Doppler

Físicos haciendo Medicina: Christian Doppler

«Pídele un doppler», dice el torradillo adjunto al residente, quien lo apunta tal cual en el papel, a lo mejor con una ‘p’ de menos. La ecografía-doppler es una prueba de lo más común actualmente, pero el principio en el que se basa fue formulado hace 175 años en Praga por el físico, matemático y astrónomo Christian Andreas Doppler. La RAE acepta ‘doppler’ con minúscula y cursiva para referirse a la prueba médica, y ‘efecto doppler’ como denominación del fenómeno físico. No sé si cuando el propio nombre pasa a ser el nombre de una cosa y a escribirse con minúscula significa un rotundo éxito profesional o, al contrario, una desmemoria del personaje.

La historia del efecto Doppler comenzó con una aberración óptica y su explicación astronómica, pasó a los pitos de los trenes, después a la radiación electromagnética y a la relatividad especial, de allí se aplicó a la expansión del universo, a los radares, a los sonares, a los satélites y, por último, a los ultrasonidos para que las embarazadas lagrimeen cuando escuchan el corazón de su fetito.

Christian Doppler

Christian Andreas Doppler en foto de 1853. Vía www.christian-doppler.net.

Toda la vida picando piedra

Christian Doppler nació en Salzburgo en 1803. Su casa natal está a cuatro pasos de la de Mozart (números 1 y 8 de la Makartplatz, respectivamente) y, al igual que Mozart, hizo fama en otros lares y poco pisó su ciudad natal tras abandonarla. La mala salud respiratoria que siempre padeció el muchacho le permitió librarse del negocio familiar de picar piedra en cantera-construcción y pudo cultivar su talento para la matemática y la física. Sin embargo, tras acabar sus estudios en Linz y Viena siguió «picando piedra» con contratos temporales, bajas, becas, portamaletines de profesores, etc. Tras cuatro años de oposiciones fallidas y precariedad laboral (nada nuevo bajo el sol) estuvo tan harto que decidió irse a hacer las Américas, pero en último momento encontró una plaza de profesor preuniversitario en Praga y allá se fue a vivir durante más de una década.

Tanto en la preparatoria como en la Universidad de Praga Doppler picó piedra como nadie, asumió una enorme carga lectiva, con muchos alumnos, muchas clases y muchas evaluaciones. Tuvo fama de coco, de profesor durísimo. Ese mantenido esfuerzo vocal en sus conferencias no le ayudó en su salud, considerando que padecía tuberculosis laríngea.

En 1848 se cambió al Instituto Politécnico de Viena y en 1850 fue nombrado director del recién inaugurado Instituto de Física de la Universidad de Viena. Allí tuvo entre sus discípulos al padre Gregor Mendel, famoso horticultor de leguminosas. La tuberculosis siguió consumiéndolo y en 1853 se trasladó a Venecia, como tantos tuberculosos de su época, en busca de un clima beneficioso para su mal. Doppler murió allí al cabo de unos meses.

Publicó medio centenar de trabajos científicos, de los que casi ninguno tuvo relevancia, bien por ser ideas de bombero o por quedarse atrás respecto a contribuciones de sus contemporáneos. Únicamente la descripción del efecto Doppler le ha valido merecida fama.

Fiiiiiiiiiiuuuuuuuu… el efecto Doppler

El origen de la observación, el planteamiento del fenómeno y su aplicación para explicar lo que Doppler pretendía no fueron correctos del todo, pero la idea central resultó ser cierta y trascendente. Doppler buscaba una explicación para la aberración de la luz estelar descrita por Bradley en 1725, es decir, un desplazamiento aparente de la posición de una estrella debido a la velocidad de traslación de la órbita terrestre. El profesor Doppler filosofó acerca del efecto que podía tener un desplazamiento a alta velocidad sobre las ondas emitidas por las estrellas: argumentó que si un cuerpo celeste se desplaza a gran velocidad distorsiona las ondas de la luz que emite, de modo que por una parte estarán más apretadas —tendiendo al azul— y por otra más holgadas —tendiendo al rojo—. Así lo publicó en 1842 en su obra Ueber das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels (Sobre el color de la luz de las estrellas binarias y otros astros celestes).

Doppler publicación

Portada de la breve obra original de Christian Doppler donde enuncia su efecto epónimo. Vía Google Books.

