Universidad Nacional Escuela de Química Introducción a la Ciencia y Tecnología de Alimentos Integrantes: Yéssica Alvarado Arias Carolina Alvarado Monge José Daniel Herrera González Emulsión y homogenización
1- Fundamento teórico Una emulsión es una mezcla una mezcla de dos líquidos dos líquidos inmiscibles inmiscibles de manera más o menos homogénea. Un líquido (la fase (la fase dispersa) es dispersado es dispersado en otro (la fase continua o fase dispersante). Muchas emulsiones son de aceite/agua, con grasas alimenticias como uno de los tipos más comunes de aceites encontrados en la vida diaria. Generalmente las emulsiones de alimentos tienen dos fases: una fase acuosa que consiste en agua que contiene sales, azúcares, ácidos en solución y/o otras sustancias orgánicas o coloidales y una fase oleosa que consiste en aceites, grasas, ceras, resinas, aceites esenciales y otros materiales hidrofóbicos. hidrofóbicos. La estabilidad de una emulsión depende de diversos factores:
El tamaño de los glóbulos de la fase dispersa La diferencia de densidad de ambas fases La viscosidad de la fase continua y de la emulsión Las fuerzas de interfase que actúan en la superficie de los glóbulos La naturaleza, eficacia y cantidad de emulsificante y estabilizante Las circunstancias de almacenamiento (temperaturas altas y bajas, agitación o vibración, evaporación)
Las emulsiones son parte de una clase más genérica de sistemas de dos fases de materia llamada coloides. llamada coloides. A pesar que el término coloide y emulsión son usados a veces de manera man era intercambiable, las emulsiones tienden a implicar que tanto la fase dispersa como la continua con tinua son líquidos. Una emulsión estable es un sistema en el que los glóbulos conservan su carácter inicial y permanecen distribuidos uniformemente en la fase continua. Existen tres tipos de emulsiones inestables: la floculación, la floculación, en en donde las partículas forman masa; la cremación, la cremación, en donde las partículas se concentran en la superficie (o en el fondo, dependiendo de la densidad relativa de las dos fases) de la mezcla mientras permanecen separados; y la coalescencia la coalescencia en donde las partículas se funden y forman una capa de líquido. Una emulsión se torna en una emulsión de agua en aceite o en una emulsión de aceite en agua dependiendo de la fracción del volumen de ambas fases y del tipo de emulsificador. Generalmente se aplica la regla la regla de Bancroft: los emulsificadores y las partículas emulsificantes tienden a fomentar la dispersión de la fase en el que ellos no se disuelven muy bien; por ejemplo, las proteínas se disuelven mejor en agua que en aceite así que tienden a formar emulsiones de aceite en agua (por eso ellos fomentan la dispersión de gotitas de aceite a través de una fase continua de agua). Un emulsionante (también llamado emulgente) es una sustancia que estabiliza una emulsión, frecuentemente un surfactante. un surfactante. Ejemplos de alimentos emulsionantes son la la yema de huevo (en donde el principal producto químico emulsionante es la lecitina) la lecitina),, la miel la miel y la mostaza, la mostaza, en donde una variedad de productos químicos en el mucílago el mucílago alrededor de la vaina de la semilla actúan como emulsionantes; las proteínas y emulsionantes de
bajo peso molecular son los más comunes. Tanto la mayonesa como la salsa holandesa son emulsiones de aceite en agua que son estabilizados con la lecitina de la yema de huevo. Los detergentes son otra clase de surfactante, y pueden interactuarse químicamente tanto con el aceite como el agua, así estabilizando la interfaz entre las gotitas de aceite o agua en suspensión. Este principio es explotado en el jabón al remover la grasa con el propósito de limpieza. Algunas veces la fase interna misma puede actuar como un emulsionante, y el resultado es una nanoemulsión, el estado interno se dispersa en gotitas de tamaño nanométrico dentro de la fase externa. Un ejemplo conocido de este fenómeno ocurre cuando el agua se vierte en una bebida de alto contenido alcohólico basado en anís, como el ouzo, el pastis o el rakı. Los componentes anisólicos, que son solubles en etanol, forman gotitas de tamaño nanométrico y emulgen dentro del agua. El color de esta bebida diluida es opaco y lechoso La homogenización es un proceso que combina diversas sustancias para producir una mezcla uniformemente consistente. La homogenización se utiliza principalmente con componentes que no son solubles uno en el otro, que apenas son miscibles o no son miscibles en absoluto. Los sólidos generalmente se pueden homogenizar por agitación. La homogenización de líquidos no miscibles, así como el mezclado homogéneo y libre de grumos sólidos y líquidos exige una solución más inteligente. La homogenización es una operación más drástica que la emulsificación. La industria alimentaria ha homogenizado leche desde hace muchos años. Con el fin de evitar el proceso natural de formación de crema, los glóbulos de grasa en la leche se trituran en un homogenizador de alta presión, de modo que se produzca una emulsión estable. La homogenización es una tarea omnipresente para la producción de pinturas, barnices, lubricantes, emulsiones bituminosas, productos para el hogar y productos para la industria química. La leche fresca suele tener ciertas fechas de caducidad que aparece en la superficie, separándose del resto de la masa de líquido. Homogenización en este caso es el proceso de romper la grasa en pequeñas partículas de tamaño, de tal forma que no se separen en el futuro de la masa de líquido. Esta operación se realiza sometiendo a la leche a gran presión para que fluya por diminutos orificios. La estabilidad obtenida evita que la grasa se separe del resto de los componentes y pueda ascender hacia la superficie por su menor peso y su menor densidad y esto a su vez evita que la leche se vuelva muy desagradable al olfato y se cree una capa amarillenta media verdosa parecida a la contextura de un moco acuoso. La homogeneización cuando se realiza en los helados, incrementa la viscosidad y cuerpo de la masa y produce un mejor aspecto de la mezcla helada de cara al consumo.
