transiciones de fase en alimentos. -...

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TRANSICIONES DE FASE TRANSICIONES DE FASE EN ALIMENTOS EN ALIMENTOS. ALFREDO A. AYALA APONTE, Ph. D ALFREDO A. AYALA APONTE, Ph. D. Facultad de Ingeniería Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería de de Alimentos Escuela de Ingeniería de de Alimentos Universidad del Valle Universidad del Valle

Author: dinhtruc

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  • TRANSICIONES DE FASE TRANSICIONES DE FASE EN ALIMENTOSEN ALIMENTOS..

    ALFREDO A. AYALA APONTE, Ph. DALFREDO A. AYALA APONTE, Ph. D..

    Facultad de Ingeniera Facultad de Ingeniera Facultad de Ingeniera Facultad de Ingeniera Escuela de Ingeniera de de AlimentosEscuela de Ingeniera de de Alimentos

    Universidad del ValleUniversidad del Valle

  • TRANSICIONES DE FASE TRANSICIONES DE FASE (TF):(TF):

    Cambios en el estado fsico de un material (enalimentos son sus componente), los cuales tienen unefecto significativo en sus propiedades fsicas(viscosidad, calor especfico, propiedadestexturales, etc)

    DEFINICION:DEFINICION:

    ELEL TERMINOTERMINO TRANSICINTRANSICIN DEDE UNUN MATERIALMATERIAL((alimento)alimento)::

    se refiere a un cambio de su estado fsico (movilidadmolecular) , causado por un cambio en la temperaturao presin

  • EJEMPLOS: CONTROL DE LAS PROPIEDADES FUNDENTES DE GRASASCOMESTIBLES (CACAO).

    FENMENOS DE CRISTALIZACIN DE ALIMENTOS EN

    LOS ESTUDIOS DE TRANSICIONES DE FASE ENALIMENTOS Son relativamente recientes, tomandoimportancia para el mejoramiento de productos yprocesos.

    FENMENOS DE CRISTALIZACIN DE ALIMENTOS ENPOLVOS DESHIDRATADOS (ej. LECHE EN POLVO)

    PREVENCIN DEL APELMAZAMIENTO DE ALIMENTOS ENPOLVOS

    CONTROL DE LA TEXTURA (RELACIONADA CON LA CANTIDADDE HIELO) DE ALIMENTOS CONGELADOS

    ADECUACIN DE LA FORMULACIN DE PRODUCTOSAMILCEOS.

  • ESQUMA DEL MODELO FISICO DE UN ALIMENTO

    AZUCARES

    SALES

    BIOPOLMEROS(Almidn, protenas insolubles, celulosas, etc

    LIPIDOS

    -60 C 200CDependiendo del componente puede sufrir una TF de 1er o 2Orden

    Representacin idealizada de los componentes mayoritarios de un alimento

    OTROS SOLUTOS

    AGUA

  • TERMODINMICA DE LAS TRANSICIONES DE FASETERMODINMICA DE LAS TRANSICIONES DE FASE

    ESTADOS BSICOS ESTADOS BSICOS DE LA MATERIADE LA MATERIA

    La estructura de losslidos puede variar deformas muy simples aformas muy complejas:

    SLIDO SLIDO LQUIDO LQUIDO

    GASGAS

    SLIDO CRISTALINOSLIDO CRISTALINO

    SLIDOSLIDO

    SLIDO AMORFOSLIDO AMORFO

    ordenacin de tomos o molculas en verdaderos retculos cristalinos (equilibrio termodinmico)

    No hay ordenamiento tomos ymolculas (estado de no equilibrio oequilibrio metaestable).Puede estar: stado vtreo o gomosodependiendo de la temperatura.

  • ESTADOESTADO VTREOVTREO: molculas presentan un grado de inmovilidad similar al delos slidos cristalinos.

    ESTADO GOMOSO:ESTADO GOMOSO: la movilidad molecular aumenta drsticamente y el material adquiere propiedades mecnicas tpicamente visco elsticas.