La verdad es que ello no explicaba la aberración de Bradley y la tecnología de la época no estaba para observar corrimientos al rojo o al azul en los cuerpos celestes. Sin embargo, el principio propuesto por Doppler era aplicable a cualquier variedad de onda, sea electromagnética, de sonido o las ondas mecánicas producidas en un estanque tranquilo por un objeto que se desplaza en su superficie.

Tres años después de la publicación el efecto fue demostrado experimentalmente para las ondas sonoras por el holandés Buys Ballot. Puso a músicos a emitir una nota concreta desde un tren en marcha y a otros músicos a replicar la nota que oían desde tierra según pasaba el tren. Así se observó un aumento de la frecuencia aparente del sonido cuando el tren se acercaba y una reducción de frecuencia cuando se alejaba.

Doppler Buys-Ballot

Buys Ballot intentó demostrar que la idea de Doppler era errónea, pero acabó confirmándola. Aunque se nos antoja un experimento sencillo y evidente, a Buys Ballot le costó lo suyo acabarlo con éxito. El músico del tren no aprecia cambios en su nota, mientras el que oye en tierra sí detecta un cambio aparente del tono por el cambio de frecuencia inducido por el desplazamiento.

Actualmente el efecto Doppler es fácil de observar a pie de calle con cualquier coche que pasa, cualquier sirena de ambulancia o quinqui con música a toda castaña en su vehículo tuneado. Pero antes de la revolución industrial no había objetos que se desplazaran a gran velocidad y que pudieran distorsionar el sonido, excepto proyectiles de cañón —si bien durante un bombardeo nadie se pone a pensar en frecuencias de onda—.

Musicis digressio.- Los compositores clásicos no han usado mucho la imitación del efecto Doppler en sus obras. Lo más parecido que me viene a la mente es precisamente en simulación de bombas y pirotecnia bélica. El ejemplo más siniestro está en la Octava Sinfonía de Shostakovich. Las «sinfonías de guerra» de Shostakovich son la auténtica banda sonora de la Segunda Guerra Mundial. La 8.ª sinfonía data de 1943, en lo más álgido del conflicto. Su tercer movimiento es una hipotiposis bélica de seis minutos de música tensísima, conducidos por un tema en ostinato de las cuerdas sobre el que los bajos y la percusión dan golpes como de detonación y, cada tanto, se repite una figura con una larga nota aguda seguida por un salto con ligadura a su octava inferior, cosa que recuerda el paso doppleriano de un obús.

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Fragmento del tercer movimiento de la octava sinfonía Op. 65 de Dimitri Shostakovich, donde se observa la figura musical que recuerda al efecto Doppler de un proyectil. Los violines hacen una nota larga y aguda in crescendo, que súbitamente baja en glissando. Las violas tocan el tema en ostinato que vertebra la pieza.

El segundo ejemplo está traído por los pelos, la verdad: está en el Concierto Emperador de Beethoven. Este 5.º concierto para piano también tiene un trasfondo bélico pues se compuso durante el ataque de Napoleón a Viena. Hay un breve momento de diez compases en el desarrollo del primer movimiento donde el pianista toca progresiones ascendentes del tema principal (fortspinnung) mientras la mano izquierda acompaña con escalas descendentes cromáticas que acaban con la pulsación del compás acompañadas de acentos de la orquesta. El efecto es una reminiscencia de batalla con proyectiles cayendo —no digo que ésta fuera la intención del compositor—, como aquellos cañonazos franceses que tanto aterraron a Beethoven, escondido en el sótano de casa de su hermano y cubriendo su cabeza con cojines para mitigar el malestar que las explosiones tenían que causar a sus perjudicados laberintos. Ni este enorme concierto ni ninguna otra obra de su período «heroico» puede encasillarse como música marcial y de soldaditos —bueno, la excepción es ese truñico llamado La batalla de Vitoria, Op. 91—, aunque algunos analistas se queden en esa observación superficial. La obra de Beethoven es infinitamente trascendente.

beethoven emperador

Pequeño segmento del quinto concierto para piano Op. 73 de Beethoven. La mano derecha del pianista toca un fortspinnung del tema principal, con aire batallador, mientras la izquierda hace repetidos descensos cromáticos. Estas figuras descendentes también las usó Beethoven en su antes mencionado Op. 91.