2- Asociación con eficiencia y eficacia: la eficiencia difiere de la eficacia en el sentido que la eficiencia se refiere a la relación de los recursos utilizados para alcanzar un objetivo, mientras que la eficacia, hace referencia a la capacidad para alcanzar un objetivo según lo previsto. Por ejemplo, se puede dar el caso que se alcanzó el objetivo de construir una autopista en una semana tal como se había previsto (hay eficacia), pero para construirla se utilizaron más recursos de los previstos (no hay eficiencia). La eficacia de una emulsión se encuentra relacionada con los factores que favorecen la estabilidad de la misma, los cuales dependen de la naturaleza del agente emulsificante y de la elección de las condiciones de operación. Por tanto la eficacia depende de:
Una tensión superficial baja: la adsorción de un emulsificante en una interfase aceite/agua ocasiona una disminución de la energía interfacial, con lo cual se facilita la dispersión de un líquido en otro. Una película interfacial mecánicamente fuerte (de surfactante, molécula anfifílica): esta película da una protección mecánica que es adsorbida alrededor de la gota. La capacidad de formar una barrera física y eléctrica alrededor de la gota que evite o retarse el fenómeno de desestabilización (desintegración) de las fases.
La eficiencia de una emulsión tiene que ver con la parte económica y la eficiencia del agente emulsificante, aunque generalmente no van de la mano, lo ideal es tener un emulsificante barato y eficiente, la cantidad empleada dependerá de las características de la emulsión a elaborar, pudiendo ser desde un 1 a un 15% del total de la emulsión. 3- Asociación con efecto que tiene en los alimentos: la emulsión y la homogenización repercuten sobre el color de algunos alimentos. Por ejemplo: la homogenización aumenta la blancura de la leche debido a que el mayor número de glóbulos de grasa incrementa la cantidad de luz reflejada y dispersa. En muchos alimentos, la emulsificación mejora el sabor y aroma, ya que provoca la dispersión de compuestos volátiles, incrementando así su contacto con las pupilas gustativas. La emulsión y la homogenización estabilizan a los productos dándoles un aspecto uniforme y evitando su separación, pero no mejora por sí misma, la conservación del alimento. 4- Cálculos básicos La regla de Brancroft establece que “la fase en la que el emulgente es más soluble se constituye la ase continua” Tanto así que incluso con un 60% de aceite y un 40% de agua, si el emulgente escogido es más afín al agua, se formará una suspensión de aceite/agua. El equilibrio hidrofílico-liófílico (HLB, en inglés) de un tensoactivo, es una medida del grado en el que es hidrófilo o lipófilo, el cual se puede determinar mediante dos métodos: el de Griffin y el de Davies.
Método Griffin (para tensoactivos no iónicos) funciona según la ecuación:
HLB = 20 ∙ MMh
Donde Mh es la masa molar de la parte hidrófila de la molécula y M es la masa molar de toda la molécula, dando un resultado en una escala de 0 a 20. Un valor de HLB de 0 corresponde a una molécula completamente hidrófoba (lipófila) y un valor de 20 corresponde a una molécula completamente hidrófila (lipofóba) El valor del HLB se puede utilizar para predecir las propiedades tensoactivas de una molécula:
Para emulsiones aceite en agua, se utilizan emulgentes que son más solubles en agua que en aceite (emulgentes de alto HLB > 10) Para emulsiones agua en aceite, se utilizan emulgentes que son más solubles en aceite que en agua (emulgentes de alto HLB > 10)
El valor del HLB se puede utilizar para predecir para predecir las propiedades tensoactivas de una molécula:
1,5 – 3: antiespumante 3 – 6: emulsionante w/o (agua en aceite) 7 – 9: humectante 12 – 16: emulsionante o/w (aceite en agua) 13 – 15: detergente 15 – 18: solubilizante
Método Davies (toma en cuenta los grupos hidrófilos y lipófilos de la molécula) funciona según la ecuación:
HLB = ∑ ℎ − ∑ + 7 = m ∙ Hh − n ∙ Hl + 7
Donde m es el número de grupos hidrófilos en la molécula, Hh el valor de los grupos hidrófilos, n el número de grupos lipófilos y Hl el valor de los grupos lipófilos. 5- Equipo utilizado
Emulsificadores:
Mezcladores de rotor: hay de diferentes tipos, por ejemplo de hoja en z para masa, tanques rotativos para mantequilla, mezcladores de líquidos a alta velocidad para poco viscosos como elaboración y premezcla de aderezos, cremas, mayonesa, queso fundido, entre otros. Molinos coloidales: en estos equipos las paredes generalmente son de acero inoxidable pulido, además pueden poseer camisas de refrigeración. Se producen emulsiones finas de 1 a 2 µm. Una desventaja es que puede producir una incorporación de aire, lo que afecta el funcionamiento del equipo y la formación de espuma, para evitar esto algunos molinos poseen elementos con ondulaciones preparar aderezos, mayonesas, cremas. Los molinos son utilizados para la reducción de tamaño, como pasta de frutas, carne, etcétera.
