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Introducción a la reologia de los alimentos 2012

RESUMEN La reología es una rama de la física que estudia la deformación y el flujo de la materia (Steffe, 1996), esto significa que es la condición como los materiales responden a una fuerza o deformación aplicada. Todos los materiales tienen propiedades reológicas. Tipos de Fluidos: Newtonianos: son aquellos cuya relación entre la velocidad de corte (shear rate) y la fuerza de corte (shear stress) es lineal y poseen una viscosidad constante, todos los gases, agua liquida, leche, jugos clarificados, vino, cerveza y demás líquidos de moléculas sencillas conforman este tipo de fluidos. No – Newtonianos: son aquellos fluidos en los cuales el coeficiente entre esfuerzo cortante y velocidad de corte no es lineal, es decir, la viscosidad no permanece constante sino que esta en función de la velocidad de corte. Las suspensiones densas, emulsiones, chocolate derretido, crema de leche, mermelada de frutas, mieles y demás alimentos de consistencia gruesa pertenecen a esta clasificación. Dentro de este mismo tipo de fluidos encontramos: Independientes del tiempo: estos fluidos no cambian su viscosidad con el tiempo de aplicación de un esfuerzo a una velocidad constante y ademas se clasifican en función de si requieren o no un esfuerzo umbral, es decir, aplicar una fuerza inicial para que comience el flujo. Fluidos sin esfuerzo umbral: 

Pseudoplástico



Dilatante Fluidos con esfuerzo umbral, llamados también plásticos



Plástico



Plástico de Bingham

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Dependientes del tiempo: estos fluidos varían su viscosidad dependiendo del tiempo de aplicación del esfuerzo de corte. 

Tixotrópicos



Reopécticos Reología aplicada a la industria de alimentos. En la industria de alimentos la reología ocupa un lugar muy importante para el desarrollo, el procesamiento, el envase y la conservación (Steffe, 1996). Veamos algunas de sus aplicaciones: Calculo de procesos ingenieriles donde se involucran un amplio rango de equipos tales como:



Tuberías



Maquinas para recubrir



Bombas



Intercambiadores de calor



Extrusores



Homogeneizadores



Mezcladores



Viscosímetros

Determinar la funcionalidad de ingredientes durante el desarrollo de productos.

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INTRODUCCIÓN La Reología es la ciencia del flujo que estudia la deformación de un cuerpo sometido a esfuerzos externos. Su estudio es esencial en muchas industrias, incluyendo, por ejemplo, las de plásticos, pinturas, alimentación, tintas de impresión, detergentes o aceites lubricantes. La Reología moderna, además de los comportamientos elástico y viscoso, estudia también sistemas complejos que presentan simultáneamente propiedades elásticas y viscosas, es decir, sustancias visco elásticas. El comportamiento de flujo también puede denominarse comportamiento reológico cuando dicho los materiales se evalúan acorde a los parámetros de la reología Los fluidos que son del interés de la Reología presentan una gama de comportamientos que van desde el viscoso Newtoniano hasta el sólido elástico de Hooke, que serán definidos más delante. Dentro de esta categoría pueden conseguirse innumerables materiales tales como el yogurt, la mayonesa, la sangre, las pinturas, las grasas y muchos más. La reología tiene varios usos en la práctica, dependiendo del objetivo del estudio de cada tipo de material. En tal sentido pueden distinguirse dos objetivos principales: Predecir el comportamiento macroscópico del fluido bajo condiciones de proceso para lo cual se hace uso de las relaciones constitutivas y de las funciones materiales. Estudiar de manera indirecta la microestructura del fluido y evaluar el efecto de varios factores sobre dicha microestructura. Para esto se comparan las funciones materiales o propiedades reológicas. Otras materias primas tales como las frutas y vegetales frescos requieren en ocasiones determinaciones de la firmeza del fruto para su tratamiento posterior. En cuanto a productos intermedios como pueden ser: pulpas de frutas, derivados del tomate y otros, las determinaciones de viscosidad y/o consistencia se encuentran normalizadas en muchas industrias.

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En la producción de helado, las mediciones de la viscosidad de la mezcla son imprescindibles ya que pueden determinar los rendimientos industriales así como la textura del producto terminado. En la producción de chocolate, las pastas fundidas y las coberturas son controladas además por las mediciones reológicas y de igual forma, los rendimientos y la textura del producto terminado pueden estar influenciados por el comportamiento del flujo de estos productos. Para el caso del control de la calidad del producto terminado, se conoce que la textura representa un atributo importante de calidad que puede influir en la aceptación por el consumidor, tales son los casos de los productos crujientes: snacks, botanas, galletas, panes de corteza dura, papas fritas, etc. Otros derivados de las harinas como las panetelas, tortas, productos de repostería, deben poseer una determinada textura suave y esponjosa que resulte agradable al consumidor. Una viscosidad adecuada en los néctares de frutas, yogur batido, cremas y sopas, salsas derivados del tomate y otros productos viscosos, también son preferidas por el consumidor. La consistencia y untosidad de productos grasos tales como margarina, mayonesa y mantequilla también resultan parámetros importantes en la calidad.

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1.1 TRATAMIENTO PSICOLÓGICO Y REOLÓGICO DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO. Los alimentos, además de ofrecer un olor, un color y un sabor característico, existen determinado comportamiento mecánico: reaccionan de un cierto modo cuando intentamos deformarlos. Para expresar o estimar su comportamiento mecánico, existen dos procedimientos; uno de ellos consiste en tocar, estrujar, moldear o masticar el alimento y describir las sensaciones recogidas: método sensorial. Como la apreciación por cada individuo e diferente es necesario efectuar un tratamiento estadístico, a este procedimiento de valorar el comportamiento mecánico se le llama Haptaestesis (sensación). La Haptaestenesis es una rama de la psicología que trata de la percepción a través de las sentidos, del comportamiento mecánico de los productos. El segundo grupo de procedimientos de evaluación utiliza métodos físicos, en este caso el valor apreciado será medido por un medio instrumental, este método suele ser considerado como objetivo; los resultados obtenidos son expresados en metros, kilogramos o segundos según sea el caso. Se le llama reología al estudio físico del comportamiento mecánico de los materiales. La interacción entre la Haptaestesis y la Reología recibe el nombre de Psicorreología que consiste en el estudio de las relaciones existentes entre las evaluaciones sensoriales y las medidas reológicas. 1.2 REOLOGÍA Ciencia de la deformación de materia, se ocupa preferentemente de la deformación de los cuerpos aparentemente continuos y coherentes, o con la fricción entre sólidos, del flujo de polvos, incluso de la reducción de partículas. a) Justificación de los estudios reologicos: Existen cuatro justificaciones: 1) Contribuyen al conocimiento de su estructura.(tamaño, forma, viscosidad, elasticidad)

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2) Ayudan al control de los procesos.(en materias primas y productos en la elaboración) 3) El diseño de maquinas.(adecuarlas para los productos que se va a trabajar) 4) Aceptación del producto.

b) Dificultades de las valoraciones reologícas. Existen 2 obstáculos: 1) Gran diversidad de materiales existentes(sólidos, líquidos, gases)

2) Diferente comportamiento de los productos al variar las condiciones que en que se observa. Aquí entra a lo que se le llama índice de Débora que es el tiempo de observación partido por el de de deformación. Cuanto mayor sea este índice, mas tendrá el producto a parecer un sólido, y cuanto mas pequeño sea, mas se parecerá a un liquido. 1.3 Patrones Reológicos. Para resolver la dificultad que supone la casi infinita diversidad de productos, el reólogicos toma puntos de referencia (patrones) constituidos por sustancias ideales. Todos los sólidos (acero, vidrio, rocas), exhiben algunas, características propias de los líquidos; menos uno, el sólido ideal que, por definición, carece de estas propiedades. De igual modo, existe un líquido que, también por definición, carece de, cualquiera de las propiedades típicas de los sólidos el líquido ideal. Tanto el sólido de Hooke (solido ideal) como líquido newtoniano (liquido ideal) carecen de estructura (no tienen átomos), son Isotrópicos (exhiben idénticas propiedades en todas las direcciones) y siguen con precisión sus respectivas leyes. 1.4. Fuerza y deformación

a) Fuerza, esfuerzo y tensión Una fuerza "F", se define en términos de su capacidad de producir una aceleración, pero también es un agente capaz de deformar un cuerpo, esta no constituye un criterio

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reologico útil. Es más útil! considerar la relación fuerza/área (FlA), cociente al que se denomina "esfuerzo" o "tracción" . La unidad de fuerza es el newton (N) y la de. área el metro cuadrado; de ahí que el esfuerzo se mida en N/m2• Un newton es la fuerza que aplicada sobre una masa de 1 kg produce una aceleración de 1 m/s/s.

b) Deformación y deformación relativa Los cuerpos se deforman, cuando sobre ellos actúa una fuerza, cuando se les somete a una tensión; ejemplos típicos de deformación son el alargamiento y la compresión. Más útil resulta considerar la llamada "deformación relativa" o "deformación unitaria que se define como el cambio de dimensión experimentada por cada unidad de ésta. Así pues, a cada tensión o esfuerzo aplicado le corresponde una deformación relativa, cuya magnitud depende del material considerado. Experimentalmente se demuestra que, en muchas sustancias, cuando la deformación relativa es pequeña, la tensión es numéricamente igual al producto de la deformación relativa por una constante, es decir, que la deformación relativa es proporcional a la tensión. (Las ecuaciones de estado reológicas constituyen la relación matemática entre la deformación relativa y la tensión). C) flujo y velocidad de deformación Consideremos la deformación de los líquidos llamada “Flujo”. Llenemos dos embudos idénticos, uno con jarabe y otro con agua; al cabo de un rato, ambos estarán vacíos: para observar diferentes reológicas precisamos de un reloj. En los experimentos de elasticidad solo se considera la magnitud de la deformación; en los de viscosidad se determina la magnitud de la deformación dividida por el tiempo que esta tarda en producirse “Velocidad de Deformación” d) Determinaciones empíricas Las determinaciones reológicas fundamentales rinden datos que se, expresan en términos de kilogramos, metros y segundos. Los resultados obtenidos no dependen del método usado. Reducir a estas tres unidades básicas todos los resultados constituye una gran

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ventaja, no sólo porque son fácilmente comprensibles, sino también porque se trata de tres unidades, cuyos patrones son fácilmente accesibles. La ventaja de los procedimientos empíricos estriba en que son mucho más rápidos y simples que las determinaciones fundamentales; el inconveniente de los mismos consiste en que los resultados son específicos del instrumento usado, Las pruebas empíricas tienen que ser correlacionadas estrictamente con el comportamiento del producto, de lo contrario su valor es muy dudoso. 4.- LIQUIDOS NEWTONIANOS: CARACTERÍSTICAS Y MEDIDAS 4.1 Viscosidad Newtoniana ¿Qué es Viscosidad? ¿Cómo visualizarla? Imaginemos que con una cucharilla, agitamos una taza de té más enérgicamente que lo que acostumbran a hacerlo las personas bien educadas y levantamos la cucharilla. La velocidad de rotación va progresivamente disminuyendo y el líquido acaba por detenerse; ¿Por qué no sigue girando indefinidamente? Por la fricción en el seno del líquido. A esta fricción o rozamiento interno del líquido (su resistencia interna al flujo) es a lo que se denomina viscosidad. Difiere sin embargo, de la fricción o rozamiento de los sólidos en que, tratándose de un verdadero liquido más mínima fuerza(o atracción) aplicada de un modo continuo durante un largo periodo de tiempo, produce un flujo continuo.

