Propiedades Físicas de los Alimentos

Reología y Textura

Néstor H. Sanabria R

Propiedades Físicas de los Alimentos

Desde el punto vista de la Ingeniería, para el diseño y proceso de los alimentos y desde el punto de vista de la preferencia del consumidor se deben considerar las siguientes propiedades físicas de los alimentos y materiales: • Térmicas: Calor específico, conductividad térmica y difusión

del calor • Ópticas: Color, Brillo y Transparencia • Eléctrico: Conductividad • Mecánicas:

– Estructurales y Geométricas: Densidad, tamaño de partícula, forma, porosidad, rugosidad …

– Reológicas y Texturales: Dureza, deformabilidad, … – Otras: Tensión superficial, difusividad, permeabilidad,

Propiedades Físicas de los Alimentos Desde el punto vista de la Ingeniería, para el diseño y proceso de los alimentos y desde el punto de vista de la preferencia del consumidor se deben considerar las propiedades físicas: • Térmicas: Calor específico, conductividad térmica

y difusión del calor • Ópticas: Color, Brillo y Transparencia • Eléctricas: Conductividad • Mecánicas: Estructurales, Geométricas y

reológicas

Propiedades Físicas de los Alimentos

• Térmicas: Calor específico, conductividad térmica y difusión del calor

• Ópticas: Color, Brillo y Transparencia • Eléctricas: Conductividad • Mecánicas:

– Estructurales y Geométricas: Densidad, tamaño de partícula, forma, porosidad, rugosidad …

– Reológicas y Texturales: Dureza, deformabilidad, …

– Otras: Tensión superficial, difusividad, permeabilidad,

Tratamietos térmicos, Pasterización, cocción y enfriamiento, Refrigeración y Congelación

Tratamientos con campos eléctricos pulsados, calentamiento ohmico, por inducción o radio frecuencia

Percepción, aceptación, Uniformidad

Percepción y consumo, Aceptabilidad. Maquinabilidad y Facilidad de procesos

REOLOGIA

• Reología es la ciencia que estudia la

deformación y el flujo de materiales

bajo fuerzas externas en tiempos y

condiciones definidas.

• Flujo es un caso especial de deformación

• Deformación es caso especial de flujo

Porque Medir la Textura? La Textura es un atributo que afecta el procesamiento y manejo, influye en los hábitos y aceptabilidad por el consumidor y que puede afectar la vida útil del producto Ejemplos imitativos

En análisis cientifico de Textura Analysis provee información cuantificable, repetible y exacta de las propiedades de alimentos, cosméticos, productos químicos y farmaceúticos. Es hoy en día un procedimiento establecido para la investigación y una herramienta valiosa en la busqueda de métodos de control y mejora de la calidad. Con mediciones de las propiedades fundamentales o caracterización empírica de los materiales o productos, con un amplio rango de pruebas imitativas, de gran utilidad para predecir y medir el comportamiento.

¿Por qué Reología?

Cual es el Origen de la Textura…?

Estructura Molecular

Interacción Molecular

Agua, gomas e hidrocoloides, grasas, proteínas, aire

Configuración de las partículas

Efecto externo

Fuerzas externas, deformación, temperatura

Proceso y Desempeño

Processability & Product Performance

Como se manifiesta?

Origen de las propiedades Reológicas Escala Entes Involucrados Ejemplos

Molecular

Tamaño y tipos de moléculas

Moléculas Moleculas poliméricas

Interacciones entre grupos funcionales Entrelazamiento Químico

Configuración espacial Puentes de Hidrógeno

Extructura 1,2,3,4, proteínas

Ultraestructural Macromoléculas

Cambios moleculares por

rompimiento (enzimas, Fotolisis,

Oxidación)

Interacciones naturales

Asociaciones e Interacciones

complejas (polímeros, proteínas)

Microestructural

Gotas, Burbujas y cristales

Coloides Fases agregadas y segregadas

Conformaciones de proceso Fibras y Filamentos

Películas

Macroestructural

Estructuras mayores

Ensambles y enlaces

Fases Puentes partícula – partícula

Células, Tejidos, Extructuras

Usos de las propiedades reológicas en proceso y manejo

• Diseño de tuberías y selección de bombas

• Diseño y análisis de equipos de extrusión

• Selección y operación de equipos de mezclado

• Diseño y operación de cambiadores de calor

• Procesos en los que se realizan recubrimientos

• Selección de envases y equipos de envase

Propiedades Reologicas Extremos Clásicos

Solido Ideal -- [Fuerza Externa] -- Fluido Ideal

ACERO AGUA Estructura Fuerte Estructura Debil Rigidez Fluidez Deformación Flujo Retienen/recuperan forma Pierden Forma Energía Almacenada Energía Disipada (Elástico puro – R. Hooke, 1678) [Energía] (Viscoso puro – I. Newton, 1687)

