SISTEMAS COLOIDALES EN LA

INDUSTRIA AGROALIMENTARIA

M.Sc Victor Dumar Quintero C.

Historia •Los coloides fueron por primera vez descritos por el químico inglés Thomas Graham, en 1860.

•Sustancias que no filtran a través de una membrana semipermeable (proceso denominado DIALISIS)

•Diálisis separa componentes que no pueden ser filtrados

¿QUÉ ES UN SISTEMA COLOIDAL? Un sistema coloidal simple consta de una

fase dispersa de partículas llamada medio dispersante en una segunda fase continua. Normalmente se considera que para el estado coloidal, que las partículas han de tener un diámetro inferior a 1 µm. Una partícula coloidal es mucho mayor que las moléculas del medio dispersante, pero suficientemente pequeñas para que su movimiento browniano no sea interferido por la acción de la gravedad

Sistemas Dispersos Desde el punto de vista fisicoquímico estos sistemas son termodinámicamente inestables.

Las características más representativas de estos sistemas son:

La existencia de una superficie de separación entre la dos fases llamada interfase

La superficie de contacto entre las partículas y el medio de dispersión (área interfasial) es muy elevada. En esta interfase se concentra la mayor cantidad de energía del sistema.

Gran inestabilidad El exceso de energía libre, asociada a la gran superficie

existente entre las partículas y el medio, da lugar a que las partículas tiendan a aglomerarse, para reducir su energía libre interna.

Alimentos → Sistemas coloidales Extructura coloidal → Propiedades del alimento

Interacciones coloidales → Estabilidad del sistema→ Ingeniero Tecnologías actuales → solución eficaz de los problemas coloidales

Superficiales y electrostáticos Adsorción Componentes fisicoquímicas Interacciones moleculares e interpartículas. Análisis termodinámico Propiedades de los hidrocoloides.

Sistemas coloidalesSistemas con tamaño de partícula de soluto entre 10-9 m (10Å) y 10-6 m (1 µ)1 µ = micron= 1 x 10-4 cm1 nm= nanómetro = 1 x 10-9 m1Å = Amstrong = 1 x 10-10 m = 1 x 10-8 cmPartículas de soluto dispersas en medio dispersor o dispersanteQué se dispersa? partículas pequeñas o moléculas “grandes”

Dispersión molecular

Ej. NaCl en agua

COLOIDESDispersión gruesa

Ej. Arena en agua de mar

Límites arbitrarios

Tipos de estructuras coloidales

a) Partículas esféricas dispersas. b) Partículas esféricas agregadas. c) Partículas no esféricas. d) Macromoléculas desorganizadas. e) Macromoléculas compactas. f) Macromoléculas asociadas dentro de un gel. g) Macromoléculas adsorbidas en la interfase. h) Macromoléculas enlazadas entre partículas. i) Partículas atrapadas en redes macromoleculares.

I.1. ESTRUCTURA COLOIDAL DE LOS ALIMENTOS Fase dispersa (partículas):cristales, gotas, burbujas,..

- Separadas e independientes. - Unidas en agregados sueltos o formando una macromolécula o red de agregados. - Estado físico: sólido, líquido o gas.

Fase continua.

-Estado físico: sólido, líquido o gas. -Continuidad interrumpida por las partículas y los puntos y superficies de contacto entre ellas.

Material de interfase.

• Emulsionantes / estabilizantes: -Naturaleza anfifílica: tensoactivos de bajo peso molecular, proteínas. -Pueden ser segmentos moleculares de la propia partícula dispersa (dispersiones proteicas.