    EL PASO DE VTREO A GOMOSO SE DENOMINA TRANSICIN EL PASO DE VTREO A GOMOSO SE DENOMINA TRANSICIN VTREAVTREA (transicin de segundo orden).

    A su vez, el material podr pasar de gomoso a lquido a la correspondiente temperatura de fusin.

    LA MXIMA ESTABILIDAD EN ALIMENTOSLA MXIMA ESTABILIDAD EN ALIMENTOS (en cuanto al deterioro), Mantener al producto por debajo de su Tg.

    LALA FUERZAFUERZA IMPULSORAIMPULSORA para producir una transicin de fase es elpotencial qumico (), que cambia cuando cambia la presin o latemperatura.

  • REPRESENTACION DE LOS POSIBLES ESTADOS FSICOS QUE PUEDEN REPRESENTACION DE LOS POSIBLES ESTADOS FSICOS QUE PUEDEN ENCONTRARSE EN LOS COMPONENTES MS IMPORTANTES DE LOS ENCONTRARSE EN LOS COMPONENTES MS IMPORTANTES DE LOS

    ALIMENTOS.ALIMENTOS.

  • G = H= H= H= H----TSTSTSTS

    Para un sistema cerrado, la energa libre de Gibbs se define por Para un sistema cerrado, la energa libre de Gibbs se define por

    H = entalpa,S= entropa, T=temperatura absoluta,

    En forma diferencial, la variacin de G viene dada por:En forma diferencial, la variacin de G viene dada por:

    dG dH TdS SdT VdP SdT= = P= presin

    V=volumen. dG dH TdS SdT VdP SdT= = V=volumen.

    i i i T P n

    GG

    nj i

    = =

    , ,

    ParaPara unun sistemasistema multicomponentemulticomponente enen elel queque puedapueda haberhaber cambioscambios enen lalacomposicin,composicin, lala expresinexpresin anterioranterior quedaqueda::

    i: potencial qumico de la especie i o Energa libre de Gibbs molar parcial

  • PRIMERPRIMER ORDENORDEN: cambio de slido-lquido, lquido-vapor yslido-vapor, gelatinizacin de almidn, fusin de las grasas,esnaturalizacin de protenas.

    SEGUNDOSEGUNDO ORDENORDEN: PASO DEL ESTADO VTREO A GOMOSO(transicin vtrea): Como el caso de los alimentos congeladosa bajas temperaturas, no se formn ms cristales dehielo, y en el calentamiento de sacarosa amorfa en su

    Clasificacin de las transiciones de fase Clasificacin de las transiciones de fase (Ehrenfest, 1933).(Ehrenfest, 1933).

    hielo, y en el calentamiento de sacarosa amorfa en suestado anhidro.

    EN ALGUNOS ALIMENTOS: se pueden presentar TFTF de primer y segundo orden enel intervalo de T y P que son manipulados.

    ORDEN SUPERIORORDEN SUPERIOR:: No se aplica a alimentos

    ESTA CLASIFICACINESTA CLASIFICACIN se basa en el anlisis de la discontinuidad que presentan distintas funciones de estado (H, S) a la temperatura de la transicin.

  • ENER

    GA O

    OLU

    MEN

    H, S, o

    V

    G

    ENER

    GA O

    VOLU

    MEN G

    G

    pV

    T

    =

    G

    TS

    p

    =

    2

    2

    G

    T

    C

    Tp

    p

    =

    2

    2

    G

    pV

    T

    =

    2G

    p TV

    Tp

    =

    Primer ordenPrimer orden Segundo ordenSegundo orden

    ClasificacinClasificacin dede laslas transicionestransiciones dede fasefase

    ENER

    GA O

    OLU

    MEN

    TEMPERATURA

    CPCP

    V

    T de transicin de

    segundo orden

    ENER

    GA O

    VOLU

    MEN

    Cp o Cv

    H, S, o V

    H

    TEMPERATURA

    T de transicin

    de primer orden

    Cambios en las propiedades termodinmicas como consecuencia de una transicin de primer y segundo orden