ELASTICIDAD VISCOSIDAD Modulo de Almacenamiento Modulo de Perdida

Comportamiento REAL Sólido Aparente [Energía + tiempo] Fluido Aparente - materiales viscoelásticos -

Comportamientos Reológicos

Deformación y Flujo de Corte

= F

A

y0

x(t)

Strain, = x(t)

y0

d x(t)

d t Strain Rate =

.

V

y0

Modulo de Corte G =

V

y

x

A

z

Deformación de Corte

Viscosidad =

.

.

=

t

Esfuerzo Deformación

Modos de Deformación

Doblado Compresión

Torsion Rectangular

Tensión

Lineal

Rotational

Torsional

Shear

Deformación por compresión

Fluidos

Comportamiento Reológico de los fluidos: Viscosidad vs Esfuerzo

Viscosidad vs Esfuerzo

Viscosidad Vs Tiempo

• Cambio de la Viscosidad con e tiempo:

• Incrementa con el tiempo se denominan reopécticos,

• Los que se hacen más fluidos se denominan tixotrópicos.

Estos fenómenos se explican por la aparición o rotura de nuevos enlaces o interacciones intermoleculares por la acción de la agitación, como en el caso de los almidones, la masa del pan o en la formación de emulsiones como la mayonesa. • La variación de las propiedades

reológicas puede ser reversible o no. La tixotropía irreversible, = Reomalaxis o Reodestrucción.

Comportamiento reológico de los Sólidos Elásticos

Sólidos y Fluidos Viscoelasticos

La deformación cambia con el tiempo / La energía para mantener una deformación constante es variable - Relajación

Textura de acuerdo a la definición de The

International Organization of Standardization

(Standard 5492, 1992):

“todos los atributos mecánicos (geométricos y

superficiales) de los alimentos, percibidos a

través de los receptores mecánicos y táctiles y

donde existan a través de receptores acústicos y

visuales”

TEXTURA

Todos esos atributos mecánicos pueden hoy ser medidos cuali y cuantitativamente, analizados numérica y gráficamente

Métodos instrumentales de análisis de Textura

Expresión numérica de una característica del

producto, relacionada con las propiedades de

los materiales.

Métodos validables, reproducibles,

universales

¿Cómo medir la Textura?

Métodos sensoriales,

Percepción y Descripción de la sensación

Paneles entrenados, expertos

Mediciones subjetivas

¿Para qué medir la Textura?

Desde el punto de vista del Fabricante:

Medir funcionalidad de equipos, procesos,

ingredientes y materiales en el proceso

productivo y su efecto en el producto final

Desde el perspectiva del Consumidor:

Predecir o anticipar las características

sensoriales y/o funcionales de un producto,

al emplear un equipo, proceso o ingrediente

Reología Pruebas de Materiales

Elasticidad

Plasticidad

Modulus

Textura Análisis

Viscoelasticidad

Viscosidad

Origen del Análisis

Instrumental de Textura ?

Masticabilidad

Gomosidad

Fracturabilidad

Dureza & Suavidad

Adhesividad

Como se mide Viscosidad

Como se mide Textura

• Sensorial

– Panel entrenado, Experto

• Instrumental

– Texturómetro

Fuerza / Esfuerzo Deformación

• Deformación elástica o reversible el cuerpo recupera su forma original al retirar la fuerza que la provoca la deformación. En este tipo de deformación el sólido al variar su estado tensional y aumentar su energía interna en forma de energía potencial elástica solo pasa por cambios termodinámicos reversibles.

• Deformación (visco)plástica o irreversible. Modo de deformación en que el material no regresa a su forma original después de retirar la carga aplicada. Esto sucede porque la deformación plástica el material experimenta cambios termodinámicos irreversibles y al adquirir mayor energía potencial elástico. La deformación plástica es lo contrario a la deformación reversible.

