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 Percepción, aceptación, Uniformidad Tratamientos con campos eléctricos pulsados, calentamiento ohmico, por inducción o radio frecuencia 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
Como se manifiesta? Proceso y Desempeño Processability & Product Performance
Origen de las propiedades Reológicas Escala
Molecular
Ultraestructural
Entes Involucrados Moléculas Interacciones entre grupos funcionales Configuración espacial
Macromoléculas
Ejemplos Tamaño y tipos de moléculas Moleculas poliméricas Entrelazamiento Químico Puentes de Hidrógeno Extructura 1,2,3,4, proteínas Cambios moleculares por rompimiento (enzimas, Fotolisis, Oxidación) Asociaciones e Interacciones complejas (polímeros, proteínas)
Interacciones naturales
Microestructural
Macroestructural
Coloides Conformaciones de proceso
Estructuras mayores Fases
Gotas, Burbujas y cristales Fases agregadas y segregadas Fibras y Filamentos Películas
Ensambles y enlaces 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] --
ACERO Estructura Fuerte Rigidez Deformación Retienen/recuperan forma Energía Almacenada (Elástico puro – R. Hooke, 1678)
AGUA Estructura Debil Fluidez Flujo Pierden Forma Energía Disipada [Energía]
(Viscoso puro – I. Newton, 1687)
ELASTICIDAD Modulo de Almacenamiento
Sólido Aparente
Fluido Ideal
VISCOSIDAD Modulo de Perdida
Comportamiento REAL [Energía + tiempo] Fluido Aparente
- materiales viscoelásticos -
Comportamientos Reológicos
Deformación y Flujo de Corte Deformación de Corte Esfuerzo
Deformación
F = A
x(t) V
x(t)
Strain, =
Strain Rate =
y0 d x(t)
. V y0
y0
y
A z
x
.
=
t
Viscosidad =
Modulo de Corte G =
.
dt
Modos de Deformación Tensión
Compresión
Doblado
Lineal
Rotational
Torsional Shear
Torsion Rectangular
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 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” Todos esos atributos mecánicos pueden hoy ser medidos cuali y cuantitativamente, analizados numérica y gráficamente
¿Cómo medir la Textura? Métodos sensoriales, Percepción y Descripción de la sensación Paneles entrenados, expertos Mediciones subjetivas
Métodos instrumentales de análisis de Textura Expresión numérica de una característica del producto, relacionada con las propiedades de los materiales. Métodos validables, reproducibles, universales
¿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
Origen del Análisis Instrumental de Textura ? Pruebas de Materiales Elasticidad
Plasticidad Modulus
Textura Análisis Masticabilidad Gomosidad Fracturabilidad Dureza & Suavidad Adhesividad
Reología Viscoelasticidad Viscosidad
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
Ley de Hooke
, siendo
TEXTURA
TA.Xtplus STABLE MICROSYSTEMS (UK)
Basic principle Probe
Sample
Return to Start (Trigger)
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
Basic principle Probe
Return to Start (Trigger)
Probe continues to move into the sample at the test speed until the test is complete F
Sample
T
Basic principle Probe
Return to Start (Trigger)
When test is finished, probe begins to move away from sample at post-test speed F
Sample
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 FORCE
H
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
Would you like to determine.. • The optimum shelf life of your product
PRUEBAS DE PENETRACIÓN 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 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”
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).
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 Typical Measurement Result F Apples Pears t
Causes irreversible changes in the sample Involves both compressive and shear forces
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
Margarine Butter
t
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
Biscuit Force
Chewy cereal bar
Time
Measure fracture and break strength of...... Biscuits Chocolate Bread sticks Measure freshness of...... Vegetables
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 Typical Measurement Result F
Yoghurt Cream
Gels Viscous liquids and sauces Pastes Processed fruit and vegetables
t
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
Tension - Spaghetti Rig Measures the tensile strength of
Spaghetti Noodles Human Hair Thread
Sample
Tension - Roller Grips 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
Can be used to measure
Sausages Packaging seals Adhesive tapes
Adhesion An increasingly popular method of measuring
Pasta Goma de mascar Pegamentos Arroz Sample
Typical Measurement Result F
Adhesive tape Confectionery t
Target force
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.
New Fixtures for TA-XTplus
An Innovation in Powder Flow Analysis
The Stable Micro Systems
POWDER FLOW ANALYSER
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
