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COMPORTAMIENTO COMPORTAMIENTO VISCOELÁSTICO DE EMULSIONES ALIMENTARIAS MODIFICADO POR ADICIÓN DE BIOPOLÍMEROS Gabriel Lorenzo Centro de Investigación y Desarrollo en Criotecnología de Alimentos (CIDCA), Facultad de Cs. Exactas, UNLP-CONICET. 47 y 116, La Plata (1900), Argentina. Área Departamental Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería, UNLP, Argentina. e-mail:
[email protected] 1
Noemí E. Zaritzky , Alicia N. Califano
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Resumen Las emulsiones aceite/agua (o/w) son de gran aplicación en el desarrollo de nuevos alimentos. Dada su inestabilidad termodinámica se pueden incluir en la formulación estabilizantes macromoleculares (biopolímeros). La amplia diversidad de biopolímeros permite lograr desarrollos innovadores en el campo de alimentos emulsionados a través de modificaciones de sus características reológicas. En el presente trabajo se estudió el comportamiento viscoelástico de sistemas emulsionados, estabilizados con diferentes hidrocoloides (biopolímeros naturales), analizando las características viscoelásticas de las fases continuas y su influencia en el producto final. Se desarrollaron emulsiones o/w estabilizadas con mezclas de gomas xántica y guar y con goma gellan. Se realizaron ensayos oscilatorios en el rango viscoelástico lineal , registrándose los módulos elástico (G’) y viscoso (G’’) versus la frecuencia, y a partir de dichas curvas se predijeron los correspondientes espectros mecánicos de relajación. Los sistemas estabilizados con xántica/guar mostraron las características viscosas de soluciones coloidales concentradas, mientras que el agregado de goma gellan produjo una emulsión gelificada aun con baja concentración del biopolímero. Estas emulsiones tienen aplicación industrial para el desarrollo de nuevos alimentos con bajo contenido graso.
Palabras claves Emulsiones aceite en agua, hidrocoloides, modelo generalizado de Maxwell, viscoelasticidad lineal.
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INTRODUCCIÓN
Los componentes de un sistema emulsificado se organizan bajo el efecto de diferentes factores, tanto físicos (fuerzas intermoleculares o entre gotas, separaciones gravitacionales), como químicos (uniones covalentes) o biológicos (fermentación, etc.). Dado que las emulsiones son sistemas metaestables, su estructura inicial evoluciona con el tiempo durante el almacenamiento o transporte de las mismas, a causa de los tratamientos térmicos o esfuerzos mecánicos sufridos. Es por esto que resulta de principal importancia generar emulsiones con estructuras que, no sólo sean aceptables desde el punto de vista sensorial, sino lo suficientemente estables como para que resulte viable su comercialización. Resulta entonces un importante desafío para las emulsiones alimentarias, entender y controlar las interacciones coloidales, microestructura y propiedades reológicas durante el procesamiento y almacenaje. Las emulsiones pueden ser clasificadas en dos tipos diferentes. Algunas son productos finales que deben permanecer estables frente al cremado y la coalescencia durante la producción y la vida útil de los mismos. Casos como mayonesas o aderezos para ensaladas son ejemplos de este tipo de alimentos. También pueden ser empleadas como componentes en la formación de alimentos más complejos como yogures o sistemas gelificados, entre otros. En base a esto, los requerimientos de composición y propiedades estructurales, deberán ser claramente diferentes. Tanto las características de la fase dispersa como las de la fase continua resultan determinantes en el comportamiento de los sistemas emulsionados. La fase acuosa puede contener biomoléculas como polisacáridos o proteínas, que pueden contribuir a la estabilización o desestabilización del sistema disperso. El conocimiento del efecto de los biopolímeros sobre la estructura de sistemas emulsionados permite lograr desarrollos innovadores a través de modificaciones de sus características reológicas. El presente trabajo tiene por objetivo estudiar el comportamiento viscoelástico de sistemas emulsionados, estabilizados con diferentes biopolímeros naturales, analizando las características viscoelásticas de las fases continuas y su influencia en el producto final.
