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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE QUERÉTARO FACULTAD DE QUÍMICA
PROGRAMA DE POSGRADO EN ALIMENTOS DEL CENTRO DE LA REPÚBLICA (P R O P A C) DOCTORADO EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE ALIMENTOS DESARROLLO Y CARACTERIZACIÓN REOLÓGICA DE UN SISTEMA TERNARIO DE ACEITES Y GRASAS VEGETALES PARA LA OBTENCIÓN DE UNA COBERTURA LIBRE DE ÁCIDOS GRASOS TRANS DE ALTA TEMPERATURA DE FUSIÓN Y CAPACIDAD DE RETENCIÓN DE FASE LÍQUIDA
TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
DOCTOR EN CIENCIAS PRESENTA
M. en C. JAIME REYES HERNÁNDEZ ASESOR
DR. JORGE FERNANDO TORO VAZQUEZ
QUERÉTARO, QRO.
2008
i
Universidad Autónoma de Querétaro Facultad de Química Doctorado en Ciencias y Tecnología de Alimentos
DESARROLLO Y CARACTERIZACIÓN REOLÓGICA DE UN SISTEMA TERNARIO DE ACEITES Y GRASAS VEGETALES PARA LA OBTENCIÓN DE UNA COBERTURA LIBRE DE ÁCIDOS GRASOS TRANS DE ALTA TEMPERATURA DE FUSIÓN Y CAPACIDAD DE RETENCIÓN DE FASE LÍQUIDA TESIS Que como parte de los requisitos para obtener el grado de Doctor en Ciencias y Tecnología de Alimentos. Presenta: M. en C. Jaime Reyes Hernández Dirigido por: Dr. Jorge Fernando Toro Vazquez SINODALES Dr. Jorge Fernando Toro Vazquez Presidente Dr.Jaime Vernon Carter Secretario Dr. Eduardo Bárzana García Vocal Dr. Eleazar Escamilla Silva Vocal Dr. Miguel Angel Ruiz Cabrera Vocal Dr. Eduardo Castaño Tostado Suplente Dr. Carlos Regalado González Suplente ______________________________________ Q.B. Magali Aguilar Ortiz Director de la Facultad
______________________________________ Dr. Luis Gerardo Hernández Sandoval Director de Investigación y Posgrado
Centro Universitario Querétaro, Qro. Agosto, 2008 México
ii
RESUMEN Tres mezclas fueron seleccionadas para el desarrollo de coberturas con alto punto de fusión; la mezcla 7 con el 33% de estearina de palma (EP), la mezcla 5 con el 50% y la mezcla 10 con el 66.7%, esto para dos sistemas: uno elaborado con SOYA-PH y otros grupo con SOYA-LT. Las mezclas elaboradas con SOYALT mostraron menores valores de contenido de sólidos (SFC) y entalpía de fusión (∆HCr) que aquellas con SOYA-PH. La presencia de ácidos grasos trans y TGAs de cadena media (TCM) disminuyeron el nivel estructural de los cristales y la organización de la red de cristales. Como resultado las mezclas cristalizadas con SOYA-PH mostraron menores valores de esfuerzo de cedencia (σ*) con mayores perfiles de desplazamiento (textura mas suave) que aquellas preparadas con SOYA-LT, particularmente en sistemas cristalizados a menores temperaturas. A especificas temperaturas de cristalización algunas formulaciones resultaron en sistemas cristalizados con propiedades reológicas que podrían aportar en texturas más suaves que aquellas obtenidas con SOYAPH. La mezcla 5 con SOYA-PH o SOYA-LT cristalizada a 26ºC desarrolló diferente polimorfismo (ej., β’) del obtenido a TCr ≥ 28ºC (ej., β), modificando la estructura de la red de cristales e induciendo similares valores del módulo de almacenamiento (G´) y σ* que la mezcla 10, aun con menores concentraciones de EP y menores valores de SFC. Mezclas con SOYA-LT cristalizadas en un cristalizador de superficie rapada (CSR) a 100 rpm mostraron dos endotermas asociados a β’ y β. La presencia de TCM y cristales β promovió la transformación de β’ a β. Los valores de ∆HF, AL, SFC, dureza y pegajosidad de cada uno de los sistemas fue asociado a fenómenos multifiactoriales tanto intrínsecos como extrínsecos difíciles de explicar. Los sistemas cristalizados a 1000 rpm mostraron mayor dureza, pegajosidad y estabilidad a los cambios polimórficos que a 100 rpm. Sin embargo, liberaron mayor cantidad de aceite asociado a la aglomeración de TGAS saturados, promovido por las condiciones iniciales de cristalización. La dureza de los sistemas fue atribuida principalmente a la concentración de EP. A 1000 rpm la mezcla 5 alcanzó similares valores de dureza que la 10 a pesar de los menores valores de SFC, similar a los resultados a nivel estático (G´ y σ*), sugiriendo que un fenómeno parecido ocurre bajo condiciones de agitación. La pegajosidad en la mezcla 10 tiende a disminuir a SFC mayores de ≈16.5% dando lugar a productos quebradizos. A 1000 rpm las concentraciones de EP entre 50% y 66.6% permitieron una liberación de aceite entre 2% y el 10%. Los resultados permiten concluir que es factible expandir el uso de mezclas de grasas vegetales libres de ácidos grasos trans para la sustitución de grasas parcialmente hidrogenadas en la utilización de coberturas y productos untables. (Palabras clave: trans-free, dureza, pegajosidad, cristalización)
iii
SUMMARY Three vegetables oil blends with high melting temperature (i.e., 45/C-52/C) were selected. Vegetable oil blends were prepared mixing different proportions of coconut oil, palm stearin, and partially hydrogenated soybean oil (PH-SBO). Similar vegetable oil blends were prepared replacing the PH-SBO with native soybean oil (i.e., trans-free SBO). Both types of blends, with PHSBO and with trans-free SBO, were crystallized under the same isothermal conditions. The crystallized systems were evaluated by DSC, solid fat content (SFC), polarized light microscopy, and rheology under low [i.e., G’ and yield stress (σ*)] and high (i.e., creep and recovery profiles) stress forces. Overall, all trans-free blends showed lower SFC and heat of crystallization (∆HCr) than the ones obtained with PH-SBO blends. These results showed that trans-fatty acids decrease the level of structural order of the crystals, and probably also the organization of the crystal network. As a result most of the crystallized blends with PH-SBO showed lower σ* values and higher creep profiles (i.e., softer texture) than trans-free blends, particularly in blends containing saturated medium chain TAG and in systems crystallized at high supercooling. Nevertheless, at particular crystallization temperatures some trans-free formulations provided crystallized systems with rheological properties that would result in softer textures than the ones obtained with PH-SBO blends. Knowledge of the rheological properties under low and high stress forces is vital when comparing the functionality of crystallized TAG systems with trans-free and trans-TAG. Trans-free SBO blends crystallized in scraped surface crystallizer at 100 rpm developed two endotherms associated to β’ and β, whereas just one was observed at 1000 rpm. The medium chain TAGS, present in the blend 7 and 10 stimulated the transformation of β’ to β. On the other hand, the values of ∆HF, oil released (Ro), SFC, hardness and adhesiveness were associated with multifactorial phenomenons; intrinsic and extrinsic. The systems crystallized at 1000 rpm showed higher hardness, adhesiveness, and stability to the polimorfic changes than 100 rpm. Nevertheless, the highest amount of Ro of the blends was obtained at 1000 rpm at both process temperatures investigated. This was associated to the agglomeration of the saturated TGAS and was promoted by the initial conditions of cristallization, the hardness of the blends showed a direct relationship with the concentration of palm stearin in the formulation. At 1000 rpm blend 5 achieved similar values of hardness as blend 10 even though it has lower values of SFC. We find similar results with static levels (G and σ*). The adhesiveness in blend 10 lowered when SFC increased over ≈16.5%. At 1000 rpm, concentrations between 50% and 66.6% of palm stearin had an oil release ≈ 2% and 10%. The results suggest the feasibility of expanding the use of trans-free fats in substitution for partially hydrogenated fats for the utilization of confectionary coatings. (Key words: trans-free, hardness, adhesiveness, crystallization)
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DEDICATORIA
A DIOS QUE EN LOS MOMENTOS DIFICILES FUE MI LUZ, APOYOY FORTALEZA
A Rosy por su apoyo, ayuda y paciencia, y por haberme brindado su tiempo para lograr mi meta.
Para Andrea que vino a dar un nuevo sentido a mi vida.
A mi Mamá, mis hermanos y mi familia
v
AGRADECIMIENTOS:
Al Dr. Jorge Fernando Toro Vazquez por su apoyo, consejos y conocimientos brindados. A mis sinodales y maestros por su tiempo y aportaciones. A mis compañeros de laboratorio: Conchita David, Juan Angel, Maritza, Olga y Claudia por su amistad y en especial a Liz por sus consejos. A mis compañeros de Enfermería por su apoyo para lograr mi meta en especial a Josefina por su ayuda. A mis amigos, maestros y personas que en algún momento me brindaron su apoyo para alcanzar mi objetivo. A CONACYT por el apoyo brindado para el desarrollo de esta investigación con el proyecto 48273-Z-25706 y el apoyo como becario número 162982.
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ÍNDICE DE CONTENIDO RESUMEN
iii
SUMMARY
iv
ÍNDICE DE CONTENIDO
vii
ÍNDICE DE TABLAS
x
ÍNDICE DE FIGURAS
xii
1.
INTRODUCCIÓN.
1
2.
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA.
3
2.1
Aspectos químicos y nutricionales de los lípidos.
4
2.2
Aceite de soya.
9
2.3
Aceite de coco.
10
2.4
Estearina de palma.
11
2.5
Cristalización de grasas y aceites.
11
2.5.1
Supersaturación o superenfriamiento.
12
2.5.2
Nucleación.
13
2.5.2.1
Nucleación homogénea.
15
2.5.2.2
Nucleación heterogénea.
17
2.5.2.3
Nucleación secundaria.
17
2.5.3
Crecimiento del cristal.
19
2.5.4
Maduración y/o perfeccionamiento del cristal.
20
2.6
Polimorfismo.
22
2.7
Microestructura.
25
2.8
Parámetros reológicos.
28
2.9
Aspectos teóricos de los análisis de desplazamiento y recuperación.
31
vii
2.10
Análisis de desplazamiento y recuperación de grasas.
31
2.11
Procesamiento de grasas y aceites.
34
3.
JUSTIFICACIÓN.
37
4.
OBJETIVOS.
39
5.
MATERIALES Y MÉTODOS.
41
5.1
Materiales.
41
5.2
Diseño experimental.
41
5.3
Análisis de perfil de triacilglicéridos por cromatografía de líquidos de alta resolución (HPLC).
43
5.4
Análisis de perfil de ácidos grasos por cromatografía de gases de columna capilar.
43
5.5
Calorimetría diferencial de barrido.
44
5.5.1
Régimen dinámico.
44
5.5.2
Régimen isotérmico.
45
5.6
5.7
Determinación de los parámetros reológicos.
46
5.6.1
Determinación del módulo elástico y valor de cedencia (G´y σ∗).
46
5.6.2
Análisis reológico de desplazamiento y recuperación.
46
Determinación del índice de sólidos.
47
5.7.1
Determinación de SFC utilizando la técnica oficial de la AOCS.
47
5.7.2
Determinación de SFC en el equilibrio.
47
5.8
Microscopía de luz polarizada.
48
5.9
Proceso de cristalización en un intercambiador de calor de superficie raspada.
49
5.10
Capacidad de retención de aceite determinada como la cantidad de aceite liberado.
53
viii
6.
5.11
Análisis de textura.
53
5.12
Análisis estadístico.
55
DISCUSIÓN Y RESULTADOS.
56
6.1
Caracterización química.
56
6.1.1
56
Perfil de triacilglicéridos del aceite de soya libre de ácidos grasos trans, aceite de coco y estearina de palma.
6.2
Cristalización dinámica.
59
6.3
Perfil dinámico de sólidos de las mezclas.
62
6.4
Cristalización isotérmica de las mezclas con SOYA-LT y SOYA-PH.
65
6.5
Perfil de fusión de las mezclas con SOYA-LT y SOYA-PH.
70
6.6
Perfil reológico de los sistemas con SOYA-LT y SOYA-PH.
70
6.6.1
Punto de cedencia de los sistemas con SOYA-PH y SOYALT.
75
6.6.2
Perfil reológico de las mezclas elaboradas con SOYA-PH y SOYA-LT usando deformaciones constantes.
81
Evaluación del perfil de fusión de las mezclas 5, 7 y 10 elaboradas con SOYA-LT cristalizadas a nivel planta piloto en un cristalizador de superficie raspada (CSR).
89
6.7.1
Evaluación de los parámetros de fusión de las mezclas 5, 7 y 10 elaboradas con SOYA-LT cristalizadas en un CSR.
95
Evaluación general de dureza, pegajosidad y liberación de aceite de los sistemas 5, 7 y 10 elaboradas con SOYA-LT cristalizadas en CSR.
105
6.8.1
109
6.7
6.8
6.9
Evaluación de los parámetros de dureza y pegajosidad para cada mezcla.
Evaluación de la capacidad de retención de aceite.
114
7.
CONCLUSIONES.
120
8.
BIBLIOGRAFÍA.
123
ix
ÍNDICE DE TABLAS. Tabla 2.1 Composición de ácidos grasos del aceite de soya.
9
Tabla 2.2 Composición de ácidos grasos de aceite de coco.
10
Tabla 2.3 Composición de ácidos grasos de la estearina de palma.
11
Tabla 5.1 Proporciones de las mezclas en un diseño axial simple para tres
42
componentes. Tabla 5.2 Niveles
de
temperatura
de
cristalización
utilizados
en
el
50
procesamiento de las mezclas elaboradas con SOYA-LT: Baja temperatura
de
cristalización
(Tp1),
Alta
temperatura
de
cristalización (Tp2). Temperatura de almacenamiento (TA). Las proporciones de cada una de las mezclas son descritas en la tabla 5.1 Tabla 5.3 Condiciones de procesamiento investigadas para cada mezcla.
51
Tabla 6.1 Perfil de triacilglicéridos de estearina de palma, aceite de coco y
57
aceite de soya. Tabla 6.2 Perfil de ácidos grasos del aceite de soya parcialmente hidrogenada
58
y aceite de soya libre de ácidos grasos trans. Tabla 6.3 Proporciones de los aceites vegetales seleccionados.
x
63
ÍNDICE DE TABLAS. Tabla 6.4 Parámetros que describen la cristalización isotérmica y su
68
correspondiente perfil de fusión de las mezclas seleccionadas con SOYA-LT. Fusión después de la cristalización isotérmica a la temperatura de cristalización indicada (TCr). Las siglas son descritas en el texto. Tabla 6.5 Parámetros que describen la cristalización isotérmica y su correspondiente perfil de fusión de las mezclas seleccionadas con SOYA-PH. Fusión después de la cristalización isotérmica a la temperatura de cristalización indicada (TCr). Las siglas son descritas en el texto.
xi
69
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1
Isomería geométrica. Configuración cis y trans.
5
Figura 2.2
Ácido graso saturado, b) Ácido graso poliinsaturado, c) Representación esquemática de la conformación de una molécula de glicerol esterificada con ácidos grasos trans, cis, y saturados (TGA).
5
Figura 2.3
Tipos de nucleación.
16
Figura 2.4
Diagrama de energía durante el proceso de nucleación. ÌGc es la energía crítica de nucleación.
16
Figura 2.5
Nucleación, crecimiento cristalización.
de
21
Figura 2.6
Transiciones polimórficas en monoácido triacilglicéridos saturados. Las líneas punteadas indican las posibles vías de cristalización directa en otras formas diferentes a la forma α.
24
Figura 2.7
Esquema mostrando la jerarquía estructural definida durante la formación de la red de cristales de grasa.
27
Figura 2.8
Red coloidal bajo una fuerza de extensión. Tamaño de partícula primaria (a), distancia de separación en equilibrio (lo) con energía de interacción en equilibrio (Ueq), distancia necesaria que tiene que ser removida para alcanzar la separación crítica (lc) con energía de interacción = 0, flóculo dónde las partículas primarias están empacadas (ξ).
30
Figura 2.9
Curva representativa de creep and recovery de grasa butírica. Deformación instantánea al inicio de la aplicación de un esfuerzo (A), recuperación instantánea de la deformación después de retirar el esfuerzo (B), deformación recuperada tiempo-dependiente (C), deformación permanente (D).
33
Figura 5.1
Diseño axial simple para tres componentes.
42
Figura 5.2
Diagrama del sistema de cristalización empleado.
52
del
xii
cristal
y
velocidad
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 5.3
Gráfica representativa de un análisis de textura para dos muestras con diferentes niveles de firmeza y pegajosidad.
54
Figura 6.1
Perfil de cristalización dinámica (A) y fusión (B) del aceite de soya parcialmente hidrogenado, aceite de soya libre de ácidos grasos trans, estearina de palma y aceite de coco.
61
Figura 6.2
Perfil de contenido de sólidos en función la temperatura, utilizando el método oficial de la AOCS para las mezclas 5, 7 y 10.
64
Figura 6.3
Perfil de cristalización dinámica y fusión para las mezclas 5, 7 y 10 (A) mezclas elaboradas con aceite de soya parcialmente hidrogenada (B) mezclas elaboradas con aceite de soya libre de ácidos grasos trans.
66
Figura 6.4
Termogramas de cristalización isotérmica para las 5, 7 y 10. Las figuras A, B y C corresponden a elaboradas con soya parcialmente hidrogenada PH). Las figuras A´, B´ y C´ corresponden a elaboradas con soya libre de trans (SOYA-LT).
mezclas mezclas (SOYAmezclas
71
Figura 6.5
Termogramas de fusión isotérmico para las mezclas 5, 7 y 10. Las figuras A, B y C corresponden a mezclas elaboradas con soya parcialmente hidrogenada (SOYAPH). Las figuras A´, B´ y C´ corresponden a mezclas elaboradas con soya libre de trans (SOYA-LT).
72
Figura 6.6
(A) Gráficas de log (G´) vs log (SFCeq), (B) Gráficas de log (σ*) vs log (SFCeq) para las mezclas 5, 7 y 10. ○,□,∆ Corresponden a mezclas elaboradas con soya parcialmente hidrogenada (SOYA-PH). ●,■,▲ Corresponden a mezclas elaboradas con soya libre de trans (SOYA-LT).
74
Figura 6.7
Microfotografías de mezcla 7. Las figuras A, B, C y D corresponden a mezclas elaboradas con SOYA-PH. Las figuras A´, B´, C´ y D´ corresponden a mezclas elaboradas con SOYA-LT.
77
Figura 6.8
Microfotografías de mezcla 5. Las figuras A, B, C y D corresponden a mezclas elaboradas con SOYA-PH. Las figuras A´, B´, C´ y D´ corresponden a mezclas elaboradas con SOYA-LT.
78
xiii
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 6.9
Microfotografías de mezcla 10. Las figuras A, B, C y D corresponden a mezclas elaboradas con SOYA-PH. Las figuras A´, B´, C´ y D´ corresponden a mezclas elaboradas con SOYA-LT.
79
Figura 6.10
Reogramas de desplazamiento (creep) y recuperación de la mezcla 5. (A) Gráficas de % Deformación vs Tiempo de mezclas elaboradas con SOYA-PH, (B) Gráficas de % Deformación vs Tiempo de mezclas elaboradas con SOYALT.
