Cátedra de Química y Bioquímica de los Alimentos – Ing. en Alimentos – FCEQyN – UNaM –
TEMA 3: LOS ALIMENTOS COMO
SISTEMAS DISPERSOS
SISTEMAS DISPERSOS
SISTEMAS COLOIDALES
CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS COLOIDALES
INTERACCIONES COLOIDALES Atracción de Van der Waals Doble capa eléctrica DLVO Repulsión estérica
FENÓMENOS DE SUPERFICIE Tensión Interfacial Adsorción
TENSIOACTIVOS
EMULSIONES
ESPUMAS
GELES
TEMARIO
SISTEMAS DISPERSOS LA MAYORÍA DE LOS ALIMENTOS SON
SISTEMAS DISPERSOS
Sistemas en los cuales una o más sustancias (partículas → FASE DISPERSA) se encuentran distribuidas en el
interior de otra (FASE CONTINUA-DISPERSANTE-MEDIO DE DISPERSIÓN).
0,01 µm 100 µm
Mayonesa al (MO)
Micelas de caseína (ME)
Espuma de proteínas de suero lácteo (MO)
Soluciones Dispersiones coloidales
Dispersiones gruesas
Dispersiones finas
Sistema disperso que contiene partículas claramente mayores a las moléculas del disolvente, aunque demasiado pequeñas para ser visibles (10 nm-0,1 mm). CONTIENEN PEQUEÑAS PARTÍCULAS O POR MACROMOLÉCULAS ¿Son sistemas homogéneos o heterogéneos? MARCAN EL LÍMITE ENTRE LOS SISTEMAS MATERIALES HETEROGÉNEOS Y HOMOGÉNEOS Elevada relación SUPERFICIE/VOLUMEN → gran ÁREA DE CONTACTO entre la Fase dispersa y la Fase continua. SON TERMODINÁCAMENTE INESTABLES (↑∆G) Las dispersiones presentan un Estado de energía libre mayor que sus fases Integrantes por separado)
PARTÍCULAS COLOIDALES pueden ser SÓLIDAS, LÍQUIDAS O GASEOSAS MEDIO DE DISPERSIÓN también puede ser un SÓLIDO, UN LÍQUIDO O UN GAS
SISTEMAS COLOIDALES
FASE A
FASE B
CLASIFICACIÓN DE LOS COLOIDES
1- Según las características físicas de las fases (sistemas de 2 fases inmiscibles)
FASE DISPERSA FASE CONTINUA NOMBRE EJEMPLOS
SÓLIDO SÓLIDO SOL SÓLIDO • Dulces • Caramelos
LÍQUIDO SÓLIDO EMULSIÓN SÓLIDA • Manteca • Chocolate
GAS SÓLIDO ESPUMA SÓLIDA • Pan • Algodón de azúcar • Helado
SÓLIDO LÍQUIDO SOL • Leche descremada • Snes proteicas
LÍQUIDO LÍQUIDO EMULSIÓN • Mayonesa • Crema • Leche
GAS LÍQUIDO ESPUMA • Merengue • Crema batida • Espuma de cerveza
SÓLIDO GAS AEROSOL SÓLIDO • Leche en polvo (atomización)
LÍQUIDO GAS AEROSOL LÍQUIDO • Nieblas
EJEMPLOS
LECHE Emulsión aceite/agua: Glóbulos de grasa dispersos
Solución de lactosa, minerales, vitaminas y proteínas
Sol/Suspensión coloidal: Micelas de caseína dispersas
HELADO Espuma (burbujas de aire)
Solución acuosa concentrada de azúcares y proteínas
Emulsión aceite/agua: Glóbulos de grasa dispersos
Suspensión de cristales de hielo
FASE DISPERSANTE
CLASIFICACIÓN DE LOS COLOIDES
2- Según la afinidad entre las fases que integran al coloide:
a) Coloides liofílicos/Reversibles • Las partículas poseen afinidad por el medio dispersante • Termodinámicamente estables
COLOIDES DE ASOCIACIÓN
MICELA
H+
H+
FASE DISPERSANTE
Macromolécula con grupos polares
ENLACE DE HIDRÓGENO
DISPERSIÓN PROTEICA
b) Coloides liofóbicos/ Irreversibles • Las partículas dispersas repelen a la fase dispersante • No se forman espontáneamente (Energía)
• Termodinámicamente inestables
ACEITE / AGUA
INTERACCIONES COLOIDALES
FUERZAS ENTRE LAS PARTÍCULAS COLOIDALES (atractivas y repulsivas)
PERPENDICULARES A LA SUPERFICIE DE LAS PARTÍCULAS
DETERMINAN LA ESTABILIDAD FÍSICA DE UN COLOIDE
AGREGACIÓN DE PARTÍCULAS
puede conducir a la
SEDIMENTACIÓN, CREMADO COALESCENCIA puede formar una RED ESPACIAL RELLENA → GEL
MOVIMIENTO BROWNIANO
COLOIDES LIOFÓBICOS
INTERACCIONES COLOIDALES
Fuerzas entre partículas coloidales (COLOIDES LIÓFOBOS)
1) Fuerzas de Van der Waals (electromagnéticas de atracción)
2) Fuerzas electrostáticas de repulsión
3) Teoría DLVO
(Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek)
INTERACCIONES COLOIDALES
1) ATRACCIÓN DE Van der Waals
Fuerzas electromagnéticas de atracción
Ubicuas a nivel molecular
Partículas coloidales → Resultado de cada una de las fuerzas atractivas de
cada una de las moléculas que componen la partícula.
