Resumen de Estructura, estabilidad, morfología, y características reológicas de películas de emulsionantes alimentarios (lípidos y proteínas) esparcidas sobre la interfase aire-agua
Tradicionalmente, la formulación de productos alimenticios ha sido más un arte que una ciencia. Esto se debe a que muchos de los alimentos que se consumen habitualmente son el resultado de una larga y compleja historia. Sin embargo, la industrialización de la producción de alimentos, que ha tenido lugar en este siglo, ha creado una gran demanda de alimentos procesados, en los cuales es necesaria la incorporación de determinados ingredientes para facilitar su conservación, su producción a escala industrial, su distribución a grandes distancias y su almacenamiento.
Muchos de estos alimentos, como es el caso de las emulsiones y espumas, son sistemas polifásicos constituidos por pequeñas partículas dispersas en un medio continuo. El principal problema de estos sistemas es su inestabilidad termodinámica, debida a que presentan una elevada área interfacial, siendo necesaria la incorporación de productos anfifílicos o tensioactivos (denominados genéricamente emulsionantes o emulgentes) para su estabilización temporal. La función de dichos emulsionantes es complicada pero su conocimiento es esencial para un buen uso del mismo. Tradicionalmente, la elección del emulsionante y la determinación de su dosis de empleo se ha realizado de modo empírico, mediante ensayos de laboratorio. Este procedimiento de prueba y error es largo, laborioso y costoso. Además, como la información así obtenida se refiere a sistemas reales y, por tanto, mal definidos, su generalización resulta sumamente problemática. Es por ello que, en la actualidad, se recomienda que los estudios básicos se lleven a cabo sobre sistemas más sencillos, bien definidos y fácilmente reproducibles que, a la larga, proporcionan una información más útil y de mejor calidad.
La adición de emulsionantes a determinados alimentos deriva de consideraciones tanto tecnológicas como dietéticas. Con respecto a este último punto, existe una demanda progresivamente mayor hacia la eliminación o reducción de constituyentes de los alimentos que pueden ser perjudiciales para la salud, tales como grasas, sales y colesterol. Sin embargo, la eliminación de ciertos ingredientes puede causar importantes cambios en las propiedades del alimentos, la que implica necesariamente la utilización de otras sustancias alternativas que aseguren la textura, consistencia y estabilidad de estos productos.
Los agentes emulsionantes, debido a su carácter anfifílico, se sitúan en la interfase aire/agua en el caso de las espumas y agua/aceite en el de las emulsiones. Estos actúan principalmente con una doble función:
- Disminuyendo la tensión superficial o interfacial, lo que facilita el proceso de emulsificación o de espumeo.
- Formando una película adsorbida alrededor de las gotas o burbujas de la fase dispersa, con unas características reológicas determinadas que actúen como una barrera física que impida la coalescencia.
En las industrias alimentarias, los emulsionantes que se emplean son los emulsionantes protéicos y los de bajo peso molecular, generalmente lípidos polares. La mayor parte de esos últimos lo constituyen los monoglicéridos y sus ésteres de ácidos orgánicos, que comprenden el 70-80% de la producción mundial de los emulsionantes alimentarios. Tanto las proteínas como los lípidos individualmente pueden estabilizar emulsiones y espumas, sin embargo, los sistemas reales suelen contener mezcla de ambos tipos de sustancias.
Las propiedades físico-químicas de una emulsión o espuma, tales como su facilidad de formación, estabilidad, reología y textura están gobernadas por la naturaleza de la interfase, por lo que es de gran importancia conocer los factores que determinan la composición de la región interfacial. Esto se debe a que la estabilidad de estos sistemas dispersos depende de las interacciones coloidales existente entre las partículas que lo componen, las cuales a su vez dependen en gran medida de las características de las sustancias (tipo de emulsionantes, estructura, carga, hidrofobicidad,�) que se encuentren adsorbidas en la interfase.
Por todo ello, el objetivo principal de esta Memoria se ha centrado en la caracterización de la interfase (estructura, morfología, espesor, estabilidad y propiedades reológicas) cuando se encuentran estabilizadas por películas de lípido (monopalmitina, monooleína y monolaurina), proteínas derivadas de la leche (?-caseína, caseinato y ?-lactoglobulina) y sus respectivas mezclas. Este último caso tiene una gran importancia desde un punto de vista práctico ya que la mayoría de las emulsiones alimentarias contiene gotas que se encuentran revestidas por una mezcla de ambos componentes superficialmente activos. Estos compiten por su presencia y configuración sobre la interfase, lo que puede tener una gran influencia sobre la estabilidad o inestabilidad del sistema en cuestión.
