QUÍMICA

PROCESOS QUÍMICOS

cocción de alimentos consiste en la aplicación de calor para modificar las propiedades físico-químicas y las características organolépticas de los alimentos, para que puedan ser ingeridos adecuadamente. Se debe someter las preparaciones alimenticias a temperaturas elevadas, de manera que el interior del alimentos supere los 70 °C a fin de destruir y/o inactivar la mayoría de los microorganismos presentes que pueden dañar la salud. Durante la cocción, hay transferencia de calor de un cuerpo caliente a otro frío que es el alimento.

Formas de transmisión del calor[editar]

Se utilizan tres tipos de transmisión calórica, que se pueden usar en forma independiente o combinada, debido a la variedad de preparaciones. Ellos son:

1. Convección
2. Conducción
3. Radiación

Características de la cocción[editar]

En la cocción de los sistemas alimentarios, los procesos que se aplican son determinantes del producto cocido, con resultados a veces favorables y otro no tanto. Se puede considerar en una cocción dos procesos diferentes:

1. Primario: de naturaleza fundamentalmente física, que afecta a dos mecanismos de transporte: la transferencia de energía, que resulta de la llegada del calor a la superficie del alimento propagándose al interior, y la transferencia de masas, como consecuencia del movimiento de moléculas en el interior del alimento. Es importante considerar en este proceso la naturaleza, el tamaño y la forma del alimento, la intensidad de la fuente de calor y el tiempo de aplicación.
2. Secundario: de naturaleza física y química. La cantidad de calor que recibe un alimento durante su cocción puede producir cambios en su naturaleza, tanto físicos como químicos, que van a afectar la calidad del alimento. Estas modificaciones se pueden agrupar en:

• Modificaciones de naturaleza física: visibles, que hacen al aspecto externo que involucran a la apariencia, textura y sabor del alimento.

1. Volumen: el cambio de volumen puede deberse a diferentes fenómenos físicos como: pérdida de agua de constitución, pérdida de materia grasa por fusión, aumento de volumen por rehidratación y expansión de gases.
2. Color: el cambio de color puede responder a las causas más diversas, aunque fundamentalmente depende de la naturaleza del alimento, de su composición química y del sistema de cocción elegido. Cabe mencionar los cambios de pH (pigmentos en los vegetales), caramelización de azúcares, pardeamientos en estructuras proteicas.
3. Consistencia: la modificación de la consistencia se vincula a fenómenos diversos, fundamentalmente los que se asocian a los efectos sobre proteínas y polisacáridos como: desnaturalización y coagulación proteica, gelatinización y dextrinización del almidón, ablandamiento de tejidos vegetales.
4. Sabor: la cocción produce transformaciones químicas que determinan modificaciones de aroma y sabor en el alimento, por eso, una acertada elección de la técnica de cocción permite conseguir una concentración o una dilución de las sustancias responsables del sabor, según el fin que se persiga.

• Modificaciones en las estructuras químicas: la cocción de los alimentos puede producir cambios en su estructura química, con reacciones que varían de acuerdo con la naturaleza química de la sustancia afectada, en especial cuando corresponden a sustancias responsables de las características sensoriales o del valor nutritivo.

1. Proteínas: los niveles de temperatura alcanzados por los métodos de cocción utilizados determinan diferentes efectos sobre las moléculas proteicas.

Hasta 100 °C, se produce desnaturalización con pérdida de solubilidad y coagulación de las proteínas, con inactivación de enzimas, mejora la digestibilidad, reducción de algún poder tóxico. Entre 100 y 140 °C, se produce reacción de Maillard y reducción de la digestibilidad por formación de puentes covalentes, intra e intermoleculares. A más de 140 °C, se produce lo mismo que en el caso anterior, agregándose la pérdida de valor nutritivo por destrucción de aminoácidos, como cisteína o triptofano, con isomerización a forma D.

