cocina molecular

Cocina molecular – La química en la cocina

La Gastronomía molecular, (término que personalmente me parece de lo más inadecuado y extravagante) tiene relación con las propiedades físico-químicas de los alimentos y los procesos tecnológicos a los que éstos se someten, como son el batido, la gelificación, control/ aumento de la viscosidad, por mencionar solo algunos. Todo ello dependerá de los ingredientes que se seleccionen, las mezclas que se hagan  y las técnicas que se apliquen. Los alimentos son en su gran mayoría mezclas de  compuestos orgánicos (proteínas, hidratos de carbono, lípidos y vitaminas) y minerales, que cuando son sometidos a procesamiento son capaces de manifestar determinadas  propiedades que pueden resultar novedosas y atractivas, transformándose en espumas, emulsiones, geles u otras estructuras que pueden dar lugar a experiencias gastronómicas particulares.

Yo particularmente prefiero definir la “cocina molecular” como, cocina asistida por técnicas o tecnologías fisicoquímicas. Desde luego el nombre  no es tan comercial, pero si mucho más riguroso técnicamente, al menos desde mi punto de vista.

Asimismo existen multitud de técnicas para la separación y extracción de aromas, o la creación de aero geles  en función de sus propiedades fisicoquímicas. Con ello podemos crear infinitos sabores, esencias y texturas.. No pretendo desde luego dar clases de cocina, aunque soy un gran aficionado a la gastronomía, pero sin embargo si son de mi incumbencia, multitud de técnicas preparativas y de separación de compuestos orgánicos y mezclas de compuestos orgánicos, que  pueden ser usadas a voluntad de los profesionales o instituciones, como por ejemplo:

Chef que deseen ampliar o comenzar a asimilar estos conocimientos , para poder desarrollar  su creatividad teniendo más herramientas y elementos técnicos ,a su disposición.

quimica-y-cocina

Instituciones gastronómicas

Boutiques gastronómicas, Restaurantes o Empresas interesados en crear productos de alta gastronomía.

Un ejemplo es la utilización de espesantes alimentarios como alginato, un extracto natural de algas pardas de uso alimentario (de los géneros “Laminaria”,”Fucus”, “Macrocystis” entre otras),  que crecen en las regiones de aguas frías de Irlanda, Escocia, América, Australia, Nueva Zelanda y Sudáfrica y suele utilizarse de forma habitual como aditivo espesante, gelificante y emulsificante en la industria  (como alginato sódico E-401 y otras sales). Se trata de uno de los ingredientes más asentados en la “cocina molecular” e imprescindible en lo que se ha dado en llamar ”esferificación” .

La técnica ,consiste en sumergir un alimento liquido mezclado previamente con la sal sódica del alginato a una concentración determinada,  en una solución de cloruro de calcio en un disolvente polar o mezcla de disolventes (el agua es el más utilizado)

Se trata de  una técnica utilizada para crear una capa muy delgada insoluble y elástica, o film en la inter fase sólido- líquido de manera controlada  de modo que por ejemplo una salsa o jugo que contenga alginato sódico , y  que sea sumergida en un baño de cloruro cálcico, rinda estructuras pseudo- esféricas con la salsa o líquido encapsulado en su interior. (Ver foto del post).

Este fenómeno se produce debido a que el alginato, en forma de sal sódica, potásica o magnésica, es soluble en soluciones acuosas a pH por encima de 3,5. También es soluble en mezclas de agua y solventes orgánicos miscibles con ella, como el alcohol pero que forma una estructura insoluble en soluciones cálcicas. La viscosidad de las soluciones de alginato depende de la concentración, elevándose mucho a partir del 2%, y de también la temperatura, disminuyendo al aumentar ésta. Las soluciones de alginato tienen un comportamiento no newtoniano, con una viscosidad que disminuye mucho al aumentar la velocidad del movimiento. En ausencia de calcio, el alginato se pliega formando cada uno de los bloque constituyentes hélices mantenidas por puentes de hidrógeno.

En presencia de calcio, el alginato puede formar una estructura conocida como “caja de huevos”. En esta estructura, los iones de calcio se sitúan como puentes entre los grupos con carga negativa del ácido gulurónico.

Esta reacción química permite realizar preparaciones variadas como el falso caviar, raviolis, espaguetis, papeles, etc. según sea el modo de poner en contacto a ambos reactivos

El procedimiento para la formación correcta de estas esferas, es delicado pues se deben controlar tiempos , Ph etc , de lo contrario podríamos generar perlas que no fueran agradables al paladar ( excesivo residuo cálcico, como consecuencia de una capa exterior demasiado gruesa).

