viernes, 20 de noviembre de 2020

Cocina y ósmosis

Una lectora del Blog del Búho, profesora de cocina, me escribía esta semana sobre las dudas que asaltan a ella y a algunos colegas a la hora de explicar bien a sus alumnos el efecto de la ósmosis en algunas preparaciones culinarias. Y no me extraña. Desde que tengo relación con el mundo gastronómico, he visto en muchas ocasiones el alegre uso que se hace de este término por parte de algunos cocineros, con platos que algunas cartas "adornan" con el adjetivo osmotizado. Y he visto, también, algunas afirmaciones poco ajustadas a la verdad en libros de texto o relacionados con Ciencia y Cocina. Con el email de mi amiga la cocinera tengo un buen tema para una entrada, tema sobre el que creo tener las ideas muy claras, pero que puede resultar algo complicado de explicar. Voy a intentarlo y a ver qué sale. Que estas cosas siempre se pueden mejorar y tratar de hacerlo de la forma más sencilla posible. Pero no más, que diría Einstein.

El fenómeno de la ósmosis, en su estado mas simplificado, se puede ver bien en la figura que ilustra la entrada. Un disolvente (por ejemplo agua) y una disolución acuosa de un soluto (por ejemplo sal común) se colocan a a uno y otro lado de una membrana que denominamos semipermeable, lo que quiere decir que el disolvente (agua) es capaz de atravesarla pero el soluto no. Las moléculas de agua son pequeñas y pueden colarse por los entresijos de la membrana pero las del soluto, bastante más grandes, no caben en esos huecos. Hervé This, uno de las padres de la llamada Gastronomía Molecular, ha usado muchas veces (por ejemplo aquí) un experimento muy relacionado con la cocina para explicar el fenómeno osmótico. Cogemos un huevo y lo metemos en vinagre y lo dejamos allí hasta que la cáscara (carbonato cálcico) se disuelve en el ácido acético del vinagre. Se nos quedará un huevo sin cáscara, con una membrana que rodea al conjunto de la clara y la yema. Con mucho cuidado, cojamos ese huevo indefenso y pongámoslo en agua destilada (agua que no contienen sales) o, en su defecto, en una de esas aguas comerciales que su propaganda llama "aguas ligeras" por su bajo contenido en sales disueltas. Observaremos que el huevo se hincha. Si, por el contrario, ponemos ese huevo sin cáscara en agua con bastante sal el huevo se contraerá ("marchitará" en la terminología de This).

Expliquemos con ese ejemplo lo que ocurre. Cuando a un lado de la membrana tenemos agua pura (o casi) y al otro lado disoluciones de agua (el huevo es muy complejo pero tiene cosas solubilizadas en agua), la Termodinámica dice (y la experiencia enseña) que lo mismo que en la figura de arriba, el agua atravesará la membrana en el sentido que va del agua pura al interior del huevo. Algunos textos de Secundaria y también de Ciencia y Cocina dicen, erróneamente, que el proceso seguirá hasta que las concentraciones se igualen a ambos lados de la membrana, algo absolutamente incorrecto. Porque, si eso fuera cierto y empleamos agua destilada en uno de los lados, el fenómeno resultaría eterno en el tiempo porque nunca llegaremos a tener solo agua en los dos lados. Entonces ¿cuándo se detiene el proceso?. Los termodinámicos decimos que cuando el potencial químico del agua a un lado y otro de la membrana se igualan 😂. Pero hay otra forma de explicarlo algo más entendible para que no dejéis de leerme en este punto. A medida que pasa agua al interior del huevo, la presión en ese lado sobre la membrana es mayor, hasta que alcanzamos un valor (llamado presión osmótica) que hace que se contrarreste la tendencia del agua a pasar al interior del huevo. En esa situación se alcanza el equilibrio y el huevo deja de hincharse. Volviendo a la explicación más estricta, esa presión extra es la causante de que el potencial químico del agua a uno y otro lado de la membrana sea el mismo.

En el caso de que el agua fuera del huevo tenga una concentración de sal (u otros solutos) superior a la del interior del huevo, el agua pasa del interior al exterior y el huevo va perdiendo volumen y quedándose un tanto pachucho. En este caso, la presión osmótica se entendería como la que hay que hacer sobre el exterior de la membrana para que el huevo no pierda agua por ese proceso osmótico. 

