Sistemas Dispersos en Alimentos: Definición y Clasificación en Química

Sistemas Dispersos en Alimentos

Sistemas Dispersos en Alimentos Química y Bioquímica de los AlimentosÍNDICE

• Definición
• Geles
• Emulsiones
• Espumas

Clasificación de Sistemas Dispersos en Alimentos

Tamaño de las partículas de la fase dispersa

- Dispersiones moleculares: las partículas dispersas (moléculas o iones) tienen un tamaño < 1 nm. Soluciones verdaderas - Dispersiones coloidales: el tamaño de partícula está entre 1-1000 nm (1 um) - Suspensiones: son SD heterogéneos, en los cuales la fase dispersa son partículas > 1 um Relative sizes of cells and their components cm = 10.2 m mm = 10-3 m um = 100 m nm = 10.9 m Å = 10-10 m Small Molecule Virus Bacterium Animal Cel Plant Cell 1À 1nm 10nm 100nm 1um 10um 100um 1mm 1cm Electron microscope Light microscope NanotechnologySOLUCIONES DISPERSIONES COLOIDALES SUSPENSIONES 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-8 10-5 10-4 10*3m electrons x-rays visible light WAVELENGTHS · C-C bond pectin · Na", crystal .H2 O | · myosin amylose, helix MOLECULES · glucose residue · Na+, hydrated amylose, linear (largest dimension) serum albumin 1 · immunoglobulin M viruses MICROORGANISMS bacteria yeasts molds starch grains in PLANTS nuclei cells PARTICLES I casein micelles in MILK fat globules transmission electron microscope scanning electron microscope VISIBLE WITH light microscope I 1 1Å 1nm 1 um 1 mm FIGURE 9.5 Length scales. Approximate values. 1 · stearic acidSISTEMAS DISPERSOS EN ALIMENTOS Sistemas dispersos: mezclas de al menos 2 sustancias, una de las cuales está distribuida en forma de gotas a través de otra sustancia CHỊCH CH-CH CHỊCH A OH OH CH 01 C CH OH OH CH CHỊOH CHỊCH OH CH OH CHỈCH CH CH OH Je OH v Fase dispersa, discontinua o interna v Fase dispersante, continua o externaCLASIFICACIÓN SISTEMAS DISPERSOS EN ALIMENTOS

Clasificación por Fase Dispersa y Continua

Fase dispersa Gas Líquido Sólido Aerosol líquido Aerosol sólido Gas no es posible humo industrial humo de leña aceite en spray polvo en suspensión en el aire Fase continua Líquido Espuma líquida Emulsión Sol nata batida mayonesa, leche entera a 40℃ leche entera o nata a 4ºC, espuma de cerveza mantequilla, margarina zumo de tomate, turrón de Jijona Sólido Espuma sólida Gel Sol sólido pan y bollos queso, yogur no batido, cuajada paté de campaña refrigerado suflés, merengue salchicha cocida turrón de Alicante A Elle&liu CREME SUCREE DAIRY CREAMGELES

Geles: Red Tridimensional y Propiedades

V GEL: red tridimensional de moleculas o partículas conectadas entre sí que atrapa un gran volumen de agua v Características de sólidos y líquidos SOL (S/L) GEL (L/S) Fase sólida (agente gelificante): proteínas, polisacáridosPROPIEDADES DE LOS GELES

Propiedades Viscoelásticas de los Geles

V Propiedades viscoelásticas v El material no se deforma instantaneamente ni recupera su forma inicial V Bajo una fuerza intensa los geles se pueden fracturar o perder firmeza Curvas tensión-deformación (a) Pure Elastic (b) Pure Viscous Viscoelastic Velocidad de deformación Shoor stross | Shoor stross ON OFF Shear stries Shear stress ON OFF Shoor stress |Shoor stross ON OFF Time Time Time Módulo elástico: relación entre la fuerza de deformación aplicada y la deformaciónMECANISMOS DE GELIFICACIÓN

Mecanismos de Gelificación

v Gelificación ionotrópica (alginatos, pectinas) v Gelificación en frío (gelatina, agar) v Gelificación en caliente (metilcelulosa, proteínas globulares)Formación de geles con Calcio (G. ionotrópica)

Formación de Geles con Calcio

Estructura de "caja de huevos" (egg-box) 7 Ca2+ Ca2+ A Interacciones electrostáticas: geles termoestables Gel: Parte sólida: zonas de unión Parte en solución: restoFormación de geles en frío

