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Dr. Rachel Lloyd: La ciencia del azúcar

Una química de los alimentos con un dulce legado

Rachel se dibuja mirando a su derecha. Lleva un vestido con cuello alto y broche. El fondo es una nube de verde, naranja y amarillo. En la parte inferior derecha del retrato hay una remolacha azucarera y en la parte superior izquierda hay una molécula de sacarosa.
Dra. Rachel Lloyd por Sachi Weerasooriya

A los seres humanos les ENCANTA el azúcar. Hay algo en ese sabor dulce que nuestros cerebros no se cansan de probar, ya sea en un helado frío, en caramelos que se deshacen en la boca o en una rica y humeante taza de chocolate caliente. Es uno de los sabores fundamentales que nuestra lengua puede detectar, por lo que hemos intentado extraer ese sabor durante casi toda la historia de la humanidad. Durante la mayor parte de ese tiempo, las únicas formas de endulzar cosas que no son intrínsecamente dulces procedían de azúcares naturales como la miel, o del azúcar extraído de una planta llamada caña de azúcar.


Pero ¿sabías que también se pueden extraer azúcares de vegetales como la remolacha azucarera? Es un proceso difícil -que requiere muchos conocimientos de química y agricultura- y durante mucho tiempo, los científicos no pudieron averiguar cómo hacerlo funcionar en Estados Unidos. Esto cambió a finales del siglo XIX, debido en gran parte a las investigaciones de una química llamada Dra. Rachel Lloyd. Ahora, gracias a sus descubrimientos, el azúcar extraído de la remolacha azucarera constituye una parte importante de la agricultura estadounidense. Vamos a sumergirnos en las grandes ideas de la química alimentaria, la remolacha azucarera y la dulce ciencia que Rachel Lloyd descubrió por el camino.


"La próxima vez que eches azúcar en una receta, podría bien provenir de una remolacha azucarera de Nebraska - un sabroso testamento al dulce legado de la Dra. Rachel Lloyd.

¡Mira el vídeo o lee más abajo!


Índice:

La ciencia de la comida sabrosa

Una reacción química

Remolacha azucarera -- Más dulce que la miel

Lo que hace flotar tu barco

Nada supera una remolacha

 

La Ciencia de la Comida Sabrosa


¿Cómo podemos saber si algo es dulce? Puede parecer una pregunta obvia: ¡sólo hay que probarlo! Pero si lo pensamos bien, nuestra capacidad de saborear cualquier cosa es bastante asombrosa. Con la lengua y las papilas gustativas, somos capaces de detectar miles de sustancias químicas microscópicas y traducir esas señales químicas en el sentido del gusto. A nuestro cerebro le resulta fácil identificar categorías de sabores como el dulce, el salado o el sabroso. Pero es más difícil identificar las estructuras químicas específicas que nuestro cerebro interpreta como esos sabores concretos. Hay todo un campo de investigación llamado "ciencia de los alimentos" que estudia esto. Los científicos de la alimentación quieren entender exactamente cómo los sabores dependen de la composición química y la estructura de las moléculas de los alimentos.


Cuando digo que los alimentos están llenos de sustancias químicas, puede sonar un poco aterrador, pero en realidad todo está compuesto de sustancias químicas. Una "sustancia química" no es más que una sustancia que contiene un único tipo de molécula. Y aunque la palabra "producto químico" te haga pensar en tubos de ensayo de un laboratorio llenos de líquido burbujeante de neón, los productos químicos no se fabrican necesariamente de forma sintética. Por ejemplo, el agua es una sustancia química formada por la molécula H2O. Entonces, ¿cómo sabemos exactamente qué sustancias químicas hay en los alimentos que comemos? ¿Podemos utilizar la química para detectar las moléculas que tan bien interpreta nuestro cerebro? ¿Podríamos incluso utilizar la química para hacer que nuestros alimentos tengan mejor sabor?



 

Una Reacción Química


Este es el tipo de preguntas que los químicos de finales del siglo XIX trataban de responder, incluida una química llamada Rachel Lloyd. Rachel nació en 1839 en Ohio y no siempre se interesó por la química. En realidad, no fue hasta los 20 años cuando empezó a aprender sobre este campo de la mano de su marido, Franklin Lloyd. Franklin era químico y montó un laboratorio químico en su casa, a lo que Rachel atribuyó el mérito de haber despertado su amor por este campo. Trágicamente, su marido murió sólo seis años después, cuando Rachel tenía sólo 26 años. Después de eso, decidió utilizar su nueva afición por la química para mantenerse. Durante mucho tiempo, enseñó ciencia, química y farmacología -el estudio de cómo afectan los diferentes fármacos químicos al cuerpo humano- en escuelas de todo Estados Unidos.