Energía de atracción de Van der Waals (VA) h
rAVA
.12
.
h r
Dos partículas del mismo tipo
A= constante de Hamaker (depende del
material de las partículas y el fluido intersticial)
h/r pequeña (partículas grandes y cercanas) = atracción fuerte
h/r grande (distancias mayores a 5-10 veces el r) = atracción débil
INTERACCIONES COLOIDALES
2) CAPAS ELÉCTRICAS DOBLES
Fuerzas electrostáticas repulsivas
La mayoría de las partículas en dispersión están cargadas:
Partículas coloidales → Exceso de carga y se rodean por una nube de iones
de carga opuesta (CONTRAIONES)
Adsorción de iones del medio o tensioactivos
Ionización de grupos funcionales
ALIMENTOS CARGAS PREDOMINANTES (-)
+ r R
+ +
+
+
+
+
+ +
+
+
+
+ +
+
+
+ +
+
+
+
+ + +
INTERACCIONES COLOIDALES
2) CAPAS ELÉCTRICAS DOBLES (cont.) 1- La partícula coloidal cargada atrae a los CONTRAIONES hacia su superficie y se forma una capa rígida (CAPA DE STERN).
2- Otros CONTRAIONES son atraídos por a partícula coloidal, pero rechazados por la capa de Stern → equilibrio dinámico (CAPA DIFUSA).
DOBLE CAPA ELÉCTRICA
CAPA DE STERN + CAPA DIFUSA
• ALTA [CONTRAIONES] → cerca de la partícula
• ↓ [CONTRAIONES] → con la distancia
• ↑ [COIONES] → con la distancia
INTERACCIONES COLOIDALES
La partícula cargada y su atmósfera cargada producen un potencial eléctrico en la Sn:
MÁXIMO → en la superficie de la partícula coloidal
NULO → fuera de la capa difusa (CONTRAIONES Y COIONES en equilibrio)
2) CAPAS ELÉCTRICAS DOBLES (cont.)
INTERACCIONES COLOIDALES
3) BALANCE DE ATRACCIÓN Y REPULSIÓN Teoría DLVO
(Derjaguin, Landau, Verwey y Overbeek)
E interacción = E atracción + E repulsión
Equilibrio entre fuerzas opuestas de atracción y repulsión
COMPONENTE NEGATIVO
COMPONENTE POSITIVO
Ene
rgía
lib
re
ATRACCIÓN
REPULSIÓN
D (distancia)
CURVA DE ENERGÍA NETA DE INTERACCIÓN
INTERACCIONES COLOIDALES
3) BALANCE DE ATRACCIÓN Y REPULSIÓN (cont.) Teoría DLVO
E re
pu
lsiv
a E
atra
ctiv
a
BARRERA ENERGÉTICA
AGREGACIÓN IRREVERSIBLE
AGREGACIÓN DÉBIL
4) REPULSIÓN ESTÉRICA
INTERACCIONES COLOIDALES
La aproximación entre partículas puede ser impedida por una BARRERA FÍSICA
Cubriendo las partículas con una capa de macromoléculas (caseína, goma arábiga, etc.) impidiendo el acercamiento estrecho entre ellas.
↑ conc. local de especies adsorbidas → ∏ osmótica
Espacio reducido →CONFIGURACIÓN POCO FAVORABLE
“PELOS”
FENÓMENOS DE SUPERFICIE
LÍMITE ENTRE LAS DOS FASES DE UN SISTEMA DISPERSO
SUPERFICIE (sistemas
con fase gaseosa)
INTERFASE
INTERFASE Propiedades y composición
especial A
B Fase 1
Fase 2
LA SUPERFICIE DE UN FLUIDO TIENDE A REDUCIRSE LO MÁXIMO POSIBLE
FENÓMENOS DE SUPERFICIE
1) TENSIÓN SUPERFICIAL La SUPERFICIE INTERFACIAL entre 2 fases → exceso de ENERGÍA LIBRE (∆G) que es proporcional al área interfacial.
La formación de una superficie es SIEMPRE desfavorable desde un punto de vista termodinámico.
Para minimizar el exceso de ∆G la interfase SIEMPRE intentará convertirse en lo más pequeña posible.
TENSIÓN INTERFACIAL (ɣ) ES RESULTADO DE LAS FUERZAS QUE SE OPONE AL AUMENTO DE LA SUPERFICIE INTERFACIAL
(atracciones moleculares: enlaces de H, fuerzas de Van der Waals)
FENÓMENOS DE SUPERFICIE
1) TENSIÓN SUPERFICIAL (cont.)
Fase A
Fase B
INTERFASE AG .
