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Evaluación de las variables de formulación y su efecto sobre la estabilidad en el tiempo de emulsiones directas aceite-en-agua para la industria de bebidas.

Maria Alejandra Gordillo Vargas

Proyecto de grado presentado como requisito para optar por el título de: Ingeniero Químico

Asesor Dr Oscar Álvarez Sánchez Solano Ph.D

Coasesor

Diego Camilo Pradilla Ragua

Jurado Felipe Salcedo Ph.D

Universidad de los Andes

Facultad de ingeniería química Departamento de ingeniería

Bogotá D.C 2013-1

Tabla de contenidos

Agradecimientos……………………………………………………………………...3 Lista de Figuras……………………………………………………………………….4 Lista de Tablas……………………………………………………………………......5 Resumen……………………………………………………………………………...6 1. Estado del Arte………………………………………………………………….6

1.1 Emulsiones…………………………………………………………………...6 1.2 Estabilidad…………………………………………………………………...7 1.3 Interfase…………………………………………………...............................8

1.3.1 Agente emulsionante………………………...………………8 1.4 Caracterización de emulsiones………………………………………………8

1.4.1 Microscópico…………………………………………...……9 1.4.2 Molecular. …………………………………………...……...9 1.4.3 Macroscópico…………………………………………...…...9

2 Metodología……………………………………………………………………………....9 2.1 Materiales………………………………………………………………….....9 2.2 Métodos de caracterización

2.2.1 Espectroscopía de infrarrojo cercano………………………10 2.2.2 Difracción de laser……………………………………...….10 2.2.3 Pruebas reológicas…………………………………………11

3 Resultados y discusión……………………………………………………………….….11 4 Conclusiones ……………………………………………………………………………16 5 Referencias bibliográficas………………………………………………………………16 6 Anexos…………………………………………………………………………………..19

Agradecimientos Quiero expresar mis agradecimientos a la Universidad de los Andes, a los profesores y trabajadores que hicieron parte de este proceso académico y me brindaron las herramientas para crecer como una profesional integra. Agradezco a mi asesor Oscar Álvarez por su apoyo, paciencia y compresión durante la elaboración de mi proyecto, de igual forma a Diego Pradilla, Jefferson Steven y Mauricio Gómez. Finalmente a mis grandes amigos, familiares y a Dios que hicieron posible este sueño.

Lista de Figuras

1. Figura 1. a) Cremación b) Flóculo c) Agregación y fusión de dos glóbulos dispersos……………………………………………………………………………8

2. Figura 2. Espectro de las emulsiones sabor Toronja. Dígito 1: 0.96 𝑔/𝑐𝑚!. Dígito 2: 0.98 𝑔/𝑐𝑚!. Dígito 3: 1.00 𝑔/𝑐𝑚!. Dígito A: 15% (p/p). Dígito B: 18% (p/p)….11

3. Figura 3. Espectro de las emulsiones sabor Toronja. Dígito 1: 0.96 𝑔/𝑐𝑚!. Dígito 2: 0.98 𝑔/𝑐𝑚!. Dígito 3: 1.00 𝑔/𝑐𝑚!. Dígito A: 15% (p/p). Dígito B: 18% (p/p)…...12

4. Figura 4. Distribución de tamaño de partícula para emulsiones Tropical. Dígito 1: 0.96 𝑔/𝑐𝑚!. Dígito 2: 0.98 𝑔/𝑐𝑚!. Dígito 3: 1.00 𝑔/𝑐𝑚!. Dígito A: 15% (p/p). Dígito B: 18% (p/p)………………………………………………………………………………….13

5. Figura 5. Distribución de tamaño de partícula para emulsiones Toronja. Dígito 1: 0.96 𝑔/𝑐𝑚!. Dígito 2: 0.98 𝑔/𝑐𝑚!. Dígito 3: 1.00 𝑔/𝑐𝑚!. Dígito A: 15% (p/p). Dígito B: 18% (p/p)……………………………………………………………………………….…14

6. Figura 6. Comportamiento de la viscosidad respecto a la velocidad de cizallamiento para las emulsiones Tropical. Dígito 1: 0.96 𝑔/𝑐𝑚!. Dígito 2: 0.98 𝑔/𝑐𝑚!. Dígito 3: 1.00 𝑔/𝑐𝑚!. Dígito A: 15% (p/p). Dígito B: 18% (p/p)……………………………15

7. Figura 7. Comportamiento de la viscosidad respecto a la velocidad de cizallamiento para las emulsiones Toronja. Dígito 1: 0.96 𝑔/𝑐𝑚!. Dígito 2: 0.98 𝑔/𝑐𝑚!. Dígito 3: 1.00 𝑔/𝑐𝑚! . Dígito A: 15% (p/p). Dígito B: 18% (p/p)……………………………………………………………………………….....16

Lista de Tablas

1. Tabla1. Dígito de identificación para las emulsiones en estudio…………………….9 2. Tabla 2. Comparación del diámetro medio Broucker para las diferentes

formulaciones. Dígito T: Tropical. Dígito G: Toronja. Dígito 2: 0.98 𝑔/𝑐𝑚!. Dígito 3: 1.00 𝑔/𝑐𝑚! Dígito A: 15% (p/p). Dígito B: 18% (p/p)…………………………………………………………………………………12

3. Tabla 3. Comparación del diámetro medio Broucker respecto al tiempo. Dígito T: Tropical. Dígito G: Toronja. Dígito 2: 0.98 𝑔/𝑐𝑚!. Dígito 3: 1.00 𝑔/𝑐𝑚!. Dígito A: 15% (p/p). Dígito B: 18% (p/p)………………………………………………………………………………….14

RESUMEN: En el presente trabajo se estudiaron emulsiones directas aceite-en-agua usadas para la fabricación de bebidas refrescantes. Se evaluaron variables en la formulación (Sabor, densidad del agente de peso y concentración del emulsificante) y su efecto sobre la estabilidad en el tiempo. El estudio se centro en el cambio de las propiedades reológicas, microscópicas y moleculares valoradas a partir de tres técnicas de caracterización: pruebas reológicas, difracción de laser y espectroscopía de infrarrojo cercano. Los resultados evidenciaron cambios en el tamaño de partícula de las muestras, pero la variación en el tiempo fue poco significativa, lo que quiere decir que las variables de la formulación estudiadas no representaron un efecto directo sobre estabilidad de las muestras. Sin embargo, las emulsiones preparadas con una concentración de surfactante 18% (p/p) y con un nivel de densidad intermedio de los diferentes aditivos, presentaron una estructura más apropiada y con más resistencia al cambio en sus propiedades en el tiempo.

