método corregido de determinación del contenido … grasas plásticas tienen un rango amplio de...
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Método corregido de determinación del contenido de grasa sólida por calorimetría diferencial de barrido
Dr. Jorge R. Wagner Dr. Andrés L. Márquez, Ing. M. Paula Pérez Laboratorio de Investigación en Funcionalidad y Tecnología de Alimentos (LIFTA). Departamento de Ciencia y Tecnología. Universidad Nacional de Quilmes. CONICET. Argentina
Las grasas comerciales son mezclas de triglicéridos mayoritariamente heteroácidos, por lo que presentan un rango de fusión más que un punto de fusión definido, haya o no formas polimórficas diferentes. RANGO DE FUSION: Tinicial → Tfinal
A temperaturas dentro del rango de fusión coexisten cristales de grasa (grasa sólida) y aceite (grasa fundida), por lo que la grasa adquiere un estado semisólido con plasticidad y consistencia dependiente de la temperatura.
Rango y punto de fusión de grasas
Plasticidad de grasas La plasticidad se refiere a la propiedad de comportarse como sólidos, resistiendo la acción de pequeñas fuerzas, y a su vez fluir como un líquido cuando se someten a fuerzas de deformación superiores.
Las grasas plásticas tienen un rango amplio de fusión. Por encima de una temperatura dada, no fluyen ni se desmoronan por la acción de su propio peso, aunque pueden ser fácilmente moldeadas .
En el rango de fusión, según la temperatura y cantidad/tipo de cristales (grasa sólida), las grasas adquieren además de la plasticidad, diferentes propiedades reológicas (viscoelasticidad, untabilidad) que afectan las propiedades de los alimentos que las contienen (emulsiones, postres, panificados, etc.).
Curva de sólidos Es la representación del porcentaje (%p/p) de sólidos (cristales) en una grasa frente a la variación de la temperatura: Contenido de grasa sólida (SFC) vs T ºC. Define el comportamiento de fusión (fusibilidad) de un material graso en diferentes situaciones (refrigeración, temperatura ambiente, paladar, procesos tecnológicos) y es un dato valioso para el desarrollo de alimentos.
Las grasas animales/vegetales, margarinas, mantecas y shortenings funden de manera diferente según su composición en triglicéridos, esto se determina con la confección de curva de sólidos.
La confección de una curva de sólidos requiere medir el porcentaje de sólidos a distintas temperaturas, usualmente 0, 10, 15, 20, 25, 30, 35 y 40ºC.
Temperatura (°C)
0
10
20
30
40
50
60
70
10 20 30 40
Con
teni
do d
e gr
asa
sólid
a
Manteca de cacao
Aceite de coco
Aceite de palma
Grasa vacuna
Grasa de cerdo
Grasa láctea
Curva de sólidos típica de distintas grasas
Contenido de grasa sólida (Solid fat content, SFC)
Resonancia Magnética Nuclear pulsada (pRMN) de baja resolución (Método oficial AOCS Cd-16-93)
Calorimetría diferencial de barrido (DSC). Determinación del
rango y entalpía de fusión. Para la determinación de SFC debe ser validado con el oficial (pRMN).
Otras técnicas para SFC: velocidad de ultrasonido
Índice de grasa sólida (Solid fat index, SFI) Dilatometría (Método oficial AOCS Cd-10-57)
Contenido o Índice de grasa sólida
Dilatometría RMN DSC •Estático
Datos discretos Varias medidas
Lento Cálculos en base al volumen específico
Principio: Ve grasa sólida es menor que Ve grasa fundida
Estático Datos discretos Varias medidas
Rápido Método oficial
Valores calculados en base a masa
Principio: diferencia en los tiempos de relajación de una señal entre sólido y líquido después de un pulso electromagnético.
Dinámico Datos continuos Un único ensayo Método alternativo
Rápido Amplio rango de
temperatura Cálculos en base a Entalpía de fusión
Correlación entre SFC (RMN) y SFI (dilatometría)
SFI (dilatometría) < SFC (RMN)
Un SFC de 100 corresponde aproximadamente a un SFI 75-80
Shortenings plásticos Mantecas duras
Métodos RMN: IUPAC y AOCS
Ambas métodos incluyen la fusión total de la grasa (borrado de la historia térmica) a 100ªC y luego un enfriamiento hasta 0ºC antes de llevar la muestra a la temperarura de medida.