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MATERIALES Y MÉTODOS Emulsiones con mezclas de gomas xántica y guar Se formularon sistemas modelo de emulsiones (o/w) utilizando aceite comestible de girasol (20% p/p); como emulsionante se utilizó 1% de monooleato sorbitano polioxietilenado (Tween 80). La fase continua fue formulada con una mezcla de goma xántica y goma guar en proporción 7:3, variando su concentración entre 0.5% y 2% (p/p), acidificada con ácido acético 2%, e incluyendo 2% de NaCl. Para evitar el desarrollo de microorganismos se agregó 0.01 % de azida sódica en todos los sistemas en estudio. Se emulsificó la mezcla fase acuosa-aceite en un homogenizador UltraTurrax T25, rotor: 520-25-NK196; las condiciones de emulsificación fueron 11500 rpm, durante 4 minutos.
Emulsiones con goma gellan Se prepararon emulsiones aceite en agua con bajo contenido lipídico (20% p/p) utilizando aceite de girasol 100%, utilizando como emulsionante 1% de Tween 80. Previo a la emulsificación, se elaboraron las suspensiones de goma gellan de alto y bajo contenido de grupos acilo (Kelcogel, CP Kelco, San Diego, CA) dispersando el biopolímero a temperatura ambiente durante 24 hs (sin gelificar). Las emulsiones fueron preparadas usando un equipo Ultraturrax a 11500 rpm durante 4 minutos. El sistema emulsificado se calentó bajo agitación continua (90°C) y se agregó CaCl 2 (5mM) seguido de un enfriamiento acelerado hasta 20ºC para permitir la gelificación. Se estudiaron concentraciones de goma gellan entre 0.1% y 0.5% p/p, utilizando el hidrocoloide sin ningún tratamiento previo. De manera análoga se prepararon las fases continuas de todas las emulsiones analizadas.
Ensayos reológicos Se realizaron ensayos reológicos dinámicos, en un reómetro de esfuerzo controlado Haake RS600 (Haake, Alemania), con una geometría plato-plato rugoso (diámetro 35mm), evaluándose los módulos elástico (G’) y viscoso (G”) en función de la frecuencia, dentro del rango de viscoelasticidad lineal (LVR). La determinación del LVR se realizó previamente mediante ensayos de barridos de esfuerzo (entre 0.03- 40 Pa) una frecuencia constante de (6.28 rad/s). En todos los casos, los ensayos se realizaron por triplicado y se reportaron los valores medios.
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Sobre las fases continuas desarrolladas con goma gellan se determinó la temperatura de gelificación mediante barridos de temperatura (entre 90ºC y 15ºC) manteniendo constante la frecuencia (6.28 rad/s) y la velocidad de descenso (0.5 ºC min-1).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN Emulsiones con mezclas de gomas xántica y guar. La variación de G’ y G’’ con la frecuencia en las soluciones de mezclas de gomas
xántica y guar mostró que el comportamiento viscoelástico sufrió una transición de líquido gomoso a gel débil a medida que se incrementaba la concentración de hidrocoloides. Las fases continuas preparadas con 0.5 % y 0.72 % de hidrocoloides presentaron un comportamiento marcadamente viscoso, observándose valores muy bajos de G’ y G’’ y una marcada dependencia line al
de dichos parámetros con la
frecuencia en todo el rango estudiado (Figura 1a). El módulo viscoso fue mayor que el módulo elástico hasta una frecuencia crítica c donde las curvas de los módulos presentaron un cruce (G’(c) = G’’(c))
[1, 2]. La frecuencia crítica c fue de
aproximadamente 10 rad/s en las dispersiones con 0.72% de la mezcla de biopolímeros, mientras que en los sistemas con 0.5% no pudo observarse dentro del rango de medición. A partir de 1.25 %, G’ fue mayor que G’’ en todo el rango de f recuencias ensayadas con c 10-2 rad/s. En particular, las soluciones de 2% de gomas mostraron un comportamiento altamente estructurado, en el cual G’ y G’’ fueron poco afectados por el incremento de . La interacción sinérgica de ambos biopolímeros, favorece el desarrollo de una red entrecruzada que le confiere esta estructura a los sistemas acuosos analizados [3, 4]. La naturaleza exacta de las interacciones sinérgicas entre la goma guar y la goma xántica no ha sido todavía esclarecidas [5]. Algunos autores proponen la formación de una red a través de zonas de unión específicas. Dea y col. [6] propusieron que la asociación ocurría entre regiones no sustituidas de las moléculas de goma guar con el esqueleto de la goma xántica; mientras que otros proponen que las cadenas de manosas sustituidas regularmente por galactosas se localizan hacia un lado de la cadena y entonces se unen a la cadena principal de la goma xántica [7].