Cuando pasamos a otros ejemplos culinarios la cosa puede no ser siempre tan simple. Tanto en los tejidos animales como vegetales existen membranas que podríamos considerar semipermeables, que envuelven fibras musculares o vegetales, las cuales contienen agua y otras sustancias en su interior. Pero en las manipulaciones que hacemos con esos alimentos podemos romper físicamente o degradar (por ejemplo, por acción del calor) esas membranas, con lo que pierden el carácter que pudieran tener cuando están intactas y dejan que pasen a su través diferentes sustancias por otros mecanismos, el mas pertinente aquí sería el de difusión. En el caso del huevo, imaginemos una "degradación" consistente en dar uno o varios pinchazos a la membrana con un alfiler. Los huecos generados dejarían pasar todo tipo de sustancias a uno y otro lado de la membrana de forma libre, tratando de ocupar todo el espacio que se les ofrece dentro y fuera del huevo, hasta que las concentraciones se igualaran en el conjunto agua/huevo. Como veis, alcanzar el equilibrio por ósmosis o difusión no es lo mismo. Estas sencillas ideas pueden usarse para explicar los dos ejemplos que me ponía nuestra cocinera en su email. El primero tiene que ver con el clásico proceso de poner a remojo unos garbanzos y el segundo con la preparación de un caldo a partir de verduras o carne.

El caso de los garbanzos está muy próximo a una membrana semipermeable intacta, porque su cubierta exterior se altera poco durante el tiempo que está en contacto con agua (fría). Es además un proceso que está muy estudiado en la literatura. Por ejemplo, el Prof. Gabriel Pinto, de la Politécnica de Madrid, un genio en la preparación de experimentos atractivos de Química para los estudiantes, publicó en 2004 un interesante artículo en el que estudiaba la velocidad de hidratación de los garbanzos a diferentes temperaturas y diferentes concentraciones de sal en el agua de remojo. Sin entrar en muchos detalles técnicos, os contaré que la conclusión que aquí mas interesa es que los garbanzos ganaban más peso (o sea agua) cuando estaban en agua pura que cuando se les ponía a remojo en distintas disoluciones de sal en agua. A la concentración de sal más alta que ellos estudiaron, 175 gramos de sal por litro de agua (casi seis veces más salada que el agua de mar), los garbanzos cogían prácticamente la mitad de agua que en agua pura. Y además, aunque esto es otro asunto, a velocidades más lentas. Si la membrana (piel) del garbanzo se rompiera (cosa rara en el remojo), el fenómeno deja de ser puramente osmótico y algunas sales del interior del garbanzo podrían pasar al agua por el simple fenómeno de difusión arriba mencionado. Sobre el deterioro de las membranas que cubren a otra legumbre, las alubias de Tolosa, escribí una de las primeras entradas de este Blog, que os recomiendo encarecidamente leer. Para terminar este párrafo, mencionaré que un caso similar al de los garbanzos en remojo se da en las papas canarias, que se cuecen en agua con mucha sal, provocando la salida del agua de éstas y dejándolas "arrugás".

El caso de la obtención de un caldo de verduras o carne es más controvertido y nos permite atisbar las razones por las que algunos cocineros andan liados con este asunto. El ya mencionado Hervé This parece tenerlo bastante claro. En una recopilación de artículos publicados por él en la revista francesa Pour la Science y recogidos en un libro titulado Casseroles et éprouvettes, dedica un capítulo a este problema y desmonta lo que, según él, es un mito: el que sea importante adicionar sal antes o después de preparar un caldo de carne o verduras. Y lo hace experimentando con dos trozos de carne idénticos que coloca en dos cacerolas idénticas, una con agua pura y otra con una disolución saturada de sal (la friolera de 360 gramos de sal por litro de agua). Cuece ambos trozos durante cinco horas y, de acuerdo con sus medidas, el peso de ambos trozos de carne al final es igual, gramo arriba gramo abajo. Según él, aunque al principio de la cocción podríamos considerar que las membranas animales están intactas y pueda tener lugar un fenómeno puramente osmótico, a lo largo de la cocción se van deteriorando y van perdiendo su condición de semipermeables, con lo que el agua, las sales, las sustancias aromáticas y lo que mi amiga la cocinera que me escribe llama "jugos" acabarían incorporándose al caldo mediante un simple fenómeno de difusión libre, por aquellos sitios o huecos en los que la membrana semipermeable ya no es tal. En palabras del propio Hervé This, "el alimento se comporta como una esponja llena de canales: la sal no tiene ahí ningún papel especial".