1. Lípidos: el tratamiento térmico aplicado a alimentos ricos en lípidos hace que pasen de un estado sólido o semisólido hasta llegar al punto de fusión, que es difícil establecer exactamente, debido a que están formados por diferentes ácidos grasos. Por encima de este punto, se puede producir deshidratación del glicerol, llegar a temperaturas de humeo y descomponerse.
2. Carbohidratos: en este grupo de sustancias orgánicas, es diferente lo que ocurre con los azúcares y con los polisacáridos. En relación a los azúcares en estado sólido (sacarosa), con la aplicación de calor se funde, cambia de color y se transforma en caramelo a los 170 °C, pudiendo llegar a carbonizarse en el caso de seguir aplicando calor. Cuando el azúcar está en disolución, se forma un jarabe, cuya consistencia (determinada por la concentración y el tratamiento térmico) va cambiando de textura, lo que permite usos muy diversos en cocina o confitería.

En el caso de los polisacáridos, muchos alimentos de origen vegetal son ricos en almidón, que tiene un comportamiento singular frente al tratamiento térmico en un medio acuoso. A partir de los 50 °C comienza el espesamiento, que da lugar a la gelatinización, que se hace efectiva cuando se alcanza una temperatura específica para cada tipo de almidón y que puede variar de acuerdo a la incidencia de otros factores como: agitación o reposo de las moléculas, el agua empleada, el agregado de otras sustancias, si está o no combinado con otros alimentos. Cuando el medio de cocción es seco (no acuoso), se produce la dextrinización, con cambio de coloración y de sabor.¹​²​

Clasificación de los métodos de cocción[editar]

En el tratamiento térmico de los alimentos, se pueden utilizar diversos métodos o tipos de cocciones en función del sistema calorífico utilizado, materiales empleados, modalidades de trabajos, características de los alimentos y los resultados que se deseen obtener (textura, color, etc).

Medio húmedo o acuoso[editar]

Blanqueado o escaldado[editar]

Cocción incompleta de un alimento, que recibe los efectos térmicos del agua hirviendo durante un período de tiempo muy corto (entre 10 y 30 segundos). Puede considerarse una operación previa con el propósito de inactivar las enzimas, remover pieles o atenuar el sabor, por ejemplo, en el congelado de verduras y frutas.

Hervido[editar]

Implica la cocción de un alimento por inmersión en agua o en un caldo, que puede realizarse a partir de agua fría, caliente o en ebullición.

Vapor a presión normal[editar]

La temperatura es de 100 °C a 760 mm de Hg de presión;³​ el calentamiento se produce por convección del vapor de agua a 100 °C. El agua en ebullición también está a 100°C, tiene igual temperatura pero diferente cantidad de calor. La cantidad de agua que toma contacto con el alimento en la cocción por vapor es mínima y por eso los fenómenos de disolución son pocos.

Vapor a presión elevada[editar]

La diferencia con la cocción a vapor reside en que el punto de ebullición del agua puede elevarse por encima de los 100 °C en una olla a presión o autoclave, donde el vapor ocupa el lugar que ocupaba el aire y la presión se eleva rápidamente. Es necesario aumentar la temperatura a medida que aumenta la presión para que las moléculas de agua puedan transformarse en vapor.

Medio seco o no acuoso[editar]

Aire libre[editar]

Es energía radiante que calienta el aire que se renueva produciendo la evaporación de agua, manteniéndose el carácter seco del alimento. Según la relación entre la fuente calórica con el alimento, existen procedimientos distintos, que son los siguientes:

• Parrilla: la fuente calórica se encuentra a distancia variable pero siempre pequeña (más o menos 30 cm) y todas las partes del alimento se encuentran a igual distancia de la misma. La cocción se realiza por calentamiento continuo.
• Asador: la fuente calórica se encuentra más alejada y a diferente distancia del alimento. La acción de desecación es sostenida y lenta, sin mucha modificación de la superficie y el calentamiento es continuo demorando 2 o 3 hs. No se forma costra y se cocina al mismo tiempo el interior que el exterior.
• Spiedo: el calentamiento es discontinuo y, además, la superficie que se rocía o pincela con grasa facilita que se forme una costra. Esta película de grasa evita o reduce la evaporación del agua; por eso, resulta una preparación muy jugosa.