Doppler, relatividad y big bang

El efecto Doppler es un postulado relativístico, ya que depende del movimiento relativo del objeto emisor respecto a un observador referencial. El músico que va en el tren no nota ninguna variación en la nota que está emitiendo, mientras que el observador que escucha inmóvil sí nota la deformación sonora inducida por el desplazamiento de la fuente emisora.

De hecho Einstein tiró del efecto Doppler-Fizeau como parte de su teoría de la relatividad especial de 1905 (Hippolyte Fizeau describió en 1848 el mismo fenómeno que Christian Doppler aplicado a las ondas electromagnéticas). Según ello un objeto que se acerca al observador a una velocidad cercana a la luz presentaría un corrimiento al azul en la luz que emite, mientras que si se aleja se apreciaría un corrimiento al rojo.

Los astrofísicos observaron mediante espectroscopia que las galaxias muestran un corrimiento al rojo, es decir, se están alejando unas de otras. Ello condujo al padre Lemaître y a Hubble (en 1927 y 1929, respectivamente) a formular la teoría de la expansión del universo. Si se está expandiendo es porque en el pasado la materia cósmica estuvo concentrada en un punto, y esa es la base de la teoría del big bang y del cálculo de la edad del Cosmos. Casi na.

Doppler

Christian Doppler (1803-1853), aquí con el disfraz de “efecto Doppler” de Sheldon Cooper.

El efecto Doppler es uno de los principios del radar. También se considera en telecomunicaciones para corregir señales de satélites; incluso una persona que usa su móvil desde un vehículo en marcha presenta una deformación de las ondas de radiofrecuencia que puede afectar a su rendimiento.

El doppler para detectar flujos

Hablo de flujo sanguíneo, por supuesto, no lo que los ‘gines’ llaman flujo. La tecnología del eco-doppler suma los principios del efecto Doppler y de la ecolocalización; este último es la base de la ecografía convencional y del sonar que usan los barcos, los cetáceos y los murciélagos.

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Shigeo Satomura y su publicación en japonés sobre eco-doppler en la Revista de la Sociedad Acústica Japonesa de 1959. Satomura murió al año siguiente por una hemorragia subaracnoidea.

El grupo del físico Shigeo Satomura (1919-1960), en Osaka, fue el primero en pensar cómo aplicarlo en el estudio no invasivo del sistema cardiovascular durante los años 50 del s.XX. En la siguiente década se sumaron más investigadores en otros países, entre quienes destaca Robert F. Rushmer (1914-2001), de Seattle. En los años 80 se desarrolló el eco-doppler bidimensional.

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Foto de Robert Rushmer, pionero del doppler clínico (vía U.S. National Library of Medicine) y figura de su artículo junto con Dean Franklin en la revista Science del 25 de agosto de 1961.

Los equipos de doppler médico se fueron sofisticando y redujeron su tamaño. Ahora es de uso común en cualquier centro de ecografía, cirugía vascular, hemodinamia u obstetricia. Hasta se venden dopplers de andar por casa por poco más de 20 € para que las embarazadas escuchen el corazón de sus bebés cuando quieran.

El doppler permite localizar vasos sanguíneos al detectar su flujo, mide la velocidad del flujo, su dirección, la presencia de turbulencias y el ritmo de las pulsaciones. En los modos dúplex y tríplex suma información funcional a la información anatómica que da la ecografía modo B. Resulta básico en la monitorización fetal, en la enfermedad vascular periférica, en el estudio de la enfermedad carotídea, determina inversiones de flujo en venas arterializadas por fístulas o malformaciones arteriovenosas, y no se diga su utilidad en ecocardiografía.

doppler umbilical

Imagen de ecografía doppler de la vena y las arterias umbilicales (www.kpiultrasound.com).

De nuevo vemos aquí dos características de la buena Ciencia: primero, la universalidad de sus principios permite aplicarlos en áreas totalmente alejadas de donde se realizó la investigación original; así, una idea originada en lejana astrofísica ha terminado aplicándose en la vida común, sea para ponerte una multa por radar o para diagnosticarte la cardiopatía que afloró tras recibir la multa. Segundo, el trabajo aditivo y colaborativo de los científicos, pues la ecografía-doppler no existiría sin otro montón de aportes, desde la propuesta de Spallanzani sobre la existencia del ultrasonido hasta el descubrimiento del efecto piezoeléctrico hecho por los Curie. La pseudociencia y la charlatanería no logran recorrido, hacen daño en donde se inventan (por lástima, demasiado en salud) y no pueden progresar con nuevas evidencias.