Homogeneizadores:
Homogeneizador a presión: se fuerza el paso de la emulsión bruta a gran velocidad a través de una ranura muy estrecha. Compuesto por una o dos válvulas de homogeneización y una bomba de alta presión. La válvula proporciona una abertura ajustable del orden de 15 a 30 µm. y a través de ella se hace pasar la mezcla a alta presión. En algunos equipos poseen una superficie perpendicular a la salida de la ranura en donde chocan las partículas. Asimismo hay un gran cambio de presión. Este efecto produce una gran cizalla que rompan las gotas. Estos equipos son utilizados en productos lácteos como: leche, helados, crema de bajo porcentaje en grasa, aderezos, sopa de crema, salsas, entre otros. Generalmente es utilizado en productos poco viscosos.
Homogeneizadores en dos etapas: es un proceso de óptima eficiencia. Es utilizado para la producción de lácteos y aderezos de ensaladas en los que las proteínas actúan como emulsificante. Las gotas que salen de la primera válvula tienden a agregarse formando aglomerado, esto se debe a una mala distribución del emulsificante en la superficie recién creada y glóbulos de grasa. La segunda válvula los separa, donde se utiliza una baja presión.
Homogeneización con ultra – alta presión (UHPH): es una homogeneización clásica, con un proceso similar al de los homogeneizadores en dos etapas. Este proceso puede producir nanoemulsiones.
Homogeneizador de hidrocizalla: cámara cilíndrica con orificio de alimentación tangencial en el centro y dos toberas de descarga cónicas en los extremos. La corriente de alimentación entra por el orificio estrecho a alta velocidad, utiliza bombas con altas presiones. El líquido recorre la cámara en forma de espiral aumentando la velocidad y entre capas adyacentes se forma una gran cizalla. En el centro se crea zona de baja presión rodeada por otra de cavitación intensa. Como producto de lo anterior se rompen las gotas produciendo tamaños de 2 a 8 µm.
Equipos ultrasónicos: cuando un líquido se somete a uan frecuencia acústica mayor que las audibles (16 kHz) se ve sometido a ciclos sucesivos de expansión y compresión, esto produce cavitación, lo que hace que las burbujas se colapsen. El sistema más utilizado es el mecánico. El más utilizado es el resonador de cuña donde a través de una boquilla se bombea un líquido, el chorro que sale se hace chocar contra una cuchilla filosa en forma de cuña haciéndola vibrar. El tamaño producido de las gotas es de 1 a 2 µm. es utilizado para la fabricación de chocolate, helados, alimentos infantiles emulsiones de aceites escenciales.
Emulsificación a través de membranas: se utiliza para emulsiones poco concentrada, demanda poca energía, utiliza poro de poco tamaño. Además es posible obtener tamaños de 0,2 µm. Según el tipo de membrana (hidrofóbica o hidrofílica) se pueden fabricar emulsiones aceite/agua o agua/aceite. Es utilizado en productos sensibles a la fuerza de cizalla porque el estrés es bajo. Estas características aumentan la posibilidad de producir emulsiones con mayor estabilidad.
6- Ejemplos Ejemplos de emulsiones incluyen la mantequilla, la margarina, la leche, crema el expreso, la mayonesa, entre otros. En el caso de la mantequilla y la margarina, la grasa rodea las gotitas de agua (en una emulsión de agua en aceite); en la leche y la crema, el agua rodea las gotitas de grasa (en una emulsión de aceite en agua). El proceso en el que se preparan las emulsiones se llama emulsificación. La emulsificación y homogenización repercuten sobre el color de algunos alimentos. Por ejemplo, la homogenización aumenta la blancura de la leche debido a que el mayor número de glóbulos de grasa incrementa la cantidad de luz reflejada y dispersa. En alimentos como las salchichas, la emulsificación mejora el sabor y aroma, en otros productos como mayonesa y mostaza la emulsificación y homogenización les da un aspecto uniforme y evita que se separe pero no mejora la conservación del alimento.
