1

Agua Hidratos de

carbono Lípidos Proteínas

EnzimasAditivos

Química de losAlimentos

Vitaminas y minerales

Sistemas alimentarios

Pigmentos y propiedades

sensoriales Alteraciones

Métodos analíticos de uso general

Macrocomponentes Alteraciones y adulteraciones macro componentes Evaluación de

propiedades funcionales

Dispersiones. Fenómenos de superficie, surfactantes.Interacciones coloidales. Angulo de contacto. Dispersiones

Sistemas alimentarios

Interacciones coloidales. Angulo de contacto. Dispersioneslíquidas y fenómenos de agregación. Geles. Emulsiones.Espumas. Formación y estabilidad de las distintas dispersiones.

BibliografiaSistemas dispersos: consideraciones básicas. P Walstra. Capítulo 3. (OF Q í i d Ali t Ed A ibi 2000Fennema. Química de Alimentos. Ed. Acribia. 2000.

Dispersiones alimenticias. W Powrie y M Tung. Capitulo 12. (O Fennema.Química de Alimentos. Edición en español. Ed Reverte. 1982.

Estado de dispersión. J. G. Montejano Gaitán. Capítulo 10. Química deAlimentos. S Badui Dergal. Pearson Education. 2006. 4º Edición.

2

Sistemas dispersos

alimentos

Tejidos comestibles Dispersiones

alimentos

corte mecánico

vegetales cárnicos Sistema formado por 2 o mas fases

Clasificación de las dispersiones

Tamaño de partícula:

•coloidales 1 nm y 0,2 μm

•groseras >0,2- 0,5 μm

3

Propiedades de los sistemas coloidales

La fase interna por su tamaño le confiere al sistema propiedades características: cinéticas, ópticas y eléctricas.

Propiedades ópticas: - Dispersión de la luz (Efecto Tyndall)

Propiedades cinéticas:- Movimiento Browniano

Propiedades eléctricas: - Las partículas coloidales están cargadas eléctricamente con respecto al medio dispersante

Clasificación de los coloidesa) Estado físico de las partículas: fase dispersa (fd), fase continua (fc)

b) Afinidad entre las partículas de las fases

Fase Interna – Dispersa – Discontinua

Estado físico de las partículas para sistemas de 2 fases no miscibles

Fase Externa – Dispersante – Continua

4

Sistemas multifásicosConstan de 2 o mas fases dispersas en una continua

emulsión suspensión espumaemulsión-suspensión-espuma

fases dispersas:

aceite, aire, sólidos de tomate

ketchup Crema batidafases dispersas:

aceite, aire, agregados proteicos,grasa sólida

fase continua: solución acuosa

fases dispersas:

aceite, aire, agregados proteicos

Mayonesag

Afinidad entre las partículas de las fases:

Interacciones electrostáticas

Liofóbicos Liofílicos

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Consecuencias de los estados dispersos

•No hay equilibrio termodinámico: Inestabilidad física

•Hay compartimentalización de componentes (ej flavor, aditivos)

• Sistemas con comportamiento reológicos específicos

• Impacto sobre la apariencia ya que presencia de partículas > a 50nm provocan dispersión de la luz

Fenómenos de superficie y de interfase:

determinan la estabilidad de un coloide

γ = tensión superficial o interfacial

Fuerzas responsables:

•en compuestos polares

ptes H y Van der Waals

•en compuestos no polares

Fuerzas de atracción entre moléculas en la superficie y en el seno de la fase liquida

Van der Waals

6

Efecto de la temperatura sobre la tensión superficial

Efecto de la temperatura sobre la tensión interfacial entre agua y aceites

Formación y estabilización de emulsión γ < 10 dyn/cm

7

Efecto de los solutos sobre la tensión superficial del agua

Solutos tipo I

l i d l i á isoluciones de sales inorgánicas

comp con OH-

adsorción - ; conc de soluto en el seno del líq es mayor que en la superficie

Solutos tipo IISolutos tipo II

soluciones de tensioactivos

adsorción +↓ energía libre necesaria para que las moléculas se desplacen a interfase

