben una variedad de propiedades químicas y físicas.

El almidón, la lactosa y la sacarosa (azúcar corriente) son carbohidratos digeribles por los humanos y ellos junto con la D-glucosa y la D-fructosa proporcionan casi el 70–80% de la calorías en la dieta humana a lo largo de todo el mundo. El término carbohidrato sugiere una composición del tipo C_x(H₂O)_y, lo que viene a significar que las moléculas contienen carbono en la misma porpoción que moléculas de agua. Sin embargo la mayoría de los carbohidratos naturales producidos por los seres vivos no muestran esta fórmula empírica simple, en su lugar la mayoría de los carbohidratos son oligómeros (oligosacárido) o polímeros (polisacáridos) de azúcares simples y modificados.¹⁰ El contenido de sacarosa en los alimentos se mide en unidades de brix.

Aminoácidos, péptidos y proteínas

Cortes de carne, una de las fuentes principales de proteínas.

Las proteínas son una especie de polímeros compuestos de 21 diferentes aminoácidos que se agregan en enlaces peptídicos. Debido a la gran variedad de cadenas de aminoácidos que se pueden formar, se puede decir que existe una gran variedad de compuestos protéticos con propiedades químicas diferentes. Las proteínas se pueden encontrar en proporciones importantes tanto en los alimentos de origen animal como aquellos que son de origen vegetal. En los países desarrollados se suele obtener las proteínas de los alimentos animales principalmente. En otras partes del mundo la mayor proporción de proteínas en la dieta proviene de plantas, aunque hay que tener en cuenta que muchas plantas son deficitarias en aminoácidos esenciales.¹ Las cantidades de aminoácidos esenciales presentes en las proteínas y su disponibilidad está determinado por regla general por la calidad de la nutrición. En general, las proteínas de origen animal tienen una mayor calidad que las proteínas procedentes de las plantas. Por ejemplo la proteína de la clara del huevo es considerada la de mayor calidad (se suele indicar con un 100 en las escalas), mientras que las proteínas de los cereales se consideran pobres (son deficitarios en lisina y treonina). Sin embargo la soja es una buena fuente de lisina pero es deficiente en metionina.

Las proteínas son moléculas de gran complejidad y su clasificación se ha venido fundamentando en propiedades como la solubilidad en diferentes solventes. A medida que se ha aumentado el conocimiento de estas moléculas se han añadido otros criterios por los cuales se clasifican, estos criterios incluyen el comportamiento ante la ultracentrifugación o las propiedades electroforéticas. Las proteínas se dividen de esta forma en tres grupos: Proteínas simples, las Proteínas conjugadas y las proteínas derivadas.

] Proteínas simples

Las proteínas bajo estas características dan como resultado sólo aminoácidos cuando son sometidas a electrólisis.

• Albúminas. Son solubles en agua siempre que sean medios neutrales y sin sales. Generalmente son proteínas con relativo bajo peso molecular. Ejemplos son la albúmina de la clara del huevo, la lactalbúmina y la seroalbúmina en las proteínas del suero de leche, la leucosina de los cereales y la legumelina en las semillas de algunas semillas de legumbres.
• Globulinas. Son solubles en soluciones salinas y casi insolubles en agua. Ejemplos son las seroglobulinas y la β-lactoglobulina de la leche, la miosina y la actina en la carne y la glicinina en los granos de la soja.
• Glutelinas. Solubles en medios ácidos muy diluidos y muy insoluble en solventes con caracter neutral. Estas proteínas se pueden encontrar en los cereales tales como la glutenina en el trigo y el oryzenina en el arroz.
• Prolaminas. Solubles en un rango que va desde el 50 hasta el 90% de etanol, siendo insoluble en agua. Estas proteínas poseen grandes cantidades de prolina y ácido glutámico y se puede encontrar con relativa facilidad en cereales. Ejemplos son la zeina en el maíz, la gliadina en el trigo y la hordeina en la cebada.
• Escleroproteínas. Son proteínas insolubles en agua y en disolventes neutrales, por regla general son resistentes a la electrólisis enzimática. Se trata de proteínas fibrosas que tienen funcionalidades estructurales y de enlace. Algunas son el colágeno de los tejidos musculares, así como la gelatina que se deriva del colágeno. Otros ejemplos incluyen la elastina un componente de los tendones y la queratina un componente del pelo.
• Histonas. Se trata de proteínas básicas definidas por su alto contenido de lisina y arginina. Son solubles en agua y precipitan en soluciones con amoníaco.
• Protaminas. Se trata de proteínas con un fuerte carácter básico y de bajo peso molecular (que va en un rango desde 4,000 hasta 8,000). Son ricas en arginina. Ejemplos de este tipo son la clupeina del arenque y la escombrina del verdel.