Fig. 4.1 Flujo de un líquido a través de un tubo horizontal.

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La distribución de un líquido en capas concéntricas imaginarias infinitamente delgadas, a este tipo de flujo se le llama flujo en régimen laminar, que se define como el deslizamiento como entidades independientes de numerosas láminas de flujo infinitamente delgadas.

Fig. 4.2 Flujo laminar (telescópico). Flujo lento a través de un tubo visualizado como el movimiento de una serie de capas concéntricas. El coeficiente de viscosidad del líquido seria en poiseville (es decir Ns/m2). La unidad de viscosidad es el poiseville, PI. (Equivalente a 10 Poises). El coeficiente de viscosidad; define cociente tensión tangencial (o tensión de cizalladura), dividida por la velocidad de deformación (intensidad de cortadura o cizalladura, o gradiente de velocidad). El líquido newtoniano se define como aquel para el que la representación de la tensión cizalladura en función de la velocidad de deformación (o intensidad de cortadura) es una línea recta. A la constante de proporcionalidad se le denomina coeficiente de viscosidad.

Fig, 4.4 El líquido Newtoniano.

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Se le llama newtoniano en memoria del Sir. Isaac Newton, que fue el primero en definir el flujo viscoso, en estos termino: “la resistencia ocasionada por la no deslizabilidad de un líquido es proporcional, siempre que los demás factores se mantengan constantes, a la velocidad a que se separan las distintas partes del fluido. El líquido Newtoniano carece de propiedades elásticas es: Incompresible isótropo y, como el sólido de Hooke, irreal. El flujo de un líquido newtoniano suele ilustrarse gráficamente representando T o el coeficiente de viscosidad en función de la velocidad de deformación (intensidad de cortadura), D. El coeficiente de viscosidad depende de la temperatura. Al coeficiente de viscosidad se le denomina a veces viscosidad dinámica, para distinguirlo de la viscosidad cinética, v, que es el coeficiente de viscosidad medio directamente en los viscosímetros capilares de tubo en U, en lo que la tensión de cizalladura la proporciona el propio liquido de alimentación; esta tensión no depende solo de la altura de la columna, sino también de la densidad del líquido. Para interconvertir la vistosidad dinámica, hay que dividir esta por la densidad.

Tabla 4.1 Coeficientes de viscosidad (PI) a 20° C

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Tabla 4.2 Algunos productos de viscosidad elevada (PI)

4.2 Estructura Los líquidos simples y las disoluciones verdaderas suelen ser newtonianos. Carecen de estructura y de rigidez mensurable. Son newtonianas algunas, aunque pocas, suspensiones o disoluciones macromoleculares. Sin embargo también refluye la concentración; a concentraciones bajas, pueden ofrecer comportamiento newtoniano incluso las disoluciones macromoleculares. En

general

para

ofrecer

comportamientos

newtoniano,

las

suspensiones

macromoleculares deben poseer una estructura discontinua. Las partículas tienen, además, que comportarse rígidamente en las condiciones en que la prueba se efectúa.

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Las simétricas ( en forma de barras o de placas pueden mostrar algunos efectos no newtonianos, incluso a diluciones no muy grandes. 4.3 Turbulencia Si la velocidad de flujo del líquido aumenta más allá de ciertos límites, la corriente de colorante forma torbellinos. A este fenómeno se le denomina turbulencia. El flujo newtoniano solo se da a velocidades inferiores a aquellas en que aparece la turbulencia. El tránsito de flujo laminar al flujo turbulento acaece muy bruscamente. En condiciones de turbulencia, es similar a la que corresponde a un producto en dilatación. El incremento brusco de la pendiente de la gráfica no se debe a la composición del líquido y a su viscosidad, sino al rozamiento interno adicional causado por los torbellinos que aparecerán en el flujo turbulento.

El primer investigador que estudio científicamente la turbulencia de Osborne Reynolds (1842-1912). El número que indica el comienzo de la turbulencia ha sido denominado en honor a este autor, minero critico de Reynolds Rc en el flujo a través de tubos. Rc = 2pQ/ TTrn Donde p es la densidad del líquido (kg/m3), Q el volumen del líquido, que sale por unidad de tiempo, por el extremo del tubo (m3/s), r el radio (m) y n el coeficiente de viscosidad del líquido en PI (Ns/m 4.4 Viscosidad y Temperatura. La viscosidad de los líquidos desciende muy acusadamente al aumentar la temperatura. En términos generales. Cuanto más alto sea el coeficiente de viscosidad tanto más se verá afectado por la temperatura. El descenso de viscosidad del agua, por ejemplo es el

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orden 1-3´5% por ° C, dependiendo de la temperatura a que se efectué la medida. El del aceite de ricino es de un 8%, entre 20 y 21 °C, y el de la brea, en el mismo intervalo de temperatura, es del 30%. En las determinaciones de la viscosidad de los alimentos, debe controlarse la temperatura con una presión +-0´5°C, sumergiendo el viscosímetro en un baño de agua.

5.- LÍQUIDOS NEWTONIANOS Como ejemplos de alimentos líquidos que exhiben un comportamiento casi newtoniano, se pueden citar las bebidas carbonatadas, las bebidas alcohólicas (si no contienen moléculas de cadena larga), los extractos de carne, el jarabe de maíz, el jarabe de arce, algunos aceites ligeros de cocina, ciertas mieles, la leche, las disoluciones diluidas de goma arábica y el agua 5.1 DISOLUCIONES AZUCARADAS La viscosidad de las disoluciones de sacarosa ha sido estudiada por diversos autores, porque es frecuente utilizarlas para el calibrado de los viscosímetros. Dan un rango de viscosidad muy por encima de la del agua. El más completo de estos estudios es el llevado a cabo por el U. S. Bureau of Standards, que investigó la viscosidad de las disoluciones de sacarosa entre 0 y 35 ° C, a concentraciones de 20 – 75 % en peso. Tabla 5.1 Coeficiente de viscosidad de las disoluciones de sacarosa36, a 20°C

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Introducción a la reologia de los alimentos 2012 Si se representa el log de η en función de los gramos de sacarosa, por cada 100g de agua, una línea que es casi recta. A igual contenido en extracto seco, las disoluciones de azúcar invertido (el azúcar invertido es una mezcla de glucosa y fructosa) ofrecen inferior viscosidad (y las de glucosa una viscosidad superior) a las de la sacarosa.

fig. 5.1 Coeficiente de viscosidad a 20°C de disoluciones de 1) glucosa, 2) sacarosa, 3) azúcar invertido37. La viscosidad de las disoluciones mixtas de azúcares es groseramente aditiva y puede calcularse de un modo aproximado. Para la fabricación de caramelos, se hierve en agua una disolución saturada de sacarosa. Para evitar la cristalización a temperatura elevada, puede añadirse tartrato ácido de potasio, al objeto de invertir aproximadamente 1/3 de la sacarosa. A medida que se evapora el agua, se eleva la temperatura de la disolución. Si se retira una muestra y se enfría a la temperatura ambiente, exhibe unas propiedades reológicas muy típicas, que sirven para su clasificación en grados. A un punto de ebullición de 110° C se alcanza el “grado de hebra” (thread). El azúcar es suficientemente denso para formar hebras cuando se mete y se saca un tenedor. A 115° C se alcanza el “grado de pluma” (feather). El azúcar expulsa un tenedor como expulsaría una pluma. Al “grado de bola” (ball), la disolución de azúcar, una vez enfriada a la temperatura ambiente, permite la formación de una bola blanda entre los dedos. El “grado de Crack” indica que la bola es dura y quebradiza (véase tabla 5.2). los

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valores de viscosidad que se dan en la tabla 5.2 deben, por el momento, considerarse provisionales porque aún se desconoce hasta donde se mantiene el comportamiento newtoniano a concentraciones de azúcar tan altas.

TABLA 5.2 Relacion37 entre la nomenclatura técnica, el punto de ebullición (BP), el extracto seco (TS) y el coeficiente de viscosidad.

Se deduce que la viscosidad de las disoluciones de azúcar hervido, cuando se enfrían a la temperatura ambiente, pueden variar de menos de dos poiseuilles a más de 100 millones. Entre 0.001 y 0.35 Pl suelen utilizarse viscosímetros capilares. 5.2 LECHE COMPOSICIÓN DE LA LECHE. La leche es, esencialmente, una emulsión acuosa de glóbulos grasos, de 0.00015 – 0.01 mm de diámetro. Contiene aproximadamente un 87% de agua, un 4% de grasa, un 5% de azúcar (principalmente lactosa) y un 3% de proteína (fundamentalmente caseína). Contiene muchos otros constituyentes, como carotenoides, vitaminas liposolubles, sales minerales, células, y gases disueltos. Las investigaciones reológicas han implicado principalmente a las relaciones entre la viscosidad, la composición, el tratamiento térmico, la homogenización y las características no newtonianas. Las medidas viscosimétricas son, a veces, difíciles, porque durante su ejecución puede separarse la nata. La leche se aproxima mucho a un comportamiento newtoniano, pero muestra un ligero descenso de la viscosidad a medida que ese eleva la tensión de cizalladura.

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FIGURA 5.2 descenso del coeficiente de viscosidad de diversos tipos de leche al aumentar la fuerza de cizalladura.

El comportamiento viscoso de la nata es también diverso y complicado. Cuando se reduce su contenido de grasa, mediante la adición de agua, desaparecen las anomalías reológicas y tiende a reasumir un comportamiento newtoniano. Cuando el extracto seco de la leche aumente, tanto en la leche evaporada como en la leche desnatada, el comportamiento puede desviarse acusadamente del de un líquido newtoniano. La leche condensada almacenada durante cierto tiempo muestra unas propiedades visco – elásticas muy complejas, que han sido descritas por Weissenberg comportamiento newtoniano. Viscosidad y composición La leche desnatada es menos viscosa que la leche entera, porque la viscosidad aumenta con el contenido en grasa. La viscosidad aumenta también con el incremento del extracto seco, pro ninguna de las dos relaciones es simple. Por ello han fracasado todos los intentos de detectar la adulteración de mediante aguado a través de las determinaciones de viscosidad. En la leche desnatada, la adición de caseína aumenta considerablemente la viscosidad, si se compara el suyo con el efecto producido por las macromoléculas.