Surfactantes

Sustancias tipo jabón Polímeros

Sustancias tipo jabón:

moléculas antipáticas pequeñas

Macromoléculas

sintéticas o proteínas

se ubican en la interfase

forman micelas

8

Formación de micelas

Fig. 3

Cdo la región interfacial esta llena y el excedente de tensioactivo forma micelas,

se supero la CMC

Según la naturaleza de l t hid fíli

Surfactantes: clasificación

la parte hidrofílica

•noionicos

•anionicos

•cationicos

Según origen

•naturales

•sintéticos

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• Sales de ácidos grasos

SURFACTANTES IONICOS

• Ácidos grasos NÁcidos grasos

No se usan usualmente

O

O-

Na+ Oleatos de sodio y

potasio

•Esteres del ácido láctico: se utilizan en panadería

•FosfolípidosO

OO

OOPO2

N(CH3 )3+

-

Lecitina que contiene

Fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina, fosfolípidos de inositol

O O

•Monogliceridos y Digliceridos

SURFACTANTES NO IONICOS

O

O

HO

O

OO

OOH

HO

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• Esteres grasos del sorbitan (spans®)

•Esteres de polioxietileno y sorbitan tweens®)

Se usan en panadería

OC

)O

OOH

(O

OOH

( )

OO

OH

(

)

O

a b

c

O

Se usan en aderezos para ensalada

Mecanismo de adsorción de distintos surfactantes

Mecanismo de adsorción de surfactantes en una interfase aceite-agua o aire-agua

1 jabón, 2 tween, 3 polímero pequeño, 4 proteína globular

11

Proteínas como surfactantes

Buena hidrofobicidad de superficie

Alto grado de flexibilidadBuena difusión hacia interfase

Propiedades de las proteínas adsorbidas

Muchos alimentos contienen surfactantes

(ácidos grasos, monoacilgliceridos, fosfolípidos)

Surfactantes modifican las propiedades de las proteínas adsorbidas

afectan estabilidad de emulsiones y espumas

Selección del surfactante adecuado

Balance hidrofilico-lipofilico

Método HLB

% relativo de grupos funcionales hidrofilicos e hidrofobicos% relativo de grupos funcionales hidrofilicos e hidrofobicos

en la molécula del surfactante

HLB estimar la atracción simultánea que experimenta por las fases acuosa y oleosa.

Ecuaciones para calcular valores de HLB para algunos tipos d f t t ió ide surfactantes no iónicos

HLB=20 (1-S/A)S índice de saponificación del éster

A índice de acidez del ácido

12

Contribución de los grupos al valor de HLB

HLB=Σ (n º grupos hidrofílicos)- Σ (nº grupos lipofílicos)+7

BALANCE HIDROFÍLICO-LIPOFÍLICO (HLB)

HLB b jHLB bajo HLB alto

Cadena alifática larga < valores de HLB

Mayor cantidad de grupos polares y/o grupos polares mas grandes > valores de HLB

Relación estructura HLB

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Emulsiones agua en aceite Surfactantes con HLB 3 y 6

Emulsiones aceite en agua Surfactantes con HLB 8 y 18

Números de HLB

3-6 EmulsificanAgua en aceite

6-10 Agentes dispersantesEmulsifican8-18 Emulsificanaceite en agua

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Combinaciones de emulsionantes

2 emulsionantes A y B para conseguir HLB intermedio,

HLBx

% A= 100 (HLBx-HLBB)/HLBA-HLBB

% B=100-% A

Estabilidad de una emulsión depende del HLB y

de los emulsionantes

evaluar experimentalmente emulsiones

para igual HLB y distintos emulsionantes

Angulo de contactoCuando dos fluidos están en contacto con un sólido y entre ellos

existe una línea de contacto entre las 3 fases

Hay un balance entre las tensiones que actúan en el plano de la superficie del sólido

Ecuación de Young

γ s-a= γ l-s+ γ a-l cos Θ

a partir del balance de tensiones superficiales

t bl l á l d t t Θ

Θ

se establece el ángulo de contacto Θ

cos Θ= (γ s-a - γ l-s)/ γ a-l

si Θ = 0 sólido es humedecido completamente

si Θ =180 no hay humedecimientoAngulo de contacto de una gota de liquido sobre la superficie de un sólido

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Partícula sólida localizada en la interfase aceite - agua

Sólidos sin propiedades surfactantes pueden actuar como estabilizantes:

•partículas de hidróxido de Mg, Al, Ca

•tierra de diatomeas

•silicatos

•proteínas coaguladas

Se adsorben en la interfase

y evitan la unión de

las gotas de aceite

Distribución de las partículas depende del balance de las tensiones de interfase

γ sólido-agua, γ agua-aceite, γ sólido-aceite

ACEITEACEITEACEITE

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Estabilidad coloidal

velocidad de sedimentación o cremado

v= g.a2 (ρ1- ρ2)/18 ηg fuerza de gravedad 9 8 m/seg2

Sedimentación

g fuerza de gravedad 9,8 m/seg2

para separación centrifuga es r.w2 ( r= radio del rotor y w velocidad angular)

a diámetro de la partícula

ρ1 densidad de la partícula; ρ2 densidad del medio, η viscosidad del medio de dispersión

