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EMULSIFICACIÓN
YHOMOGENIZACIÓN
Ingeniería de Alimentos III M.C. Ma. Luisa Colina Irezabal
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EMULSIFICACIÓN
HOMOGENIZACIÓN
Formación de una emulsión
Reducción de tamaño de laspartículas de una emulsióncon objeto de proporcionar
mayor estabilidad en laemulsión
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Sistema constituido por dos faseslíquidas inmiscibles, una de las
cuales se dispersa a través de la otra
en forma de gotas muy pequeñas
Fase dispersa (FD): Líquido que se dispersa enpequeñas gotitas, también se le conoce comofase interna o discontinua
Fase continua (FC): Liquido como medio dedispersión, también llamada fase externa.
EMULSIÓN
Suspensión Fase continua: líquido Fase dispersa: sólido
Espuma Fase continua: líquido Fase dispersa: gas
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Ejemplos de Emulsiones en Alimentos:
mantequilla y margarinaleche crema helado yogurt liquido y sólido
huevo
mayonesa
aderezos para ensalada
bebidas salsas, condimentosy saborizantes rellenos, cubiertas y betunes para repostería
salchichas
Generalmente, las emulsiones de alimentos contienen 2 fases:
a) Una fase acuosa que consiste en agua que contiene sales, azúcares, ácidosen solución y/o otras sustancias orgánicas o coloidales
b) Una fase oleosa que consiste en aceites, grasas, ceras, resinas, aceites
esenciales y otros materiales hidrofóbicos.
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Según la naturaleza de la fase dispersa (FD): – Aceite en agua (O/W) – Agua en aceite (W/O)
(oil-in-water )
(water-in-oil)
Tipos de emulsiones
O/W
Fase Dispersa (FD) o Interna: Aceite FaseContinua (FC) o Externa : Agua
Ejemplo: leche, crema
W/OFase Dispersa (FD) o Interna: AguaFase Continua (FC) o Externa : Aceite
Ejemplo: margarina, mantequilla
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Emulsión O/W Emulsión W/O
EMULSIONES SIMPLES
Agua
Aceite
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EMULSIONES MÚLTIPLES
Emulsión W/O/W Emulsión O/W/O
Agua
Aceite
Las fases acuosas interna
y externa están separadaspor una fase oleosa
Son aquellas en donde la fase dispersa contiene gotitas mas pequeñasque son miscibles con la fase continua
La fase acuosa se encuentra
entre dos fases oleosas
Estas emulsiones son fabricadas en 2 etapas. 1º se produce la emulsióninterna y posteriormente ésta se homogeniza en la fase continua externa.
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- El tamaño de los glóbulos de la fase dispersa
- La diferencia de densidad de ambas fases
- La viscosidad de la fase continua y de la emulsión
- Las fuerzas de interfase que actúan en la superficie de los glóbulos
- La naturaleza, eficacia y cantidad de emulsificante y estabilizante
- Las circunstancias de almacenamiento (temperaturas altas y bajas,
agitación o vibración, evaporación)
Emulsión estable: Sistema en el que los glóbulosconservan su carácter inicial y permanecen
distribuidos uniformemente en la fase continua
La estabilidad de una emulsión depende de diversos factores:
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El tamaño y la distribución de tamaños de las partículas de unaemulsión dependen del tipo e intensidad de la agitaciónsuministrada Si se reduce poco a poco el tamaño de las
partículas de la emulsión, varían el color y el aspecto de ésta.
A mayor agitación, menor tamaño de partícula
TAMAÑO DE LOS GLÓBULOS DE LA FASE DISPERSA
Las gotas más grandes
normalmentecontribuyen más a lainestabilidad de la emulsión
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Característica EMULSIÓN MICROEMULSIÓN
Tamaño Gota(fase dispersa) >>>> 1µµµµm
< 0.1µµµµm(10-200 nm)
Aspecto Opaca Transparente óTranslúcida
EstabilidadTermodinámica No Si
TAMAÑO DE LOS GLÓBULOS DE LA FASE DISPERSA
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Si se reduce poco a poco el tamaño de las partículas de unaemulsión, varían el color y el aspecto de dicha emulsión
TAMAÑO DE LOS GLÓBULOS DE LA FASE DISPERSA
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La viscosidad de una emulsión cuando hay exceso de fase continua esvirtualmente la viscosidad de dicha fase
Al aumentar la proporción de la fase dispersa aumenta la viscosidadde la emulsión hasta un punto en que la emulsión deja de ser líquida.