Formación de Geles en Frío

V T dependiente V Geles termorreversibles Hélices estabilizadas por enlaces de H: al calentar se separan Enfriamiento + Calentamiento Ejemplos: gelatina, agar, carragenatos (+ cationes)Formación de geles en caliente

Formación de Geles en Caliente con Metilcelulosa

METILCELULOSA (MC) V Derivado de la celulosa v Soluble en agua fría v Forma geles en caliente (80-90ºC) H. I-Q O I-O H H C 0 I H 0 H H NaOH/ Cloruro de Metilo HỌC HỌC Celulosa HỌC CH3 CH, H H H CH MC (Metil Celulosa)MECANISMO DE GELIFICACIÓN

Mecanismo de Gelificación de Metilcelulosa

· Al calentar una solución acuosa de MC el agua unida al polímero se separa · Unión de las cadenas del polímero. Interacciones hidrofóbicas (por eso se necesita aplicar E térmica) · Al disminuir la T se pierde la estructura de gel (geles reversibles)Grupos metoxi- AguaGrupos metoxi- AguaPROPIEDADES DE LOS GELES

Propiedades de los Geles: Licuefacción y Envejecimiento

Al aumentar la T los geles se convierten en pastas o líquidos viscosos Reversible/irreversibles: según el tipo de enlace que los estabilice P. ej. gelatina (geles estabilizados por puentes de hidrógeno) Irreversibles: normalmente estabilizados por enlaces covalentes (p. ej. puentes disulfuro) Licuefacción: como consecuencia de estrés mecánico se licuan Envejecimiento de los geles: con el tiempo pierden agua (sinéresis, retrogradación en el caso del almidón)EMULSIONES

Emulsiones

Definición de Emulsiones

Dispersiones de al menos dos fases líquidas no miscibles estabilizadas por un agente emulsionante Fase dispersa (discontinua) Fase dispersante (continua) · fase dispersa o discontinua: constituida por gotas pequeñas · fase continua o dispersante: es la matriz en la que están dispersas las gotasTIPOS DE EMULSIONES

Tipos de Emulsiones: O/W y W/O

Emulsiones de aceite en agua (O/W) Ejemplos: leche, mayonesa, salsas Cabeza Hidrofílica Cola Hidrofóbica milk composition casein whey proteins 98 fat globuleTIPOS DE EMULSIONES

Emulsiones de Agua en Aceite (W/O)

Emulsiones de agua en aceite (W/O) Cabeza Hidrofílica Cola Hidrofóbica Ejemplos: Mantequilla, margarinaTIPOS DE EMULSIONES

Emulsiones Múltiples

Emulsiones múltiples Emulsión de agua en aceite en agua (W/O/W) Emulsión de aceite en agua en aceite (O/W/O) W,/O/W2 01/W/O2Emulsión múltipleEMULSIONES: OBTENCIÓN

Obtención de Emulsiones

AGUA ACEITE EMULSIONANTE ENERGÍA (S) OMNIGLH Homogeneizador: se crea un flujo turbulento Turbulencias: · Disminuye tamaño de gota (aumenta área de la interfase) · Transporte del emulsionante a las nuevas interfases creadas · Colisión de gotas formadas (recoalescencia)Con la formación de nuevas gotas aumenta el área de la interfase, es un sistema termodinámicamente inestable W/O Sistema equilibrio Sistema no-equilibrio zar aceite 1 Emulsificación 1 1 1 6 1 1 1 1 Desestabilización O/W 1 1 agua La interfase entre los dos líquidos acumula una gran cantidad de energía libre positiva sistema termodinámicamente inestable / 1 1 1 1ESTABILIDAD DE LOS COLOIDES. FENÓMENOS SUPERFICIALES

Estabilidad de Coloides y Fenómenos Superficiales

Coloides son sistemas metaestables: tendencia a volver estado menor E libre Gibss Interfase: superficie que forma una frontera entre 2 o más fases distintas En la interfase: las fuerzas más importantes son las que van hacia el interior del líquido (se trata de reducir el área superficial al mínimo) Solo es posible formar un coloide estable si se logra disminuir la Tensión superficial entre ambos AIR 1 SURFACE Low surface tension LIQUID Surfactant: water-repellent tail water-loving head TS: 17,6 dinas/cm (10 dinas/cm)FACTORES DE ESTABILIDAD DE UNA EMULSIÓN

Factores de Estabilidad de una Emulsión

Distribución del tamaño de gota: cuanto más pequeñas sean las gotas más estable es la emulsión Fracción de volumen de la fase dispersa ( Ø ) En la mayoría de los alimentos, este valor está entre 0,01 y 0,4. Existen excepciones como la mayonesa en la que este valor es de 0,8 Cuanto mayor es el valor de Ø mayor es la viscosidad de la emulsiónFracción de volumen de la fase dispersa ( Ø)