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Introducción a la reologia de los alimentos 2012 Tabla5.3 dilución acuosa y coeficiente de viscosidad de la leche Guersey fresca38.

Viscosidad y temperatura Al igual que ocurre con todos los líquidos, la viscosidad de la leche desciende a medida que aumente la temperatura. La figura 5.3 muestra las relaciones que se dan entre la temperatura y la viscosidad de la leche entera. Las relaciones entre la temperatura y la viscosidad de la FIGURA 5.3 relación entre la temperatura y el coeficiente de viscosidad de la leche entera39.

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Leche han sido estudiadas por diversos autores; los resultados obtenidos son ligeramente distintos. Cox valoró estadísticamente estos resultados y desarrolló la siguiente ecuación empírica: η´θ = η´20 / (1 + α (θ – 20) + β(θ – 20)2 ) donde η´θ es la viscosidad a la temperatura a que se lleva a cabo el experimento; η´20 la viscosidad a 20 °C; α vale 0.00723; β 0.000156, y θ es la temperatura del experimento en °C. La leche se caliente con frecuencia a 72 °C, durante 15 segundos, para destruir sus bacterias patógenas y prolongar su vida útil; a este tratamiento se le conoce con el nombre de pasteurización. La pasteurización aumenta la viscosidad de la leche, aunque sólo ligeramente. Viscosidad y homogenización. A la leche se le hace con frecuencia pasar a través de una válvula homogeneizadora, para reducir el tamaño de los glóbulos grasos. Si los glóbulos grasos son demasiado grandes tienden a coalescer y a formar nata, lo que se evita mediante la homogenización. Cuando se reduce el tamaño de los glóbulos aumente su número, su superficie específica y la viscosidad de la leche. La tabla 5.4 ilustra la relación entre la presión y el incremento de viscosidad.

TABLA 5.4 Relación ente la presión de homogenización y la viscosidad de la leche40.

Viscosidad y tiempo de almacenamiento

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La viscosidad de la leche desnatada y la de la leche pasteurizada, homogenizada o no, aumenta con el tiempo. Se desconoce la causa. Se sabe, sin embargo, que se producen cambios bacterianos y enzimáticos que resultan en alteraciones del pH, y que la viscosidad de la leche es menor a su pH natural y es posible que el incremento de la viscosidad se deba a un ligero aumento del pH (véase tabla 5.5) Comportamiento a gravedad cero Las condiciones de gravedad cero (ausencia de peso) se pueden dar durante el vuelo espacial o durante

la caída libre en un avión con una trayectoria cuidadosamente

planeada. Este último sistema ha sido frecuentemente utilizado para simular las condiciones de los vuelos espaciales y estudiar el bombeo del carburante de los cohetes o la alimentación de los astronautas. En condiciones de ausencia de peso, el comportamiento de los líquidos se ve gobernado por la tensión superficial, por TABLA 5.5 Envejecimiento de la leche desnatada38 a 4-6 °C

La viscosidad y por la inercia. Generalmente, los líquidos que mojan se extienden por sus recipientes (en una vasija se adhieren a las paredes, dejando un espacio libre en el centro), siempre que existan diferencias térmicas o de energía cinética. Los líquidos que no mojan tienden, por lo contrario, a formar esferas.

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Se han publicado algunos de los experimentos efectuados con la leche. Bajo condiciones normales de gravedad, si un chorro de leche choca contra una placa metálica pulida salpica. En condiciones de gravedad cero tenderá, en cambio, a formar un glóbulo (fenómeno de “non – splatter”). 5.3 ACEITE. Los aceites son, esencialmente, ésteres del glicerol y ácidos grasos de cadena larga. Generalmente, los ácidos grasos que se dan en la naturaleza tienen un número par de átomos de carbono (16 ó 18). Unos son saturados, como el palmítico o el esteárico, y otros insaturados, es decir, contienen dobles enlaces. El oleico tiene no, el linoleico dos y el linolénico tres. Sus dobles enlaces son reactivos; durante la hidrogenación se añade a cada uno de ellos dos átomos de hidrógeno. Esta reacción determina un aumento del punto de fusión, convirtiendo los aceites en grasas. Por reacción de los dobles enlaces de un ácido graso con los de otro se pueden formar largas estructuras poliméricas. El número relativo de dobles enlaces de una grasa, o un aceite, se puede determinar analíticamente por su reacción con el iodo (índice de yodo). No existe una línea clara que separe las grasas de los aceites. Los aceites son líquidos a la temperatura ambiente y las grasas sólidas. Los lípidos extraídos de la harina de trigo se denominan grasa de harina en el Reino Unido de la Gran Bretaña, y aceite de harina en los EU. Lo que confirma la creencia de que los americanos calientan en exceso sus casas. Los aceites ofrecen ordinariamente un comportamiento newtoniano, pero a intensidades de cortadura muy altas las representaciones τ – D se pueden curvar hacia el eje donde se representan

los

valores

de

D

(A

este

comportamiento

le

denominaremos

seudoplasticidad). Efectos de la forma y el tamaño molecular

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Cuanto mayor sea el tamaño de la molécula de un aceite, tanta más alta será su viscosidad. El ácido palmítico, con 16 átomos de carbono, ofrece una viscosidad inferior a la del ácido esteárico, que tiene 18. el aceite de algodón, completamente hidrogenado, compuesto fundamentalmente por el éster del glicerol y los ácidos palmítico y esteárico, tiene una viscosidad más alta.

COEFICIENTE DE VISCOSIDAD a 90° C (PI)

AC PALIMITICO

0´005

AC. ESTEARICO

0´006

ACEITE DE SEMILLA DE ALGODÓN HIDROGNADO

0´012

Todos los aceites ofrecen una viscosidad bastante elevada, por poseer una estructura de cadena larga. Cuanto más larga sea la cadena del ácido graso, tanto más alta es la viscosidad. Los aceites polimerizados (a través de dobles enlaces carbono – carbono) tienen una viscosidad mucho más alta que los no polimerizados. La viscosidad de un aceite aumenta también con la saturación de los dobles enlaces carbono – carbono. TABLA 5.7 Indice de iodo, punto de fusión y viscosidad a 50°C de los aceites de cacahuet antes y después de su endurecimiento.

Interacción molecular.

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Cuanto mayor sea la interacción molecular, tanto mayor es la viscosidad. El principal constituyente del aceite de ricino es el ácido ricinoléico, que contiene 18 átomos de carbono, con un grupo hidroxilo en la posición 12. Los grupos hidroxilo forman puentes de hidrógeno, lo que explica que la viscosidad del aceite de ricino sea más alta que la de otros aceites similares (véase tabla 5.8).

TABLA 5.8 Coeficiente de viscosidad (PI) de varios aceites a 20°C.

Los ácidos grasos libres se unen a través del grupo carboxílico (COOH), por lo que los ésteres ofrecen una viscosidad inferior a la de los propios ácidos, por tener bloqueados los grupos carboxílicos. Sin embargo, una vez esterificado, la viscosidad aumenta con la longitud de la cadena de los radicales alquilo. TABLA 5.9 Coeficiente de viscosidad (PI) del ácido oleico y sus esteres, a 30°C.

5.4 EL ESTADO VÍTREO En el seno de un líquido, las moléculas se disponen, fundamentalmente, al azar. Cuando el líquido se solidifica, las moléculas suelen ordenarse formando estructuras cristalinas (metales, hielo, etc.). si la temperatura desciende muy rápidamente, el líquido se hace tan viscoso que las moléculas resultan incapaces de orientarse con la rapidez necesaria para formar estructuras ordenadas y el producto solidifica con sus moléculas dispuestas al azar.

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Se dice que un líquido, o un líquido sobreenfriado, se halla en estado vítreo cuando su viscosidad sobrepasa 1012 Pl. soporta su propio peso y su deformación relativa límite es del orden de 0.04 – 0.05; es decir, es quebradizo. El test definitivo para demostrar el grado vítreo es la difracción de rayos X. Ejemplos de productos que puedan hallarse en estado vítreo son los alcoholes, las grasas y las disoluciones muy concentradas de azúcar. El estado vítreo ofrece con frecuencia considerable interés en los productos alimenticios. Los dulces en cuya elaboración se incluye un proceso de ebullición se encuentran en estado vítreo; cuando se les coloca en un ambiente húmedo fijan, por adsorción, una capa de agua sobre su superficie, a consecuencia de la cual desciende rápidamente la viscosidad de la misma. Las moléculas de azúcar poseen ahora libertad suficiente para moverse y orientarse en la posición preferida, pudiendo cristalizar. Si cristalizan se libera agua y la viscosidad de la superficie de la masa glaseada decae aún más. Se inicia, así, una reacción en cadena, progresando la cristalización desde la superficie hacia el interior, a consecuencia de lo cual, el producto se vuelve opaco. La adquisición de un cáncer untuoso es típica de la cristalización de los azúcares glaseados y es responsable de la producción de agregados y formación de “cakes” en la leche en polvo y en los productos liofilizados.

6.-LÍQUIDOS NO NEWTONIANOS: CARACTERÍSTICAS Y DETERMINACIONES 6.1. Viscosidad aparente El flujo de un líquido no newtoniano viene descrito por la ecuación:

t= nD

Lo que significa que la tensión tangencial es igual a la velocidad de deformación (intensidad de cortadura) multiplicada por una constante: el coeficiente de viscosidad. La representación de t-D es una línea recta que pasa por el origen. Ka pendiente de esta línea viene dada por n. como nes una constante, basta con una determinación para caracterizar completamente el comportamiento en flujo del líquido. Figura 6.1 Graficas de flujo newtoniano (a) y no newtoniano (b).

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No se cumple. Suele tratarse de suspensión de sólidos(o emulsiones de líquidos) en el seno de un líquido. Ambos tipos se les denomina dispersiones. Las partículas dispersas (la fase discontinua) puede interaccionar entre sí, al igual que con el medio (la fase continua), en cuyo seno se encuentran. Si la interacción depende de la velocidad de flujo, el coeficiente de viscosidad deja de ser una constante. La figura 6.1 (b) muestra que, en estos sistemas, no basta con la determinación de un punto, porque éste sólo no caracteriza la curva del flujo. La viscosidad aparente no es una constante; depende de la tensión tangencial, y las representaciones graficas muestran la relación entre la tensión tangencial y la velocidad de deformación (una curva de flujo de t en función de D o de nupp en una función D). a estos líquidos se les denomina líquidos no newtonianos, siempre que ofrezcan con un fluido continuo, incluso cuando la fuerza aplicada sea mínima. Un líquido no newtoniano se define como aquel que exhibe flujo uniforme, pero para el que no es constante la relación entre tensión tangencial y velocidad de deformación. (La viscosidad no es constante.) se dan cuatro tipos groseros de comportamiento. Los líquidos dilatantes no se dilatan necesariamente y no hay nada falso en la seudoplasticidad. 6.2 FLUJO INDEPENDIENTE DEL TIEMPO (ESTADO ESTACIONARIO)

a) seudoplasticidad Los líquidos seudoplasticos son menos espesos cuando se someten a altas velocidades de deformación que cuando se cizallan lentamente. La viscosidad aparente depende en

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ellos de la velocidad de deformación por cizalladura, pero no del tiempo durante el que están sometidos a la tensión cizallante/ La grafica de t en función D no es una línea recta. La velocidad de deformación aumenta en proporciones más altas. A cada valor de t le corresponde otro de D, y a la inversa. De aquí que el fenómeno se describa como de “estado estacionario”. Los dos tipos de grafica de flujo, t en función D y nupp en función D, se ilustran en la figura 6.2. Las flechas indican el incremento, o decremento, de Figura 6.2 Graficas de flujo Seudoplástico.