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G’; G’’ () 2.00% G’; G’’ () 1.78% G’; G’’ () 1.25% G’; G’’ () 0.72% G’; G’’ () 0.50%
G’; G’’ () 2.00% G’; G’’ () 1.78% G’; G’’ () 1.25% G’; G’’ () 0.72% G’; G’’ () 0.50%
A
B
ac
[rad/s]
G’; G’’ () 2.00% G’; G’’ () 1.25% G’; G’’ () 0.50%
G’; G’’ () 2.00% G’; G’’ () 1.25% G’; G’’ () 0.50%
C
D
ac
[rad/s]
FIGURA 1 BARRIDOS DE FRECUENCIAS PARA (A, B) DISPERSIONES ACUOSAS Y (C, D) EMULSIONES ACIETE-ENAGUA (20%) CONTENIENDO DISTINTAS CONCENTRACIONES DE MEZCLAS XÁNTICA/ GUAR. (A, C) BARRIDOS DE FRECUENCIAS ORIGINALES; (B, D) APLICACIÓN DEL PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN.
Las emulsiones alimentarias también se comportaron como fluidos viscoelásticos. La evolución de los módulos de almacenamiento (G’) y pérdida (G’’) con la frecuencia fue
extremadamente dependiente de la composición de la fase continua (Figura 1 c y d). A concentraciones de biopolímeros de 1.25% o superiores, el comportamiento reológico de las emulsiones y las fases continuas fue prácticamente coincidente mostrando la marcada incidencia de las características de la fase continua en el producto emulsionado final. En las emulsiones con menor contenido de biopolímeros estudiadas (0.5%) se logra observar el efecto de la fase dispersa, detectándose el desplazamiento de c a frecuencias mas bajas (~30 rad/s), característico de sistemas concentrados de macromoléculas. En las emulsiones con 1.25 % de hidrocoloides o más el módulo de World Congress & Exhibition ENGINEERING 2010-ARGENTINA 5
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almacenamiento presentó valores mayores que el módulo de pérdida (G’’) en un amplio
intervalo de frecuencias. Este comportamiento corresponde a emulsiones floculadas con características de solución viscosa altamente estructurada donde las gotas se encuentran formando una red tridimensional [8-11]. El Principio de Superposición Tiempo-Concentración es un procedimiento empírico que se basa en la existencia de una correlación entre el tiempo de respuesta del material y la concentración de determinado componente a determinadas condiciones de proceso fijas (frecuencia, temperatura) [1]. La aplicación de dicho principio a sistemas poliméricos permite obtener mayor información sobre el espectro del material en un mayor rango de tiempos de relajación como se observa en la Figura 1. Considerando la marcada variación observada en las características viscoelásticas de las emulsiones con la concentración de gomas xántica/guar, la aplicación del principio de superposición permitió conocer el espectro dinámico en una rango de frecuencias de alrededor de 10 décadas logarítmicas a una concentración de referencia de 1.25%.