  • TEMPERATURA

    ENDO

    TEMPERATURA

    Tgo

    Tgf

    ENDO

    TRANSICIONES DE PRIMER ORDENTRANSICIONES DE PRIMER ORDENTRANSICIONES DE SEGUNDO ORDENTRANSICIONES DE SEGUNDO ORDEN((TransicinTransicin vtreavtrea))

    ClasificacinClasificacin dede laslas transicionestransiciones dede fasefase

    To= T. inicio transicin Tp= T. en el picoTf= T. final de la Transicin

    TEMPERATURA

    Tgo= T. transicin vtrea de inicioTf= T. Transicin vtrea finalTp= T. transicin vtrea promedio

    --Congelacin de agua o fusin -hielo

    -Gelatinizacin de almidn

    -Fusin de las grasas

    -Desnaturalizacin de protenas.

    APLICACIN:-Ultracongelacin de alimentos no formndose ms cristales de hielo.

    -Proceso calentamiento sacarosa amorfa en su estado anhidro u otro soluto

  • TCNICAS EXPERIMENTALES PARA DETERMINAR TRANSICIONES TCNICAS EXPERIMENTALES PARA DETERMINAR TRANSICIONES DE FASEDE FASE

    CALORIMETRACALORIMETRA DIFERENCIALDIFERENCIAL DEDE BARRIDOBARRIDO (DSC)(DSC):: Permite determinar los caloreslatentes de transicin y los cambios en la capacidad calorfica del sistema.

    DETERMINACINDETERMINACIN EXPERIMENTALEXPERIMENTAL:: calorimetra diferencial de barrido (DSC): Detectacambios endotrmicos o exotrmicos durante una medida.

    1. soporte2. Calentamiento elctrico3. Sensor DSC3. Sensor DSC4. Crisol con muestra5. Crisol de referencia 6. Flujo de calor al crisol de referencia7. Flujo de calor al crisol de la muestra

    Otra tcnica, El TMA : permite detectar cambios en el coeficiente de expansin trmicadurante un barrido de temperaturas y cambios en las propiedades mecnicas queocurren como consecuencia de la transicin

  • EQUIPO DE CALORIMETRA DE BARRIDO

  • DIAGRAMAS DE FASES y DIAGRAMA DE DIAGRAMAS DE FASES y DIAGRAMA DE ESTADO DE LA FRACCIN LQUIDAESTADO DE LA FRACCIN LQUIDA DE LOS DE LOS

    ALIMENTOSALIMENTOS.P

    RE

    SI

    N

    Slid

    o 1

    Presincrtica

    Fluido

    supercrtico

    Slid

    o 2

    Se introduce Se introduce nueva variable: nueva variable: la composicinla composicin

    Disolucin

    Vtreo

    TEMPERATURA

    Hielo + solucin

    (Crioconcentracin parcial)

    Estado

    lquido

    sobre-

    saturado

    Tm

    Tg

    TEM PER ATU R A

    Slid

    o

    Lquido

    Puntotriple

    G as

    Tem peratura crtica

    DIAGRAMA DE FASES DE UNA SUSTANCIADIAGRAMA DE FASES DE UNA SUSTANCIAPURA (RELACIONA T y P)PURA (RELACIONA T y P)

    Vtreo Cg

    A

    (C))

    DIAGRAMA DE ESTADO DE UN SISTEMA DIAGRAMA DE ESTADO DE UN SISTEMA MULTICOMPONENTE (FASE ACUOSA DE UNA MULTICOMPONENTE (FASE ACUOSA DE UNA ALIMENTO). P Constante.ALIMENTO). P Constante.