83
Figura 6.11
Reogramas de desplazamiento (creep) y recuperación de la mezcla 10. (A) Gráficas de % Deformación vs Tiempo de mezclas elaboradas con SOYA-PH, (B) Gráficas de % Deformación vs Tiempo de mezclas elaboradas con SOYALT.
84
Figura 6.12
Gráfica de flujo de calor vs temperatura fusión de la mezcla 5 con SOYA-LT cristalizada en un CSR bajo distintas condiciones de proceso y almacenados a 27ºC. (A) día 0, (B) día 28.
91
Figura 6.13
Gráfica de flujo de calor vs temperatura fusión de la mezcla 7 con SOYA-LT cristalizada en un CSR bajo distintas condiciones de proceso y almacenados a 27ºC. (A) día 0, (B) día 28.
92
Figura 6.14
Gráfica de flujo de calor vs temperatura fusión de la mezcla 10 con SOYA-LT cristalizada en un CSR bajo distintas condiciones de proceso y almacenados a 27ºC. (A) día 0, (B) día 28.
93
Figura 6.15
Gráfica de Pk vs Tiempo. Los valores graficados representan el valor de Pk del primer pico de fusión (β’) su media y desviación estándar de todos los datos de la variable respuesta para cada mezcla, independientemente de las condiciones de proceso.
95
Figura 6.16
Microfotografías de la mezcla 5 con SOYA-LT cristalizada en un CSP. El rotulado de las fotografías indica las condiciones de procesamiento y el día de almacenamiento.
96
xiv
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 6.17
Microfotografías de la mezcla 5 con SOYA-LT cristalizada en un CSP. El rotulado de las fotografías indica las condiciones de procesamiento y el día de almacenamiento.
97
Figura 6.18
Microfotografías de la mezcla 7 con SOYA-LT cristalizada en un CSP. El rotulado de las fotografías indica las condiciones de procesamiento y el día de almacenamiento.
98
Figura 6.19
Microfotografías de la mezcla 7 con SOYA-LT cristalizada en un CSP. El rotulado de las fotografías indica las condiciones de procesamiento y el día de almacenamiento.
99
Figura 6.20
Microfotografías de la mezcla 10 con SOYA-LT cristalizada en un CSP. El rotulado de las fotografías indica las condiciones de procesamiento y el día de almacenamiento.
100
Figura 6.21
Microfotografías de la mezcla 10 con SOYA-LT cristalizada en un CSP. El rotulado de las fotografías indica las condiciones de procesamiento y el día de almacenamiento.
101
Figura 6.22
Gráficas de ∆HF vs temperatura, para la mezcla 7, mezcla 5 y mezcla 10 cristalizada en el CSR, bajo diferentes niveles de agitación y temperatura de proceso y almacenada durante 28 días.
104
Figura 6.23
Gráficas de %SFC vs temperatura, para la mezcla 7, mezcla 5 y mezcla 10 cristalizada en el CSR, bajo diferentes niveles de agitación y temperatura de proceso y almacenada durante 28 días.
106
Figura 6.24
Dureza ( ) y pegajosidad ( ) vs Índice de sólidos para las tres mezclas elaboradas con SOYA-LT a diferentes concentraciones (Tabla 1). Los datos graficados representan todas las condiciones de proceso de cada una de las mezclas.
110
Figura 6.25
Aceite Liberado ( ) vs Dureza para las tres mezclas elaboradas con SOYA-LT a diferentes concentraciones (Tabla 1). Los datos graficados representan todas las condiciones de proceso de cada una de las mezclas. Los recuadros indican los intervalos de dureza para cada mezcla seleccionada.
110
xv
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 6.26
Gráficas de dureza y pegajosidad vs temperatura de proceso, para la mezcla 7, mezcla 5 y mezcla 10 cristalizada en el CSR, bajo diferentes niveles de agitación y temperatura de proceso.
103
Figura 6.27
Pérdida de aceite de las mezclas 7, 5 y 10 elaboradas con SOYA-LT almacenadas a 27ºC.
115
Figura 6.28
Fotografías de la mezcla 5 cristalizada en un cristalizador de superficie raspada. El rotulado de las fotografías indica las condiciones de procesamiento (número de mezcla-nivel de revoluciones-temperatura de cristalización).
117
Figura 6.29
Fotografías de la mezcla 7 cristalizada en un cristalizador de superficie raspada. El rotulado de las fotografías indica las condiciones de procesamiento (número de mezcla-nivel de revoluciones-temperatura de cristalización).
118
Figura 6.30
Fotografías de la mezcla 10 cristalizada en un cristalizador de superficie raspada. El rotulado de las fotografías indica las condiciones de procesamiento (número de mezcla-nivel de revoluciones-temperatura de cristalización).
119
xvi
1. INTRODUCCIÓN
En la actualidad la producción y desarrollo de coberturas y productos elaborados a partir de aceites vegetales hidrogenados ha despertado un gran interés, debido particularmente a que el consumidor considera a estos productos como poco saludables dada su elevada concentración de ácidos grasos trans. Estos ácidos se han asociado al incremento de las lipoproteínas de baja densidad y del colesterol sanguíneo, lo que ha llevado a la búsqueda de nuevas alternativas en la producción de coberturas. Tal es el caso de la cristalización de
mezclas
elaboradas con grasas y aceites vegetales no hidrogenados, o bien el uso de fracciones de aceites vegetales como la estearina de palma. Sin embargo, el proceso de cristalización de aceites vegetales es un proceso por demás complejo y obtener coberturas a través de mezclas entre grasas y aceites vegetales no hidrogenados, o bien a través de fracciones de aceites vegetales, impone limitantes particularmente asociadas a su textura y reología. Entre los principales factores que influyen en las propiedades funcionales finales de las grasas se encuentra la composición de los ácidos grasos en los triacilglicéridos (TAGS). Por ejemplo, los ácidos grasos trans por su estructura tridimensional en el espacio similar a la de los TAGS saturados, siguen un patrón de cristalización parecido, haciéndolos de fácil implementación en el desarrollo de coberturas. En contraposición, los ácidos grasos en configuración cis dificultan la organización estructural de los TAGS en una fase sólida cristalina que proporcione funcionalidad
apropiada
en
términos
de
intervalo
de
temperatura
de
cristalización y fusión. Un punto especial en el desarrollo de coberturas lo representan los parámetros reológicos, debido a su impacto en la calidad del producto final en el cual se va emplear (ej., pastelillos o almendras recubiertos, etc.). El comportamiento reológico de sistemas lipídicos cristalizados está, en general, determinado por la relación e interacción entre los cristales desarrollados y organizados en un arreglo tridimensional dentro del cual se encuentra inmovilizada la fracción no
1
cristalizada. Adicionalmente, debe considerarse la cantidad y estado polimórfico de los cristales presentes en la red tridimensional. Por otro lado, al ser este un sistema meta-estable, durante el procesamiento (ej., mezclado, bombeo, calentamiento, transporte y aplicación) y almacenamiento de los sistemas lipídicos cristalizados (ej., coberturas), éstas pueden sufrir transformaciones polimórficas modificando su microestructura, lo que a su vez acelera la separación de fases sólido-líquida y por lo tanto altera su aspecto, su reología y propiedades funcionales (ej., capacidad de retención de aceite). Este fenómeno es particularmente evidente en coberturas desarrolladas a base de mezclas entre grasas y aceites vegetales no hidrogenados, o bien a través de fracciones de aceites vegetales ya que la ausencia de ácidos grasos trans constitutivos en los triacilglicéridos (TAGS) impone limitantes estructurales y fisicoquímicas al proceso de cristalización y al correspondiente perfil de fusión. Resulta de gran interés el estudiar, en un sistema estático a nivel laboratorio así como en un sistema agitado a nivel planta piloto, la relación entre la microestructura de sistemas lipídicos cristalizados, sus propiedades reológicas y su relación con la dureza y la capacidad para retener la fase líquida. Estas propiedades determinan la calidad y estabilidad de productos de importancia económica tales como el chocolate, coberturas y mantequillas. De igual manera, el estudio de estas relaciones en sistemas cristalizados a base de mezclas entre grasas y aceites vegetales no hidrogenados, primero en un nivel estático y después agitado, podría ayudar al desarrollo de formulaciones de coberturas funcionales de utilidad en sistemas alimentarios de gran demanda en la actualidad.
2
2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA.
Los lípidos son un grupo de compuestos de estructura heterogénea muy abundantes en la naturaleza en el que las grasas y aceites son los representantes más importantes (Baduí, 1996). Las grasas y aceites corresponden al grupo de lípidos simples, siendo sus principales constituyentes los acilglicéridos que a su vez se dividen en mono-acilglicéridos, di-acilglicéridos y tri-acilglicéridos según el grado de sustitución de los ácidos grasos en la molécula de glicerol. De estos, los triacilglicéridos (TAGS) representan del 95% al 99% en la composición total de las grasas y aceites comestibles. Las características físicas y químicas de los TAGS dependen fundamentalmente del tipo y grado de insaturación y longitud de cadena de carbono de los ácidos grasos, así como de la forma isométrica y distribución de los ácidos grasos en las tres posiciones del glicerol (Barbayan, 1986; Dziezac, 1989). Los ácidos grasos que esterifican la molécula de glicerol se dividen en dos grandes grupos: saturados e insaturados (Figura 2.1). Lo anterior dependiendo de la presencia o ausencia de dobles ligaduras en su molécula. Debido a sus dobles ligaduras, los ácidos grasos insaturados presentan isomerismo geométrico (cis y trans) y posicional causado por la diferencia en la localización de las dobles ligaduras en la cadena y esto determina en gran medida sus características físicas y químicas y por ende la de los aceites y grasas (Nawar, 1993). Un ejemplo muy representativo es el alto grado de insaturación de los aceites de origen vegetal, el cual es muy sensible a procesos de oxidación y deterioro térmico limitando su uso en diversos procesos. A fin de modificar la composición de los aceites vegetales la industria utiliza tecnología especializada como la hidrogenación para así alterar su fluidez y estabilidad ante la oxidación. El proceso de hidrogenación puede ser; 1) Selectivo para aumentar la estabilidad ante la oxidación de aceites y 2) Total ó parcial que tiene por objetivo la obtención de grasas sólidas, que son base de la fabricación de margarinas y mantecas
(shortenings).
Durante
la
3
hidrogenación
parcial
se
produce
aproximadamente 40% de los isómeros trans por lo que la fuente más común de este tipo de ácidos grasos son las coberturas, margarinas, los ’’shortenings’’ así como su larga lista de productos alimenticios donde se emplean este tipo de grasas en su formulación (ej., panes, galletas, etc.). Todos ellos contienen aceites vegetales parcialmente hidrogenados (Katan, 2001). 2.1
Aspectos químicos y nutricionales de los lípidos.
La mayoría de los ácidos grasos insaturados que se presentan en la naturaleza se encuentran en la forma cis. Sin embargo cuando los aceites son parcialmente hidrogenados la configuración natural cis puede saturarse o bien isomerizarse resultando en ácidos grasos trans. Las siglas “cis” y “trans” se refieren a la posición que los átomos de hidrógeno tienen alrededor de los dobles enlaces presentes en los ácidos grasos insaturados. Cuando los átomos de hidrógeno se encuentran en el mismo lado de la cadena, éstos se encuentran en la posición “cis” cuando se encuentran en el lado opuesto de la cadena están en la posición “trans” (Figura 2.1 y 2.2). Los ácidos grasos poliinsaturados presentan dos tipos de isomerías: posicional y geométrica. En el primer caso se refiere a la posición del doble enlace en la cadena. La isomería geométrica de los dobles enlaces se debe a la capacidad de rotación de estos carbonos para formar los isómeros cis o trans (Figura 2.1). Estudios recientes señalan que el consumo de ácidos grasos trans tiene efectos negativos en los perfiles lipoproteicos del organismo humano. Willett y col. (Katan, 2001) informaron sobre una asociación positiva entre la ingesta de ácidos grasos trans y enfermedades coronarias. Desde el punto de vista metabólico, se ha demostrado experimentalmente que una ingesta elevada de los ácidos grasos trans compiten con el metabolismo de los ácidos grasos esenciales, provocando que se generen ácidos grasos no esenciales que forman prostaglandinas de efecto desconocido o impredecible. A su vez, investigaciones realizadas por Zavenbergen (1989) reportan evidencias de que los ácidos grasos trans inhiben a la enzima desaturasa, afectando la reacción de desaturación y
4
cis Figura 2.1
trans
Isomería geométrica. Configuración cis y trans.
(c) configuración en el espacio
Figura 2.2
a) Ácido graso saturado, b) Ácido graso poliinsaturado, c) Representación esquemática de la conformación de una molécula de glicerol esterificada con ácidos grasos trans, cis y saturados (TGA).
5
alargamiento, alterando a su vez la conversión del ácido linoleico y araquidónico en prostaglandinas, lo que aumenta el requerimiento de ácidos grasos esenciales. Sobre esta base, investigadores como Liechtenstein y col. (1999) han recomendado que los fabricantes de alimentos enfaticen el uso de aceites vegetales en su estado natural. Sin embargo, la substitución de los aceites parcialmente hidrogenados por los no hidrogenados en coberturas, galletas, pasteles y otros productos horneados altera el procesamiento, el sabor y la vida útil del producto. Por lo que aún existe un largo camino que recorrer para poder reemplazar de manera efectiva los ácidos grasos trans por grasas más saludables y nutritivas (ej., grasas con altos contenidos de ácidos grasos esenciales o TAGS de cadena media) (Katan, 2001). Algunos ácidos grasos tienen el carácter de esenciales (linoleico y linolénico) debido a que no pueden ser sintetizados a partir de estructuras precursoras en el interior del organismo. Lichtenstein y col. (1999). observaron la disminución en los niveles de colesterol al consumir aceites ricos en ácidos grasos esenciales, tales como el aceite de soya, oliva, canola, etc., ya que estos aceites contienen elevadas concentraciones de ácidos grasos poliinsaturados (Katan, 2001, Valenzuela y col., 2003). Los
ácidos
grasos
poliinsaturados
de
cadena
larga
(precursores
de
prostaglandinas), son fundamentales en la formación de la estructura y la funcionalidad del sistema nervioso y visual de los humanos. Se estima que la función de estos ácidos grasos es aportar un alto grado de fluidez a las membranas celulares, permitiendo el movimiento de proteínas en su superficie y dentro de la bicapa lipídica (Valenzuela y col., 2003). Además los ácidos grasos esenciales
contribuyen
a
regular
la
tensión
arterial
y
previenen
la
ateroesclerosis. De este modo, su consumo los convierte en una medida preventiva ante el riesgo de enfermedades cardiovasculares. Una carencia de ácidos grasos esenciales puede generar neuropatía, disminución de la agudeza visual, dificultades de aprendizaje y lesiones en la piel. En diversos estudios se ha relacionado también la falta de ácidos grasos esenciales (omega 3 y 6) con
6
casos de depresión (Valenzuela y col., 2003). Lo anterior ha provocado que se otorgue mayor valor agregado a los productos que contienen este tipo de compuestos como son los productos elaborados con aceite de soya, debido a que es una importante fuente de ácidos grasos esenciales, ya que contiene ≈ 54% de ácido linoleico y ≈ 8 % de ácido linolénico (O´Brien, 1998). Adicionalmente, un nuevo tipo de grasas está llamando ampliamente la atención, ya que estudios recientes señalan un aporte benéfico a la salud de los triglicéridos de rápida absorción, compuestos principalmente por ácidos grasos de cadena media. Los ácidos grasos de cadena media (AGCM) son nutrientes fácilmente digeribles ya que no circulan en el torrente sanguíneo como otras grasas, siendo directamente enviados al hígado para ser inmediatamente consumidas por el cuerpo (similar a los carbohidratos) así cuando los triacilglicéridos
de
cadena
media
(TCM)
son
consumidos,
el
cuerpo
inmediatamente produce más energía en lugar de almacenarla como grasa en el cuerpo. Las ventajas digestivas de los TCM sobre otros tipos de TAGS son debidas a las diferencias en el metabolismo de estas grasas. Los TCM son degradados casi inmediatamente por las enzimas de la saliva y los jugos gástricos; esto tiene importantes implicaciones para pacientes que sufren de problemas digestivos y metabólicos. En contraste, las grasas saturadas de cadena larga (≥ C14), monoinsturadas, poliinsaturadas y colesterol requieren enzimas pancreáticas para romperse en unidades pequeñas así como de macromoléculas (lipoproteínas) para ser transportadas a través del cuerpo y hasta los tejidos. Una rápida absorción puede derivar en una rápida generación de energía sin poner un excesivo esfuerzo sobre los sistemas digestivos y enzimáticos, y ayudar a conservar la energía del cuerpo que podría normalmente
ser
gastado
en
la
digestión
de
grasas
(Ikeda,
2000).
Investigaciones recientes han demostrado que el consumo de aceite de coco por su
alto
contenido
de
TCM
puede
ayudar
a
prevenir
enfermedades
cardiovasculares y a la disminución de peso corporal. Además se ha descubierto que ayuda a fortalecer el sistema inmunológico, así como algunas propiedades
7
antimicrobianas y anticancerígenas, incluso más poderosos que los aceites insaturados (Ikeda, 2000). Por otro lado, aceites con alto contenido de ácidos grasos saturados han sido utilizados recientemente para aumentar la plasticidad de las grasas, sin embargo algunas investigaciones indican que el consumo de ácidos grasos saturados incrementa los niveles de colesterol en la sangre. No obstante, no todas las grasas que contienen ácidos grasos saturados son dañinas. Un ejemplo, es el aceite de palma. Estudios reportados indican que no existen efectos significativos en los incrementos de los niveles de colesterol en la sangre al consumir aceite de palma (Pantzaris, 2000; Cottrell, 1991; Edem, 2002). Algunos estudios señalan que una dieta rica en aceite de palma puede ayudar significativamente a reducir los riesgos de problemas cardiovasculares. Incluso se ha demostrado que el aceite de palma reduce los niveles de colesterol al mismo nivel que el aceite de oliva, esto es debido a que el ácido palmítico presente en el aceite de palma regula los receptores que promueven los niveles de colesterol. También ayuda a regular la trombosis arterial entre otros beneficios, ya que mantiene el nivel de las sustancias que las regulan (Cottrell, 1991; Edem, 2002). La búsqueda por mejorar y desarrollar nuevos productos a partir de aceites no hidrogenados a fin de aumentar la calidad nutricional y disminuir los costos de producción, ha llevado a la industria a diversificar las opciones de procesamiento, incorporación y uso de aceites vegetales. La mezcla de aceites con grasas o fracciones de alta temperatura de fusión, es uno de los procesos utilizados para modificar las propiedades de cambio de fase de aceites vegetales (ej., transición líquido-sólido), esto con el fin de mejorar su plasticidad y por consiguiente, la versatilidad de uso en la industria alimentaria (Toro-Vazquez y col., 1999). La tendencia actual es dar un valor agregado a los aceites que permitan
elaborar
productos
con
características
particulares.
Los
más
importantes tanto por su bajo costo de obtención como por sus propiedades físicas, químicas y nutricionales son: el aceite de palma, soya, coco y algunos de
8
sus derivados como la estearina de palma. La estearina de palma es muy utilizada en productos alimenticios como margarinas, debido a sus propiedades de alta temperatura de fusión, aspecto que está relacionado con su alta concentración de ácido palmítico. 2.2
Aceite de soya.
El aceite de soya contiene un alto contenido de ácidos grasos poliinsaturados y ha llegado a ser un aceite muy popular debido a sus cualidades nutricionales, abundancia,
valor
económico
y
su
amplia
funcionalidad
tanto
en
el
procesamiento como en la formulación de productos. Debido a su composición, el aceite de soya es un aceite natural para ensaladas (O´Brien, 1998) con una temperatura de fusión entre -15 y 0ºC, esto depende de la composición del aceite y del lugar de donde provenga (Tabla 2.1).