Aprendió mucho de su difunto marido, pero Rachel también se esforzó por ampliar su formación en química. Tomó clases durante las sesiones de verano de la Universidad de Harvard (ya que, como mujer, no se le permitía la admisión plena en la escuela). Se dedicó a la investigación química y, en 1881, se convirtió en la primera mujer química en publicar un trabajo de investigación en una importante revista de química. Rachel estaba decidida a obtener su doctorado en química, pero en aquella época ningún instituto de Estados Unidos concedía el doctorado a una mujer. Así que se matriculó en una escuela de Europa y obtuvo su título en 1887, convirtiéndose en la primera mujer estadounidense y la segunda del mundo en conseguirlo.


 

Remolacha azucarera - Más dulce que la miel


Después de obtener su título, la Dra. Lloyd fue invitada a enseñar en el flamante departamento de química de la Universidad de Nebraska. Allí decidió centrar su investigación en un nuevo cultivo del oeste americano: la remolacha azucarera. Desde el año 1700, se intentaba extraer la sacarosa (un azúcar) de estos vegetales separando químicamente el azúcar de la pulpa de la remolacha. En América, el cultivo había sido introducido principalmente por los abolicionistas como alternativa a los cultivos de caña de azúcar de los esclavos de las Indias Occidentales. Pero el azúcar de remolacha había sido hasta entonces un fracaso comercial en Estados Unidos. El proceso de extracción del azúcar no funcionaba bien, lo que le daba un mal sabor, y las malas prácticas agrícolas a menudo hacían fracasar los cultivos de remolacha.


La remolacha azucarera contiene una gran cantidad de sacarosa (un azúcar)

Los alimentos que consumimos están compuestos por una gran cantidad de sustancias químicas, como los hidratos de carbono, las grasas y las proteínas. Los azúcares entran en la categoría de los hidratos de carbono, que son moléculas formadas por largas cadenas de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno. Las plantas (como la remolacha azucarera) generan hidratos de carbono para utilizarlos como combustible o como bloques de construcción para sus células, y el único hidrato de carbono producido por un animal es la lactosa, que se encuentra en la leche. Por lo general, los carbohidratos de nuestros alimentos vienen en forma de almidones, azúcares y fibras. Se trata de moléculas más complejas que nuestro cuerpo descompone en moléculas más simples, como la glucosa, para que podamos procesarlas como energía. En el caso de la remolacha azucarera, es necesario un proceso químico para descomponer los hidratos de carbono complejos en la sencilla y dulce molécula de sacarosa, que incluye el remojo de la remolacha en agua, la adición de hidróxido de calcio y la cristalización del azúcar extraído.


Así que la Dra. Lloyd comenzó a investigar para tratar de averiguar las mejores maneras de cultivar remolachas fuertes para extraer la mayor cantidad de azúcar de ellas. Para averiguar las mejores condiciones de cultivo de la remolacha, sus estudiantes y colaboradores enviaron semillas a agricultores de todo Nebraska y les pidieron que les devolvieran las remolachas que habían cultivado. Ella y sus estudiantes analizaron el contenido de azúcar de esas remolachas para ver cómo dependía de las condiciones de cultivo de los agricultores. La Dra. Lloyd y sus estudiantes examinaron más de 700 muestras diferentes de remolacha, comparando cuatro especies distintas y un gran número de condiciones climáticas y de suelo diferentes.

Sacarómetro histórico (fotografía por Mike Peel)

Para medir el contenido de azúcar de la remolacha, la Dra. Lloyd utilizó algo llamado sacarómetro. El sacarómetro es una bombilla de vidrio con peso y un tubo largo y delgado, y utiliza la flotabilidad para medir el contenido de azúcar de una solución en la que está flotando. La Dra. Lloyd extraía el azúcar de las remolachas, disolvía este azúcar en una cantidad determinada de agua y luego sumergía el sacarómetro en la solución de azúcar. Con el instrumento bien calibrado, la Dra. Lloyd podía averiguar la concentración exacta de azúcar en función de la altura del bulbo que flotaba en la solución. Los sacarómetros son instrumentos muy sensibles y, de hecho, todavía se utilizan hoy en día para calcular la concentración de azúcar en cosas como el vino y el helado.

