Química de los alimentos

La química de los alimentos es el estudio de los procesos químicos y las interacciones de todos los componentes biológicos y no biológicos de los alimentos. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Las sustancias biológicas incluyen elementos como carne , aves , lechuga , cerveza y leche , por ejemplo. Es similar a la bioquímica en sus componentes principales, como carbohidratos , lípidos y proteínas , pero también incluye sustancias como agua, vitaminas , minerales , enzimas , aditivos alimentarios , sabores y colorantes . Esta disciplina también abarca cómo cambian los productos bajo ciertas técnicas de procesamiento de alimentos y formas de mejorar o prevenir que ocurran esos cambios. Un ejemplo de mejorar un proceso sería fomentar la fermentación de productos lácteos con microorganismos que convierten la lactosa en ácido láctico ; un ejemplo de prevenir un proceso sería detener el pardeamiento en la superficie de las manzanas recién cortadas usando jugo de limón u otra agua acidulada .

El enfoque científico de la alimentación y la nutrición surgió con el interés por la química agrícola en las obras de J. G. Wallerius , Humphry Davy y otros. Por ejemplo, Davy publicó Elementos de Química Agrícola, en un Curso de Lecciones para el Consejo de Agricultura (1813) en el Reino Unido, que sentaría las bases de la profesión a nivel mundial y que llegó a su quinta edición. Entre los trabajos anteriores se encuentra el de Carl Wilhelm Scheele , quien aisló el ácido málico de las manzanas en 1785.

Algunos de los hallazgos de Liebig sobre química de los alimentos fueron traducidos y publicados por Eben Horsford en Lowell, Massachusetts, en 1848. ^{[ 3 ]}

En 1874 se formó la Sociedad de Analistas Públicos, con el objetivo de aplicar métodos analíticos en beneficio del público. ^{[ 4 ]} Sus primeros experimentos se basaron en pan, leche y vino.

También surgió de la preocupación por la calidad del suministro de alimentos, principalmente por la adulteración y la contaminación, que inicialmente se originaron por la contaminación intencional y posteriormente por los aditivos químicos en la década de 1950. El desarrollo de colegios y universidades en todo el mundo, sobre todo en Estados Unidos, impulsó la química de los alimentos y la investigación de las sustancias dietéticas, destacando el experimento del grano único realizado entre 1907 y 1911. La investigación adicional de Harvey W. Wiley en el Departamento de Agricultura de Estados Unidos a finales del siglo XIX fue fundamental para la creación de la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos (FDA) en 1906. La Sociedad Química Estadounidense (ACS) estableció su División de Química Agrícola y Alimentaria en 1908, mientras que el Instituto de Tecnólogos de Alimentos (IFA) creó la suya en 1995.

Los conceptos de química de los alimentos a menudo se derivan de la reología , las teorías de los fenómenos de transporte , la termodinámica física y química , los enlaces químicos y las fuerzas de interacción, la mecánica cuántica y la cinética de reacción , la ciencia de los biopolímeros , las interacciones coloidales , la nucleación , las transiciones vítreas y la congelación/sólidos desordenados o no cristalinos, y por lo tanto tiene la química física de los alimentos como área fundamental. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Un componente principal de los alimentos es el agua, que puede representar desde el 50 % en productos cárnicos hasta el 95 % en lechuga , repollo y tomate . También es un excelente medio para el crecimiento bacteriano y el deterioro de los alimentos si no se procesan adecuadamente. Una forma de medir esto en los alimentos es mediante la actividad del agua , que es muy importante para la vida útil de muchos alimentos durante el procesamiento. Una de las claves para la conservación de los alimentos en la mayoría de los casos es reducir la cantidad de agua o alterar las características del agua para aumentar la vida útil. Dichos métodos incluyen la deshidratación , la congelación y la refrigeración ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} Este campo abarca los "principios fisicoquímicos de las reacciones y conversiones que ocurren durante la fabricación, manipulación y almacenamiento de alimentos" . ^{[ 11 ]}

La sacarosa , el carbohidrato humano más común, constituye el 75 % del mundo biológico y el 80 % de la ingesta total de alimentos . La forma más simple de un carbohidrato es un monosacárido , compuesto por carbono , hidrógeno y oxígeno en una proporción 1:2:1, con la fórmula general C _n H _2n O _n, donde n es un mínimo de 3. La glucosa y la fructosa son ejemplos de monosacáridos. Al combinarse como se muestra en la imagen de la derecha, se forma la sacarosa , uno de los azúcares más comunes en las plantas.

Una cadena de monosacáridos se forma para crear un polisacárido . Algunos polisacáridos incluyen pectina , dextrano , agar y goma xantana . ^{[ 12 ]} Algunos de estos polisacáridos de carbohidratos son digeribles por las enzimas humanas y se absorben principalmente en el intestino delgado, mientras que la fibra dietética pasa al intestino grueso, donde algunos de estos polisacáridos son fermentados por la microbiota gastrointestinal. ^{[ 13 ]}

El contenido de azúcar se suele medir en grados Brix .

El término lípido abarca una amplia gama de moléculas y, en cierta medida, engloba compuestos de origen biológico relativamente insolubles en agua o no polares , como ceras , ácidos grasos (incluidos los ácidos grasos esenciales ), fosfolípidos derivados de ácidos grasos, esfingolípidos, glucolípidos y terpenoides, como retinoides y esteroides . Algunos lípidos son moléculas alifáticas lineales , mientras que otros tienen estructuras cíclicas. Algunos son aromáticos , mientras que otros no. Algunos son flexibles, mientras que otros son rígidos.