Tabla 2.1
Composición de ácidos grasos del aceite de soya.
Ácido graso
Número de carbonos e insaturaciones en el ácido.
(%)
Mirístico
C14:0
0.1
Palmítico
C16:0
10.6
Palmitoleico
C16:1
0.1
Margárico
C17:1
0.1
Esteárico
C18:0
4.0
Oleico
C18:1
23.3
Linoleico
C18:2
53.7
Linolénico
C18:3
7.6
Araquídico
C20:0
0.3
Behénico
C22:0
0.3
(O´Brien, 1998).
9
2.3
Aceite de coco.
El aceite de coco es obtenido de las nueces de la palma de coco (Cocos nucifera). Es un aceite comercialmente importante por su grupo de ácidos láuricos (Tabla 2.2). El aceite de coco es bajo en ácidos grasos insaturados y esto le proporciona alta resistencia a la oxidación (O´Brien, 1998). Además los aceites con ácido láurico difieren significativamente de otras grasas y aceites debido a que ellos pasan abruptamente de un estado sólido a uno líquido dentro de un intervalo de temperaturas muy corto. El aceite de coco es una grasa sólida a temperatura ambiente (21ºC) pero funde rápidamente a la temperatura del cuerpo humano, a diferencia de otras grasas como la estearina de palma que tiene un elevado punto de fusión.
Tabla 2.2
Composición de ácidos grasos del aceite de coco.
Ácidos grasos
Número de carbonos e insaturaciones en el ácido.
(%)
Caprílico
C8:0
7.6
Cáprico
C10:0
7.3
Laúrico
C12:0
48.2
Mirístico
C14:0
16.6
Palmítico
C16:0
8.0
Palmitoleico
C16:1
1
Esteárico
C18:0
3.8
Oleico
C18:1
5.0
Linoleico
C18:2
2.5
(O´Brien, 1998).
10
2.4
Estearina de palma.
La estearina de palma es muy utilizada como fuente natural de grasas vegetales, margarinas, etc., esto es debido a sus propiedades tales como su alto punto de fusión, buena estabilidad oxidativa y plasticidad a temperatura ambiente que está relacionado con la composición de sus ácidos grasos (Tabla 2.3). El principal TAGS trisaturado de la estearina de palma (ej., la tripalmitina denominado con las siglas PPP) le proporciona las propiedades fisicoquímicas particulares cuando se lleva a cabo un cambio de fase (sólido-líquido) (Pantzaris, 1994). Tabla 2.3
Composición de ácidos grasos de la estearina de palma.
Ácidos grasos
Número de carbonos e insaturaciones en el ácido.
Intervalo
Mirístico
C14:0
1-2
Palmítico
C16:0
47-74
Esteárico
C18:0
4-6
Oleico
C18:1
16-37
Linoleico
C18:2
3-10
(%)
(Pantzaris, 1994).
A fin de aprovechar las propiedades de estas grasas, una alternativa para modificar las propiedades de cambio de fase de aceites vegetales es la mezcla de fracciones sólidas con aceites líquidos, los cuáles al ser sometidos a un proceso de cristalización generan productos suaves untables. Este método tiene la gran ventaja de no generar como productos ácidos grasos trans. 2.5
Cristalización de grasas y aceites.
El proceso de cristalización de los triacilglicéridos y control de la misma permite desarrollar propiedades funcionales requeridas en sistemas alimentarios (ej., chocolate, margarinas, coberturas, etc.) ya que colaboran en la estabilidad de
11
los alimentos, dan brillo, lustre y apariencia superficial en alimentos fritos y de confitería. Una de las maneras de regular el proceso de cristalización es controlando su cinética de cristalización y las variables que la afectan. La cristalización es la transición que ocurre entre los estados líquido y sólido de las grasas y aceites; este cambio puede ocurrir tanto en un fundido (fase madre que se encuentra por encima de su punto de fusión y por lo tanto libre de partículas sólidas) como en una solución y depende por lo tanto de las propiedades fisicoquímicas y estructurales de las moléculas en su estado líquido (ej., triacilglicéridos puros en estado líquido) o en solución. El proceso de cristalización en general se lleva a cabo en cuatro diferentes pasos que incluyen (Levine y Slade, 1992; Hartel, 1992): 1. Supersaturación o superenfriamiento (organización de las moléculas en estado líquido) que actúan como la fuerza termodinámica impulsora para que ocurra la nucleación. 2. Nucleación o formación de núcleos. 3. Cristalización o crecimiento del cristal. 4. Maduración o perfeccionamiento del cristal y/o continuación del crecimiento. 2.5.1 Supersaturación o superenfriamiento. Para que la nucleación ocurra, primero es necesario generar la fuerza impulsora necesaria para que pueda llevarse a cabo la cristalización. Esto está relacionado con la estructura de la solución y puede ser logrado por una condición de supersaturación (esto es, una solución de concentración C mayor a la concentración de saturación Cs (Cs < C) o superenfriamiento (un fundido a una temperatura T por debajo de su punto de fusión Tf) (Boistelle, 1998). Este estado de supersaturación o superenfriamiento es la fuerza termodinámica que impulsa a las moléculas en solución o de la fase madre a que formen embriones o 12
agregados moleculares (organización de las moléculas en estado líquido), los cuales posteriormente se desarrollarán como núcleos y después en cristales (Roos, 1995). Cuando la fuerza impulsora ha sido alcanzada, ocurre la nucleación en donde los cristales son generados por la unión de las moléculas formando una red cristalina. Una vez que la red está formada, se propicia un crecimiento de la misma ya sea por adición molecular (controlada por difusión o nucleación), o bien por coagulación/agregación con otros cristales crecientes (Hartel, 1992). La relación entre la estructura molecular de los triacilglicéridos en aceites y grasas en estado líquido antes de la cristalización se desconoce debido a lo complejo del sistema. En general, para estudiar el inicio de la nucleación se han utilizado cambios en las propiedades físicas de las soluciones como difusividad y viscosidad, ya que estas propiedades están directamente relacionadas con la movilidad molecular y habilidad de formar núcleos e indirectamente con el desarrollo de la estructura en la fase líquida (GallegosInfante, 1995). 2.5.2 Nucleación. La nucleación está definida como el proceso para lograr el tamaño mínimo que debe tener un núcleo para que pueda desarrollarse en un cristal (Hartel, 1992). La relación entre el superenfriamiento en el fundido o la supersaturación en la solución y el proceso de nucleación, esto es, el tamaño crítico del cristal se pone de manifiesto a través de la ecuación de Gibbs–Thompson. Así, para cada condición de saturación o superenfriamiento existe un radio crítico en el cual el núcleo o cristal está en equilibrio con el fundido o la solución (Boistelle, 1988). Se debe considerar que la formación de un estado sólido presupone el desarrollo de una interfase sólido-líquido, lo cual ocasiona un incremento en la energía libre interfacial. Para un núcleo de radio esférico su magnitud queda establecida por la ecuación (Boistelle, 1988): Energía libre interfacial = 4πrc2σ
13
(1)
en donde π es 3.1416, rc es el radio crítico del núcleo y σ es la energía interfacial entre el cristal y la solución. Por otro lado, la contribución de la energía libre al volumen del cristal está dada por: Energía libre al volumen del cristal = 4/3πrc3ÌGv
(2)
en donde ÌGv = ÌH(Tm – T)/VTm es el cambio de energía libre de formación del volumen del cristal por unidad de volumen V del núcleo sólido. Sustituyendo ÌGv la ecuación (2) queda: Energía libre al volumen del cristal = 4/3πrc3ÌH (Tm – T)/VTm
(3)
en donde ÌH es la entalpía de fusión de los cristales, T es la temperatura del sistema, V es el volumen del núcleo sólido y Tm es la temperatura de fusión del cristal. Así, el cambio de energía libre total del fundido (ÌG) en nucleación isotérmica está dada por la suma de la energía libre de formación de la superficie sólida más la energía libre de formación del volumen del cristal, de manera que el cambio de energía queda definido de la siguiente manera por la ecuación (4): ÌG = 4π rc 2σ + 4/3πrc3ÌH (Tm – T)/VTm
(4)
por lo tanto, para que la nucleación ocurra se tiene que propiciar una disminución en la energía libre total del sistema, esto se logra cuando se sobrepasa el valor del radio crítico del núcleo (rc). Según la ecuación de GibbsThomson (Boistelle, 1988) el radio crítico de un triacilglicérido en estado líquido está dado por: rc = 2σ (VTm / ÌH (Tm – T))
(5)
por lo tanto, si se sustituye el radio crítico en la ecuación (1), la energía libre crítica de activación de la nucleación (ÌGc) (Figura 2.3) queda expresada como (Boistelle, 1988): ÌGc = (16πσ3 V2Tm2)/ÌH2(Tm – T)2 14
(6)
Una vez que se alcanza la energía crítica ocurrirá una nucleación espontánea, en donde el tiempo de inducción a la nucleación de acuerdo a la ecuación de Turnbull-Fisher según el análisis de Buckle queda establecido por (Ng, 1990): τ = 1/(√4σkT) v-1/3h exp(ÌGd + ÌGc)/kT
(7)
En esta ecuación τ representa el tiempo de inducción para la nucleación, h y k son las constantes de Plank y Boltzman respectivamente y ÌGd es la energía libre de activación para la incorporación de una molécula al núcleo del cristal. Esta energía libre es especialmente considerada cuando se trata de fundidos o soluciones de alta viscosidad debido a la gran dificultad que hay de cruzar la interfase entre la fase sólida y la líquida ocasionada por las altas limitaciones difusionales. El tiempo de inducción (τ), esta definido como el tiempo necesario (en minutos y a una temperatura dada) para que se formen núcleos que rebasen el radio crítico y es aproximadamente igual al inverso de la velocidad de nucleación (τ ≈ 1/J) (Sato, 1988). Por lo anteriormente expuesto, la nucleación es el resultado de la adición de monómeros a los agregados moleculares más pequeños hasta alcanzar un tamaño llamado crítico. Una vez que se alcanza el radio crítico, la nucleación puede ocurrir por diferentes vías (Figura 3.4) que dependen de las condiciones del sistema. 2.5.2.1 Nucleación homogénea. Cuando el proceso de cristalización ocurre espontáneamente, es decir, los centros cristalinos de los compuestos cristalizantes no están presentes en el sistema a nuclear se dice que la nucleación es homogénea. La nucleación homogénea es la más estudiada y ocurre en el fundido (ej., lípido en estado líquido),
en
donde
los
cambios
de
15
energía
libre
asociados
con
la
HOMOGÉNEA PRIMARIA HETEROGÉNEA NUCLEACIÓN
SECUNDARIA
Figura 2.3
Tipos de nucleación.
ENERGÍA LIBRE
∆G Energía libre asociada a la superficie del cristal
∆GC Energía libre total
r radio
Energía libre asociada al volumen del cristal
Figura 2.4
Diagrama de energía durante el proceso de nucleación. ÌGc es la energía crítica de nucleación (Tomado de Boistelle, 1988).
16
transformación de fase están relacionados a dos procesos: a) la formación de la superficie del cristal y b) a la formación del volumen del cristal (Ecuaciones 1 y 3 respectivamente). La energía libre de formación de la superficie de cristal aumenta con el área superficial mientras que la energía libre de formación del volumen del cristal disminuye con el aumento de volumen. De la relación entre estas dos energías resulta la energía libre del sistema y el valor critico más allá del cuál el proceso de cristalización procederá de manera espontánea (Figura 3.5). 2.5.2.2 Nucleación heterogénea. En la nucleación primaria (que puede ser nucleación homogénea, heterogénea o ambas), el fenómeno de nucleación ocurre sin la presencia de fuerzas externas que afecten el desarrollo de los cristales. La nucleación primaria se considera heterogénea cuando involucra la presencia de partículas extrañas o impurezas que pueden actuar como sitios nucleantes. La nucleación heterogénea es el fenómeno del nacimiento de pequeñas regiones cristalinas sobre una superficie heterogénea que se encuentra dispersa aleatoriamente en el sistema; polvo, residuos, irregularidades de los contenedores, partículas agregadas a propósito, fragmentos de cristales no fundidos, etc. (Martínez-Vázquez, 1997). Estas partículas reducen la energía necesaria para la formación del núcleo crítico y esto facilita el proceso de cristalización (Ross, 1995). Por lo tanto la cristalización del sistema se origina, casi exclusivamente, a partir de un proceso de contacto primario heterogéneo con impurezas puesto que, en la práctica resulta complicado encontrar un sistema puro en estado fundido y/o en solución de tal forma que quede exento de partículas (Martínez-Vázquez, 1997). 2.5.2.3 Nucleación secundaria. La nucleación secundaria es difícil de explicar en detalle debido a la especificidad de cada sistema, es decir, la amplitud en las diferencias entre el soluto y solvente que se encuentren presentes tales como: el material para
17
cristalizar, tamaño y forma del cristal, densidad de la suspensión, tamaño y naturaleza de la cristalización, etc. La nucleación secundaria es aquella en donde, además de las fuerzas involucradas en la nucleación primaria (ej., temperatura, substratos de cristalización, supersaturación/superenfriamiento) se tiene la presencia de una fuerza externa, como la agitación, la cual incrementa la velocidad de cristalización al facilitar el contacto entre moléculas en la fase líquida y los núcleos y/o cristales de la fase sólida. La nucleación secundaria difiere de la primaria debido a que ocurre en la presencia de cristales existentes del compuesto nucleante y la principal fuerza impulsora es la superficie de cristal (Boistelle, 1988; Ross, 1995). Lo anterior incrementa el número efectivo de núcleos por medio del rompimiento de cristales ya formados (Boistelle, 1988; Hartel, 1992), los cuales a su vez actúan como nuevas áreas de desarrollo de cristales. La nucleación secundaria es generada más comúnmente en las superficies de cristales que han sido dañadas o contaminadas por impurezas. En algunos casos se ha asumido que el origen de la nucleación secundaria está en la supersaturación de la solución. Cualquier superficie de cristal aún si ésta es suave exhibe una superficie rugosa, la cual rápidamente incrementa conforme incrementa la supersaturación. Durante la nucleación secundaria en estas zonas rugosas se forman cristales delgados y embriones que son removidos de la superficie del cristal y que exceden el tamaño crítico. Entonces, el radio crítico necesario para iniciar la nucleación puede ser activado por la superficie de cristales cercanos. La remoción de embriones o núcleos de la superficie de los cristales puede ser explicado por dos razones. Con excepción de la disolución parcial la cual ocurre de manera instantánea, la remoción es debido a las fuerzas de corte de un fluido o bien por las colisiones entre cristales, con las paredes del contenedor, las propelas de agitación del cristalizador, etc. Tanto en la disolución instantánea como en el proceso de las colisiones, la agitación juega un rol predominante. La nucleación secundaria es ampliamente esperada en el caso de materiales quebradizos o en soluciones con densos cristales o 18
suspensiones, donde el número de colisiones es mayor. Es importante mencionar que la cristalización secundaria es de menor importancia en pequeños sistemas, pero de mucha importancia en la cristalización a nivel industrial (Boistelle, 1988). La cristalización secundaria y su posible relación con la fusión del cristal fue propuesta entre otros por Basset (Waldo-Mendoza, 1998) y aunque ha sido modificada e interpretada por otros autores en general, se propone que los cristales secundarios (lamelas subsidiarias) tienen puntos de fusión más bajos que los cristales primarios (estructuras lamelares bien definidas), dando lugar a endotermas de baja y alta temperatura respectivamente (Waldo-Mendoza, 1998). De acuerdo a estas hipótesis, dentro de la estructura esferulítica existe una distribución de especies cristalinas, lo cual origina que la fusión se lleve a cabo en dos etapas. 2.5.3 Crecimiento del cristal. Una vez formado el núcleo se inicia el crecimiento del cristal, éste crecimiento ocurre por una serie de pasos en los cuales las moléculas de las especies cristalizadas se transforman de una fase líquida a un látice sólido cristalino. Estos pasos incluyen (Hartel, 1992): − Difusión de moléculas de la masa o “bulk” de la solución a la superficie del cristal (cristalización en la masa). − Orientación de las moléculas de la masa de las especies cristalizadas en una forma apropiada para incorporarse en el látice del cristal. − Difusión de las unidades moleculares a lo largo de la superficie para encontrar un sitio apropiado de incorporación. − Remoción del calor latente de formación liberado durante la cristalización. Durante el crecimiento del cristal se deben cuidar factores externos e internos (ambos factores controlan el crecimiento del cristal). Algunos factores externos
19
serían la supersaturación, la concentración de solventes, las impurezas y la temperatura. Los factores internos serían principalmente, la estructura molecular, los tipos de enlaces en el desarrollo del cristal y la formación de defectos en el cristal (es conveniente considerar la relación entre la estructura del cristal y el mecanismo de crecimiento que sigue el mismo) (Boistelle, 1988). 2.5.4 Maduración y/o perfeccionamiento del cristal. Durante el desarrollo de los cristales, la velocidad de crecimiento es directamente proporcional a la supersaturación (Sección 2.5.1 y 2.5.2). Sin embargo, cuando el crecimiento ocurre en el fundido, la energía libre de activación para la difusión de las moléculas (ÌGd) en el fundido juega un papel esencial en la cinética de crecimiento. Así, la velocidad de crecimiento es proporcional al superenfriamiento e inversamente proporcional a la viscosidad, por lo tanto aumenta drásticamente con la disminución de la temperatura. Para un valor dado de temperatura de cristalización habrá una máximo en la velocidad de crecimiento y luego disminuirá radicalmente por problemas difusionales (Boistelle, 1988). Los efectos anteriores se pueden explicar en términos de los mecanismos que controlan el proceso de transporte de segmentos moleculares (partes de una molécula o moléculas completas) al núcleo primario (primer aglomerado de moléculas que se forma), y su acomodo y orientación en la superficie del cristal. A superenfriamientos bajos (ej., altas temperaturas de cristalización) el proceso de deposición de segmentos moleculares sobre la superficie cristalina es la etapa que controla a la velocidad de cristalización. Esto es, cuando tenemos temperaturas de cristalización altas la viscosidad disminuye por efecto de la temperatura y la difusividad de las moléculas aumenta debido a que existe suficiente energía térmica para facilitar el transporte de segmentos moleculares al cristal y esto provoca que existan pocos cristales y de mayor tamaño (Figura 2.5). Por otro lado, a superenfriamientos altos (ej., bajas temperaturas de cristalización), el proceso de acomodo de segmentos moleculares a la superficie cristalina primaria es muy difícil por problemas difusionales (aumento de
20
viscosidad) ya que las moléculas no poseen la suficiente energía para transportarse hasta el cristal primario, esto controla la velocidad de crecimiento. En este caso el proceso de deposición sobre el núcleo primario existente es sumamente rápido. Esto provoca la existencia de muchos y pequeños cristales (Waldo-Mendoza, 1998). Entonces a bajos grados de superenfriamiento predomina el crecimiento del cristal mientras que a altos superenfriamientos predomina la nucleación (Blaurock, 1999). Los cristales desarrollados presentan diferentes propiedades derivadas de las condiciones de proceso y a su vez del tipo de cristal desarrollado, a esta propiedad de las grasas para formar diferentes tipos de cristales se le denomina polimorfismo.