1. Estado del arte

En de la industria de alimentos se puede encontrar una amplia variedad de productos elaborados a base de emulsiones. Este trabajo se concentró en estudiar las emulsiones concentradas de aceite-en-agua utilizadas para la elaboración de bebidas refrescantes, que además de ser emulsiones de dos fases, una grasa y una acuosa, contienen aditivos como emulsificante, conservantes, saborizantes, minerales, controladores de pH, antioxidantes, agentes microbianos entre otros. Dichos productos presentan una inestabilidad coloidal relacionada con diferentes fenómenos físicos, lo cual trae como consecuencia la separación definitiva de fases. Según lo anterior, es importante poner a prueba la estabilidad con el fin de aumentar la vida útil y alcanzar las perspectivas del consumidor. Para la elaboración de emulsiones estables en la industria de alimentos se debe estudiar una serie de variables que afectan directamente las propiedades físicas de las emulsiones, en particular las variables de formulación, ya que están relacionadas con la naturaleza fisicoquímica del sistema. Dichas variables pueden influenciar en el color, el sabor, la textura, la estabilidad de las emulsiones entre otros. El conocimiento y la estricta selección de las materias primas permite evitar una separación prematura de las fases. (Ali R. Taheriana, 2006) (Hamed Mirhosseinia, 2008)

1.1 Emulsiones

Una emulsión es un sistema de dos líquidos parcialmente miscibles en el que uno constituye la fase dispersa y contiene al otro en forma de gotas. Este sistema coloidal, es termodinámicamente inestable ya que tiende a separarse con el tiempo, fenómeno relacionado con la energía libre de formación que está asociada con la tensión interfacial y el área superficial de las gotas. Como la formación de una emulsión no es espontanea, se requiere un proceso de agitación o mezclado que aumente la superficie de contacto de las dos fases. Estos procesos tienen como fin reducir el tamaño de las gotas y formar un alto grado de uniformidad, según la viscosidad del líquido se determina el proceso adecuado de homogenización. (Becher, 1957) (Hans-Jrgen Butt, 2006) La nomenclatura adecuada es O/W para emulsiones simple de gotas de aceite dispersadas en agua y W/O en el caso contrario. Teóricamente el volumen máximo que pueden ocupar los glóbulos es del 74% del volumen total, por esta razón lo ideal es elaborar soluciones con una alta viscosidad aparente pero que se conserve líquida por un largo tiempo. El tipo, la calidad,

el surfactante y la solubilidad de las partículas dependen de las propiedades del líquido externo de la solución. Si es hidrosoluble, la facilidad de disolver aumenta y si se reduce la viscosidad de la emulsión como consecuencia del aumento de la proporción de la fase interna, se aglomeran las partículas de la emulsión y sobrepasa la fase externa. Las bebidas refrescantes contienen una variedad de ingredientes como el aceite, el emulsificante, el agente espesante, sales, colorantes, endulzantes y saborizantes entre otros. El aceite hace parte de un grupo conocido como lípidos, es soluble en solventes orgánicos pero insoluble o poco soluble en agua. Los lípidos están conformados por un gran número de diferentes tipos de moléculas. En el caso de las bebidas refrescantes, se usan saborizantes de origen natural, que sufren constantes cambios químicos durante el proceso de elaboración y almacenamiento, afectando la percepción del sabor y en esa medida, deben ser controlados. El agua es un compuesto que influye en las propiedades físicas, químicas y organolépticas de las emulsiones en la medida que define la solubilidad, la conformación y las interacciones con otros compuestos.

1.2 Estabilidad

La estabilidad de una emulsión está determinada por la resistencia de la misma al cambio de sus propiedades en el tiempo. Existen varios mecanismos que llevan al sistema a una inestabilidad física y generalmente están relacionados con la interacción entre las gotas, la tensión superficial, la película interfacial o la repulsión eléctrica. Algunos de los fenómenos físicos más comunes en emulsiones usadas en la industria de bebidas serán discutidos a continuación. (Valladares, 2005) El sistema de las emulsiones es termodinámicamente inestable, ya que la energía libre de Gibbs o de formación es mayor que cero, porque tiene tendencia espontanea a separarse. La energía está asociada con la área interfacial de las gotas en el interior de la emulsión que también se expresa con la entropía de formación, relacionada con la constitución de las gotas a partir de los constituyentes de las fases. La tensión interfacial más el área superficial de las gotas genera una energía interfacial considerable, mientras que la entropía de formación es relativamente pequeña a no ser que las gotas sean muy pequeñas. El primero de estos fenómenos es la flotación de partículas en la superficie de la emulsión, la cual se genera cuando las gotas de aceite tienen una densidad menor al de la fase externa. En el caso contrario, cuando la densidad es superior ocurre sedimentación, ambos casos son fenómenos accionados por la fuerza de gravedad y no involucra una ruptura de las partículas(Figura 1-a). Otro fenómeno común en los sistemas líquido-líquido es la floculación. Este se define como el proceso por el cual las gotas se unen y forman una estructura más grande, sin que las partículas pierdan su estructura individual(Figura 1-b). El proceso de floculación esta controlado por un equilibrio de fuerzas de atracción y repulsión, por ello se aprecia en este tipo de sistemas que las gotas más grandes floculan más rápido. La formación de flóculos aumenta la viscosidad y es una posible causa de aceleración de otros mecanismos de separación como la flotación. Finalmente, la coalescencia es la unión de dos o más gotas líquidas generando una gota más grande(Figura 1-c). Este fenómeno es un contacto físico entre las gotas debido a una confinidad y a la ruptura de la capa que las rodea, razón por la cual acelera otros fenómenos como la formación de crema o sedimento. En comparación con los mecanismos de separación gravitacional, este mecanismo depende fuertemente del tipo de surfactante (McClements, 2005).