1- Tensión interfacial (ɣ)
ABBA 2
2- Variación de Energía libre del sistema (∆G)
ɣA Tensión interfacial A
ɣB Tensión interfacial B
ɣAB Resultante interacción
molecular entre A y B
∆A Variación del área interfacial o superficial
FORMACIÓN DE UN SISTEMA DISPERSO
↑ ÁREA INTERFACIAL O SUPERFICIAL
↑ DE LA ENERGÍA LIBRE DEL SISTEMA
INESTABILIDAD TERMODINÁMICA
FENÓMENOS DE SUPERFICIE
Fuente: Introduction to Colloid and Surface Chemistry
1) TENSIÓN SUPERFICIAL (cont.)
A > ɣ > es la energía necesaria para expandir el área interfacial de un sistema.
DEPENDENCIA CON LA TEMPERATURA
FENÓMENOS DE SUPERFICIE
2) ADSORCIÓN Ciertas moléculas o iones que están en disolución pueden desplazarse hacia la interfase y acumularse en el área interfacial formando una monocapa.
La concentración de estas moléculas es > en la interfase que en el resto del sistema.
ADSORCIÓN Fenómeno espontáneo → ↓ ∆G superficial → ↓ ɣ
(Adsorción positiva)
TENSIOACTIVOS SURFACTANTES AGENTES DE SUPERFICIE ACTIVOS
ESTRUCTURA MOLECULAR ANFIFÍLICA
SIN TENSIOACTIVO CON TENSIOACTIVO
FENÓMENOS DE SUPERFICIE
2) ADSORCIÓN (cont.)
(mN/m)
Concentración (CTs)
Moléculas que ↑ɣ
Moléculas que ↓ɣ
0
EFECTO DE LA CONCENTRACIÓ DE Ts ↓ ɣ CON EL AGREGADO DE Ts ( y ) ↑ ɣ POR EL AGREGADO DE UN SOLUTO SUPERFICIALMENTE INACTIVO ( )
Valor máximo de (meseta)
↓ Superficie saturada de Ts
(MONOCAPA EMPACADA)
↓
Máxima ↓ɣ
(carga superficial): Cantidad de Ts adsorbido por unidad de superficie.
(mol/cm2)
C
MONOCAPA EMPACADA
ISOTERMA DE ADSORCIÓN DE Gibbs
TENSIOACTIVOS
POLÍMEROS Proteínas de la leche, huevo
y soja
MOLÉCULAS PEQUEÑAS ANFIFÍLICAS
Monoglicéridos, polisorbatos, lecitina,
1) POLÍMEROS PROTEÍNAS SON LOS AGENTES DE SUPERFICIE POLIMÉRICOS DE ELECCIÓN →
PROPIEDADES EMULSIONANTES Y
ESPUMANTES
DOMINIOS HIDROFÍLICOS DOMINIOS HIDROFÓBICOS
ESTRUCTURA QUÍMICA
Cuando una proteína se usa como una agente tensioactivo, se despliega y re-orienta su cadena de aminoácidos para que los grupos hidrófobos se orienten hacia la fase lipídica y los grupos hidrófilos hacia la fase acuosa .
TENSIOACTIVOS
2) MOLÉCULAS PEQUEÑAS ANFIFÍLICAS
+
Poseen dominios hidrofóbicos e hidrofílicos en su estructura
DOMINIO HIDROFÓBICO Cadena hidrocarbonada
DOMINIO HIDROFÍLICO Grupo polar
(amplia diversidad de grupos químicos)
ÁCIDO GRASO FOSFOLÍPIDO
TENSIOACTIVOS
2) MOLÉCULAS PEQUEÑAS ANFIFÍLICAS (cont.)
(zwitteriónico)
TENSIOACTIVOS
2) MOLÉCULAS PEQUEÑAS ANFIFÍLICAS (cont.)
TENSIOACTIVOS
2) MOLÉCULAS PEQUEÑAS ANFIFÍLICAS (cont.)
TWEEN 80
Ácido oleico
Grupo Polioxietileno Sorbitan
2) MOLÉCULAS PEQUEÑAS ANFIFÍLICAS (cont.)
(zwitteriónico)
TENSIOACTIVOS
2) MOLÉCULAS PEQUEÑAS ANFIFÍLICAS (cont.)
TENSIOACTIVOS
BALANCE HIDRÓFILO – LIPÓFILO (HLB) Indica el predominio de una de las porciones (hidrofílica o lipofílica) sobre la otra.
HLB
(1-4
0) > 7 >SOLUBILIDAD EN AGUA
7-9: ESPUMANTES 8-16: EMULSIONANTES o/w >13: DETERGENTES
7 = SOLUBILIDAD EN ACEITE Y AGUA
<7 > SOLUBILIDAD EN ACEITES
1-3,5: ANTIESPUMANTES 3,5-7: EMULSIONANTES w/o
TWEEN 80
LECITINA
TENSIOACTIVOS
2) MOLÉCULAS PEQUEÑAS ANFIFÍLICAS (cont.)
TENSIOACTIVOS
EMULSIONES
EMULSIONES ALIMENTARIAS Dispersión de dos líquidos inmiscibles que resulta en una fase continua y una dispersa en forma de gotas o glóbulos pequeños (d= 0,2 – 50 µm).
