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Los ojitos de los astronautas

[Material complementario de la conferencia incluida en el X Curso de Neurooftalmología del Hospital Ramón y Cajal, Madrid, 17 de febrero de 2017.]

Los retos más significativos para la colonización humana del espacio se relacionan con la manera de mantener vivos y sanos a las personas que abandonen nuestro planeta. Agua, alimento, oxígeno, temperatura, efecto de la microgravedad, efecto de la radiación cósmica, disponibilidad de medios para diagnosticar y tratar enfermedades… Todas las funciones fisiológicas se trastornan en el espacio y deben readaptarse a las nuevas circunstancias, pues a fin de cuentas somos organismos delicados, acostumbrados a un margen estrecho de temperatura, presión, humedad, etc.

La medicina astronáutica tendrá cada vez más relevancia, a medida que sean más los humanos que salten sobre la línea de Kármán. Los astronautas actuales son a la vez investigadores e individuos estudiados, gracias a los cuales cada especialidad médica puede conocer cómo influyen en su área las durísimas condiciones del espacio. Aquí comentaremos algunos aspectos concernientes a la oftalmología espacial.

Efectos generales de los viajes espaciales en la salud

astro_mesa-de-trabajo-2mdpiEfectos de aceleración/desaceleración: la salida y la entrada de la atmósfera terrestre implican grandes fuerzas de empuje sobre la tripulación. El cohete debe acelerar rápidamente hasta superar los 40.000 km/h (11,2 km/s, velocidad de escape) y ello afecta a la homeostasis circulatoria y al sistema vestibular, además de los aspectos traumatológicos del trasteo espacial.

astro_mesa-de-trabajo-3mdpiEfectos de la microgravedad: son los más estudiados y afectan prácticamente a todos los aparatos y sistemas del cuerpo. Nuevamente es el sistema vestibular el primero en sentirse desorientado, pero también el primero en adaptarse. El bombeo cardíaco, la tensión arterial y la filtración renal deben acondicionarse a la microgravedad. La pérdida de masa ósea y muscular es ampliamente conocida y proporcional al tiempo de estadía en órbita.

astro_mesa-de-trabajo-4mdpiEfectos de la radiación: señores, el Universo es radiactivo, sin la protección de la atmósfera y de la magnetosfera estaríamos fritos hasta la raspa. Radiación UV, rayos X, rayos gamma, viento solar, lluvias de neutrinos, radiación cósmica galáctica y radiación de Cherenkov. Ríete tú del wifi… Los efectos de todos estos tipos de radiación son conocidos en modelos experimentales terrestres, por accidentes nucleares y por los resultados de la radioterapia, pero el riesgo de exposición en astronautas aún no está del todo establecido.

astro_mesa-de-trabajo-5mdpiEfecto sobre ritmos circadianos: la pérdida de los ciclos día/noche puede alterar múltiples sistemas, sobre todo endocrino y neurológico.

En relación con los cambios oftalmológicos, nos centraremos en su relación con la microgravedad y la radiación espacial.

La presbicia de los astronautas

Los viajeros espaciales no son chavalitos de veinte años, sino gente ya rodada, con una media de edad entre 45 y 50 años. Por tanto, todos son présbitas. Un hallazgo repetido en las tripulaciones espaciales en el aumento de la presbicia durante la estancia en microgravedad.

El 60% de los astronautas refiere algún tipo de síntoma visual durante el viaje y el más frecuente de ellos es la dificultad de visión próxima, que obliga a usar dioptrías adicionales a las que llevan en sus gafas terrestres. De hecho ya es un protocolo estándar que los destinados a la Estación Espacial Internacional (ISS) porten gafas supletorias con mayor poder dióptrico. El debilitamiento de la visión próxima se hace más notorio a medida que se alarga el tiempo de estancia en la ISS.

¿Por qué pasa esto? Se debe a que el ojo es un globo lleno de agua, que por detrás tiene un tubo lleno de agua que envuelve al nervio óptico y que a su vez se conecta con un compartimiento lleno de agua, el neuroeje, donde flota el cerebro y la médula espinal. La microgravedad altera los compartimientos hídricos, como veremos a continuación.

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El agua flota en el espacio (y dentro del cuerpo)

Todos hemos visto videos de astronautas jugando con burbujas de agua como si fueran pelotas. El agua no se derrama en el espacio, sino que se mantiene unida en forma de globo gracias a la tensión superficial. De hecho, las lágrimas de un astronauta no bajan por su mejilla, sino que se quedan bailando sobre la córnea y pueden dificultar su capacidad visual, como cuenta el astronauta canadiense Chris Hadfield en este video.

El agua corporal también sufre importantes cambios, pues se pierde el gradiente hidrostático cabeza-pies que existe en gravedad terrestre. En microgravedad el fluido tiende a concentrarse en tronco y cabeza, mientras se reduce en los miembros. El corazón debe apañarse para hacer frente al aumento de la volemia torácica y a los cambios en la resistencia periférica.

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Estos cambios fluídicos también afectan al agua intraocular y al líquido cefalorraquídeo (LCR). Los líquidos del ojo son principalmente el humor acuoso, el vítreo y la sangre que circula por los plexos de la úvea. En microgravedad aumenta la presión venosa cefálica y ello congestiona la vasculatura uveal y aumenta la presión venosa epiescleral; como resultado hay un aumento de la presión intraocular (PIO) durante los primeros días de estancia espacial, aunque en una semana o menos suele estabilizarse. Otra alteración de la PIO en el espacio es la pérdida de las oscilaciones circadianas de su valor. Lo que ocurre con el LCR es más peliagudo.

¿Hipertensión intracraneal espacial?

Volviendo al aumento de presbicia de los astronautas, se observó que esto se debía a una hipermetropización por acortamiento de la longitud axial del globo. En los casos más acentuados se detectó un aplanamiento posterior del globo ocular debido a la dilatación del LCR en la vaina del nervio óptico que apretaba al ojo desde atrás.

Efecto de la microgravedad sobre el globo ocular y el LCR perióptico. A la izquierda RM previa, con curvatura posterior normal. A la derecha, RM del mismo astronauta tras volver de una estancia espacial prolongada; se observa el aplanamiento del polo posterior por la distensión del espacio perióptico. (Alperin et al. RSNA, 2016)

Efecto de la microgravedad sobre el globo ocular y el LCR perióptico. A la izquierda RM previa, con curvatura posterior normal. A la derecha, RM del mismo astronauta tras volver de una estancia espacial prolongada; se observa el aplanamiento del polo posterior por la distensión del espacio perióptico. (Alperin et al. RSNA, 2016)

En algunos de estos casos el empuje de la vaina distendida del nervio se tradujo en formación de pliegues retinocoroideos y hasta en pliegues maculares —hay que incluir aquí una posible alteración de la vasculatura coroidea—. En una docena de casos la distensión de la vaina llegó a producir papiledema o al menos ingurgitación de fibras ópticas. ¿Se trata, pues, de una hipertensión intracraneal (HIC)?

Al volver a la Tierra se les realizó resonancia magnética y punción lumbar a los astronautas afectados. En muchos de los casos se detectó una presión de apertura discretamente elevada y signos inespecíficos de HIC en la neuroimagen. Sin embargo, resultaba muy curioso que, aunque presentaban múltiples signos físicos de HIC, en general ninguno tenía sus típicos síntomas: cefalea, tinnitus sincrónico con el pulso arterial, oscurecimientos visuales transitorios, paresia de VI nervio craneal, náuseas o contracción campimétrica —excepto un caso—.

Papiledema asimétrico tras vuelo espacial prolongado. Fuente: 1. Nelson, E et al. Microgravity-Induced Fluid Shift and Ophthalmic Changes. Life 4, 2014. Hay un buen puñado de artículos publicados sobre el tema, pero los pacientes y fotos presentados son los mismos siempre...

Papiledema asimétrico tras vuelo espacial prolongado. Fuente: 1. Nelson, E et al. Microgravity-Induced Fluid Shift and Ophthalmic Changes. Life 4, 2014. Hay un buen puñado de artículos publicados sobre el tema, pero los pacientes y fotos presentados son los mismos siempre…

Por ello no se ha catalogado este cuadro como una HIC al uso, sino que se le ha dado el eufemístico y perifrástico nombre de síndrome de deterioro visual por presión intracraneal (visual impairment intracraneal pressure, VIIP). Los casos son pocos y la población es riesgo es muy escasa, por lo que cuesta hacer investigación sobre su causa y evolución. Actualmente la ISS cuenta con protocolos de estudio oftalmológico y buen instrumental a bordo: ecógrafo, tonómetro, retinógrafo y OCT. Difícil será tener allá un armatoste de RM y posibilidad de medir la PIC, aunque se están ideando métodos no invasivos mediante impedancia timpánica.

A qué se debe el VIIP

Actualmente no se tiene claro del todo. El principal responsable parece ser el cambio hidrostático en microgravedad con inversión cefálica de la presión hidrostática. Los astronautas notan esa inversión, refieren «tener la sangre en la cabeza» y suelen notarse los rostros edematosos. De hecho, los experimentos terrestres que intentan simular tal circunstancia se hacen manteniendo individuos en posición de Trendelemburg durante horas o días, de modo que aumente la presión hidrostática cefálica.