Solución Solución verdaderaverdadera ColoidesColoides SuspensioneSuspensione

ss

Tipo partícula

Iones, moléculas pequeñas

Partículas, macromoléculas

Partículas grandes

Tamaño partícula

0.1-1nm 1-100 nm 100 nm y mayores

Tamaño Tamaño comparativo de comparativo de

solutos dispersos a solutos dispersos a nivel molecular o nivel molecular o

coloidalcoloidal

Tipos de dispersiones coloidales

Medio dispersor

Fase dispersa Nombre Ejemplos

Gas Líquido Aerosol Niebla

Gas Sólido Aerosol Humo

Líquido Gas Espuma Crema batida

Líquido Líquido Emulsión Mayonesa

Líquido Sólido Suspensión Leche magnesia

Sólido Sólido Sol sólido Aleaciones

Coloides en productos de uso común

•Aerosol

•Soles

•Emulsion

•Espumas

•Geles

Diferencia entre soluciones verdaderas, coloides y dispersionesDiferencia entre soluciones verdaderas, coloides y dispersionesConsidere dos experimentos:

Partículas de tamaño coloidal = macromoléculas

Dos fasesDos fases

agitaragitar

Solución verdadera

Dos fasesDos fases

agitaragitar

Coloide o dispersión

Dos fasesDos fases

Presencia de Presencia de límiteslímites

Comportamiento de sistemas coloidales en solución

Clasificación de sistemas coloidales se basa en:

Grado de interacción entre partículas o macromoléculas de la fase dispersa con moléculas de la fase continua

Coloides liofílicosColoides liofílicos(“atracción” por el solvente o medio dispersante)

Coloides de asociaciónColoides de asociación

Coloides liofílicosColoides liofílicos

(“repulsión” por el medio dispersor)

Gra

do a

finid

ad p

or m

edio

G

rado

afin

idad

por

med

io

disp

erso

rdi

sper

sor

Más terminologíaCaso 1

Partículas de Partículas de tamaño coloidaltamaño coloidal= = macromoléculasmacromoléculas

Coloide puesto que las Coloide puesto que las moléculas originales están en el moléculas originales están en el rango de 10rango de 10-9 -9 a 10a 10-6 -6 mm

Este se denomina un coloide Este se denomina un coloide LIOLIOFILICOFILICOSignifica afinidad por solvente y por tanto solubleSignifica afinidad por solvente y por tanto soluble

Caso 2

Límites presentes

1 fase

2 fases

Límite significa que las moléculas que Límite significa que las moléculas que componen la partícula componen la partícula no tienen afinidadno tienen afinidad por el solvente: por el solvente: coloide LIOcoloide LIOFOBICOFOBICO

Según afinidad relativa fase dispersa y medio de dispersión

Liófobos Liófilos

Pequeña afinidad.

Dispersiones coloidales de metales en

agua

Dispersiones “irreversibles”

Gran afinidad.

Almidon, jabón, proteínas, gomas

Dispersiones “reversibles”

Menor tensión superficial, y mayor

viscosidad que el medio de dispersión

Tensión superficial, y viscosidad

similares a los del medio de dispersión

Coloides liofílicosColoides liofílicos

i. Fase dispersa disuelta o soluble

ii.Soluciones verdaderas (una fase) ↓∆G (Gibbs)

iii.Macromoléculas solubles como proteínas, polisacáridos en el medio dispersante adecuado

CARACTERISTICAS PRINCIPALES DE TIPOS DE COLOIDESCARACTERISTICAS PRINCIPALES DE TIPOS DE COLOIDES

Coloides liofóbicosColoides liofóbicos

i. Fase dispersa insoluble en medio dispersante

ii. Sistema real de dos fases, inestable ↑∆G (Gibbs)

iii. Azufre, oro coloidal, hierro coloidal (III), pinturas (lacas)

Coloides de asociaciónColoides de asociación

i. Agregados de moléculas anfipáticas tensoactivas

ii. Micelas y liposomas, entre otros

iii. Sistemas estables bajo determinadas condiciones

Conclusión:Conclusión:

Siempre cuando se tenga más de 1 fase en contacto, se constata la presencia de una “superficie” que separa las fases

