emulsificaciÓn y homogenizaciÓn -...
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EMULSIFICACIÓNY
HOMOGENIZACIÓN
Ingeniería de Alimentos III M.C. Ma. Luisa Colina Irezabal
EMULSIFICACIÓN
HOMOGENIZACIÓN
Formación de una emulsión
Reducción de tamaño de las partículas de una emulsión con objeto de proporcionar
mayor estabilidad en la emulsión
Sistema constituido por dos fases líquidas inmiscibles, una de las
cuales se dispersa a través de la otra en forma de gotas muy pequeñas
Fase dispersa (FD): Líquido que se dispersa enpequeñas gotitas, también se le conoce como fase interna o discontinua
Fase continua (FC): Liquido como medio dedispersión, también llamada fase externa.
EMULSIÓN
Suspensión Fase continua: líquido Fase dispersa: sólidoEspuma Fase continua: líquido Fase dispersa: gas
Ejemplos de Emulsiones en Alimentos:
mantequilla y margarinaleche crema helado
yogurt liquido y sólido
huevo
mayonesa
aderezos para ensalada
bebidas salsas, condimentosy saborizantes rellenos, cubiertas y betunes para repostería
salchichas
Generalmente, las emulsiones de alimentos contienen 2 fases:
a) Una fase acuosa que consiste en agua que contiene sales, azúcares, ácidos en solución y/o otras sustancias orgánicas o coloid ales
b) Una fase oleosa que consiste en aceites, grasas, ceras, resinas, aceites esenciales y otros materiales hidrofóbicos.
Según la naturaleza de la fase dispersa (FD):– Aceite en agua (O/W) – Agua en aceite (W/O)
(oil-in-water )(water-in-oil)
Tipos de emulsiones
O/W
Fase Dispersa (FD) o Interna: Aceite Fase Continua (FC) o Externa : Agua
Ejemplo: leche, crema
W/OFase Dispersa (FD) o Interna: AguaFase Continua (FC) o Externa : Aceite
Ejemplo: margarina, mantequilla
Emulsión O/W Emulsión W/ O
EMULSIONES SIMPLES
Agua
Aceite
EMULSIONES MÚLTIPLES
Emulsión W/O/W Emulsión O/W/O
Agua
Aceite
Las fases acuosas interna y externa están separadas
por una fase oleosa
Son aquellas en donde la fase dispersa contiene got itas mas pequeñas que son miscibles con la fase continua
La fase acuosa se encuentra entre dos fases oleosas
Estas emulsiones son fabricadas en 2 etapas. 1º se produce la emulsión interna y posteriormente ésta se homogeniza en la f ase continua externa.
- El tamaño de los glóbulos de la fase dispersa
- La diferencia de densidad de ambas fases
- La viscosidad de la fase continua y de la emulsión
- Las fuerzas de interfase que actúan en la superfici e de los glóbulos
- La naturaleza, eficacia y cantidad de emulsificante y estabilizante
- Las circunstancias de almacenamiento (temperaturas altas y bajas, agitación o vibración, evaporación)
Emulsión estable: Sistema en el que los glóbulos conservan su carácter inicial y permanecen
distribuidos uniformemente en la fase continua
La estabilidad de una emulsión depende de diversos factores:
El tamaño y la distribución de tamaños de las partí culas de una emulsión dependen del tipo e intensidad de la agita ción suministrada Si se reduce poco a poco el tamaño de las
partículas de la emulsión, varían el color y el asp ecto de ésta.
A mayor agitación, menor tamaño de partícula
TAMAÑO DE LOS GLÓBULOS DE LA FASE DISPERSA
Las gotas más grandes normalmente
contribuyen más a la inestabilidad de la emulsión
Característica EMULSIÓN MICROEMULSIÓN
Tamaño Gota (fase dispersa) >>>> 1µµµµm
< 0.1µµµµm(10-200 nm)
Aspecto Opaca Transparente ó Translúcida
Estabilidad Termodinámica
No Si
TAMAÑO DE LOS GLÓBULOS DE LA FASE DISPERSA
Si se reduce poco a poco el tamaño de las partícula s de una emulsión, varían el color y el aspecto de dicha emu lsión
TAMAÑO DE LOS GLÓBULOS DE LA FASE DISPERSA
La viscosidad de una emulsión cuando hay exceso de fase continua es virtualmente la viscosidad de dicha fase
Al aumentar la proporción de la fase dispersa aumen ta la viscosidad de la emulsión hasta un punto en que la emulsión de ja de ser líquida.