También es posible realizar, la llamada Esferificación inversa. , si el líquido que se desea esferificar contiene calcio (por regla general cualquier lácteo), en este caso se sumerge en una disolución de alginato. Pero si el líquido no posee calcio y se le añade gluconolactato de calcio puede procederse de igual forma mediante este proceso inverso. En resumen: gluconolactato de calcio + líquido se introduce en disolución de alginato.

Otro segmento interesante , es la aplicación de la tecnología de “Color Matching” para la creación de colores “a medida” , sobre todo a Delicatesen,  Cup Cakes, Salsas, Ornamentación etc mediante mezclas de colorantes alimentarios, esto requiere de instrumentación y conocimientos de colorimetría .

La investigación en el campo de la modificación o creación de diferentes texturas y sabores marca tendencias, y es a mi juicio un campo en el que los químicos podemos contribuir de manera importante mediante la formación de equipos interdisciplinares.

análisis de lubricante

Ciencia Quimica | Un sistema de análisis de lubricantes, permite predecir averías en maquinaria y bienes de equipo

Muchas industrias que poseen bienes de equipo y maquinaria de elevado coste, como  por ejemplo minería, petróleo militar,  gas, transporte y la construcción entre otras, deben afrontar cuantiosos gastos en cuanto al mantenimiento de los mismos, así como en concepto de averías, que además originan otras pérdidas derivadas por inactividad de la maquinaria durante el periodo de reparación. Si a esto hay añadimos que las averias puedan producirse en momentos inoportunos, como por ejemplo en un automóvil de de Fórmula 1 en el transcurso de una competición, o en una aeronave, o navío los  impactos en pérdida de imagen e insatisfacción de clientes pueden ser muy costosos.

Según la empresa SpectroInc, dedicada la fabricación de espectrómetros de alta especialización para el análisis de lubricantes, es posible mediante la integración de dichos instrumentos con el software  Spectrotrac la previsión de averías mediante el análisis de los aceites y lubricantes de la maquinaria

analizando los lubricantes

Por ejemplo con un espectrometro de emisión atómica del tipo RDE ( Rotating Disk Espectrometer)

Según el fabricante, la Versión 2.0, del software ,es un sistema de gestión de información (SGI) que proporciona una visión global e histórica de las condiciones del fluido de la maquina o máquinas. La información suministrada por el IMS puede ayudar a prolongar la vida útil de la maquinaria, proporcionando tendencias, imágenes, datos numéricos y textuales. Así pues el personal de laboratorio y mantenimiento puede detectar tendencias y realizar rutinas de mantenimiento antes de que surjan problemas mecánicos. Otros beneficios incluyen un amumento del tiempo de actividad de la maquinaria, ya que al reducir el mantenimiento no programado debido a fallas de la máquina, se alarga el tiempo entre cambios de aceite. La base de datos mantiene un registro de la información relativa a los equipos a los intervalos de mantenimiento, operaciones de mantenimiento, ubicaciones y estados.

Según la empresa la última versión, SpectroTrack V2.0, incorpora nuevas características y funcionalidades basadas en la retroalimentación del cliente. Por ejemplo, dice Eric Olson, vicepresidente de Ingeniería : ” Un nuevo módulo llamado “multi-lab”  integra el flujo de trabajo de distintos laboratorios de pruebas de una empresa situados en distinta localización, lo cual permite a cada laboratorio  ver muestras de varios lugares. Asimismo, la capacidad de visualizar tendencias es  muy intuitiva, ya que se ha mejorado con un gráfico de parámetros múltiples. Además, se incorpora un método más eficiente para la notificación de los resultados y las opciones de correo electrónico se han ampliado también. ”

En cuanto a la mejora de los protocolos de comunicación, Rob Corak, Gerente Spectro de Software, dice: “La comunicación entre nuestros clientes y grupos de desarrollo son una prioridad permanente. La Versión SpectroTrack 2.0 se ha mejorado en respuesta directa a las necesidades de nuestros clientes y la retroalimentación. Continuamos creciendo y facilitando este diálogo a través de grupos de usuarios, foros y seminarios interactivos. Animamos a todos nuestros clientes a participar “. SpectroTrack es una aplicación basada en navegador, y por lo tanto elimina la necesidad de instalación en estaciones de trabajo individuales. Los clientes pueden acceder y ver informes en cualquier lugar, y en cualquier momento para dar soporte a aplicaciones remotas, como las de los militares. El software viene pre-configurado para importar automáticamente los datos obtenidos a partir de dispositivos de prueba – Spectro’S y otras marcas. También puede integrarse con otras técnicas de mantenimiento predictivo como los datos de vibraciones, y termografías.

moleculas

Ciencia Quimica | Nueva técnica de espectroscopía infrarroja para el análisis del “Docking Molecular”

La interacción entre las proteínas y los  fármacos puede ahora analizarse detalladamente.