Velocidad de sedimentación se puede disminuir:Velocidad de sedimentación se puede disminuir:

↓ diámetro de partícula

↓Δ densidad

↑ viscosidad fase dispersante

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Validez Ec Stokes: esferas rígidas, aisladas y el medio homogéneo

Desviaciones a Ec Stokesvelocidad ↑ por: interacciones entre partículas floculadas con > diámetro

velocidad ↓: colisiones entre partículas próximasp p

movimiento Browniano

Fenómenos de agregación: floculación o coalescencia

La ocurrencia de floculación o coalescencia depende

de las fuerzas de atracción y repulsión entre las partículas

Hay 5 tipos posibles de fuerzas:

• fuerzas electrostáticas de repulsión

•Fuerzas de Van der Waals

•Fuerzas repulsivas de corto alcance

•fuerzas estéricas

•fuerzas de solvatación

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Formación y estabilidad de las distintas dispersiones

Soles dispersión S/L

Emulsiones dispersión L/L

Espumas dispersión G/L

según diámetro partículas:

Soles

•soles coloidales 1nm-0,5 μm

compuestos por macromoléculas proteínas, polisacáridos, lípidos

(gomas, yema de huevo)

•soles groseros o suspensiones > 0,5 μm

compuestos por cristales, fragmentos de paredes celulares

(manteca de maní, ketchup)

19

Preparación de solesAumento del tamaño de partículas de fd

por agregación de moléculas en forma controlada:p g gcristalización controlada de azúcares y grasasprecipitación isoeléctrica desnaturalización térmica de proteínas

Disminución del tamaño de partículas de fd (peptización)adición de agentes (H+, sales, enzimas)medios mecánicos (molienda trituración, picado)

• Uso de soles agentes espesantes yUso de soles agentes espesantes y gelificantes

sol gel Calor

modificación química

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Geles

uniones

Moléculas se agreganparcialmente

gel

Agua inmovilizada

p

Uniones: electrostáticas, covalentes, ptes H, regiones micocristalinas

Fuerza del gelLongitud zona de unión

Fortaleza unión

Geles termo reversibles: Uniones electrostáticas pte HGeles termo reversibles: Uniones electrostáticas, pte Hej gelatina, gel de agar

Geles termo irreversibles: Uniones por enlaces covalente, interacciones hidrofóbicasej clara de huevo cocida, embutidos cárnicos, alginatos

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Representación esquemática de distintos tipos de geles

GelesPunto de vista reológico

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•Módulo de Young (E):. pendiente de zona donde el esfuerzo es proporcional a la deformación: E = σ/e

•Esfuerzo a la ruptura (σ ): Es el máximo esfuerzo antes de la ruptura

Ensayo de compresión

•Esfuerzo a la ruptura (σr): Es el máximo esfuerzo antes de la ruptura.

•Deformación a la ruptura (εr): Es la deformación porcentual en el punto de ruptura••Resistencia o firmeza del material cociente entre el esfuerzo y la deformación a la ruptura: Firmeza = σr/e r

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50

100000

200000

300000

% de k-carragenano

mód

ulo

de Y

oung

(N)

Propiedades funcionales

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Formación de emulsiones

Dispersión mecánica dep

una fase en otra

Entregar un trabajo para formar la interfase

se necesitan 250.000 erg para dispersar

1 ml de aceite de oliva en gotas de 5 μm en 10 ml de agua

con un surfactante (emulsionate) γ disminuye de 22.9 a 3 dinas/cm

↓el trabajo a 36000 erg

Azul de metileno/Sudan IIILeche

Identificación del tipo de emulsión

Método del colorante

Leche (O/W)

Crema (O/W)

Mayonesa (O/W)

Manteca (W/O)

Margarina (W/O)

Crema

Manteca

Añadir la mezcla de colorantes y mezclar bien

Margarina (W/O)

Mayonesa

MargarinaAzul de metileno Hidrosoluble O/W Azul

Sudan III Liposoluble W/O Rojo

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Mecanismos de inestabilización en emulsiones aceite en agua

Estabilidad de emulsiones

Agentes estabilizantes •surfactantes

•partículas finamente divididas adsorbidas en la interfase

•hidrocoloides

Hidrocoloides: aumentan la viscosidad de la fase continua y pueden formar películas de interfase alrededor de gotasy pueden formar películas de interfase alrededor de gotas