Velocidad de Crecimiento del Cristal
Velocidad Nucleación del Cristal
Velocidad de cristalización
Tm°
Temperatura de cristalización
Figura 2.5 Nucleación,
crecimiento
cristalización (deMan, 1999).
21
del
cristal
y
velocidad
de
2.6
Polimorfismo.
Una propiedad física muy importante y característica en los lípidos es el polimorfismo, que implica la existencia de diferentes estructuras sólido cristalinas (que dependen de cómo se orienten en el estado sólido sus triacilglicéridos constituyentes) para el mismo triacilglicérido y que determina en gran parte las propiedades de textura de un sistema alimentario. Los lípidos en los diversos sistemas alimentarios, cristalizan en diferentes formas polimórficas dependiendo de la temperatura del sistema, velocidad de enfriamiento, presencia de núcleos, tipo de solvente y específicamente de la composición de los triacilglicéridos (Roos, 1995). Los triacilglicéridos que presentan el fenómeno del polimorfismo son aquellos que tienen ácidos grasos de distintas longitudes de cadena y grados de insaturación. Cada forma cristalina tiene diferentes propiedades y características, lo que se refleja en el comportamiento global de la grasa. Durante el almacenamiento de las grasas, éstas pueden sufrir transformaciones polimórficas cambiando por lo tanto sus propiedades funcionales (ej., textura de la grasa) lo que afecta sus aplicaciones industriales, es por ende de vital importancia conocer el proceso de cristalización así como el comportamiento de los triacilglicéridos en estado sólido. La velocidad de los cambios polimórficos además de las condiciones mencionadas anteriormente, depende del tiempo de almacenamiento. La agitación mecánica y los tratamientos térmicos durante el procesamiento y almacenamiento aceleran la velocidad de transformación de los cristales (Baduí, 1996). La forma del cristal está determinada fundamentalmente por el ángulo de inclinación; desde esta perspectiva, en grasas y aceites se presentan principalmente tres tipos de cristales designados como α, β’ y β aunque hay otros de menor importancia. Al enfriar un triacilglicérido por debajo de la temperatura ambiente, cristaliza en la forma α, en esta forma polimórfica existe un alto grado de libertad de movimiento. Si se calienta hasta fundirla se transforma en β que es más estable, si este cristal β se enfría solo unos grados por encima de la temperatura de fusión de la forma α y se conserva a esta temperatura, se induce la forma
22
intermedia β´ (Figura 2.6). Como resultado de la diferente organización molecular cada forma polimórfica está caracterizada por propiedades tales como, volumen específico, temperatura de fusión y de cristalización (Larsson, 1994; Nawar, 1993). Las organizaciones polimórficas; α, β´ y β tienen diferente punto de fusión y estabilidad termodinámica las cuales van en orden de menor a mayor valor (Baduí, 1996). El polimorfismo es un fenómeno mediante el cual las grasas
pueden
cambiar
de
tipo
de
cristal
hasta
llegar
al
que
termodinámicamente es más estable. En las formas polimórficas típicas α, β´, β de los triacilglicéridos simples (ej., un sólo tipo de ácidos grasos en las tres posiciones del glicerol) la energía libre de Gibbs es mayor para las forma α, intermedia para la forma β´ y menor para la β. Debido a que la barrera de energía de activación de cristalización (∆G) debe ser sobrepasada a fin de iniciar la cristalización, el inicio del proceso depende de la magnitud de la fuerza impulsora. Un elevado valor de ∆G indica una mayor dificultad del sistema para la formación del núcleo de cristalización (Sato, 1988). Así, la fuerza impulsora del proceso de cristalización es mayor para la forma polimórfica β debido a su menor energía de Gibbs en el estado sólido. Por otro lado, en el caso particular de la cristalización de TAGS, un fenómeno adicional ocurre durante el proceso de cristalización, el desarrollo de una red continua de cristales de TAGS en una fase líquida continua (ej., aceite vegetal). Esta red, en el caso de aceites vegetales cristalizados, alcanza una organización fractal (Walstra y col., 2001, Narine y Marangoni, 1999; Toro-Vazquez y col., 2001). Las propiedades mecánicas de los sistemas lipídicos cristalizados dependen de la geometría de la red y de las fuerzas de interacción entre los cristales y determinan el grado de deformación y subsecuentemente aspectos de textura y sensación bucal. Esto es de especial importancia para productos como mantequillas, margarinas, mantecas y coberturas (Walstra y col., 2001).
23
Fundido
α
β´ 2
β´ 1
sub-α Figura 2.6
Transiciones
β
solventes polimórficas
en
triacilglicéridos
homogéneos
saturados. Las líneas punteadas indican las posibles vías de cristalización directa en otras formas polimórficas diferentes a la forma α (Tomado de Hernquevist, 1988).
24
2.7
Microestructura.
Muchos de los atributos sensoriales y propiedades reológicas de los productos alimenticios dependen fundamentalmente de la fuerza mecánica de la red de cristales de grasa. Las propiedades macroscópicas de esta red son influenciadas por los diferentes niveles de estructura tanto como por las condiciones de procesamiento bajo las cuales la red es formada (Figura 2.7). Por lo que es de vital importancia industrial la identificación y cuantificación de los niveles estructurales que proporcionan información de la relación entre la composición, procesamiento, estructura y propiedades mecánicas de la red. Investigadores como deMan y Beers notaron la importancia de los niveles de microestrucura o mesoescala de una red de cristales sobre las propiedades reológicas de la red y advirtieron que la microestructura es fácilmente cambiada con las condiciones de cristalización tanto como con un proceso de interesterificación. Estudios de grasa de leche interesterificada y no esterificada mostraron pocas o nulas diferencias en los parámetros como SFC, punto de goteo y polimorfismo, sin embargo los valores de G´ e índice de dureza fueron menores para la grasa de leche interesterificada que la no interesterificada. Esto muestra que los tradicionales indicadores de dureza macroscópica fueron insensibles a los cambios en la estructura que provocaron los distintos valores en el módulo elástico e índice de dureza. Esto no significa que estos parámetros siempre sean insensitivos a los cambios en las propiedades mecánicas macroscópicas. Más bien sugiere que quizás existan otros indicadores estructurales que pueden ser tomados en consideración tal como microscopía de luz polarizada (MLP) y microscopía confocal de láser fluorescente (MCLF) técnicas que demostraron que la estructura de la red de grasa en la mesoescala fue significativamente alterada (Marangoni, 2006). Anteriormente la investigación se enfocaba en su mayor parte en la composición, polimorfismo y contenido de grasa sólida (CGS) de la red, ignorando su microestructura. Recientes estudios sugieren que la consideración del nivel de estructura (junto con otros niveles previamente estudiados) es
25
absolutamente esencial en el establecimiento de las fuerzas mecánicas de la red. (Marangoni, 2006). La irreversible agregación de pequeñas partículas para formar agregados es un fenómeno natural común; por ejemplo, esto es visto en coloides, aerosoles coagulados, especies químicas precipitando de una matriz supersaturada y crecimiento de cristales de un fundido superenfriado. La estructura final de tales agregados es importante no solamente porque puede potencialmente ampliar la información acerca de la fuerza mecánica de la estructura resultante, sino porque ésta puede sugerir métodos para alterar la estructura cinéticamente. En muchos casos, la velocidad limitante en la formación de estos agregados es la difusión de especies que alcanzan la superficie de crecimiento (limitados por la transferencia de masa), o la transferencia de calor camino al crecimiento superficial, o bien una combinación de estos factores dependiendo de la etapa de crecimiento. Las propiedades físicas y químicas de una grasa están ligadas a su microestructura, formada por una red de cristales que determina las propiedades macroscópicas de la grasa, particularmente, las propiedades reológicas. La dependencia de las propiedades viscoelásticas en la estructura de polímeros se ha descrito para el caso de materiales amorfos y cristalinos. Para el caso de estructuras cristalizadas complejas resulta de gran interés el tratar de correlacionar el nivel de organización estructural con las propiedades viscoelásticas.
26
Reología Fuerza Mecánica Propiedades sensoriales
Grasa
Mundo Macroscópico > 0.2 mm
Red de Cristales Calor, masa, transferencia de momento
Contenido de Grasa Sólida
Agrupación de Cristales
Microestructura 0.25-200µm
Calor, masa, transferencia de momento
Polimorfismo
Cristales Calor, masa, transferencia de momento
Estructura molecular
Nanoestructura 0.4-250nm
Moléculas de Triacilglicéridos
Figura 2.7. Esquema mostrando la jerarquía estructural definida durante la formación de la red de cristales de grasa (Narine, 2005).
27
2.8
Parámetros reológicos.
Los parámetros reológicos tienen utilidad práctica en el diseño de procesos alimentarios. El establecimiento de la relación entre el esfuerzo aplicado a sistemas alimentarios complejos y la deformación que experimentan, es un elemento importante para el diseño de equipo de proceso, así como para calcular su comportamiento bajo condiciones donde el material experimenta flujo. Las pruebas dinámicas se han convertido en el método más común de estudio del comportamiento viscoelástico de un gran número de materiales, debido a que aportan resultados rápidos con mínimos cambios físicos y químicos. (Borwankar, 1992; Steffe, 1992). Por otro lado, en términos básicos la reometría tiene como uno de sus objetivos el establecer relaciones entre la estructura molecular
de
sistemas
simples
y
el
comportamiento
del
material
o,
alternativamente, en sistemas complejos la relación entre las propiedades de los materiales y su comportamiento en situaciones prácticas (Gebhard, 1994). En el caso particular de sistemas lipídicos cristalizados, su comportamiento reológico es complejo ya que influyen varios factores, principalmente la manera en la cual se enfría la muestra a partir de su estado líquido (velocidad de enfriamiento, temperatura inicial y final, velocidad de agitación), el estado polimórfico de los cristales, su composición en ácidos grasos y la proporción entre la fase sólida a fase líquida (Herrera y Hartel, 2000a). Una vez que el sistema se encuentra cristalizado, el comportamiento del material es de tipo plástico, lo que significa que presenta apariencia sólida pero puede ser deformada o experimentar flujo al aplicar sobre éste una fuerza externa (Walstra y col., 2001). Los fluidos plásticos son comúnmente dispersiones los cuales en reposo pueden construir una red interpartícula intermolecular de fuerzas de enlace (fuerzas polares, fuerzas de Van der Waals, etc.). Estas fuerzas restringen el cambio posicional de los elementos del volumen y dan a la sustancia el carácter de sólido con una alta viscosidad. En los sistemas lipídicos cristalizados las medidas reológicas pueden obtenerse a bajos y altos niveles de deformación.
28
Cuando se utilizan altas deformaciones, la red de cristales de TAGS sufre una deformación irreversible debido a que se sobrepasa el punto de cedencia, el cual es el límite de deformación que una vez sobrepasado modifica irreversiblemente la organización estructural de los cristales de TAGS. En contraste, a bajas deformaciones, las mediciones reológicas se realizan por debajo del punto de cedencia y la organización estructural de los cristales de TAGS no experimenta alteración alguna puesto que su deformación se recupera una vez que se retira el esfuerzo (Herrera y Hartel, 2000b). Las mediciones reológicas en condiciones de baja deformación se realizan generalmente utilizando reometría dinámica oscilatoria con esfuerzo controlado o con deformación controlada, obteniéndose parámetros tales como el módulo de pérdida (G’’) y el módulo de almacenamiento (G’). En una prueba de deformación sinusoidal el módulo de almacenamiento es una medida de la energía almacenada y recuperada por el material en un ciclo y es un indicador del componente elástico del material, mientras que el módulo de pérdida (G”) es una medida de la energía disipada como calor por el material en un ciclo y es un indicador del componente viscoso del material (Steffe, 1996; Marangoni y Rousseau, 1998). En los sistemas lipídicos cristalizados G’ y G” proporcionan información en relación a la organización estructural de la red de cristales de TAGS (Marangoni y Rousseau, 1996). Adicionalmente los sistemas lipídicos cristalizados tienen una característica reológica fundamental que es el esfuerzo de cedencia (σ*). La fuerza de cedencia se define como el punto en el cual un sólido plástico experimenta flujo y su comportamiento asemeja más al de un líquido. Algunos autores como Marangoni y Rogers (2003) han propuesto algunos modelos matemáticos y sugieren que el esfuerzo de cedencia corresponde a la fuerza requerida para mover los elementos de un ensamble estructural de la red de su distancia de separación en equilibrio lo, caracterizado por una energía de interacción Ueq, a una separación crítica lc, donde la energía de interacción es igual a cero (Figura 2.8). El valor de σ* de una sustancia, es determinado por la cantidad de material
29
presente en la red (el tamaño de las partículas primarias, la dimensión fractal) y las fuerzas intermoleculares (tensión interfacial sólido-líquido). Así la expresión puede ser aplicada a una partícula floculada del sistema, incluyendo geles coloidales y cristales, como pasta y otro tipo de productos suaves y materia condensada. En sistemas lipídicos el esfuerzo de cedencia es fuertemente correlacionado con la percepción sensorial de la dureza y la suavidad, así como la estabilidad de productos en el almacenamiento. Recientemente se ha intentado relacionar la estructura de la red de cristales de grasa, su esfuerzo de cedencia y su módulo elástico. No obstante debido a la complejidad de la microestructura de las grasas la relación entre la estructura del material y su esfuerzo de cedencia aún no ha sido establecida. lo
ξ
Fuerza
a
lc
L
Figura 2.8.
L
Red coloidal bajo una fuerza de extensión. Tamaño de partícula primaria (a), distancia de separación en equilibrio (lo) con energía de interacción en equilibrio (Ueq), distancia necesaria que tiene que ser removida para alcanzar la separación crítica (lc) con energía de interacción = 0, flóculo dónde las partículas primarias están empacadas (ξ) (Marangoni 2005).
30
2.9
Aspectos teóricos de los análisis de desplazamiento y recuperación.
La mayoría de los materiales manifiestan simultáneamente flujo viscoso y elasticidad, fenómeno denominado viscoelasticidad. Éstos materiales se caracterizan por la presencia de una estructura tridimensional incompleta, que se destruye por la aplicación de un esfuerzo y sólo se recupera parcialmente cuando el esfuerzo es removido. Mientras más completa y resistente a la ruptura es la estructura, más pronunciada es su elasticidad y mientras más fácil se rompa su estructura, mayor es su comportamiento viscoso (Borwankar y Shoemaker, 1992). Una de las características más importante de los materiales viscoelásticos, es la dependencia del tiempo de la respuesta a ciertos esfuerzos (tensiones) y deformaciones aplicados. La proporcionalidad del esfuerzo y la deformación puede ser entendidos como la habilidad de una red para deformarse elásticamente pero manteniendo la estructura de la red intacta. La energía de deformación dentro de la red es almacenada reversiblemente y puede ser recuperada cuando el esfuerzo es retirado. Cuando se utilizan esfuerzos por encima de la viscoelasticidad lineal los elementos de la red son forzados más allá de sus límites mecánicos. Las moléculas pueden entonces iniciar un desdoblamiento y permanentemente cambiar de posición con respecto a otras; la muestra comienza a fluir cada vez más y adelgazar el corte. Normalmente los esfuerzos que mantienen a las muestras dentro de su intervalo de la región lineal viscoelástica en muchos casos son muy pequeñas (Gebhard, 1994). 2.10
Análisis de desplazamiento y recuperación de grasas.
Los estudios de desplazamiento (creep) y recuperación (recovery) en grasas son muy raros. Las grasas son muy difíciles de estudiar mediante este tipo de técnicas porque la red de grasas es muy fácilmente destruida. deMan y col. (Citado en Marangoni, 2006) han sido de los pocos que han medido curvas de desplazamiento y recuperación en grasas. Ellos identificaron una deformación instantánea en el esfuerzo aplicado (A) (Figura 2.9), la deformación instantánea
31
de recuperación una vez que se retira el esfuerzo (B), una deformación tiempo dependiente de recuperación después del esfuerzo (C), así como una deformación permanente (D) (Marangoni, 2006). Este estudio demostró las dificultades experimentales asociadas con estos materiales, por ejemplo, las grasas no se comportan como un típico material viscoelástico. Así cuando el esfuerzo inicial es aplicado, la deformación instantánea (A) es mucho mayor que la deformación instantánea recuperada después de eliminar el esfuerzo (B). Esto permitió a deMan apreciar un rearreglo estructural durante los análisis reológicos y comprobó que la técnica de desplazamiento y recuperación aún con sus incertidumbres es un método sensible a los cambios de estructura de la red de cristales y ofrece una alternativa para detectar diferencias entre mantecas y margarinas (Marangoni, 2006). Con estos antecedentes parece evidente que en procesos de producción en los cuales son sujetos los fluidos viscoelásticos, normalmente prevalecen las condiciones de viscoelaticidad no lineal, entonces el estudio de mezclas debería ser caracterizado en el flujo turbulento y no solamente en flujo laminar. Algún análisis reológico de un material puede por lo tanto explorar como las muestras se comportan dentro y fuera del rango de la región viscoelástica lineal, aún si los resultados más tarde pueden ser usados solamente para una comparación directa de muestras similares sujetos a unas ciertas condiciones de esfuerzo/deformación.
32
Desplazamiento
B C A
D
Tiempo
Figura 2.9
Curva representativa de desplazamiento y recuperación de grasa butírica. Deformación instantánea al inicio de la aplicación de un esfuerzo (A), recuperación instantánea de la deformación después de retirar el esfuerzo (B), deformación recuperada tiempodependiente (C), deformación permanente (D).
33
2.11
Procesamiento de grasas y aceites.
Las funcionalidades físicas microscópicas de los “shortenings” y margarinas de sistemas grasos es dependiente de un gran número de factores entre los que se encuentran: 1. Porcentaje relativo de grasa y aceite en las formulaciones. 2. Las condiciones de procesamiento tales como velocidad, grado de enfriamiento, trabajo mecánico (agitación) y temperatura final del producto. 3. La presencia de emulsificantes como aditivos. Estos factores influyen en la funcionalidad microscópica que está relacionada con las propiedades físicas como el punto de fusión, contenido de sólidos, y propiedades reológicas. Estas propiedades son en gran parte dependientes del polimorfismo y del estado cristalino de la grasa, densidad del empacamiento, distribución espacial, tamaño y forma de la microestructura de la red resultante. Por otro lado la reología de los sistemas de grasas es determinada por su consistencia y textura. La consistencia depende no solamente de la proporción sólido-líquido presente a diferentes temperaturas si no también de varios niveles estructurales dentro de la red del “shortening” (Baljit y col., 2002). Durante el procesamiento, el tipo de tratamiento que afecta la estructura de la grasa en los niveles microestructural y molecular, además de los ya conocidos como la hidrogenación y la esterificación, son la velocidad de enfriamiento y la velocidad de corte aplicada, afectando grandemente a la microestructura. La modificación del polimorfismo o tipo de cristal de la grasa también es afectada por las condiciones de proceso. Dentro de los factores que influencian las propiedades funcionales físicas de “shortening” y margarinas se encuentran los siguientes: 1. Proporción de sólidos a líquidos.