 

Lo que hace flotar tu barco


¿Has oído hablar de la flotabilidad? Es, literalmente, lo que hace flotar tu barco... y tu globo, y el sacarómetro de la Dra. Lloyd. Los seres humanos siempre han experimentado la flotabilidad, pero el matemático de la antigua Grecia Arquímedes (287-212 a.C.) descubrió cómo medirla con precisión. Cuando se sumerge un objeto en un fluido (puede ser aire, agua o cualquier otro líquido o gas), ese objeto fuerza al fluido a desplazarse. Decimos que el objeto ha desplazado el fluido, y la cantidad de fluido desplazado es igual al volumen del objeto que realiza el desplazamiento. El principio de Arquímedes dice que la fuerza de flotación sobre un objeto es igual al peso del fluido desplazado por el objeto:


donde ρ es la densidad del fluido (masa dividida por el volumen), V es el volumen desplazado y g es la fuerza de gravedad. Por tanto, ρ x V x g es exactamente el peso del fluido desplazado. La fuerza de flotación actúa en la dirección opuesta a la de la gravedad. Si la fuerza de flotación es menor que el peso del objeto sumergido, entonces el objeto se hundirá a través del fluido. Sin embargo, si la fuerza de flotación es exactamente igual al peso del objeto, ¡el objeto flota!


¿Y si la fuerza de flotación es mayor que el peso del objeto? En este caso, la fuerza de flotación empujará el objeto fuera del fluido hasta que la fuerza de flotación y el peso sean exactamente iguales. Al empujar el objeto fuera del fluido, el volumen desplazado V se hace más pequeño, y también lo hace la fuerza de flotación. Así es como los objetos pueden flotar encima de un fluido, o parcialmente sumergidos.


El sacarómetro es un instrumento cuidadosamente calibrado que está diseñado para tener la densidad exacta del agua corriente. El cambio de la densidad del fluido en el que flota (ρ, en nuestra ecuación para el empuje) cambiará, por tanto, la magnitud de la fuerza de flotación. La posición del sacarómetro en el fluido cambiará (saliendo del agua o hundiéndose más) en función de cualquier pequeño cambio en la densidad del fluido. Basándonos en la ecuación de la fuerza de flotación, ¿un fluido más denso hará que el sacarómetro flote más alto o más bajo?


 

Nada Supera a la Remolacha

El grupo de investigación de la Dra. Lloyd descubrió que, utilizando las especies adecuadas con técnicas de cultivo cuidadosas, la remolacha azucarera podía ser un cultivo exitoso en la región para producir azúcar de alta calidad (¡y dulce!). Tras estos descubrimientos, la industria de la remolacha azucarera en Nebraska creció sustancialmente, y en 1899 ya había tres fábricas de procesamiento de remolacha en el estado. En 1890, Nebraska producía alrededor de 700.000 libras de azúcar granulado; sólo 5 años después, en 1895, ¡superó los 8 millones de libras! La fabricación de azúcar de remolacha sigue siendo hoy una industria importante en Nebraska, y las contribuciones de la Dra. Lloyd tuvieron un impacto importante y directo en esta industria y en la agricultura en general.

La ciencia y la química de los alimentos han avanzado mucho desde el siglo XIX: ahora tenemos productos químicos que pueden producir casi todos los sabores imaginables, azúcares artificiales que saben casi tan bien como los auténticos y complejas moléculas alimentarias producidas totalmente en un laboratorio. A pesar de estos impresionantes avances, la mayor parte del azúcar fabricado en Estados Unidos procede de la remolacha azucarera, lo que fue posible gracias a las investigaciones de la Dra. Rachel Lloyd. De hecho, la mayor parte del azúcar blanco que se vende en las tiendas de comestibles no lleva la etiqueta de la planta de la que procede. Esto significa que la próxima vez que eche azúcar en una receta, es muy posible que proceda de una remolacha azucarera de Nebraska, un sabroso testimonio del dulce legado de la Dra. Rachel Lloyd.


Escrito por Mark Griep y Caroline Martin

Traducido por Salva Rosauro Alcaraz

Editado por Ashley Cavanagh

Ilustraciones de Taylor Contreras

Retrato por Sachi Weerasooriya


Fuentes y lecturas adicionales:

Dr. Rachel Lloyd's legacy de la Fundación de la Universidad de Nebraska

Rachel Lloyd de Wikipedia

 

Sumerjámonos más en el dulce mundo de la ciencia de los alimentos


Experimento (20-30 minutos): Rachel utilizó la flotabilidad para medir la concentración de azúcar de diferentes alimentos, ¡y tú también puedes hacerlo! Utiliza este experimento case para aprender por qué las cosas se hunden y flotan, y usa ese conocimiento para calcular las densidades de diferentes alimentos en tu casa.


Crea (15-20 minutos): Cuando tuestas un malvavisco, ¿por qué se vuelve más sabroso a medida que se dora? La respuesta es un proceso químico llamado reacción de Maillard. Aprende sobre esta reacción química elaborando un mensaje secreto escondido en el malvavisco, ¡que sólo se revela con la química!


Saborea (15-30 minutos): Tu boca es un sorprendente y delicado detector químico, ¡y también puede formar parte de tu laboratorio casero! Experimenta con diferentes combinaciones de ácidos y bases (todos con químicos comestibles) y cómo esos químicos afectan a tu sentido del gusto.



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