Método IUPAC: el enfriamiento es rápido y directo hasta 0ºC y se equilibra a esta temperatura durante 60 min. Método AOCS: el enfriamiento es gradual porque es llevado a cabo en diferentes estadíos cortos con temperaturas intermedias
Determinación del SFC (RMN) por ambos métodos a diferentes temperaturas (0, 10, 21, 27, 33, 38 y 45ºC) sobre distintas muestras de grasas (Calsa, Lanús, Prov. Buenos Aires)
Grasa Nomenclatura Grasa bovina refinada (refined bovine fat) Estearina de grasa bovina (stearin of bovine fat) Oleina de grasa bovina (olein of bovine fat) Aceites de soja parcialmente hidrogenados de diferentes puntos de fusión ((Partially hydrogenated soybean oil: 25ºC, 36ºC y 42ºC Grasa vegetal bajo trans (Low trans vegetable fat)
RBF
SBF
OBF
S25, S36 y S42
LTF
0 10 20 30 40 500
102030405060708090
100
Tempertura (ºC)
SFC
(%)
LTF
IUPAC AOCS
0 10 20 30 40 500
102030405060708090
100
Tempertura (ºC)
SFC
(%)
OBF
IUPAC AOCS
0 10 20 30 40 500
102030405060708090
100
SFC
(%)
Tempertura (ºC)
RBF
IUPAC AOCS)
0 10 20 30 40 500
102030405060708090
100
Tempertura (ºC)
SFC
(%)
SBF
IUPAC AOCS
0 10 20 30 40 50
0
5
10
15
20
25
Tempertura (ºC)
SFC
(%)
S25
IUPAC AOCS
0 10 20 30 40 500
102030405060708090
100
Tempertura (ºC)
SFC
(%)
S36
IUPAC AOCS
0 10 20 30 40 50
0
20
40
60
80
100
SFC
(%)
Tempertura (ºC)
S42
IUPAC AOCS
Calorimetría diferencia de Barrido modulado (MDSC) Comportamiento térmico durante el enfriamiento-calentamiento en barridos a velocidad constante Termogramas: Flujo de calor total (δQ/δt, Heat flow) y de los flujos reversible e irreversible vs Temperatura Exotermas en cristalización (barrido de enfriamiento) Endotermas de fusión (barrido de calentamiento)
MDSC de muestra grasa
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8He
at F
low (W
/g)
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80Temperature (°C)
Exo Up Universal V4.5A TA Instruments
Se debe llevar la grasa al menos a -60ºC, para cristalizar la totalidad de los triglicéridos y poder desde esa temperatura registrar el termograma
total de fusión.
10.69°C
-2.59°C62.38(95.43)J/g
42.93°C
29.93°C33.05J/g
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1He
at F
low
(W/g
)
-60 -40 -20 0 20 40 60 80Temperature (°C)
Exo Up Universal V4.5A TA In
Hea
t flo
w, d
Q/d
t (W
/g, m
cal/s
, mJ/
s)
Temperature (ºC)
Determinación del contenido de grasa sólida por MDSC en base a valores ∆H de fusión (método no corregido)
Los transiciones endotérmicas (picos) pueden ser: •Fusión de dos formas cristalinas diferentes de la misma grasa •Fusión de una mezcla de grasas de la misma forma polimórfica •Cada pico puede incluir además la fusión solapada de cristales de TG de diferente o igual forma cristalina
100
0
×=
∫
∫f
f
T
T
T
TE
EdT
EdTSFC
a b
∆H a: grasa fundida a T (20ºC) ∆H b: grasa sólida
T (20ºC)
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
Hea
t Flo
w (W
/g)
-60 -40 -20 0 20 40 60 80 Temperature (°C) Exo Up Universal V4.5A TA Instruments
T final
∆H total
T inicial
SFC = x 100 ∆H b (T)
∆Htotal
T ºC ∆H (J/g) SFC (%)
-50 95,63 100
-40 95,51 99,8
-30 94,92 99,2
-20 92,67 96,9
-10 85,36 89,3
0 72,65 76,0
10 52,54 54,9
20 33,12 34,6
30 26,48 27,7
40 13,59 14,2
50 0,151 0,15
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
Heat
Flo
w (W
/g)
-60 -40 -20 0 20 40 60 80Temperature (°C)
st u e t SC Q 00 u d 6
Exo Up Universal V4.5A TA Ins
∆H total = 95,63 J/g ∆H20ºC = 33,12 J/g
-40 -20 0 20 40 60
0
20
40
60
80
100
Conte
nido d
e gra
sa só
lida,
SFC
(%)
Temperatura ºC
Cómo se debe preparar la muestra grasa para el ensayo en MDSC? 1) Se debe borrar la historia térmica por fusión completa antes de realizar el estudio. 2) Se puede analizar inmediatamente la muestra? o se debe dejar cristalizar la grasa? Bajo que condiciones?