VISCOSIDAD DE LA FASE CONTINUA Y DE LA EMULSIÓN
A mayor viscosidad de lafase continua, mayor
estabilidad de la emulsión
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TENSIÓN INTERFACIAL
En un sistema de dos fases, existe energía libre en la interfase entre losdos líquidos inmiscibles, debido al desbalance de las fuerzas cohesivas
de los dos materiales
Para que una emulsión pueda formarse, debesuperarse la tensión interfacial, introduciendo
energía en el sistema, que normalmente selogra mediante la agitación
Cuanta mayor es la tensión interfacial entre los dos líquidos, mayor es laenergía requerida para dispersar la fase interna y formar la emulsión
Esta energía libre en la interfase es denominadaTENSIÓN INTERFACIAL
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Las emulsiones son sistemas termodinámicos inestables
La inestabilidad se debe al aumento del área (∆∆∆∆A) de las gotas,que produce un incremento en la Entalpía Libre de Gibbs (∆∆∆∆G)
AG ∆=∆∆∆∆∆G = Enegía Libre de Gibbs
γ = Tensión interfacial
∆∆∆∆A = Incremento en el área
Al mezclar dos líquidos inmiscibles, la faseinterna toma la forma de gotas esféricas,que representa la menor área superficial
por unidad de volumen
Cuando la agitación cesa, hay unacoalescencia entre las gotas, formando
gotas mas y mas grandes y eventualmente
las dos fases se separan por completo
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1. Sedimentación / Cremación2. Agregación
3. Coalescencia / Ruptura de la Emulsión
ESTABILIDAD FÍSICA DE LAS EMULSIONESLa estabilidad de una emulsión puede
romperse debido a 3 tipos de fenómenos:
Emulsión estable
Cremación
Ruptura de la emulsión
Agregación
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SEDIMENTACIÓN – CREMADO
Se origina como consecuencia de la diferencia de densidades
entre ambas fases.
Las partículas se concentran en la superficie o en el fondo,dependiendo de la densidad relativa de las dos fases de la mezcla
EMULSIÓN ESTABLE CREMADO
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Velocidad de cremado / sedimentación:
η
δ
9
)(2 0
2 gr v −
=
v = velocidad de cremado / sedimentado
r = radio de la gota
δ δδ δ 0 = densidad de la fase continua
δ= densidad de la fase dispersa
g= aceleración debida a la gravedad
η ηη η = viscosidad absoluta de la fase continua
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AGREGACIÓN
CREMADO
AGREGACIÓNSe origina como consecuencia de las fuerzas de atracción entre las
partículas formando agregados de partículas
EMULSIÓN ESTABLE
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COALESCENCIA /
RUPTURA DE LA EMULSIÓN
CREMADOCOALESCENCIA
AGREGACIÓN
Se origina como consecuencia de la tensión interfacial y causa uncambio real en el tamaño de las gotas
Las partículas se funden y forman una capa de líquido.
EMULSIÓN ESTABLE
SEPARACIÓN DE FASES
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ESTABILIDAD FÍSICA DE EMULSIONES
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Para evitar la separación de las fases se necesita un
EMULSIFICANTE
agua
aceite
Para conservar una emulsión estable se necesita un
ESTABILIZANTE
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Los emulsificantes (agentes tensoactivos o surfactantes)( SURF ace ACT ive Age NT ) son moléculas que poseen
una parte hidrofílica y otra lipofílica o hidrofobica(generalmente una parte polar y una no polar)
EMULSIFICANTES
Cabeza polar (HIDROFILICA)
Cola no polar (LIPOFILICA)
Puede llevar una carga positiva o negativa y es esta
parte la que define al agente tensoactivo comocatiónico o aniónico respectivamente, aunque también
puede ser no iónico
La parte no polar o hidrófoba de la moléculageneralmente suele ser una cadena longitudinal
de hidrocarbonos.
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El emulsificante o tensoactivo se coloca en la interfase entre
el agua y el aceite con su cadena hidrófoba orientada hacia elaceite y el grupo hidrófilo orientado hacia el agua formandoagregados llamados micelas
En el caso de una emulsión agua en aceite, el grupo hidrófilo estarádirigido hacia el interior de los glóbulos acuosos mientras que la partehidrófoba hacia la fase continua y en una emulsión aceite en agua de
manera inversa.
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Los emulsificantes presentes o añadidos a la emulsión, formanmicelas alrededor de cada gotita de la fase dispersa, quereducen la tensión interfacial entre las fases y evitan su
coalescencia
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ESTABILIZANTES
Los estabilizadores se disuelven en la fase continua y aumentan su
viscosidad lo que restringe la movilidad de las gotas de las fasedispersa y las colisiones entre ellas y, por tanto, reduce el riesgo decoalescencia
La viscosidad de las emulsiones puede ser afectada de manerasorprendente por cambios relativamente mínimos en la naturaleza y en
la concentración de agentes emulsificantes y estabilizantes.