El VIIP aparece en viajes espaciales de larga duración, de más de tres o seis meses. Se supone que el aumento de la presión venosa cefálica dificulta la reabsorción del LCR y ello termina aumentando la PIC. La mala adaptación a los cambios fluídicos intracraneales hace que la enfermedad se establezca progresivamente. También se propone una vasodilatación arterial cerebral que favorece la producción de LCR.

Pero se barajan otros elementos causales, como la hiperpresión localizada en la vaina del nervio, debido a factores anatómicos locales que estorben el flujo del LCR —curiosamente el VIIP afecta mucho más a ojos derechos—. La presión parcial de CO2 relativamente elevada dentro de algunos compartimientos de la ISS podría ser otro factor, igual que el contenido alto de sodio en los alimentos a bordo, o el efecto del Valsalva repetido durante las sesiones de ejercicio para evitar la atrofia osteomuscular.

Hasta ahora ningún tripulante ha requerido tratamiento en órbita. No se plantea el uso de acetazolamida (ya sería una putada dar diurético a alguien obligado a mear en una aspiradora) o corticoides. En tierra tampoco suelen necesitar medicación y los defectos tienden a regresar, aunque no de forma rápida ni completa. Se investiga si la aplicación de torniquetes en la base de los muslos o de pantalones de presión negativa podrían reducir la inversión del gradiente hidrostático.

La radiación del Universo

Como comentamos antes, el espacio es un hervidero de diferentes tipos de radiaciones, tanto del espectro electromagnético como de partículas ionizadas. Todas las estrellas emiten estas radiaciones, incluyendo el Sol. Aparte de los rayos ultravioleta, X y gamma, el Sol emite protones de alta energía que constituyen el viento solar. Estos protones son núcleos de hidrógeno ionizados que son expelidos a altísima velocidad; en el viento solar también hay núcleos ionizados de helio, es decir, las famosas partículas α radiactivas. Un tercer tipo de emisión solar son los neutrinos, partículas subatómicas escurridizas, generadas en las reacciones de fusión nuclear y de desintegración β. Llegan miles de millones de neutrinos por segundo y atraviesan la atmósfera, los edificios, a nosotros y, de hecho, atraviesan todo el puto planeta como si no existiera y pasan de largo, casi sin interactuar con la materia que traspasan. Hasta donde se sabe, el flujo de neutrinos no es peligroso para la salud.

Pero el Sol no llega ni a camping-gas cuando se compara con otras fuentes de radiación cósmica, como novas, supernovas, estrellas de neutrones, cuásares y, en un escalón más arriba, agujeros negros supermasivos y galaxias activas (o radiogalaxias). La radiación emitida por estas estructuras es muchísimo más potente que la del Sol y nos alcanza desde todas las direcciones en forma de rayos cósmicos.

Los rayos cósmicos contienen, al igual que el viento solar, protones de alta energía (> 90 %) y partículas α, pero también núcleos ionizados de elementos más pesados, desde litio hasta hierro, expulsados en el estallido de estrellas masivas.

Aquí en casita estamos protegidos de toda esa radiación por dos barreras: la magnetosfera y la atmósfera. El campo magnético generado por la Tierra forma los cinturones de Van Allen, especie de cebolla magnética que envuelve al planeta y lo protege de las partículas ionizadas del viento solar y los rayos cósmicos. Ese escudo de Van Allen atrapa buena parte de las partículas radiadas y las desvía hacia los polos, donde ionizan los gases atmosféricos y generan las preciosas auroras polares.

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Aquellas partículas de radiación cósmica que logran pasar la magnetosfera y alcanzan la atmósfera sufren un frenazo al entrar desde el vacío espacial a un medio más denso. El resultado es una desintegración de estos átomos en partículas subatómicas, más o menos como ocurre cuando se chocan protones en los aceleradores de hadrones. Los protones y neutrones se desmigajan en una cascada desintegrativa que genera piones, muones, electrones, positrones, neutrinos y fotones. A este proceso se le llama radiación de Cherenkov y no me meto más en esto por mi vil ignorancia en el tema. La cosa es que a pie de calle llega poca radiación cósmica.

Algo interesante de los rayos cósmicos es que actúan sobre el nitrógeno atmosférico (14N) y lo transmutan en carbono 14 (14C), un isótopo inestable. El 14C es incorporado en las moléculas de los seres vivos igual que el estable 12C. De modo que la datación por 14C para calcular la edad de fósiles y restos orgánicos es posible gracias a los rayos cósmicos.

Radiación y salud

De todos los venenos que amenazan nuestra vida quizás la radiactividad sea de los más temidos, a causa del peligro de guerra nuclear y de los accidentes de centrales termonucleares. Son de sobra conocidos los efectos de la radioterapia y de la radiación accidental sobre el organismo.

La irradiación generalizada tiene dos efectos: frenar la división celular en fase aguda y generar neoplasias a mediano o largo plazo. Lo primero se traduce en aplasia medular y alteraciones cutáneas y mucosas; lo segundo, en cáncer de tiroides, neoplasias hematológicas y muchas otras.

En los astronautas se ha investigado el efecto de su exposición en el espacio, pero aún no está bien establecido el riesgo de neoplasias —parece ser algo mayor— ni la dosis admisible. Es realmente difícil proteger a los pasajeros en los viajes orbitales.

Radiación y ojos

Las estructuras oculares más sensibles a la radiación son la córnea, el cristalino, la retina y el nervio óptico. La radioterapia órbito-craneal da frecuentemente queratopatías, retinopatías y neuropatías ópticas secundarias, así como cataratas corticales y subcapsulares posteriores.

En los viajeros espaciales solamente se ha detectado un riesgo mayor de sufrir cataratas, pero no las otras complicaciones mencionadas. Lo reducido de la muestra astronáutica (poco más de 300 sufridos privilegiados) dificulta hacer estadísticas sólidas para cuantificar el riesgo global y el período de exposición peligroso.

Se ha visto mayor frecuencia de cataratas en otros colectivos expuesto a radiación laboral, como personal de radiología intervencionista y en pilotos comerciales (que sí, que a la altitud de un vuelo comercial se chupa más radiación cósmica que a pie de calle).

Auroras intraoculares

Una de las primeras anomalías visuales observadas en el espacio fue la lluvia de fotopsias que misteriosamente percibían los tripulantes cuando oscurecían la cápsula para dormir. El primero en reportarlo fue Buzz Aldrin durante la misión Apolo 11. Hasta el 80% de los astronautas ha notados estos fosfenos, en ráfagas variables, desde chispazos esporádicos hasta varios por minuto. Después de mucho elucubrar, se descubrió que el pico de fotopsias coincidía con un mayor flujo de rayos cósmicos.

Eran las partículas de la radiación cósmica las que causaban los destellos dentro de los ojos de los astronautas; es algo similar a lo que perciben los pacientes sometidos a radioterapia órbito-craneal. Como ya comentamos, los rayos cósmicos contienen protones a toda leche y partículas α, ¿cómo actúan en el ojo para generar chispazos?

Ocurre un mecanismo parecido a la radiación de Cherenkov originada por la interacción de los rayos cósmicos con la atmósfera: las partículas ionizadas se desintegran en forma de cascada de partículas subatómicas, entre las que hay un 15% de fotones. Estos fotones estimulan los fotorreceptores retinianos y se produce el fosfeno.

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Cascada de desintegración de partículas de radiación cósmica en el ojo de los astronautas. H+: protón, núcleo ionizado de hidrógeno. α: partícula alfa, núcleo de helio ionizado. μ: muon. π: pion. ν: neutrino. γ: fotón. Supongo que cualquier físico detectará errores en el esquema de desintegración que he puesto aquí, lo siento, no doy para más; mi objetivo es ilustrar cómo se generan los fotones causantes de las fotopsias espaciales.

En el caso de los astronautas, la desintegración ocurre por el choque de las partículas contra las paredes del vehículo o, más probablemente, contra la córnea, el cristalino y el vítreo. Al final, lo que ocurre en el ojo del tripulante es, a escala miniwini, lo mismo que en un acelerador o en una aurora polar.

Da vértigo pensar que esos corpúsculos espaciales fueron generados en gigantescos cataclismos galácticos de potencias inimaginables, a distancias extraordinarias, han viajado por el espacio a velocidades cercanas a la luz durante cientos de miles o millones de años hasta que terminan estampándose en la retina de un astronauta que pasaba por ahí.

Implicaciones en la colonización espacial

Hasta ahora los problemas visuales descritos no han representado una amenaza seria para la salud de los tripulantes ni para la seguridad de las misiones. Muy pocos han estado en órbita durante un año o poco más, y al volver reciben los cuidados médicos más especializados que requieran.

Otra cosa es la colonización espacial, viajes de larga duración, seguramente sin retorno, con disponibilidad submínima de medios diagnósticos y terapéuticos. Un posible viaje a Marte duraría entre dos y tres años, un período de microgravedad hasta ahora no experimentado, y una exposición a la radiación espacial de consecuencias desconocidas.

A ver quién será la primera persona en hacer una facoemulsificación o una derivación lumboperitoneal fuera del planeta, si es que para entonces aún se practican estas intervenciones.

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“Ceterum censeo Podemus esse delenda”

 

Físicos haciendo Medicina: Augustin Fresnel

¿Qué relación tienen la Carmen de Bizet, la diplopía, las TV de pantalla plana, las hemianopsias, los faros, la presbicia y la energía solar? Adivinaréis que la respuesta está en el personaje del título: Augustin-Jean Fresnel, físico óptico e ingeniero francés, nacido en Broglie –Normandía– en 1788 y fallecido en la flor de la edad, en 1827 cerca de París.