Aire confinado[editar]

HORNO: la forma de energía calórica producida en un horno se debe mayormente a la radiación y, en menor proporción, a la conducción. El calor produce evaporación de agua del alimento, que queda en el recinto, haciendo al aire caliente más húmedo. Es importante tener en cuenta el material del recipiente que se utiliza en la cocción al horno, ya que existen algunos de superficie brillante que evitan la llegada de los rayos electromagnéticos y, de esta manera, se prolonga excesivamente la cocción. Los más aconsejados son los materiales opacos u oscuros, que permiten el paso de la energía radiante, reduciéndose el tiempo de horneado. El vidrio es también buen material para utilizar con la energía radiante.

Medio lipídico[editar]

Cuando la transferencia de calor se realiza por un medio lipídico, debido al calor específico y a las características físicas de los mismos, se utilizan siempre temperaturas muy elevadas, proporcionando textura y sabor particulares y favoreciendo la palatabilidad de los alimentos.

• Salteado: es un método de cocción rápida, parcial o total de un alimento, que se caracteriza por la poca cantidad de lípido a alta temperatura.
• Fritura: es un método de cocción total del alimento, para lo cual debe ser sumergido en un lípido que ha sido calentado previamente a temperaturas elevadas (alrededor de 180 °C) provocando en el alimento un calentamiento rápido y uniforme.

Plancha[editar]

Cocción a temperatura elevada del alimento, situado sobre una placa caliente de fundición, que transfiere por conducción el calor recibido desde una fuente calorífica generalmente de gas o electricidad.

Baño maría[editar]

Se utiliza cuando los sistemas alimentarios tienen abundante cantidad de huevos, harinas formando geles, como en el caso de flanes y budines. De esta forma se elimina la necesidad de batir la mezcla continuamente y, además, impide cocinarlos directamente sobre la fuente calórica, ya que el calor excesivo produce el rompimiento o cuajado de los productos y la separación de sus fases. La cocción mediante el baño de agua es lenta, debido a que el calor (temperatura entre 90 °C y 95 °C) le llega al alimento por conducción desde el agua que está en el recipiente, cuya temperatura no debe alcanzar la ebullición para que no ocurra el fenómeno anteriormente explicado.

Gratinado[editar]

Un alimento gratinado posee color dorado en su superficie gracias a los productos de las reacciones de Maillard. Generalmente se aplica el gratín a los alimentos que poseen en su capa más externa queso rallado, pan rallado, migas de pan, puré de papas, entre otros.

Cocción mixta[editar]

Resulta de la combinación de medio seco y medio húmedo de cocción y se emplea en hortalizas y especialmente en carnes. El medio seco produce modificaciones particulares como la desecación de la superficie y la formación de productos de tostación que posteriormente influyen en el sabor y color de la preparación. Luego se agrega el líquido que puede ser agua o caldo y se completa la cocción a fuego lento, resultando una carne de menor consistencia por el ablandamiento del tejido conectivo. Por ejemplo, se emplea este método para la cocción de distintos tipos de carnes, estofados y guisos.

combustión (del latín combustio, -onis),¹​ en sentido amplio, puede entenderse toda reacción química, relativamente rápida, de carácter notablemente exotérmico, que se desarrolla en fase gaseosa o heterogénea (líquido-gas, sólido-gas), sin exigir necesariamente la presencia de oxígeno, con o sin manifestación del tipo de llamas o de radiaciones visibles.²​

Desde el punto de vista de la teoría clásica, la combustión se refiere a las reacciones de oxidación, que se producen de forma rápida, de materiales llamados combustibles, formados fundamentalmente por carbono (C) e hidrógeno (H) y en algunos casos por azufre (S), en presencia de oxígeno, denominado el comburente y con gran desprendimiento de calor.

Desde un punto de vista funcional, la combustión es el conjunto de procesos físico-químicos, por los cuales se libera controladamente parte de la energía interna del combustible (energía química) que se manifiesta al exterior bajo la forma de calor, para ser aprovechado dentro de un horno o una caldera.³​

En adelante, todo se refiere a la teoría clásica. En la realidad, en lugar de oxígeno puro, la reacción se produce con presencia de aire, que normalmente, para simplificar los cálculos, se le considera con una composición en volumen; de 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno.

