EMULSIÓN Y HOMOGENEIZACIÓN

EMULSIÓN• Sistema que comprende al menos dos líquidos no miscibles,

donde un de ellos está dispersado en el otro en forma de gotitas y estabilizado por un agente emulsificante

• La interfase se crea mediante un aporte de energía

• La presencia de un emulsificante permite la:- Disminución de la tensión interfacial entre fases- Formación de una capa protectora de las gotitas

Gotita de aceitePor ejemplo las proteínas difunden muy rápidamente a la interfase y

se adsorben.Velocidad de migración 10-3 - 10-4 s

Capa viscoelástica

Emulsiones son sistemas muy complejos

Aceite y agua Proteínas Polisacáridos Agentes emulsificantes de bajo peso molecular Sales Azúcares simples Alcohol Agentes antimicrobianos Colorantes Aromas

Las emulsiones se puede clasificar por el tamaño de los glóbulos de la fase dispersa:

Categoría IMacroemulsion

esCategoría II

MiniemulsionesCategoría III

Microemulsiones

Principal constituyente

Aceite,agua, emulsificante

Aceite,agua, emulsificante, coemulsificant

e

Aceite,agua, emulsificante, coemulsificant

eTamaño de los glóbulos (m) 0.2-50 0.1-0.4 0.01-0.1Tipo O/W W/O O/W W/O O/W W/OEstabilidad Termodinámica

InestableInestables

(+ estables que I)

Estables

más común en alimentos transparentes

Aumenta la estabilidad (disminuye tamaño)

Clasificación de emulsiones por %V de la fase interna+

LIPRRazón de fase interna baja

MIPRRazón de fase interna medio

HIPRRazón de fase

interna alto

Rango <0.3 0.3<<0.7 >0.7

Ejemplos Leche, helados

Mantequilla, margarina

Mayonesa, aderezos

(fracción volumétrica de la fase dispersa): relación entre el volumen de la fase dispersa y el volumen total de la emulsión

Agente emulsificante Para tener una emulsión estable en el tiempo es preciso

adicionar un agente emulsificante Compuesto anfífilico: grupos polares y grupos no polares

que le permiten adsorberse y orientarse en la interfase aceite/agua

Agente emulsificante reduce la tensión interfacial y protege la emulsión

Tipos de emulsificantes: naturales y sintéticos www.codexalimentarius.com

Industria alimentaria: dos grandes categorías Emulsificantes de bajo peso molecular (monoglicéridos,

polisorbatos y lecitina)

Emulsificantes macromoléculares como las proteínas (huevo, leche y soya)

Emulsificantes de bajo PM: migran más rápido que proteínas, son moléculas más pequeñas pero las características de la capa formada entre las dos fases no son iguales.

Proteínas: film viscoelástico, muy resistente. Algunas proteínas forman multicapas.

Emulsificantes de bajo PM: film más rígido.

(1) migración y adsorción de la proteína a interfase

(2) reacomodo y formación enlaces intermoleculares

proteína

aceite

aguaagua

aceite

Para caracterizar el agente emulsificante: HLB: balance hidrofílico - lipofílico oscila de 1-20 : 3-6 W/O y 8-18 O/W

HLB 1-9: lipofílicos HLB 8-11 intermedios HLB 11-20: hidrofílicos

Se requiere que el agente emulsificante sea: inodoro, incoloro e insípido, no tóxico y estable en el proceso

Tipos de agentes emulsificantes de bajo peso molecular

Iónico No iónico Anfotérico *Sales de ácidos grasos (E470) Monoglicéridos (E471) Lecitina (E322)Lactilato-2-estearil de sodio Polisorbato 60 (E435)o calcio (E 481 o E482) Polisorbato 65 (E436)Ésteres tártricos y diacetil Polisorbato 80 (E433)de monoglicéridos (DATEM, E472) Span 60 (E491) Span 65 (E492)* Carga nula a pH neutro

 

Desventaja de los iónicos: reaccionan con partículas cargadas positivamente

Hidrocoloides aumentan viscosidad y favorecen estabilidad

Para mezcla de dos sustancias: (1) HLB 1 y (2) HLB 2HLB M = m1(HLB1) + m2(HLB2)