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Emulsiones alimenticias• Aderezos, mayonesa

– Yema de huevo aporta la lecitina que actúa como emulsificante– Emulsión aceite de agua (> 60% aceite)

• Emulsiones cárnicas protein gel matrix

• productos de repostería-red de almidón y proteínas

protein film

Espumas

Dispersión G/L (o semisólido)

diámetros burbujas 1 μm a cm

mucho mas inestables que emulsiones (> diámetro y > Δρ)

gas retenido (baja densidad)

gran superficie entre fases

paredes rígidas semirígidas yparedes rígidas, semirígidas y elásticas

Lamelas reflejan la luz (opacas)

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Espumascrema batida, helados, pan, malvavisco, merengue, espuma de la cerveza

Formación de una espuma

sustancia espumante en la fase continua antes de dispersar el gas

el espumante debe adsorberse en la superficie del líquido y ↓ γ evitar coalescencia mediante la formación de una lamela resistente

Espumantes:

•lípidos tensioactivos

•glucósidos derivados de la celulosa

•Proteínas

dispersión condensación

Formación de una espuma

Se inyecta gas (orificios o batido)

en la sol espumante

Se disuelve gas a presión

en la sol espumante

al ↓P parte del gas disuelto

se libera y hay expansión

(crema en aerosol)

P= Pa + 2 γ/R

Presión del gas en una burbuja:

Burbujas pequeñas > P

Pa presión atmosférica, γ tensión superficial, R radio de curvatura de la burbuja

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Estabilidad de una espuma

Persistencia: tiempo que una unidad de volumen de gas permanece en la espuma

Tipos de inestabilidadA) Maduración de Ostwald: difusión de gas desde las burbujas pequeñas a las

grandes o a la atmósfera

B) Drenado de líquido desde y a través de la capa de espuma por acción de la gravedad

C) Coalescencia de las burbujas por la inestabilidad del film que las separa

Efecto de sistemas dispersos sobre la velocidad de las reacciones

Sistema disperso

á icomponentes están en compartimentos

velocidad de reacción

Coeficiente de Reparto

Transporte de reactivos entre compartimentosTransporte de reactivos entre compartimentos

Adsorción de reactivos en interfases

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Coeficiente de repartosistema de dos fases, aceite y agua

hay componentes que pueden ser solubles en ambas fases

[HA]aq [HA]oil

P=Caceite/Cagua

Paparente =concentración total de ácido (disociado y sin disociar)

Antimicrobianos en emulsiones aceite en agua:

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Coeficiente de reparto

Antioxidantes en emulsiones aceite en agua:antioxidantes lipofílicos se orientan hacia la interfase aceite-agua y ejercen acción

i id hid fíli di l l f l f iantioxidante hidrofílico se disuelve en la fase acuosa y resulta menos efectivo en emulsión

Antioxidantes en un aceiteantioxidante hidrofílico es mas efectivo ya que se ubican en interfase aceite-aire

Flavor en un líquido:P=Cg/CpP=Cg/Cp Cg: conc de odorante en la fase gaseosaCp: conc. De odorante en el seno del líquidoP varía con la composición del líquido:Agregado de 1 % de hidrato de carbono o proteína ↓ flavorAgregado de lípido para odorantes hidrofóbicos

Transporte de reactivos entre compartimentos

Reacciones químicas involucran transporte de reactivos entre compartimentos

t t d ti d dtransporte de reactivos depende:

de la distancia a recorrer

movilidad molecular

cuando el solvente esta inmovilizado la velocidad de reacción disminuye

L= D. t0,5

L distancia; D coeficiente de difusión; t0,5 tiempo para reducir a la mitad la diferencia de concentraciónt

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Adsorción de reactivos en interfases•disminuir su concentración efectiva y reactividad

•aumentar la reactividad si ambos reactivos se adsorben en la interfase

Interacción entre surfactantes y polipeptidos

Resumen

•Introducción a los sistemas dispersos, clasificación, características

F ó d fi i i f•Fenómenos de superficie e interfase

•Efecto de la temperatura y de los solutos sobre la tensión interfacial

•Surfactantes, tipos, HLB, mecanismo de adsorción , comparaciones

•Angulo de contacto

•Estabilidad de sistemas coloidales

F ió bilid d d di i di i lí id•Formación y estabilidad de distintas dispersiones líquidas:

geles, emulsiones y espumas

Efecto de sistemas dispersos sobre la velocidad de las reacciones