Fresnel hizo importantes aportes a la física de la luz y la mecánica óptica, algunos de los cuales tienen buen aprovechamiento en la oftalmología moderna. Los oftalmos solemos pronunciar mal su apellido, colocando la tónica en la primera ‘e’ cuando lo correcto es que recaiga en la segunda sílaba y que la ‘s’ apenas se pronuncie. Estos errores en la prosodia gálica los tenemos con otros insignes franceses como Tenon o Descemet.

Develo la primera incógnita de la pregunta introductoria: el apellido materno del amigo Augustin era Mérimée. Resulta que Fresnel era primo de Prosper Mérimée (1803-1870), el autor del celebérrimo novelín Carmen (1845), sucesivamente transformado en montón de adaptaciones de teatro, cine y televisión, pero sobre todo esta apología de la violencia machista fue inmortalizada por Georges Bizet (1838-1875) en su ópera Carmen.

Curiosité: Prosper Mérimée mantuvo una borrascosa relación con la andrógina intelectual romántica George Sand pocos años antes de que ésta se emparejara con el no menos andrógino Frédéric Chopin.

A la luz por Napoleón

Augustin Fresnel

Retrato de Fresnel (1788-1827). Vía Smithsonian Libraries.

Augustin fue un niño zoquete, uno de esos críos con dificultad de aprendizaje que parecen destinados a no servir para nada pero que de mayores sorprenden por su genialidad (como le pasó a Einstein).

Se formó como ingeniero y trabajó haciendo puentes hasta 1814, cuando fue destituido por Napoleón debido a sus inclinaciones borbónicas. Aprovechó su excedencia forzosa para ponerse a estudiar la luz y diversos fenómenos ópticos.

Sus trabajos repotenciaron la teoría ondulatoria de la luz tras más de un siglo de hegemonía de la teoría corpuscular newtoniana (en este post se trata de ello en extenso). Las observaciones de Fresnel sobre la difracción, la luz polarizada y las interferencias se explicaban mejor mediante un modelo de ondas de luz. Junto a su colega François Arago –quien llegó a primer ministro francés– enunció las leyes de la interferencia de luz polarizada y también algunos fenómenos de aberración óptica.

La lente de Fresnel

Este artilugio es el que más fama le ha dado a su autor, especialmente en óptica, optometría y oftalmología. Fresnel buscaba una solución al problema de iluminación de los faros costeros, pues se quería mejorar la direccionalidad y alcance de la luz emitida en ellos. Desde la antigüedad lo más que se había logrado era poner un espejo cóncavo detrás de la fuente de luz; después se añadió una lente convexa por delante (lente + espejo: sistema catadióptrico), pero el tamaño de las lentes necesarias hacían poco viable el invento.

Geometría y usos de las lentes de Fresnel. Vídeo elaborado por la editorial científica Kekulé.

Fresnel sabía que la refracción de la luz dependía del ángulo de incidencia respecto a la superficie de la lente y no del grosor de la misma, así que fragmentó la superficie de la lente y la adaptó en forma de una lente compuesta escalonada muy plana; así evitó los problemas de grosor, peso y aberraciones propios de las lentes gigantes y gordas. En este link se puede leer su artículo original.

Con la colaboración de Arago se hizo un ensayo público sobre el mismo Arco del Triunfo de París y, tras su éxito, se instaló la primera lente de Fresnel en el faro de Cordouan en la La Gironde, en 1823.

Lente de faro

Lámpara y enorme lente de Fresnel del faro de la Isla de Seguin, Maine, USA. Foto vía pjmorse, flick.com.

La lente de Fresnel tenía antecedentes nobiliarios, pues tanto el conde de Buffon como el marqués de Condorcet, ambos ilustradísimos eruditos del s.XVIII, habían diseñado artilugios parecidos con otros fines. El invento de Fresnel se popularizó en la construcción de faros y otros sistemas de iluminación, pero sus aplicaciones son bastante extensas, como veremos.

Fresnel en la Oftalmología

Hay defectos refractivos demasiado grandes para ser solventados con gafas llevaderas, que requerirían artilugios incluso más allá de las lentes tipo cenicero o culo de botella. Ello es especialmente álgido en las lentes prismáticas necesarias para corregir desviaciones oculares y apañar la diplopía, pues la base de un prisma puede ser bastante ancha.

Hay diversos trucos para reducir el grosor de los prismas, como repartir el total de dioptrías entre los dos ojos, usar lentes de alto índice de refracción o con retallado digital. Sin embargo, ante casos de diplopía de reciente aparición puede ser útil algún tipo de prisma temporal, económico y fácil de readaptar si cambia el ángulo de desviación: allí es donde entran los prismas de Fresnel.

El principio de Fresnel se aplica tanto a lentes esféricas como cilíndricas o prismáticas. Los prismas de Fresnel se moldean en una lámina de plástico fino y flexible que se adhiere a una gafa común. Así el paciente puede aliviar su visión doble durante la primera fase, hasta que haya resolución o estabilidad de la desviación, en cuyo caso se sustituye el prisma adhesivo por una lente de montura que incluya la corrección prismática.

El problema del prisma tipo Fresnel es que sus múltiples líneas paralelas estorban en la nitidez de la imagen. Los prismas adhesivos se comercializan desde 1970 y la marca más prodigada es Press-OnTM, comercializada por la compañía 3M.

Hillary Clinton lente de Fresnel

Hillary Clinton, aparte de alta miope, sufrió una trombosis de seno transverso en diciembre de 2012. Como consecuencia tuvo una paresia del VI nervio craneal y uso temporalmente un prisma Press-On en su ojo izquierdo, como vemos en esta foto (vía heraldo.es). Nótese la simetría del reflejo corneal de Hirshberg gracias al prisma.

Otro uso que se ha buscado a los prismas adhesivos es mejorar la percepción campimétrica en personas con hemianopsias homónimas, donde un daño neurológico en la vía óptica hace desaparecer la misma mitad –derecha o izquierda– del campo visual en los dos ojos. La aplicación de bandas prismáticas parciales sobre las gafas ayuda a desplazar la imagen de los objetos del campo afectado para que caigan dentro del campo funcionante.

Fresnel hemianopsia

Bandas prismáticas tipo Fresnel de 40 DP para mejorar el campo visual temporal en una persona afectada de hemianopsia homónima izquierda. El resultado no es una maravilla, pero puede ser una buena ayuda. Bowers AR et al. Arch Ophthalmol. 2008;126:657 (acceso libre).

La derivación más importante de las lentes de Fresnel está en el mundo de las lentes intraoculares multifocales. Este tipo de lente intraocular (LIO) intenta suplir el mecanismo enfoque a distintas distancias que se pierde con la presbicia y que una LIO monofocal clásica no resuelve tras operar las cataratas.

LIO trifocal

LIO trifocal difractiva colocada en el saco cristaliniano. Es claro el diseño fresneliano de estas lentes. Vía Ophthalmology Times.

El modelo básico de una LIO difractiva multifocal consiste en una serie de lentes anulares concéntricas, según Fresnel, pero la altura y ancho de cada escalón se va reduciendo hacia la periferia de la LIO; es lo que se llama lente apodizada. Otros modelos alternan escalones más altos con otros más bajos para así tener varios puntos focales. El enfoque de objetos según la distancia depende del punto focal donde caiga su imagen, pero también de la iluminación y el tamaño pupilar.

puntos focales LIO multifocal

Formación de dos puntos focales (flechas blancas) al pasar un haz láser por una LIO multifocal difractiva. Vía domedics.ch.

Otras aplicaciones de las lentes de Fresnel

Hay lentes de éstas en cosas tan banales como esas lupas planas tipo tarjeta pero también en diversos cacharros con componentes ópticos, como reflectores para iluminación teatral o proyectores de diapositivas, transparencias y cine. Los faros de los coches siguen aplicando el principio de Fresnel y ello se reconoce en las líneas de las lunas que cubren sus bombillas.

A mediados de los años 90 comenzaron a venderse televisores con pantalla plana. La “necesidad” de tener pantallas de TV cada vez más grandes chocaba contra la limitación de longitud del tubo catódico. Una primera aproximación a la TV plana fue el modelo de televisor con retroproyección, donde la imagen se generaba en lámparas a relativa poca distancia de la pantalla, la cual estaba tapizada por una lente plana de Fresnel encargada de “enderezar” la líneas de proyección y colimar la imagen hacia la posición del televidente. Este tipo de TV aún tenía forma de cajón, pero significativamente menos profundo que las viejas teles catódicas.

rear projection TV

Televisor “pantalla plana” de retroproyección, el último grito tecnológico de hace 15 años. Éste lo venden de segunda mano por 200$, por si a alguno le interesa.

La reducción de precios de las TV de plasma y LCD, verdaderamente planas y con mejor imagen, sacaron del mercado las TV fresnélicas en los primeros años 2000. Actualmente mandan las teles LED y aquella primigenia pantalla convexa que usamos tantas décadas se ha ido hundiendo hasta las modernas TV de pantalla cóncava que envuelven visual y posesivamente al espectador.

Video que muestra el poder incendiario de una pantalla de Fresnel sacada de una TV de “rear projection”.

El poder focalizador de luz de un panel tipo Fresnel, plano y liviano, lo hace candidato para aprovechamiento de la energía solar. Un rayo solar concentrado así puede alcanzar una temperatura altísima. También se ha usado el sistema en cocinas solares para domingueros ecológicos.