Superficie Superficie entre sólido entre sólido & líquido& líquido

sólido

líquido

Superficie Superficie entre dos entre dos líquidoslíquidos

Líquido Líquido ββ

Líquido α

Superficie tiene un significado químico y uno geométrico:

QuímicoQuímico: región en la cual las propiedades varían desde una fase : región en la cual las propiedades varían desde una fase a la fase adyacentea la fase adyacente

GeométricoGeométrico: Un objeto con área pero sín grosor: Un objeto con área pero sín grosor

ββ

αα

Superficie químicaSuperficie química con cambio gradualcon cambio gradual

ββ

αα

Reduce a

Superficie Superficie geométrica:geométrica: posee área posee área

pero no pero no grosorgrosor

AG ∆=∆ γENERGIA ENERGIA LIBRE DE LIBRE DE

GIBBSGIBBS

Estabilidad de los sistemas dispersos

Es necesario formularlos adecuadamente para obtener preparados estables.

Factores de los que depende la estabilidad de los sistemas dispersos:

• Grado de dispersión de la fase interna Si el grado de dispersión de la fase interna es elevado y

homogéneo, aumenta la estabilidad del sistema.

• Viscosidad. El agregado de sustancias a un sistema disperso con propiedades

reológicas favorece la estabilidad. Al aumentar la viscosidad del medio dificulta la movilidad de las partículas impidiendo que se aproximen.

Propiedades de los coloides: • Liofilos / liofobos.

-Dependiendo de la afinidad química de la interfase por la fase continua.

• Una gran cantidad de área de interfase. - Área superficial de todo el material disperso. - Gran acumulación de energía libre en la interfase dad la falta de afinidad química de las fases. - Tendencia a la separación de fases: inestabilidad termodinámica. -

• Propiedades fuertemente afectadas:

Fase continua: Viscosidad, conductividad eléctrica y constante dieléctrica, densidad. Fase dispersa: carga superficial, tamaño de partícula (medio y distribución ), polarizabilidad eléctrica,... Interfase: tensión de la interfase, cargas eléctricas superficial, propiedades mecánicas (viscoelasticidad).

Propiedades de las dispersiones coloidales

Las sustancias en estado coloidal presentan propiedades características que no muestran en otros grados de dispersión y que no son específicas de la sustancia sino más bien del grado de dispersión, es decir del estado coloidal.

Propiedades de sistemas coloidalesPropiedades de sistemas coloidales

-CoalescenciaCoalescencia

Aplicable solo a coloides de dos fases (liofóbicos)

Coalescencia o fusión

Disminución área superficial

EL Gibbs disminuye coalescencia o disminución de TS AG ∆=∆ γ

-Floculación-Floculación

Partículas primarias Flóculo (agregado)

Floculación o asociación de dos o más partículas

Flóculos se movilizan como solo una unidad

No hay cambio en el área superficial

Flóculo se mantiene unido por: Interacción hidrofóbica, Van der Waals, electrostática-iónica, puentes de H

Por condensación:

Nucleación y crecimiento de partícula

Preparación de complejos moleculares aumentando su tamaño hasta alcanzar el rango coloidal

Implica reacción química de los componentes solubles siendo los productos de reacción insolubles (agregados) en el medio dispersor

Ej, preparación de azufre coloidal por oxidación de Na2S2O3

−+− +++→+ e22HSOSOHOS 2

42-2

32

Sedimentación

Las dispersiones coloidales son estables y no sedimentan normalmente.

La concentración de las partículas puede variar con la altura en una dispersión coloidal,

tanto mas cuanto mayor es el tamaño de las partículas, de manera análoga a como el aire tiene distinta presión a diferente

altura.

Con ultracentrífugas (w ≈100000 rpm) y que producen campos gravitatorios de ≈ 104 g pueden separarse partículas coloidales de

diferente tamaño, por ejemplo proteínas.De esta forma se pueden purificar proteínas o determinar sus pesos

moleculares.