Un clásico en la integración de Ciencia y Gastronomía, el libro titulado Léxico científico gastronómico, publicado en 2006 por la Fundación Alícia y elBullitaller de Ferrán Adriá, dedica sus páginas 162-164 al asunto de la ósmosis y, creo yo, que de forma no muy clara. Para empezar, define ósmosis como "el proceso por el que el agua pasa a través de una membrana permeable, desde una disolución más diluida a una más concentrada, tendiendo a equilibrar las concentraciones a ambos lados de la membrana" (todos los subrayados son míos). En esa definición me parece erróneo que se hable de membranas permeables y no de membranas semipermeables, el corazón de un proceso osmótico, cuando en esas páginas se pretende enseñar sobre el mecanismo de ese proceso. Y la cosa se marea más cuando, en la página siguiente, aparece una figura en la que, por dos veces, se bautiza a una membrana que separa dos medios como semipermeable. Y se vuelve a complicar todavía más cuando, debajo de la definición de ósmosis, se informa de que "de forma natural, las membranas de las células que constituyen los tejidos animales y vegetales son permeables. Ello permite la continua absorción y eliminación de sustancias a través de la membrana". La palabra permeable vuelve a aparecer y parece deducirse, también, que cualquier sustancia puede atravesar esas membranas. Y eso, como ha quedado explicado, no es lo que corresponde a un fenómeno osmótico puro, en el que lo único que atraviesa la membrana es el disolvente (agua en nuestro caso) y no otras sustancias de la carne.

En realidad, si la carne fuera un conjunto de fibras perfectamente protegidas por membranas que funcionaran como semipermeables (condición sine qua non para un fenómeno osmótico), cocer carne con agua pura implicaría que la carne se hinchara (como los garbanzos), mientras que al cocer la carne con agua con abundante sal, la carne se arrugaría (como las papas). En uno y otro caso, fuera de la carne solo habría agua (o agua y sal). Si eso no ocurre y obtenemos un caldo es porque, como decía Hervé This, en algún momento de la cocción las membranas se deterioran, pierden su condición de membranas semipermeables y la difusión de todas esas sustancias a un lado y otro es lo suficientemente libre como para que la concentración de cada una de ellas se iguale a lo largo y ancho de todo el contenido de la cacerola.

Y os dejo, que esto ya es demasiado largo y, además, me tengo que poner a hacer unos garbancitos que dejé ayer "osmotizando"...

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domingo, 15 de noviembre de 2020

Desmontando mascarillas

Como la mayoría de vosotros supongo que sabéis, las mascarillas quirúrgicas, tipo la que se ve en la figura de la izquierda, constan de tres capas, siendo la intermedia (que está oculta) la que hace el verdadero papel de filtro ante bacterias y virus que puedan darse en el medio. Cuando al comienzo de la pandemia empecé a leer cosas sobre las mascarillas y la composición química de ese filtro, algo de lo que ya hablé en otra entrada, una duda comenzó a asaltarme. Si ese filtro central, preparado a base un tejido no tejido de un determinado material, era homogéneo ¿por qué se decía que las mascarillas quirúrgicas protegen a los demás de las personas que las llevan y no al que se las pone de las personas que le rodean?. Para proteger y protegernos al mismo tiempo se nos decía que tendríamos que usar mascarillas como las que usan los sanitarios más expuestos (N95, FPP2, KN95), dispositivos que, además y por otra serie de razones, son más eficaces en la filtración que las quirúrgicas y por ello se prioriza en que las usen quienes deben usarlas. Dejo claro que mi duda solo se centraba en si era verdad que las quirúrgicas protegían en un sentido y no en otro.

Para tratar de aclararme, hice algún intento infructuoso con gente que pensaba que me lo iba a solucionar. Busqué también en la literatura científica pero tampoco tuve suerte. Di en Google con una página de una empresa llamada SmartAir, dedicada a la purificación de aire que, durante la pandemia, ha colgado en un Blog corporativo muchas aclaraciones tanto de sus productos como sobre las mascarillas. La empresa había hecho un estudio que mostraba que poniendo la mascarilla de la forma habitual, se filtraba mejor que si nos la colocábamos al revés. Pero la diferencia era realmente pequeña y, además, el estudio era experimentalmente poco serio: eran pocas las muestras investigadas, no había un análisis estadístico de los resultados y, además, no daban explicación alguna de la razón por la que eso pudiera ocurrir.

Y en esas estaba un servidor cuando se presentó una inesperada oportunidad para avanzar en el asunto. Tengo dos antiguas colegas del Departamento de la UPV/EHU del que me jubilé y a las que mas de una vez he mencionado aquí, que te identifican cualquier polímero que les pongas delante, por poco habitual que sea. Y hace poco, me mencionaron que andaban buscando temas para los trabajos finales del Máster que ellas imparten y que, seguro que lo adivináis, es sobre polímeros. Les planteé como un posible trabajo desmontar una mascarilla quirúrgica convencional y tratar de ver si su filtro central era realmente homogéneo desde una de sus caras a la contraria o si, por el contrario, no lo era, avalando en ese segundo supuesto la hipótesis arriba mencionada de la protección preferente en un sentido y no en otro. Como me dieron el OK inmediatamente, me fui al día siguiente a la farmacia debajo de mi casa y compré la que entonces se vendía allí como quirúrgica (que es, exactamente, la que podéis ver en la foto), suministrada por una empresa china (BYO) que fabrica coches eléctricos pero que, durante la pandemia, empezó a exportar mascarillas de forma masiva. No me hizo mucha gracia lo del origen pero eran las que entonces se vendían oficialmente en todas las farmacias guipuzcoanas.