Augustin Fresnel falleció con apenas 39 añitos, de tuberculosis, esa romántica enfermedad que se cepilló a tantas celebrities del s.XIX. Está enterrado en el cementerio parisino de Père-Lachaise, donde también yacen otros personajes de este cuento: su compi Arago, Georges Bizet y Chopin, el famoso tuberculoso que compartió mujer con el primo de Fresnel. Otro enterrado aquí es el profeta homeópata Samuel Hahnemann, en la división 19; es bueno saberlo por si os entran ganas de mear mientras visitáis el cementerio.

Adenda: siguiendo las observaciones de la Dra. Alicia Galán, señalada estrabóloga y próxima autora de la Editorial Kekulé, aclaro que el prisma no endereza el ojo en caso de estrabismo (como puede parecer en la parte final del video anterior), sino que “tuerce la luz” para que la imagen caiga en la fóvea del ojo desviado. Aquí un esquema:

prisma en estrabismo

Efecto de un prisma en la corrección de la visión doble en caso de desviación ocular.

En este ejemplo el ojo izquierdo está desviado hacia adentro (endotropia) por lo que la imagen del objeto observado cae fuera del punto de fijación foveal y se produce doble imagen. Si se coloca un prisma, sea convencional o fresneliano, la refracción del prisma desvía la imagen para que se centre en la fóvea y desaparezca la diplopía. Recordad que un prisma desvía el rayo de luz hacia su base.

“Ceterum censeo Podemus esse delenda”

 

Electra y el amor paterno

Hace tres años publiqué un post sobre las implicaciones médicas de la historia de Edipo de Tebas: el archiconocido complejo de Edipo de la mitología freudiana y el menos conocido edipismo o autoenucleación ocular que ocurre en algún psicótico. Ese día amenacé con dedicar una entrada a la contraparte paternofilial del Edipo, conocido como complejo de Electra, y hoy cumplo mi amenaza.

El mito clásico de Electra

El relato de Electra no se relaciona con el de Edipo. Este último pertenece al ciclo tebano mientras el primero es un ramal del enorme ciclo troyano. Alguno hay con poca cultura clásica que piensa que Electra fue la hija que cuidó de Edipo, y de allí el nombre del otro complejo freudiano, pero nada menos cierto. La abnegada hija de Edipo era Antígona, ejemplo del cuidado paterno pero sin oscuridades libidinosas.

Electra (Ἠλέκτρα) fue, ni más ni menos, la hija de Agamenón y Clitemnestra, sobrina por tanto de Menelao y Helena, hermana de Orestes, Ifigenia y Crisótemis. Una familia disfuncional donde las haya –¡ay!, si hubiesen existido las “constelaciones familiares” entonces…

Electra, apegada a su padre, el Rey de Micenas, tuvo que separarse de él cuando éste partió a la cabeza de la coalición aquea contra Troya. Durante ese penoso decenio Electra tuvo que sufrir cómo la pajarraca de Clitemnestra se amancebaba con Egisto, primo de Agamenón y un trepa de cuidado.

En descargo de Clitemnestra hay que considerar que fue desposada forzosamente con Agamenón después de que éste matara a su primer marido, Tántalo, y los hijos habidos con él (no confundir a este Tántalo con el otro más famoso, condenado a eterna sed y rodeado de agua que no podía beber, cosa que en oftalmología da nombre al ojo seco tantálico, es decir, aquel que está seco pero a la vez llora). También Agamenón entregó a Ifigenia, hija de ambos, como víctima propiciatoria antes de la partida a Troya, cosa que no pudo perdonar Clitemnestra.

Agamenón volvió victorioso tras la toma de Troya, pero la alegría de Electra fue breve. La terrible dupla Egisto-Clitemnestra aprovechó mientras el rey se relajaba en un baño para abrirle la cabeza como un coco. Electra logró salvar a su hermano pequeño, Orestes, de las manos de Egisto y expatriarlo a escondidas a un reino vecino donde fue criado por amigos de Agamenón. A partir de entonces el odio de Electra hacia su madre fue irrefrenable. Fue apartada de la corte y relegada a vivir pobremente entre las criadas.

muerte de Agamenón

Asesinato de Agamenón. Cuando el rey salió del baño se puso un albornoz que le acercó Clitemnestra, pero en realidad era una red para atraparlo. En esta crátera ática del 460 a.C. (Museum of Fine Arts, Boston) vemos a Agamenón envuelto en la red y a Egisto dispuesto a matarlo, detrás de Egisto está Clitemnestra con un hacha en la mano derecha y tras el rey su hija Electra espantada. Las otras dos mujeres podrían ser Crisótemis y la cautiva Casandra.

Electra y Orestes

Electra, Orestes y Pílades ante la tumba de Agamenón. Cuando Orestes vuelve de incógnito a Micenas y va a rendir ofrendas a su padre se reencuentra con su hermana a la que no veía desde su huida años atrás. (Cerámica del s.IV a.C., Louvre).

Durante los siguientes siete años Electra conspiró contra los usurpadores del trono hasta lograr el retorno de su hermano Orestes, ya adulto, quien cobró venganza con las vidas de los conjurados, incluyendo a su propia madre.

Tras el matricidio Orestes se volvió loco y huyó perseguido por las Erinias (alegoría del remordimiento), vagando por variados territorios hasta que al final fue sometido a juicio ante un jurado popular y absuelto por mayoría simple.

Electra acompañó y cuidó de su hermano desquiciado y al final se casó con el compañero de crianza y mejor amigo de Orestes, Pílades, con quien tuvo dos hijos y parece que vivió en paz, cosa rara en la mitología griega.

El relato de Orestes y Electra ha inspirado montones de versiones desde la Grecia clásica hasta los tiempos modernos. Obviamente los tres grandes trágicos, Esquilo, Sófocles y Eurípides dedicaron múltiples obras a estos personajes.

También han sido pasto de los libretistas de ópera. Electra es un personaje secundario de la ópera Idomeneo re di Creta, uno de los primeros éxitos teatrales de Mozart; aquí Electra aparece refugiada en la corte de Idomeneno tras huir de Micenas debido al matricidio y sirve de excusa para un triángulo junto a Idamante, hijo del rey, e Ilia, una cautiva troyana. Aun siendo secundaria, el personaje de Electra canta las dos arias más intensas y famosas de esta obra (aquí, 1 y 2).

Pero la mejor adaptación operística, sin lugar a dudas, es la Elektra de Richard Strauss (1909), con un sangrante libreto de von Hofmannsthal basado en la Electra de Sófocles. Una obra oscurísima, mentalmente extenuante por su intensidad, a pesar de no ser muy extensa, y con una música revuelvetripas perfecta para la ocasión.

Händel, Taneyev y Theodorakis también compusieron sobre estos personajes.

Orestes y Clitemnestra

Orestes a punto de asesinar a su madre Clitemnestra, seguido probablemente por Electra y Pílades. Cerámica ática, museo del Louvre.

Electra y la electricidad

Ciertamente el malhumorado, irritable y empecinadamente vengativo personaje de Electra echaba chispas, pero no viene de allí la relación con el mundo eléctrico. En griego, electro/electron (ήλεκτρον) significaba brillante o emisor de chispas, por ello se llamaba así a la lustrosa aleación de oro y plata (como la que cubría el piramidión de las pirámides de Giza) y en especial se refería a la resina del ámbar, la cual al ser frotada con piel se cargaba eléctricamente y emitía algún chispazo, además de atraer vellos y pelusas, como había observado Tales de Mileto.

Así que si Electra hubiese sido un invento del moderno Hollywood se habría llamado Amber, nombre más propio de actriz porno o pilingui de Las Vegas que de la hija del mismísimo rey de reyes argivo.

El término actual de electricidad fue introducido en 1600 por el médico inglés William Gilbert (1544-1603) en su obra De Magnete. A la medicina no parece que Gilbert contribuyera mucho, pero fue el primer estudioso serio de los fenómenos eléctricos y magnéticos, aunque sin saber que se trataban de la misma fuerza. Gilbert experimentó sobre la electricidad estática, la electrificación por frotamiento e inventó el primer electroscopio. También estudió los imanes, la imantación y se aventuró a proclamar que el planeta tenía un enorme campo magnético. Ya se encargarían después Faraday y Maxwell de dar forma y matemática al electromagnetismo.

El mito psicoanalítico de Electra

Freud planteó su complejo de Edipo en 1910 y posteriormente lo desarrolló en su obra “Tótem y tabú”. En 1912 su colaborador Carl Jung sugirió en su “Ensayo de exposición de la teoría psicoanalítica” llamar complejo de Electra a la contraparte niña-padre del Edipo freudiano.

Se supone que este complejo aparece durante la fase fálica (3 a 5 años, o poco más) junto al “complejo de castración” y la “envidia del falo”. La niña migra su objeto erótico de la madre hacia el padre y desea suplantar a su madre como posesora del amor sexual paterno. Esto es lo que concluyeron las borboteantes mentes freudianas de la típica respuesta “me casaré con mi papá” que da cualquier niña de 4 años.

Mirándolo bien, el nombre del complejo cojea un poco, pues se centra en el deseo de eliminación de la madre, pero Electra ansiaba destruir a la madre por venganza del honor paterno, no por una inclinación incestuosa hacia Agamenón que no figura en ninguna versión del mito. Pasa igual con Edipo, que si bien mató al padre y se empotró a su madre fue sin saberlo y sin quererlo.