Las reacciones que se producen son las siguientes:

$${\displaystyle {\ce {C + O2 -> CO2 + 33875 kJ/kg\; C}}}$$

$${\displaystyle {\ce {H2 + 1/2 O2 -> H2O + 143 330 kJ/kg\; O2}}}$$

$${\displaystyle {\ce {S + O2 -> SO2 + 8958 kJ/kg\; S}}}$$

Fases de la combustión[editar]

Las reacciones de combustión son en realidad mucho más complejas de lo que puede parecer, debido principalmente a la enorme rapidez con que se suceden las distintas etapas. Hasta la llama más simple es el resultado de muchas reacciones químicas casi simultáneas, cuyo estudio requiere la resolución de problemas de aerodinámica, de conducción de calor y de difusión molecular.⁴​ La teoría clásica simplifica todo este proceso atendiendo más al resultado final, que a la dinámica del proceso.

Los tres componentes indicados no se encuentran como componentes puros, sino que forman parte de un compuesto que generalmente conocemos como hidrocarburo. El proceso de combustión se realiza en tres fases:

• En una primera fase se produce una prerreacción en la que los hidrocarburos se descomponen para reaccionar con el oxígeno, formando unos compuestos inestables que reciben el nombre de radicales.
• La segunda fase es la de oxidación, en la cual se libera la mayor parte del calor.
• En la tercera se completa la oxidación y se forman los productos estables que serán los componentes de los gases de combustión.

En la primera fase, los radicales formados son muy activos y enormemente inestables, de forma que se producen reacciones en cadena en la que estos evolucionan y desaparecen de una forma equilibrada. Cuando los radicales se forman a una velocidad superior a la que reaccionan posteriormente, su acumulación provoca una reacción masiva y violenta con el oxígeno que se conoce como explosión. La onda expansiva que se produce por la liberación súbita de energía, puede alcanzar velocidades de transmisión superiores a 2500 m/s y suele estar acompañada de una detonación. Cuando la velocidad de propagación es inferior a la del sonido, no hay explosión y la reacción súbita se conoce como deflagración.

Tipos de combustión[editar]

Se pueden distinguir tres tipos de combustión:

• Combustión completa o perfecta: Cuando las reacciones indicadas están desplazadas totalmente a la derecha, es decir, los componentes se oxidan completamente, formando dióxido de carbono (CO₂), agua líquida (H₂O) y en su caso, dióxido de azufre (SO₂), independientemente de la cantidad de aire empleada en la reacción. Esto implica que el oxígeno presente en el aire, ha sido cuando menos, suficiente para oxidar completamente los componentes.
• Combustión estequiométrica o neutra: es una combustión completa en la que se ha empleado la cantidad exacta de aire obtenida a partir de las relaciones cuantitativas de las moléculas que intervienen en cada reacción. En realidad se trata de una combustión ideal, que solo puede conseguirse en laboratorio.
• Combustión incompleta: Es aquella cuyos gases de combustión contienen compuestos parcialmente oxidados llamados inquemados, como: monóxido de carbono (CO), partículas de carbono, hidrógeno,etc.

Exceso de aire[editar]

La reacción de combustión del C se puede escribir de la siguiente manera:

$${\displaystyle {\ce {C + O2 -> CO2}}}$$

Las cantidades en peso y volumen, en condiciones normales a 0 °C y 101,3 kPa de presión, que intervienen de cada sustancia en la reacción: 12 gramos de carbono necesitan 22,4 litros⁵​ de oxígeno para que se obtengan 22,4 litros de dióxido de carbono.

Si esto se produce exactamente así, es lo que se llama reacción estequiométrica. A partir de la cantidad estequiométrica de oxígeno y teniendo en cuenta que el aire lo contiene en un 21% de su volumen, podemos calcular el aire mínimo necesario para aportar el oxígeno estequiométrico.