Figura 1 a) Cremación b) Flóculo c) Agregación y fusión de dos glóbulos dispersos (McClements, 2005)

1.3 Interfase Para retrasar la separación espontánea de las fases en una emulsión es necesario el uso de agentes surfactantes. Estos agentes se absorben en la interface agua-aceite para reducir la tensión superficial reforzando la película interfacial, y por consecuente previene que las gotas se agreguen o fusionen. La actividad interfacial de un surfactante es orientada gracias a su doble afinidad (apolar y polar) lo que evita una discontinuidad de polaridad entre el agua y el aceite. Se debe elegir el tipo de surfactante adecuado para cada emulsión según los componentes y la naturaleza de los mismos. Cada agente emulsiónate tiene un valor de HLB (balance hidrofílico-lipofílico) definido y de ello depende la afinidad entre los ingredientes, además de tener una alta influencia sobre las propiedades sensoriales del alimento (Hans-Jrgen Butt, 2006).

1.3.1 Agente emulsionante

El agente emulsionante es aquel capaz de ser absorbido por en la interface agua-aceite. Los surfactantes son producidos por medio de procesos químicos, usando varios materiales, aceites, glicerol, azucares, ácidos orgánicos entre otros. La capa interfacial es una zona de transición entre las fases y nunca es homogénea. La teoría de Helmoholtz describe una doble capa eléctrica por esa razón el surfactante tiene un doble afinidad constituida por una parte hidrofílica (polar) y otra lipofílica (apolar), gracias a ello disminuye la tensión superficial pues lo hace de forma orientada. Este fenómeno espontaneo esta dado por la disminución de la energía libre del surfactante cuando se ubica en la interfase.

1.4 Caracterización de emulsiones

A la hora de medir la estabilidad de una bebida refrescante, es complejo definir experimentalmente un valor exacto para esta, por lo cual, el objetivo del trabajo es analizar el cambio en la estructura a partir de la medición de la viscosidad, tamaño y distribución de partícula de las muestras. Dichas mediciones permiten determinar la influencia del sabor, de la densidad de los agentes de peso y la concentración del surfactante sobre las propiedades físicas del producto. Las técnicas de caracterización usadas en este estudio, son muy comunes en las investigaciones en el sector alimenticio ya que son herramientas que muestran una idea clara de la estructura, la organización y las interacciones de los diferentes componentes del sistema.

1.4.1 Microscópico

Una parte fundamental en la caracterización es la determinación de tamaño y distribución de partícula, ya que la mayoría de alimentos son sistemas polidispersos. Para medir esto, la técnica de difracción de laser detecta partículas equivalentes al diámetro esférico a partir de patrones angulares de luz midiendo la intensidad angular de dispersión (en un rango entre 10mm y 3.5mm), estas mediciones se traducen mediante ecuaciones algorítmicas a una señal de la distribución de tamaño (Skoog D. A, 2008).

1.4.2 Molecular Unido al seguimiento del tamaño de partícula, se realiza una prueba a nivel molecular que permite identificar y cuantificar la presencia de aceite partir de la absorbancia de la muestra. El equipo de espectroscopía de infrarrojo cercano (NIR) trabaja bajo el principio radiación electromagnética, proyecta un rayo de luz a través de la dispersión coloidal, la trayectoria de la luz se hace visible por su reflexión en las partículas, por lo cual, la intensidad de la dispersión depende de la concentración de las gotas en la emulsión. (Videla, 2011).

1.4.3 Macroscópico Finalmente, las pruebas reológicas determinan el cambio en la viscosidad cuando se le aplica a la muestra una esfuerzo cortante, lo que permite predecir cambios en el tamaño de partícula relacionados con flotación o sedimentación. Una emulsión está dividida por capas que se mueven respecto al movimiento de la otra. Para caracterizar la emulsión se tienen que tener en cuenta tres factores: Dimensión, fuerza aplicada o stress y la velocidad de cizallamiento, que se conoce como el diferencial de velocidad entre las placas cuando se aplica una fuerza tangencial. (Barnes, 2000)

2. Materiales y Métodos

Se realizó una caracterización a partir de la medición de propiedades reológicas, microscópicas y moleculares para cada formulación a condiciones de ambiente (25 ºC-1.03atm). A partir de dichos resultados, se analizó el cambio en un periodo de tiempo de seis meses, realizando mediciones mensuales, tendiendo en cuenta, que durante toda la investigación las muestras fueron almacenadas bajo las mismas condiciones.

2.1 Variables de formulación

Cada emulsión en estudio esta identificada según la formulación con la que fue elaborada. Como se ilustra en la Tabla 1 las variables son: sabor, densidad del agente de peso y concentración del agente emulsionante; cada una con diferentes niveles. Se debe aclarar que la concentración de aceite y agua no se vario para ninguna formulación.

Tabla 1 Dígito de identificación para las emulsiones en estudio

Variable Dígito de identificación

Sabor Tropical T Toronja G

Densidad 𝑔/𝑐𝑚! 0.96 1

0.98 2 1.00 3

Emulsificante %(p/p) 15% A 18% B

Una de las variables de formulación más representativas en las emulsiones usadas en la elaboración de bebidas refrescantes, es el sabor representado por el aromatizante. Es uno de los factores más influyentes en la percepción de la calidad de la emulsión ya que interviene en las propiedades sensoriales y organolépticas del producto final. (Land, 2007) (Given, 2009)

Otra variable evaluada en este trabajo es la concentración del surfactante. Para esta investigación, se empleó en la preparación de las muestras goma arábiga de tipo instantáneo, por ello todas las muestras están identificadas, además, con el dígito I. Este emulsionante es una mezcla compleja de polisacáridos y proteínas. Es el más utilizado en la elaboración de bebidas por su alta solubilidad en agua, su alta capacidad emulsiva y baja viscosidad. La naturaleza de estos agentes es importante porque su interacción con el aceite y el agua definen la estructura de la interfase. (Aranberri, 2006) (Bo Wanga, 2011) (Albert Monferrer, 2002) Como se nombró antes, este tipo de alimentos contienen una serie de aditivos necesarios para que el producto sea calificado para el consumo humano. El más representativo es el agente de peso que tienen como función equilibrar los pesos entre las fases, evitando la formación de crema en la superficie que se origina por la diferencia de pesos entre el aceite (845-890 𝑘𝑔/𝑚!) y el agua es de (1000-1050 𝑘𝑔/𝑚!). Se evaluó la densidad de dichos agentes. La mayoría son aceites vegetales bromados como el Acetato isobutirato de sacarosa (SAIB) (McClements, 2005).

