Método corregido de determinación del contenido de grasa sólida por calorimetría diferencial de barrido Dr. Jorge R. Wagner Dr. Andrés L. Márquez, Ing. M. Paula Pérez Laboratorio de Investigación en Funcionalidad y Tecnología de Alimentos (LIFTA). Departamento de Ciencia y Tecnología.

Universidad Nacional de Quilmes. CONICET. Argentina

Rango y punto de fusión de grasas Las grasas comerciales son mezclas de triglicéridos mayoritariamente heteroácidos, por lo que presentan un rango de fusión más que un punto de fusión definido, haya o no formas polimórficas diferentes. RANGO DE FUSION: Tinicial →

Tfinal

A temperaturas dentro del rango de fusión coexisten cristales de grasa (grasa sólida) y aceite (grasa fundida), por lo que la grasa adquiere un estado semisólido con plasticidad y consistencia dependiente de la temperatura.

Plasticidad de grasas La plasticidad se refiere a la propiedad de comportarse como sólidos, resistiendo la acción de pequeñas fuerzas, y a su vez fluir como un líquido cuando se someten a fuerzas de deformación superiores. Las grasas plásticas tienen un rango amplio de fusión. Por encima de una temperatura dada, no fluyen ni se desmoronan por la acción de su propio peso, aunque pueden ser fácilmente moldeadas . En el rango de fusión, según la temperatura y cantidad/tipo de cristales (grasa sólida), las grasas adquieren además de la plasticidad, diferentes propiedades reológicas (viscoelasticidad, untabilidad) que afectan las propiedades de los alimentos que las contienen (emulsiones, postres, panificados, etc.).

Curva de sólidos Es la representación del porcentaje (%p/p) de sólidos (cristales) en una grasa frente a la variación de la temperatura: Contenido de

grasa sólida (SFC) vs T ºC. Define el comportamiento de fusión (fusibilidad) de un material graso en diferentes situaciones (refrigeración, temperatura ambiente, paladar, procesos tecnológicos) y es un dato valioso para el desarrollo de alimentos. Las grasas animales/vegetales, margarinas, mantecas y shortenings funden de manera diferente según su composición en triglicéridos, esto se determina con la confección de curva de sólidos.

La confección de una curva de sólidos requiere medir el porcentaje de sólidos a distintas temperaturas, usualmente 0, 10, 15, 20, 25, 30, 35 y 40ºC.

Curva de sólidos típica de distintas grasas 70 60 Manteca de cacao 50

Contenido de grasa sólida

Aceite de coco 40

Aceite de palma Grasa vacuna

30

Grasa de cerdo

20

Grasa láctea 10 0 10

30

20 Temperatura (°C)

40

Contenido de grasa sólida (Solid fat content, SFC) 

Resonancia Magnética Nuclear pulsada (pRMN) de baja resolución (Método oficial AOCS Cd-16-93)



Calorimetría diferencial de barrido (DSC). Determinación del rango y entalpía de fusión. Para la determinación de SFC debe ser validado con el oficial (pRMN).



Otras técnicas para SFC: velocidad de ultrasonido

Índice de grasa sólida (Solid fat index, SFI) 

Dilatometría (Método oficial AOCS Cd-10-57)

Contenido o Índice de grasa sólida Dilatometría

RMN

DSC

•Estático

Estático

Dinámico

Datos

discretos Varias medidas Lento Cálculos en base al volumen específico

Datos

discretos Varias medidas Rápido Método oficial Valores calculados en base a masa

Principio: Ve grasa sólida es Principio: diferencia en menor que Ve grasa los tiempos de relajación fundida de una señal entre sólido y líquido después de un pulso electromagnético.

Datos

continuos Un único ensayo Método alternativo Rápido Amplio rango de temperatura Cálculos en base a Entalpía de fusión

Correlación entre SFC (RMN) y SFI (dilatometría) SFI (dilatometría) < SFC (RMN) Shortenings plásticos

Mantecas duras

Un SFC de 100 corresponde aproximadamente a un SFI 75-80

Métodos RMN: IUPAC y AOCS Ambas métodos incluyen la fusión total de la grasa (borrado de la historia térmica) a 100ªC y luego un enfriamiento hasta 0ºC antes de llevar la muestra a la temperarura de medida.