34
2. Viscosidad del líquido. 3. Tratamiento de temperatura. 4. Trabajo mecánico. 5. Superenfriamiento. 6. Polimorfismo. 7. Propiedades de los cristales: tamaño, número y composición. 8. Distribución espacial, tamaño y forma de la microestructura. El procesamiento por lo tanto, es igualmente importante como el diseño de las mezclas de aceites en la determinación de las propiedades físicas y desarrollo de “shortenings”. La formulación de las mezclas y subsecuentes condiciones de procesamiento regulan el tipo de formación de cristales y consecuentemente la formación de la red. El tipo de cristal formado tiene una influencia directa sobre la
morfología
de
la
microestructura
que
atrapa
la
fase
líquida
del
shortening/margarina. Haighton (1959) reportó que la dureza de la margarina en términos de punto de cedencia tiene una fuerte correlación con el contenido de sólidos. Las margarinas son típicamente manufacturadas por un rápido enfriamiento de mezclas de grasas usando un intercambiador de superficie raspada. Posteriormente son mantenidos durante un periodo de tiempo en tubos de cristalización, moldeándose o formándose. Dependiendo de la velocidad de enfriamiento, la velocidad de flujo será el tiempo relativo que pasa la grasa en el intercambiador de calor y tubos de cristalización (tiempo de residencia). Mientras la grasa es procesada en los tubos de cristalización bajo cierta temperatura de cristalización del tubo, el contenido de sólidos, el tipo de cristal y microestructura de la red resultante es grandemente afectada bajo estas condiciones (Baljit y col., 2002).
35
Si la velocidad de cristalización es baja, la margarina es típicamente más suave. La grasa continua cristalizando y usualmente necesita horas para completar la cristalización. Para margarinas duras el superenfriamiento de la grasa es seguido de una solidificación sin agitación. Esta poscristalización, en la ausencia de agitación favorece la formación de fuertes redes caracterizadas por el “sintering” o enlace entre las estructuras de la red. Una consecuencia de esto es que el producto exhibe un pequeño intervalo plástico. Un intercambiador de superficie raspada consta de unas paletas rotatorias que giran dentro de un tubo concéntrico enchaquetado por donde pasa un líquido enfriador. El uso de altas velocidades de rotación provoca que las paletas raspen la superficie del tubo debido a la aplicación de la fuerza centrífuga. Una mayor presión interna y acciones de corte induce una rápida nucleación y cristalización de la grasa en un muy corto tiempo de residencia. La magnitud del tiempo requerido para la cristalización varía dependiendo de la composición de la grasa usada en la formulación.
36
3. JUSTIFICACIÓN. El consumidor actual ha modificado su apreciación respecto a los productos que contienen aceites parcialmente hidrogenados (ej., margarinas y cremas vegetales), ya que durante el proceso de hidrogenación parcial se producen ácidos grasos trans, compuestos dañinos a la salud (Sébédio y Christie, 1998; Small, 1991; Katan, 2001). El uso de mezclas de aceites de baja temperatura de fusión con fracciones de TAGS con alta temperatura de fusión para modificar las propiedades de cambio de fase de los aceites vegetales tiene la ventaja de no utilizar procesos químicos, lo que es consistente con la tendencia actual del consumidor por productos naturales (Toro-Vazquez y col., 2000). Sin embargo el uso de aceites no hidrogenados en el desarrollo de sistemas cristalizados proporciona propiedades reológicas, funcionales y de estabilidad fisicoquímica poco apropiadas para su uso en productos alimenticios. La investigación aquí descrita, plantea el desarrollar sistemas lipídicos cristalizados a base de mezclas de aceites y grasas libres de ácidos grasos trans. Se plantea utilizar estas mezclas como base de formulaciones de coberturas para su empleo en sistemas alimentarios como pastelillos, nueces recubiertas y en general productos de confitería. Parte esencial de esta investigación para la evaluación de estas mezclas cristalizadas será su caracterización reológica, así como la determinación de su capacidad de retención de fase líquida, por ser estas propiedades particularmente relevantes en la funcionalidad práctica de las coberturas tanto a nivel de proceso (ej., capeado del producto, transporte de la cobertura), en las propiedades organolépticas impartidas al producto final y en su vida de anaquel. Por otro lado, todos los alimentos procesados que contienen grasa semisólida son sujetos a procesos de temperado durante su producción, así como a variaciones de temperatura durante su almacenamiento y distribución. Estas variaciones en la temperatura provocan una disminución en la calidad de los productos, en gran medida asociadas al carácter meta-estable del sistema, lo
37
que acarrea transformaciones polimórficas y procesos de separación de la fase líquida no cristalizada debido a su difusión a través de la matriz de cristales. Esta investigación plantea el establecer la relación entre la organización estructural de los cristales de TAGS y la capacidad de retención de aceite en sistemas cristalizados a base de mezclas de aceites vegetales y grasas libres de ácidos grasos trans. Para ello, inicialmente se evaluaron las condiciones de cristalización
a
nivel
laboratorio
como
temperatura
de
cristalización/superenfriamiento y, posteriormente, en condiciones de agitación en un cristalizador a nivel planta piloto. La hipótesis general que se plantea es la siguiente: es factible desarrollar coberturas de utilidad en alimentos a partir de mezclas de aceites vegetales y grasas libres de ácidos grasos trans, siempre y cuando durante su desarrollo se empleen como base de evaluación los parámetros reológicos y de capacidad de retención de aceite. Es importante el destacar que existe limitada información en relación al impacto que la microestructura de sistemas lipídicos cristalizados tiene sobre sus propiedades reológicas y, particularmente, sobre aspectos de utilidad práctica en sistema alimentarios (ej., capacidad de retención de aceite). Este punto es aún más relevante en sistemas cristalizados libres de ácidos grasos trans.
38
4. OBJETIVOS
General. Desarrollar un sistema de mezclas binarias y/o ternarias con alta temperatura de fusión y elevada capacidad de retención de aceite a base de grasas y aceites vegetales libres de ácidos grasos trans. Adicionalmente, establecer la relación entre la organización estructural de los cristales de TAGS, sus propiedades reológicas y la capacidad de retención de aceite de los sistemas cristalizados, tanto en condiciones de cristalización estática a nivel laboratorio como a nivel planta piloto en un cristalizador de superficie raspada. Específicos a) Establecer un diseño experimental que permita desarrollar mezclas binarias y/o ternarias a base de aceites de soya, coco y/o estearina de palma, utilizando como variables de respuesta la temperatura de fusión de las mezclas, tanto con sistemas libres de ácidos grasos trans como empleando aceite parcialmente hidrogenado. b) Para
las
mezclas
seleccionadas
establecer
las
temperaturas
de
cristalización isotérmicas y determinar la capacidad de retención de aceite, contenido de sólidos así como sus respectivas temperaturas de fusión. Analizar comparativamente los valores observados entre las mezclas desarrolladas a base de aceites parcialmente hidrogenados y aquellas libres de ácidos grasos trans. c) Evaluar en forma comparativa el comportamiento reológico de las mezclas seleccionadas libres de ácidos grasos trans y las mezclas elaboradas con aceite parcialmente hidrogenado. Así como evaluar parámetros reológicos como el módulo elástico (G´), el valor de cedencia y pruebas de desplazamiento /recuperación. d) Desarrollar a nivel planta piloto las mezclas libres de ácidos grasos trans
39
bajo diferentes condiciones de agitación y temperatura de cristalización, en un cristalizador de superficie raspada. e) Caracterizar los sistemas obtenidos en el cristalizador de superficie raspada en función de la dureza, pegajosidad, temperatura de fusión y capacidad de retención de aceite.
40
5. MATERIALES Y MÉTODOS
5.1
Materiales.
Para esta investigación se utilizó aceite de soya parcialmente hidrogenado (SOYA-PH), aceite de soya libre de ácidos grasos trans (SOYA-LT), aceite de coco (AC) y estearina de palma (EP) suministrada por proveedores locales (Palsgaard industria de México, S. de R.L. de C.V. y COSTCO sucursal San Luis Potosí, S.L.P.). Los estándares y reactivos utilizados para la cromatografía de líquidos fueron de la compañía Sigma Chemical Co. (St. Louis, MO, E.U.A.) y Caledon Laboratories Ltd. (Georgetwon, Ontario, Canadá). Los estándares de cromatografía de gases fueron marca Nu Check–Prep, Inc.(Elysian, MN). 5.2
Diseño experimental.
Se partió de lotes de 5 L para SOYA-PH y SOYA-LT así como envases de 5 Kg de aceite de coco y estearina de palma. Las grasas y aceite se fundieron a 80ºC por 30 minutos con agitación constante para el borrado de memoria térmica. Se consideró un diseño axial simple de tres componentes (Figura 5.1) para la preparación de las mezclas (peso/peso) como lo describe Ruguo (1999) las concentraciones resultantes se muestran en la Tabla 5.1. Se desarrollaron dos grupos de mezclas; el primer grupo fue elaborado utilizando como solvente SOYA-LT y en otro grupo SOYA-PH. Las mezclas fueron cristalizadas bajo condiciones dinámicas de temperatura (sección 5.3.2) para elegir aquellas con la mayor temperatura de fusión. Las mezclas seleccionadas tuvieron temperaturas de fusión entre 45ºC y 52ºC, y fueron: la mezcla codificada como 5, con 50% de aceite de soya, 0% de aceite de coco y 50% de estearina de palma (50%-0%50%), en este mismo orden de componentes la mezcla 7 con 33.3%-33.3%33.3% y la mezcla 10 con 16.7%-16.7%-66.6%. Estas proporciones fueron válidas tanto para las mezclas preparadas con soya parcialmente hidrogenada
41
1 (soya) 8 5
4 7 9
10
2 (coco)
3 (estearina de palma)
6
Figura 5.1 Diseño axial simple para tres componentes (Ruguo, 1999).
Tabla 5.1
Proporciones de las mezclas en un diseño axial simple para tres componentes, utilizado en el desarrollo de mezclas con SOYA-LT y SOYA-PH. No. de
Soya
Coco
E. de palma
Experimento
(%)
(%)
(%)
1
100
0
0
2
0
100
0
3
0
0
100
4
50
50
0
5
50
0
50
6
0
50
50
7
33.3
33.3
33.3
8
66.6
16.7
16.7
9
16.7
66.6
16.7
10
16.7
16.7
66.6
42
como para las mezclas elaboradas con soya libre de ácidos grasos trans. En base a los resultados obtenidos del proceso de cristalización dinámica (ver sección 5.3.2) se establecieron los valores de las temperaturas de cristalización isotérmicas (TCr°) para cada sistema. 5.3
Análisis de perfil de triacilglicéridos por cromatografía de líquidos de alta resolución.
El equipo utilizado fue un cromatógrafo Watters 1525 con bomba binaria y detector de dispersión de luz (Marca Eurosep Instruments). Se utilizaron soluciones de los aceites o grasas al 0.1% (vol/vol) preparadas en una solución 40:60 diclorometano: acetonitrilo. La solución de muestra se filtró con un sistema de filtros acrodisc tipo GPH 13 MM X 0.2 µm. Estándares de TAGS se prepararon bajo idénticas condiciones y se realizaron diluciones para obtener la curva de calibración correspondiente. El sistema de solvente aseguró la completa disolución de los TAGS, incluyendo la tripalmitina y la triestearina, los cuales son los TAGS de menor solubilidad. La elusión de las muestras se llevó a cabo utilizando una columna Nova-Pak C18 (Waters) de 3.9 x 300 mm, acopladas con una pre-columna C18 y un filtro. El análisis se realizó a una temperatura de 30ºC con un flujo de 0.65 mL/min y un programa de desarrollo de gradiente de 70:30 acetonitrilo:diclorometano, hasta un 30:70 acetonitrilo:diclorometano. El programa de gradiente se realizó en 60 minutos utilizando dos mezclas de solventes acetonitrilo:diclorometano, la solución A 90:10 y la solución B 10:90. 5.4
Análisis de perfil de ácidos grasos por cromatografía de gases de columna capilar.
Para determinar el perfil de ácidos grasos se utilizó un cromatógrafo de gases Shimadzu GC-2010 (Shimadzu Corp., Kyoto, Japón), con un detector de ionización de flama acondicionado con un controlador de flujo Shimadzu TCD-
43
2010 (Shimadzu Corp., Kyoto, Japón), el cual regula la presión de entrada de helio, la salida de flujo del split y de la purga. Se utilizó una columna capilar, WCOT-Fused-Silica (VARIAN CP7420) de 100 m de longitud, 0.25 mm de diámetro interno y 0.25 µm de grosor de capa del empaque. Las condiciones de análisis fueron las siguientes: Se utilizó Helio de alta pureza como gas acarreador a una velocidad de flujo constante en la columna de 1mL/min (295kPa). El programa de temperatura de la columna fue constante a 180°C, mientras que la temperatura del inyector y detector fue de 250°C. La proporción del split fue de 1:100 aproximadamente. Para realizar el análisis se inyectó 1µL de la muestra. La preparación de las muestras se realizó con la técnica descrita por Reyes-Hernández (2007). 5.5
Calorimetría diferencial de barrido. 5.5.1
Régimen dinámico.
El perfil de cristalización y fusión de SOYA-PH, SOYA-LT, AC, EP y de sus respectivas mezclas fueron determinadas en régimen dinámico (-30ºC a 80ºC) utilizando un calorímetro diferencial de barrido DSC 2920 modulated DSC (TA instruments) equipado con un sistema de refrigeración RCS (Refrigerated Cooling System). La línea base de referencia se elaboró de –40°C a 200°C con cápsulas de aluminio vacías y selladas, empleando una velocidad de calentamiento de 5°C/min. Para la calibración de la temperatura del equipo se emplearon dos estándares, Indio y n-hexatriacontano con temperaturas de inicio de fusión de 156.6°C y 76.2°C respectivamente. La calibración de la entalpía del cambio de fase (∆H) se realizó utilizando como referencia el ∆H de fusión del Indio (28.45 J/g). En cápsulas de aluminio se pesaron aproximadamente 8 ± 0.2 mg de muestra con una microbalanza marca Mettler Toledo AT20. Las cápsulas fueron selladas herméticamente y sometidas a un programa de calentamiento a 80°C por 20 min, posteriormente a un proceso de enfriamiento desde 80ºC hasta –30°C, utilizando una velocidad de enfriamiento de 1°C/min. Después de un minuto a 44
esta temperatura el sistema se calentó hasta 80°C a una velocidad de 5°C/min. Los parámetros que describen las exotermas y endotermas de las mezclas como son la temperatura en el máximo (Tp°), entalpías (∆H), temperatura inicial (Tic para exoterma y Tif para el endoterma) y final (Tfc para exoterma y Tff para endoterma) de cristalización y fusión, se determinaron utilizando la primera derivada del flujo de calor a con software del equipo TA Universal Analysis (n≥2). En base a los resultados obtenidos se determinaron las temperaturas de cristalización isotérmicas (TCr°) para cada sistema. Las TCr° para cada mezcla fueron las siguientes; la mezcla 5 a 26ºC, 28ºC, 30ºC y 32ºC, la mezcla 7 a 23ºC, 24ºC, 26ºC, 28ºC y la mezcla 10 a 30ºC, 31ºC 32ºC y 33ºC. 5.5.2 Régimen isotérmico. El perfil de cristalización isotérmica y fusión respectiva, se realizó con el mismo equipo de calorimetría indicado en la sección 5.5.1. Al igual que en el régimen dinámico se pesó 8 ± 0.2 mg de muestra. Cada mezcla seleccionada fue sometida a un calentamiento de 80°C por 20 minutos, posteriormente a un proceso de enfriamiento a una velocidad de 1ºC/min hasta alcanzar la TCr° correspondiente (ej., 23°C, 24ºC, 26ºC, 28ºC, para la mezcla 7, 26ºC, 28ºC, 30ºC y 32ºC para la mezcla 5 y 30ºC, 31°C, 32ºC y 33°C para la mezcla 10). Una vez concluida la cristalización (establecido cuando la señal de flujo calórico de la exoterma regresa a la línea base) se mantuvo a esta temperatura durante 200 minutos, al final de los cuales se procedió al calentamiento del sistema hasta 80°C a una velocidad de 5°C/min. Cada determinación se realizó con al menos dos replicas. Los parámetros de las exotermas de cristalización y de los endotermas fusión se calcularon mediante la primera derivada del flujo calórico como lo describe ToroVazquez (2002). Adicionalmente se calculó el valor de la entalpía de cristalización (∆HCr) y fusión (∆Hf) como el área de la exoterma o endoterma respectiva usando como límites To° y Tf°.
45
5.6
Determinación de los parámetros reológicos. 5.6.1
Determinación del módulo elástico y valor de cedencia (G´ y
σ*). Los valores de cedencia (σ*) y modulo elástico (G´) se determinaron en un espectrómetro mecánico dinámico (Parr Physica UDS 200; Stuttgart, Alemania) utilizando una geometría de platos paralelos (50 mm en diámetro y una abertura o “gap” de separación de 1 mm) equipado con un sistema Peltier para el control de la temperatura durante la medición. Para el análisis reológico la muestra fundida a 80ºC se colocó en el plato inferior previamente calentado (60ºC). A continuación el plato superior se hizo descender hasta una separación programada con el auto-gap de 1mm. La muestra se calentó a 80°C durante 20 minutos, luego se enfrió a una velocidad de 1°C/min hasta alcanzar la TCr°. Después de 170 min en condiciones estáticas se aplicó una deformación constante de 0.1% (valor dentro de la región lineal viscoelástica) con una velocidad de frecuencia angular constante de 1 rad/s, recolectando datos de G´ y G´´ durante 30 minutos. Al final de los 30 min (200 min totales) se aplicó un barrido oscilatorio de deformación usando una rampa logarítmica entre 0.001-100% en 2 minutos, con una velocidad de frecuencia angular constante (1 rad/s). El valor de G´ en el equilibrio fue tomada dentro de la región lineal viscoelástica (RLV) a los 200 minutos. De las gráficas del esfuerzo cortante contra la deformación, se determinó el valor de cedencia (σ*) tomado como el punto en el cual los valores de G´ y G´´ se cruzan. 5.6.2 Análisis reológico de desplazamiento y recuperación. Para el análisis reológico de desplazamiento y recuperación (régimen rotacional) se utilizó, al igual que en la determinación de G´ un “gap” de 1mm. La muestra se calentó a 80°C durante 20 minutos y se enfrió a una velocidad de 1°C/min hasta alcanzar la TCr° correspondiente. Al llegar a los 200 min de cristalización
46
isotérmica se aplicó una fuerza constante de 10 Pa durante 1 min, al final de los cuales se eliminó la aplicación de esta fuerza, continuándose las mediciones de deformación durante 5 min adicionales. La fuerza de deformación aplicada se seleccionó a partir de los barridos de deformación previos (sección 5.6.1). Experimentos previos mostraron que la fuerza de deformación de 10 Pa proporcionaba diferencias marcadas en el comportamiento reológico de los sistemas tanto durante la fase de desplazamiento como de recuperación de estructura (n ≥ 2) 5.7
Determinación del índice de sólidos. 5.7.1 Determinación de SFC utilizando la técnica oficial de la AOCS.
El contenido de grasa sólida de las mezclas seleccionadas utilizando la técnica oficial de la AOCS (método Cd 16b-93) se determinó en un espectrómetro de resonancia magnética nuclear (RMN) Minispec modelo mq20 de 20 Mhz (Bruker Analytik; Rheinstetten, Germany) acoplado a un baño de enfriamiento Brookfield TC-500. Antes de realizar las mediciones de las muestras, el espectrómetro de RMN se calibró empleando 3 estándares de calibración (Bruker Analytik; Rheinstetten, Alemania) de 0%, 30.4% y 73.8% de sólidos, certificados de acuerdo a los procedimientos de ISO 9001. 5.7.2 Determinación de SFC en el equilibrio. El contenido de grasa sólida en el equilibrio (SFCeq), se determinó de la siguiente manera. La muestra se fundió inicialmente a 80°C durante 20 min y posteriormente 4 mL de la mezcla fueron transferidos a un tubo de RMN (10mm X 20 cm). El tubo se colocó en un baño de temperatura controlada (Julabo F5HE) y fueron sometidos al tratamiento isotérmico descrito para DSC y reometría. A intervalos de tiempo definidos, el tubo de RMN con la muestra fue transferido a la cámara de medición del equipo de RMN para realizar la medición del contenido de grasa sólida. Los valores de contenido de grasa sólida se determinaron por RMN a los 200 min considerándose a estos valores el SFC en equilibrio (SFCeq). Las determinaciones se realizaron por duplicado. 47
5.8
Microscopía de luz polarizada.