Relatos antiguos e incestuosos hay un buen puñado. Sin ir muy lejos el mismo Egisto causante de los males de Electra fue producto de un violento incesto, pues su madre Pelopia era hija de su padre Tiestes, quien la violó para tener un hijo que, según el puto oráculo de turno, se cobraría las cuentas pendientes con su hermano Atreo –padre de Agamenón y Menelao, vaya pastel familiar, ni los Carmona-Heredia-Cortés se lo montan así.

Otro ejemplo, ahora bíblico, la historia de Lot y sus hijas. Lot fue el sobrino de Abraham que se salvó del cataclismo de Sodoma; conocido es que durante su huida Lot perdió a su esposa –la famosa estatua de sal– y se refugió en una cueva a vivir como troglodita con sus dos hijas. Éstas, carentes de varón que las preñase, decidieron inducirle sendos palimpsestos alcohólicos a su anciano padre (a saber de dónde sacaban tanto vino) y aprovechar su embriaguez para embarazarse de él. La mayor lo hizo una noche y la menor a la siguiente.

Ambas parieron, una a Moab y otra a Amón, patronímicos legendarios de los moabitas y amonitas; estos pueblos fueron rivales de los israelitas y ya se sabe que la tradición hebrea gustaba dar orígenes deleznables a sus vecinos, como el bastardo Ismael del que descienden los musulmanes, los edomitas descendientes del que cambió su herencia por un plato de lentejas o los dos pueblos mencionados, de origen incestuoso.

El hecho más pasmante de la historia de Lot es cómo demonios puede un señor anciano y borracho hasta las trancas cumplir como un Ron Jeremy supermachote repetidamente. O el buen hombre era un portento de la virilidad o bien sus chicas conocían el arte del óxido nítrico en los cuerpos cavernosos.

“Ceterum censeo Podemus esse delenda”

¡Acontecimiento! Nace la Editorial Científica Kekulé

Hoy publico tres anuncios que me resultan de sumo agrado. El primero, más bien banal, es que la presente entrada es la número 100 de este blog y también su tercer aniversario de trayectoria, desde su aparición el 29 de abril de 2013 con un escueto post. No es importante pero al ego bloguero le gusta conmemorar este tipo de efemérides personales.

El segundo anuncio es el inicio de actividad de un nuevo sello editorial dedicado a la publicación científica en formato digital, y del cual soy uno de sus orgullosos fundadores. ¡Olé!

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Isologotipo de Kekulé Editorial, imitando una fórmula, elemento común a todas las ciencias duras.

La editorial científica Kekulé

Nos hemos confabulado mi colega oftalmóloga Estrella Fernández, la arquitecta/diseñadora Marga Montoya y este minúsculo médico ilustrador para montar tan novedosa empresa.

¿Por qué nos metemos a publicar libros científicos? En este país contamos con excelentes profesionales, gente de primer nivel que estudia, investiga y se parte el lomo trabajando y adquiriendo una considerable experiencia. Estos especialistas no suelen tener demasiadas oportunidades de publicar buenos libros a través de las grandes editoriales y deben conformarse con pequeñas monografías autoeditadas o morir en publicaciones de sociedades y congresos, no siempre con la mejor pulcritud editorial. La mayoría de estas obras no vuelven a ver una segunda edición…

En este nuevo sello queremos ofrecer a nuestro expertos locales una vía para difundir sus obras con un respaldo editorial adecuado, serio, cuidado y además abocado al inmenso potencial didáctico de las nuevas tecnologías soportadas en el formato de libro electrónico. La cantidad de contenidos enriquecidos que se pueden incluir en un moderno ebook y su fácil acceso en cualquier dispositivo lo convierten en el medio ideal para el aprendizaje científico.

La otra desventaja de los libros impresos o electrónicos de las grandes casas editoriales es su precio abultado, sin duda justificado pero que sobrepasa el dintel de gasto de muchas personas en formación. En la medida de lo posible intentaremos ajustar los precios de nuestras publicaciones, aprovechando el ahorro de gastos de un libro que no requiere impresión, distribución y venta física.

Hay más información disponible en nuestra web de presentación: kekulebooks.com.

August Kekulé, el auténtico “señor de los anillos”

¿Por qué se llama así la Editorial? A nuestros lectores científicos, en especial químicos, no hace falta darles mayores explicaciones. Pero como muchos asiduos de este blog son de formación médica (siempre me lamento de que Medicina sea un grado técnico superior hipertrófico más que una carrera científica) y muchos no habrá oído o no recordarán al profesor Kekulé, prefiero hacer una breve reseña sobre él.

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Retrato de August Kekulé. Óleo de Heinrich von Angeli de 1890, Alte Nationalgalerie, Berlin (vía Wikimedia)

Friedrich August Kekulé von Stradonitz (Darmstadt, 1829 – Bonn, 1896) fue un importante químico alemán que tiene el honor de ser el padre fundador de la química orgánica. En su juventud parecía destinado a hacer carrera artística pues tenía gran dominio del dibujo y de hecho comenzó a estudiar Arquitectura, pero se cruzó en su camino Justus von Liebig, otro titán de la química del s.XIX, y arrastró a Kekulé a cambiar de carrera. Se movió por diversas universidades como estudiante y profesor: Giessen, Heidelberg, París, Chur, Londres, Gante y finalmente Bonn, donde hizo la etapa más larga de su trayectoria.

¿Qué importancia tienen los trabajos de Kekulé? Para mediados del s.XIX se conocía la fórmula empírica de numerosos compuestos, es decir, cuántos átomos de cada elemento había (p. ej. propano es C3H8 o glucosa C6H12O6) pero se desconocía si había algún orden en los átomos dentro de la molécula o ésta era un amasijo atómico sin estructura. Kekulé reunió la evidencia acumulada y sacó a relucir su vena arquitectónica: propuso un sistema de construcción molecular donde los átomos se unían unos con otros a través de enlaces y donde un átomo de cada elemento podía hacer un número específico de enlaces. He aquí los conceptos de valencia, enlace covalente y el esquema de átomos unidos por palitos que todos tenemos en la cabeza actualmente. Kekulé fue el principal abanderado de esta nueva teoría de la estructura química, pero a ella contribuyeron muchos, como Couper, Odling, Wurtz o Erlenmayer (sí, el del matraz).

Don August no se detuvo aquí, sino que en 1857 publicó que el carbono tenía una valencia de 4 y también la capacidad de unirse a otros átomos de carbono formando cadenas. Ello significó la fundación de la Química Orgánica como rama por derecho propio.

En 1865 descubrió el enigma del benceno, cuya fórmula empírica C6H6 indicaba la presencia de insaturaciones a pesar de lo cual el benceno era un compuesto muy estable. La solución certera de Kekulé fue disponer los carbonos en forma de anillo hexagonal con enlaces simples y dobles alternantes. Otro melón abierto, el de la química de los anillos aromáticos y posteriormente de los anillos heterocíclicos tan ubicuos en la química de la vida.

monitos

Versión cómica del anillo de benceno del prof. Kekulé publicada por sus alumnos, donde los carbonos son monos haciendo un rondo. Esta parodia guarda relación con el famoso “sueño de Kekulé”.

En 1890 don August fue agasajado por los 25 años de su descubrimiento sobre el benceno y allí el anciano profesor de barba bífida contó la famosa anécdota de los sueños que le inspiraron sus teorías: tras quedarse traspuesto soñó que los carbonos se cogían unos a otros en cadenas y giraban formando un círculo, como una serpiente que muerde su cola. En relación con esta revelación onírica hay una preciosa cita de Kekulé sobre la creatividad y la Ciencia, la cual podéis leer en la web de la Editorial Kekulé.

Queda claro que adoptamos el nombre de este científico como un homenaje, ya que sus aportes permitieron el progreso de la química orgánica y, por extensión, de la bioquímica, la biología molecular y la farmacología.

¿Qué hacemos en la Editorial Kekulé?

Volviendo al tema principal, nuestro objetivo es seleccionar originales de calidad (es decir, no incluiremos libros “por encargo” bajo nuestro sello editorial) y proporcionarles una maquetación digital cuidada, aderezada con contenidos enriquecidos como videos, animaciones, diapositivas, voz, cuestionarios o interactividad. La idea es que estas publicaciones puedan actualizarse y tener ediciones sucesivas. Así, si la cosa progresa, ser un autor publicado por Kekulé será para fardar de ello…

Nos interesan libros técnicos, libros para estudiantes universitarios y para formación postgradual. Nos interesan libros de actualidad, sobre avances en los que aún no hay demasiada literatura, pero también libros docentes, muy pedagógicos y bien escritos. También nos interesa, ¡cómo no!, la divulgación científica. Avisados estáis, potenciales autores.

Para más información sobre nuestra línea editorial y los servicios que ofrecemos podéis consultar el apartado correspondiente en la web: Información para los autores.

Tercer anuncio, primer libro

Lo siguiente tampoco es moco de pavo: el primer ebook que vamos a publicar es el manual “Cómo preparar presentaciones en Ciencia y Medicina”, escrito por mí mismo, ¡chúpate esa mandarina!

Conocido es que una de mis cruzadas es ayudar a mejorar el estilo y el contenido a la hora de hablar en público para optimizar la transmisión de conocimientos y, muy especialmente, para que el público no desee morir por culpa del conferenciante. Esto queda más que reflejado en numerosos artículos de este blog.