Diámetro típico de gota es de ≈ 1 µm.
Sistema termodinámicamente inestable.
Fases de las emulsiones:
1- FASE ACUOSA (“w”) (Soluciones o dispersiones de macromoléculas y microcomponentes)
2- FASE LIPÍDICA (“o”) (aceites con sustancias liposolubles disueltas)
Mayonesa al comienzo
Mayonesa al final
CLASIFICACIÓN DE LAS EMULSIONES
EMULSIÓN ACEITE EN AGUA (o/w)
EMULSIÓN AGUA EN ACEITE (w/o)
FASE DISPERSA LIPÍDICA MEDIO DISPERSANTE ACUOSO
FASE DISPERSA ACUOSA MEDIO DISPERSANTE LIPÍDICO
Comunes en la industria alimentaria: MAYONESA ADEREZOS LECHE CREMA SOPAS
No existen verdaderas emulsiones w/o en los alimentos. MANTECA MARGARINA
No son verdaderas emulsiones W/O
CLASIFICACIÓN DE LAS EMULSIONES
EMULSIONES o/w
1- Emulsiones cárnicas (PASTAS CÁRNICAS) Salchichas, salchichones, mortadelas, paté, etc.
2- Emulsiones de baja viscosidad y contenido graso: Leche, helados,
algunas bebidas saborizadas, etc.
3- Emulsiones de alta viscosidad y contenido graso: Mayonesa, aderezo para ensaladas, cremas, etc.
PARTÍCULAS SÓLIDAS DE GRASA. FASE ACUOSA GELIFICADA
PASTAS CÁRNICAS
PROCESO DE EMULSIFICACIÓN
¿Qué necesitamos para formar una emulsión?
• ACEITE
• AGUA
• EMULGENTE
• ENERGÍA (mecánica)
PROCESO DE EMULSIFICACIÓN
Desde el momento en que se FORMA UNA EMULSIÓN comienza simultáneamente el proceso de
DESESTABILIZACIÓN
1- FORMACIÓN 2- DESESTABILIZACIÓN
MEZCLA DE 2 LÍQUIDOS INMISCIBLES (agitación intensa)
↓
Dispersión TEMPORAL de uno en el otro
↓ ↑área interfacial
↓ ↑ ENERGÍA LIBRE
↓
SISTEMA TERMODINÁMICAMENTE INESTABLE
1) FORMACIÓN
PROCESO DE EMULSIFICACIÓN
1) FORMACIÓN
↓ ɣ facilitando la deformación y disrupción de las gotas → PROCESO DE FORMACIÓN
ESTABILIZA la emulsión (hace que las gotas permanezcan dispersas el mayor tiempo posible)
Debe estar disuelto en la fase continua → Regla de Bancroft : “La fase en la que el emulgente es más soluble se convierte en la fase continua”
↓ El tipo de emulsión que se forma depende primordialmente de la naturaleza del
emulgente empleado ↓
• Emulsiones o/w → Tensioactivo HLB elevado • Emulsiones w/o → Tensioactivo HLB pequeño
EMULGENTES
PROCESO DE EMULSIFICACIÓN
2) DESESTABILIZACIÓN
1) FLOCULACIÓN O AGREGACIÓN
2) CREMADO
3) MADURACIÓN DE Ostwald o DESPROPORCIÓN
4) COALESCENCIA
5) INVERSIÓN DE LAS FASES
INESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES
FLOCULACIÓN O AGREGACIÓN ASOCIACIÓN DE DOS O MÁS PARTÍCULAS ↓ Formación de AGREGADOS AISLADOS DE PARTÍCULAS (FLÓCULOS)
LAS PARTÍCULAS NO PIERDEN SU INTEGRIDAD INDIVIVIDUAL
Movimiento browniano
↓ ENCUENTROS CERCANOS-COLISIONES
↓ ∆G INTERACCIÓN → NEGATIVA
(Fuerzas de atracción sobre las de repulsión)
↓ Partículas permanecen juntas
↓
FLOCULACIÓN
Film interfacial delgado
ES REVERSIBLE
FAVORECE LOS PROCESOS DE CREMADO o SEDIMENTACIÓN.
CONDUCE A LA COALESCENCIA
INESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES
CREMADO - Sedimentación Se produce debido a las diferencias entre las densidad de la fase continua y la fase dispersa.
La fase menos densa tiende a subir y acumularse en la superficie.
Proceso REVERSIBLE
FASE DISPERSA MENOS DENSA → CREMADO
FASE DISPERSA MÁS DENSA → SEDIMENTACIÓN
¿ CÓMO EVITAR EL CREMADO? • ↓diferencia de densidad entre las fases
• ↓tamaño de las partículas
• Modificar la reología de la fase continua
(↑ viscosidad) → ESPESANTE (Polisacárido)
FASE CREMADA
Tiempo
Ley de Stokes (Vel. de cremado)
Vcremado = 2 g r2 (FD - FC) / 9
g = aceleración de la gravedad δ = Densidad de la fase η = Viscosidad de la fase continua r = Radio de la burbuja
INESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES
MADURACIÓN DE Ostwald
Las gotas más pequeñas se solubilizan en las mayores.