Método IUPAC: el enfriamiento es rápido y directo hasta 0ºC y se equilibra a esta temperatura durante 60 min. Método AOCS: el enfriamiento es gradual porque es llevado a cabo en diferentes estadíos cortos con temperaturas intermedias

Determinación del SFC (RMN) por ambos métodos a diferentes temperaturas (0, 10, 21, 27, 33, 38 y 45ºC) sobre distintas muestras de grasas (Calsa, Lanús, Prov. Buenos Aires)

Grasa

Nomenclatura

Grasa bovina refinada (refined bovine fat)

RBF

Estearina de grasa bovina (stearin of bovine fat)

SBF

Oleina de grasa bovina (olein of bovine fat)

OBF

Aceites de soja parcialmente hidrogenados de diferentes puntos de fusión ((Partially hydrogenated soybean oil: 25ºC, 36ºC y 42ºC Grasa vegetal bajo trans (Low trans vegetable fat)

S25, S36 y S42 LTF

100

100

RBF

90 80

80

IUPAC AOCS)

70

SFC (%)

SFC (%)

50 40

50 40 30

20

20

10

10 10

100

20 30 Tempertura (ºC)

40

0

50

80

SFC (%)

50

30

20

20

10

10 30

Tempertura (ºC)

40

50

50

Tempertura (ºC)

LTF IUPAC AOCS

50

30

20

40

60 40

10

30

70

40

0

20

80

60

0

10

90

IUPAC AOCS

70

0

100

OBF

90

SFC (%)

60

30

0

IUPAC AOCS

70

60

0

SBF

90

0

0

10

20 30 Tempertura (ºC)

40

50

25

100

S25

80

IUPAC AOCS

IUPAC AOCS

70 SFC (%)

15 10

60 50 40 30

5

20 10

0 0

10

20 30 Tempertura (ºC)

40

50

0

0

10

20 30 Tempertura (ºC)

100

S42 80 SFC (%)

SFC (%)

20

S36

90

IUPAC AOCS

60 40 20 0 0

10

20 30 Tempertura (ºC)

40

50

40

50

Calorimetría diferencia de Barrido modulado (MDSC) Comportamiento térmico durante el enfriamientocalentamiento en barridos a velocidad constante Termogramas: Flujo de calor total (δQ/δt, Heat flow) y de los flujos reversible e irreversible vs Temperatura  Exotermas en cristalización (barrido de enfriamiento)  Endotermas de fusión (barrido de calentamiento)

MDSC de muestra grasa 0.8

0.6

Heat Flow (W/g)

0.4

0.2

0.0

-0.2

-0.4

-0.6 -100 Exo Up

-80

-60

-40

-20

0

Temperature (°C)

20

40

60

80

Universal V4.5A TA Instruments

Se debe llevar la grasa al menos a -60ºC, para cristalizar la totalidad de los triglicéridos y poder desde esa temperatura registrar el termograma total de fusión.

Heat Flow(W/g, (W/g) mcal/s, mJ/s) Heat flow, dQ/dt

-0.1

-2.59°C 62.38(95.43)J/g

-0.2

29.93°C 33.05J/g

-0.3

-0.4 42.93°C

10.69°C

-0.5

-0.6 -60 Exo Up

-40

-20

0

20

Temperature (°C) Temperature (ºC)

40

60

80 Universal V4.5A TA In

Determinación del contenido de grasa sólida por MDSC en base a valores ∆H de fusión (método no corregido) -0.1

∆H a: grasa fundida a T (20ºC) ∆H total

-0.2

Heat Flow (W/g)

∆H b: grasa sólida

a

∆H b (T) SFC =  x 100 ∆Htotal

b

-0.3

Tf

∫ EdT

SFC E = TTf

-0.4

-0.5

-0.6 -60 Exo Up

-40

T final

T (20ºC)

T inicial

-20

0

20

Temperature (°C)

∫ EdT

40

60

T0

80 Universal V4.5A TA Instruments

Los transiciones endotérmicas (picos) pueden ser: •Fusión de dos formas cristalinas diferentes de la misma grasa •Fusión de una mezcla de grasas de la misma forma polimórfica •Cada pico puede incluir además la fusión solapada de cristales de TG de diferente o igual forma cristalina

×100

st u e t

Heat Flow (W/g)