La mayoría de los lípidos poseen cierto carácter polar , además de ser mayoritariamente apolares. Generalmente, la mayor parte de su estructura es apolar o hidrofóbica ("que repele el agua"), lo que significa que no interactúa bien con disolventes polares como el agua. Otra parte de su estructura es polar o hidrofílica ("que atrae el agua") y tiende a asociarse con disolventes polares como el agua. Esto los convierte en moléculas anfifílicas (con porciones tanto hidrofóbicas como hidrofílicas). En el caso del colesterol , el grupo polar es simplemente un grupo -OH ( hidroxilo o alcohol).

Los lípidos presentes en los alimentos incluyen los aceites de cereales como el maíz y la soja , así como las grasas animales, y forman parte de muchos alimentos como la leche, el queso y la carne. Además, actúan como transportadores de vitaminas.

Las proteínas constituyen más del 50 % del peso seco de una célula viva promedio y son macromoléculas muy complejas. También desempeñan un papel fundamental en la estructura y función de las células. ^{[ 14 ]} Compuestas principalmente de carbono, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno y algo de azufre , también pueden contener hierro , cobre , fósforo o zinc .

En los alimentos, las proteínas son esenciales para el crecimiento y la supervivencia, y sus requerimientos varían según la edad y la fisiología de cada persona (por ejemplo, durante el embarazo). Generalmente, las proteínas se obtienen de fuentes animales: huevos , leche y carne . Los frutos secos , los cereales y las legumbres aportan proteínas vegetales, y la combinación de proteínas de diversas fuentes vegetales se utiliza para alcanzar los requerimientos nutricionales completos de proteínas provenientes de vegetales.

La sensibilidad a las proteínas, al igual que una alergia alimentaria, se detecta mediante la prueba ELISA .

Las enzimas son catalizadores bioquímicos que se utilizan en procesos de conversión de una sustancia a otra. También contribuyen a reducir el tiempo y la energía necesarios para completar un proceso químico. Muchos sectores de la industria alimentaria utilizan catalizadores, como la panadería , la elaboración de cerveza , los lácteos y los zumos de frutas , para producir queso, cerveza y pan .

Las vitaminas son nutrientes necesarios en pequeñas cantidades para las reacciones metabólicas esenciales del organismo. En la nutrición, se clasifican en hidrosolubles ( vitamina C ) o liposolubles ( vitamina E ). Un aporte adecuado de vitaminas puede prevenir enfermedades como el beriberi , la anemia y el escorbuto, mientras que una sobredosis puede provocar náuseas , vómitos e incluso la muerte.

Los minerales presentes en los alimentos son numerosos y diversos; muchos son esenciales para el correcto funcionamiento del organismo, mientras que otros oligoelementos pueden ser perjudiciales si se consumen en exceso. Los minerales principales con una ingesta diaria de referencia (IDR, anteriormente conocida como cantidad diaria recomendada, CDR) superior a 200  mg/día son el calcio , el magnesio y el potasio, mientras que los oligoelementos importantes (IDR inferior a 200  mg/día) son el cobre, el hierro y el zinc. Estos se encuentran en muchos alimentos, pero también pueden obtenerse mediante suplementos dietéticos.

Los colorantes alimentarios se añaden para cambiar el color de cualquier alimento. Su función principal es la de realizar análisis sensoriales. Se pueden usar para simular el color natural de un producto tal como lo percibe el consumidor, como el colorante rojo (por ejemplo, FD&C Rojo n.° 40 Rojo Allura AC) para el kétchup, o para añadir colores artificiales a un producto como los cereales Froot Loops de Kellogg's . El caramelo es un colorante alimentario natural; la forma industrial, el colorante caramelo, es el más utilizado y se encuentra en alimentos que van desde refrescos hasta salsa de soja , pan y encurtidos .

El sabor en los alimentos es fundamental para la percepción del consumidor, especialmente en el análisis sensorial. Algunos de estos componentes, como la sal y el azúcar , se encuentran de forma natural , pero muchos de ellos son desarrollados por químicos especializados en sabores (conocidos como " saborizadores "). Entre estos sabores artificiales se incluyen el salicilato de metilo , que produce el aroma a gaulteria , y el ácido láctico, que le da a la leche un sabor ácido.

Los aditivos alimentarios son sustancias que se añaden a los alimentos para conservar su sabor o mejorar su gusto, aspecto, olor y frescura. Estos procesos son tan antiguos como la adición de vinagre para encurtir o como emulsionante en mezclas emulsionadas como la mayonesa . Generalmente se identifican con el número E en la Unión Europea o con la designación GRAS ( generalmente reconocida como segura ) por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos ( FDA) .

• Química física de los alimentos
• Suplemento dietético
• Tecnología de Alimentos y Bioprocesos (revista)
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• Nutrición (también llamada enriquecimiento o fortificación de alimentos)

• Fennema, OR, Ed. (1985). Química de los alimentos - Segunda edición, revisada y ampliada. Nueva York: Marcel Dekker, Inc.
• Francis, FJ (2000). "Harvey W. Wiley: Pionero en la Ciencia y la Calidad de los Alimentos". En Un Siglo de Ciencia de los Alimentos. Chicago: Instituto de Tecnólogos de Alimentos. págs.  13-14.
• Potter, NN y JH Hotchkiss. (1995). Ciencia de los alimentos, quinta edición. Nueva York: Champman & Hall. págs.  24–68.
• Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos. (1993). Todo lo que se añade a los alimentos en los Estados Unidos. Boca Raton, Florida: CK Smoley (c/o CRC Press, Inc.).

• Sociedad Química Estadounidense – División de Química Agrícola y Alimentaria
• Instituto de Tecnólogos de Alimentos, División de Química de los Alimentos
• Universidad Estatal de Pensilvania, Química de los Alimentos, EE. UU.
• Universidad de Wageningen, Laboratorio de Química de los Alimentos, Países Bajos