Se utilizó un microscopio de luz polarizada Olympus BX51 (Olympus Optical, Co., Ltd., Tokio, Japón) equipado con un sistema de exposición de video análogo KP-D50 Color (Hitachi Digital, Tokio, Japón) y objetivos de magnificación de 5X, 10X y 20X. Para cristalizar las muestras se utilizó una platina Linkam TP94 con control de velocidad de calentamiento/enfriamiento (Linkam Scientific Intruments Ltd., Surrey, Inglaterra) conectada a una bomba de nitrógeno líquido LNP/2 provista de un tanque de 2L de nitrógeno líquido sin presurizar
que
a
su
vez
están
conectados
a
un
sistema
de
calentamiento/enfriamiento Linkam LTS 350. La preparación de las muestras se realizó en portaobjetos previamente diseñados para mantener un espesor de muestra uniforme. En un portaobjetos 24 X 60 mm se colocaron encima dos cubreobjetos de 24 X 24 x 0.16 mm dejando una distancia de 22 mm entre estos dos cubreobjetos. De esta manera se aseguró un espesor uniforme de la muestra (0.16 mm). Así la muestra se colocó en estado líquido (80°C) en el portaobjetos prediseñado y se cubrió con otro portaobjetos de 24 X 60 mm. A continuación se situó en la platina del microscopio y se cristalizó utilizando el mismo protocolo que las mediciones reológicas y SFCeq. Con el sistema de video análogo se tomaron fotos del periodo de la cristalización isotérmica en intervalos de 600 s y particularmente a 200 min de cristalización. Cada determinación se realizó con dos replicas
48
5.9
Proceso de cristalización en un intercambiador de calor de superficie raspada.
El equipo utilizado fue un cristalizador de superficie raspada (CSR) marca Armfield FT25-BBPA (Ringwood, Hampshire. BH24, England) con capacidad mínima para 5 kilogramos de muestra y con un sistema de enfriamiento a base de salmuera (Figura 5.2). Adicionalmente se acopló un baño de temperatura controlada Julabo F5-HE a la tolva de alimentación del equipo, a fin de mantener a la muestra en un intervalo de temperatura de 75 a 80ºC. Los sistemas para la cristalización en modo agitado fueron seleccionados a partir de los resultados obtenidos a nivel laboratorio, usando únicamente aquellas mezclas elaboradas con SOYA-LT. Cinco kilogramos de las mezclas 5, 7 y 10 fueron preparadas. Para llevar a cabo el proceso de cristalización en el sistema agitado, la mezcla se fundió por 20 min a 80ºC con agitación constante, posteriormente se vació sobre la tolva de alimentación del cristalizador. La bomba de alimentación se trabajó al 20% (120 mL/min) de su capacidad, mientras que en los barriles de agitación se manejaron dos niveles de velocidad de agitación 100 y 1000 rpm para todos los sistemas cristalizados (Tabla 5.2). En cada uno de los sistemas se manejaron dos niveles de temperatura de cristalización con una desviación de ±1ºC (Tabla 5.2 y Tabla 5.3). Los valores de temperatura de alimentación, de entrada y salida fueron recolectados a través de un software acoplado al equipo de cristalización. Una vez que cada una de los sistemas fueron cristalizados bajo los diferentes tratamientos (Tabla 5.2) 5 muestras de aproximadamente 50 g fueron recolectadas a la salida del cristalizador en recipientes de plástico para su análisis posterior. Las muestras fueron almacenadas a una temperatura constante de 27ºC. Esta temperatura de almacenamiento fue seleccionada por ser una temperatura promedio a la que muchos productos de confitería están sometidos. El almacenamiento se mantuvo por 28 días realizando análisis de calorimetría, microscopía y SFC al
49
día 0 y 28, mientras que análisis de textura y liberación de aceite se realizaron únicamente al día 28 de almacenamiento. Para cada una de las muestras recolectadas el perfil de fusión dinámica fue determinado mediante calorimetría diferencial de barrido utilizando la técnica descrita previamente en la sección 5.5.1. Por otro lado, el análisis de SFC se llevó a cabo utilizando el mismo equipo que en la sección 5.7, las muestras de SFC fueron recolectadas directamente del cristalizador de superficie raspada en tubos de RMN y almacenados en una cámara de incubación a temperatura constante de 27ºC. El análisis de microscopia de luz polarizada se realizó utilizando la técnica descrita en la sección 5.8. Adicionalmente, se realizaron análisis de textura y capacidad de retención de aceite como se describe en las secciones 5.11 y 5.12 respectivamente.
Tabla 5.2
Niveles
de
temperatura
de
cristalización
utilizados
en
el
procesamiento de las mezclas elaboradas con SOYA-LT: Baja temperatura de cristalización (Tp1), Alta temperatura de cristalización (Tp2). Temperatura de almacenamiento (TA). Las proporciones de cada una de las mezclas son descritas en la tabla 5.1 MEZCLA
Tp1 (ºC)
Tp2 (ºC)
TA (ºC)
5
25
29
27
7
23
25
27
10
29
31
27
50
Tabla 5.3
Condiciones de procesamiento investigadas para cada mezcla.
Temperatura de
Agitación
Temperatura de
proceso (ºC)
(rpm)
almacenamiento. (ºC)
Tp1 Tp2
100 27ºC
Tp1 Tp2
1000
51
T
Válvula de escape
Tanque de alimentación
P T Bomba de alimentación
Barril 1 T
Salida
Barril 2
T
T Sistema de refrigeración
T
Temperatura
Línea de refrigeración.
P
Presión
Línea de alimentación
Figura 5.2
Control PID
Válvula Válvula para liberar presión
Diagrama del sistema de cristalización de superficie raspado.
52
Sensor Inyector de aire.
5.10
Capacidad de retención de aceite determinada como la cantidad de aceite liberado.
Para cada uno de los sistemas evaluados, se determinó la cantidad de aceite liberado (AL) en función del tiempo de cristalización, empleando la técnica descrita por Jahaniaval y col. (2002) con algunas modificaciones. Se colocaron 1.2 mL (≈1g) de muestra en tubos marca Eppendorf con capacidad de 1.5 mL. Cada tubo fue pesado previamente, peso que fue utilizado posteriormente en el cálculo de la cantidad de aceite liberado. Los tubos con muestra se colocaron en un baño de temperatura controlada (Julabo F5-HE) y se cristalizaron bajo las mismas condiciones empleadas en la determinación del SFCeq (sección 5.7.2). Una vez que el baño alcanzó la TCr° correspondiente, se tomaron dos tubos Eppendorf del baño a tiempos definidos y se centrifugaron por 15 minutos a 25,000 x g en una centrífuga de temperatura controlada (Nacional Labnet Co., Woodbridge, NJ). El sobrenadante obtenido, considerado como el aceite libre del sistema, se separó manteniendo invertidos los tubos en un matraz durante 5 minutos en una cámara de temperatura controlada (TCr° correspondiente a ese análisis). Transcurrido el tiempo de drenado se volvió a pesar el tubo Eppendorf y por diferencia del peso inicial (PM) y final (PF) se obtuvo el peso del aceite drenado equivalente al peso del aceite libre (PAL). PAL = PM – PF
(1)
El peso inicial de la muestra (PM) fue obtenido por diferencia de pesos entre el tubo con muestra menos el peso del tubo vacío. Cada determinación se realizó con una n = 2 5.11
Análisis de textura.
La dureza y pegajosidad de los sistemas cristalizados a nivel planta piloto en el cristalizador de superficie raspada fueron evaluados en un analizador de textura marca TAXT Plus (Stable Micro Systems, YL., Reino Unido). Como sonda de penetración se manejó un cono con ángulo de 45º (P/45C). La muestra fue
53
penetrada 10 mm y posteriormente retirada a una velocidad constante de 1mm/s. La fuerza máxima aplicada durante la penetración se consideró como una medida de la firmeza (gf) (Figura 5.3). La región negativa de la gráfica, es provocada por el regreso de la sonda a su posición inicial y es un indicador de la adhesividad o “pegajosidad” del sistema. Las mediciones se realizaron por quintuplicado.
GRÁFICA REPRESENTATIVA DE UN ANÁLISIS DE TEXTURA 300 MUESTRA 1 MUESTRA 2
FIRMEZA
250 200
FUERZA (g)
150 100 PEGAJOSIDAD
50 0 -50 -100 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Tiempo (s)
Figura 5.3. Gráfica representativa de un análisis de textura para dos muestras con diferentes niveles de firmeza y pegajosidad.
54
5.12
Análisis estadístico.
Las variables de respuestas asociadas al proceso de cristalización en estado estático determinadas para cada una de las mezclas incluyen las entalpías de cristalización (∆HCr) y de fusión (∆Hf), Tpk1, Tpk2, ti, Te, G´, σ* y SFC. Para cada sistema investigado la significancia estadística del efecto de la temperatura de cristalización y de la presencia o ausencia de ácidos grasos trans fue evaluado en un diseño factorial con al menos dos réplicas por combinación de tratamientos. Un análisis similar fue aplicado para los sistemas cristalizados en el intercambiador de calor de superficie raspada. Las variables involucradas fueron; ∆Hf, SFC, dureza, pegajosidad y aceite liberado en donde la significancia estadística del tiempo, la agitación y temperatura de proceso fue evaluada para cada una de las mezclas de manera independiente. La significancia estadística (p ≤ 0.1) de los tratamientos investigados tanto en estado estático como en estado agitado fue establecida por medio de un análisis ortogonal, previo análisis de varianza utilizando el paquete estadístico STATISTICA v 7.0 (Statsoft, Tulsa, OK).
55
6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 6.1
Caracterización química.
6.1.1 Perfil de triacilglicéridos del aceite de soya libre de ácidos grasos trans, aceite de coco y estearina de palma. El perfil de triacilglicéridos (TAGS) del aceite de soya libre de ácidos grasos trans (SOYA-LT), aceite de coco (AC) y estearina de palma (EP), se muestra en la Tabla 6.3. Los resultados muestran que EP está compuesta principalmente por PPP (20.47%) un TAGS saturado. Otros TAGS presentes en la EP son POP y/o PPO (39.12%) un disaturado simétrico. Por otro lado el aceite de coco presentó un alto contenido de TAGS de cadena media principalmente LaLaLa (23.76%), CaCaM/CaLaLa (19.66%), LaLaM (18.88%) y CiLaLa/CaCaLa/CiLaM (12.87%). En contraste, los principales TAGS encontrados en el aceite de soya libres de ácidos grasos trans fueron TAGS tri-insaturados, principalmente LnLnLn (19.92%), LnLnO (20.22%) y LnLnP (15.49%) OLnO (8.98%) estos TAGS contienen un alto contenido de ácido linoleico que es poliinsaturado. Siendo estructuralmente tan diferentes los TAGS de la EP y AC en comparación con los TAGS de la SOYA-LT, podemos esperar que estos TAGS sean segregados de la fase de TAGS insaturados del aceite de soya al momento de ser mezclados, debido a que la estructura en el espacio que proporciona la insaturación cis a los ácidos grasos los hace poco compatibles con los TAGS compuestos de ácidos grasos saturados. Por otro lado, como consecuencia de la amplia variedad de isómeros de los ácidos grasos trans que están presentes en los TAGS de la soya parcialmente hidrogenada (SOYA-PH), no fue posible establecer un perfil confiable de TAGS, de tal manera que se optó por un análisis comparativo del perfil de ácidos grasos de los aceites de SOYA-LT y SOYA-PH. La tabla 6.2 muestra de forma comparativa el perfil de ácidos grasos de SOYAPH y SOYA-LT incluyendo los isómeros cis y trans, SOYA-PH mostró un
56
Tabla 6.1
Perfil de triacilglicéridos de estearina de palma, aceite de coco y aceite de soya. TAG
Diacilglicéridos CaCaCa/CiLaLa CiLaLa/CaCaLa/CiLaM CaCaM/CaLaLa LaLaLa CaLaM LaLaM MPO/MPLn MMM/LnLnLn LaLaO LaMM LaMO LaMP/MMM LaMP/LaPP/MPO LnLeLe LnLnLn LnLeO LnLeP LnLnO LnLnP OLnO LnLnSt OLnP OOLn PLnO PPLn PLnP OOO OLnSt OOP POO PLnSt POP PPO PPP OOSt POSt StLSt StOSt Otros
Estearina de Palma
Aceite de Coco
Aceite de Soya
2.41 (± 0.21)
0.05 (± 0.00) 0.50 (± 0.06) 0.06 (± 0.01)
2.00 (± 0.01) 12.87 (± 0.25) 19.66 (± 0.32) 23.76 (± 0.07) 0.65 (± 0.04) 18.88 (± 0.08)
1.54 (± 0.03) 10.38 (± 0.04) 1.28 (± 0.01) 4.43 (± 0.21) 1.28 (± 0.02) 4.77 (± 0.34) 19.92 (± 0.16) 3.74 (± 0.12) 1.63 (± 0.07) 20.22 (± 0.13) 15.49 (± 0.15) 8.98 (± 0.10) 3.27 (± 0.15) 10.16 (± 0.11) 0.26 (± 0.31) 5.32 (± 0.25) 5.68 (± 0.28) 1.41 (± 0.06) 3.13 (± 0.17) 2.38 (± 0.04) 2.09 (± 0.04)
0.79 (± 0.08)
18.71 (± 0.16) 0.96 (± 0.05 ) 0.36 (± 0.03 ) 39.12 (± 0.62) 20.47 (± 0.64) 3.10 (± 0.16) 1.96 (± 0.64) 0.13 (± 0.05) 0.09 (± 0.06) 1.38 (± 0.23)
0.57 (± 0.02) 0.37 (± 0.10) 0.14 (± 0.10) 3.29 (± 0.02)
0.41 (± 0.02)
Caprílico (Ci), Cáprico (Ca), Láurico (La), Mirístico (M), Palmítico (Pa), Palmitoleico (Po), Esteárico (St), Oleico (O), Linoleico (Ln), Linolénico (Le), Araquídico (A), No identificado (Ni). Todos los resultados se reportan como el porcentaje del área total con n ≥ 2.
57
amplio contenido de isómeros trans (15.74%) y un menor porcentaje de isómeros cis/trans, ya sea de ácidos grasos 18:2 y/o 18:3 (6.12%). La presencia de este tipo de isómeros afecta de manera importante a las propiedades fisicoquímicas del aceite de soya, lo que se vería reflejado en el perfil de fusión de los aceites (Figura 6.1). El carácter monoinsaturado o poliinsaturado y combinaciones cis y/o trans de los TAGS presentes en los aceites pueden determinar el carácter viscoso de las muestras y tener un efecto importante en la formación de estructuras cristalinas.
Tabla 6.2
Perfil de ácidos grasos del aceite de soya parcialmente hidrogenado y aceite de soya libre de ácidos grasos trans.
Ácidos grasos Láurico Mirístico Palmítico Palmitoleico No identificado No identificado Esteárico Isómeros C18:1 trans Oleico C18:1 cis Isómeros C18:1 cis Isómeros C18:2 cis-trans Linoleico Linoleico C18:3 cis Isómeros C18:3 cis-trans Araquídico Isómeros C18:3 cis-trans
Formula (dobles enlaces) C12:0 C14:0 C16:0 C16:1 9c Probable C17:0 Probable C17:1 10c C18:0 C18:1 8,10,11,12,13 t C18:1 9c C18:1 10,11,12,13,14,15 c C18:2 tt, ct, tc. C18:2 9c, 12c C18:3 9c, 12c, 15c C18:3 ttt, tct, ctc C20:0 C18:3 ctt, tct, cct, ttc, ctc, tcc.
Ácidos Grasos Saturados Ácidos Grasos Insaturados Ácidos Grasos trans Ácidos Grasos cis-trans (C18:2, C18:3)
Soya parcialmente hidrogenada 0.12 (± 0.00) 0.21 (± 0.00) 14.10 (± 0.22) 0.09 (± 0.00) 0.09 (± 0.00) 0.04 (± 0.00) 4.43 (± 0.11) 15.74 (± 0.00) 32.67 (± 0.61) 7.83 (± 0.81) 3.59 (± 0.03) 18.13 (± 0.33) 1.45 (± 0.13) 1.45 (± 0.13) 0.43 (± 0.13)
Soya libre de ácidos grasos trans 0.10 (± 0.02) 11.39 (± 1.78) 0.09 (± 0.02) 0.08 (± 0.00) 3.98 (± 0.16) 22.73 (± 0.43) 1.33 (± 0.01) 53.47 (± 0.96) 6.56 (± 0.21) 0.27 (± 0.06)
1.08 (± 0.17)
19.38 (± 0.46) 58.76 (± 1.75) 15.74 (± 0.00) 6.12 (± 0.33)
15.83 (± 2.03) 84.17 (± 1.78)
Todos los resultados son como un porcentaje del área total con un n ≥ 2. t= trans, c= cis.
58
6.2
Cristalización dinámica.
Los termogramas de DSC dinámicos correspondientes al enfriamiento y calentamiento de los aceites vegetales usados en la formulación de las mezclas 5, 7 y 10, se muestran en la Figura 6.1. Como se esperaba, el inicio de cristalización y la temperatura final de fusión estuvieron directamente asociados con la concentración de los ácidos grasos saturados e insaturados presentes en los TAGS de mayor concentración en los aceites vegetales. De esta manera, tanto la temperatura del inicio de cristalización (Figura. 6.1A) como el final de la temperatura de fusión (Te), (Figura 6.1B) tuvieron el siguiente orden: estearina de palma > aceite de coco > SOYA-PH > SOYA-LT. Las diferencias observadas en el comportamiento de los perfiles de fusión y cristalización entre SOYA-PH y SOYA-LT, se asociaron con el mayor contenido de ácidos grasos saturados y la menor concentración de ácidos grasos linoleico y linolénico en SOYA-PH en comparación con SOYA-LT (Tabla 6.2). Por otro lado, está bien documentado (deMan, 2000) que los ácidos grasos trans tienen en general mayor temperatura de fusión y cristalización que los ácidos grasos cis. Entonces, la presencia de los ácidos grasos trans (15.74% ± 0.00) y la mayor cantidad de ácidos grasos saturados presentes (19.38% ± 0.46) en el aceite de SOYA-PH (Tabla 6.2), estuvieron evidentemente asociados a su mayor temperatura de fusión y cristalización, en comparación con el aceite de SOYALT, el cual tiene menor contenido de ácidos grasos saturados (15.83% ± 2.03) y ausencia total de ácidos grasos trans y como consecuencia menores temperaturas de fusión y cristalización. De esta manera el inicio de la cristalización para SOYA-PH fue alrededor de 0ºC mientras que para SOYA-LT fue ≈ -9ºC, con Te de ≈ 17oC y -5oC, respectivamente. Por otro lado, los termogramas de fusión y de cristalización de la estearina de palma utilizados en esta investigación, están de acuerdo con los estudios de DSC y difracción de rayos X reportados por Sonada y col. (2004). Con base a estos estudios las exotermas de la estearina de palma presentes alrededor de 31ºC y 3ºC se
59
asociaron a la cristalización de fracciones de TAGS de alta y baja temperatura de fusión respectivamente en el estado α. Además la exoterma presente alrededor de 21ºC-22ºC se asoció al desarrollo de una forma polimórfica β’ (Figura 6.1A). Adicionalmente las endotermas se asociaron a la fusión α (≈ 3ºC) y a la fusión de la forma polimórfica β´ y su transformación (≈36ºC) a β que funde alrededor de los 53ºC (Figura 6.1B). El exoterma de cristalización del aceite de coco muestra una forma y comportamiento característico de las grasas láuricas con un inicio de cristalización de ≈ 12ºC (Figura 6.1A) asociado con su alto contenido de TAGS con ácidos grasos de cadena media (ej., caprílico (Ci), cáprico (Ca), láurico (La) y mirístico (M) presentes principalmente como LaLaLa, CaCaM/CaLaLa, LaLaM, CiLaLa/CaCaLa/CiLaM, y LaMM (Tabla 6.1). El comportamiento de la cristalización dio como resultado un perfil de fusión con dos picos endotérmicos traslapados con temperaturas en 6ºC y 23ºC y una Te ≈ 27ºC (Figura 6.1B). Como se describió anteriormente, el objetivo final del uso de mezclas fue el desarrollo de una formulación para coberturas de alto punto de fusión con SOYA-LT. De manera que las mezclas que mostraron Te, dentro del intervalo de 45ºC y 52ºC (ej., mezcla 5, mezcla 7 y mezcla 10) fueron seleccionadas para subsecuentes análisis experimentales. Posteriormente y a fin de realizar análisis comparativos, se prepararon mezclas reemplazando la SOYA-PH por SOYA-LT.