Hoy, gracias a mis amigas de la Facultad y sus técnicas instrumentales, sé unas cuantas cosas más. Empezaremos por el filtro central, el que realmente protege y origen de mi escepticismo. El análisis de las dos superficies externas que presenta ese filtro, mediante una técnica denominada micro ATR-FTIR, revela que su espectro infrarrojo (la llamada "huella dactilar" de un compuesto) es absolutamente idéntico y corresponde al de uno de los plásticos más conocidos y vendidos globalmente, el polipropileno isotáctico. Como se ve en la figura, mis colegas denominaron a las superficies cara lisa y cara rugosa, por la apariencia que tenían a simple vista, probablemente derivada de las condiciones de obtención del tejido no tejido constitutivo del filtro. Podéis ver, clicando en la figura para ampliarla, que la coincidencia en los espectros llega hasta los más sutiles detalles.

Además del filtro, también me analizaron (por las dos caras) las dos capas que hacen el sandwich al filtro y que sirven para protegerlo y dar al conjunto una cierta estabilidad. Tanto en el caso de la capa de la mascarilla que está en contacto con la cara del que la viste como en la que está en contacto con el aire, el análisis de sus dos superficies reveló que también eran del mismo polipropileno que el del filtro central. Pero con una diferencia notoria. Cuando uno examina esas capas por Microscopía electrónica de barrido (SEM), que permite ver las fibras que constituyen esos materiales, el diámetro de las fibras constitutivas de las tres capas es muy diferente. Las fibras del filtro tiene un diámetro medio de 2,6 micras, mientras que las de las capas que hacen el sandwich al filtro son más gruesas con un diámetro casi diez veces mayor y con una distribución de diámetros mucho más ancha. La razón estriba en que el método de obtención del filtro es diferente del que se usa para obtener las otras dos capas, pero entrar en detalles sobre el por qué sería un poco prolijo (el que se sienta con ganas que busque los términos meltblown y spunbond).

Con esos datos en la mano, yo he sacado mis propias conclusiones. Que pudieran ser equivocadas pero, si lo fueran, ahí abajo está la sección de comentarios de la entrada para rebatirlas civilizadamente. La primera es que, salvo pequeñas variaciones, una mascarilla quirúrgica protege tanto en un sentido como en otro (a los demás de nosotros y a nosotros de los demás). Buscando una razón por la que nos han vendido la eficacia en una sola dirección se me ocurre que, por ejemplo en el ámbito de las empresas de alimentación, con una mascarilla se busca que el operario al respirar no contamine los alimentos que manipula, pero como el alimento no respira (o al menos no como los humanos) es poco razonable que nos tengamos que preocupar de que afecte a las mucosas del operario. Como derivada de este argumento, dada una mascarilla recién comprada, daría igual ponérsela de un lado que de otro porque el efecto de filtrado sería prácticamente el mismo. Entiendo que, una vez usada, se recomiende ponérsela siempre de la misma forma para impedir, por ejemplo, que una cara que haya estado expuesta al medio externo y sus posibles contaminantes, en un siguiente uso se coloque del lado de la boca y nariz del usuario.

Y, finalmente, los experimentos de nuestras amigas muestran que las capas externas que encierran al filtro no tienen tratamiento alguno detectable. En la propaganda de muchas quirúrgicas he leído que la capa externa lleva un tratamiento para aumentar la hidrofobicidad de la misma e impedir así que se humedezcan fácilmente y faciliten un medio adecuado para el virus que pulula por el medio. Y que la capa interna lleva un tratamiento para prevenir alergias que un uso continuado de las mascarillas pudiera producir en la cara del usuario. Al menos en la que hemos desmontado no hay rastro de esos tratamientos.

Lo anterior no debe interpretarse como un argumento en contra de las mascarillas. Nada más lejos de la realidad. No dejéis de usarlas y de hacerlo siguiendo las indicaciones de los profesionales sanitarios. Que se ve cada usuario por la calle, que es casi un insulto para las personas implicadas en la producción de estos pequeños portentos tecnológicos y en que cada vez sean mejores.

Me quedan aún unas cuantas dudas razonables sobre lo que he oído en los medios sobre la composición y usos de las mascarillas, pero necesito tiempo para aclararme.

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