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Tiempo tendré de comentar más sobre este manual, pero adelanto que es un producto de la experiencia personal, primero como asistente a congresos, después como orador y por último como asesor de colegas. Está eminentemente orientado hacia la actividad científica a diferencia de la ingente bibliografía dedicada al mundo empresarial y al business, pues no da igual exponer una tesis doctoral que un proyecto para mejorar las ventas de electrodomésticos.

En su momento anunciaremos cuando esté disponible. Paciencia.

NOTA: lo cierto es que cuatro años antes de la publicación de Kekulé sobre el benceno, que tanta fama y prestigio le otorgó, otro químico ya había resuelto el enigma por su cuenta. Johann Josef Loschmidt, austro-checo contemporáneo de Kekulé y también de espesa barba hendida, escribió un manual de química donde aparecía una estructura molecular para el benceno muy parecida a la de Kekulé. También calculó el número de partículas en un mol de una sustancia, constante mejor conocida como número de Avogadro.

Lo que pasó es que Loschmidt publicó sus estudios en una monografía casera de escaso recorrido mientras los otros publicaron en mejores sitios. Así lo que debieron ser sus méritos pasaron a ser epónimos de otros.

He ahí la importancia de publicar en serio, con el respaldo de un sello editorial como dios manda, leñe.

Ligando salsas con Ciencia (III): proteínas y grasas

Para finalizar este trío de entradas dedicadas a la viscosidad culinaria hablaremos de lípidos y proteínas, sabrosas moléculas que suelen trabajar en equipo para texturizar una salsa.

Proteínas

Las ligazones proteicas son las más caras en cuanto a coste, pero también dan una calidad al producto final muy superior a los espesantes baratos. Es la diferencia entre una crema pastelera con muchas yemas respecto a una abusiva en maicena, o una glasa de carne ligada por su propia gelatina versus un guisote marujiento engrosado con harina.

Las proteínas afectan la viscosidad por tres mecanismos: coagulación, agente de carga y estabilizante de emulsión (este último lo trataremos más adelante).

Coagulación

El calentamiento o la acidificación del medio hace que las proteínas cambien su conformación y abran sus cadenas: esto es la desnaturalización proteica. Esas cadenas peptídicas desplegadas tienden a “enredarse” entre sí y aumentan la viscosidad del líquido. El peligro de usar ligazones por coagulación es que un exceso de desnaturalización lleva a precipitación de las proteínas, es decir, a un fluido cortado con grumos vomitoides. Todo el que haya hecho crema inglesa sabe que descuidarse en ese rango crítico de 80-85ºC significa la diferencia entre una crema untuosa y unos huevos revueltos flotando en leche.

La yema de huevo es la ligazón coagulativa por excelencia. Mucho menos útil es el huevo entero o la clara, pues son mejores para gelificación que para espesamiento. La sangre de un civet o los corales de marisco actúan de manera similar. Conviene conocer la temperatura de coagulación para cada producto.

Agente de carga

Me refiero a la proteína empleada como agente inerte para atrapamiento de agua y aumento del residuo sólido de un preparado. Aquí destacan los lácteos: leche evaporada, leche en polvo o yogur. La leche en polvo entra en la fórmula de los helados, mientras la leche evaporada es una alternativa a la nata con menos grasa (así la venden, al menos). El yogur aporta untuosidad a salsas frías, pero en calor hay que cuidar su sinéresis; recordemos también que el yogur es un fluido tixotrópico, es decir, reduce su viscosidad con la agitación.

Hay un caso especial y maravilloso de espesamiento proteico “por carga”, es la gelatina, y merece capítulo propio.

Gelatina y demi-glace

La gelatina forma geles más o menos sólidos al enfriar mientras en caliente es totalmente líquida (claro ejemplo de transformación sol-gel), pero cuando se evapora una buena cantidad del agua la gelatina forma, aún en caliente, un fluido viscoso que en cocina se llama demi-glace y que es una de las marcas de calidad de un auténtico chef. Esa salsa oscura, hipersabrosa, brillante y puesta a punto con su cachito de mantequilla de remate, da una golosa adherencia labio-palatal.

La gelatina proviene del colágeno y el colágeno es la principal proteína estructural del tejido conectivo, es decir, del tejido que hace de estructura y sostén al resto de células y órganos del cuerpo. El colágeno alcanza hasta el 25% del contenido proteico de un mamífero y es abundante en dermis, tendones, fascias, aponeurosis, ligamentos, cartílago, hueso o submucosa del tubo digestivo.

De allí que las piezas animales donde abunde el colágeno sean adecuadas para preparar salsas ricas en gelatina: cortes de carne dura y fibrosa como el morcillo, alas de pollo, carcasas, raspas de pescado, etc. El colágeno es el responsable de la textura y pegajosidad de los callos, los pies de cerdo, las cocochas, la tripa de bacalao y similares joyas que aprecia todo sincero yonki del yantar. No en vano la palabra colágeno viene del griego κόλλαγεν, “de donde viene la cola o pegamento”.

colágeno y gelatina

Transformación del colágeno en gelatina y en salsa demi-glace. Al preparar un fondo de carne se extrae el colágeno desmontando sus unidades de tropocolágeno. Si se enfría un fondo bien preparado éste se solidifica por la gelificación del tropocolágeno en forma de gelatina. La reducción prolongada de un fondo da lugar a una salsa espesa y adherente por concentración de la gelatina, conocida como demi-glace. (Clic para ver en tamaño completo)

Las fibras de colágeno están formadas por unidades apiladas y solapadas como los ladrillos de una pared. Tal ladrillo es el tropocolágeno, que a su vez está constituido por tres cadenas proteicas retorcidas en forma de hélice.

La cocción del colágeno hace que se desmonten los bloques de tropocolágeno y también que sus subunidades se desenrosquen. Esto es lo que se obtiene en un fondo de carne tras cocción prolongada –un caldo corto, de preparación breve, solo sirve para sopitas pues no se ha extraído suficiente colágeno­. Al enfriarse el líquido las unidades de tropocolageno intentan entrelazarse pero no ya en la forma ordenada que tenían originalmente, sino como una red irregular a la que llamamos gelatina.

La evaporación de un fondo a menos de la mitad de su volumen original produce una concentración de la gelatina y demás residuo sólido: es la ansiada demi-glace. Nota: cuando un caldo se va a destinar a hacer demi-glace no conviene añadirle sal, pues la reducción de la salsa suele ser suficiente para alcanzar la salinidad justa. La demi-glace puede evaporarse un poco más aún y convertirse en glace, óptima para napar o glasear piezas de carne. Algunos profesionales terminan de espesar la demi-glace mediante un poco de roux o de maicena, pero me reservo mi opinión ante tal acto.

Salsas lipídicas

La primera condición para que una grasa forme parte de una salsa es que esté estabilizada en forma de emulsión, a menos que se desee una salsa cortada como en algunas vinagretas. La emulsión de una grasa en agua requiere del concurso de un agente tensioactivo o surfactante, es decir, de un compuesto que reduzca la tensión superficial entre las fases agua y aceite. Este efecto es precisamente el que hacen los detergentes y que permite el lavado.

Los tensioactivos más frecuentes son fosfolípidos como la famosa lecitina, carbohidratos tipo gomas y proteínas de la fase acuosa. Así se estabilizan las gotas de grasa en la nata gracias a fosfolípidos y a las proteínas lácteas. La mayonesa y la holandesa se estabilizan por la lecitina y las lipoproteínas de la yema.

Lípidos en emulsión

Una emulsión con gotas grandes es menos viscosa que otra con gotas pequeñas, pues esta última tiene más superficie de interfaz agua-aceite. La mayor superficie de rozamiento hace que la salsa con gotas pequeñas sea más viscosa.

La segunda condición para que la grasa emulsionada aumente la viscosidad de la salsa es que el diámetro de gota sea pequeño (según vimos en el post sobre mecánica de fluido para cocineros). Las gotas grandes son menos estables, tienden más a coalescer y tienen menos superficie de roce que cuando las gotas son pequeñas. Es decir, para un mismo volumen de aceite la superficie de rozamiento entre gotas será mayor si las gotas son pequeñas que si son grandes, según la ley del cuadrado-cubo enunciada por Galileo, y a mayor rozamiento entre gotas mayor viscosidad.

Ligazones mixtas

La verdad es que en la mayoría de las preparaciones concurre más de un tipo de sustancia espesante. Así en un pilpil actúa la gelatina del bacalao con la emulsión del aceite; en la crema pastelera las lipoproteínas de la yema y el almidón de maíz; salmorejos y ajoblancos espesan por efecto del pan, la fibra vegetal y el aceite de oliva; en un risotto el almidón del arroz y la mantecatura de parmesano y mantequilla; en la mayoría de los guisos participan la gelatina y la grasa de la carne junto al auxilio de la maicena o la harina; casi todas las cremas y salsas se benefician del añadido de nata o mantequilla para aportarle untuosidad y brillo.

Con esto acabo la serie de artículos de ciencia aplicada en las ligazones, cocina molecular de la buena y no la del postureo. Si aún no habéis leído las partes anteriores, corred ¡malditos! a leerlas de inmediato: Parte 1 y Parte 2.

Ligando salsas con Ciencia (II): carbohidratos

Toda la cocina es cocina molecular, señores. No entiendo la cara de oír blasfemia de algunos profesionales de la gastronomía cuando escuchan jerga científica aplicada al oficio de dar de comer.

