B.3.a. Tamaño de partícula.
Soles: 1-500 nm
Suspensiones: >500 nm
Emulsiones: 100-10,000 nm
Espumas: 1000 nm – varios
centímetros (diámetros de las burbujas de la espuma)
B.3.b. Distinción de fases.
Las dos fases que forman los
sistemas coloidales se distinguen por los términos de fase dispersa, para la
fase que forman las partículas, y fase continua al medio en el cual se
encuentran distribuidas. En términos más técnicos, un coloide es una dispersión
de partículas muy finas de un sistema en el seno de otro.
Un sistema es inestable cuando
presenta descremado, floculación o coalescencia en donde existe separación
(distinción) de las fases.
Se
distinguen claramente dos fases, la fase
continua, que por lo general es una fase acuosa y una o más fases dispersas que en general son macro y
micropartículas de sólidos dispersos homogéneamente por toda la fase continua.
Dos
teorías moleculares, la teoría de Frenkel y la teoría de Langmuir tratan de relacionar la energía total de
superficie US, con la cohesión molecular en los líquidos.
La
teoría de Frenkel establece que la estabilidad depende de las características
de la interfase, distribución de tamaño de las partículas, µ de la fase
continua, relación fase-volumen y diferencia de densidad entre las fases.
2. Fase
dispersa
Similarmente
la fase dispersa puede ser sólida, líquida o gaseosa, conduciendo a una serie de
posibles sistemas dispersos. Los humos de una chimenea, de un cigarro y los
polvos, por ejemplo, consisten de partículas sólidas dispersas en un medio
gaseoso, el aire. Mientras que en la niebla, la llovizna y las nubes son
sistemas formados por pequeñísimas gotas de agua que representan la fase dispersa
líquida suspendidas en un gas; tales sistemas se denominan aerosoles.
B.3.c. Superficie activa.
La actividad superficial es la
fuerte adsorción de sustancias hidrofílicas e hidrofóbicas a las superficies o
interfaces en forma de una capa monomolecular orientada (o monocapa). Las
sustancias con actividad superficial (o surfactantes) son moléculas con partes
polares y no polares (anfifílicas). La actividad superficial es un fenómeno
dinámico, puesto que el estado final de una superficie o interfase representa
un equilibrio entre las tendencias a la adsorción y la tendencia hacia la
disolución completa debido a la agitación térmica de las moléculas.
B.3.d. Energía de
superficialidad.
La tensión superficial y la energía
libre superficial pueden definirse como el trabajo necesario para aumentar a
temperatura constante y de modo reversible el área de una superficie en una
unidad.
Las
tensiones interfaciales normalmente tienen valores situados entre los de las
tensiones superficiales de los dos líquidos en cuestión.
El
promedio de la vida media de una molécula en la superficie de un líquido es
alrededor de 10-6 segundos.
La energía de superficie se define
como el trabajo necesario para aumentar en 1cm2 la superficie libre
del líquido. Coincide con el valor numérico de la tensión superficial y se
puede expresar en ergios/cm2 o en dinas/cm.
B.3.e. Estabilidad.
La estabilidad de una dispersión
alimenticia depende de las características de interface, distribución del
tamaño de las partículas, viscosidad de la fase continua, relación fase-volumen
y diferencia de densidad entre las fases.
Mientras
menor sea la tensión superficial o interfasial que exista, más estable es el
sistema. Las proteínas se utilizan para disminuir la tensión interfasial y
superficial.
Cuanto
más viscoso o espeso sea el sistema, mayor será su estabilidad. Los
polisacáridos se emplean como espesantes en sistemas polidispersos.
ESTABILIDAD
DE UN SOL
La
estabilidad de un sol con partículas cargadas requiere que las fuerzas de
repulsión entre las de idéntica carga superen las de atracción. Cuando dos
partículas cargadas están muy próximas al solaparse las dobles capas, éstas
actúan recíprocamente, se incrementa la energía libre e intensifica la energía
potencial de repulsión. Disminuye la estabilidad de los soles proteicos cuando
se ajusta el pH de forma que se reduzcan las cargas netas de las partículas.
ESTABILIDAD
DE LAS EMULSIONES
Cabe
que se produzcan cambios físicos en las gotitas dispersas durante el
almacenamiento de las emulsiones alimenticias, con la posterior disminución de
su calidad. Los cambios de estabilidad de las emulsiones alimenticias pueden
desarrollarse a través de los procesos de descremado, floculación y
coalescencia.
El
fenómeno de descremado conlleva la flotación o sedimentación de las gotitas
emulsionadas y dispersas y, finalmente, hay el peligro de que el sistema se
transforme en dos capas de emulsión, una más rica y otra más pobre en la fase
dispersa que en la emulsión inicial. La velocidad de descremado depende de la
diferencia de densidades entre la fase dispersa y la fase continua, el tamaño
de la gotita y la µ de la fase continua.