Fracción de Volumen de la Fase Dispersa

P. ej. Mayonesa (o/w): Ø es excepcionalmente elevado (aprox. 0,8) Gotas esféricas: esféricas e indeformables (situación de máxima compacidad esférica) Distorsión burbujas empaquetamiento esférico de máxima compacidad COALESCENCIA E INVERSIÓN (emulsión W/O) bajada brusca de la viscosidad Situación de máxima viscosidadFACTORES DE ESTABILIDAD DE UNA EMULSIÓN

Factores de Estabilidad: Tamaño de Gota y Viscosidad

Distribución del tamaño de gota: cuanto más pequeñas sean las gotas más estable es la emulsión Fracción de volumen de la fase dispersa ( Ø ) En la mayoría de los alimentos, este valor está entre 0,01 y 0,4. Existen excepciones como la mayonesa en la que este valor es de 0,8 Cuanto mayor es el valor de Ø mayor es la viscosidad de la emulsión Composición de la fase continua, fundamentalmente su viscosidad Presencia de tensoactivosFACTORES DE ESTABILIDAD DE UNA EMULSIÓN

Emulsionantes y Estabilizantes

EMULSIONANTES Sustancias anfifilicas que disminuyen la tensión interfacial Iónicos Macromoléculas: proteínas (tras desnaturalización) 17,6 dinas/cm 10 dinas/cm) Fosfolípidos tras liberarse de las membranas: p. ej. la lecitina No iónicos Mono-, diglicéridos y ácidos grasos libres R1 - COO - CH2 R2 - COO - CH2 HO - CH R1 - COO - CH HO - CH2 HO - CH2 1-monoglicérido 1,2-diglicérido 0 CH2-O-C-(CH2)14CH3 Nonpolar fatty acids CH-O-C-(CH )14CH3 7 - 0 CH-O-P-O-CH,CH_N(CH3)3 + Polar Choline Lecitina (o fosfatidilcolina), es un fosfolípido presente en la yema de huevo (10%)FACTORES DE ESTABILIDAD DE UNA EMULSIÓN Estabilizantes: polímeros que aumentan la viscosidad de la fase acuosa Ejemplos: xantano, derivados celulosa, almidones modificados, carragenatos Agua EstabilizanteMateriales comunes para estabilizar emulsiones alimentarias Lecitina + O CH3 1 CH2 - CH - CH2-O - P-(CH2)2-N-CH3 1 O Monoglicéridos CH3 1 C=0 C=O -0- 0=2 HOCH2-CH-CH2 OH SOLID OIL DROPLET OI ÇO 1 H3C CH 0-C ZI - CH3 0 InI x -VI 1 12 CH2 1 1 C ZI 1 C HO . HC - HO-C - CH2 H C Proteínas CH2 1 coo" Ésteres de AG HCOH O CH H\ IZ IO N.H _COO- - Partículas sólidasBALANCE HIDROFÍLICO-LIPOFÍLICO (HLB)

Balance Hidrofílico-Lipofílico (HLB)

El HLB es una estimación de la atracción simultánea del emulsionante por las fases acuosa y oleosa Sirve para elegir el emulsionante más adecuado según la fase continua de la emulsión Valores HLB=1-20 agua aceiteBALANCE HIDROFÍLICO-LIPOFÍLICO (HLB)

Valores HLB y su Significado

agua aceite agua aceite agua aceite HLB bajo HLB =10 HLB altoEmulsionante Valor HLB · Ácido oleico 1,0 · Monoestearato de glicerol 3,8 · Monoestearato de tetraglicerol 9,1 · Monooleato de sorbitán polioxietilenado 15 · Oleato sódico 18 · Oleato potásico 20 oil AN Water strongly hydrophilic good balance High HLB appropriate HLB strongly lipophilic Low HLBREGLA DE BANCROFT

Regla de Bancroft

La fase continua de una emulsión es aquella fase en la que el emulsionante es más soluble Los emulsionantes con HLB bajo favorecen la formación de emulsiones W/O, mientras que los emulsionantes con HLB altos favorecen las emulsiones O/W. · Oleato de sodio, estearato de sodio (solubles en agua y poco solubles en aceites): Emulsiones O/W · Dioleato de calcio, diestearato de zinc (solubles en aceite y poco solubles en agua): Emulsiones W/O Normalmente se recurre a mezclas de emulsionantes