QA Clase Dispersiones Ejemplos de Aplicaciones
-
Upload
jhonny-stark -
Category
Documents
-
view
25 -
download
3
description
Transcript of QA Clase Dispersiones Ejemplos de Aplicaciones
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
5
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
9
• 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
10
• 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
13
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
14
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
15
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
16
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
17
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
18
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
20
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
21
Representación esquemática de distintos tipos de geles
GelesPunto de vista reológico
22
•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
23
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
24
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
25
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)
26
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
27
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
28
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:
29
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
30
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