Para un combustible, que contiene un determinado porcentaje en peso de carbono, hidrógeno y azufre, se calcula el oxígeno necesario para oxidar cada elemento y la suma de estas cantidades será el aire mínimonecesario para quemar completamente una unidad del mismo.⁶​

En la práctica, como ya se dijo, aportando a un proceso de combustión esta cantidad de aire mínima, no se logra una combustión completa. No hay que olvidar que en un proceso industrial, tanto el combustible como el aire están en movimiento, lo que hace que la mezcla combustible-comburente no sea homogénea. Si a esto se añaden; la velocidad de las reacciones, el escaso tiempo de permanencia de la mezcla en la cámara y las variaciones de temperatura, el resultados es que una fracción del combustible escapa por la chimenea sin haberse quemado, o por lo menos, no totalmente.

Cuando una partícula de carbono, no encuentra el aire suficiente para quemarse, la reacción que se produce es:

$${\displaystyle {\ce {C + 1/2 O2 -> CO + 10204 kJ/kg\; C}}}$$

Esto significa que por cada kilogramo de C que pase a CO, se pierden 23.671 kJ, además de la peligrosidad que implica la formación de monóxido de carbono.

Se hace pues imprescindible, aportar un exceso de aire (n),⁷​ es decir, una cantidad mayor de la estequiométricamente necesaria, para que todas las partículas de combustible encuentren el oxígeno suficiente para oxidarse totalmente.

Podría llegarse a la conclusión de que aportar mucho aire garantiza una combustión completa y por tanto es una buena estrategia. Sin embargo, todo el aire añadido no necesario, entra y sale de la cámara de combustión sin haber hecho otra cosa que calentarse, lo cual supone una pérdida de calor y por tanto una bajada del rendimiento. Lo eficaz, en consecuencia, será añadir el exceso de aire justo para conseguir una oxidación completa.

Productos de combustión[editar]

Los humos o productos de combustión están formados por los gases resultantes de las reacciones; dióxido de carbono, vapor de agua y óxido de azufre cuando lo tiene el combustible, así como el nitrógeno correspondiente al volumen de aire utilizado. También se puede encontrar oxígeno y nitrógeno procedentes del aire no utilizado, óxidos de nitrógeno⁸​ y a veces otros gases que pudieran formar parte del aire aportado.

Su cálculo se realiza de la misma forma indicada para el oxígeno, a partir de las reacciones de combustión y contando con el exceso de aire utilizado. La suma de los volúmenes obtenidos para cada gas más el nitrógenocontenido en el aire mínimo, todo ello multiplicado por el coeficiente (n) de exceso de aire, da como resultado el volumen de gases húmedos. Si en la suma no se tiene en cuenta el agua formada, se obtiene el volumen de gases secos.⁹​

La relación entre el volumen de CO₂ y el volumen total de gases secos, es la concentración de este componente en base seca, máxima que se puede medir en los análisis normales de los gases de combustión. La obtención en un análisis de un valor menor, significa:

• Que se ha utilizado un exceso de aire mayor del necesario, ya que aunque la cantidad de CO₂ sea la prevista, la concentración disminuye, puesto que aumenta el volumen de gases en el que se diluye. En este caso también aparecerá O₂ en el análisis, tanto más cuanto más exceso de aire.
• O bien, parte del carbono no se ha oxidado, normalmente por defecto de aire, en cuyo caso se encontrarán en el análisis cantidades de monóxido de carbono (CO), puede aparecer H₂ y con mucho defecto de aire partículas de carbono sin quemar (hollín).

También puede aparecer monóxido de carbono con exceso de aire, sobre todo con combustibles líquidos, debido a una mala atomización del combustible y a un defecto de mezcla combustible-comburente.

Poder calorífico[editar]

Artículo principal: Poder calorífico

Teoría de la llama[editar]

Las llamas son reacciones de combustión en movimiento, a velocidades inferiores a la del sonido.