La velocidad de deformación, D, en un experimento continúo (por ejemplo, en un viscosímetro de cilindro concéntrico). El calificativo de seudoplasticidad deriva de muestras en las que a tensiones bajas corresponden velocidades de deformación muy pequeñas, de manera que las gráficas se parecen en mucho a las de un cuerpo de Bingham. b) Dilatancia Es un fenómeno de espesamiento independiente del tiempo, que se da a altas velocidades de deformación; se trata del fenómeno opuesto a la seudoplasticidad. La grafica no es lineal, pero los valores de t y D están unívocamente relacionados (espesamiento de estado estacionario). nupp aumenta al aumentar D (lo contrario de lo que ocurre en la seudoplasticidad) Figura 6.3 flujo dependiente del tiempo

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a) tixotropía La tixotropía es un ablandamiento dependiente del tiempo. Cuando la velocidad

Figura 6.4 Grafica de flujo tixotrópico.

De deformación desciende, el producto se espesa lentamente, hasta reasumir su comportamiento original. Si las representaciones de t en función D son dependientes del tiempo terminan formado un bucle; “bucle de histéresis” (el termino histéresis se aplica al fenómeno del comportamiento elástico aplazado; de ahí que la definición general de histéresis sea la siguiente: un proceso de deformación en el que las fases de carga y descarga no coinciden, por lo que forman un bucle). b) Reopexia La reopexia es un espesamiento dependiente del tiempo, en el que es curvilíneo el diagrama t-D y en el que estos dos parámetros no están unívocamente relacionados. Existen dos calores de D para cada valor de t, y a la inversa, si se hacen rutinariamente

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pruebas cíclicas. La reopexia es el fenómeno inverso de la tixotropía, por lo que es igualmente necesario un riguroso control del tiempo en las determinaciones (véase en la figura 6.5). Graficas de flujo reopexico.

6.4. Determinación de la viscosidad aparente Deben considerarse dos aspectos: es necesario llevar a cabo las determinaciones en condiciones especiales, en primer lugar la viscosidad depende de la velocidad de deformación y, en segundo lugar, porque la viscosidad no sólo depende de la velocidad de deformación, sino también de la duración de la deformación. El primero de estos aspectos es común a todos los líquidos no newtonianos; el segundo lo es sólo a aquellos cuyo comportamiento depende del tiempo (fenómenos tixotropía y reopexia). Los de bola descendente no se pueden usar en líquidos no newtonianos si se pretende obtener resultados expresables en unidades fundamentales, porque aun no se han resuelto los problemas matemáticos implicados. Los viscosímetros en tubos en U con presión de cabeza variable no se pueden usar porque no es constante en ellos la velocidad de deformación. La situación es ligeramente distinta en los viscosímetros de tubos capilares con presiones de cabeza constantes. Como se indica en la figura 4.2, la velocidad de deformación varia, en tubos capilar, desde 0, en el eje del tubo, a un valor máximo en las proximidades de la pared; por ello, la viscosidad aparente varia también dentro de unos límites impuestos por las propiedades no newtonianas de la propia muestra. Reiner

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ha intentado establecer una corrección

aplicable cuando se trata de líquidos cuyo comportamiento de flujo sea independiente del tiempo. También es posible resolver sistemas para el flujo a través de tubos, utilizando valores de P* u Q* definidos por las siguientes relaciones:

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Y hallando D para t= P*, que vale:

Donde dQ*/dP* es la pendiente de la tangente a la gráfica en la que se representa P* en función de Q*, para un valor determinado de P*40,

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. Debe hacerse notar que esta

argumentación sólo es valida si el líquido ofrece un comportamiento independiente del tiempo. Con los líquidos cuyo comportamiento depende del tiempo no pueden utilizarse tubos capilares, porque, además de la variación de la deformación con el radio, no se controla el tiempo de deformación y no pueden lograrse graficas de histéresis. Los viscosímetros más adecuados para efectuar determinaciones con los líquidos no newtonianos son los cilindros concéntricos y los de cono y placa. En éstos, la velocidad de deformación es idéntica en toda la muestra, siempre y cuando si minimicen todos los efectos de extremo; permiten modificar, de modo controlado, la velocidad de deformación tangencial variando la velocidad de giro y el tiempo que a cada una de ellas se está operando. El proceder experimental es crítico. El ajuste de velocidad (ascenso o descenso) y la lectura de los valores correspondientes deben efectuarse sin detener la rotación. Primero se aumenta la velocidad por etapas regulares y se disminuye luego del mismo modo; si se emplea un sistema de registro puede utilizarse un ciclo de cambio suave. Debe prestarse especial atención al llenado del instrumento, en particular si el producto ofrece un comportamiento de flujo dependiente del tiempo (es decir, si posee memoria reológica).

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6.5 Estructura de los líquidos en newtonianos Los líquidos simples y las disoluciones verdaderas suelen ofrecer un comportamiento newtoniano. Los líquidos no newtonianos son generalmente muy complejos y constan de más de una fase, aunque las disoluciones de polímeros pueden considerarse como fases únicas. Una de las fases es continua y la otra discontinua (dispersa). Pese a lo mucho que se ha estudiado, la relación entre la reologia y la estructura de los líquidos no newtonianos sigue estando bastante oscura. Cualitativamente, la reologia de un sistema disperso depende de las propiedades de la fase continua, las de la fase dispersa y la interacción entre ambas. En la fase continua, son de interés la viscosidad, la composición química, el pH y la concentración de electrolitos. En la dispersa, que puede ser liquida o sólida (emulsiones y suspensiones, respectivamente)

en volumen (porcentaje de una fase con respecto a la otra), la

viscosidad (si se trata de una emulsión), el tamaño de partícula, la forma , la distribución por tamaños y la composición química. La interacción entre las dos fases puede verse afectada, también, por la presencia de agentes estabilizantes y surfactantes; el comportamiento puede verse modificado admeas por las propiedades de cualquier película estabilizante. Un sistema tixotrópico puede visualizarse como un fluido en el que los enlaces químicos se rompen, o en el que las partículas se alinean, al aumentar la velocidad de deformación. El rozamiento viscoso desciende, pues, al aumentar la velocidad de deformación. En el comportamiento de flujo dependiente del tiempo el “status quo” se alcanza lentamente; en los fenómenos de estado estacionario, de un modo muy rápido. Se ha sugerido que en los sistemas espesantes (reopexia) la intensidad de loas interacciones eléctricas aumenta con la velocidad de deformación31,35 . 6.6 Leyes de potencia En los sistemas dilatantes y seudoplásticos la relación t-D no viene expresada por una línea recta, pero es única. A cada valor de t le corresponde un solo valor de D. Por esta razón la gráfica se puede describir a veces matemáticamente así: Donde K y n son constantes, K ha sido denominada “índice de consistencia” y n ”índice de comportamiento de flujo”. Este último constituye una medida del grado de desviación del

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comportamiento newtoniano. Si n=1, el producto es newtoniano y K= coeficiente de viscosidad; si n es mayor que 1, se produce espesamiento y el producto es dilatante; si n es menor que 1, se produce aclaramiento y el material es seudoplástico (véase en la figura 6.6)

Es importante hacer notar la ley de potencia sólo es válida para el rango medido. La ecuación no permite la extrapolación de la gráfica. K y n no tienen bases físicas; son una pura descripción matemática de una gráfica experimental. Sin embargo, tienen considerable valor práctico. La ley de potencia no debe usarse si t y D no están unívocamente relacionadas, porque en este caso a cada valor de t le pueden corresponder varios valores de D.(en un ciclo instrumental rígidamente controlado, dos valores.) Es evidente que no existe justificación alguna para una ley de potencia si el material descrito representa un estado intermediario desconocido de un proceso tixotrópico, o un reopéxico. La ley de potencia sólo debe usarse si se ha demostrado antes experimentalmente que el comportamiento del producto no depende del tiempo. En la tabla 6.1 figuran algunos valores de K y n.

7. LÍQUIDOS NO NEWTONIANOS Casi todos los alimentos líquidos, con excepción de los citados al comienzo del capítulo 5, ofrecen propiedades no newtonianas. A pesar de esto, son escasas las investigaciones reológicas fundamentales sobre sistemas tan complejos.

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Con frecuencia, en las publicaciones pertinentes, no se expresa qué viscosímetro se ha usado y la mayor parte de los empleados no son los adecuados para líquidos no newtonianos. Algunas veces, en estos experimentas, se provoca deliberadamente turbulencia durante la medida, para mantener en suspensión la fase dispersa; en condiciones de turbulencia no pueden tomarse medidas fundamentales. Lo más frecuente es representar sólo la parte ascendente del diagrama de t en función de D y extrapolar esta parte de la gráfica por medio de una ley de potencia, lo que es injustificable. Antes de aplicar una ley de potencia, debe comprobarse que las representaciones de t en función de D guardan una relación unívoca, de modo que para cada valor de t sólo haya uno de D. Hasta no haber confirmado esto, hay que determinar tanto el tramo ascendente corno el descendente de la gráfica. Bajo ninguna circunstancia deben realizarse extrapolaciones Las determinaciones reológicas empíricas suelen ser muy útiles, pero hay que rechazar los métodos defectuosos. Recientemente se ha descrito en la bibliografía el siguiente experimento: se precisaba determinar la viscosidad del jugo de tomate y, como la pulpa tendía a sedimentar, se utilizó un agitador magnético para mantenerla en suspensión. El autor introdujo un viscosímetro Brookfild de disco y leyó directamente el coeficiente de viscosidad en poises. El resultado carece de cualquier significado y el lector no tendrá dificultad en detectar los tres errores cometidos. Para ilustrar un comportamiento no newtoniano, pondremos como ejemplo la miel, la sopa y las disoluciones coloidales. 7.1. Miel La miel es una disolución concentrada de azúcares, que contiene algunos otros constituyentes minoritarios, fabricada por las abejas a partir de los jugos azucarados de las plantas. Las flores exudan néctar, que es recogido por las abejas, que le añaden invertasa, enzima que escinde la sacarosa contenida en el néctar, en glucosa y fructosa. El producto es transferido a los panales, donde pierde agua.