Límite elástico

, siendo Ley de Hooke

TEXTURA

TA.Xtplus STABLE MICROSYSTEMS (UK)

Probe begins to move from

start point towards sample

at pre-test speed

When the probe registers a

force equal to the trigger

force the speed changes to

the test speed and the

system starts to collect data

Probe

Sample

Basic principle Return to Start (Trigger)

Probe continues to move

into the sample at the test

speed until the test is

complete

Probe

Sample

Basic principle Return to Start (Trigger)

F

T

When test is finished,

probe begins to move away

from sample at post-test

speed

Probe

Sample

Basic principle Return to Start (Trigger)

F

T

Principles of Texture Analysis

Compression Puncture & Penetration Cutting and Shearing Fracture & Bending Extrusion (Forward & Backward) Tension Adhesion

Compresión

La muestra tiene un área superficial igual o menor que la el diámetro de la sonda utilizada

Se utilizan diámetros de 10mm a 100mm

Compresión El espesor de la muestra es H (puede

medirse automáticamente)

• La muestra es comprimida por la sonda hasta una altura h

• La distancia de compresión es H - h, puede darse en milímetros o en % de deformación (% strain - requiere calibración de sonda).

• Para deformaciones pequeñas, podría ser utilizado para calculas en modulo de elasticidad de Young

FORCE

H

Would you like to determine..

• The optimum shelf life of your product

Es la medición mas simple en el análisis Instrumental de textura, La muestra se deforma y se miden la deformación y la resistencia del

material a la deformación

Deformaciones mayores por compresión Uniaxial

• Causan Fracturas, Ruptura, Dispersión, Texture Profile

• Se mide fracturabilidad, Crocancia, Cohesividad, Espersibilidad y muchas otras características del producto.

• Análisis de perfil de textura (TPA test).

• Deformaciones Pequeñas por compresión Uni-axial

• Utilizadas para determinar MODULOS ELASTICIDAD DE YOUNG

• M. Youngs: E/D Esfuerzo E= F/A Deformación D = ΔL/L • RESILENCIA: Energía acumulada

durante la compresión • Representados por la pendiente y

el área bajo la curva ESFUERZO – DEFORMACIÓN antes del “Límite Elástico”

PRUEBAS DE PENETRACIÓN

You could be disappointed if...

• Your breakfast cereal isn’t CRISPY

Propiedades físicas de empaques

• Fuerza de selle

• Fuerza de apertura

• Fricción

• Resistencia de carga

Propiedades físicas y mecanicas de equipos, piesas…

• Fricción

Otras pruebas de compresión

• Stress Relaxation Test (Prueba de relajación de tensión)

• Creep Test (Prueba de arratre o recuperación)

• Dinamic Test (Pruebas dinámicas) TPA

PUNCTURE and PENETRATION

Assumes the sample being tested is of larger surface area than the contact area of the probe being used

Usually involves...

small cylinder probes (up to 10mm diameter) needle probes conical probes

Causes irreversible changes in the sample

Involves both compressive and shear forces

Typical Measurement Result

F

t

Apples Pears

PUNCIÓN Y PENETRACION

• Medir fuerza necesaria para introducir la sonda una distancia fija o un tiempo definido = PUNCIÓN

• Medir la distancia que penetra una sonda con una fuerza constante = PENETRACION

Can you guarantee consistent..

Hardness?

Gel Strength?

You could be disappointed if...

• Your crisps have no CRUNCH

You may wish to assess the effects of processing parameters on texture, e.g.

• Optimum cooking time of French fries

PUNCIÓN Y PENETRACIÓN

Conical probe is used for situations where the stress may vary during the use of the product, e.g. spreading

Typical Measurement Result

F

t

Margarine Butter

Do your customers expect consistent...

• Spreadability (e.g. butter) Fruit Ripeness

Indentation

Cutting and Shearing Knife/Guillotine Blade

Force required to cut or slice through a sample

Meat products

Cheese

Vegetable

Cutting and Shearing Warner-Bratzler Blade

Uses a notched blade instead of a flat ended blade

Gives more of a cutting action during test

Do your customers expect consistent...

• Tenderness (e.g. fish) Pasta Firmness

Cutting and Shearing Volodkevich Bite Jaws

Simulate teeth when biting

Final force and force at yield indicate toughness

Toughness of meat

Fibrousness of e.g. vegetables

Sample

Do your customers expect consistent...