Proteínas conjugadas

Las proteínas conjugadas contienen una parte aminoácido combinada con un material no-proteico como puede ser un lípido, un ácido nucléico o un carbohidrato. Algunas de las más importantes son:

• Fosfoproteínas. Este es un grupo importante dentro de muchos alimentos ricos en proteínas. Los grupos fosfatos se enlazan a los grupos hidroxilos de la serina y la treonina. Este grupo incluye la caseína de la leche y las fosfoproteínas de la yema del huevo.
• Lipoproteínas. Son combinaciones de lípidos y proteínas que poseen grandes capacidades de emulsificación, las lipo proteínas se encuentran en la leche y el huevos (yema del huevo).
• Nucleoproteínas. Son combinaciones de proteínas simples con ácidos nucléicos, este tipo de compuestos se encuentra en el núcleo de la célula.
• Glicoproteínas. Se trata de combinaciones de carbohidratos con con moléculas de proteínas. Habitualmente la cantidad de carbohidrato es pequeña aunque existen glicoproteínas que poseen contenidos de carbohidratos entre un 8 y 20%. Un ejemplo de este tipo de proteínas se encuentra en la clara del huevo en una mucoproteína denominada ovomucina.
• Cromoproteínas. Se trata de proteínas con un grupo prostético coloreado. Existen muchos compuestos proteicos de este tipo incluyendo la hemoglobina y la mioglobina, la clorofila y las flavoproteínas.

Proteínas derivadas

Son compuestos obtenidos mediante reacciones químicas o enzimáticas y se clasifican como derivados primarios o secundarios dependiendo del nivel de cambios que haya tenido lugar. Los derivados primarios han sufrido pocos cambios y son insolubles en agua; un ejemplo de derivado primario es la caseína coagulada en el cuajo de la leche. Los derivados secundarios han sufrido mayores cambios en sus estructuras e incluyen las proteosas, las peptonas y los péptidos.

Minerales

Algunos alimentos incluyen una variedad amplia de minerales: un caso son las sopas.

Artículo principal: Oligoelemento

Los minerales se pueden encontrar en los alimentos en forma de sales tanto orgánicas como inorgánicas, un ejemplo es el fósforo que puede combinarse con fosfoproteínas y metales en enzimas. Existen más de 60 elementos minerales en los alimentos y es esta abundancia la que sugiere que se dividan los minerales en grupos: los componentes en forma de sales y los elementos de traza. Entre los elementos salinos se puede encontrar el potasio, sodio, calcio, magnesio, cloro, azufre (sulfatos), fosfatos y bicarbonato. Los elementos traza son cualquier otro elemento que se encuentre en el alimento en proporciones de 50 partes por millón (ppm). Algunos de los elementos químicos poseen la categoría de elementos químicos esenciales debido a la importancia de su existencia en los procesos básicos de la vida y su administración se regula en tablas con RDI (Dosis diaria recomendada). El contenido de algunos minerales afecta a la salud, tal y como es el ejemplo del consumo de sodio en los índices de la hipertensión arterial.¹¹

La cantidad de minerales en los alimentos se determinan mediante procedimientos de química analítica sobre las cenizas de las muestras incineradas, este proceso destruye los compuestos orgánicos y libera los minerales que existentes en las porciones. Estos métodos no incluyen el contenido de nitrógeno de las proteínas, ni otros elementos que se convierten en gases cuando se incineran los alimentos.

Color de los alimentos

Cúrcuma en polvo- colorante natural: amarillo.