-0.2

∆H total = 95,63 J/g

SC Q 00

ud

6

∆H20ºC = 33,12 J/g

-0.3

T ºC

∆H (J/g)

SFC (%)

-50

95,63

100

-40

95,51

99,8

-30

94,92

99,2

-20

92,67

96,9

-10

85,36

89,3

0

72,65

76,0

10

52,54

54,9

100

20

33,12

34,6

80

30

26,48

27,7

40

13,59

14,2

50

0,151

0,15

-0.4

-0.5 -60

-40

-20

Exo Up

0

20

40

60

Universal V4.5A TA Ins

Temperature (°C)

Contenido de grasa sólida, SFC (%)

80

60 40 20 0 -40

-20

0

20

Temperatura ºC

40

60

Cómo se debe preparar la muestra grasa para el ensayo en MDSC? 1) Se debe borrar la historia térmica por fusión completa antes de realizar el estudio. 2) Se puede analizar inmediatamente la muestra? o se debe dejar cristalizar la grasa? Bajo que condiciones?

Se realizó un estudio del comportamiento térmico de las diferentes grasas, usando cápsulas de alumino herméticas empleando un MDSC Q-200 (TA Instruments). Las muestras fueron sometidas a un ciclo de enfriamientocalentamiento. 1º) Enfriamiento desde Tamb hasta -90ºC a una velocidad de 10ºC/min (con una isoterma de 10 min a esa temperatura) 2º) Calentamiento desde -90ºC hasta +80ºC a una velocidad de 5ºC/min. Las medidas fueron realizadas con una amplitud de modulación de ± 1ºC cada 60 seg.

Márquez, Pérez, Wagner Solid Fat Content Estimation by Differential Scanning Calorimetry: Prior Treatment and Proposed Correction. J Am Oil Chem Soc (2013) 90:467–473

Tratamientos previos de las grasas Para borrar la historia térmica y uniformar la composición de las muestras, se ensayaron tres tratamientos diferentes : (1) Fusión total a 60ºC, mezclado, llenado de la cápsula con la grasa fundida e inmediatamente realizar el ensayo DSC; (2) Fusión parcial a 40ºC, mezclado, llenado de la cápsula e inmediatamente realizar el ensayo DSC; (3) Fusión total a 60ºC, mezclado, llenado de la cápsula, almacenamiento a 4ºC por 1 hora antes del ensayo DSC; (4) Fusión total a 60ºC, mezclado, llenado de la cápsula, almacenamiento a 4ºC por 1 día antes del ensayo DSC;

Termogramas MDSC de fusión de grasas Total heat flow ( ───), reversible heat flow (───), non-reversible heat flow (───) RBF

RBF

endo 0.1 W/g

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

-40

-30

Heat flow (W/g)

Heat flow (W/g)

-20

-10

0

10

20

Temperature (ºC)

-20

-10

0

10

20

30

40

50

Temperature (ºC) LTF

endo 0.1 W/g

-30

(1) Fusión total a 60ºC, ensayo inmediato

endo 0.1 W/g

Temperature (ºC) RBF

-40

Tratamiento previo

Baseline

Heat flow (W/g)

Heat flow (W/g)

Baseline

30

40

50

(4) Fusión total a 60ºC, almacenamiento a 4ºC por 1 día antes del ensayo

endo 0.1 W/g

-50 -40 -30 -20 -10

0

10

20

Temperature (ºC)

30

40

50

Condición elegida: (4) Fusión total a 60ºC, mezclado, llenado de la cápsula, almacenamiento a 4ºC por 1 día antes del ensayo DSC. La determinaron de las curvas de sólidos sobre las muestras así preparadas dieron: 80

80

Solid fat content (%)

60 50 40 30 20 10 0 -10

Non-corrected DSC NMR - IUPAC NMR - AOCS

70

Solid fat content (%)

Non-corrected DSC NMR - IUPAC NMR - AOCS

70

60 50 40 30 20 10 0

0

10

20

30

Temperature (ºC)

40

50

-10

0

10

20

30

Temperature (ºC)

40

50

Es correcto utilizar termogramas de Energía (∆H) para analizar la cantidad de grasa sin fundir?