En la primera parte de este artículo sobre la ciencia de las ligazones culinarias repasamos los principios generales del manejo de la viscosidad en esos suculentos fluidos llamados salsas y cremas. Hoy veremos ejemplos específicos de los espesantes tipo carbohidrato.

Los polisacáridos son los espesantes más extensamente empleados en alimentación por ser muy eficientes y económicos. Por practicidad los dividiremos en estos grupos: azúcares sencillos, almidones y carbohidratos complejos “especiales”.

Azúcares sencillos

Me refiero a mono y disacáridos, como glucosa, fructosa, sacarosa o maltosa. Habíamos comentado que la mayoría de los espesantes son moléculas largas y ramificadas que atrapan agua, pero las pequeñas moléculas de estos azúcares tienen gran capacidad de fijar agua y de aumentar la viscosidad, como lo demuestran la miel, los almíbares y los jarabes de glucosa o de azúcar invertido. Pero para funcionar tienen que estar en una proporción elevada propia de postres (coulis, jaleas). La miel aporta consistencia a la pegajosa glasa de alitas de pollo o costillas lacadas; otro ejemplo, el espesor de la salsa teriyaki se debe al azúcar añadido y al proveniente del mirin.

Almidón

Es el carbohidrato complejo por excelencia. Está formado por amilosa (polisacárido lineal) y amilopectina (polisacárido ramificado), ambos a partir del encadenamiento de glucosas. El almidón es usado por los vegetales como almacenamiento energético –igual que nosotros acumulamos lorzas– y se encuentra en forma de gránulos de almidón, muy compactos y sin humedad, cuasi-cristalinos. En las harinas los gránulos de almidón están mezclados con otros componentes del grano de origen, por ejemplo fibra alimentaria y proteínas como el gluten. En las féculas y almidones procesados se eliminan esos componentes.

Se acostumbra llamar almidones al producto extraído de granos de cereal (trigo, maíz, arroz) y féculas a los extraídos de tubérculos (patata, yuca, arrurruz –alias kuzu–), pero son términos perfectamente intercambiables. Las propiedades de cada tipo de almidón dependen de su origen: poder espesante, temperatura de gelificación, estabilidad y transparencia del gel…

Para que el almidón sirva como espesante debe hidratarse el gránulo de modo que se desplieguen las cadenas compactadas en su interior. La amilosa y la amilopectina extendidas se solvatan y forman un sol o un gel según las circunstancias.

Aunque el cocinero no sepa de gránulos de amilopectina ni de coloides, sí que aplica técnicas adecuadas para que funcione la ligazón: la primera regla, separar los gránulos, y la segunda regla, aplicar calor y agitación.

Si se añade una cucharada de harina a un litro de líquido y se agita sólo se obtienen grumos, pues la tensión superficial del agua hace de barrera para la dispersión de la harina. Si además el líquido está caliente se gelatiniza la zona superficial de los grumos y cuesta aún más separar los gránulos. Por ello la regla es no añadir directamente el almidón a la salsa, sino primero dispersarlo (que no disolverlo) en una pequeña proporción de agua donde la fuerza de agitación manual venza a la tensión superficial, y que además sea agua fría. Una vez separados los gránulos en suspensión sí se puede añadir al líquido de cocción.

Otra forma de dispersar los gránulos es mezclándolos con grasa. El amasado harina-mantequilla separa los gránulos en la matriz lipídica, de modo que al añadir un líquido caliente el riesgo de grumos se reduce. Esto es la clásica beurre manié o el aún más clásico roux, base de bechamel y veloutés.

Una tercera manera de dispersar los gránulos es espolvoreando la harina sobre el producto a cocinar, como se hace con trozos de carne antes de dorarlos o bien sobre el sofrito (singer en léxico de escuela francesa). Posteriormente, cuando se añade el líquido, esa harina se desprende de la carne y liga el guiso.

efecto_almidon

¿Qué ocurre con el almidón cuando se cuece? El almidón está en forma de gránulos compactos con capas concéntricas como microcebollas. A: los gránulos se dispersan en agua no caliente y comienzan a hidratarse. B: a medida que aumenta la temperatura los gránulos se hinchan por la absorción de agua y a partir de los 60-70ºC se completa su gelatinización y se nota un aumento de la viscopsidad del medio. C: a mayor temperatura los gránulos se rompen y liberan las cadenas de amilosa y amilopectina que forman una red coloidal que aumenta muy significativamente la viscosidad. Con el enfriamiento se estabiliza el coloide y aumenta un poco más la viscosidad del sistema. D: según las condiciones físicas y la estabilidad del gel puede ocurrir retrogradación del almidón y separación de fases (sinéresis).

La segunda fase, calor + agitación, es necesaria para hidratación de los gránulos (gelatinización) y posterior salida del almidón hacia el medio líquido, donde las cadenas se solvatan y aportan viscosidad. Al reducir la temperatura las hebras de polisacárido van formando una red viscosa coloidal (gelificación).

La gelificación del almidón se reduce en medio ácido, en parte porque el exceso de ion H+ interfiere en la formación de puentes de hidrógeno y en parte porque el ácido fragmenta las cadenas hidrocarbonadas.

La retrogradación de almidón ocurre cuando la temperatura y/o humedad bajan del punto óptimo para la estabilidad del gel. Así, cuando se enfría el gel o se evapora su agua las moléculas del almidón tienden a agregarse como pseudo-gránulos de textura más sólida y de tamaño suficiente para precipitar. La retrogradación es la responsable del endurecimiento del pan viejo, de la textura quebradiza desagradable de una patata cocida dejada en la nevera y de la sinéresis y sedimento amorfo en la salsa de un guiso refrigerado.

Carbohidratos complejos especiales

Obviamente éste no es un grupo formal de clasificación química, sino una apelación didáctica donde quiero meter un montón de espesantes-gelificantes de uso frecuente en alimentación como gomas, alginatos y pectinas.

A diferencia de la monótona repetición de glucosa del almidón, la estructura química de estos carbohidratos es muy variable y compleja. Participan diferentes tipos de azúcares y tienen diversos patrones de ramificación.

A este grupo heterogéneo pertenecen casi todos esos “nuevos” texturizantes de la cocina moderna. Aunque son productos naturales provenientes de vegetales y algas son mirados con más recelo por los quimiofóbicos culinarios, quizás porque suelen llevar un número E asignado.

Gomas

Son sustancias resinosas y pegajosas extraídas de tallos leñosos o semillas de algunas plantas. En industria alimentaria, repostería, heladería y cocina se emplean, por ejemplo, goma garrofín, goma guar, goma arábiga, goma tragacanto o konjac. Su alto poder espesante permite usar cantidades pequeñas de estas sustancias para obtener el efecto deseado. Otro tipo de gomas no alimentarias son las extraídas del látex vegetal: caucho y gutapercha, de donde proviene la asimilación habitual de “goma” como producto plástico.

Pectinas

Son polisacáridos presentes en la pared celular vegetal, es decir, participan en la argamasa que ensambla la estructura de las plantas. La manzana y el membrillo son fuentes muy conocidas de pectina; también el ajo es rico en pectinas, de allí el rastro pegajoso que deja en los dedos al cortarlo y su efecto emulsionante cuando se prepara un alioli.

La pectina requiere la adición de ácido al medio para que ocurra entrelazamiento de sus cadenas y se note el efecto gelificante. Es la maniobra típica del chorrito de limón al preparar una mermelada.

Algas

Son numerosos los texturizantes extraídos de diversos tipos de algas, por ejemplo el agar-agar (mejor gelificante que espesante), los alginatos y carragenanos. El alginato requiere presencia de ion Ca+2 para formar enlaces cruzados entre sus cadenas y trabar una red de fibras.

Sintéticos

Hay almidones modificados por tratamientos físicos o fermentación bacteriana, de donde se obtienen productos como las gomas xantana y gelano. También hay pectinas modificadas químicamente para obtener nuevas propiedades, como gelificar sin ácido. A partir de la celulosa vegetal se obtienen derivados como la metilcelulosa.

Esta variedad de texturizantes provenientes de carbohidratos complejos aportan diversas prestaciones: actuar en frío o en calor, formar geles termorreversibles o termorresistentes, resistencia a la congelación o al ácido y aportar diferentes texturas, lo que da al cocinero un repertorio amplio de dónde escoger.

¿Hay carbohidratos animales?

Todos los carbohidratos mencionados y útiles en alimentación provienen de plantas. También los animales contienen carbohidratos complejos aunque no tengan demasiada relevancia en cocina.

Como carbohidrato de almacenamiento está el glucógeno, equivalente animal del almidón y reserva energética para el hígado y el músculo. El glucógeno es una reserva limitada pues la célula animal no sabe concentrarlo en gránulos deshidratados y su acumulación inflaría excesivamente el volumen celular. De hecho el metabolismo erróneo del glucógeno origina un grupo de enfermedades llamado glucogenosis. Por esta limitación de volumen nuestro principal almacén energético es el tejido adiposo.

Como polisacáridos estructurales destaca la quitina que forma el exoesqueleto de crustáceos y otros artrópodos y los glucosaminoglucanos de la matriz extracelular. Entre estos últimos está el famoso ácido hialurónico; los glucosaminoglucanos son abundantes en tejido conectivo, cartílago y hueso. Cuando se prepara un fondo animal se extraen hacia el caldo y en algo contribuyen a su viscosidad, igual que a la textura de pies y oreja de cerdo, callos o crestas de gallo, entre otros manjares de casquería.