El color es una propiedad muy importante en los alimentos, tanto en aquellos que son procesados tanto como los que se ofrecen crudos al consumidor. Junto con la textura y el sabor se puede decir que es uno de los parámetros importantes de la posible atractivo hacia el consumidor que pueda tener un alimento.¹² El color es un indicador de las reacciones químicas que están ocurriendo en muchos alimentos, como puede ser la caramelización de los azúcares en presencia de calor o el aspecto marrón de algunas carnes debido a la reacción de Maillard. Para algunos alimentos en estado líquido, tal y como los aceites o las bebidas, el color es un fenómeno físico de transmisión de la luz. En la mayoría de los alimentos el color se capta mediante análisis sensorial (ojos) de los mismos en una cata. a veces se emplean espacios de colores uno de los más empleados en la química de los alimentos es el CIE (Commission International de 1'Eclairage - Comisión internacional de la Iluminación).¹³

Existe una amplia gama de colores naturales en los alimentos, no obstante uno de los más raros es verde azulado. El color indica el estado de los alimentos y por lo tanto es un indicador de supervivencia (por ejemplo se rechaza inconscientemente elegir una carne verdosa en el supermercado o unas naranjas verdes). Se han realizado estudios en los que se ha demostrado que el color no sólo es importante sino que está en consonancia con la percepción del aroma y el sabor.^{14 15} Estos estudios han sido los responsables de justificar el uso de colorantes artificiales en algunos alimentos con el objeto de ser más atractivos al consumidor. En algunos casos, alimentos artificiales han tenido que ser coloreados para que sea posible una identificación clara: un ejemplo los sucedaneos de pescado y marisco elaborados con surimi.

Colorantes alimentarios

A veces los colorantes alimentarios pueden ser un conjunto de colorantes naturales que pueden existir ya en los alimentos, si se añaden de forma artificial a los alimentos el objeto será el de cambiar su color o realzarlo para que sea más atractivo para su consumo y se consideran aditivos (son regulados bajo las mismas leyes que estos). Los colorantes se pueden clasificar en cuatro grupos como:

1. Compuestos tetrapirroles: entre ellos se encuentran las clorofilas (responsables del color verde de algunos vegetales), los hemos (encontrados en las carnes y en el pescado) y los bilins
2. Derivados isoprenoides: como pueden ser los carotenoides. Se encuentran en los crustáceos, el pescado, las verduras, etc)
3. Derivados benzopiranos: los antocianinas y los flavonoides que se encuentran en las raíces de algunas plantas y bayas
4. Artefactos: melanoidinas, caramelostontos

Sabor de los alimentos

Artículo principal: Sabor

El sabor es la sensación producida por un alimento cuando se coloca en la boca, percibida principalmente por los sentidos de sabor y olor en combinación con los sensores de temperatura. El estudio del sabor es importante en la química de los alimentos ya que es provocado por numerosos compuestos químicos y forma parte de uno de los atributos más importantes de un alimento. El primer requerimiento desde el punto de vista químico para la existencia de sabor es la presencia de un medio disolvente: agua, saliva, etc. En algunas ocasiones el sabor está relacionado con la composición química de los alimentos, por ejemplo, el sabor salado tiene relación con las sales de sodio y potasio, el sabor agrio con contenido de ácido, el sabor dulce con la presencia de glucosas. A veces cambios menores en las estructuras químicas de un compuesto químico puede cambiar el sabor de dulce a amargo o incluso insípido.

Aditivos alimentarios

Artículo principal: Aditivo alimentario

Los aditivos alimentarios son compuestos químicos añadidos a los alimentos que mejoran algunas de sus propiedades naturales, como pueden ser el sabor, el aspecto, la vida media de consumo, etc. El empleo de aditivos alimentarios es muy antiguo, va desde el uso de vinagre para elaborar los encurtidos, hasta de emulgentes para hacer más espesa la mahonesa. Los aditivos alimentarios se codifican con los números E en los productos de la Unión Europea y en Estados Unidos se emplea el GRAS (siglas de: Generally recognized as safe - Generalmente reconocido como seguro).

La Química y la Alimentación

Si preguntamos a un niño "¿de dónde vienen los alimentos?", probablemente responderá: "de la nevera", o, quizás, "de la tienda". Y si le preguntamos a un adulto la respuesta puede ser "del campo y de las fábricas", sin pensar que "el campo" da poco por sí mismo. Eso que llamamos con cierta ligereza "el campo" son "las tierras cultivables", que constituyen un bien escaso cuya extensión está continuamente amenazada por la desertización y el crecimiento de las zonas urbanas.

Y ya que hablamos del campo: una sola planta de acrilonitrilo - que ocupa la extensión de un campo de fútbol - permite producir la misma cantidad de fibras que un "rebaño" de 12 millones de ovejas, que para pastar necesitarían una extensión del tamaño de Bélgica. La fabricación de fibras sintéticas, acrílicas, de poliéster, de nylon, y otras, en centenares de fábricas distribuidas por todo el mundo, permiten disponer de más tierras cultivables que en otro caso tendrían que dedicarse a la cría de ganado lanar o a la plantación de vegetales para la obtención de algodón, lino o sisal, y no habría espacio suficiente en la Tierra para abastecer las necesidades textiles.