Crecimiento de las gotas de mayor tamaño.
Proceso de transferencia de masa de la fase dispersa a través de la fase continua en común.
NO ES MUY COMÚN EN EMULSIONES o/w (baja solubilidad de los lípidos en el disoluciones acuosas → TASA TRANSPORTE DE MASA INSIGNIFICANTE)
Ocurre en las emulsiones polidispersas.
Es importante en emulsiones o/w que contienen alcohol (licores de crema)
FUERZA IMPULSORA P interna de las partículas es > en las más pequeñas
Líquido
Partícula r
2P
PP PPP oeo
Ley de Laplace Diferencia de P a través de la superficie de
la interfase
MADURACIÓN DE OSTWALD
INESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES COALESCENCIA Fusión IRREVERSIBLE de dos o más partículas dispersas.
Se produce ruptura del film interfacial.
Formación de gotas de mayor tamaño y disminución del número de gotas.
Conduce a la separación de fases.
EMULSIÓN
FLOCULACIÓN
COALESCENCIA
CREMADO
SEPARACIÓN DE FASES
Ene
rgía
lib
re
INESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES
INVERSIÓN Transformación en forma abrupta de una emulsión o/w en una emulsión w/o o a la inversa. Ocurre en emulsiones con alta relación fase dispersa – fase continua. Trabajo mecánico enérgico. Proceso esencial en la elaboración de la manteca y algunas margarinas.
o/w
Agua
Agua
Aceite
Aceite
Aceite
Aceite
Aceite
Agua
Agua
Agua w/o
INESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES
INVERSIÓN
Condiciones controladas Elaboración de la manteca
INESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES
MANTECA vs. MARGARINA
Margarinas de bajo contenido graso
Emulsionantes: mono y diacilglicéridos (HLB bajo)
1) EMULSIÓN w/o
↓ 2) CRISTALIZACIÓN
(enfriamiento)
Si la emulsión w/o resulta inestable, conviene partir de una emulsión o/w y hacer una inversión de las fases simultáneamente a la cristalización.
ELABORACIÓN MARGARINA
EQUIPOS DE EMULSIFICACIÓN
1) MEZCLADORES DE ROTOR
Abarcan los agitadores de paletas, turbina y hélice. Se usan generalmente para la pre-emulsión. La emulsificación usando estos equipos es menos efectiva que la lograda con un molino coloidal o con un homogeneizador de alta presión. Gotas grandes grandes y emulsiones polidispersas. Se utilizan en la elaboración de mayonesa, premezclas de aderezos, cremas.
EQUIPOS DE EMULSIFICACIÓN
2) MOLINOS COLOIDALES Compuesto por un elemento estacionario y otro
rotatorio; entre ellos queda un pequeño espacio
ajustable (50-150 µm) a través del cual se pasa la
premezcla.
La rápida rotación del rotor genera un esfuerzo de
corte que produce la rotura de las gotas grandes en
gotas más pequeñas.
La alimentación entra por el centro de rotación por
acción de la fuerza de gravedad, pasa por la ranura y se
descarga por la periferia.
Se producen emulsiones finas (d= 1- 20 m)
Adecuados para homogeneizar productos de mediana y alta viscosidad.
Utilizados para: manteca de maní, pastas de carne o pescado, mayonesa, cremas.
EQUIPOS DE EMULSIFICACIÓN
3) HOMOGENIZADOR DE ALTA PRESION Se fuerza el paso de la emulsión bruta a gran velocidad a través de una ranura muy estrecha. Básicamente compuesto por una válvula de homogeneización y una bomba de alta presión. Válvula proporciona abertura ajustable del orden de 15 a 30μm y a través de ella se hace pasar la mezcla a alta presión. Se obtienen gotas pequeñas (diámetro < 1 µm) y emulsiones monodispersas. Muy efectivos productos baja viscosidad Se utiliza para: leche, helados, cremas poco grasas, aderezos para ensaladas, sopas, algunas salsas.
EQUIPOS DE EMULSIFICACIÓN
4) EMULSIFICADORES ULTRASÓNICOS Resonador de cuña 1) Los líquidos a dispersar se bombean a través de una boquilla 2) El chorro que sale se hace chocar contra una cuchilla filosa en forma de cuña (la cuña se encuentra vibrando por aplicación de ondas ultrasónicas) 3) La cuña imparte frecuencia ultrasónica a los líquidos emulsificándolos.
Se obtienen emulsiones de partículas pequeñas (d= 1-2 µm)
Usos: Helados, chocolate para cobertura, alimentos infantiles, cremas para ensaladas.
ESPUMAS
ESPUMAS ALIMENTARIAS
Dispersión de burbujas de gas en un líquido o semisólido.