2.2 Métodos

2.2.1 Espectroscopía de infrarrojo cercano

El espectrofotómetro de infrarrojo cercano NIR, mide la cantidad de luz que pasa a través de un medio, lo que es proporcionalmente a la concentración del soluto presente. El equipo utilizado trabaja sobre la zona de 700-2500nm. La muestra que se deposita en el equipo es de 12 ml, se debe tener en cuenta que en este procedimiento se ingresa como referencia el aire, de tal manera que se mida el espectro total de la muestra menos la del aire dentro del sistema.

2.2.2 Difracción de laser

Las pruebas se llevaron a cabo en el Matersizer 3000 el cual mide la dispersión en húmedo, bajo el principio de difracción de la luz láser. Se agrega la cantidad necesaria de muestra para que los rangos de obscuración del equipo sean los adecuados para la medición. Este equipo realiza ensayos de la media y distribución de tamaño de partícula midiendo la tendencia y la estadística del diámetro volumétrico gracias a un conjunto de detectores topof-line. El estudio D(4,3), diámetro medio “Brouckere”, indica el volumen ocupado por las gotas, formando una curva de distribución normal, donde el punto central es la frecuencia (volumen) en donde podría rotar la distribución.

2.2.3 Pruebas reológicas

El Reómetro AR-G2 de esfuerzo controlado realiza ensayos de flujo en modo estacionario con una geometría de cilindros concéntricos. En la prueba reólogica se adiciona al equipo 22 ml de muestra a temperatura ambiente. Primero se realiza un acondicionamiento, con una velocidad de cizalla de 0.1𝑠!! por un minuto, después se realiza un barrido en un intervalo de 0.1-500𝑠!! y de 500-0.1𝑠!!. Este método permite ver el área entre las dos curvas y de esta manera ver el comportamiento del ciclo de histéresis, si estos no presentan diferencias significativa quiere decir que no hay una dependencia del tiempo.

3. Resultados y discusión. En la Figura 2 se ilustra el registro de las pruebas moleculares para las muestras sabor tropical. El comportamiento reportado en las pruebas moleculares no muestra ninguna dependencia hacia las variables de formulación ya que los espectros se sobreponen. Los picos que determinan la presencia de aceite se presentan sobre el mismo valor de x y el valle más pronunciado se da en el rango entre 2100-2500nm.

Figura 2 Espectro de las emulsiones sabor Tropical. Dígito 1: 0.96 𝒈/𝒄𝒎𝟑. Dígito 2: 0.98 𝒈/𝒄𝒎𝟑. Dígito 3: 1.00 𝒈/𝒄𝒎𝟑.

Dígito A: 15% (p/p). Dígito B: 18% (p/p).

El resultado obtenido en las muestras de sabor Toronja (Figura 3) tiene la misma tendencia descrita anteriormente. Sin embargo, se debe considerar el leve cambio en el comportamiento de la prueba GIB1, lo que podría representar que la concentración de gotas es mayor en comparación con el resto de las formulaciones, sin embargo no se puede asegurar una alteración en la calidad del producto hasta que no se compare con las pruebas microscópicas y reológicas.

1.1#

1.2#

1.3#

1.4#

1.5#

1.6#

1.7#

1.8#

1.9#

2#

1100# 1600# 2100#

Abso

rban

cia

Longitud de Onda (nm)

TIA1#

TIA2#

TIA3#

TIB1#

TIB2#

TIB3#

Figura 3 Espectro de las emulsiones sabor Toronja. Dígito 1: 0.96 𝒈/𝒄𝒎𝟑. Dígito 2: 0.98 𝒈/𝒄𝒎𝟑. Dígito 3: 1.00 𝒈/𝒄𝒎𝟑.

Dígito A: 15% (p/p). Dígito B: 18% (p/p).

En el documento Anexo se muestran las pruebas mensuales correspondientes a las pruebas de propiedades moleculares (Véase en Anexo figuras 26-37). Las gráficas ilustran para cada formulación, que las curvas de las pruebas mensuales obtenidas en el NIR se sobreponen. Así mismo, al comparar las diferentes gráficas, se observa la misma trayectoria, un valle similar en el intervalo de 2000-2500, los picos sobre el mismo valor del eje 𝑥 y una disminución poco significativa en la altura de los mismos en el tiempo. Considerando lo anterior, el efecto de las variables de formulación no afecta el comportamiento molecular. La distribución de tamaño de partícula esta fuertemente relacionada con la estabilidad de las emulsiones. La agregación de gotas o el aumento en el diámetro de las mismas es un fenómeno físico que acelera los mecanismos de separación. A partir de las pruebas de difracción de laser, se registran los valores de la media de tamaño de partícula para cada formulación, que se presentan en la Tabla 2. La media de tamaño de partícula se encuentran en un rango entre 0.83𝜇𝑚-y 1.67𝜇𝑚. Tabla 2 Comparación del diámetro medio Broucker para las diferentes formulaciones. Dígito T: Tropical. Dígito G: Toronja. Dígito 2: 0.98 𝒈/𝒄𝒎𝟑. Dígito 3: 1.00 𝒈/𝒄𝒎𝟑 Dígito A: 15% (p/p). Dígito B: 18% (p/p).

Muestra Media

D(4,3) 𝜇𝑚 Mes 0

TIA1 1.24 TIA2 0.83 TIA3 1.41 TIB1 1.21 TIB2 0.83 TIB3 1.11 GIA1 0.89 GIA2 1.11 GIA3 1.67

1"

1.5"

2"

1000" 1500" 2000" 2500"

Abs

orba

ncia

Longitud de Onda (nm)

GIA1"

GIA2"

GIA3"

GIB1"

GIB2"

GIB3"

GIB1 0,79 GIB2 0,78 GIB3 1,04

Las muestras que tienen el mismo nivel de densidad, presentan un valor de la media semejante, lo cual se observa en las figuras 4 y 5 donde las distribuciones que comparten el mismo valor de densidad, presentan una trayectoria similar sobre todo para el sabor Tropical. Lo anterior podría representar que el agente de peso tiene un efecto significativo en la formación de gotas. Adicionalmente, las emulsiones con una concentración nivel B para ambos sabores, presentan distribución más homogéneas ya que alcanza valores sobre el eje x menores a las formulaciones con una concentración A de emulsificante.