Márquez, Pérez, Wagner Solid Fat Content Estimation by Differential Scanning Calorimetry: Prior Treatment and Proposed Correction. J Am Oil Chem Soc (2013) 90:467–473
Se realizó un estudio del comportamiento térmico de las diferentes grasas, usando cápsulas de alumino herméticas empleando un MDSC Q-200 (TA Instruments). Las muestras fueron sometidas a un ciclo de enfriamiento-calentamiento. 1º) Enfriamiento desde Tamb hasta -90ºC a una velocidad de 10ºC/min (con una isoterma de 10 min a esa temperatura) 2º) Calentamiento desde -90ºC hasta +80ºC a una velocidad de 5ºC/min. Las medidas fueron realizadas con una amplitud de modulación de ± 1ºC cada 60 seg.
Tratamientos previos de las grasas Para borrar la historia térmica y uniformar la composición de las muestras, se ensayaron tres tratamientos diferentes : (1) Fusión total a 60ºC, mezclado, llenado de la cápsula con la grasa fundida e inmediatamente realizar el ensayo DSC; (2) Fusión parcial a 40ºC, mezclado, llenado de la cápsula e inmediatamente realizar el ensayo DSC; (3) Fusión total a 60ºC, mezclado, llenado de la cápsula, almacenamiento a 4ºC por 1 hora antes del ensayo DSC; (4) Fusión total a 60ºC, mezclado, llenado de la cápsula, almacenamiento a 4ºC por 1 día antes del ensayo DSC;
Termogramas MDSC de fusión de grasas Total heat flow (───), reversible heat flow (───), non-reversible heat flow (───)
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
RBF
Hea
t flo
w (W
/g)
Temperature (ºC)
endo0.1 W/g
Baseline
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
RBF
Hea
t flo
w (W
/g)
Temperature (ºC)
endo0.1 W/g
Baseline
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
RBF
endo0.1 W/g
Hea
t flo
w (W
/g)
Temperature (ºC)-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
LTF
endo0.1 W/g
Hea
t flo
w (W
/g)
Temperature (ºC)
Tratamiento previo
(1) Fusión total a
60ºC, ensayo inmediato
(4) Fusión total a 60ºC,
almacenamiento a 4ºC por 1 día
antes del ensayo
0 10 20 30 40 50-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Solid
fat c
onte
nt (%
)
Temperature (ºC)
Non-corrected DSC NMR - IUPAC NMR - AOCS
0 10 20 30 40 50-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Solid
fat c
onte
nt (%
)
Temperature (ºC)
Non-corrected DSC NMR - IUPAC NMR - AOCS
Condición elegida: (4) Fusión total a 60ºC, mezclado, llenado de la cápsula, almacenamiento a 4ºC por 1 día antes del ensayo DSC. La determinaron de las curvas de sólidos sobre las muestras así preparadas dieron:
Es correcto utilizar termogramas de Energía (∆H) para analizar la cantidad de grasa sin fundir?
La entalpía de fusión es independiente del tipo de grasa?