La llama puede definirse como una reacción de combustión que se propaga a través del espacio, a velocidad inferior a la del sonido. El concepto de llama implica el de movimiento y por consiguiente, un frente de avance de la reacción denominado frente de llama.

La forma que tiene la llama, o masa de combustible en combustión, depende del medio técnico que prepara el combustible, el comburente, la mezcla de ambos y aporta la energía de activación,¹⁰​ que es el quemador.

Para que tenga lugar la combustión se tiene que alcanzar la temperatura de ignición,¹¹​ muy superior a la del punto de inflamación que es aquella en la que el combustible está en condiciones de iniciar la combustión, pero si se retira la energía de activación, la llama se apaga. A partir de ello, todas las reacciones de combustión en sus distintas fases, tienen lugar en este medio gaseoso que es la llama. Una vez iniciada, si se aportan el combustible y comburente suficientes, a la misma velocidad con que se propaga el frente de llama, la llama se estabiliza y persiste, aunque se retire la energía de activación inicial.

La velocidad de propagación de la llama depende de cada combustible, de su mayor o menor grado de pureza y del exceso de aire con que se efectúa la combustión. La temperatura de la llama depende del poder calorífico, del exceso de aire y del tipo de hogar o cámara de combustión.¹²​ Se conoce como temperatura teórica de llama adiabática a la mayor temperatura que se puede obtener de un combustible, la cual se alcanza cuando no hay exceso de aire.¹³​ En cuanto al color, depende del combustible. En general se puede decir que debe ser clara y luminosa, sin productos humeantes. Cuando hay falta de aire, la llama se oscurece y humea debido a partículas de carbono incandescentes.

Conceptos sobre combustión

La reacción de combustión se basa en la reacción química exotérmica de una sustancia o mezcla de sustancias llamada combustible con el oxígeno. Es característica de esta reacción la formación de una llama, que es la masa gaseosa incandescente que emite luz y calor, que esta en contacto con la sustancia combustible.

La reacción de combustión puede llevarse a cabo directamente con el oxigeno o bien con una mezcla de sustancias que contengan oxígeno, llamada comburente, siendo el aire atmosférico el comburente mas habitual.

La reacción del combustible con el oxígeno origina sustancias gaseosas entre las cuales las más comunes son CO2 y H2O. Se denominan en forma genérica productos, humos o gases de combustión. Es importante destacar que el combustible solo reacciona con el oxigeno y no con el nitrógeno, el otro componente del aire. Por lo tanto el nitrógeno del aire pasará íntegramente a los productos de combustión sin reaccionar.

Entre las sustancias mas comunes que se pueden encontrar en los productos o humos de la reacción se encuentran:

• CO2
• H2O como vapor de agua
• N2
• O2
• CO
• H2
• Carbono en forma de hollín
• SO2

De acuerdo a como se produzcan las reacciones de combustión, estas pueden ser de distintos tipos:

Combustión completa

Ocurre cuando las sustancias combustibles reaccionan hasta el máximo grado posible de oxidación. En este caso no habrá presencia de sustancias combustibles en los productos o humos de la reacción.

Combustión incompleta

Se produce cuando no se alcanza el grado máximo de oxidación y hay presencia de sustancias combustibles en los gases o humos de la reacción.

Combustión estequiométrica o teórica

Es la combustión que se lleva a cabo con la cantidad mínima de aire para que no existan sustancias combustibles en los gases de reacción. En este tipo de combustión no hay presencia de oxigeno en los humos, debido a que este se ha empleado íntegramente en la reacción.

Combustión con exceso de aire

Es la reacción que se produce con una cantidad de aire superior al mínimo necesario. Cuando se utiliza un exceso de aire, la combustión tiende a no producir sustancias combustibles en los gases de reacción. En este tipo de combustión es típica la presencia de oxigeno en los gases de combustión.

La razón por la cual se utiliza normalmente un exceso de aire es hacer reaccionar completamente el combustible disponible en el proceso.

Combustión con defecto de aire

Es la reacción que se produce con una menor cantidad de aire que el mínimo necesario. En este tipo de reacción es característica la presencia de sustancias combustibles en los gases o humos de reacción.