    Fraccin msica de slidos

  • Transicin vtrea y formacin de hielo en alimentos. Aplicaciones de los diagrama de estado

    Ejemplos de transiciones de fase

    Cristales de hielo

    Solucin crioconcentrada

    AGUA SOLUTOS

    Solucin crioconcentrada(Matriz amorfa)XwD = Wg

    Tg`

  • CRIOESTABILIZACIN EN ALIMENTOSCRIOESTABILIZACIN EN ALIMENTOS

    Tg

    Vtreo Gomoso

    AlmacenamientoTg Almacenamiento-18C

  • Diagrama de estado de la fase acuosa de un alimentoDiagrama de estado de la fase acuosa de un alimento

    Disolucin

    Vtreo

    TE

    M

    P

    E

    R

    A

    T

    Hielo + solucin

    (Crioconcentracin parcial)

    Estado lquido

    sobre-saturado

    Tm

    Tg

    Zona mximamente Crioconcentrada

    Composicin en la solucin mximamente

    Fraccin msica de slidos

    Vtreo Cg

    T

    U

    R

    A

    (C))

    Tg mximamente

    concntrada:

    Cg y Wg

    Wg = g Wg = g agua/ g solucinagua/ g solucin mximanete mximanete criooncentrada criooncentrada

    (contenido de agua de la matriz (contenido de agua de la matriz mximamente crioconcentrada)mximamente crioconcentrada)

    CgCg : g de hielo/g solucin : g de hielo/g solucin en zona mximanete concentradaen zona mximanete concentrada

  • Diagrama de estado de la sacarosaEjemplos de transiciones de fase

  • Ejemplos de transiciones de fase

  • Ejemplos de transiciones de fase

  • Congelacin liofilizacin de agua en un alimentoTg

    Colapso

    T(C)

    C

    1

    2 3

    Aplicacin de transiciones de fase

    El camino (1-2) proceso ideal para congelar previo a la Liofilizacin (LF): la T delproducto se lleva a un punto por debajo de Tg.

    En 2-3 se inicia proceso de LF (Pto. se deshidrata), se aumenta la T. a medida quela C. de S.S se incrementa, no se debe sobrepasar la lnea de Tg, que vara con laC de SS.Las lneas azules muestran dos procedimientos de secado en donde la muestracolapsa y reduce su tamao durante la LF debido a que no se respet laTemperatura de transicin vtrea (tg).

    %Solids (w/w)0 100

  • Relacin entre Tg Relacin entre Tg -- Humedad Humedad awawEsta relacin es til para el desarrollo de productos y Esta relacin es til para el desarrollo de productos y

    establecer condiciones almacenamientoestablecer condiciones almacenamiento

    Curva de TgCurva de Tgcaracteriza el caracteriza el estado amorfo de estado amorfo de lso alimentos lso alimentos slidosslidos

    Ej. 25 C

    25 C

    Isoterma:Isoterma:Relaciona la aw y CHE.

    aaww est relacionada est relacionada con disponibilidad con disponibilidad de agua de los de agua de los alimentosalimentos

    Permite predecir la estabilidad de los alimentos a diferentes condiciones Permite predecir la estabilidad de los alimentos a diferentes condiciones de procesado y almcanamientode procesado y almcanamiento

  • Fusin/cristalizacin de grasasFusin/cristalizacin de grasas(Transicin de primer orden entre sus estructuras cristalinas y (Transicin de primer orden entre sus estructuras cristalinas y

    el estado liquido)el estado liquido)F

    LU

    JO D

    E C

    AL

    OR

    EX

    OT

    ER

    MIC

    O

    Cristalizacin forma

    Cristalizacin forma

    Enfriamiento

    EnEn elel procesoproceso dedefabricacinfabricacin dedechocolateschocolates

    habrhabr queque sabersaber sisi

    FL

    UJO

    DE

    CA

    LO

    R E

    XO

    TE

    RM

    ICO

    Enfriamiento

    Calentamiento

    Fusin de

    cristales

    Fusin de cristales

    FORMA ALFA MENOS ESTABLE

    Aumenta la movilidad

    Se inicia cristalizacin

    Temperatura

    Para determinar la Para determinar la T de fusin y la T T de fusin y la T de almacenamientode almacenamiento

    habrhabr queque sabersaber sisihaha cristalizadocristalizado enenformaforma ALFAALFA ooBETABETA..