60
A 0.5
Flujo de Calor (W/g)
0.4
0.3
0.2
0.1
ESTEARINA DE PALMA ACEITE DE COCO SOYA-PH SOYA-LIBRE DE trans
0.0
-0.1 -30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
40
50
60
70
80
Temperatura (ºC)
B ESTEARINA DE PALMA ACEITE DE COCO SOYA-PH SOYA-LIBRE DE trans
2.0
1.8
Flujo de calor (W/g)
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4 -30
-20
-10
0
10
20
30
Temperatura (ºC)
Figura 6.1 Perfil de cristalización dinámica (A) y fusión (B) del aceite de soya parcialmente hidrogenado, aceite de soya libre de ácidos grasos trans, estearina de palma y aceite de coco.
61
6.3
Perfil dinámico de sólidos de las mezclas.
El perfil de SFCAOCS de las mezclas seleccionadas en función de la temperatura es mostrado en la Figura 6.2. En general las mezclas con SOYA-PH tuvieron mayores valores de SFCAOCS que aquellas con SOYA-LT (Figura 6.2). Esto fue particularmente evidente a temperaturas menores de 40ºC (p< 0.05) para las mezclas con mayor proporción de estearina de palma (EP) (ej., mezclas 5 y 10) y a temperaturas menores de 25ºC para la mezcla con menor proporción de EP y mayor proporción de aceite de coco (ej., mezcla 7) (ver Tabla 6.3 y Figura 6.2). Independientemente de la presencia de SOYA-PH y de la temperatura de cristalización, la mezcla 10 alcanzó el mayor SFCAOCS, seguido de la mezcla 5 y después la mezcla 7 (p < 0.05). Entonces el SFCAOCS, de las mezclas fue directamente relacionado con la concentración de la estearina de palma en las formulaciones (Tabla 6.3). Esto indica que independientemente de la presencia de trans-fats (ej., SOYA-PH), los TAGS de mayor temperatura de fusión presente en la estearina de palma (ej., PPP) tienen un efecto significante sobre la cristalización de las mezclas. En este punto es importarte establecer que las mezclas investigadas representan una mezcla de familias de TAGS con diferentes propiedades químicas (ej., amplia insaturación e isomerismo) y físicas (ej., solubilidad en la fase líquida, temperatura de fusión). Por lo tanto, las mezclas cristalizadas muestran un comportamiento complejo difícil de describir a través del efecto de variables individuales. Mejor dicho, las interacciones entre las variables químicas y físicas determinan el comportamiento de las mezclas. Algunas de estas variables fueron directamente asociadas con la cristalización del sistema (ej., concentración de familias de TAGS, temperatura de fusión de los TAGS de mayor proporción, compatibilidad estructural entre familias de TAGS) mientras otras fueron variables de procesamiento tales como la temperatura de cristalización (TCr) y velocidad de enfriamiento. Así, independientemente de la presencia de SOYA-PH o SOYA-LT, todas las mezclas seleccionadas tuvieron perfiles con Te entre 48ºC y 54ºC (Figura 6.3), con la mezcla 10 mostrando la mayor Te (≈ 54ºC), seguido de la mezcla 5 (≈
62
51ºC), y la mezcla 7 (≈ 48ºC). Sin embargo, a temperaturas menores de 40ºC las mezclas con SOYA-PH mostraron mayores endotermas que las mezclas que contenían SOYA-LT (Figura 6.3). Esto fue asociado con el mayor contenido de fase sólida presente en las mezclas con SOYA-PH en comparación con el SFC de las mezclas SOYA-LT y de acuerdo a los perfiles SFCAOCS observados (Figura 6.2). En donde la SOYA-PH y sus mezclas tienen familias de TAGS con mayor temperatura de fusión que la SOYA-LT, además la SOYA-PH contienen TAGS con ácidos grasos trans, como: elaídico, vaccénico, o isómeros cis-trans 18:2
(Tabla
6.2).
Es
bien
conocido
que
para
longitud
de
cadenas
hidrocarbonadas similares, los ácidos grasos trans tienen una temperatura de fusión mayor que los ácidos grasos cis. Como resultado, para una misma TCr las mezclas con SOYA-PH desarrollan mayor SFCAOCS que SOYA-LT y por ende una exoterma de mayor magnitud.
Tabla 6.3
Proporciones de los aceites vegetales seleccionados. Aceite de Soya (%)a
Aceite de Coco (%)
Estearina de Palma (%)
MEZCLA 5
50.0
0.0
50.0
MEZCLA 7
33.3
33.3
33.3
MEZCLA 10
16.7
16.7
66.6
a
Las mezclas fueron desarrolladas con aceite de soya libre de trans (SOYALT) y/o con soya parcialmente hidrogenada (SOYA-PH).
63
35 SOYA-PH MEZCLA 10 MEZCLA 7 MEZCLA 5
30
SOYA-LIBRE DE trans MEZCLA 10 MEZCLA 7 MEZCLA 5
SFC AOCS (%)
25
20
15
10
5
0 10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Temperatura (ºC)
Figura 6.2 Perfil de contenido de sólidos en función la temperatura, utilizando el método oficial de la AOCS para las mezclas 5, 7 y 10.
64
6.4
Cristalización isotérmica de las mezclas con SOYA-LT y SOYA-PH.
Los termogramas de cristalización isotérmica de las mezclas con SOYA-PH y SOYA-LT se muestran en la Figura 6.4, en donde se aprecia que independientemente del tipo de aceite de soya utilizado, se obtuvo una sola exoterma para todas las mezclas y condiciones de cristalización. Para cada mezcla, la exoterma de cristalización siguió un comportamiento clásico de cristalización, es decir, a menor TCr el tiempo de inducción (ti) fue menor con una mayor ∆HCr (Tablas 6.4 y 6.5). La única excepción a este comportamiento (Tablas 6.4 y 6.5), ocurrió en la mezcla 5 tanto con SOYA-PH como con SOYALT. Cuando la temperatura de cristalización (TCr) pasó de 28ºC a 26ºC, resultó en una reducción en ti y ∆HCr. Esto puede indicar que a TCr ≥ a 28ºC la mezcla 5 con SOYA-PH o SOYA-LT desarrolló una diferente forma polimórfica de la desarrollada a 26ºC. Desafortunadamente no se realizaron análisis de rayos X para corroborar esto. Por otro lado, para una mezcla dada ti tendió a ser más pequeño en SOYA-LT que en mezclas con SOYA-PH (Tabla 6.4 y 6.5). ti, se relaciona inversamente con la velocidad de nucleación y tiene una relación inversa con la temperatura de cristalización. Sin embargo, para la misma mezcla la TCr fue la misma con SOYA-PH y con SOYA-LT (Tabla 6.4 y 6.5). Por lo tanto, las diferencias en ti no fueron asociadas con el efecto de la temperatura de cristalización sobre ti. El ti indica el tiempo necesario para que los TAGS alcancen la nucleación bajo condiciones isotérmicas. En las mezclas, este proceso pudo ser afectado por la compatibilidad estructural entre el TAGS con ácidos grasos con insaturaciones cis o trans y los TAGS con ácidos grasos saturados. Así, en las mezclas con SOYA-LT las familias de los TAGS saturados con mayor temperatura de fusión (ej., LaLaLa del aceite de coco y PPP de la estearina de palma; Tabla 6.1) se segregaron de la fase líquida formada principalmente por TAGS con alto grado de insaturaciones cis (LnLnLn, LnLnO del aceite de soya; Tabla 1). Esto debido a la naturaleza entero espacial de las instauraciones cis presentes en los TAGS altamente insaturados de la SOYA-LT.
65
A
1.0
Mezcla 10
Flujo de calor (W/g)
0.8
0.6
Mezcla 7
0.4
0.2 Mezcla 5 0.0 -40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Temperatura (ºC)
B
1.0
Mezcla 10
Flujo de calor (W/g)
0.8
0.6
Mezcla 7
0.4
0.2
Mezcla 5 0.0 -40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Temperatura (ºC)
Figura 6.3
Perfil de cristalización dinámica y fusión para las mezclas 5, 7 y 10 (A) mezclas elaboradas con aceite de soya parcialmente hidrogenada (B) mezclas elaboradas con aceite de soya libre de ácidos grasos trans.
66
En contraste, los ácidos grasos trans son estructuralmente más similares a los ácidos grasos saturados que los ácidos grasos cis. Por lo tanto, en las mezclas con SOYA-PH las lamelas compuestas principalmente de TAGS saturados podrían incorporar dentro de su estructura TAGS insaturados trans, resultando en lamelas con una composición mixta, pero con menores velocidades de nucleación (ej., mayores ti) que aquellos ocurridos en lamelas desarrolladas en mezclas con SOYA-LT. Dentro de este marco, ti fue más pequeño en mezclas con SOYA-LT que en SOYA-PH (Tabla 6.4 y 6.5). Sin embargo, para la mezcla 5 tal diferencia no fue estadísticamente significativa a ninguna de las TCr investigadas, mientras que para las mezclas 7 y 10 fue significante solo a las mayores TCr investigadas (p< 0.05) (Tabla 6.4 y 6.5). En contraste, para todas las mezclas elaboradas con SOYA-PH y su correspondiente TCr los valores de ∆HCr fueron significativamente mas pequeños (p< 0.05) en comparación con la ∆HCr de las mezclas con SOYA-LT (Tabla 6.4 y 6.5). Esto indica que la organización de cristales desarrollados en SOYA-LT alcanzan un mayor nivel de orden estructural que los obtenidos por mezclas con SOYA-PH. Como previamente se mencionó, los TAGS insaturados con ácidos grasos trans son estructuralmente mas compatibles con ácidos grasos saturados que con los TAGS insaturados que naturalmente presentan una configuración cis. Entonces, la cristalización de TAGS saturados incorporando dentro de su estructura TAGS insaturados trans, puede resultar en estructuras con menor nivel de orden (ej., menor ∆HCr) que cristales desarrollados solo por triacilglicéridos saturados. La diferencia entre los valores de ∆HCr de las mezclas con SOYA-LT (Tabla 6.4) y SOYA-PH (Tabla 6.5) fue aún mayor para mezclas que contuvieron aceite de coco (mezcla 10 y mezcla 7; Tabla 6.3). Entonces, la incorporación adicional de TAGS saturados de cadena media (ej., LaLaLa) al desarrollo de cristales, disminuyó aun más su nivel de organización estructural.
67
Tabla 6.4 Parámetros que describen la cristalización isotérmica y su correspondiente perfil de fusión de las mezclas seleccionadas con SOYA-LT. Fusión después de la cristalización isotérmica a la temperatura de cristalización indicada (TCr). Las siglas son descritas en el texto.
MEZCLA 5
TCr (EC)
ti * (min)
(J/g)
(EC)
(J/g)
26
1.00a, a
19.38a, a
40.38a, a
12.56a, a
(0.11)
(3.62)
(0.04)
(1.06)
1.65a, a
24.50b, b
43.93b, b
25.40b, b
52.46b, b
(0.24)
(1.50)
(0.06)
(0.25)
(0.07)
3.57b, b
21.81a, a
44.96c, c
22.75b, b
52.77b, b
(0.45)
(2.40)
(0.22)
(3.54)
(1.07)
6.97c, c
17.79c, c
47.34d, e
22.23b, b
55.42c, c
(1.59)
(2.44)
(0.18)
(1.27)
(0.11)
1.91a, a
17.71a, a
34.58a, a
7.92a, a
46.62a, a
3.96a, a
51.91a, a
(0.11)
(0.028)
(0.34)
(1.49)
(0.11)
(0.19)
(0.58)
2.14a, a
17.42a, a
39.98b, b
14.48b, b
47.56b, b
0.60b, b
52.19b, b
(0.43)
(0.53)
(0.06)
(0.35)
(0.04)
(0.08)
(0.32)
3.78b, b
15.50b, b
41.97c, c
15.01b, b
50.09c
0.02c
51.64a, a
(0.17)
(0.35)
(0.06)
(0.26)
(1.17)
(0.005)
(0.20)
7.21c, c
14.93b, b
43.38d, d
15.24b, b
51.76d
0.02c
53.37b, b
(1.16)
(0.82)
(0.18)
(0.07)
(1.57)
(0.003)
(0.58)
2.67a, a
33.51a, a
45.17a, a
27.32a, a
53.74a, a
(0.33)
(0.40)
(0.08)
(0.90)
(0.67)
3.28a, a
31.15b, b
45.56b, b
28.33a, a
55.37b, b
(0.33)
(0.38)
(0.01)
(1.13)
(0.46)
3.96a, a
30.63b, b
46.05c, c
27.79a, a
55.53b, b
(0.25)
(0.35)
(0.12)
(0.23)
(0.80)
5.21a, a
28.51c, c
47.53d, d
29.44a, a
56.26b, b
(1.67)
(1.58)
(0.27)
(2.64)
(0.50)
28
30
32
MEZCLA 7
23
24
26
28
MEZCLA 10
30
31
32
33
•
∆HCr
Tpk1
∆Hpk1
Tpk2
(EC)
∆Hpk2
Te
(J/g)
(EC)
49.48
4.18
54.19a, a
(0.00)
(1.22)
(0.71)
Los valores muestran la media y desviación estándar, de dos réplicas. a-d para los datos de una misma mezcla y columna con la misma primera letra son estadísticamente significativas. Diferente letra indica que son estadísticamente diferentes (P # 0.10). Comparando datos para la misma mezcla y columna de la Tabla 6.4 y 6.5, los valores con la misma segunda letra indican que son estadísticamente iguales. Una letra diferente indica que son estadísticamente distintos (P # 0.10).
68
Tabla 6.5 Parámetros que describen la cristalización isotérmica y su correspondiente perfil de fusión de las mezclas seleccionadas con SOYA-PH. Fusión después de la cristalización isotérmica a la temperatura de cristalización indicada (TCr). Las siglas son descritas en el texto.
MEZCLA 5
TCr (EC)
ti * (min)
(J/g)
(EC)
(J/g)
26
1.32a, a
18.06a, b
40.57a, a
9.58a, b
(0.03)
(1.17)
(0.41)
(0.50)
3.15a, a
22.03b, c
43.85b, b
19.69b, c
52.38b, b
(0.18)
(2.61)
(0.11)
(2.03)
(0.96)
4.30b, b
18.88a, b
44.31c, d
16.55c, c
53.64c, b
(0.21)
(1.42)
(0.01)
(0.40)
(0.96)
8.06c, c
15.01c, d
46.59d, f
16.26c, c
55.00d, c
(3.53)
(0.49)
(0.57)
(0.33)
(0.06)
2.36a, a
13.00a, b
34.47a, a
7.42a, a
46.54a, a
2.07a, b
52.67a, a
(0.08)
(0.66)
(0.04)
(0.24)
(0.04)
(0.10)
(0.28)
2.57a, a
12.59a, b
38.48b, c
10.85b, c
49.37b, c
0.21b, c
54.56b, c
(0.12)
(1.93)
(1.36)
(1.85)
(2.57)
(0.21)
(1.99)
4.17b, b
11.65a, c
42.80c, c
13.32c, c
52.67a, a
(0.46)
(0.18)
(0.06)
(0.82)
9.33b, c
44.32d, d
9.58d, c
54.13b, b
(0.23)
(0.57)
(0.82)
28
30
32
MEZCLA 7
23
24
26
(0.02) 28
MEZCLA 10
30
31
9.39c, d
33
•
Tpk1
∆Hpk1
Tpk2
(EC)
∆Hpk2
Te
(J/g)
(EC)
49.59
1.43
56.20a, b
(0.00)
(0.20)
(0.34)
(0.55)
(0.38)
3.70a, a
24.00a, b
45.51a, b
22.47a, b
55.80a, b
(0.11)
(0.12)
(0.08)
(1.17)
(0.99)
3.36a, a
24.24a, c
45.97b, c
21.96a, b
56.00a, b
(0.22)
(0.20)
(1.20)
(0.87)
4.75a, a
21.82b, c
46.29c, c
23.92a, b
54.65b, b
(2.74)
(0.54)
(0.14)
(0.14)
(0.35)
11.49b, c
19.71c, d
47.99d, e
26.13a, b
57.35c, b
(0.37)
(0.88)
(0.21)
(0.01)
(0.70)
(0.34) 32
∆HCr
Los valores muestran la media y desviación estándar de dos réplicas. a-d para los datos de una misma mezcla y columna con la misma primera letra son estadísticamente significativas. Diferente letra indica que son estadísticamente diferentes (P # 0.10). Comparando datos para la misma mezcla y columna de la Tabla 6.4 y 6.5, los valores con la misma segunda letra indican que son estadísticamente iguales. Una diferentes letra indica que son estadísticamente distintos (P # 0.10).
69
6.5
Perfil de fusión de las mezclas con SOYA-LT y SOYA-PH.
Los parámetros que caracterizan los termogramas de fusión de las mezclas (ej., Tpk1, Tpk2, ∆H pk1, ∆H pk2 y Te) se muestran en las Tablas 6.4 y 6.5. La Figura 6.5 muestra representativamente los termogramas de fusión para las mezclas 5, 7 y 10 con SOYA-PH y mezclas elaboradas con SOYA-LT. Los termogramas de las mezclas 5 y 7 elaboradas tanto con SOYA-LT como con SOYA-PH muestran dos endotermas bien definidos particularmente a las más bajas TCr investigadas, siendo más evidentes y pronunciados en las mezclas con SOYA-LT (Figura 6.5 A, B y A´, B´). En contraste para la mezcla 10, en ambos tipos de mezcla solo se observó un endoterma (Figura 6.5 C y C´). En general, independientemente de la formulación de la mezcla, la incorporación de TAGS trans dentro de los cristales desarrollados por mezclas con SOYA-PH diminuyó el calor de fusión (ej., ∆Hpk1, ∆Hpk2) en comparación con los cristales desarrollados por triacilglicéridos saturados de las mezclas con SOYA-LT. No obstante, en las mezclas investigadas, este efecto no fue evidente para las temperaturas de fusión medidas como Tpk1, Tpk2, o Te (Tabla 6.4 y Tabla 6.5). En un sistema con un TAG mono-ácido Hagemann y Kodali (Hagemann, 1972; Kodali, 1987) mostraron que los cristales β de los TAGS saturados tienen mayor calor de fusión y temperatura de fusión que sus correspondientes TAGS trans insaturados, sin embargo estos autores utilizaron TAGS puros y en esta investigación son mezclas de diferentes TAGS 6.6
Perfil reológico de los sistemas con SOYA-LT y SOYA-PH.