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En el 10 % representado por “otros productos” está comprendido alrededor de un 2 % de sacarosa, proteína, dextranos, ácidos orgánicos, aceites esenciales, vitaminas, minerales, polen, levaduras, bacterias, etc. Aunque represente una cantidad relativamente pequeña, estos componentes no determinados ejercen un notable efecto sobre el comportamiento viscoso de la miel. Muchas mieles, como la de trébol, son, al igual que las disoluciones azucaradas, newtonianas. Su viscosidad depende del porcentaje de agua y de la temperatura. No todas las mieles son, sin embargo, newtonianas. Se sabe, desde hace mucho tiempo, que la miel de brezo forma un gel en los panales y resulta difícil de extraer por el procedimiento habitual de centrifugación. Su viscosidad desciende al agitarla, pero aumenta de nuevo durante el reposo. El incremento puede suponer la multiplicación por un factor de hasta 200 en un día. La figura 7.1 constituye una representación gráfica de la viscosidad aparente en función de la velocidad de deformación D; fue obtenida por Price Jones48 con un viscosímetro cilíndrico concéntrico.

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Esta gráfica muestra un ejemplo típico de tixotropía (“dilución” dependiente del tiempo). Price Jones demostró que este fenómeno se debía al 0‟2-1‟9 % de proteína presente en el grupo de productos no determinados. Al eliminarla, la miel de brezo se comportaba newtonianamente. Cuando se extrajo y el extracto proteico se añadió a miel de trébol, ésta adquirió un comportamiento tixotrópico). En la miel de eucalipto se da el efecto contrario. Se espesa al agitarla; constituye, por tanto, un sistema dilatante reopéxico .Este comportamiento puede ser tan acusado que al introducir un dedo en un tarro de miel procedente de flores de Eucalyptus ficifolia, la viscosidad aparente aumenta tanto que, al retirarlo, el dedo arrastra tiras de hasta 2 metros de longitud. Estas tiras se rompen rápidamente, lo que indica la dependencia del fenómeno con respecto al tiempo. A este fenómeno se le ha dado el nombre de filamentación. La figura 7.2

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Constituye una representación gráfica de la viscosidad aparente en función de la velocidad de deformación, D, y evidencia el espesamiento. Extraído el dextrano con acetona, en la que es soluble, en miel adquirió un comportamiento newtoniano; al añadirle el dextrano extraído a una miel de comportamiento newtoniano adquiría las características de un sistema dilatante. La miel de eucalipto exhibe también un efecto Weissenberg muy acusado (véase capítulo 10) y debe suponerse que ofrece cierto grado de comportamiento elástico. 7.2. Sopas Rutgers ha estudiado el comportamiento reológico de la „sopa de mazada” con un 6-7 % de cebada perlada50. Esta sopa suele hervirse durante 3 horas, dando un producto espeso de consistencia cremosa. La sopa contiene grandes granos del triturado de echada hinchados e intactos, de 5-10 mm de diámetro. La investigación la realizó utilizando un viscosímetro de cilindro concéntrico Haake Rotovisco53 . Para realizar un trabajo preciso es necesario que sea pequeño el espacio que mide entre los cilindros, alrededor de 1-2 mm. En este experimento no podía, sin embargo, utilizarse un espacio tan estrecho porque los granos de cebada, ovales, ofrecen un diámetro de 4-5 mm y una longitud de 7-9 mm, por lo que Rutgers comenzó estudiando la influencia del espacio entre los cilindros. Demostró que en las sopas de almidón y harina de echada claras y espesas, se obtenían las mismas lecturas con espacios de 7‟6 y 29 mm. Examinó más tarde la diferencia entre los resultados obtenidos con cilindros de superficie lisa y rugosa. .

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Pese a que en los líquidos newtonianos es relativamente fácil convertir las r.p.m. del cilindro rotatorio en valores de D, y las lecturas de la escala en valores de t, Rutgers no lo hizo, porque pensó que el espacio era demasiado grande. La tabla 7.1 muestra algunos de los resultados obtenidos y permite apreciar una ligera histeresis, como revela la diferencia entre las lecturas obtenidas en las porciones ascendente y de la gráfica.

En la figura 7.3 se observa también dilución, ya que se da un descenso de las lecturas (equivalentes a viscosidad aparente) a lo largo del tiempo, a velocidad de giro constante, 486 r.p.m.

En la figura 7.4 pueden verse representaciones de -t en función de D y de npp-D, obtenidas por el autor de este libro, con sopa de crema de tomate. Para ello, utilizó el procedimiento que se indica en el apéndice A.5. Es evidente que la sopa muestra características tixotrópicas acusadas. 7.3. Disoluciones hidrocoloidales

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La característica prácticamente más importante de las gomas (carbohidratos), es la modificación que introducen en las propiedades reológicas de los alimentos a los que se añaden. Existen muchas gomas de este tipo; su clasificación más conveniente es la siguiente:

a) De exudados (goma arábiga, goma de tragacanto, goma de karaya).

b) De algas (agar, algina, carrageno). c) De semillas (pectina, goma de guar, gomas de cascarilla de maíz y trigo, goma de membrillo y goma de algarrobas). d)Derivados del almidón y la celulosa (amilosa, amilo- pectina y celulosas sustituidas, como la metil y la etilcelulosa). Todas son carbohidratos macromoleculares e hidrófilos. Sólo hay una goma, de las utilizadas en la industria alimentaria, que no es un carbohidrato y ofrece propiedades hidrofóbicas; es el chicle empleado para la fabricación de la goma de mascar. Polímeros de cadena lineal Como las moléculas son hidrófilas, interaccionan con las de agua adyacentes y las inmovilizan. Las moléculas adquieren así mayor volumen debido a su diámetro aparentemente agrandado. Si el polisacárido se encuentra en la disolución en una forma extendida, con escasa tendencia a enrollarse, las moléculas rígidas giran en el disolvente y barren eficazmente un gran volumen esférico. Por eso, su viscosidad aparente es relativamente grande en relación con su peso molecular y aumenta rápidamente con la

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concentración. Si los polisacáridos son neutros, la viscosidad aparente apañas se ve afectada por el pH, o las sales, a menos que se formen complejos. Cuando las moléculas de polisacáridos lineales giran, pueden entrar en colisión, desprender cierta cantidad de agua y aglomerarse. De este modo, las partículas pueden aumentar de tamaño y acabar finalmente precipitando. Polímeros de cadena ramificada Los polisacáridos neutros ramificados tienen una viscosidad aparente muy inferior a la de los polímeros lineales de igual peso molecular, porque ocupan mucho menos volumen que los polisacáridos lineales (véase figura 7.5).

Cuando estos polímeros ramificados entran en colisión, pueden engancharse y, si la concentración es suficientemente alta, formar un gel. Como las moléculas no encajan suficientemente bien, la asociación no es excesiva y raras veces precipitan de un modo espontáneo, como les sucede a los polímeros lineales. Esta es la razón por la que no forman películas fuertes, como los polímeros de cadena lineal, pero se rehumedecen rápidamente y por esto se usa como adhesivos. Goma de guar La goma de guar ofrece un particular interés, derivado del hecho de presentar simultáneamente las propiedades de los polisacáridos lineales y las de los ramificados. La figura 7.6 representa la larga cadena de unidades de D-manosa, y las pequeñas, cadenas laterales de restos de una sola molécula de u-galactosa.

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La molécula es por tanto muy larga, pero con numerosas ramas laterales muy cortas. Forma disoluciones muy viscosas, como lo hacen los polímeros lineales; pero sus disoluciones son estables y no forman precipitados. Se redisuelve fácilmente, mostrando las características típicas de un polímero ramificado. Forma, además, películas bastante fuertes y flexibles. La goma de guar ofrece, por tanto, una estructura interesante para estudiar las diferencias entre los polímeros de cadena lineal y ramificada. Un ejemplo típico de los primeros es la pectina y de los segundos la goma arábiga. La tabla 7.2 describe sus características.

La goma arábiga, aunque ofrece un peso molecular muy grande, parece hallarse helicoidalmente enrollada, ofreciendo una forma groseramente esférica; por esta razón, sus disoluciones muestran propiedades newtonianas, hasta una concentración del 10 %. Se ha hecho notar (véase capítulo 5) que también la leche es un fluido fundamentalmente newtoniano, aunque contiene glóbulos grasos relativamente grandes. Mientras sus interacciones no dependan de la velocidad de flujo, la suspensión seguirá siendo newtoniana.

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Las disoluciones acuosas de la mayor parte de estos carbohidratos muestran características seudoplásticas, pero algunas ofrecen una pronunciada tixotropia3 así, por ejemplo, el alginato de sodio y calcio a concentraciones elevadas de calcio.

8. PLASTICIDAD Y DETERMINACIÓNDE LA MISMA Entre los alimentos típicamente plásticos se encuentran el puré de patata y la nata batida 'Son productos que mantienen su forma bajo la acción de la gravedad. Sin embargo, cuando actúan sobre ellos fuerzas suficientemente más grandes fluyen, casi como si fueran líquidos. Cuando la acción de la fuerza cesa, mantienen su forma y dejan de fluir. En términos reogicos, un producto plástico fluye cuando la tensión excede de un valor límite. A esta tensión límite se le denomina tensión de deformación plástica. El producto plástico ideal es el modelo de Bingha . Para ciertos fines prácticos, las sustancias plásticas se distinguen de los líquidos en cuanto que no fluyen cuando sólo actúa sobre ellos la gravedad. Este criterio es, de hecho, bastante arbitrario.

FIGURA 8.L. El líquido newtoniano (a), el sólido de Hooke (b) y el elemento de Sto Venant (e).

