Observan los alimentos en 3D a escala nanométrica

Científicos de la Universidad de Copenhague (Dinamarca) y el Instituto Paul Scherrer (Suiza) han conseguido, por primera vez, crear una imagen en 3D de los alimentos a escala nanométrica. El método que han utilizado se llama tomografía computarizada de rayos X pticográfica.

Un conocimiento más detallado de la estructura de los sistemas alimentarios complejos potencialmente podría ahorrar grandes sumas de dinero a la industria alimentaria y reducir el desperdicio de alimentos que se produce debido a una producción defectuosa.

Los investigadores utilizaron una crema a base de grasa vegetal para la investigación. Se trata de un buen material de ensayo, ya que puede representar las estructuras de un gran grupo de sistemas de alimentos, por ejemplo queso, yogur, helados, pastas para untar, pero también el chocolate, más sólido.

Todos los productos mencionados contienen agua líquida o grasa, así como pequeñas partículas de materiales sólidos, que se pegan entre sí y forman estructuras tridimensionales -es decir, una red que proporciona la consistencia que nos gusta del queso, el yogur o el chocolate. En el queso y el yogur forman la red partículas de caseína. En el chocolate son cristales de grasa y en el helado y la crema batida, glóbulos de grasa.

"Se trata de entender la estructura y la textura de los alimentos. Si se entiende la estructura, se puede cambiar y obtener exactamente la textura que se desea", dice el profesor asociado Jens Risbo, del Departamento de Ciencia de los Alimentos de la Universidad de Copenhague. Es uno de los autores de un artículo científico publicado recientemente en Food Structure.

Electrones a la velocidad de la luz

Para crear un modelo tridimensional de la comida y convertirla en imágenes y vídeo, los científicos estuvieron en Suiza, donde utilizaron el sincrotrón Swiss Light Source (SLS), en el Instituto Paul Scherrer.

En el sincrotrón los electrones son acelerados a cerca de la velocidad de la luz. El sincrotrón se utiliza para la investigación en ciencias de los materiales, en áreas como la biología y la química. El método que utilizaron los investigadores se llama tomografía computarizada de rayos X pticográfica. Se trata de un innovador nuevo método para la creación de imágenes en la escala de nanómetros, y también ofrece un alto contraste en los sistemas biológicos. El sincrotrón de Suiza es uno de los principales lugares del mundo en esta área, y fue la primera vez que se utilizaba en ciencia de los alimentos.

"Hemos estado utilizando el principio de la tomografía. La muestra del sistema alimentario se gira y se mueve hacia los lados hacia atrás y hacia adelante con una precisión nanométrica, mientras enviamos un haz de rayos X muy fuerte y enfocado a través de él. los rayos X se desvían al chocar con los electrones de la comida, y tomamos una gran cantidad de imágenes de los patrones que forman los rayos X deflectados. Los patrones se combinan en un potente ordenador, que reconstruye una imagen 3D de la muestra. los científicos suizos del equipo han creado un dispositivo que puede mover y rotar la muestra con ultra-alta precisión, lo cual nos permite ver los pequeños detalles", explica el investigador Mikkel Schou Nielsen, que ha completado recientemente su doctorado sobre métodos de tomografía aplicados a la alimentación en el Instituto Niels Bohr de Copenhague.

La imagen 3D reconstruido puede describirse como una tabla en tres dimensiones de números que describen la densidad electrónica (el número de electrones por volumen) a lo largo de toda la muestra. Los diversos componentes de los alimentos, como el agua y la grasa, tienen diferentes densidades y, por tanto, diferente densidad electrónica.

El agua es más pesado que la grasa, que se deposita sobre la superficie del agua cuando se intenta mezclarlos, y es esta diferencia en la densidad de electrones la que provoca que los rayos X se desvíen a diferentes grados y, finalmente, formen imágenes en 3D de la muestra.

Tomografía

La tomografía computarizada de rayos X pticográfica puede compararse con un escáner de tomografía computarizada en un hospital. En lugar de obtener una imagen de los órganos de un paciente, estamos observando comida. Pero, a diferencia de un escáner CT, podemos bajar a la escala nanométrica", dice Risbo.

La muestra del sistema tipo queso cremoso que los científicos radiografiaron tenía alrededor de 20 micras de espesor.

"Se necesitaría demasiado tiempo y demasiados cálculos para desarrollar una resolución nanométrica para todo un paquete de crema de queso de la nevera. La cantidad de información y cálculos sería simplemente demasiado grande. Aunque los rayos X casi pueden atravesarlo todo, se pierde la intensidad de los haces, cuantas más cosas tienen que atravesar", dice Risbo.

"Si finalmente llegamos a comprender la estructura del chocolate, por ejemplo, podremos cambiarla y obtener exactamente la consistencia que queremos. Una gran cantidad de dinero se desperdicia debido a que la consistencia del chocolate es muy difícil de controlar, por lo que el producto final no es lo suficientemente bueno y debe ser desechado. Un entendimiento futuro de la red cristalina del chocolate podría significar que seríamos capaces de desarrollar componentes que impidan que el chocolate se vuelva gris y quebradizo", concluye.

Referencia bibliográfica:

Mikkel Schou Nielsen, Merete Boegelund Munk, Ana Diaz, Emil Bend Lind Pedersen, Mirko Holler, Stefan Bruns, Jens Risbo, Kell Mortensen y Robert Feidenhans'l: Ptychographic X-ray computed tomography of extended colloidal networks in food emulsions. Food Structure (2016). DOI: 10.1016/j.foostr.2016.01.001.