Entre los agentes estabilizadores masutilizados se encuentran lospolisacáridos y las gomas
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Emulsificantes y Estabilizantes
Naturales:-Fosfolípidos (Lecitina)-Lipoproteìnas
-Gomas (Carragenina, Goma Guar, Alginatos)
-Polisacáridos (Carboximetil celulosa)
-Pectina
-Proteínas (Gelatina, Albúmina de huevo)
-Polisorbatos (Ej:Tween 20)
-Propilen Glicol-Di, Tri y Poli Fosfatos
-Esteres de sorbitan (Span)
-Esteres glicéricos de ácidos grasos
-Lauril sulfato de sodio
Emulsificantes y EstabilizantesSintèticos:
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Equipos para la
Emulsificación y Homogenización
La finalidad de la maquinaria para emulsificación y homogenización esdividir y reducir el tamaño de partícula de la fase dispersa, para poder
dispersarla en la fase continua
El tamaño de las partículas de la fase dispersa debe ser losuficientemente pequeño para evitar la unión y la consiguiente
desintegración de la emulsión en el tiempo requerido de estabilidad.
1. EMULSIFICACIÓN:- Agitadores de alta velocidad
- Molinos coloidales
2. HOMOGENIZACIÓN- Homogenizadores a presión- Homogenizadores ultrasónicos
Los principales equipos utilizados son:
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El agitador de paletas tipo ancla es muy utilizado para emulsionesde gran viscosidad (como mantequilla de cacahuate, pate ).
En este agitador las paletas efectúan dos movimientos circulares:uno de rotación sobre su propio eje y otro de traslación en unaórbita circular. De esta manera se puede mezclar bien una granporción de masa espesa.
Agitadores de Paletas tipo Ancla
Emulsificadores
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Están hechos con elementos impulsores dehojas cortas (generalmente entre el 30 y el 50%
del diámetro del tanque) girando a gran
velocidad (500 a varios miles de rpm).
Agitadores de Turbina y de Hélice
Agitadores de Turbina Agitadores de Hélice
Esta clase de agitación es muy eficientepara emulsiones de baja o mediana
viscosidad (Ej. Mayonesa)
Emulsificadores
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Molinos Coloidales
Los molinos coloidales son básicamente molinos de discos.En ellos la fuerza de cizalla se genera por la acción de un
disco que gira entre 3 000 y 15 000 rpm sobre un discoestacionario, separados ambos por un espacio muy pequeño
(0.05 – 1.3 mm)
Las fuerzas de cizalla y mezclado producen dispersionessumamente uniformes y emulsiones estables.
Se puede procesar una amplia variedad de viscosidadesdel producto, limitada únicamente por la máxima presiónde entrada (aprox 150 psig (10 bares).
Entre las aplicaciones típicas se cuentan eladerezo para ensaladas, la mayonesa, lahomogenización del huevo líquido y salsas a
base de tomate.
Emulsificadores
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Las fuerzas cortantes y de cizalla que seaplican a la emulsión, provocan un aumentode temperatura durante la emulsificación por
lo que generalmente es necesario el
enfriamiento externo.
Los discos empleados pueden ser dediferentes tipos: planos, dentados,
ondulados
Molinos Coloidales
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Homogenizadores
Los homogenizadores reducen el tamaño de partícula (a tamaños desdemm hasta micras) e incrementan el número de partículas en la fasedispersa por aplicación de fuerzas de cizalla, con objeto de lograr
contacto íntimo entre los componentes y la estabilidad de ambas fases.
La homogenización es una operación mas drástica que la emulsificación
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Virtual Plant →→→→ Equipo →→→→ Fluidos →→→→
HOMOGENIZADOR
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En este tipo de homogeneizadores, sepasan ambas fases por una válvula a alta
presión. A la salida de la válvula, lavelocidad de movimiento del líquido cae
bruscamente y la extrema turbulenciaque se produce genera una intensafuerza de cizalla que disminuye eltamaño de las partículas de la fase
dispersa.
Homogenizadores a Presión
En algunos alimentos (como productos lácteos) a veces se produce unadistribución inadecuada del agente emulsificante sobre la superficie delos nuevos glóbulos, provocando que se aglomeren, por lo que se instala
una segunda válvula, semejante a la primera, que rompe estosagregados.
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Las ondas sónicas de elevada frecuencia (18-30 kHz) producen ciclosalternantes de compresión y tensión en los líquidos de baja viscosidad y lacavitación de burbujas de aire provoca una emulsión en gotitas de 1-2 µµµµm
Homogenizadores Ultrasónicos
En estos homogenizadores, la alimentación se bombea a una presión de
340-1400kPa. La energía ultrasónica es producida por una lámina demetal que vibra a su frecuencia de resonancia.
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La emulsificación y homogenización repercutensobre el color de algunos alimentos
Por ejemplo, la homogenización aumenta lablancura de la leche debido a que el mayor númerode glóbulos de grasa incrementa la cantidad de luz
reflejada y dispersa
En muchos alimentos, la emulsificación mejora elsabor y aroma, ya que provoca la dispersión delos componentes volátiles, incrementando su
contacto con las papilas gustativas
La emulsificación y homogenización estabilizan alos productos dándoles un aspecto uniforme yevitando su separación, pero no mejora por si
misma, la conservación del alimento
EFECTO DE LA EMULSIFICACIÓN Y
HOMOGENIZACIÓN SOBRE LOS ALIMENTOS