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La pinza indica que el producto es rígido por debajo del rozamiento límite (tensión de deformación plástica) y que se desliza libremente por encima de este valor, aunque en contra, aún, de la fuerza de rozamiento límite. La figura 8.1 muestra estos tres elementos en un modelo gráfico y en un sistema de símbolos, y recoge las ecuaciones pertinentes. El Modelo Bingham Es un modelo complejo, que consta de tres elementos, uno de Hooke, otro de Newton y otro de Saint Venant .Se representa como una pinza de fleje y una caldera llena de líquido en la que se mueve un émbolo, dispuestas en paralelo y acopladas en serie a un muelle, para indicar que bajo tensiones pequeñas sólo opera el muelle porque no entran en juego los otros dos elementos, y el producto sigue la ley de Hooke. Si la tensión excede de empezará a deslizarse el fleje, Fig 8.2 El modelo de Bingham

y el alargamiento dependerá de la velocidad a que se deforme el elemento newtoniano. Si la tensión decae luego por debajo del valor de deformación plástica hay una ligera recuperación plástica debido al muelle hookiano, pero la dependiente del elemento newtoniano permanecerá constante por no actuar sobre él ninguna fuerza restauradora. Por encima del valor de deformación plástica, la ecuación es similar a la del elemento newtoniano, excepto que al coeficiente de viscosidad se le denomina viscosidad plástica (nP¡) y que la tensión de cizalladura eficaz sólo vale la diferencia entre t y la tensión de deformación plástica ('t-'to), que es la que actúa sobre el elemento newtoniano. A la

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inversa de la viscosidad plástica se le denomina, a veces, movilidad y equivalente a la fluidez en los sistemas newtonianos. 8.2. Comportamiento No Ideal El plástico de Bingham es un concepto ideal (Bi en la figura 8.3), pero las representaciones de 't en función de D muestran que 'Tipl está sometida a influencias tan complejas como las que afectan a la viscosidad aparente (napp), además de a las complicaciones que introduce el valor de deformación plástica. Si el comportamiento del producto es independiente del tiempo (estado estacionario), puede aplicársele una ley de potencia, como a los materiales dilatantes seudo plásticos.

La aplicación de la ley de potencia ofrece las mismas limitaciones que en los líquidos no newtonianos

Debe

señalarse

que

muchos

productos

reales

sufren

pequeñas

deformaciones plásticas a tensiones bajas, pero el movimiento se detiene pronto. Cuando 't excede de 'to, el fiujo se hace continuo, y siguen el modelo de comportamiento de Bingham. Estos productos no ofrecen un valor de deformación plástica claramente .definido. 8.3. Estructura De Los Materiales Plásticos Al igual que existen dos tipos de elasticidad, la ordinaria y la "alta", o del caucho también hay dos, tipos de plasticidad. Por analogía, llamaremos al primero plasticidad ordinaria, o plasticidad metálica, porque se da principalmente en los metales, y a la segunda alta plasticidad. En un metal, los electrones de la capa externa son compartidos por los átomos, dando lugar a lo que se llama un "gas de electrones”. Cuando la deformación del metal sobrepasa el límite elástico, se produce un desplazamiento permanente de los átomos en

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contra de las fuerzas interatómicas; el nuevo equilibrio alcanzado es casi tan perfecto como el anterior, aunque pueden aparecer distorsiones y fallas estructurales. La alta plasticidad difiere considerablemente de la plasticidad metálica y el valor de deformación plástica suele encontrarse en el rango 10-100 N/m2. Se ha sugerido que para que un producto ofrezca una alta elasticidad, debe presentar tres características. Esta es la estructura típica de los productos plásticos, que deben reunir tres características: a) Constituir un sistema bifásico con una fase líquida continua y una fase "sólida" dispersa. Esta fase "sólida" no necesita estar formada por un auténtico sólido, basta con que opere como tal. Por ejemplo, una burbuja de un gas, o una gota de líquido, puede comportarse como un sólido si la tensión superficial le obliga a ello.

Tabla 8.1

Por definición, en un producto líquido monofásico no puede observarse un auténtico valor de deformación plástica (véase tabla 8.3).

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b) Rallarse el "sólido" finamente disperso en la fase líquida. No debe producirse exudación ni sedimentación; el conjunto debe mantenerse estable por cohesión interna c) Ofrecer una relación correcta fase "sólida" / fase líquida. Si la fase "sólida" es excesiva, el sistema tiende a ser quebradizo y si hay demasiado líquido el producto fluirá bajo la acción de la gravedad, y no exhibirá un valor de deformación plástica. La tabla 8.1 resume las características de los comportamientos elástico y plástico. Aunque es preciso que exista una relación fase "sólida" / fase líquida correcta, el valor de la misma por debajo del cual fluye el producto varía muy considerablemente con la naturaleza de éste. 8.4 Medida de la Plasticidad Las determinaciones geológicas pueden efectuarse en la zona elástica, por debajo del valor de deformación plástica, o por encima de éste, en la zona plástica. A veces pueden utilizarse técnicas idénticas a las empleadas para el estudio reológico de productos sólidos, pero es evidente que deben utilizarse tensiones muy bajas, inferiores al valor de 'to; para el estudio del comportamiento elástico puede usarse el viscosímetro cilíndrico concéntrico, que permite obtener los módulos elásticos G y E. En ausencia de gases, K

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será muy grande, como en los líquidos, y si fuera necesario, puede medirse del mismo modo. Para efectuar determinaciones en la región plástica, por encima de 'to, se han utilizado dos tipos fundamentales de instrumentos, los viscosímetros capilares y los viscosímetros de cilindros con céntricos. a) Viscosímetros capilares Considerando la viscosidad newtoniana, demostramos que la tensión de cizal1adura era máxima en la proximidades de la pared del tubo y alcanzaba un valor o en el centro. Por tanto, en algún punto, cerca del centro, la tensión de cizal1adura será igual a 'to• Donde sea inferior a 'to no habrá flujo y durante el paso de productos plásticos a lo largo del tubo, habrá siempre, en las proximidades del eje del mismo, un núcleo sólido cuyo diámetro dependerá de la tensión de cizalladura. De aquí que la gráfica de flujo (representación de 't en función de D) de los productos plásticos n sea nunca recta, ni siquiera para el modelo ideal de Bingham, porque la cantidad de producto deformado depende de 't. Sin embargo se aproxima: a una línea recta a med1da que aumenta 't. Como 'to tiene un valor finito y 't tiende a O en el centro del tubo, siempre habrá un núcleo, que puede observarse contemplando al microscopio el flujo de los productos plásticos a través de un capilar (véase figura 8.4). Los productos plásticos

FIGURA 8.4. Flujo laminar de un líquido newtoniano (a) y flujo de un producto plástico (b). pueden someterse a la técnica descrita en el capítulo' 6 para obtener P* y el correspondiente valor de D, que resulta' especialmente útil ,cuando -el producto no muestra un comportamiento de Bingham ideal 'La ecuación de Bingham establece que:

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Reiner y Buckingham han transformado esta ecuación para poder aplicada al flujo de productos plásticos a través de un capilar. La ecuación de Buckingham-Reiner establece que:

Para las determinaciones continuas del valor de deformación plástica puede utilizarse el plastómetro Eolkin, cuyo funcionamiento está también basado en el principio del capilar•

b) Viscosímetros de cilindros concéntricos En un viscosímetro de cilindros concéntricos con un cilindro interno' giratorio la tensión de cizalladura alcanza un valor más alto en las proximidades de la pared del cilindro interno y tiende a cero al acercarse a la pared del cilindro externo. Como en el viscosímetro capilar, existe una región en la que, es inferior a 'o, 10 que puede demostrarse trazando una línea recta sobre la superficie de un producto plástico colocado en un viscosímetro de cilindro concéntrico utilizando un alambre sumergido en polvo de carbón. El producto es plástico, tras unos cuantos giros la línea desaparece en la zona en que la cizalladura tiene lugar. La región en la que t es inferior a

To

se halla en las proximidades de la pared externa y

equivale al núcleo en el tubo capilar (véase figura 8.5).

Fig. 8.5 El flujo en un viscosímetro de cilindro concéntrico.

8.5 Medidas empíricas Las determinaciones empíricas sobre productos plásticos han limitado las que se efectúan sobre productos sólidos o líquidos. Los métodos existentes son muy numerosos; aquí sólo consideraremos, brevemente, cinco.

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a) Penetrómetros

b) En el primer tipo de penetrómetro (fig. 8.6, a) se deja caer una aguja, dirigida por un tubo guía, sobre la muestra y se mide su penetración. El rango de utilidad de este instrumento es limitado. Si la muestra es excesivamente dura, la penetración es demasiado pequeña para medida con precisión; si el producto es excesivamente blando, la aguja no cesa de penetrar. Alternativamente, puede medirse la penetración, en el producto plástico, de un cono impulsado por un peso constante o por un motor. Algunas veces se utiliza un identador esférico.

c) Compresión, de cilindros

No es un método recomendable para usarlo con productos plásticos, porque ligeros incrementos de la fuerza producen grandes aumentos de la deformación. Además, la superficie sobre la que la presión actúa aumenta a medida que, bajo la compresión, lo hace el diámetro del cilindro. d) Extrusión Existen instrumentos de tipo mecánico y neumático que permiten extruir el material bajo presión positiva, o negativa. Un instrumento frecuentemente utilizado es el FIRA/NIRD57; en él, un pistón, que se mueve a una velocidad uniforme, extruye el material a través de un orificio colocado en el fondo de un recipiente. El recipiente se halla suspendido y es presionado contra un muelle, que actúa sobre una pluma que registra en una carta el impulso en kg. d) Sectilidad En este método, la muestra se corta por medio de un alambre tensado, como algunos tenderos cortan el queso. El alambre se mueve hacia abajo impulsado por un motor y lo que se mide es la fuerza ejercida hacia arriba por la muestra. Alternativamente, puede

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impulsarse a la muestra hacia arriba y medirse la fuerza ejercida sobre el alambre. En cualquiera de los dos casos el movimiento debe ser lento, del orden de 0'5 mm/s. e) Pandeo Se coloca la muestra, en forma de barra, sobre los bordes de dos cuchillos y se determina el pandeo en el centro del espacio que media entre ambos. Este método se ha utilizado con grasas, después de mantenerlas durante 6 horas a una temperatura controlada de 200 C. 8.6. Untuosidad Es una propiedad que posee la superficie de los productos plásticos o viscosos. Depende de la cohesión de la propia muestra y de su adhesión a otro cuerpo. Si la cohesión es inferior a la adhesión, la muestra se disgrega. Si, por el contrario, la supera, la muestra no se adhiere al otro cuerpo. Claasens ha utilizado el término "hesion" para incluir tanto a la adhesión como a la cohesión. Si se mantienen unidos dos discos mediante una película adhesiva y se aumenta la distancia que media entre ellos de 11 a 12, la película fluye en ángulo recto con respecto a la fuerza' que separa los dos discos. Este flujo depende de la viscosidad de la película. La ecuación de Stefan59 establece que:

La figura 8.7 ilustra este dispositivo.

La ecuación de Stefanofrece considerables limitaciones. Desprecia la rugosidad, las fuerzas sólido-líquido y el comportamiento no, newtoniano, pero hace más inteligible el fenómeno de la untuosidad. Numerosos alimentos (masa, gluten de trigo, goma de

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mascar, jarabes) se pegan a los dedos que están relativamente secos y a los dientes que tienen la superficie húmeda. Este último fenómeno es advertible por la dificultad de separar las mandíbulas cuando los dientes penetran en alimentos tales como el toffee o pan ya masticado. Todos estos productos actúan como líquidos o plásticos de viscosidad relativamente alta, ofreciendo hesion entre ellos mismos y los dientes o los dedos. La hesion se puede determinar en el laboratorio haciendo contactar el producto con un disco o un émbolo, e intentando luego separarlos. La figura 8.8 ilustra un aparato simple, de fácil construcción en el laboratorio.