Figura 4 Distribución de tamaño de partícula para emulsiones Tropical. Dígito 1: 0.96 𝒈/𝒄𝒎𝟑. Dígito 2: 0.98 𝒈/𝒄𝒎𝟑. Dígito 3: 1.00 𝒈/𝒄𝒎𝟑. Dígito A: 15% (p/p). Dígito B: 18% (p/p).

0.01$

2.01$

4.01$

6.01$

8.01$

10.01$

12.01$

0.1$ 1$ 10$

Dis

trib

ució

n en

Vol

umen

Tamaño (nm)

TIA1; D(4,3)=1,24µm

TIA2; D(4,3)=0,83µm

TIA3; D(4,3)=1,41µm

TIB1; D(4,3)=1,21µm

TIB2; D(4,3)=0,83µm

TIB3; D(4,3)=1,11µm

Figura 5 Distribución de tamaño de partícula para emulsiones Toronja. Dígito 1: 0.96 𝒈/𝒄𝒎𝟑. Dígito 2: 0.98 𝒈/𝒄𝒎𝟑. Dígito 3: 1.00 𝒈/𝒄𝒎𝟑. Dígito A: 15% (p/p). Dígito B: 18% (p/p).

En la Tabla 3 se ilustra la variación en el tiempo de la media de diámetro de partícula para cada una de las formulaciones, se puede ver una tendencia al crecimiento en el tamaño de partícula respecto al tiempo. Al observar las gráficas correspondientes al cambio de distribución de tamaño de partícula en el tiempo (Véase en Anexo figuras 13-24) se determina que hay un cambio entre las medidas mensuales para cada formulación, sobre todo por la aparición de distribuciones más dispersas, representado por la formación de picos y curvas más anchas. Para las formulaciones con una concentración de surfactante nivel B, este fenómeno es menos marcado, sobre todo en las muestras con un nivel de densidad intermedio, pues estas presentan las distribuciones más homogéneas y estables en el tiempo. En algunos casos las curvas se van corriendo hacia la derecha en el transcurso de los meses, lo que representa que los picos de las mismas se ubican sobre valores de mayor diámetro. Para ciertas formulaciones dicha tendencia es más destacada, como es el caso de las emulsiones con un valor de densidad menor (nivel 3), razón por la cual su media de tamaño es más alta. En la muestra TA3 el promedio del diámetro de las gotas disminuye, pero cuando se observa la gráfica correspondiente (Véase en Anexo Figura 18), la distribución es más sesgada y se evidencia un aumento del diámetro en el tiempo. Tabla 3 Comparación del diámetro medio Broucker respecto al tiempo. Dígito T: Tropical. Dígito G: Toronja. Dígito 2: 0.98 𝒈/𝒄𝒎𝟑. Dígito 3: 1.00 𝒈/𝒄𝒎𝟑. Dígito A: 15% (p/p). Dígito B: 18% (p/p).

Muestra Media D(4,3) 𝜇𝑚

Mes 0 Mes 5 TIA1 1.24 1.28 TIA2 0.83 1.41 TIA3 1.41 1.18 TIB1 1.21 1.42 TIB2 0.83 1.02 TIB3 1.11 1.53

0.01$

2.01$

4.01$

6.01$

8.01$

10.01$

12.01$

0.1$ 1$ 10$

Dis

trib

ució

n en

Vol

umen

Tamaño (nm)

GIA1; D(4,3)=0,89µm

GIA2; D(4,3)=1,11µm

GIA3; D(4,3)=1,69µm

GIB1; D(4,3)=0,79µm

GIB2; D(4,3)=0,78µm

GIB3; D(4,3)=1,04µm

GIA1 0.89 1.01 GIA2 1.11 1.28 GIA3 1.67 2.66 GIB1 0,79 1.14 GIB2 0,78 1.87 GIB3 1,04 1.44

Los resultados arrojados por el Mastersizer 3000, muestran que hay un cambio en el tamaño de partícula de las emulsiones relacionado con el aumento diámetro de las gotas, pero al ver la variación entre el mes cero y el mes cinco (Tabla 3) se puede deducir que son cambios poco significativos y por eso no representa un efecto sobre la estabilidad de las emulsiones. En la Figura 6, correspondiente a la prueba reológica para el sabor tropical, se observa que los valores de viscosidad se encuentran en un rango entre 0.03 y 0.12 𝑝𝑎. 𝑠 y siguen un comportamiento de descenso lineal con una pendiente que se encuentra en promedio alrededor de −2.7 10!! 𝑃𝑎 . 𝑠 lo cual es poco significativo. (McClements, 2005)

Figura 6 Comportamiento de la viscosidad respecto a la velocidad de cizallamiento para las emulsiones Tropical. Dígito 1: 0.96 𝒈/𝒄𝒎𝟑. Dígito 2: 0.98 𝒈/𝒄𝒎𝟑. Dígito 3: 1.00 𝒈/𝒄𝒎𝟑. Dígito A: 15% (p/p). Dígito B: 18% (p/p).

Las muestras con una concentración de emulsificante B representan los valores más altos de viscosidad, con una diferencia considerable con el resto de las formulaciones. Lo anterior se puede explicar por el tamaño de partícula, puesto que a mayor diámetro de la gota menor la viscosidad de la muestra. En la Figura 7 correspondiente al sabor toronja, el comportamiento es similar al de la Figura 6; sin embargo, para la muestra identificada con la formulación GB1, el valor de viscosidad tiene un cambio significativo, lo que muestra que la interacción

0.01$

0.1$

1$ 10$ 100$ 1000$

Vis

cosi

dad

(Pa

s)

Velocidad de Cizalla (1/s)

TIA1 TIA2 TIA3 TIB1 TIB2 TIB3

entre el nivel B y el sabor toronja es más afín, considerando que a mayor sea el valor de la viscosidad más alta la resistencia al cambio del sistema en el tiempo.

