clase alimentos como sistemas dispersos

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Cátedra de Química y Bioquímica de los Alimentos Ing. en Alimentos FCEQyN UNaM TEMA 3: LOS ALIMENTOS COMO SISTEMAS DISPERSOS

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SISTEMAS COLOIDALES

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Page 1: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

Cátedra de Química y Bioquímica de los Alimentos – Ing. en Alimentos – FCEQyN – UNaM –

TEMA 3: LOS ALIMENTOS COMO

SISTEMAS DISPERSOS

Page 2: Clase 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

Page 3: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 4: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 5: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 6: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 7: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 8: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 9: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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)

Page 10: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 11: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

+ +

+

+

+

+

+ +

+

+

+

+ +

+

+

+ +

+

+

+

+ + +

Page 12: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 13: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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.)

Page 14: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 15: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 16: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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”

Page 17: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 18: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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)

Page 19: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 20: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 21: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 22: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 23: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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 .

Page 24: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 25: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

TENSIOACTIVOS

2) MOLÉCULAS PEQUEÑAS ANFIFÍLICAS (cont.)

(zwitteriónico)

Page 26: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

TENSIOACTIVOS

2) MOLÉCULAS PEQUEÑAS ANFIFÍLICAS (cont.)

Page 27: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

TENSIOACTIVOS

2) MOLÉCULAS PEQUEÑAS ANFIFÍLICAS (cont.)

TWEEN 80

Ácido oleico

Grupo Polioxietileno Sorbitan

Page 28: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

2) MOLÉCULAS PEQUEÑAS ANFIFÍLICAS (cont.)

(zwitteriónico)

TENSIOACTIVOS

Page 29: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 30: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

TWEEN 80

LECITINA

TENSIOACTIVOS

2) MOLÉCULAS PEQUEÑAS ANFIFÍLICAS (cont.)

Page 31: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

TENSIOACTIVOS

Page 32: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

EMULSIONES

Page 33: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 34: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 35: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 36: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

PASTAS CÁRNICAS

Page 37: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

PROCESO DE EMULSIFICACIÓN

¿Qué necesitamos para formar una emulsión?

• ACEITE

• AGUA

• EMULGENTE

• ENERGÍA (mecánica)

Page 38: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 39: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 40: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

PROCESO DE EMULSIFICACIÓN

2) DESESTABILIZACIÓN

1) FLOCULACIÓN O AGREGACIÓN

2) CREMADO

3) MADURACIÓN DE Ostwald o DESPROPORCIÓN

4) COALESCENCIA

5) INVERSIÓN DE LAS FASES

Page 41: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 42: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 43: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 44: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 45: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 46: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

INESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES

INVERSIÓN

Condiciones controladas Elaboración de la manteca

Page 47: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 48: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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.

Page 49: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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.

Page 50: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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.

Page 51: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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.

Page 52: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

ESPUMAS

Page 53: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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)

Page 54: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 55: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 56: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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.

Page 57: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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%

Page 58: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 59: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 60: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 61: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 62: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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)

Page 63: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 64: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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)

Page 65: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

GELES

Page 66: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 67: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 68: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 69: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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.

Page 70: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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)

Page 71: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 72: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 73: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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

Page 74: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos

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.

Inducida por

Page 75: Clase Alimentos Como Sistemas Dispersos