Investigadores de la Cátedra de Biofísica de la universidad del Rhür (Alemania) han desarrollado un nuevo método para el estudio detallado de la interacción entre fármacos y sus proteínas objetivo. La industria farmacéutica ya ha tomado conocimiento de la nueva técnica de espectroscopia de infrarrojos que parece tener prometedoras aplicaciones de manera inmediata. La técnica será posiblemente  aplicada  investigación farmacológica ,como por ejemplo las interacciones proteína- agente-en la K4DD, un  proyecto de la UE, que es apoyado por varias grandes empresas farmacéuticas europeas. “Ahora tenemos una herramienta en nuestras manos con las que podemos investigar la dinámica de las proteínas farmacológicamente interesantes en detalle atómico”, dijo el Prof. Dr. Klaus Gerwert. “Queremos llevar a cabo un examen objetivo de las bibliotecas de sustancias para buscar posibles agentes farmacológicos.” El  Dr. Carsten Kötting agregó que : ”con esta nueva técnica  la estructura de nuestros futuros fármacos puedrá ser mejor adaptada a la de las  proteínas que causan la enfermedad, lo que puede reducir notablemente los efectos secundarios negativos de estos fármacos”. Se describe el nuevo método junto con el Dr. Jörn Güldenhaupt y Pinkerneil Philipp en la revista científica ChemPhysChem, que dedica su portada a este tema.

El nuevo método:

Docking MolecularMediante la espectroscopia de infrarrojos-raman , los investigadores siguen procesos dinámicos en las proteínas.

Durante mucho tiempo, esta técnica sólo podía ser empleada para su uso con proteína  activadas, pero no en las proteínas que se activan mediante la unión con otros compuestos – como suele ser ocurrir en la muchas de las patologías asociadas a  este tipo de interacción proteína-ligando. Para analizar la dinámica de dichas proteínas, los investigadores tienen que ”fijar”  las proteínas sobre una superficie a medir y verter la sustancia farmacológica sobre ellas, de manera las proteínas se puedan interactuar y ser activadas por esta sustancia. A pesar de que esta técnica de unión es posible, no se puede utilizar para todas las proteínas. El  equipo del RUB ha trabajado en torno a este problema mediante la combinación de infrarrojos (IR) con una técnica de espectroscopia de superficie sensible (reflectancia total atenuada) y los llamados “His-Tagging” (proteínas de anclaje a la superficie de medición).Reflectancia total atenuada: el haz infrarrojo para todas las proteínas

En espectroscopia IR convencional, un haz de infrarrojos se transmite a través de una muestra de líquido; parte de la luz es absorbida por las proteínas, lo que permite a los investigadores de sacar conclusiones acerca de su estructura. Los investigadores del RUB, hacen pasar de la luz infrarroja a través de un cristal de germanio, en cuya superficie se habían anclado las proteínas objeto de estudio. En la superficie del cristal de la luz se refleja una y otra vez, con lo que se produce la difusión a través del cristal (reflectancia total atenuada). Durante este proceso, algunas de las ondas de luz dejan el cristal y alcanzan a las proteínas que se fijan a la superficie. Una técnica similar, la resonancia de plasma superficial, es el estándar para el uso en la industria farmacéutica, pero no tiene las capacidades de resolución atómica de la nueva técnica. Parte de la cadena: la His-Tag

Esta unión de las proteínas al cristal logra a través del uso de la His-Tag, una simple cadena de aminoácidos, que se unen a las proteínas comúnmente hoy en día para permitir su estudio bioquímico – que es esencialmente un adaptador universal. A través de la His-Tag los investigadores RUB-eran capaces de anclar la proteína a la del cristal de germanio. Como resultado, las moléculas se consolidaron firmemente a la superficie de medición, que transmite la luz infrarroja de las proteínas por el proceso de reflectancia total atenuada. La gran ventaja: una gran cantidad de proteínas ya están equipados con la His-Tag, por lo que el examen con el nuevo método es problemático. Todas las otras proteínas a la que está unido un His-Tag ahora también se puede acceder por espectroscopia IR. “Esto ayudará a responder a una multitud de cuestiones biológicas y médicas”, dijo Gerwert. Establecimiento del nuevo método con el interruptor de proteína Ras