Figura 7 Comportamiento de la viscosidad respecto a la velocidad de cizallamiento para las emulsiones Toronja. Dígito 1: 0.96 𝒈/𝒄𝒎𝟑. Dígito 2: 0.98 𝒈/𝒄𝒎𝟑. Dígito 3: 1.00 𝒈/𝒄𝒎𝟑. Dígito A: 15% (p/p). Dígito B: 18% (p/p).

Adicionalmente las muestras con una concentración de emulsificante nivel A en la Figura 7 tienen una viscosidad menor a las observadas en la Figura 6. Por esta razón se puede corroborar lo observado en las pruebas microscópicas, que el agente tensioactivo, reflejan un efecto en las propiedades de la emulsión que puede resultar favorable para ciertas combinaciones. No obstante, la variable de formulación relacionada con el agente de peso no es significativa en las pruebas reológicas, por la cual se puede relacionar que la diferencia en el tamaño de partícula no afecta o favorece la de la muestra. Aunque el tamaño de partícula tiene una relación directa con la viscosidad, no representa un efecto negativo sobre el sistema de las emulsiones que pueda alterar la estabilidad de las mismas, puesto que en promedio la viscosidad del mes cinco es 1.15 veces menor que la medida en el mes 0, un valor relativamente pequeño; adicionalmente, el cambio en la pendiente no es significativo y el comportamiento entre las formulaciones es el mismo. A nivel microscópico si se evidencia un cambio en el tamaño de partícula de las emulsiones, pero al evaluar su influencia a nivel macroscópico o molecular, se puede determinar que las emulsiones no están sufriendo una ruptura en la estructura que pueda alterar la estabilidad de la misma. Considerando las diferentes respuestas en las caracterizaciones, se puede observar cierta tendencia sobre el efecto de las variables de formulación que podría significar un resultado positivo para los fabricantes de las emulsiones. Aunque existe cierta variación en cuanto al tipo de aceite empleado, la relación de éste con el surfactante y los agentes de peso permiten establecer diferencias, en la que ciertas combinaciones resultan más efectivas que otras.

0.01$

0.1$

1$ 10$ 100$ 1000$

Vis

cosi

dad

(Pa

s)

Velocidad de Cizalla ( /s)

GIA3 GIA1 GIA2 GIB1 GIB2 GIB3

4. Conclusiones Aunque se evidenció un cambio en el tamaño de partícula de las emulsiones relacionado con el aumento del diámetro de las gotas y por consecuente la disminución en la viscosidad del sistema, se puede establecer que para algunas formulaciones dicho comportamiento no fue tan marcado. La emulsión que presento mejor estabilidad fue aquella con una concentración de surfactante nivel B y una densidad intermedia. Lo anterior demuestra la importancia de escoger de manera correcta las materias primas, considerando los resultados obtenidos para las diferentes formulaciones. Los cambios en las propiedades medidas a través del tiempo no fueron significativas, por ello se puede demostrar que las muestras conservan una estabilidad a través del tiempo. 5. Referencias bibliográficas Albert Monferrer, J. V. (2002). Aditivos Alimentarios. Tecnología de Alimentos, 240.

Ali R. Taheriana, b. P. (2006). Journal of Food Engineering, 77(3), 687-696.

Aranberri, I. B. (2006). Elaboración y caracterización de emulsiones estabilizadas por polimeros y agentes tensioactivos. Revista Iberoamericana de Polímeros, 7, 231.

Arthur W. Adamson, G. M. (1979). Química física.

Barnes, H. (2000). Handbook of Elementary Rheology . Inglaterra: University of Wales,Institute of Non-Newtonian Fluid Mechanics.

Becher, P. (1957). Emulsions : Theory and practice . New York: Reinhold Publishing Corporation.

Bo Wanga, L. W. (1 de Agosto de 2011). Effect of gum Arabic on stability of oil-in-water emulsion stabilized by flaxseed and soybean protein. Carbohydrate Polymers, 86(1), 343-351.

Given, P. S. (2009). Encapsulation of Flavors in Emulsions for Beverages. Current Opinion in Colloid & Interface Science, 14, 43-47.

Gomez M. V, V. S. (2008). Distribución del tamaño de micropartículas lipídas sólidas de ácido esteárico obtenidas por fusión-emulsificación. Asociación Farmacéutica Mexicana, 39(4), 32-41.

Hamed Mirhosseinia, C. P. (2008). Influence of pectin and CMC on physical stability, turbidity loss rate, cloudiness and flavor release of orange beverage emulsion during storage. Carbohydrate Polymers, 73, 83-91.

Hans-Jrgen Butt, K. G. (2006). Physics and Chemistry of Interfaces. Wiley-VCH.

I. Aranberri, B. B. (2006). Elaboración y caracterización de emulsiones estabilizadas por polimeros y agentes tensioactivos. Revista Iberoamericana de Polímeros, 7, 231.

Land, P. P. (2007). Model Studies on the Release of Aroma Compounds from Structured and Nonstructured Oil Systems Using Proton-Transfer Reaction Mass Spectrometry. Agricultural and food chemestry, 55(5).

Marlon V. Gomez, S. V. (2008). Distribución del tamaño de micropartículas lipídas sólidas de ácido esteárico obtenidas por fusión-emulsificación. Asociación Farmacéutica Mexicana , 39(4), 32-41.

McClements, D. J. (2005). Food emulsions : principles, practices, and techniques. Boca Raton .

Monferrer, A. V. (2002). Aditivos Alimentarios. Tecnología de Alimentos, 240.

Pascale Land, P. P. (2007). Model Studies on the Release of Aroma Compounds from Structured and Nonstructured Oil Systems Using Proton-Transfer Reaction Mass Spectrometry. Agricultural and food chemestry, 55(5).

Skoog D. A, S. R. (2008). Principios de analisis instrumental. México D.F. Cengage Learning.

Taheriana, A. R. (2006). Journal of Food Engineering, 77(3), 687-696.

Valladares, S. M. (2005). Estabilidad de emulsiones relacionada con el proceso de deshidratación de crudos. Universidad de los Andes , 134.

Videla, F. A. (2011). Desarrollo de técnicas de espectroscopía de scattering óptico y de resonancia plasmónica para la determinación de tamaño de micro y nanopartículas . Universidad Nacional de La Plata , 245.