«Ceterum censeo Podemus esse delenda»

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Las leyes de los gases para cocineros

Eso de que «la cocina es un laboratorio» es una frase demasiado repetida, pero siempre insisto en que los profesionales de la cocina no llegan a ver hasta qué punto es cierto que trabajan dentro de un laboratorio. La química y la física son la auténtica base del oficio de cocinar, pero de cocinar normalito y del día a día, no solo de esa etiqueta mercadotécnica de «cocina molecular» que tanto usaron los chefs de vanguardia en la década de los 2000 y que tanto sesgó la relación ciencia-gastronomía.

Las propiedades físicas de los gases tienen un insospechado papel dentro de las cocinas y de eso hablaremos hoy. Pero ¿es que cocinamos con gases? Sí, se usan líquidos a diferentes temperaturas que mantienen equilibrio con su fase gaseosa, se usan recipientes herméticos, se usan gasificantes, se usan refrigeradores, sifones, máquinas de vacío, nitrógeno líquido, etc.

Son tres las propiedades más importantes de un gas: volumen, presión y temperatura. La relación entre éstas se expresa como las leyes de los gases.

A mayor presión, menor volumen

Primera ley, conocida como ley de Boyle-Mariotte, fue enunciada por Robert Boyle y Edme Mariotte, cada uno por su cuenta, en la segunda mitad de s.XVII. Dice que la presión y el volumen de un gas son inversamente proporcionales, es decir, que si aplica una mayor presión a un gas su volumen disminuye y si baja la presión el volumen aumenta. O dicho en fórmula:

P1V1 = P2V2

Donde el subíndice 1 indica las condiciones iniciales y el subíndice 2 las finales. Esto es fácil de ver si tiene una jeringa con aire y la punta ocluida: si se empuja el émbolo se reduce el volumen de aire dentro de la jeringa y aumenta la presión interna. Las botellas de bebidas gaseosas no muestran burbujas cuando están cerradas, pero al aflojar la tapa y escuchar el fffffshhhhhh se forman de inmediato muchas burbujas finas; ello se debe a la reducción súbita de la presión dentro de la botella que permite la expansión del gas disuelto en el líquido.

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La ley de Boyle indica que el volumen de un gas se reduce en relación con la presión que se ejerce sobre él, como cuando se usa un pistón (A). Sin embargo, la presión puede elevarse manteniendo el volumen constante (B) o aumentándolo (C) si se introduce más gas en el sistema.

[A Edme Mariotte se le atribuye el descubrimiento de la mancha ciega de la visión, es decir, la proyección en el campo visual de la cabeza del nervio óptico, región del fondo de ojo que carece de fotorreceptores y, por tanto, de visión.]

A mayor temperatura, mayor volumen

Se conoce como ley de Charles y fue publicada a principios del s.XIX. En este caso la relación entre volumen y temperatura es directamente proporcional, de modo que al calentar un gas éste se expande y al enfriarlo se contrae, lo que en fórmula se expresa:

V1/T1 = V2/T2

o bien

V1T2 = V2T1

Si inflamos un globo y lo metemos en el congelador, al cabo de un rato veremos que el globo aparece menos inflado por la contracción del volumen debido a la baja temperatura.

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La ley de Charles indica la dilatación de un gas en función de la temperatura aplicada. Este fenómeno ocurre en las masas levadas sometidas a cocción.

Ley combinada de los gases

La ley de Boyle considera cambios de presión a una temperatura constante, mientras la ley de Charles alude a cambios de temperatura a una presión constante. Pero en la vida real, y por supuesto en las cocinas, ocurren simultáneamente cambios en la temperatura, la presión y el volumen de los gases. Así, las dos leyes anteriores pueden unirse y expresarse mediante una fórmula combinada:

VPT2 = VPT1

De aquí en adelante los ejemplos culinarios que mostraremos se basarán especialmente en la ley combinada.

Olla express y Gastrovac

Quizás el ejemplo más obvio de la aplicación de las leyes de los gases en cocina sea la olla a presión o express. El agua ebulle a 100 ºC y esa es la máxima temperatura que alcanza el vapor de agua… a la presión atmosférica a nivel del mar. El único modo de hacer que una cocción en agua supere los 100 ºC y, por tanto, cueza más rápido el producto es aumentar la presión dentro del compartimiento. La olla a presión —lo mismo que un autoclave de esterilización— está sellado herméticamente, la presión aumenta al acumularse vapor en su interior y alcanza entre 120 y 130 ºC. La válvula de seguridad evita que la presión exceda un límite peligroso.