El equipo del RUB  intentó por primera vez su nuevo método en el interruptor de la proteína Ras, que podría decirse que la central de encendido / apagado para el crecimiento celular. Las proteínas Ras son GTPasas de bajo tamaño molecular localizadas en la cara interna de la membrana plasmática, donde están ciclando continuamente entre el estado activo (complejo Ras.GTP) y el estado inactivo (complejo Ras.GDP). Las mutaciones activantes de Ras impiden que la actividad intrínseca de Ras funcione correctamente hidrolizando el GTP a GDP, lo que conlleva una permanente activación de la proteína., por lo que es una de las causas más frecuentemente responsables de causar cáncer. Los investigadores lograron la fijación de la Ras  a la superficie de medición con la His-Tag, y luego activar las Ras al unirse a un ligando. “La técnica es tan sensible que podría resolver la señal de una capa de proteína cinco nanómetros de espesor. Eso es alrededor de 1/10000 del diámetro de un cabello humano”, dijo  el investigador del RUB Dr. Jörn Güldenhaupt, que contribuyó de manera significativa al desarrollo del nuevo método. Incluso los más pequeños cambios estructurales del  interruptor de la proteína Ras  fueron reconocidos con la “proteína-Nanoscope”.Financiación de  los proyectos

supercomputador personal

Ciencia Quimica | Supercomputador Personal : Potencia de cálculo sostenible

Computadores de sobremesa tan potentes, que podrían considerarse supercomputadores,  con una capacidad de cálculo sin precedentes en este tipo de máquina de reducido tamaño, son ya una realidad al alcance de la mayoría de los científicos e ingenieros.

En este post informaré de las aplicaciones inmediatas que se les pueden dar a estos ingenios y específicamente a la computación GPU paralela y explicar las razones para tener muy en cuenta su introducción en nuestro quehacer diario .¿En qué disciplinas podría tener aplicación el uso de un supercomputador de sobremesa?

Las aplicaciones de un supercomputador personal son muy variadas, y en la medida que el número de aplicaciones  en CUDA va creciendo, va aumentando su aplicabilidad.

Así por ejemplo ya es posible encontrar numerosas aplicaciones para  Química, Simulación Atmosférica, Predicción climática, Ciencias del espacio, Explotación de gas y petróleo, Finanzas computacionales, Robótica, Bioinformática, Dinámica Molecular…

En química computacional , por ejemplo, una simulación molecular típica de cierta complejidad en la aplicación  NWChem pasa de un promedio de 4.6 días usando tan solo la capacidad del procesador a los 27 minutos utilizando las GPU. Análogamente, existe una disminución extraordinaria del tiempo de obtención de respuesta en los todos los  casos.

supercomputador personal

A la vista de los espectaculares resultados obtenidos por la computación GPU paralela mediante el uso de potentes tarjetas gráficas y el lenguaje CUDA, se está realizando la transición a sistemas de computación multi núcleo. Las razones para ello son diversas, pero entre otras podemos señalar las siguientes:

Los problemas a los que se enfrenta la ciencia, han alcanzado una complejidad tal, que es preciso buscar nuevas formas de acelerar el trabajo se los equipos de investigación.

Con el rendimiento paralelo de hasta 1600 núcleos, capaces de realizar una computación multi hilo concurrente, pueden obtenerse respuestas precisas mucho más rápidamente.

Desde el punto de vista del consumo energético la configuración de los computadores de sobremesa  suministra un enorme avance en la relación cálculo/consumo

El coste de uno se estos sistemas de supercomputacion personal hace ahora posible su adquisición incluso para su uso individual

Ahora es posible realizar alta densidad de computación sobre la mesa del investigador o en  su despacho, en lugar de en un centro de cálculo. Este hecho posibilita a aquellas organizaciones preocupadas por el consumo energético una excelente elección para obtener su nivel computacional deseado evitando la construcción, mantenimiento y costo energético de un centro de datos. Por ejemplo, algunos de los supercomputadores que he diseñado y construido tienen un consumo máximo de 1250 W, equivalente a algo menos de 13 bombillas de 100 W y un costo de inversión entre 3.000 y 14.500€. Facilidad para el desarrollo de aplicaciones informáticas específicas

El entorno de programación en CUDA C simplifica la programación multinúcleo y mejora el rendimiento liberando de actividades computaciones intensivas a la CPU, mediante el enrutamiento hacia la GPU. Esto permite a los desarrolladores utilizar las GPUs NVIDIA para resolver los más complejos e intensos desafíos computacionales, tales como, secuenciación de proteínas, dinámica molecular, análisis financiero, análisis estructural y muchos otros.

Dado el rápido avance que está experimentando el desarrollo de aplicaciones en múltiples disciplinas científicas y de ingeniería, es evidente que los equipos de científicos e ingenieros tienen ahora en el superordenador de sobremesa, un poderoso aliado en su quehacer diario. “Las GPU han evolucionado hasta el punto de que muchas aplicaciones del mundo real se implementan fácilmente en ellas y corren mucho más rápido que en sistemas multi-core. las arquitecturas informáticas del futuro serán sistemas híbridos con núcleos GPU en paralelo trabajando en conjunto con CPUs multi-core. ‘