VISCOSIDAD DE LA FASE CONTINUA Y DE LA EMULSIÓN
A mayor viscosidad de la fase continua, mayor
estabilidad de la emulsión
TENSIÓN INTERFACIAL
En un sistema de dos fases, existe energía libre en la interfase entre los dos líquidos inmiscibles, debido al desbalance de l as fuerzas cohesivas
de los dos materiales
Para que una emulsión pueda formarse, debe superarse la tensión interfacial, introduciendo
energía en el sistema, que normalmente se logra mediante la agitación
Cuanta mayor es la tensión interfacial entre los dos líquidos, mayor es la energía requerida para dispersar la fase interna y formar la emulsión
Esta energía libre en la interfase es denominada TENSIÓN INTERFACIAL
Las emulsiones son sistemas termodinámicos inestabl es
La inestabilidad se debe al aumento del área ( ∆∆∆∆A) de las gotas, que produce un incremento en la Entalpía Libre de Gibbs (∆∆∆∆G)
AG ∆=∆ γ∆∆∆∆G = Enegía Libre de Gibbs
γ = Tensión interfacial
∆∆∆∆A = Incremento en el área
Al mezclar dos líquidos inmiscibles, la fase interna toma la forma de gotas esféricas, que representa la menor área superficial
por unidad de volumen
Cuando la agitación cesa, hay una coalescencia entre las gotas, formando
gotas mas y mas grandes y eventualmente las dos fases se separan por completo
1. Sedimentación / Cremación2. Agregación3. Coalescencia / Ruptura de la Emulsión
ESTABILIDAD FÍSICA DE LAS EMULSIONES
La estabilidad de una emulsión puede romperse debido a 3 tipos de fenómenos:
Emulsión estable
Cremación
Ruptura de la emulsión
Agregación
SEDIMENTACIÓN – CREMADO
Se origina como consecuencia de la diferencia de de nsidades entre ambas fases.
Las partículas se concentran en la superficie o en el fondo, dependiendo de la densidad relativa de las dos fase s de la mezcla
EMULSIÓN ESTABLE CREMADO
Velocidad de cremado / sedimentación:
ηδδ
9
)(2 02 g
rv−=
v= velocidad de cremado / sedimentado
r = radio de la gota
δδδδ0 = densidad de la fase continua
δ= densidad de la fase dispersa
g= aceleración debida a la gravedad
ηηηη = viscosidad absoluta de la fase continua
AGREGACIÓN
CREMADO
AGREGACIÓNSe origina como consecuencia de las fuerzas de atrac ción entre las
partículas formando agregados de partículas
EMULSIÓN ESTABLE
COALESCENCIA /RUPTURA DE LA EMULSIÓN
CREMADOCOALESCENCIA
AGREGACIÓN
Se origina como consecuencia de la tensión interfac ial y causa un cambio real en el tamaño de las gotas
Las partículas se funden y forman una capa de líqui do.
EMULSIÓN ESTABLE
SEPARACIÓN DE FASES
ESTABILIDAD FÍSICA DE EMULSIONES
Para evitar la separación de las fases se necesita un
EMULSIFICANTE
agua
aceite
Para conservar una emulsión estable se necesita un
ESTABILIZANTE
Los emulsificantes (agentes tensoactivos o surfacta ntes) (SURFace ACTive AgeNT) son moléculas que poseen
una parte hidrofílica y otra lipofílica o hidrofobi ca(generalmente una parte polar y una no polar)
EMULSIFICANTES
Cabeza polar (HIDROFILICA )
Cola no polar (LIPOFILICA)
Puede llevar una carga positiva o negativa y es est a parte la que define al agente tensoactivo como
catiónico o aniónico respectivamente, aunque tambié n puede ser no iónico
La parte no polar o hidrófoba de la molécula generalmente suele ser una cadena longitudinal
de hidrocarbonos.
El emulsificante o tensoactivo se coloca en la inte rfase entre el agua y el aceite con su cadena hidrófoba orienta da hacia el aceite y el grupo hidrófilo orientado hacia el agua formando
agregados llamados micelas
En el caso de una emulsión agua en aceite, el grupo hidrófilo estará dirigido hacia el interior de los glóbulos acuosos mientras que la parte hidrófoba hacia la fase continua y en una emulsión aceite en agua de
manera inversa.
Los emulsificantes presentes o añadidos a la emulsi ón, forman micelas alrededor de cada gotita de la fase dispers a, que reducen la tensión interfacial entre las fases y evitan su
coalescencia
ESTABILIZANTES
Los estabilizadores se disuelven en la fase continua y aumentan suviscosidad lo que restringe la movilidad de las got as de las fase
dispersa y las colisiones entre ellas y, por tanto, reduce el riesgo decoalescencia
La viscosidad de las emulsiones puede ser afectada de manera sorprendente por cambios relativamente mínimos en l a naturaleza y en
la concentración de agentes emulsificantes y estabi lizantes.