La tercera y última entrega de esta serie tratará de salsas con ligazones proteicas y lipídicas.

NOTA TELEVISIVA. A continuación os muestro un perfecto ejemplo de esa cara de espanto que ponen algunos cocineros cuando alguien osa hablar de ciencia en su presencia:

masterchef

Proviene del inicio de esta 4ª temporada de Masterchef España. El concursante es ingeniero y comentó que a fin de cuentas la cocina está gobernada por los mismos principios de química y física que usa en su oficio. Nótese el rictus de indignada sorpresa del famoso juez. Posteriormente al concursante se le ocurrió mencionar “hidrocoloide” y el mismo juez le contestó que no le replicara con palabrejas y “alcaloides”.

Quizás la limitada visión del jurado no les permite entender que para quienes estamos formados en ciencias tales “palabrejas” son nuestro modo natural de hablar. Esto queda muy claro en artículos como los de este blog. No es la primera vez que un concursante de formación científica es hostigado por los jueces.

Pocos minutos después apareció otra concursante remedando a Odile Fernández y hablando de “cocina de regeneración celular”, con la que logró curarse dejando las medicinas. Ni un atisbo de crítica ante tal proposición.

Ligando salsas con Ciencia (I)

Entre una salsa rala y otra untuosa se diferencia un plato infame de otro apetecible. Entre una salsa ligada como engrudo y una napante demi-glace se nota la diferencia entre una olla de presidio y un auténtico cocinero de restaurante. Dar la textura apropiada a salsas, cremas y sopas es un capítulo básico de la técnica de cocina: las ligazones.

Encadeno este tema con mi anterior entrada sobre mecánica de fluidos para cocineros pues, como allí se comentaba, el manejo de la viscosidad es elemental cuando se cocina y espesar salsas es esencialmente una cuestión de viscosidad. Ligar una salsa incluye dos conceptos: evitar la separación de fases (“salsa cortada”) y aumentar su viscosidad (“engordar”).

Repaso: viscosidad

En aquel post explicábamos que la viscosidad es la resistencia al flujo o a la deformación que presenta un fluido. Es esa resistencia notada cuando se menea una cuchara dentro de un líquido o cuando se vierte de un recipiente a otro. Por ejemplo, hay una viscosidad creciente entre leche, crema inglesa y crema pastelera.

El objetivo es atrapar el agua

Aquí radica el santo secreto para espesar una salsa: reducir la movilidad del agua. El modo de hacerlo ha originado las numerosas técnicas y ligazones disponibles en una cocina, sea añadiendo macromoléculas que fijen el agua, emulsionando el líquido o evaporando parte del agua.

Las moléculas de agua tienen gran facilidad de flujo y, por tanto, baja viscosidad, pero si se adhieren y ordenan alrededor de otras moléculas largas/ramificadas pierden capacidad de movimiento. Esta capa de solvatación se debe a la formación de puentes de hidrógeno y a las interacciones electrostáticas.

También influye en la viscosidad la fricción que haya entre las propias cadenas de estas grandes moléculas y cuánto tiendan a “enredarse”, es decir, su poder gelificante. Aquí nos asomamos a las transformaciones sol-gel en el fascinante mundo de los coloides.

aguasolvatacion

Las moléculas hidrofílicas fijan a su alrededor una capa de agua a través de puentes de hidrógeno e interacciones iónicas. Ese agua solvatada tiene menor capacidad de fluir y, por tanto, mayor viscosidad. En cambio el agua libre fluye libremente.

De sol a gel y de gel a sol

Una clara de huevo contiene proteínas dispersas en agua, pero al cocinarse las proteínas gelifican en forma de una red sólida que contiene gotas de agua atrapadas. Tal inversión de las fases (proteínas solubles → red proteica, agua fluente → agua dispersa y fijada en la red) es un ejemplo de transformaciones sol-gel.

Un sol es un coloide donde partículas sólidas flotan en una fase líquida, mientras un gel es un coloide donde un sólido contiene gotas de líquido dispersas. Muchos sistemas pueden pasar de sol a gel y viceversa según las condiciones de temperatura y agitación. Así un buen consomé se gelatiniza al guardarlo en nevera y vuelve a licuarse al calentarlo. Manejar el equilibrio sol-gel permite ajustar la textura de una crema/salsa para no terminar con una bechamel arrojadiza o unas natillas de goma.

sol-gel

Un sol está constituido por partículas sólidas flotando en líquido, mientras un gel es una red sólida que contiene agua. Algunas sustancias pueden pasar de sol a gel de acuerdo a las condiciones de temperatura, concentración o pH.

El gradiente de consistencias entre sol y gel depende de la concentración del texturizante y de la temperatura, pero también de las propiedades intrínsecas del compuesto empleado, ya que algunos actúan mejor como espesantes y otros como gelificantes.

Cosas que sirven para espesar

Casi todos los espesantes son moléculas poliméricas, largas y ramificadas capaces de fijar una buena capa de agua en su entorno y de tener fricción entre sí mismas. Por lo común son carbohidratos (almidón, pectinas, gomas) o proteínas (colágeno, albúmina, huevo, sangre). Un caso aparte es la ligazón con grasas (nata, yema, mantequilla).

Los espesantes tipo proteína o carbohidrato suelen someterse a dos fases para obtener su efecto: la primera de extracción/dispersión y la segunda de gelificación.

  • Extracción/dispersión: el colágeno debe extraerse de los tejidos animales durante la cocción y el almidón del arroz o la patata igualmente se extrae hacia el líquido donde hierven. El almidón de harina o maicena y la gelatina de hojas debe primero dispersarse antes de actuar en el medio líquido.
  • Gelificación: el calentamiento produce la formación de redes viscosas de carbohidratos o proteínas desnaturalizadas. Según el grado de gelificación se obtiene un sol más o menos viscoso o un gel más sólido.

Esto es un esquema general, pues hay espesantes que actúan en frío (goma arábiga, goma xantana) y otros cuyo efecto gelificante aparece a medida que baja la temperatura (gelatina, agar).

En el próximo post veremos detalles de cómo funcionan las ligazones mediante polisacáridos, proteínas y grasas, pero veamos un método general para poner a punto una salsa: la reducción.

Evaporación

La reducción es el recurso del cocinero para concentrar un líquido. En ciencia se diría simplemente evaporación (pues reducción es un proceso electroquímico en el que un átomo recibe electrones de otro reactante).

La evaporación progresiva y controlada del agua concentra los solutos y ello se traduce en aumento de sabor, salinidad y viscosidad. La reducción para espesar un líquido funciona si éste contiene sustancias con poder de fijar agua; es decir, si se hierve agua salada nunca se obtendrá un líquido viscoso, solo agua más salada y finalmente solo sal, en cambio si se calienta leche prolongadamente se concentran sus proteínas y gotas de grasa, y se obtiene ese fluido espeso que es la leche evaporada.

La evaporación es una técnica costosa pues consume más tiempo del personal y se obtiene menor volumen del preparado, pero a cambio se concentran sabor y aromas y la textura final no es comparable a la obtenida por espesantes añadidos.

Salsas cortadas

Otro dolor de cabeza cotidiano son las salsas con separación de fases. Son tres las capas que pueden separarse: la grasa, una fase líquida y otra de residuo sólido. El afloramiento de grasa en una salsa se debe en primer lugar a un exceso de fase lipídica, y en segundo término a una insuficiente estabilización de las gotas grasas mediante un agente surfactante.

La separación de líquido y sólidos es común en cremas de verduras y en guisos no del todo óptimos. El sedimento sólido puede deberse a exceso de celulosa insoluble –como cuando se trituran vegetales– o por retrogradación del almidón. El escurrimiento de aguachirri desde una salsa indica que o bien le sobra agua y debe someterse a evaporación, o bien requiere la adición de un agente que atrape el agua.

mermelada_cortada

Esta mermelada deja escapar fluido por alguno de estos motivos: evaporación insuficiente de agua, proporción menor de azúcar, falta de pectina o de acidez para activarla.

El nombre elegante para el escape de agua desde un coloide es sinéresis. Además de ocurrir en cremas/salsas, la sinéresis acontece en algunos geles (como los de agar-agar) y en espumas (como las claras montadas y merengues mal estabilizados). De hecho, esta propiedad permite clarificar caldos mediante gelificación, pues la malla de gel actúa como un microfiltro que retiene partículas y deja gotear el líquido sinerético. Aquí un ejemplo del amigo Enrique de Dorarnosella y otro del gran Orges en La margarita se agita.

Así, amigo cocinero, cuando el jefe de partida te venga a crujir por una crema cortada le puedes responder que no está cortada, sino que ha hecho sinéresis, a ver si te libras del mamporro o te lo da más fuerte.

Lo dicho, en el próximo capítulo seguimos con ejemplos concretos de cómo ligar salsas con ciencia.

Adenda:

Sumo aquí el comentario del profesor Orges con un par de apuntes sobre separación de fases:

  • Otra razón (que no suele darse en la cocina) por la que se puede desestabilizar una emulsión es por un exceso de batido: al hacer gotas de grasa más pequeñas, el volumen de grasa es el mismo, pero la superficie aumenta cada vez más, hasta que no hay emulsionante suficiente.
  • Otros sólidos que pueden aparecer afeando una salsa son agregados de proteínas coaguladas cuando se han sometido a un calentamiento excesivo y prolongado