Se trata de una balanza elemental, de uno de cuyos brazos cuelga un platillo, sobre el que se coloca un vaso; del otro cuelga un alambre unido a un disco colocado en ángulo recto con respecto al alambre soporte. Es muy importante que la tracción se ejerza en ángulo recto con respecto a la superficie, que el émbolo esté limpio y que los resultados se, sometan a un estudio estadístico, porque son muy variables. Heiss60 ha utilizado sobre productos de pastelería un aparato de placas paralelas con el que comprimía el producto durante 10 s a 325 g. Separaba luego la placa inferior, retirándola a velocidad constante. La placa superior estaba unida a un muelle y leía el desplazamiento sufrido por la placa inferior en el momento en que la superior se separaba del producto. Así obtenía medidas de la untuosidad. Autard61 ha utilizado un instrumento similar sobre pastas para cakes. La información sobre los factores que afectan a la untuosidad es relativamente escasa.

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9. ALIMENTOS PLÁSTICOS Los productos plásticos, en conjunto, son realmente muy complejos. Las espumas por ejemplo, son consideradas como viscoelásticas, si su valor de deformación es muy bajo. Las grasas endurecidas suelen ser bastante sólidas, pero cuando se airean son viscoelásticas; las espumas, el chocolate fundido y las grasas son los productos elegidos en esta sección para ejemplificar plasticidad. 9.1 Espumas Cuando se bate la clara de huevo en aire, se produce una espuma. El batido ocasiona surcos que, al principio, crecen rápidamente, debido a las propiedades viscosas de la clara de huevo. Si se continúa batiendo, los surcos permanecen, primero como picos romos y blandos y luego como picos agudos. A partir de este momento, la espuma deja de fluir bajo efecto de la gravedad. Estas muestran las tres condiciones precisas para que se dé la plasticidad. En primer lugar están constituidas por un sistema bifásico: la fase continua es la disolución proteica ya la fase “sólida” está representada por las burbujas de aire provistas de su correspondiente película superficial. En segundo lugar hay una dispersión fina y crítica de las burbujas de aire en el seno del líquido. Finalmente la proporción fase “sólida”/ fase líquida es la correcta. Parece que las propiedades reológicas de la espuma dependen fundamentalmente de la viscosidad de la parte continua y del tamaño de las burbujas; éstas juegan un papel predominante en la determinación del valor de deformación plástica. Se han realizado o

depende del tipo de éstos,

así como de su edad y de su historia previa.

Su determinación cuantitativa del valor de deformación plástica se

efectúa por dos

procedimientos:

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1) Utiliza para espumas muy espesas (espumas proteicas), consiste en colocar la espuma entre dos placas rectangulares de maya de zinc y ejercen tracción sobre la placa superior hasta que ceda. to se calcula teniendo en cuenta la fuerza ejercida y el área sobre la que actúa.

2) Método del cilindro. Utiliza un instrumento similar al viscosímetro de cilindros concéntricos; la espuma se coloca en recipiente externo y el cilindro interno se suspende de un alambre de acero. El cilindro externo se hace rotar lentamente hasta que el interno deje de seguirle. Conociendo las constantes elásticas del alambre, se puede calcular to a partir de las lecturas del indicador del cilindro interno que señala la deflexión máxima.

9.2 Chocolate fundido El chocolate es una dispersión, en manteca de cacao, de azúcar finamente molido y extracto seco de cacao. Cuando una barra de chocolate se calienta hasta unos 80 ºC sobre una bandeja, el chocolate se ablanda, pero mantiene su forma. Si golpeamos bruscamente la bandeja, el chocolate comienza instantáneamente a fluir, porque el golpe ha sobrepasado el valor de deformación plástica del chocolate. La reología del chocolate no se conoce a fondo; se sabe, sin embargo, que sufre ablandamientos y endurecimientos complejos en condiciones específicas. Los primeros experimentos reológicos efectuados sobre el chocolate fueron realizados con viscosímetro capilar, no muy adecuado para ello. Hacia 1950 se utilizó un viscosímetro de cilindros concéntrico

-D era groseramente

lineal, pero que la recta no pasaba por el origen. Su comportamiento se semejaba al de un plástico de Bingham: t-   = nplD

50


Mejores resultados de obtuvieron utilizando la ecuación de Casson, inicialmente propuesta para tratar la reología de las partículas floculadas. Esta ecuación establece que:

 -   = pl - D pl.

la intersección en el

eje en que se representa la tensión da el valor de deformación plástica. Reciente mente se ha demostrado que la viscosidad aparente del chocolate fundido no solo depende de la velocidad de deformación, o intensidad de cortadura, sino también del tiempo y que el chocolate no recupera su viscosidad original tras agitarlo

La ecuación propuesta para describir su comportamiento añade un nuevo término a la de Bingham y contiene tres constantes materiales:

Donde t es la tensión de cizalladura, to el valor de deformación plástica, D la velocidad de deformación o intensidad de cortadura, npl la viscosidad plástica y B una constante (seno de h es el seno hiperbólico). La adición de 0.3% - 0.4% de lecitina afecta considerablemente las propiedades reológicas del chocolate. Su viscosidad plástica desciende a medida que la concentración

lecitina es del orden de un 0.5%, y aumenta de nuevo cuando sobrepasa este valor. 9.3 Grasas Por debajo del valor de deformación plástica, las grasas muestran un comportamiento elástico, y al mismo tiempo la viscosidad por encima de este valor. La tabla 9.1 establece la relación que existe entre la valoración psicológica de las grasas y su valor de deformación plástica.

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Las

propiedades

reológicas

de

una

grasa

dependen

de

la

temperatura

de

almacenamiento, del tratamiento de pasteurización, la velocidad de enfriamiento tras haber sufrido este tratamiento, del amasado y, en el caso de la mantequilla, de cómo se ha realizado el batido y de la temperatura de agua de lavado. Las grasas que sometió a estudio fueren el aceite de cacahuate no endurecido y endurecido hasta adquirir punteos de fusión de 30, 40 y 50 ºC. A 16 ºC todos los productos eran sólidos y con una sola excepción, exhibían flujos plásticos y un valor de deformación plástica. La curva ofrece tres opciones: 1) una región de flujo lento; 2) una de transición y finalmente 3) otra de comportamiento newtoniano. Las tres opciones regiones de la gráfica pueden extrapolarse hasta interceptar el eje que representa la fuerza, rindiendo tres valores de deformación plástica ligeramente distintos. Si al representar P*= pr/2l, en 3

, diferentes longitudes y diámetros de tubo se obtiene una sola

gráfica no hay deslizamiento por la pared y probablemente no ofrece carácter tixotrópico. El comportamiento reológico a 20 ºC de la mantequilla y de la margarina bien amasada. El valor de la deformación plástica de la a margarina es menos acusado y sus propiedades geológica se ven menos afectadas por la temperatura que las de la mantequilla. Soltoft observó que la ecuación que mejor se adapta a sus resultados era la de Williamson. Esta ecuación se desarrolló sobre el supuesto de que en los sistemas dispersos una parte de la fuerza cizalladura se emplea en degradar la estructura y el resto en producir el flujo a elevadas velocidades de deformación .

En esta ecuación, p es la diferencia de presión, r es el radio del capilar y l su longitud. Q es el volumen del líquido que ha fluido y k1, k2 y k3 son constantes.

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10. VISCO-ELASTICIDAD Y SU DETERMINACIÓN 10.1 Visco-Elasticidad En el siguiente experimento se muestra que la masa exhibe simultáneamente las propiedades viscosas propias de un líquido y las elásticas características de un sólido: la masa es visco-elástica. Si mezclamos agua y harina de trigo obtendremos una masa, a partir de la cual podemos preparar con facilidad una tira, por extrusión o mediante el uso de unas tijeras. Si colocamos esta tira de masa sobre una pileta de mercurio, flotara. Si ahora la estiramos mediante la tracción de sus extremos, se alargara y parecerá fluir como un líquido viscoso. Si dejamos libres los extremos, la tira de masa se contraerá como una pieza blanda de goma, pero la recuperación elástica será solo parcial: la tira de masa no adquirirá su longitud original. Las dos zonas de comportamiento estaban separadas por el valor de deformación plástica. Aunque a tensiones más altas que el valor de la deformación plástica subsistan deformaciones elásticas, estas son despreciables si se comparan con el flujo plástico. 10.2. Modelos Visco-Elásticos Acoplados en serie, representan esencialmente un líquido, y modelo suele denominarse modelo de Maxwell; en paralelo representa un sólido y se le conoce como modelo de Kelvin-Voigt. Ambos modelos pueden acoplarse a su vez en serie para dar otro cuyas características se parecen muy considerablemente a las de diversos productos alimenticios. Se trata del llamado modelo de Burgers.

1)

El modelo Maxwell

El modelo Maxwell consta de un muelle y una caldera unidos en serie y representa el líquido visco-elástico ideal, en el que la aplicación de la menor fuerza producirá un flujo. (Figura 10.1) la representación del modelo, la formula simbólica y la gráfica de deformación en función del tiempo.