Para preparar una emulsión: Se requiere trabajo para superar la resistencia a la creación de

nuevas interfases Trabajo para creación de nuevas superficies

Se requiere de energía mecánica (fuerzas de cizalla importantes) para formar las gotas pequeñas y aumentar el área interfacial

El trabajo se realiza sometiendo la mezcla a un mezclado violento durante un tiempo determinado que depende de la formulación y técnica empleada

Efecto cizalla provoca deformación de las gotas

Emulsión se estabiliza impidiendo coalescencia y asegurando gotas pequeñas y de tamaño uniforme

Para la emulsión se debe considerar:o Agente emulsificante debe favorecer la emulsión

requeridao Temperatura de emulsión: μ y tensión interfacial

disminuyen o Al aumentar HLB, aumenta o mejora dispersabilidad en

agua

Aplicación

Capacidad de emulsificación y estabilidad de la emulsión: dependen de la cantidad de aceite emulsificada por unidad de masa emulsificante

Valor HLB Aplicaciones

3-67-9

8-1513-1515-18

W/OAgentes humectantesO/WDetergentesSolubilizantes

Equipos de emulsificación

1. Mezcladores de rotor• De hoja en z para masas• Tanques rotativos para mantequilla• Mezcladores de líquidos a alta velocidad para poco

viscosos: elaboración y premezclas de aderezos, cremas, mayonesa, quesos fundidos

2. Molinos coloidales• Compuesto por un elemento estacionario y otra

rotatorio; entre ellos queda un pequeño hueco ajustable a través del cual se pasa la premezcla

• Al pasar entre las superficies el fluido es sometido a fuerzas de cizalla y turbulencia importantes que producen la emulsión

• La separación normalmente es de 50 a 150 μm• La alimentación entra por el centro de rotación por

acción de la fuerza de gravedad, pasa por la ranura y se descarga por la periferia

• Líquidos poco viscosos: el rotor gira sobre eje horizontal. La velocidad varía de 3000 rpm a 15000 rpm

• Líquidos viscosos (molinos para pastas): el rotor gira sobre eje vertical. La velocidad del rotor varía de 3000 rpm a 10000 rpm

Líquidos poco viscosos

Productos más viscosos Rotor gira sobre un eje verticalPermite una descarga del producto y limpieza más fácil

Rotor gira sobre un eje horizontal

2. Molinos colidales (cont)

• Las superficies generalmente son acero inoxidable pulido

• Los molinos pueden estar dotados de camisas de

refrigeración

• Se producen emulsiones finas de 1 a 2 μm

• Como desventaja pueden producir la incorporación de aire, lo que afecta el funcionamiento del equipo y la formación de espuma

• Algunos molinos tienen los elementos con ondulaciones para producir una emulsión progresiva y minimiza la aireación en el producto

2. Molinos colidales (cont)

• Hay muchos diseños de molinos (diferentes elementos, alimentación contracorriente al movimiento del rotor)

• Los molinos coloidales son más efectivos que los homogeneizadores a presión para viscosos (>1 Nsm-2) entre 0.2 y 1 Nsm-2 se pueden usar los dos equipos

• Los molinos se usan para aderezos, mayonesas, cremas

• Los de pastas se usan también para reducción de tamaño (pasta de carne y pescado, frutas)

3. Homogeneizadores a presión

• Se fuerza el paso de la emulsión bruta a gran velocidad a través de una ranura muy estrecha

• Está compuesto por una válvula de homogeneización (o dos válvulas) y una bomba de alta presión (desplazamiento positivo)

• Válvula proporciona abertura ajustable del orden de 15 a 30μm y a través de ella se hace pasar la mezcla a alta presión (hasta 69 MNm-2)

• Se alcanzan altas velocidades (50-200 ms-1)

Válvula de primer efecto, tipo Menton Gaulin

3. Homogeneizadores a presión• Algunos equipos poseen una superficie perpendicular a la

salida de la ranura donde chocan las partículas• Hay un cambio grande de presión• Efecto produce gran cizalla que rompe las gotas

(presencia de otros fenómenos)• Se usan para productos lácteos (leche, helados, crema

de bajo % en grasa, aderezos, sopas de crema, salsas, etc.)