Las gráficas de los perfiles de Geq´ y σ* en función del SFCeq en formato log-log para todas las mezclas investigadas, se muestran en la Figura 6.6. En general e independientemente
de
la
presencia
70
de
SOYA-PH
o
SOYA-LT
A
A´
MEZCLA 5 SOYA-PH
MEZCLA 5 SOYA-LT
0.10
0.22
32ºC
0.18
30ºC 0.06
30ºC
0.16 Flujo de Calor (W/g)
Flujo de Calor (W/g)
32ºC
0.20
0.08
28ºC
0.04
26ºC
0.14 0.12
28ºC
0.10 0.08
26ºC
0.06
0.02
0.04 0.02
0.00
0.00
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
100
10
20
30
50
60
70
80
90
100
B´
B
MEZCLA 7 SOYA-LT
MEZCLA 7 SOYA-PH 0.20
0.10
0.18
28ºC
28ºC
0.16
0.08
0.14 Flujo de Calor (W/g)
26ºC Flujo de Calor (W/g)
40
Tiempo (min)
Tiempo (min)
0.06
24ºC 0.04
23ºC
0.12
26ºC
0.10 0.08 0.06
24ºC
0.04 0.02
0.02
23ºC
0.00 -0.02
0.00
-0.04 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
10
20
30
40
Tiempo (min)
C
60
70
80
90
100
C´
MEZCLA 10 SOYA-PH
MEZCLA 10 SOYA-LT
0.10
0.20
33ºC
0.18
0.08
33ºC
0.16 0.14
32ºC 0.06
Flujo de Calor (W/g)
Flujo de Calor (W/g)
50 Tiempo (min)
31ºC 0.04
30ºC
0.02
32ºC
0.12 0.10 0.08
31ºC
0.06 0.04
30ºC
0.02 0.00
0.00
-0.02 -0.04
-0.02
-0.06
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
Tiempo (min)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Tiempo (min)
Figura 6.4. Termogramas de cristalización isotérmica para las mezclas 5, 7 y 10. Las figuras A, B y C corresponden a mezclas elaboradas con soya parcialmente hidrogenada (SOYA-PH). Las figuras A´, B´ y C´ corresponden a mezclas elaboradas con soya libre de trans (SOYA-LT).
71
100
A
A´
MEZCLA 5 SOYA-PH
MEZCLA 5 SOYA-LT 1.4
1.0
1.3
32ºC
30ºC 1.2
30ºC
Flujo de Calor (W/g)
Flujo de Calor (W/g)
0.8
0.6
28ºC 0.4
26ºC 0.2
1.1
28ºC 1.0 0.9
26ºC
0.8 0.7
24ºC
0.6 0.5
0.0
0.4 30
40
50
60
70
80
30
40
50
Temperatura (ºC)
60
70
80
Temperatura (ºC)
B
B´ MEZCLA 7 SOYA-LT
MEZCLA 7 SOYA-PH 1.4
1.0
1.3
28ºC 1.2 Flujo de Calor (W/g)
Flujo de Calor (W/g)
0.8
26ºC 0.6
24ºC 0.4
28ºC
1.1 1.0
26ºC
0.9 0.8
24ºC
0.7
23ºC 0.2
0.6
23ºC
0.5 0.0
0.4 30
40
50
60
70
80
30
40
Temperatura (ºC)
50
60
70
80
Temperatura (ºC)
C
C´
MEZCLA 10 SOYA-PH
MEZCLA 10 SOYA-LT 1.4
1.0
1.3
33ºC
1.2
32ºC
Flujo de Calor (W/g)
Flujo de Calor (W/g)
0.8
0.6
31ºC 0.4
30ºC
33ºC
1.1 1.0
32ºC
0.9 0.8 0.7
31ºC
0.6
0.2
30ºC
0.5 0.4
0.0 30
40
50
60
70
30
80
Figura 6.5
40
50
60
70
Temperatura (ºC)
Temperatura (ºC)
Termogramas de fusión isotérmico para las mezclas 5, 7 y 10. Las figuras A, B y C corresponden a mezclas elaboradas con soya parcialmente hidrogenada (SOYA-PH). Las figuras A´, B´ y C´ corresponden a mezclas elaboradas con soya libre de trans (SOYA-LT).
72
80
todas las mezclas mostraron el mismo comportamiento reológico, esto es, conforme el Log (SFCeq) se incrementó, el Log (Geq´) y el Log (σ*) también aumento. Aunque en general, mayores valores de SFCeq se obtuvieron con mezclas elaboradas con SOYA-PH que con SOYA-LT, el grado de esta diferencia fue función de la composición de la mezcla y de la temperatura de cristalización. Así a mayor concentración de aceite de soya presente en la formulación de las mezclas cristalizadas, mayores diferencias en SFCeq fueron observadas entre los sistemas con SOYA-PH y aquellos con SOYA-LT (p < 0.05). Adicionalmente, para cada una de las mezclas, este fenómeno fue más evidente conforme TCr disminuyó y la concentración de aceite de soya aumentó. Para las mezclas con SOYA-PH a menores temperaturas de cristalización, más TAGS trans solidifican en el sistema. En consecuencia, para la misma mezcla y la misma temperatura de cristalización, mayores valores de Geq´ fueron obtenidos en los sistemas con SOYA-PH que en mezclas con SOYA-LT, particularmente a medida que TCr disminuyó y SFCeq se incrementó (Figura 6.6). Esto fue mas evidente para la mezcla 5 (Figura 6.6A), mezcla que contiene la mayor concentración de SOYA-PH en su formulación (ej., 50% de SOYA-PH, Tabla 6.3). Por otro lado, independientemente de la presencia de SOYA-PH o SOYA-LT la mezcla con menor concentración de la estearina de palma (mezcla 7 con 33%), mostró los menores valores de SFCeq, de Geq´ y de σ* (Figura 6.6). Las mezclas 5 y 10 con 50% y 66.6% de estearina de palma respectivamente, mostraron mayores valores de SFCeq que la mezcla 7, alcanzando valores de Geq´ y σ* mayores (Figura 6.6). Esto nuevamente indica que la alta temperatura de fusión de los TAGS presentes en la estearina de palma (ej., PPP) tiene un significante efecto sobre la cristalización de las mezclas y subsecuentemente sobre su perfil reológico. Como previamente se discutió en la sección 6.4, la mezcla 5 con SOYA-PH o SOYA-LT cristalizada a 26ºC desarrolló un diferente polimorfismo del obtenido a TCr ≥ 28ºC. Así, en las TCr (ej., 26ºC) que proveyeron los mayores valores de SFCeq, los valores Geq´ y σ* fueron estadísticamente menores
que
los
observados
a
73
28ºC
tanto
para
las
mezclas
A 5.5 MEZCLA 5
5.0
MEZCLA 10
Log (G'eq ), Pa
4.5 4.0 3.5 3.0 MEZCLA 7 2.5
MEZCLAS CONSOYA-LT MEZCLAS CONSOYA-PH
2.0 1.5 0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
1.15
1.20
1.25
1.30
Log (SFC eq )
B 3.0 2.5 MEZCLA 5
Log ( σ*), Pa
2.0 MEZCLA 10
1.5 1.0 0.5
MEZCLA 7
0.0 MEZCLAS CON SOYA-LT MEZCLAS CON SOYA-PH
-0.5 -1.0 0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
1.15
1.20
1.25
1.30
Log (SFC eq )
Figura 6.6
(A) Gráficas de log (G´) vs log (SFCeq), (B) Gráficas de log (σ*) vs log (SFCeq) para las mezclas 5, 7 y 10. ○,□,∆ Corresponden a mezclas elaboradas con soya parcialmente hidrogenada (SOYAPH). ●,■,▲ Corresponden a mezclas elaboradas con soya libre de trans (SOYA-LT).
74
con SOYA-PH como en los sistemas con SOYA-LT (Figura 6.6). Entonces este cambio polimórfico puede estar asociado con una modificación en la estructura de la red de cristales, con el subsecuente efecto en el comportamiento reológico de la mezcla 5. El comportamiento particular de la mezcla 5 en función de TCr es discutido posteriormente en este trabajo. Es importante apuntar que, independientemente de la presencia de SOYA-PH o SOYA-LT, el comportamiento reológico de la mezcla 5 mostró que a ciertas temperaturas de cristalización, valores similares de Geq´ y σ* a los de la mezcla 10, podrían ser obtenidos aun con menores valores de SFCeq (Figura 6.6), Esto es, mezclas cristalizadas con similar comportamiento reológico podrían ser alcanzadas con o sin el uso de ácidos grasos trans. 6.6.1 Punto de cedencia de los sistemas con SOYA-PH y SOYA-LT. En lo que respecta al perfil del punto de cedencia (Figura 6.6B) la mezcla 10 mostró un comportamiento particular ya que se observó una mayor resistencia al flujo para las mezclas con SOYA-LT en comparación con SOYA-PH. Esto a pesar de que valores menores de SFCeq estuvieron presentes en SOYA-LT que en los sistemas con SOYA-PH (Figura 6.6B). La mezcla 10 tiene la mayor concentración de estearina de palma en su formulación (66.6%) y cantidades equivalentes de soya y aceite de coco (Tabla 6.3). Como previamente se discutió, la cristalización de los TAGS saturados de la estearina de palma incorporando dentro de su estructura TAGS insaturados trans (ej., mezcla 10 con SOYA-PH), resultó en estructuras de cristales con menores niveles de orden estructural que la estructura de cristales desarrollados solo por TAGS saturados (ej., mezcla 10 con SOYA-LT). Este fenómeno puede también afectar la estructura de la red de cristales y subsecuentemente las propiedades reológicas. La incorporación de TAGS saturados de cadena media TGA (ej., LaLaLa del aceite de coco) dentro de la estructura del cristal desarrollada, podría modificar aun más la organización de la red de cristales afectando significativamente las propiedades reológicas de la mezcla cristalizada. Como resultado de esto, se
75
observó una mayor resistencia al flujo de la mezcla 10 con SOYA-LT que en el sistema con SOYA-PH (Figura 6.6B). Este fenómeno no fue evidente en las mezclas 5 y 7. La mezcla 5 contiene en su formulación proporciones equivalentes de estearina de palma y aceite de soya, pero no aceite de coco. En contraste, la mezcla 7 contiene menor concentración de estearina de palma (33.3%) y cantidades equivalentes de aceite de coco y aceite de soya (Tabla 6.3). Como en la mezcla 10, la mezcla 5 y 7 con SOYA-PH mostraron menores valores de ∆HCr (Tabla 6.5) comparadas con los sistemas con SOYA-LT (Tabla 6.4). Sin embargo, parece ser que en las mezclas 5 y 7 el efecto general de los TAGS con ácidos grasos trans y TAGS con ácidos grasos saturados de cadena media sobre la estructura del cristal, no fue suficiente para alterar la organización de la red cristalina y subsecuentemente del perfil de σ*. Dentro del mismo marco, es importante apuntar que en contraste con las mezclas 5 y 7, la mezcla 10 mostró en todas sus TCr, la mayor diferencia en ∆HCr entre SOYA-PH y SOYA-LT (Tabla 6.4 y 6.5). En un intento por entender el comportamiento de Geq´ y σ*, se obtuvieron microfotografías de las mezclas cristalizadas a través de microscopía de luz polarizada (MLP) a las diferentes TCr. Las Figuras 6.7, 6.8 y 6.9 muestran las microfotografías para las mezclas 5, 7 y 10 respectivamente, usando en la formulación de las mezclas SOYA-LT (microfotografías A, B, D, E) o SOYA-PH (microfotografías A´, B´, D´ y E´). En general, para las tres mezclas e independientemente de la TCr, mayor número de cristales estuvieron presentes con SOYA-PH (Figuras 6.7, 6.8, y 6.9, microfotografías; A´, B´, D´ y E´)
76
A
A´
100µm
B
C
B´
A
D
Figura 6.7
C´
D´
Microfotografías de la mezcla 7. Las figuras A, B, C y D corresponden a mezclas elaboradas con SOYA-PH. Las figuras A´, B´, C´ y D´ corresponden a mezclas elaboradas con SOYA-LT.
77
A
A´
B
B´
C
C´
D
D´
Figura 6.8
Microfotografías de la mezcla 5. Las figuras A, B, C y D corresponden a mezclas elaboradas con SOYA-PH. Las figuras A´, B´, C´ y D´ corresponden a mezclas elaboradas con SOYA-LT.
78
A
A´
B
B´
C
C´
D
D´
Figura 6.9
Microfotografías de la mezcla 10. Las figuras A, B, C y D corresponden a mezclas elaboradas con SOYA-PH. Las figuras A´, B´, C´ y D´ corresponden a mezclas elaboradas con SOYA-LT.
79
que en mezclas elaboradas con SOYA-LT (Figuras 6.7, 6.8 y 6.9; microfotografías A, B, C y D) siendo mas evidente conforme TCr disminuyó. Adicionalmente, a menor TCr menor tamaño de cristal. Estos resultados fueron asociados con el efecto de TCr sobre la cinética de cristalización de los TAGS en las mezclas y el desarrollo de la mayor fase sólida en las mezclas con SOYAPH, en comparación con las mezclas con SOYA-LT. Narine y Marangoni (1998) han mostrado que las propiedades reológicas tales como G´, están directamente asociadas con el volumen de la fracción sólida de grasa a través de la dimensión fractal de la red, e inversamente proporcional al diámetro de las partículas primarias dentro de la red de cristales y al diámetro de las microestructuras. Entonces, los resultados de MLP explican por qué para la misma mezcla a la misma temperatura de cristalización, se observaron mayores valores de Geq´ y σ* en las mezclas con SOYA-PH que en mezclas con SOYA-LT (Figura 6.6), excepto para los valores σ* de la mezcla 10 (Figura 6.6B). En la mezcla 10 el SFCeq fue el mismo con SOYA-PH y con SOYA-LT a todas las TCr, de igual manera, similares perfiles elásticos fueron observados (Figura 6.6A). Sin embargo, los sistemas cristalizados con SOYA-LT proveyeron mayores valores de σ* que los sistemas con SOYA-PH (Figura 6.6B). En la mezcla 5, valores menores de SFCeq presentes en los sistemas con SOYA-LT (Figura 6.6B) resultaron en propiedades elásticas menores y en menor grado, valores de punto de cedencia menores que en los sistemas con SOYAPH (Figura 6.5). Este fenómeno fue mas evidente cuando la mezcla 5 fue cristalizada a menores TCr, ej., al mayor SFCeq alcanzado. Esto sugiere que fuerzas van der Waals determinan la elasticidad de la dispersión de grasa, mientras que las interacciones cristal-cristal (ej., sintering) determinan el valor del punto de cedencia (Johansson, 1992). Entonces, en la mezcla 10 con SOYAPH, la interacción cristal-cristal probablemente desarrollado a través de un proceso de “sintering”, puede estar limitada por los TAGS trans presentes en SOYA-PH (Figura 6.6B) mientras que las fuerzas de van der Waals fueron poco afectadas (Figura 6.6A). En contraste, en la mezcla 5 con SOYA-LT las fuerzas
80
de van der Walls y las fuerzas de interacciones cristal-cristal fueron afectadas, probablemente porque el número de cristales (Figura 6.6) y el contenido de SFCeq fue menor que aquellos presentes en la mezcla 5 con SOYA-PH. No obstante, los perfiles de Geq´ y σ* mostraron que a ciertas TCr la mezcla 5 proporcionó sistemas con propiedades reológicas similares que la mezcla 10, esto a pesar de que SFCeq fue menor en la mezcla 5 que en la 10. Sin embargo, el comportamiento reológico de las mezclas puede ser diferente bajo mayores niveles de deformación. Las microfotografías de luz polarizada mostraron que bajo estas condiciones de cristalización la estructura del cristal y la organización de la red de cristales de la mezclas 5 y 10 con SOYA-PH (Figuras 6.8A´, 6.8C´, 6.8D´, 6.8E´, y 6.9A´, 6.9C´, 6.9D´, 6.9E´) o con SOYA-LT (Figuras 6.8A, 6.8B, 6.8C, 6.8D y 6.9A, 6.9B, 6.9C, 6.9D) fueron evidentemente diferentes. Desafortunadamente, no se midió la dimensión fractal de los sistemas cristalizados con el fin de soportar esta observación. 6.6.2 Perfil reológico de las mezclas elaboradas con SOYA-PH y SOYA LT usando deformaciones constantes. Debido a que la mezcla 7 desarrolló las menores propiedades reológicas, la siguiente discusión involucra solo a las mezclas 5 y 10. Las Figuras 6.10 y 6.11 muestran los perfiles del desplazamiento y recuperación para las mezclas 5 y 10 con SOYA-PH y SOYA-LT. El perfil de desplazamiento de las mezclas después de 200 minutos de cristalización isotérmica mostró la progresiva deformación de la red de cristales de grasa bajo un esfuerzo constante (ej., 1 min a 10 Pa). Una vez retirado el esfuerzo, la deformación de la mezcla cristalizada exhibió una recuperación instantánea seguida por una progresiva recuperación de la deformación hasta alcanzar un valor constante. Sin embargo, la deformación en la recuperación nunca alcanzó el cero inicial en ninguna de las mezclas investigadas, esto es, después de la deformación ninguna mezcla alcanzó la recuperación total. No obstante, diferentes comportamientos reológicos fueron observados dentro de cada una de las mezclas investigadas, entonces tanto el perfil de desplazamiento como el de recuperación dependen de la organización 81
microestructural de la red cristalizada. Así, bajo las condiciones de medición utilizadas, a TCr elevadas para la mezcla 5 (TCr = 32ºC, Figuras 6.8D y 6.8D´) y 10 (TCr = 33ºC, Figura 6.9D y 6.9D´) se observó una deformación total con la evidente
ruptura
de
la
microestructura
(datos
no
mostrados).
Este
comportamiento fue observado independientemente de la presencia de SOYALT y SOYA-PH. De la misma forma para la mezcla 7 todas las TCr investigadas mostraron el mismo comportamiento (datos no mostrados). Estos resultados están de acuerdo con el perfil de σ* (Figura 6.6B), ya que la fuerza aplicada para las medidas de desplazamiento y recuperación [ 10 Pa; Log(σ*) ] fue mayor que el correspondiente esfuerzo de cedencia para las mezclas 5 y 10 a la mayor TCr (ej., menores valores de SFCeq) y para la mezcla 7 a todas las TCr (ej. a todas los valores de SFCeq). En consecuencia, las deformaciones de las mezclas cristalizadas a tales TCr sufrieron cambios estructurales permanentes y no reversibles en la red de cristales. A estas TCr la organización microestructural desarrollada en ambos tipo de mezclas, tienen menor número de cristales y un aparente mayor tamaño de cristal que en las redes de cristales desarrolladas a menores TCr. Adicionalmente, independientemente del uso de SOYA-PH o SOYA-LT, la mezcla 5 cristalizada a 32ºC y mezcla 10 cristalizada a 33ºC tienen los menores valores de SFCeq que aquellas mezclas cristalizadas a TCr menores (p