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
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• 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
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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