  • Gelatinizacin del almidn Gelatinizacin del almidn (Transicion de primer orden)(Transicion de primer orden)

    Ejemplos de transiciones de fase

    Influencia de la cantidad de agua sobre la temperatura de gelatinizacin del almidn.Influencia de la cantidad de agua sobre la temperatura de gelatinizacin del almidn.

    Cuanto menor es el CH Mayor es la T de gelatinizacin

  • Msculo

    Clara de huevo

    MiosinaColgeno

    Actina

    FL

    UJO

    DE

    CA

    LO

    R E

    ND

    OT

    ER

    MIC

    O

    Ejemplos de transiciones de faseDesnaturalizacin de protenasDesnaturalizacin de protenas

    Transicin de primer orden. Transicin de primer orden.

    Temp. Desnaturalizacin: Temp. Desnaturalizacin: (40 y 90C)Depende:Depende:ppH, velocidad de calentamiento, fuerza inica procesado, etc..

    3 Endotermos:3 Endotermos:corresponde

    Absorcin de EnergaClara de huevo

    Conalbmina

    Lisozima

    Ovoalbmina

    FL

    UJO

    DE

    CA

    LO

    R E

    ND

    OT

    ER

    MIC

    O

    TEMPERATURA (C)

    para ruptura deestructuras superiores(segundaria, terciariay cuaternaria)

    Absorcin de Energa

  • Transiciones de fase de Sacarosa amorfa Transiciones de fase de Sacarosa amorfa en estado anhidroen estado anhidro

    Ejemplos de transiciones de fase

    Aumento movilidad molecular

    Tg. 62 C Exot

    ermo

    Endo

    term

    o

    Cristales Cristales se fundense funden

    Tm fusin)

    0 185 200 C10050

    Matriz amorfa

    Aumento movilidad molecular

    Endo

    term

    o

    Vtreo

    Gomoso Slido

  • Efecto del peso molecular sobre TgEfecto del peso molecular sobre TgPapel plastificante del aguaPapel plastificante del agua

    Ejemplos de transiciones de fase

  • REPRESENTACION ESQUEMTICA DE CAMBIOS FISICOS DE FABRICACIN DEREPRESENTACION ESQUEMTICA DE CAMBIOS FISICOS DE FABRICACIN DEPAN DE TRIGOPAN DE TRIGO

  • MODELOS PARA PREDECIR EL VALOR DE LA Tg MODELOS PARA PREDECIR EL VALOR DE LA Tg DE MEZCLAS ANHIDRASDE MEZCLAS ANHIDRAS

    Tw T k w T

    w k wgg g=

    + +

    1 1 2 2

    1 2

    Tw C T w C T

    w C w Cgp g p g

    p p

    = +

    + 1 1 1 2 2 2

    1 1 2 2

    MODELO DE GORDON Y TAYLORMODELO DE GORDON Y TAYLOR(Mezclas binarias(Mezclas binarias))

    MODELO DE COUCHMAN Y KARASZMODELO DE COUCHMAN Y KARASZ(mezclas teciarias) (mezclas teciarias)

    Se le puede aadir otro termino al numerador y denominador

    w k w+ 1 2 w C w Cp p + 1 1 2 2

    ww11 yy ww22: fraccin msica de slidos y agua respectivamente

    TgTg11 yy TgTg22:: TT..TT..VV de los componentes puros: (TgsTgs == TgTg de slidosanhidros y TgwTgw == --135135 CC, agua amorfa)

    KK: constante emprica

    ESTOS MODELOSESTOS MODELOS permiten predecir a Tg de mezclas anhidras y el papel plastificantedel agua a partir de los Tg de los compuestos puros (slido anhidro y agua amorfa)

  • Muchas gracias