• Tenderness (e.g. meat)

Cutting and Shearing Wire Cutter

Constant contact area with sample

Cutting is done by fine wire

Firmness and spreadability of butter

Consistency of cheese

You can quantify your product’s eating quality, e.g.

• Fruit Ripeness

• Pasta Firmness

• Yoghurt Consistency

• Margarine hardness

Cutting and Shearing Kramer Shear Cell

5 or 10 blade option

Shear and compression of mainly ‘multi-particle’ ‘products, e.g..

Cereals

Pickles in sauces

Fruit

Peas

Beans

or products with variable texture throughout the sample requiring ‘average shearing’ measurement

Sample

You could be disappointed if...

• Your breakfast cereal isn’t CRISPY

Fracture and Bending Three Point Bend Rig

Measure fracture and break strength of......

Biscuits

Chocolate

Bread sticks

Measure freshness of......

Vegetables

Force

Biscuit

Chewy cereal bar

Time

Fracture and Bending Crisp Fracture Support Rig

Measure fracture properties of......

Crisps (chips)

Snack food

You could be disappointed if...

Extrusion (Forward)

Viscous liquids Gels Pastes Processed fruit and vegetables Creams Toothpaste

Sample is forced through

orifice in bottom of pot

Can simulate many real-life

situations

Extrusion (Backward)

Sample is placed in a pot Piston is forced through sample Product extrudes around the disc

Gels

Viscous liquids and sauces

Pastes

Processed fruit and vegetables

Typical Measurement Result

F

t

Yoghurt Cream

You may wish to assess various ingredient effects on texture, e.g.

• Effect of starch addition on extrudability or consistency of mayonnaise, ketchup, chocolate sauce, meat paste etc.

You may wish to assess various ingredient effects on texture, e.g.

• Effect of sugar type and content on stickiness of confectionery products

You can quantify your product’s eating quality, e.g.

• Yoghurt Consistency

Measures the tensile strength of

Spaghetti

Noodles

Human Hair

Thread

Sample

Tension - Spaghetti Rig

Used for delicate or strange shaped samples where “necking” at the grip point can be a problem

Maintains constant grip force on sample

Easy to load

Tension - Roller Grips

Can be used to measure

Sausages

Packaging seals

Adhesive tapes

An increasingly popular method of measuring

Pasta

Goma de mascar

Pegamentos

Arroz

Adhesion

Sample

Target force F

t

Adhesive tape Confectionery

Typical Measurement Result

Measure... Extensibility

Would you like to quantify...

ANALISIS DE PERFIL DE TEXTURA TEXTURE PROFILE ANALYSIS

APT / TPA

TPA

1.Fracturability: Fracturabilidad, La facilidad con que el material romperá. 2.Hardness: Dureza, La fuerza necesaria para comprimir el material en una cantidad definida. 3.Cohesiveness: Cohesividad, La fuerza de los puentes internos 4.Adhesiveness: La energía necesaria para romper la fuerza de atracción entre la muestra y una superficie de contacto 5.Springiness: "Resortabilidad", La recuperación elástica que ocurre cuando la fuerza de compresión es retirada. 6.Gumminess : Gomosidad, La energía decesaria para romper el alimento semi-sólido antes de degluirlo 7.Chewiness : Masticabilidad, La energía necesaria para masticar una comida sólida antes de tragar.

An Innovation in Powder Flow Analysis

New Fixtures for TA-XTplus

POWDER FLOW ANALYSER

The Stable Micro Systems

MEASURING COMPONENT TERMINOLOGY

Shaft

Rotor

Blade

Vessel

Vessel Attachment Ring

Acoustic and video accesories FRICTION RIG

Definición de Pruebas Preparación de ensayos

• Planeación

– Objetivo de las pruebas

• Desarrollo, control de proceso, control de calidad, análisis de la competencia…

• Características del producto y la muestra

• Verificación Calibración

• Validación de métodos

• Evaluación y análisis de resultados

Definición de Pruebas Preparación de ensayos (ISO 17025)

• Fase Pre-Analítica – Planeación

• Tipo y Objetivo del análisis (Simulación vs Propiedades del material)

– Selección del método • Experiencias previas (Rev. Literatura) • Guía de aplicaciones

– Preparación y manejo de las muestras

• Fase Analítica – Verificación calibraciones – Replicas, promedios, celdas múltiples (incertidumbre, exactitud y

precisión del método) – Control de parámetros

• Análisis de resultados

APLICACIONES

Soporte confites

Características a medir