Para abrir la olla se debe esperar a que bajen la temperatura y la presión en su interior. Si se va con prisa, colocar la olla bajo el grifo de agua fría acelera la bajada de presión. Los accidentes con la olla express suelen venir por un cierre defectuoso o por abrirla antes de tiempo.

La olla Gastrovac es el opuesto a la express. Es un invento de la Universidad Politécnica de Valencia que ha tenido poco recorrido fuera de la alta gastronomía. Se trata de un recipiente sometido a baja presión en su interior, por lo que se logra la ebullición del agua a temperaturas muy bajas, es decir, es un sistema de cocción a baja temperatura. Simula lo que ocurre cuando se intenta cocinar en las cumbres de los Andes o del Himalaya, donde el agua jamás llegará a 100 ºC y los tiempos de cocción se prolongan sensiblemente. Otro cacharro de alta cocina de funcionamiento similar es el Rotaval, un destilador con bomba de vacío que logra destilar a temperatura inferiores.

Panes y bizcochos

Sin el concurso de las leyes de los gases no disfrutaríamos de esponjosas masas horneadas. Las burbujas de gas atrapadas en la masa, generadas bien por fermentación, bien por gasificantes químicos (impulsor) o bien por batido, se dilatan por efecto de la temperatura de cocción, ejercen presión desde dentro de la masa y la expanden: así crecen los cakes y los panes en el horno. Cuando la cocción solidifica la masa por coagulación/gelatinización de sus componentes se mantiene la estructura alveolada de las burbujas gaseosas.

La pâte à choux o masa de lionesas con la que se hacen los profiteroles es un auténtico milagro donde se junta el manejo de las propiedades viscoelásticas y de los gases para obtener un bollo aéreo perfecto que mil científicos no habrían logrado, ¡viva el empirismo culinario! La masa de profiteroles no lleva impulsor ni fermentación, solamente algo de aire por batido y, sobre todo, mucha agua. La trasformación en vapor de esta agua durante la cocción expande las porciones de masa, la cual tiene una viscosidad y elasticidad suficientes para resistir la presión del vapor en su interior y que se formen unos alveolos grandes. El resultado es un bollito de corteza fina y dorada y casi completamente vacío, perfecto para rellenarlo con la crema pastelera más calórica que la gula nos aconseje.

Otro caso de asombroso equilibrismo es el de los soufflés y su etérea textura, producto del empuje de las burbujas de aire en las claras montadas. Pero en este caso las paredes de las burbujas son muy delicadas y cualquier cambio brusco de temperatura o presión hará colapsar el soufflé. La mezcla se extruye del ramequín conservando su forma cilíndrica, eso sí, si el calor tiene una distribución uniforme dentro del horno; si la temperatura es desigual o si la masa se adhiere a un segmento de un molde mal engrasado, la extrusión es asimétrica y en vez de un cilindro como gorra de gendarme se obtiene una boina de ertxaina.

Los botes de conservas

El procedimiento clásico de embotar conservas consiste en verter la mezcla caliente en los envases calientes, o bien cocerlos dentro de los envases con la tapa no totalmente cerrada y posteriormente cerrarlos herméticamente aún en caliente. Cuando el bote se enfría se contrae la pequeña bolsa de aire que quedaba dentro y se genera un vacío relativo.

Cocina al vacío

Lo de meter comida en sobres plásticos, cerrarlos al vacío y meterlos en baños termostatizados es ya una técnica habitual en cocinas grandes y pequeñas. Las empacadoras de vacío extraen el aire contenido dentro de la bolsa plástica y la sellan para crear un compartimiento estanco con una presión interior por debajo de la atmosférica. En los paquetes envasados al vacío el plástico está pegadito al contorno del alimento como una licra al culamen de la Kardashian. Lo que mantiene ese plástico tan pegado es la presión de la atmósfera exterior, es decir, el peso de esa columna de aire de más de 100 km que tenemos sobre nosotros.