Propiedades de los Coloides

Efecto Tyndall: Al hacer pasar un rayo de luz a través de una dispersión coloidal, el rayo de luz se ve en forma clara y nítidaal atravesar el coloide, fenómeno que no sucede en una solución.

Este efecto se debe a que las partículas coloidales son lo suficientemente grandes como para dispersar la luz.

Las disoluciones son claras y transparentes mientras que las suspensiones son turbias.

Las dispersiones coloidales a simple vista y con microscopio ordinario son claras pero si se observan directamente en dirección perpendicular al haz de luz son turbias y si la observación se realiza en la oscuridad y la única luz es la del haz, la dispersión coloidal se hace visible con minúsculos y no diferenciados puntos de luz. Este es el “Efecto Tyndall”

¿Qué es efecto Tyndall? Es un fenómeno que se aprecia cuando un rayo de luz pasa por una mezcla coloidal y éste es reflejado por las partículas grandes dispersas en la mezcla, haciendo que se ilumine mayor espacio del coloide y perdiéndose el aspecto de rayo luminoso.

Las partículas coloidales se pueden observar como puntos de luz en fondo oscuro, moviéndose irregularmente.

Movimiento Browniano: Cuando se observa un coloide con un microscopio, se observa que las partículas dispersas se mueven al azar en la fase dispersante.

Lo que en realidad se ve son los reflejos de las partículas coloidales, ya que su tamaño permite reflejar la luz.

Observando dispersiones coloidales en el

ultramicroscopio se puede observar este movimiento

irregular en zig-zag. Es debido a los choques no

compensados de las moléculas del medio de dispersión.

Fue descubierto por Robert Brown (1827).

Midiendo el recorrido medio a intervalos constantes

de tiempo de las partículas, se puede determinar el numero

de Avogadro.http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/applets/Hwang/ntnujava/term_browniano/gas2D_s.htm

A) Electroforesis

Propiedades eléctricas V=0 VV=0 V

En el montaje de la figura, un tubo

en U con dispersión coloidal y un

poco de medio de dispersión

si se aplica una diferencia de potencial (ΔV) grande, la dispersión

coloidal se desplaza como un conjunto hacia uno de los electrodos.

Este fenómeno se denomina “electroforesis” y revela que las

partículas coloidales tienen carga.

La carga eléctrica se puede

deber a dos causas:

a) Disociación de las propias

moléculas que constituyen la partícula

coloidal, dándole carácter de

electrolito.

b) Adsorción de iones cargados

sobre la partícula coloidal.

Tienen carga negativa y migran hacia el ánodo:

Metales, sulfuros, almidón, goma arábiga

Tienen carga positiva y migran hacia el cátodo: Óxidos,

hidróxidos y colorantes básicos

Efecto de carga eléctrica: Una partícula coloidal puede adsorber (adherir moléculas o iones sobre una superficie) partículas con carga eléctrica (iones) en su superficie.

Las partículas con carga eléctrica adsorbidas sobre la superficie de alguna clase de partícula coloidal, pueden ser positivas o negativas.

Ambas capas forman la “doble capa eléctrica” .

ΔV es el “potencial electroquímico” total entre partícula y disolución.

Z es el “potencial electrocinético” o “potencial zeta” que representa la diferencia de potencial debido a la capa difusa.

El valor del potencial zeta es una magnitud importante para el estudio de las propiedades coloidales en especial la estabilidad de los coloides.

xxs

ψ

ζ

← Plano de deslizamento

xxs

ψ

ζ

xxs

ψ

ζ

← Plano de deslizamento

Todo sólido sumergido en un líquido tiende a cargarse eléctricamente en su superficie:

1- Por adsorción de iones del medio.

2- Por ionización de grupos funcionales en su superficie (en este caso, el pH del medio juega un papel importante).