La
floculación es la aglomeración de gotitas para formar grumos indefinidos e
irregulares, ya que al producirse aquella aumenta el tamaño de la gotita, con
lo que resulta favorecida la velocidad de descremado. Por lo general, las
gotitas reunidas pueden dispersarse por mezcla o agitación hasta disminuir las
débiles fuerzas (de Van der Waals) entre las gotitas responsables de la
floculación.
La
coalescencia, unión irreversible de diminutas gotitas para dar otras mayores,
ocurre después de la floculación si se ha roto la película de interfase
estabilizadora de agente emulsionante. La coalescencia es un proceso
termodinámicamente espontáneo y conduce finalmente a la separación de las dos
fases en dos capas distintas. La velocidad de coalescencia viene determinada
por la resistencia a la ruptura de la capa de interfase de emulsionante y por
la distorsión que puede suceder durante la agitación o congelación de la
emulsión.
Para
estabilizar las emulsiones frente al descremado, floculación y coalescencia, se
introduce una película resistente de interfase alrededor de cada gotita, se
añaden cargas eléctricas a las superficies de las mismas y se incrementa la viscosidad
de la fase continua.
La
resistencia, firmeza y elasticidad de las películas de interfase alrededor de
las gotitas afectan ampliamente a la estabilidad de una emulsión.
Así
mismo, las emulsiones se logran estabilizar frente a la floculación con cargas
electrostáticas en la superficie de las gotitas dispersas.
ESTABILIDAD
DE UNA ESPUMA
La
persistencia de una espuma, definida como el periodo de tiempo que una unidad
de volumen de gas puede permanecer en una espuma, está relacionada con la
resistencia de las paredes de los alveolos a las fuerzas de ruptura. Las
espumas son termodinámicamente inestables, puesto que la energía libre total
disminuye al descomponerse. La causa principal para que se desmorone una espuma
es que el líquido de las paredes de la burbuja disminuya hasta que una porción
de la pared alcance el grosor crítico, entre 50 y 150 °A , con lo cual se produce la coalescencia. Causan la pérdida de
líquido en las paredes la fuerza de la gravedad, el efecto de succión en la
periferia de la pared debida a la elevada curvatura, la evaporación del
disolvente y las fuerzas de deformación efectuadas por los movimientos del gas
(difusión) desde las burbujas pequeñas a otras mayores.
Para
elevar la estabilidad de una espuma se incrementa la elasticidad de la pared de
la burbuja, se aumenta la viscosidad de la solución y de la superficie de la
pared o se introduce materia en forma de partículas. La elasticidad guarda
relación con el cambio de tensión superficial que ocurre en respuesta a la
deformación de la pared de espuma. Se calcula el grado de elasticidad a partir
de la ecuación de Gibbs:
E = 2A dƔ
dA
Para
que una espuma sea estable, la tensión superficial debe cambiar rápidamente
para oponerse a cualquier fuerza que deforme las laminillas. Si la superficie
de una laminilla contiene moléculas adsorbidas de un espumante, cualquier
dilatación por una fuerza conduce a disminución de la concentración de las
moléculas superficiales. Como resultado, aumenta la tensión superficial y se
contrarresta la fuerza externa para inhibir una posterior dilatación. Después, las moléculas de la superficie del
espumante se desplazan desde una región de baja tensión superficial a una de alta
y arrastran con ellas a las moléculas de agua subyacentes, con lo que se
restablece el grosor inicial de la pared. Sin ninguna molécula adsorbida en la
superficie, la solución carecería de elasticidad. Un líquido puro pertenece a
esta categoría y, en consecuencia, no forma espuma.
Si
durante la deformación de la espuma, las moléculas del espumante se desplazan
de manera demasiado rápida desde la masa de la solución hasta las laminillas,
se destruye rápidamente el gradiente de tensión superficial y el agua que transfiere
es insuficiente para recuperar el grosor inicial de la laminilla. 'Sucede una
situación de este tipo en soluciones que contienen elevadas concentraciones de
espumante y éstas muestran baja estabilidad de la misma (Schukin, et. al.,
1988).
Las
gomas y proteínas (como gelatina) son excelentes estabilizadores que, a bajas
concentraciones (alrededor del 05. al 2%), aumentan con gran fuerza la viscosidad
de una solución. Se ha comprobado que los alcoholes primarios, la glicerina y
los éteres de la glicerina son especialmente eficaces para incrementar la
viscosidad de la superficie y la estabilidad de la espuma.
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