Emulsiones con goma gellan de alto acilo. En la Figura 2 puede observarse los barridos de temperaturas realizados sobre las fases continuas desarrolladas con goma gellan de alto y bajo contenido de grupos acilo. Durante el enfriamiento de las dispersiones acuosas pudo observarse que la viscosidad compleja (* = ((G’2+G’’2)1/2/ )) presentó un leve incremento hasta un determinado valor de temperatura (Tgel, transición sol-gel) donde se observó un abrupto aumento en todas las dispersiones consideradas. Tanto Tgel como la fuerza del gel se incrementaron con el contenido de biopolímero en solución. Por otra parte, para todas las concentraciones pudo verse una marcada diferencia en la T gel de las soluciones con goma gellan de alto (T gel>70ºC) y bajo acilo (Tgel<50ºC). Esta diferencia en la Tgel impidió el uso de goma gellan de bajo acilo para la elaboración de emulsiones gelificadas, ya que la cinética de desestabilización (velocidad de cremado) fue más rápida que la de gelificación.
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Gellan 0.1% bajo ( 0.3% bajo ( 0.5% bajo (
) y alto ( ) y alto ( ) y alto (
) acilo ) acilo ) acilo
) 2 a 10 P ( * 0
10 10
-2
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Temperatura (ºC)
FIGURA 2 VISCOSIDAD COMPLEJA (*) COMO FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA PARA DISPERSIONES ACUOSAS DE GOMA GELLAN DE ALTO Y BAJO AC ILO CONTENIENDO DISTINTAS CONCENTRACIONES.
Los barridos de frecuencias para los sistemas con goma gellan de alto acilo se muestran en la Figura 3, tanto para las fases continuas (a, b) como para las emulsiones correspondientes (c, d). Todos los sistemas analizados mostraron cualitativamente el mismo comportamiento; tanto las dispersiones acuosas como las emulsiones se caracterizaron por un comportamiento característico de sistemas tipo “gel fuerte” aun en
aquellos con bajo contenido de biopolímero agregado (0.1%). En sistemas poliméricos, la aparición de una región “plateau” para G’ o de un mínimo en G’’ en la dependencia
de los módulos con la frecuencia se atribuye a la formación de una estructura tridimensional tipo gel originada por entrecruzamientos físicos entre las cadenas de polímeros. Como puede observarse, el comportamiento de las emulsiones estuvo determinado por las características viscoelásticas de las fases continuas, sin mostrar diferencias significativas entre los módulos de las dispersiones y las emulsiones correspondientes. En estos sistemas emulsionados, la aplicación del Principio de Superposición no permitió ampliar el rango de frecuencias del espectro de dinámico. El incremento en el contenido de hidrocoloides produjo un marcado aumento en los valores de G’ y G’’,
pero no se observaron cambios en la estructura del material en el rango de concentraciones estudiadas.
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G’; G’’ () 0.50% G’; G’’ () 0.30% G’; G’’ () 0.10%
G’; G’’ () 0.50% G’; G’’ () 0.30% G’; G’’ () 0.10%
A
B
ac G’; G’’ () 0.50% G’; G’’ () 0.30% G’; G’’ () 0.10%
[rad/s]
G’; G’’ () 0.50% G’; G’’ () 0.30% G’; G’’ () 0.10%
C
D
ac
[rad/s]
FIGURA 3
BARRIDOS DE FRECUENCIAS PARA (A, B) DISPERSIONES ACUOSAS Y (C, D) EMULSIONES ACIETE-ENAGUA (20%) CONTENIENDO DISTINTAS CONCENTRACIONES DE GOMA GELLAN DE ALTO ACILO. (A, C) BARRIDOS DE FRECUENCIAS ORIGINALES; (B, D) APLICACIÓN DEL PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN.