Propiedades eléctricas: potencial zeta

Doble capa eléctrica

POTENCIAL Z

/ / / / / / / / / / / / / / / / / / S ó l i d o / / / / / / / / / / / / / / / / / // / / / / / / / / / / / / / / / / / S ó l i d o / / / / / / / / / / / / / / / / / / C a p a f i j a d a

C a p a d i f u s a( m ó v i l )

R e p r e s e n t a c i ó n d e l a D o b l e C a p a E l é c t r i c a

z

Doble capa eléctrica de una partícula

Partícula cargada positivamente: S, capa de Stern; G, capa de Gouy-Chapman; N, zona de electroneutralidad.

La partícula positiva atrae iones negativos. Sólo una parte de estos iones de signo opuesto a la partícula quedan firmemente adheridos a su superficie formando una capa monomolecular de contraiones llamada Capa de Stern o Capa fija.

Los demás iones se distribuyen en distintos niveles de acuerdo a la carga de la partícula formando la Capa difusa o de Gouy-Chapman.

Hay un punto de la capa difusa donde la carga de la partícula no se hace sentir más; se lo denomina punto de neutralidad.

La resultante de la capa difusa es de la misma magnitud pero de signo contrario a la capa fuertemente adherida o fija.

Como no se puede medir la carga de la partícula, se mide la diferencia de potencial que hay entre la zona de separación de la capa fija y de la capa difusa, y el punto de neutralidad.

A ese potencial se lo denomina potencial Z, y es la verdadera estimación de la carga de la partícula.

El potencial Z se determina por varios métodos entre ellos por electroforesis. Es un parámetro importante en relación a la estabilidad del sistema coloidal

Métodos de preparación de coloides*

* Excluye coloides de asociación y liofílicos

Por dispersión:

1. Pulverización: molienda de un sólido en partículas de tamaño coloidal

1. Aumento de G depende de la TS del sólido

2. Molienda hasta nivel molecular:

W = energía de sublimación o evaporación del sólido

3. Molienda se realiza en un líquido para reducir la tensión superficial de la superficie del sólido (levigación)

Ej. Azufre coloidal

2. Emulsificación

1. Dispersión de un líquido en presencia de otro líquido

2. Obtenida mecánicamente (simple agitación u otra técnica)

3. Disminución de tensión interfasial (entre líquidos) promueve proceso de emulsificación

4. Proceso puede ser espontáneo si TI es lo suficientemente baja (agentes emulgentes)

5. Termodinámicamente inestables en ausencia de emulgentes

6. En algunos casos (microemulsiones) dispersión es termodinámicamente estable

LIPIDO

LIPIDO

Estabilidad de los sistemas dispersos

Carga eléctrica de las partículas dispersas:

Las partículas dispersas en un medio líquido tienden a cargarse eléctricamente por adsorción de iones del medio o por pérdida de iones de la partícula. Se forma una doble capa eléctrica que origina fuerzas de repulsión entre partículas de cargas eléctricas similares (evitando su acercamiento).

Temperatura:

El aumento de la temperatura reduce la estabilidad de los sistemas dispersos al disminuir la viscosidad y aumentar la movilidad de las partículas o gotitas dispersas.

La carga eléctrica y la doble capa iónica que rodea las partículas coloidales y el potencial zeta son los responsables de su estabilidad.

Estabilidad

Si no fuera por sus repulsiones electrostáticas al acercarse quedarían asociadas por fuerzas de Van Der Waals y se produciría la precipitación del coloide.

La adición de electrolitos tiene dos efectos

a) Disminución del espesor de la capa difusa y por tanto de

su efecto protector del coloide.

b) Adsorción de iones en la capa fija, lo que produce una

disminución del potencial zeta.

Ambos efectos explican la acción precipitante de los

electrolitos sobre los coloides. El efecto coagulante de estos iones

de signo opuesto es mayor cuanto mayor es su valencia.

Efecto Emulgente. Tensioactividad

Los soles liófobos inestables pueden estabilizarse por adición de un sol liófilo.

Un ejemplo de esto es la acción detergente de los jabones para disolver la grasa o aceite.

grasa

agua

agua

grasa

agua

aguaLas emulsiones de grasa en agua son inestables pero en presencia de un poco de jabón, que actúa como emulsionante, son estables.