• Generalmente para productos poco viscosos (<0.2 Nsm-2)

Homogeneización en dos etapas : óptima eficiencia

• Para productos lácteos y aderezos de ensaladas en los que proteínas actúan como emulsificantes

• Las gotitas que salen de la primera válvula tienden a agregarse formando aglomerados

• Se debe a mala distribución del emulsificante en la superficie recién creada y glóbulos de grasa

• La segunda válvula los separa, se usa una baja presión (2.8-3.4 MNm-2)

• Los mejores resultados se obtiene con la relación P2/P1 = 0.2P1 P2

Homogeneización clásica: 20-60 MPa

UHPH o Altas presiones dinámicas

HPH: 100 - 200 MPa UHPH: hasta 350 - 400 MPa

Ventajas :

Modificación de las propiedades físico-

químicas de los biopolímeros

Paquin (1999)Floury et al. (2002, 2003)Gràcia-Julià et al. (2008)

Homogeneización con ultra-alta presión (UHPH)

Inactivación microbiana

Vachon et al. (2002)Picart et al. (2006)Briñez et al. (2007)

Inactivación enzimática

Hayes & Kelly (2003) Picart et al. (2006)Pereda et al. (2008)

Cabeza de la válvula

Asiento

Gap / Espacio de la válvulaLa Energía Potencial (~ P) corresponde a la caída de presión durante el paso del fluido por la válvula AP (P1 – P2).

La restricción de la tubería aumenta la velocidad del fluido. Aumento de la velocidad hasta 250 m/s

(Ecuación de Poiseuille). Generación de fuerzas de cizalla elongacionales entre capas (107 - 109

s-1). Calentamiento de corta duración del fluido à la salida de la válvula HP (<< 0,5 s).

En salida del gap turbulencias cavitación impactos recirculación del fluido Fluido homogeneizado

Zona de baja presión (P2)

P1 , T1

P2 , T2

UHPH: Fenómenos físicos presentes

Válvula APStanted Fluid

Power Ltd.

Fluido sin homogeneizar Zona de alta presión (P1)

Gap / espacio de la válvula• 10 μm / 1-2

MPa• 2 μm / 300

MPa

Microscopía fotónica

Microscopía de fuerza atómica (AFM)

200 MPa 2 pasos

Pre-emulsión Control B

Emulsión con 30% (m/m) de aceite

Cortés et al., 2009UHPH: permite producir

nanoemulsiones

4. Homogeneizador de hidrocizalla• Cámara cilíndrica con orificio de alimentación

tangencial en el centro y dos toberas de descarga cónicas en los extremos

• La corriente de alimentación entra por orificio estrecho a alta velocidad

• Se usan bombas con presiones de hasta 1750 KNm-2

• El líquido recorre la cámara en forma de espiral aumentando la velocidad y entre capas adyacentes se forma gran cizalla

• En el centro se crea zona de baja presión rodeada por otra de cavitación intensa

• Producto de lo anterior se rompe las gotas produciendo tamaños de 2 a 8 μm

5. Equipos ultrasónicos• Cuando se somete un líquido a una frecuencia acústica

mayor que las audibles (16kHz) se ve sometido a ciclos sucesivos de expansión y compresión. Esto produce cavitación

• La cavitación hace que las burbujas se colapsen• El sistema que más se emplea para generar la onda

ultrasónica es el mecánico.

5. Equipos ultrasónicos (cont.)

• El más utilizado es el resonador de cuña: a través de una boquilla se bombea el líquido; el chorro que sale se hace chocar contra una cuchilla filosa en forma de cuña haciéndola vibrar

• El líquido llega a la boquilla por una bomba a presiones de 350 a 1500 kNm-2

• La frecuencia de vibración es de 18-30 kHz

• El tamaño de las gotas de 1 a 2 μm

• Se usan para aderezos, mezclas de helados, sopas de cremas, emulsiones de aceites esenciales, chocolate, cremas y alimentos infantiles

6. Emulsificación a través de membranas

• Para emulsiones poco concentradas• Demanda poca energía• Poro de tamaño constante• Es posible obtener tamaños de 0.2 µm

6. Emulsificación a través de membranas

• Según el tipo de membrana (hidrófoba o hidrofílica) se pueden fabricar emulsiones O/W o W/O

• Sirve para productos sensibles a las fuerzas de cizalla porque el stress es bajo

• Posibilidad de producir emulsiones monomodales o monodispersas: mayor estabilidad