Determinación del espectro de relajación de las emulsiones Un material puede ser descrito por ciertas funciones respuestas de éste que pueden ser evaluadas experimentalmente y los resultados ajustarse a un modelo de forma empírica. Un acercamiento clásico a la descripción de la respuesta de materiales, que exhiben propiedades viscosas y elásticas, está basado en la analogía con la respuesta de ciertos elementos mecánicos. Esto implica la construcción de modelos viscoelásticos por combinación de elementos mecánicos que simulan propiedades viscosas y elásticas puras, por lo que representan comportamientos viscoelásticos lineales. Los elementos mecánicos convencionales, representativos de los comportamientos viscoso y elástico lineales, son el amortiguador hidráulico y el resorte respectivamente. Si se dispone de un sistema de Maxwell con infinitos elementos (resorte y amortiguador en serie) en una World Congress & Exhibition ENGINEERING 2010-ARGENTINA 8
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escala de tiempos infinita, se puede definir un espectro continuo de relajación del material en función del tiempo H(), donde H( ) representa la contribución infinitesimal para una variación infinitesimal del tiempo de relajación [2, 12]. Baumgaertel and Winter [13] propusieron una forma específica para el espectro de tiempos de relajación H(). El modelo BSW (Baumgaertel-Schausberger-Winter) generalizado describe los datos experimentales de barridos de frecuencia (G ’, G’’) correspondientes a moléculas lineales flexibles, con una amplia distribución de pesos moleculares, muy superior al peso molecular de entrecruzamiento: ne n0 n e exp H( ) G Hg max 0 e 0 N
(1)
En este modelo empírico GN0 es el módulo plateau; Hg es un factor correspondiente a la transición vítrea; e es el tiempo de inicio de la región pseudo-terminal y 0 es el tiempo de cruce en la transición vítrea; n e y n0 son las pendientes del espectro en la zona de entrecruzamiento y la zona de transición vítrea a altas frecuencias, respectivamente. El parámetro β se vincula con la distribución
de pesos moleculares y controla la nitidez
del punto de cruce a la región vítrea del espectro. El módulo G N0 corresponde a G’ cuando la tangente de pérdida es mínima. Se utilizó el software IRIS Rheo-Hub software [14] para ajustar este modelo a los sistemas coloidales estudiados; como se ve en la Figura 4, se obtuvo una concordancia satisfactoria entre las predicciones y los datos dinámicos experimentales. La Tabla 1 muestra los parámetros predichos por el modelo BSW generalizado. El desplazamiento de e hacia tiempos de relajación más cortos refleja la mayor mobilidad molecular. El intervalo comprendido entre el tiempo de cruce de la transición vítrea ( 0) y el tiempo de relajación terminal (e) es una medida del ancho en que se desarrolla la zona plateau [1]. De acuerdo a Franco y col. [15] , el incremento en el valor de la pendiente ne de la región de entrecruzamientos puede relacionarse al desarrollo de una red más entrecruzada en el caso de la goma gellan con respecto a las emulsiones conteniendo mezclas de gomas xántica y guar.
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FIGURA 4
ESPECTROS CONTINUOS DE RELAJACIÓN PREDICHOS POR EL MODELO BSW GENERALIZADO PARA EMULSIONES ACEITE-EN-AGUA (20% ESTABILIZADAS CON (— ) GOMAS XÁNTICA Y GUAR; (— ) GOMA GELLAN DE ALTO ACILO.
TABLA 1. PARÁMETROS OBTENIDOS PARA EL MODELO BSW GENERALIZADO APLICADO A EMULSIONES ESTABILIZADAS CON LOS DISTINTOS BIOPOLÍMEROS.