5. Anexo

Figura 2Comportamiento de la viscosidad de la fase interna respecto a la velocidad de cizallamiento para emulsiones aceite-agua con una formulación GIB1a través del tiempo

Figura 3 Comportamiento de la viscosidad de la fase interna respecto a la velocidad de cizallamiento para emulsiones aceite-agua con una formulación GIB2 a través del tiempo

0.04$1$ 10$ 100$ 1000$

Viscosidad

((Pa(s)

(

Velocidad(de(Cizalla((1/s)(

GIB1)Mes)0$

GIB1)Mes)1$

GIB1)Mes$3$

GIB1)Mes$4$

GIB1)Mes$5$

0.06$1$ 10$ 100$

Viscosidad

((Pa(s)(


GIB2*Mes*0$

GIB2*Mes*1$

GIB2*Mes*2$

GIB2*Mes$5$

Figura 4 Comportamiento de la viscosidad de la fase interna respecto a la velocidad de cizallamiento para emulsiones aceite-agua con una formulación GIB3 a través del tiempo

Figura 5 Comportamiento de la viscosidad de la fase interna respecto a la velocidad de cizallamiento para emulsiones aceite-agua con una formulación TIA1 a través del tiempo

0.05$1$ 10$ 100$ 1000$

Viscosidad

((Pa(s)

(


GIB3*Mes*0$

GIB3*Mes*1$

GIB3*Mes$5$

GIB3*Mes$2$

0.02$1$ 10$ 100$ 1000$

Viscosidad

((Pa(s)(


TIA1)Mes)0$

TIA1)Mes$3$

TIA1)Mes$4$

TIA1)Mes$5$



0"

0.02"

0.04"

0.06"

1" 10" 100" 1000"

Viscosidad

((Pa(s)(


TIA2+Mes+0"

TIA2+Mes"3"

TIA2+Mes"4"

TIA2+Mes"5"

0.02$1$ 10$ 100$ 1000$

Viscosidad

((Pa(s)(


TIA3*Mes*0$

TIA3*Mes*1$

TIA3*Mes$3$

TIA3*Mes$4$

TIA3*Mes$5$

Figura 8 Comportamiento de la viscosidad de la fase interna respecto a la velocidad de cizallamiento para emulsiones aceite-agua con una formulación TIB1 a través del tiempo


0.03$1$ 10$ 100$ 1000$

Viscosidad

((Pa(s)(


TIB1)Mes)0$

TIB1)Mes)1$

TIB1)Mes$4$

TIB1)Mes$5$

0.02$

0.2$

1$ 10$ 100$ 1000$

Viscosidad

((Pa(s)(


TIB2)Mes)0$

TIB2)Mes)1$

TIB2)Mes)2$

TIB2)Mes$5$


Figura 11 Comportamiento de la viscosidad de la fase interna respecto a la velocidad de cizallamiento para emulsiones aceite-agua con una formulación GIA1 a través del tiempo

0.05$1$ 10$ 100$ 1000$

Vis

cosi

dad

(Pa

s)

Velocidad de Cizalla (1/s)

TIB3*Mes$0$

TIB3*Mes$1$

TIB3*Mes$5$

TIB2*Mes$2$

0.02$1$ 10$ 100$ 1000$

Viscosidad

((Pa(s)(


GIA1)Mes)0$

GIA1)Mes$4$

GIA1)Mes$5$



0.03$1$ 10$ 100$ 1000$

Viscosidad

((Pa(s)(


GIA2*Mes*0$

GIA2*Mes$4$

GIA2*Mes$5$

0.025%1% 10% 100% 1000%

Viscosidad

((Pa(s)(


GIA3+Mes+0%

GIA3+Mes%4%

GIA3+Mes%5%

Figura 14Distribución de tamaño de partícula para emulsiones aceite-agua con una formulación GIB1 a través del tiempoa través del tiempo

Figura 15 Distribución de tamaño de partícula para emulsiones aceite-agua con una formulación GIB2 a través del tiempo

0.01$

2.01$

4.01$

6.01$

8.01$

10.01$

12.01$

0.01$ 0.1$ 1$ 10$

Distrib

ución+en

+Volum

en+

Tamaño+(nm)+

GIB1; D(4,3)=0,79µm

GIB1 Mes1; D(4,3)=0,79µm

GIB1 Mes3; D(4,3)=1.06

GIB1 Mes4; D(4,3)=1.01

GIB1 Mes5; D[4,3]=1,14µm

0.01$

2.01$

4.01$

6.01$

8.01$

10.01$

12.01$

0.1$ 1$ 10$

Distrib

ución+en

+Volum

en+

Tamaño+(nm)+

GIB2;$D(4,3)=0,78μm$

GIB2$Mes1;$D(4,3)=0,92μm$

GIB2$Mes2;$D(4,3)=0,77μm$

GIB2$Mes5;$D(4,3)=1.87μm$

Figura 16 Distribución de tamaño de partícula para emulsiones aceite-agua con una formulación GIB3 a través del tiempo

Figura 17 Distribución de tamaño de partícula para emulsiones aceite-agua con una formulación TIA1 a través del tiempo

0.01$

1.01$

2.01$

3.01$

4.01$

5.01$

6.01$

7.01$

8.01$

9.01$

10.01$

0.1$ 1$ 10$

Distrib

ución+en

+Volum

en+

Tamaño+(nm)+

GIB3;$D(4,3)=1,04μm$

GIB3$Mes1;$D(4,3)=1,49μm$

GIB3$Mes2;$D(4,3)=1.06μm$

GIB3$Mes$5$D(4,3)=1,44$μm$

0.01$

1.01$

2.01$

3.01$

4.01$

5.01$

6.01$

7.01$

8.01$

9.01$

0.1$ 1$ 10$

Distrib

ución+en

+Volum

en+

Tamaño+(nm)+

TIA1;$D(4,3)=1,24μm$

TIA1$Mes$4;$D(4,3)=1.37$

TIA1$Mes5;$D(4,3)=1,28μm$



0.1$

2.1$

4.1$

6.1$

8.1$

10.1$

12.1$

0.1$ 1$ 10$

Distrib

ución+en

+Volum

en+

Tamaño+(nm)+

TIA2;$D(4,3)=0,83μm$

TIA2$Mes3;$D(4,3)=1,14$

TIA2$Mes4;D(4,3)=1,41μm$

TIA28Mes$5$

0.01$

2.01$

4.01$

6.01$

8.01$

10.01$

12.01$

0.1$ 1$ 10$

Distrib

ución+en

+Volum

en+

Tamaño+(nm)+

TIA3;$D(4,3)=1,41μm$

TIA3$Mes1;$D(4,3)=0,89μm$

TIA3$Mes3;D(4,3)=1,39μm$

TIA3$Mes4;$D(4,3)=1.48μm$

TIA3$Mes5;D(4,3)=1,18μm$

Figura 20 Distribución de tamaño de partícula para emulsiones aceite-agua con una formulación TIB1 a través del tiempo