El conocimiento de cómo los diferentes emulsionantes interaccionan en las interfase aceite-agua y aire-agua y de cómo se comportan bajo diferentes condiciones es de considerable interés práctico. Desde un punto de vista cuantitativo, se conoce muy poco acerca de los mecanismos de interacciones moleculares lípido-proteína en la interfas. Este tipo de información es crucial para el desarrollo de nuevos productos o la mejora de los existentes. Por ello, en esta Memoria se pretende profundizar sobre el conocimiento de dichas interacciones, además de aportar información sobre el mecanismo por el que una proteína es desplazada por un tensioactivo con mayor actividad superficial.
Para conseguir alcanzar los objetivos propuestos se ha aplicado una combinación de técnicas complementarias entre sí, como la tensiometría, la reología interfacial (dilatacional y en cizalla) y técnicas más novedosas como la microscopía de ángulo Brewster (BAM).
En primer lugar, mediante un tensiómetro de Wilhelmy se ha estudiado la actividad superficial y la eficacia de adsorción de las películas de proteína y lípido, además de las interacciones existentes en sus respectivas mezclas. Tanto la estructura de la película de emulsionante como su estabilidad interfacial se han determinado mediante el uso de una balanza de superficie tipo Lagmuir. Esta misma técnica puede aplicarse con el fin de conocer el grado de miscibilidad y de interacción entre los componentes de una película mezclada.
Mediante la microscopía de ángulo Brewster se ha observado la morfología de las películas de lípido, proteína y sus respectivas mezclas, lo cual es de gran ayuda para el estudio estructural de dichas películas. Sin embargo, en esta Memoria se ha desarrollado un método por el que es posible cuantificar la luz recibida por la cámara de dicho dispositivo lo que permite determinar el espesor relativo de la película interfacial. Tanto la morfología como el espesor son dos parámetros de considerable interés práctico en el campo de las dispersiones alimentarias, ya que la estabilidad de estos depende de la cantidad de emulsionante adsorbido y de la conformación adaptada por este en la interfase.
Por último, la existencia de interacciones lípido-lípido, proteína-proteína o lípido-proteína sobre la interfase puede tener repercusiones sobre las propiedades reológicas de la película. Es decir, las características reológicas superficiales de películas de lípidos, proteínas o de sus mezclas, pueden ser muy sensibles a la existencia de interacciones entre tales emulsionantes. Además, la reología interfacial es una herramienta útil para estudiar la adsorción competitiva de los sistemas mezclados. El estudio de dichas características reológicas se ha realizado mediante el uso de una balanza de superficie tipo Wilhelmy. En las experiencias de reología dilatacional, se aplica una deformación sinusoidal del área que ocupa la película y se mide la variación sinusoidal resultante en la presión superficial. Por el contrario, en las experiencias de reología en cizalla se hace fluir a la película de emulsionante a través de un canal estrecho.
Del análisis y discusión de los resultados experimentales se concluye principalmente que:
- Las diferentes características interfaciales (estructura, morfología, espesor, estabilidad y propiedades reológicas) que presentan los lípidos estudiados son consecuencia de la naturaleza (longitud y presencia de insaturaciones) de su cadena hidrocarbonada. De esta forma, una disminución en la longitud de dicha cadena reduce las interacciones de van der Waals entre las moléculas de tensioactivo, dando lugar a estructuras más expandidas sobre la interfase y a un aumento de su inestabilidad. La presencia de una insaturación en la cadena hidrocarbonada da lugar a los mismos efectos, lo que se debe a que dicha insaturación impide la existencia de un empaquetamiento más efectivo entre las moléculas.
- En el caso de las películas de proteínas, sus características interfaciales dependen de la estructura terciaria que esta posea. En cuanto a la morfología y la estabilidad, todas las proteínas estudiadas pueden considerarse que se encuentran adsorbidas irreversiblemente, presentando una apariencia de gel. Sin embargo, con respecto a la estructura ha podido comprobarse que las proteínas globulares forman una película más compacta y consistente (mayor interacción entre las moléculas) que otras proteínas menos estructuradas, las cuales no son capaces de formar una red molecular coherente. A pesar de esto, en las películas de proteínas las interacciones son de mayor magnitud que en los lípidos. Sin embargo, estas últimas presentan una mayor actividad superficial que las proteínas, debido a que pueden empaquetarse de forma más efectiva.
- En las películas mezcladas formadas por los lípidos y proteínas se ha podido comprobar que las interacciones existentes presentan valores no muy significativos. Mediante estos estudios se ha confirmado que la disposición de las cadenas de ambos componentes de la mezcla es un factor importante en el efecto global de las interacciones, aunque no es determinante debido a la presencia de grupos con carga en las proteínas. A pesar de la inexistencia de interacciones estos sistemas mezclados son más estables que los componentes por separado. Sin embargo, a presiones superiores a la presión de esparcimiento de la proteína, esta comienza a ser desplazada por el lípido. Se ha podido comprobar que dicho desplazamiento es un mecanismos complejo (desplazamiento orogénico) y no un simple intercambio molecular, apreciándose que la facilidad con que es desplazada una proteína depende de la magnitud de las interacciones existentes entre las moléculas proteína-proteína.