Biopolímeros
Xántica-guar
Goma gellan
GN0 (Pa)
51.80
4.018
e (s)
4.244 10 -3
3.740
0 (s)
2.805 10 -4
2.124 10 -2
max (s)
30.16
25.03
ne
0.035
0.518
n0
0.138
0.673
Hg
0.38
2.189
0.234
0.170
CONCLUSIONES El efecto espesante de los estabilizantes gobernó el comportamiento reológico de los sistemas permitiendo obtener emulsiones estables de bajo contenido lipídico. La inclusión de goma gellan condujo a emulsiones gelificadas con un módulo elástico prácticamente independiente de la frecuencia y un mínimo marcado en el módulo World Congress & Exhibition ENGINEERING 2010-ARGENTINA 10
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viscoso, característicos de sistemas altamente estructurados, mientras que la mezcla de gomas xántica y guar produjo emulsiones con características más fluidas, tipo solución coloidal concentrada. El modelo generalizado de Baumgaertel-Schausberger-Winter describió de manera satisfactoria el comportamiento viscoelástico lineal de los sistemas, permitiendo la obtención de los espectros de tiempos de relajación y a partir de estos la predicción de las curvas de barrido de frecuencia.
AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el financiamiento del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Tecnológicas (CONICET), Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica y la Universidad Nacional de La Plata (UNLP).
REFERENCIAS [1] Ferry, J. D. Viscoelastic properties of polymers. New York: John Wiley and Sons. (1980). [2] Steffe, J. F. Rheological methods in food processing engineering, (2nd ed.). East Lansing: Freeman Press. [3] BeMiller, J.N., Whistler, R. L. “Carbohydrates”. En Food Chemistry (3). Fennema, O.R. (Ed). New York: Marcel Dekker, 157223. (1996). [4] Casas, J. A., Mohedano, A. F., García-Ochoa, F. “Viscosity of Guar Gum and Xanthan/Guar Gum Mixture Solutions ”. Journal of Science of Food and Agriculture, 80, 1722-1727. (2000). [5] Schorsch, C., Garnier, C., Doublier, J. L. “Vsicoelastic Properties of Xanthan/Galactomannan Mixtures: Comparison of Guar Gum with Locoust Bean Gum ”. Carbohydrate Polymers, 34, 165-175. (1997). [6] Dea, I., Morris, E., Rees, D., Welsh, J. “Associations of Like and Unlike Polysaccharides: Mechanism and Specificity in Galactomannans, Interacting Bacterial Polysaccharides, and Related Systems”. Carbohydrate Research, 57, 249-272. (1977). [7] McCleary, B. V., Dea, I., Windust, J., Cooke, D. “Interaction Properties of D-Galactose-Depleted Guar Galactomannan Samples”. Carbohydrate Polymers, 4 (4), 253-270. (1984). [8] Guerrero, A., Partal, P., Gallegos, C. “Linear Viscoelastic Properties of Sucrose Ester-Stabilized Oil-in-Water Emulsions”. Journal of Rheology, 42 (6), 1375-1388. (1998). [9] Partal, P., Guerrero, A., Berjano, M., Gallegos C. “Transient Flow of O/W Sucrose Palmitate Emulsions ”. Journal of Food Engineering, 41, 33-41. (1999). [10] M. Quintana, A. Califano, N. Zaritzky, P. Partal. y Franco, J.M. “Linear and nonlinear viscoelastic behavior of oil-in-water emulsions stabilized with polysaccharides”. Journal of Texture Studies 33(3), 215-236. (2002) [11] M. Quintana, A. Califano, N. Zaritzky y P. Partal. “Effect of salt on the rheological properties of low-in-fat o/w emulsions stabilized with polysaccharides”. Food Science and Technology International , 8 (4), 213-222. (2002) [12] Mours, M., Winter, H. “Mechanical Spectroscopy”. En: Methods in Polymer Science: Modern Methods in Polymer Research and Technology. Tanaka, T. (Ed). San Diego: Academics Press, 495-546. (2000). [13] Baumgaertel, M., Winter, H. H. “Interrelation between continuous and discrete relaxation time spectra ”. Journal of NonNewtonian Fluid Mechanics, 44, 15-36. (1992). [14] Winter, H. H., Mours, M. “The cyber infrastructure initiative for rheology”. Rheologica Acta, 45, 331– 338. (2006). [15] Franco, J. M., Berjano, M., Gallegos, C. “Linear Viscoelasticity of Salad Dressing Emulsions”. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 45 (3), 713-719 (1997).
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