SISTEMAS TERMODINÁMICAMENTE MUCHO MÁS INESTABLES
EMULSIÓN ESPUMA
Diámetro gota/burbuja (d) 0,2-50 µm 0,1-3 mm
Diferencia densidades entre FD-FC (∆δ) ≤ 10 2 Kg/m3 10 3 Kg/m3
ɣi / ɣs ≈0,1 mN/m ≥ 30 mN/m
Solubilidad FD en FC MENOR (≈0 en o/w) MAYOR
1) d burbujas → EXCLUYE A LAS ESPUMAS DE LOS SISTEMAS COLOIDALES
2) d burbujas + ∆δ → FORMACIÓN DE CAPA CREMADA FAVORECIDA
3) ɣi << ɣs → EMULSIONES SON MÁS ESTABLES QUE LAS ESPUMAS
4) Solubilidad relativa del aire en el agua → MADURACIÓN DE Ostwald FAVORECIDA (CO2 > solubilidad)
FORMACIÓN DE LAS ESPUMAS INCORPORACIÓN DE GAS A LOS ALIMENTOS
1) POR SOBRESATURACIÓN
a) Disolución de un gas bajo presión y liberándolo luego por disminución de la presión (gaseosas, crema batida en aerosol)
b) Formación de gas in situ •Fermentación por microorganismos (masas leudadas) → Levaduras metabolizan azúcares → CO2
•Reacción química (productos de panadería) → NaHCO3 reacciona sobre los 90°C generando CO2
c) Generación interna de vapor por calentamiento Vapor escapa violentamente causando expansión (palomitas de maíz)
2) MEDIANTE APLICACIÓN DE FUERZAS MECÁNICAS
a) Inyección de gas por un orificio angosto (Muy utilizado → bebidas enlatadas, helados)
Permite el control de la cantidad de gas incorporado a la espuma.
b) Batido o agitación (Ampliamente utilizado → cremas, helados, merengue)
Agitadores mecánicos con altas velocidades de giro. Puede realizarse en sistemas abiertos o en sistemas cerrados.
c) Expansión bajo vacío (chocolate aireado)
Aplicación de vacío → los gases disueltos se expanden → enfriamiento→ solidificación
FORMACIÓN DE LAS ESPUMAS
PARÁMETROS IMPORTANTES EN LA FORMACIÓN DE UNA ESPUMA
1) Overrun •Cantidad de aire incorporado → Se expresa como el incremento porcentual en volumen del sistema
•Mide la capacidad espumante de un Ts
100.ciallíquidoini
ciallíquidoiniespuma
volumen
volumenvolumenOverrun
2) Tiempo necesario para alcanzar el máximo overrun
FORMACIÓN DE LAS ESPUMAS
AGENTES ESPUMANTES Para producir una espuma es necesario un Ts → ↓ ɣs
NO CUALQUIER Ts GENERA ESPUMAS ESTABLES
PROTEÍNAS → GENERAN ESPUMAS ESTABLES
DEPENDENCIA CON LA CONCENTRACIÓN
Y EL pH
Las mezclas de proteínas o de
proteínas y péptidos > CAPACIDAD
ESPUMANTE que las proteínas aisladas.
FORMACIÓN DE LAS ESPUMAS
CLARA DE HUEVO
• 90% agua
• 10% proteínas Ovoalbúmina (54%)
Conalbúmina (13%)
Ovomucoide (11%)
• Trazas: minerales, glucosa y vitaminas (Riboflavina)
PROTEÍNAS DEL SUERO DE LA LECHE
(β- lactoglobulina, α-lactoalbúmina)
Sn 5% pueden producir un overrun ≈ 1.000%
EVOLUCIÓN DE LA ESTRUCTURA DE LAS ESPUMAS
MARCADA CONCENTRACIÓN DE ESFUERZO ENTRE LAS BURBUJAS → DEFORMACIÓN
Bordes de Plateau
Lamelas
ESPUMA ESFÉRICA o HÚMEDA
ESPUMA POLIÉDRICA o SECA
Film grueso
MA
DU
RA
CIÓ
N D
E LA
ESP
UM
A
↑ DRENAJE DE LÍQUIDO INTERSTICIAL
↓ BURBUJAS POLIÉDRICAS: Capa fina del líquido que separa dos caras de burbujas adyacentes → LAMELA Canales de encuentro de las lamelas → BORDES DE PLATEAU
Burbujas iniciales → ESFÉRICAS
• Ascienden rápidamente y forman una capa superior de espuma (FC de viscosidad baja)→ CREMADO
↕simultáneamente
• DRENAJE GRAVITACIONAL
↕simultáneamente
•Maduración de Ostwald
INESTABILIDAD DE LAS ESPUMAS
1) MADURACIÓN DE OSTWALD
2) CREMADO-FLOTACIÓN
3) DRENAJE
4) COALESCENCIA o COLAPSO Todos los mecanismos de desestabilización ocurren simultánea y enérgicamente.