- -COO-

-CxHy

-Na++

- -COO-

-CxHy

-Na++

H-C-H

H-C-H

H-C-H

H-C-H

H-C-H

CO O-

Na+

H

CadenaAlquílica(hidrofoba)

Molécula de jabón

H-C-H

H-C-HH-C-H

H-C-H

H-C-HH-C-H

H-C-HH-C-H

CO O-

Na+

H

CadenaAlquílica(hidrofoba)

Molécula de jabón

Este efecto se complementa con un aumento de la capacidad de

penetrar el agua en los tejidos debida a la disminución de tensión

superficial que provoca el jabón en el agua.

La cadena alquílica se

disuelve en la grasa y

queda la parte iónica de

la molécula en la parte

exterior con carga

negativa.

Esta carga contribuye a formar la doble capa eléctrica y a estabilizar la partícula de grasa en el agua.

Una sustancia tensioactiva es la que disuelta en un líquido, se concentra en su

interfase con otro líquido, sólido o gas, provocando una interrupción de los

enlaces responsables de la tensión superficial del disolvente, de tal manera que

esta disminuye.

Los tensioactivos alteran las propiedades de un líquido que dependen de su tensión

superficial: capacidad de “mojar” otras sustancias, ángulo de contacto...

El jabón es un tensioactivo usado desde hace muchos siglos.

Tradicionalmente fabricado con grasas

naturales, procedentes de aceites o restos de grasa animal, tratadas

con ceniza.

R-COO-CH2 R-COOK HO-CH2

| | R’-COO-CH2 + 3KOH → R’-COOK + HO-CH2

| | R’’-COO-CH2 R’’-COOK HO-CH2

Ester (grasa) Jabón Glicerina

Los humos constituyen una dispersión coloidal de partículas sólidas en un gas, generalmente aire, es decir “aerosoles”

D) Precipitación electrostática de los aerosoles. Proceso Cottrell.

FORMACION DE HUMOS

-Cuando una sustancia que a temperatura ordinaria es sólida

se forma a temperatura tan elevada en que es un gas, al enfriarse

quedan partículas de sólido en dispersión.

-Cuando se forma una sustancia sólida por reacción entre dos

gases.

-Otros procesos como la trituración de materiales sólidos a

polvo fino (por ejemplo cemento).

Los humos son muy perjudiciales en zonas urbanas y son difíciles de precipitar. Por otra parte cuando se pueden coagular son de gran valor económico.

El “proceso Cottrell” esta

basado en las propiedades

eléctricas de las partículas

coloidales y, por tanto, la

propiedad de moverse en un

campo eléctrico hacia el

electrodo de signo opuesto y,

al llegar a él, descargarse y

precipitar.

3. Geles

Un gel conforma una dispersión coloidal muy viscosa con capacidad de absorción de mucho disolvente y de aumentar su volumen.

Cuando una dispersión coloidal liofila se enfría, su viscosidad va

aumentando hasta que llega a transformarse en una masa semisólida

de aspecto homogéneo que se denomina “gel”.

En éste, las partículas fuertemente hidratadas se reúnen en un

retículo esponjoso que contiene mucho agua de hidratación o

imbibida por fuerzas de capilaridad en los poros.

El hecho de que un gel sea elástico o inelástico depende de que los capilares del mismo sean flexibles o rígidos.

Algunos geles presentan la propiedad de licuarse cuando se someten a tensiones mecánicas fuertes (se agitan) pero al dejarlos en reposo vuelven al estado de gel.

Este fenómeno se denomina “tixotropía”. Un ejemplo de él son ciertas pinturas que al agitarse se licuan pero después de aplicarlas melifican de nuevo

ARRACACHA

YUCA

BANANO

DOMINICO HARTON

CHACHAFRUTO

Almidón de Mafafa (Xanthosoma sagittifolium)