El vacío dentro de bolsa evita que haya compartimientos de aire que la hagan flotar dentro del baño y causen una cocción desigual; además es una herramienta de seguridad microbiológica. Para un buen repaso sobre el tema recomiendo una vieja entrada del blog lamargaritaseagita.com.

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El sifón

Los clásicos sifones de gaseosa se basan en la ley de Boyle-Mariotte: al abrir la espita se produce una descompresión dentro de la botella y el CO2 contenido se expande, empujando el líquido a través del tubo. Los modernos sifones de cocina para espumas trabajan con el mismo principio pero usan ampollas de N2O (óxido nitroso, el famoso «gas hilarante» con efecto anestésico y, además, efecto invernadero). Este gas no es inflamable y el mayor peligro del uso del sifón está en la presión acumulada, por intentar abrirlo indebidamente o cuando se obstruye su salida.

Quien haya cargado un sifón habrá notado que al vaciarse la carga de gas en el sifón tanto éste como la cápsula se enfrían. Eso es debido a una cosita llamada efecto Joule-Thomson, que es, digamos, un derivado de la ley combinada centrado en la relación presión-temperatura. Cuando se somete a presión un gas sus moléculas se compactan, eso aumenta la fricción entre ellas y sube la temperatura. Por el contrario, la reducción de presión reduce la temperatura del sistema. Ello acontece al descomprimir la ampolla de N2O dentro del sifón: hay una busca reducción de presión que enfría el gas.

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El enfriamiento que se nota en las paredes del sifón cuando se carga con gas se debe a la descompresión del contenido de la cápsula. Es el mismo principio que usan los frigoríficos.

Refrigeradores

Lo explicado anteriormente es la base de los sistemas de enfriamiento de uso cotidiano: neveras, congeladores, abatidores o aire acondicionado. El alma de estos aparatos es el compresor, un motor que comprime y descomprime secuencialmente el gas que circula por los conductos. Existen diversos gases refrigerantes y se siguen investigando otros, pues los que se han usado o bien se meriendan el ozono de la atmósfera o tienen un efecto invernadero del carajo.

Acuérdese usted de James Joule y de William Thomson, alias lord Kelvin, cada vez que saque una cervecita bien fría del frigo.

Nitrógeno líquido

El nitrógeno molecular (N2) ocupa el 78% del aire de la atmósfera inferior, por tanto estamos nadando en nitrógeno y lo respiramos continuamente, no es ningún potingue raro, ni nocivo, ni inflamable, ni «química peligrosa» u otras bobadas que sugieren algunos retrasaditos anti cocina moderna.

El mayor peligro del N2 líquido es que está a −196 ºC y su contacto causa lesiones graves en los tejidos. Cuando me tocaba manipular N2 líquido en el laboratorio me ponía gafas protectoras, guantes aislantes y demás parafernalia. Ahora veo a los cocineros escanciando y manipulando el gélido fluido alegremente, como si fuera ginebra. ¡Hay que tenerle respeto!

El segundo peligro del N2 líquido justifica por sí solo que todo cocinero conozca las leyes de los gases: jamás debe guardarse ni transportarse en un recipiente herméticamente cerrado ni de uso no específico para contenerlo. Los botellones Dewar donde habitualmente se almacena el N2 líquido no tienen tapa de rosca sino un pistón que encaja suavemente en la boca del recipiente y un capuchón que hace de segunda tapa, ninguna hermética, para permitir que se libere controladamente la presión del nitrógeno evaporado.

El peligro surge cuando un inconsciente y/o iletrado quiere «llevarse un poquito de nitrógeno» y no se le ocurre mejor recipiente que un termo vulgar de los de llevar café o un sifón. Y cierra el inadecuado envase a conciencia para que no se le escape el N2. Ese iletrado está transportando una bomba, pues el N2 líquido se transformará en gas y dilatará su volumen hasta cerca de 700 veces. Imagina tú la presión que se acumula dentro del ridículo termo y el terrible estallido en que acaba todo. Estos casos han ocurrido y hay gente que lo ha tenido que lamentar.

Saber estas cositas no solo va bien para cocinar, sino por seguridad, para evitar percances con ollas express, sifones, bombonas de butano, pistolas de pintura de chocolate y demás equipos con altas presiones.

“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.

TV fresnel

Televisor “pantalla plana” de retroproyección, el último grito tecnológico de hace 15 años. Éste lo venden de segunda mano por 80 €, 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, conocida 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”

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 la 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