Entre los agentes estabilizadores mas utilizados se encuentran los polisacáridos y las gomas
Emulsificantes y Estabilizantes Naturales:-Fosfolípidos (Lecitina)
-Lipoproteìnas
-Gomas (Carragenina, Goma Guar, Alginatos)
-Polisacáridos (Carboximetil celulosa)
-Pectina
-Proteínas (Gelatina, Albúmina de huevo)
-Polisorbatos (Ej:Tween 20)
-Propilen Glicol
-Di, Tri y Poli Fosfatos
-Esteres de sorbitan (Span)
-Esteres glicéricos de ácidos grasos
-Lauril sulfato de sodio
Emulsificantes y EstabilizantesSintèticos:
Equipos para la Emulsificación y Homogenización
La finalidad de la maquinaria para emulsificación y homogenización es dividir y reducir el tamaño de partícula de la fase dispersa, para poder
dispersarla en la fase continua
El tamaño de las partículas de la fase dispersa deb e ser lo suficientemente pequeño para evitar la unión y la c onsiguiente
desintegración de la emulsión en el tiempo requerid o de estabilidad.
1. EMULSIFICACIÓN:- Agitadores de alta velocidad- Molinos coloidales
2. HOMOGENIZACIÓN- Homogenizadores a presión- Homogenizadores ultrasónicos
Los principales equipos utilizados son:
El agitador de paletas tipo ancla es muy utilizado p ara emulsiones de gran viscosidad ( como mantequilla de cacahuate, pate ).
En este agitador las paletas efectúan dos movimient os circulares: uno de rotación sobre su propio eje y otro de trasl ación en una órbita circular. De esta manera se puede mezclar bie n una gran porción de masa espesa.
Agitadores de Paletas tipo Ancla
Emulsificadores
Están hechos con elementos impulsores de hojas cortas (generalmente entre el 30 y el 50%
del diámetro del tanque) girando a gran velocidad (500 a varios miles de rpm).
Agitadores de Turbina y de Hélice
Agitadores de Turbina Agitadores de Hélice
Esta clase de agitación es muy eficiente para emulsiones de baja o mediana
viscosidad (Ej. Mayonesa)
Emulsificadores
Molinos Coloidales
Los molinos coloidales son básicamente molinos de d iscos. En ellos la fuerza de cizalla se genera por la acción de un
disco que gira entre 3 000 y 15 000 rpm sobre un di sco estacionario, separados ambos por un espacio muy pe queño
(0.05 – 1.3 mm)
Las fuerzas de cizalla y mezclado producen dispersione s sumamente uniformes y emulsiones estables.
Se puede procesar una amplia variedad de viscosidad es del producto, limitada únicamente por la máxima pre sión
de entrada (aprox 150 psig (10 bares).
Entre las aplicaciones típicas se cuentan el aderezo para ensaladas, la mayonesa, la
homogenización del huevo líquido y salsas a base de tomate.
Emulsificadores
Las fuerzas cortantes y de cizalla que se aplican a la emulsión, provocan un aumento de temperatura durante la emulsificación por
lo que generalmente es necesario el enfriamiento externo.
Los discos empleados pueden ser de diferentes tipos: planos, dentados,
ondulados
Molinos Coloidales
Homogenizadores
Los homogenizadores reducen el tamaño de partícula ( a tamaños desde mm hasta micras) e incrementan el número de partícu las en la fase dispersa por aplicación de fuerzas de cizalla, con ob jeto de lograr
contacto íntimo entre los componentes y la estabili dad de ambas fases.
La homogenización es una operación mas drástica que la emulsificación
Virtual Plant →→→→ Equipo →→→→ Fluidos →→→→
HOMOGENIZADOR
En este tipo de homogeneizadores, se pasan ambas fases por una válvula a alta
presión. A la salida de la válvula, la velocidad de movimiento del líquido cae
bruscamente y la extrema turbulencia que se produce genera una intensa fuerza de cizalla que disminuye el tamaño de las partículas de la fase
dispersa.
Homogenizadores a Presión
En algunos alimentos (como productos lácteos) a vec es se produce una distribución inadecuada del agente emulsificante so bre la superficie de
los nuevos glóbulos, provocando que se aglomeren, p or lo que se instala una segunda válvula, semejante a la primera, que ro mpe estos
agregados.
Las ondas sónicas de elevada frecuencia (18-30 kHz) producen ciclos alternantes de compresión y tensión en los líquidos de baja viscosidad y la cavitación de burbujas de aire provoca una emulsión en gotitas de 1-2 µµµµm
Homogenizadores Ultrasónicos
En estos homogenizadores, la alimentación se bombea a una presión de 340-1400kPa. La energía ultrasónica es producida p or una lámina de
metal que vibra a su frecuencia de resonancia.
La emulsificación y homogenización repercuten sobre el color de algunos alimentos
Por ejemplo, la homogenización aumenta la blancura de la leche debido a que el mayor número de glóbulos de grasa incrementa la cantidad de luz
reflejada y dispersa
En muchos alimentos, la emulsificación mejora el sabor y aroma, ya que provoca la dispersión de los componentes volátiles, incrementando su
contacto con las papilas gustativas
La emulsificación y homogenización estabilizan a los productos dándoles un aspecto uniforme y evitando su separación, pero no mejora por si
misma, la conservación del alimento
EFECTO DE LA EMULSIFICACIÓN Y HOMOGENIZACIÓN SOBRE LOS ALIMENTOS