0.01$

2.01$

4.01$

6.01$

8.01$

10.01$

12.01$

0.1$ 1$ 10$

Distrib

ución+en

+Volum

en+

Tamaño+(nm)+

TIB1;$D(4,3)=1,21μm$TIB1$Mes1;$D(4,3)=0,87μm$TIB1$Mes4;$D(4,3)=1.26μm$TIB1$Mes5;D(4,3)=1,42μm$


Figura 23 Distribución de tamaño de partícula para emulsiones aceite-agua con una formulación GIA1 a través del tiempo

0.01$

1.01$

2.01$

3.01$

4.01$

5.01$

6.01$

7.01$

8.01$

9.01$

10.01$

0.1$ 1$ 10$

Distrib

ución+en

+Volum

en+

Tamaño+(nm)+

TIB3;$D(4,3)=1,11μm$

TIB3$Mes1;$D(4,3)=1,53μm$

TIB3$Mes2;$D(4,3)=1.17μm$

TIB3$Mes5;$D(4,3)=1.53μm$

0.01$

2.01$

4.01$

6.01$

8.01$

10.01$

12.01$

0.1$ 1$ 10$

Distrib

ución+en

+Volum

en+

Tamaño+(nm)+

GIA1;$D(4,3)=0,89μm$

GIA1$Mes4;$D(4,3)=1.14μm$

GIA1$Mes5;$D(4,3)=1,01m$



0.01$

1.01$

2.01$

3.01$

4.01$

5.01$

6.01$

7.01$

8.01$

9.01$

0.1$ 1$ 10$

Distrib

ución+en

+Volum

en+

Tamaño+(nm)+

GIA2;$D(4,3)=1,11μm$

GIA3$Mes$4;$D(4,3)=1,57μm$

GIA2$Mes5;$D(4,3)=1,28μm$

0.01$

1.01$

2.01$

3.01$

4.01$

5.01$

6.01$

7.01$

0.1$ 1$ 10$

Distrib

ución+en

+Volum

en+

Tamaño+(nm)+

GIA3;$D(4,3)=1,69μm$

GIA3$Mes$4;$D(4,3)=1,57μm$

GIA3$Mes5;D(4,3)=2,66m$

Figura 26 Medida del espectro de una emulsión aceite-agua con una formulación GIB1a través del tiempo

Figura 27 Medida del espectro de una emulsión aceite-agua con una formulación GIB2 a través del tiempo.

1"

1.5"

2"

1000" 1200" 1400" 1600" 1800" 2000" 2200" 2400"

Absorban

cia*

Longitud*de*Onda*(nm)*

GIB1-Mes-0

GIB1-Mes-1

GIB1-Mes 4

GIB1-Mes 3

GIB1-Mes 5

1"

1.5"

2"

1000" 1200" 1400" 1600" 1800" 2000" 2200" 2400"

Absorban

cia*


GIB2-Mes-0"

GIB2-Mes-1"

GIB2-Mes-2"

GIB2-Mes"5"

Figura 28 Medida del espectro de una emulsión aceite-agua con una formulación GIB3 a través del tiempo.

Figura 29 Medida del espectro de una emulsión aceite-agua con una formulación TIA1 a través del tiempo.

1"

1.5"

2"

1000" 1500" 2000" 2500"

Absorban

cia*


GIB3+Mes+0"

GIB3+Mes+1"

GIB3+Mes+2"

GIB3+"Mes"5"

1"

1.5"

2"

1000" 1200" 1400" 1600" 1800" 2000" 2200" 2400"

Absorban

cia*


TIA1-Mes-0"

TIA1-Mes"3"

TIA1-Mes"4"

TIA1-Mes"5"

Figura 30 Medida del espectro de una emulsión aceite-agua con una formulación TIA2 a través del tiempo.


1"

1.5"

2"

1000" 1200" 1400" 1600" 1800" 2000" 2200" 2400"

Absorban

cia*


TIA2-Mes-0"

TIA2-Mes"3"

TIA2-Mes"4"

TIA2-Mes"5"

1"

1.5"

2"

1000" 1500" 2000" 2500"

Absorban

cia*


TIA3+Mes+0"

TIA3+Mes+1"

TIA3+Mes"3"

TIA3+Mes"4"

TIA3+Mes"5"

Figura 32 Medida del espectro de una emulsión aceite-agua con una formulación TIB1 a través del tiempo.


1"

1.5"

2"

1000" 1200" 1400" 1600" 1800" 2000" 2200" 2400"

Absorban

cia*


T1IB-Mes-0"

TIB1-"Mes"-1"

TIB1-"Mes"4"

TIB1-"Mes"5"


Figura 35 Medida del espectro de una emulsión aceite-agua con una formulación GIA1 a través del tiempo.

1"

1.5"

2"

1000" 1200" 1400" 1600" 1800" 2000" 2200" 2400"

Absorban

cia*


T3IB.Mes.0"

TIB3.Mes.1"

TIB3.Mes.2"

TIB3.Mes.5"

1"

1.1"

1.2"

1.3"

1.4"

1.5"

1.6"

1.7"

1.8"

1.9"

2"

1000" 1200" 1400" 1600" 1800" 2000" 2200" 2400"

Absorban

cia*


GIA10Mes00"

GIA10Mes"4"

GIA10Mes"5"



1"

1.5"

2"

1000" 1500" 2000" 2500"

Absorban

cia*


GIA2*Mes*0"

GIA2*Mes"4"

GIA2*Mes"5"

1"

1.5"

2"

1000" 1500" 2000" 2500"

Absrob

ancia*


GIA3+Mes+0"

GIA3+Mes"4"

GIA3+Mes"5"

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