• ESPUMAS JÓVENES → Predominan 2 y 3
• ESPUMAS MADURAS → Predominan 1 y 4
DESESTABILIZACIÓN
FORMACIÓN
INESTABILIDAD DE LAS ESPUMAS
MADURACIÓN de Ostwald →
A minutos de la formación de una espuma → ↑ perceptible del tamaño de las burbujas
a) Aire difunde directamente hacia la atmósfera
b) MADURACIÓN de Ostwald
TIPO DE INESTABILIDAD MÁS IMPORTANTE
BURBUJA PEQUEÑA
BURBUJA PEQUEÑA
P1´
Ley de Laplace: P1 y P1´>>P2
Gradiente de P entre las burbujas ↓
Difusión gaseosa a través de las lamelas
Gases son más solubles en una fase acuosa que los aceites
FUERZA IMPULSORA P interna de las burbujas es > en las más pequeñas
Líquido
burbuja r
2P
PP PPP oeo
Ley de Laplace Diferencia de P a través de la superficie de
la interfase
INESTABILIDAD DE LAS ESPUMAS
EVOLUCIÓN DE UNA ESPUMA POR MADURACIÓN DE OSTWALD
1) FORMACIÓN DE UNA CAPA RÍGIDA DE MOLÉCULAS INSOLUBLES ADSORBIDAS (Claras de huevo batidas)
2) RECUBRIR LA SUPERFICIE CON PARTÍCULAS SÓLIDAS INSOLUBLES(crema batida)
3) GELIFICACIÓN: Convirtiendo la FC en un sólido
¿Cómo detener esta evolución? ESPUMAS CON TENSIOACTIVO
Burbuja se encoge → ↓ superficie ↓
↑ ↓
↓ɣs
↓ ↓P Laplace
↓ ↓F impulsora de la Maduración de
Ostwald
MADURACIÓN de Ostwald (cont.)
ESPUMAS → Ts se desadsorben con facilidad por su solubilidad en la FC: Los de moléculas pequeñas rápidamente Las proteínas lentamente
INESTABILIDAD DE LAS ESPUMAS
CREMADO o FLOTACIÓN
Ley de Stokes (Vel. de cremado)
Vcremado = 2 g r2 (FD - FC) / 9
g = aceleración de la gravedad δ = Densidad de la fase η = Viscosidad de la fase continua r = Radio de la burbuja
Por diferencia de densidad, las burbujas de aire ascienden a través de la FC
la FC fluye alrededor de las burbujas.
Velocidad de cremado depende de la ley de Stokes
↑η ↓
EL CREMADO OCURRE MÁS LENTAMENTE
↓
•AGENTES ESPESANTES CON UMBRAL DE FLUENCIA • GELIFICACIÓN
• Fenómeno visiblemente importante en espumas de baja viscosidad (gaseosas, cerveza, champagne)
• Impedido en las espumas de alta viscosidad (merengues)
El líquido drena desde la espuma → ↓ proporción de líquido en la espuma
1) ESPUMAS ESFÉRICAS→ Por acción de la gravedad (notable al inicio, aunque ocurre durante toda la vida de la espuma)
2) ESPUMAS POLIÉDRICAS →Desde las lamelas hacia los bordes de Plateau donde la presión es menor Fuerza impulsora: Diferencia de radio de curvatura entre los bordes Plateau y las lamelas → Gradiente de P
DRENAJE
INESTABILIDAD DE LAS ESPUMAS
¿Cómo evitar un drenaje excesivo? 1) INCORPORAR PARTÍCULAS HIDRÓFILAS DE RELLENO
2) GELIFICACIÓN
P ≈ [1/Ra – 1/ Rb]
Ra = Radio de curvatura de PB Rb = Radio de curvatura de la lamela
Ley de Laplace: P1 >> P2
INESTABILIDAD DE LAS ESPUMAS
COALESCENCIA - COLAPSO
Ruptura de la película líquida que separa a las burbujas de aire
La repetición de este proceso conduce a la
1) ↓VOLUMEN DE LA ESPUMA
2) DESAPARICIÓN COMPLETA DE LA ESPUMA
Cualquier factor de adelgace las lamelas promueve el COLAPSO:
• MADURACIÓN
• DRENAJE
• EVAPORACIÓN DE LÍQUIDO (especialmente en la parte superior de la espuma)
• PARTÍCULAS EXTRAÑAS (hidrofóbicas y lo suficientemente grandes)
GELES
FASE DISPERSA FASE CONTINUA NOMBRE EJEMPLOS
SÓLIDO SÓLIDO SOL SÓLIDO • Dulces • Caramelos
LÍQUIDO SÓLIDO EMULSIÓN SÓLIDA • Manteca • Chocolate
GAS SÓLIDO ESPUMA SÓLIDA • Pan • Algodón de azúcar • Helado
SÓLIDO LÍQUIDO SOL • Leche descremada • Snes proteicas
LÍQUIDO LÍQUIDO EMULSIÓN • Mayonesa • Crema • Leche
GAS LÍQUIDO ESPUMA • Merengue • Crema batida • Espuma de cerveza
SÓLIDO GAS AEROSOL SÓLIDO • Leche en polvo (atomización)
LÍQUIDO GAS AEROSOL LÍQUIDO • Nieblas
CLASIFICACIÓN DE LOS COLOIDES
GELES
Son resultado de la gelificación de un SOL
GELES
SOL FASE CONTINUA: Líquida FASE DISPERSA: Sólido → Macromoléculas
• Proteínas • Polisacáridos
SOLES LIÓFILOS (comunes en la industria alimentaria)
COLOIDES DE ASOCIACIÓN
MICELA
H+
H+
FASE DISPERSANTE
Macromolécula con grupos polares
ENLACE DE HIDRÓGENO
DISPERSIONES DE PROTEÍNAS Y POLISACÁRIDOS
GELES
PROPIEDADES DE LOS SOLES ALIMENTARIOS
ESPESANTES (↑η de alimentos en estado líquido)
Soles de gomas, pectinas, almidón, proteínas. Usos: aderezos, sopas, etc.