Los Fertilizantes
El área dedicada a la agricultura en el mundo hoy en día (1.400 millones de hectáreas, que es una extensión equivalente a la de Sudamérica) es la misma que en 1950 gracias a la agricultura intensiva y sostenible facilitada por la ayuda de fertilizantes y productos agroquímicos, a pesar de que en ese tiempo la humanidad ha pasado de 2,5 a 6 mil millones de personas. Esto ha evitado la utilización de 26 Millones de Kilómetros cuadrados más de suelo - lo que equivale a la superficie conjunta de los dos países más extensos de la Tierra: Rusia y Canadá - para alimentar a la población actual.

La Organización Mundial de la Salud calcula que en el año 2050 la población mundial alcanzará los once mil millones de habitantes. Indudablemente, sin cambios importantes en la productividad, la agricultura no será capaz de producir alimentos suficientes, por lo que la aplicación de avanzadas técnicas químicas es esencial para cubrir las necesidades de la Humanidad. Sin estas técnicas, no sólo no sería posible hacer frente a las necesidades generadas por el crecimiento puramente vegetativo de la población, sino tampoco a los cambios nutricionales que se esperan.

Se prevé que la renta per capita alcance una tasa anual de crecimiento del 2,7% hasta el año 2020, siendo el doble la tasa de crecimiento en los países en vías de desarrollo que en los países desarrollados. Este crecimiento de la renta, así como el de las áreas urbanas, provocará, en poco tiempo, un cambio en los hábitos alimenticios, aumentando el consumo de carne, especialmente carne roja, e incrementando consiguientemente la demanda de grano para alimentar al ganado. Esta demanda se duplicará en los países en vías de desarrollo. Dada la escasez de tierras cultivables, sólo se podrá hacer frente a esta situación aumentando los rendimientos agrícolas mediante el empleo de fertilizantes y productos fitosanitarios para la protección de las plantas.

Los Fitosanitarios
En algunos países del tercer mundo, el trabajo de una tercera parte de los agricultores lo consumen los insectos, roedores, bacterias y hongos. Efectivamente es así, puesto que la tercera parte de las cosechas son destruidas por las pestes y plagas, al no protegerse suficientemente las cosechas y los productos obtenidos mediante el uso de productos fitosanitarios. Si no fuese por estos productos para controlar las malas hierbas, las plagas, las pestes y enfermedades, la tercera parte de los alimentos producidos en el mundo (una barra de pan de cada tres) se perdería.

La química moderna está protegiendo y mejorando las cosechas, utilizando diversos productos fitosanitarios: fungicidas, herbicidas e insecticidas selectivos que no son perjudiciales ni para el medio ambiente ni para los pájaros y las abejas, importantes agentes polinizantes. Debido a su mayor eficiencia y selectividad, hoy en día los agricultores sólo necesitan aplicar dosis mínimas de productos químicos por cada hectárea en lugar de las grandes dosis que utilizaban en el pasado. De esta manera no sólo se obtienen mejores y mayores cosechas, sino que los productos llegan a los mercados en mejores condiciones higiénicas. No hace mucho, los "bichos" en los guisantes eran algo común; ahora una sola larva en un paquete de guisantes congelados provoca una visita del inspector de sanidad.

El desarrollo de los productos de protección de las cosechas requiere mucha especialización, incluyendo la de los químicos, bioquímicos e ingenieros agrónomos, y un gran esfuerzo de investigación y financiero por parte de las empresas. Sólo una de cada 10.000 sustancias sintetizadas en el laboratorio resulta apta para su aplicación, y en desarrollar y probar cada producto puede tardarse hasta diez años, y requerir inversiones superiores a los 15.000 millones de pesetas.

La Salud animal
La nutrición del hombre requiere no sólo la obtención de cosechas abundantes y sanas, sino también la protección sanitaria y la alimentación de los animales. Sólo en Europa hay cerca de 280 millones de animales destinados a la alimentación, contando sólo los ganados bovino, porcino y ovino. La química los protege contra las enfermedades y los parásitos y contribuye a su alimentación. Si no se tratara a los animales con fármacos, se perdería un 47% del ganado bovino, un 35% del porcino, un 22% del ovino, y un 20% del aviar.