Puntos a considera del modelo de Maxwell:

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1) N tiene un coeficiente de viscosidad y H tres módulos, G,E y K. Habitualmente, el modelo puede considerarse como incomprensible, de manera que no es necesario tomar en consideración K y, si es isotrópico, G=1/3 de E. 2) A tensiones constantes, H se alargara instantáneamente hasta alcanzar su deformación correspondiente a la tensión aplicada. Después, la deformación dependerá de , y en este sentido el líquido de Maxwell se comporta como un líquido newtoniano. 3) Si el modelo se extiende en cierto grado y mantiene así, la tensión interna se relaja, H anula a N hasta que desaparece la tensión, proceso al que se denomina relajación. El cociente /G es el llamado tiempo de relajación, TM. 4) Si se deja libre antes de que la relajación se complete, el sistema se recupera. Estas propiedades producen inestabilidad del flujo y dan origen a un número critico de Reynolds bajo. Recuperación y relajación son propiedades típicas de los fluidos visco-elásticos y no se dan en los fluidos viscosos. 2) El modelo Kelvin-Voigt El modelo de Kelvin-Voigt, los dos elementos que intervienen en el de Maxwell se acoplan en paralelo; representa un sólido. El alargamiento límite, tras un periodo de tiempo suficientemente largo, depende exclusivamente de la magnitud de la fuerza y es totalmente recuperable cuando la carga cesa. Cuando se aplica una fuerza F, aumente tanto H como N. Cuando la fuerza cesa, H acorta lentamente a N, lo que da origen al fenómeno conocido como elasticidad retardada o post efecto elástico. Se define como la recuperación retardada de una deformación elástica; teóricamente, en este modelo la recuperación tarda un tiempo infinito en producirse; el tiempo para la recuperación efectiva depende del tamaño relativo de las constantes de los elementos viscosos y plástico. A diferencia del modelo de Maxwell, el de Kelvin-Voigt tienen acoplados sus elementos en paralelo. En el de Maxwell, los dos elementos soportan la misma tensión. En el modelo de Kelvin-Voigt ambos elementos sufren la misma deformación relativa y la tensión es suma de las tensiones de cada elemento. Puntos del modelo de Kelvin-Voigt :

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1) La tensión total es las sumas de las tensiones de N y H. 2) Las deformaciones relativas de N y H son iguales. 3) El comportamiento límite del modelo Kelvin-Voigt, tras haber transcurrido un periodo suficiente de tiempo, es el del modelo de Hooke. 4) /G es el denominado tiempo de retraso TKV. 3) El modelo Burgers El modelo Burgers se encuentra constituido por el modelo de Maxwell y el de Kelvin-Voigt. Cuando se aplica a este modelo una carga o fuerza, F, se produce una deformación inmediata H2. Se denomina elasticidad instantánea. El modelo Kelvin-Voigt es el responsable de la elasticidad retardada y del post efecto elástico. Transcurrido un periodo de tiempo suficiente, la elongación se debe únicamente al componente viscoso del modelo de Maxwell. Al retirar la carga, H2 determina la recuperación instantánea; la recuperación retardada se debe al componente Kelvin-Voigt. El conjunto de recuperación instantánea y recuperación retardada constituye la llamada elasticidad total. 11. Productos Visco-Elásticos: Ejemplo Son pocos los productos que reproducen exactamente los modelos de Maxwell y KelvinVoigt. La sangre coagulada y la nata se aproximan al primer modelo y los geles de gelatina al segundo. El modelo Burgers, en cambio, proporcionan una primera aproximación al comportamiento de numerosos alimentos, como los geles de almidóngelatina y los de leche, los helados, las manzanas, los fideos cocidos, el queso, la masa de harina de trigo, las espumas de proteínas y los granos de maíz y trigo.

11.1 LÍQUIDOS VISCO-ELÁSTICOS Todos los líquidos que exhiben el efecto el Weisseberg son visco-elásticos. Son, sin embargo, numerosos los líquidos visco-elásticos que no exhiben el efecto de Weisssenberg.

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Se pueden demostrar fácilmente las propiedades de un líquido visco-elástico; hiérvase, para ello, 1‟5 g de almidón en 100ml de agua para gelatinaizarlo, enfríese luego y colóquese la disolución en un vaso. Llénese otro con 100ml de una disolución de sacarosa y háganse girar ambos lentamente; por ejemplo; colocándolos sobre el disco giratorio de un gramófono. Si la rotación se detiene bruscamente, la inercia impulsa todavía un poco el jarabe, que luego se detiene. El experimento Michaud conectó dos matraces a través de un capilar fino los llenó con una disolución muy diluida de agar. Uno o dos días más tarde la altura del líquido en los dos matraces se había equilibrado y era idéntica. Introducía entonces en uno de los matraces una varilla de vidrio que desplazaba una pequeña cantidad de líquido y hacía subir un poco el nivel del mismo en el matraz que hubiera nivelado la superficie del líquido en ambos. La disolución de agar ofrecía, en cambio, una pequeña resistencia al flujo, fenómeno que resultaba más manifiesto dispersando en el líquido una pequeña cantidad de negro carbón y observando al microscopio el movimiento de las partículas (o la ausencia del mismo) a través del tubo capilar. Michaud descubrió también que esa pequeña rigidez desaparecí se la disolución se calentaba por encima de la temperatura a que generalmente funde un agar concentrado. Esta transformación, por calentamiento, de un sol líquido es un gel sólido, que se da en productos tales como el almidón, la gelatina, el agar y muchos otros hidrocoloides, resulta de gran importancia en la industria conservera, debido a las diferencias que en la transmisión de calor se dan entre ambos sistemas 11.2 Geles De Gelatina Los geles suelen ser coloides hidrófilos que poseen una red tridimensional de moléculas. En experimentos de duración relativamente corta se puede lograr que los geles de gelatina se comporten como un sólido de elasticidad tipo caucho .Un método conveniente de medir el módulo de rigidez o módulo de cizalladura de los geles es el de Saunders y Ward. En este experimento el módulo de rigidez o módulo de cizalladura, G, vale

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El módulo de rigidez es muy poco dependiente de la deformación relativa. En los geles acuosos de una concentración de 5‟5%, y a 10°C, ofrece un valor del orden 6.600-6.800 N/m2. Utilizando un extensómetro de baño de mercurio, similar al empleado con la masa de harina de trigo, se obtuvo para el módulo de Young de varios geles de gelatina (10% de concentración, a 10°C) un valor del orden de 600-2.000 N/m2. 11.3 Masa De Harina De Trigo Se ha dicho que la masa es, “desde el punto de vista reológico, el más complicado de los productos hasta hoy conocidos por el hombre” (M. Reiner). Dadas las conexiones existentes entre las propiedades reológicas de la masa, las técnicas utilizadas en panadería y las características de la harina, existen numerosos sistemas de ensayo cuyo desarrollo tuvo lugar mucho antes de que se entendiera adecuadamente el significado de las medidas viscoelásticas. De ahí que estas pruebas fueran empíricas y que todavía sean hoy muy usadas por no disponerse de otras más adecuadas.

a) Determinaciones empíricas La figura 11.3 ilustra la gráfica obtenida con una harina dura y otra blanda. La primera contiene aproximadamente un 10% de proteína y es adecuadamente para la fabricación del pan. La segunda contiene alrededor de un 8% de proteína y es apropiada para la fabricación de galletas y cakes. El sistema Brabender utiliza además otros instrumentos: un extensógrafo. Ente aparato forma un cilindro de masa conteniendo un poco de sal y una cantidad patrón de agua (previamente fijada con un farinógrafo) y, tras 45 minutos de reposo, a 30°C, estira la masa hasta romperla. b) Medidas fundamentales

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Con la masa se han utilizado las cuatro técnicas de determinaciones visco-elásticas. Las determinaciones del componente normal de la tensión no resultan prácticas porque el disco de masa colocado entre el cono y la placa se enrolla al cilindro. En los ensayos empíricos no se sabe lo que se está midiendo, pero sea lo que sea, resulta útil; en los ensayos fundamentales sobemos muy bien lo que medimos, pero carecen de utilidad industrial. La masa muestra este comportamiento, pero es evidente que también posee deformación elástica retardada, de lo que se deduce que contiene un componente de Kelvin-Voigt colocados en serie constituyen el modelo Burgers, es evidente que la masa se asemeja mucho a éste. Aunque el modelo de Burgers es casi siempre bastante adecuado, la masa posee ciertas propiedades que el modelo no refleja. Como quiera que no ofrezca una deformación recuperable por debajo de determinada tensión mínima (valor de deformación plática), será necesario colocar un elemento de Saint Venant en paralelo con el elemento de Hooke de la parte constituida por el modelo de Maxwell. Muchos parámetros de la masa no son lineales (véase sección 10.4, b). La no linearidad no puede ilustrarse convenientemente utilizando modelos de muelle y calderas newtonianas, porque tanto ellos como sus combinaciones (Maxwell, Kelvin-Voigt, Burgers, elementos Maxwell en paralelo, elementos Kelvin-Voigt en serie, etc.) no son lineales. Es posible utilizar las calderas newtonianas o los muelles hookianos, pero no es muy útil y no suele hacerse. Finalmente, se ha establecido en experimentos de recuperación que si la tensión pasa de cierto valor H1 como H2 decaen, lo que se indica mediante el llamado elemento de trasformación, T. La constante viscosa y la elástica de la masa son muy variables; dependen en gran medida del contenido en agua, y las de una misma pueden deferir por un factor de mil, de acuerdo con las condiciones de ensayo. El modelo de volumen se ha calculado en 1x107; el de rigidez o cizalladura, en 1-10x104, y el de viscosidad aparente, en 1x104-107 unidades S.I. 11.4 Productos de panadería

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Los más estudiados han sido los cakes, el pan y las galletas. Los cakes constan, prácticamente, sólo de “miga”; el pan de una miga interna y una corteza y las galletas sólo de corteza. La miga se define como la parte blanda e interna del pan o los cakes, o como celdas de aire aglutinadas por un plástico comestible enriquecido en vitaminas; es de esperar, por tanto, que ofrezca propiedades viscoelásticas, como se ha demostrado en el Madeira cake. Se ha comprobado que con el envejecimiento crecen tanto el módulo de Young como el coeficiente de viscosidad aparente; el primero pasa de un valor de 2x104 a 20x104 N/m2; el segundo aumenta unas diez veces. Se ha obtenido algunas medidas empíricas de la dureza de las galletas cortando, con una sierra de disco, una pila y midiendo el tiempo necesario para dar en ella un corte patrón. Cuando más se tarde, más duras son las galletas. Aunque este instrumento distingue claramente entre la dureza de distintos tipos de galletas, no es lo suficientemente sensible como permitir registrar con precisión las variaciones de dureza experimentadas por galletas del mismo tipo.

12 CONCLUSIÓN El ontrol de calidad de los alimentos, este control se realiza en la propia línea de producción. Es determinante para la aceptación de productos como patatas fritas, cereales, quesos, aperitivos, yogures, dulces, chocolates, cremas, etc. El estudio de la textura y consistencia de productos alimenticios: dichas propiedades son muy importantes a la hora de que un producto sea del agrado del consumidor. La producción de pegamentos, el estudio de su plasticidad, de la forma de fluir dentro del recipiente que lo contiene, etc. Producción de pinturas, una pintura debe ser esparcida de forma fácil pero sin que escurra. Producción de productos cosméticos y de higiene corporal, la duración de una laca sobre el pelo, la distribución de la pasta de dientes por toda la boca, la forma de cómo se esparce una crema, etc. Todas estas características se estudian con la reología para obtener la mayor eficacia del producto. Producción de medicamentos, se estudia su estabilidad química, su tiempo de caducidad y su facilidad de extrusión, entre otras. Caracterización de metales (en situaciones de elevada

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temperatura), y de cristales líquidos. Control de sustancias que sean transportadas a lo largo de un recipiente cilíndrico (para evitar la reopexia). Como también hay que mencionar la aplicación de las propiedades de newton de que si es compresible o incompresible, en este resumen se puede ver que hay una gran variedad de productos que se pueden hacer aplicando muchas también las matemáticas para así poder llegar aun producto final de la manera que deseemos.

13 BIBLIOGRAFÍA Libro: introducción a la reologia de los alimentos de H.G. MULLER

60

resumen del libro - jose.docx

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