GELIFICANTES (aportan estructura a los alimentos)
ESTABILIZANTES
GELES DEFINICIÓN DE GEL
↓ Propiedades microestructurales y mecánicas muy diversas
Dispersión coloidal de partículas sólidas en un medio dispersante, que posee la capacidad de formar una estructura rígida.
En un gel la FD forma una red interpenetrando y encerrando a la FC.
Red continua inmersa en un sistema líquido que exhibe un flujo no estacionario.
Es una matriz o red 3D de macromoléculas interconectadas que atrapan e inmovilizan a la fase líquida en sus espacios.
Sistema intermedio entre un sólido y un líquido, constituido por una red 3D de moléculas que establecen entre sí numerosas interacciones formando zonas de unión. El líquido queda retenido en esta estructura mediante interacciones con los polímeros y mediante fuerzas de capilaridad.
Desde el punto de vista estructural los geles presentan una matriz de material interconectado con solvente intersticial.
GELES
UN GEL Sistema de al menos 2 componentes que se comporta mecánicamente como un MATERIAL VISCOELÁSTICO.
Compuesto por 2 fases:
1) FASE SÓLIDA → Imparte estructura
2) FASE LÍQUIDA → atrapada en la red 3D (PREDOMINANTE)
SOL Fluido viscoso
GEL Matriz viscoelástica
GELIFICACIÓN
REOLOGÍA. MATERIALES DEFORMABLES
SÓLIDOS ELÁSTICOS → al retirar el esfuerzo aplicado recuperan su forma original.
MATERIALES VISCOELÁSTICOS → presentan simultáneamente comportamientos elásticos y viscosos.
FLUIDOS VISCOSOS (líquidos y gases) → Ante una fuerza aplicada fluyen (viscosidad: resistencia al flujo)
GELES
REOLOGÍA BÁSICA DE LOS GELES → VISCOELASTISIDAD
1
2
1
2
Para pequeñas fuerzas se comporta elásticamente es decir se deforma en forma proporcional al esfuerzo y retorna a su forma original cuando se quita el esfuerzo.
Para mayores esfuerzos, muestra un
comportamiento VISCOELÁSTICO, primero se deforma elásticamente (UMBRAL DE FLUENCIA) después empieza a fluir y al retirar el esfuerzo solo recupera parcialmente su forma.
CURVA DE RELACIÓN: DEFORMACIÓN vs. TIEMPO
El comportamiento viscoelástico depende de la escala de tiempo de la deformación Escalas muy cortas de tiempo → COMPORTAMIENTO ELÁSTICO Escalas muy largas de tiempo → COMPORTAMIENTO VISCOSO
GELES
CLASIFICACIÓN (Desde el punto de vista de la tecnología alimentaria)
GELES ALIMENTICIOS
1) GELES POLIMÉRICOS Matriz → moléculas de cadena lineal larga que se entrecruzan en varios puntos.
Según la naturaleza de los entrecruzamientos:
a) GELES POLIMÉRICOS CON ENLACES COVALENTES (ASOCIACIÓN QUÍMICA)
b) GELES POLIMÉRICOS CON ENLACES NO COVALENTES (ASOCIACIÓN FÍSICA)
2) GELES PARTICULADOS (AGREGADOS) Matriz → formada por partículas agregadas que forman una red ordenada.
Las redes son gruesas, y esto genera geles OPACOS.
GEL POLIMÉRICO de PROTEÍNA GELES POLIMÉRICO de POLISACÁRIDOS
GELATINA ALMIDÓN
OTROS EJEMPLOS Pectinas Carragenatos Alginatos Agar Agar Otras gomas
PARTÍCULAS → Micelas de caseína PARTÍCULAS → Cristales de Triacilglicerol
GELES
Gel polimérico NO COVALENTE
•Enlaces de Van der Waals •Enlaces electrostáticos •Enlaces hidrofóbicos •Puentes de Hidrógeno
GELATINA Triples hélices
CARRAGENATOS AGAR AGAR Dobles hélices
ALGINATOS Zona de unión en “cartón de huevo”
Ej: Enlaces S-S
GELES
GELIFICACIÓN ↓ AGENTES FÍSICOS → PRESIÓN Y TEMPERATURA Geles formados con frío: Luego de un calentamiento (disolución del material formador de la red) el sistema se enfría → GEL Ejemplos: Gelatina, κ carragenato Geles formados con calor: Solución de proteínas globulares se calienta por encima de su temperatura de desnaturalización → GEL (depende de la concentración de proteínas) Ejemplos: Clara de huevo, proteínas cárnicas
AGENTES QUÍMICOS (afectan las interacciones moleculares)
pH → Geles lácteos inducidos por la acidez (yogur)
Presencia de sales específicas (sales de Ca) → Gelificación de
gomas
Acción enzimática → Transglutaminasa bacteriana en productos a
base de surimi; cuajo en la elaboración de quesos.
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