-40 -20 0 20 40 60
Hea
t flo
w (W
/g)
Temperature (ºC)
S25 (∆H = 63.07 J/g) S36 (∆H = 98.57 J/g) S42 (∆H = 113.1 J/g)
endo0.1 W/g
-40 -20 0 20 40 60
endo0.1 W/g
Hea
t flo
w (W
/g)
Temperature (ºC)
OBF (∆H = 70.53 J/g) SBF (∆H = 128.3 J/g)
La entalpía de fusión aumenta con el punto de fusión
-40 -20 0 20 40 6040
60
80
100
120
140SBF
S42
S36
OBFS25
Mel
ting
enth
alpy
, ∆H
(J/g
)
Major melting peak temperature (ºC)
Sunflower oil
Grasas Mezclas de triglicéridos
-20 0 20 40 60 80
80
100
120
140
160
180
200
220
Mel
ting
enth
alpy
, ∆H
(J/g
)
SSSPPP
PSSSPP SPS
PSPSOSPOP
EEE
EOE
EEOOOO
Melting point (ºC)
LLL
Triglicéridos puros (general. β)
TgJH ×+=∆ 62.113.98)/(
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
Heat
Flo
w (W
/g)
-60 -40 -20 0 20 40 60 80Temperature (°C)
Exo Up Universal V4.5A TA
11,7ºC
47,8 J/g 47,8 J/g
∆H a 11,7ºC: 50% del total
Grasa fundida a 11.7ºC: >50% del total
E: energía de fusión en función de la temperatura T T0: temperatura inicial de fusión Tf: temperatura final de fusión.
Método DSC no corregido SFC calculado en base a
termogramas de energía de fusión:
Método DSC corregido SFC calculado en base a termogramas másicos de
fusión:
m: masa no fundida a la temperatura T
100
0
×=
∫
∫f
f
T
T
T
Tm
mdT
mdTSFC100
0
×=
∫
∫f
f
T
T
T
TE
EdT
EdTSFC
)/()()(gJH
JEgm∆
=
Perfiles de fusión en función de la temperatura, expresados en % Energía consumida y en % masa de grasa fundida
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0RBF
Mel
ted
mas
s (%
)
Con
sum
ed e
nerg
y (%
)
Temperature (ºC)-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Mel
ted
mas
s (%
)
Cons
umed
ene
rgy
(%)
Temperature (ºC)
LTF
0 10 20 30 40 50
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Solid
fat c
onte
nt (%
)
Temperature (ºC)
Non-corrected DSC Corrected DSC NMR - IUPAC NMR - AOCS
LTF
Contenido de grasa sólida (SFC%) en función de la temperatura.
Comparación entre método DSC corregido y no corregido y métodos RMN.
0 10 20 30 40 50
0
10
20
30
40
50
60
70
80 RBF
Solid
fat c
onte
nt (%
)
Temperature (ºC)
Non-corrected DSC Corrected DSC NMR - IUPAC NMR - AOCS
OB EB S25 S36 S420
10
20
30
40
50
60
70
80
Co
nten
ido
de g
rasa
sól
ida
(%)
Grasa
DSC no corregido DSC corregido RMN - IUPAC RMN - AOCS
Contenido de grasa sólida a 27ºC
La técnica DSC como alternativa al método oficial RMN puede brindar datos mas confiables si se realiza la corrección adecuada por la diferencia existente en la entalpía de fusión de las grasas en función de su temperatura de fusión.
El método DSC corregido emplean termogramas de masa fundida en vez de los típicos termogramas de entalpía de fusión.
El empleo de DSC modulado permite elegir las condiciones adecuadas de preparación de la muestra antes del ensayo.
Conclusiones
Se pueden obtener curvas SFC de una muestra grasa para un amplio rango de temperatura (-80 a +60ºC) a través de un único termograma, sin necesitar baños termostáticos a distintas temperaturas.
Por el principio del método puede emplearse en muestras que contienen agua (emulsiones).
A T>0, el agua no interfiere en los termogramas de fusión. A T<0, se resta el pico de fusión del hielo.
El método MDSC corregido si es validado
exhaustivamente en distintas grasas, puede ser propuesto como método oficial para la determinación del contenido de grasa sólida.