Heat flow (W/g)

Heat flow (W/g)

La entalpía de fusión es independiente del tipo de grasa?

endo 0.1 W/g

S25 (∆H = 63.07 J/g) S36 (∆H = 98.57 J/g) S42 (∆H = 113.1 J/g)

-40

-20

0

20

Temperature (ºC)

40

60

endo 0.1 W/g

OBF (∆H = 70.53 J/g) SBF (∆H = 128.3 J/g)

-40

-20

0

20

Temperature (ºC)

40

60

La entalpía de fusión aumenta con el punto de fusión Grasas Mezclas de triglicéridos

Triglicéridos puros (general. β)

140

220

120

Melting enthalpy, ∆H (J/g)

Melting enthalpy, ∆H (J/g)

SBF S42

100

S36

80 OBF

S25

60 Sunflower oil

200

SOS

POP

PPP PSS SPP

SSS SPS

PSP

180 160 EEE

140 120 OOO

100

EEO EOE

LLL

80 40 -40

-20

0

20

40

Major melting peak temperature (ºC)

60

-20

0

20

40

60

80

Melting point (ºC)

∆H ( J / g ) = 98.13 + 1.62 × T

-0.2

47,8 J/g

Heat Flow (W/g)

47,8 J/g -0.3

-0.4

11,7ºC -0.5 -60 Exo Up

-40

-20

0

20

40

Temperature (°C)

60

80 Universal V4.5A TA

∆H a 11,7ºC: 50% del total Grasa fundida a 11.7ºC: >50% del total

Método DSC no corregido SFC calculado en base a termogramas de energía de fusión:

Método DSC corregido SFC calculado en base a termogramas másicos de fusión:

Tf

SFC E =

∫ EdT

T Tf

Tf

∫ mdT

× 100

SFCm = TTf

∫ EdT

∫ mdT

T0

E: energía de fusión en función de la temperatura T T0: temperatura inicial de fusión Tf: temperatura final de fusión.

×100

T0

m: masa no fundida a la temperatura T

m (g) =

E (J ) ∆H ( J / g )

Perfiles de fusión en función de la temperatura, expresados en % Energía consumida y en % masa de grasa fundida 3,0

3,0

2,5

2,5

2,5

2,5

2,0

2,0

2,0

2,0

1,5

1,5

1,5

1,5

1,0

1,0

1,0

1,0

0,5

0,5

0,5

0,5

0,0

0,0

0,0

0,0

-40

-30

-20

-10

0

10

20

Temperature (ºC)

30

40

50

3,0

-40

-30

-20

-10

0

10

20

Temperature (ºC)

30

40

50

Melted mass (%)

LTF Consumed energy (%)

RBF

Melted mass (%)

Consumed energy (%)

3,0

Contenido de grasa sólida (SFC%) en función de la temperatura. Comparación entre método DSC corregido y no corregido y métodos RMN. Non-corrected DSC Corrected DSC NMR - IUPAC NMR - AOCS

Solid fat content (%)

70 60 50 40 30 20 10 0

LTF

80

Non-corrected DSC Corrected DSC NMR - IUPAC NMR - AOCS

70

Solid fat content (%)

RBF

80

60 50 40 30 20 10 0

0

10

20

30

Temperature (ºC)

40

50

0

10

20

30

Temperature (ºC)

40

50

Contenido de grasa sólida a 27ºC 80

DSC no corregido DSC corregido RMN - IUPAC RMN - AOCS

Contenido de grasa sólida (%)

70 60 50 40 30 20 10 0

OB

EB

S25 Grasa

S36

S42

Conclusiones  La técnica DSC como alternativa al método oficial RMN puede brindar datos mas confiables si se realiza la corrección adecuada por la diferencia existente en la entalpía de fusión de las grasas en función de su temperatura de fusión.  El método DSC corregido emplean termogramas de masa fundida en vez de los típicos termogramas de entalpía de fusión.  El empleo de DSC modulado permite elegir las condiciones adecuadas de preparación de la muestra antes del ensayo.

 Se pueden obtener curvas SFC de una muestra grasa para un amplio rango de temperatura (-80 a +60ºC) a través de un único termograma, sin necesitar baños termostáticos a distintas temperaturas.  Por el principio del método puede emplearse en muestras que contienen agua (emulsiones). A T>0, el agua no interfiere en los termogramas de fusión. A T