Reología en el análisis de alimentos

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El procesamiento de alimentos a menudo implica un proceso de flujo complejo; por lo tanto, las propiedades físicas de los ingredientes y el producto final son vitales. Estas propiedades también son importantes para producir una experiencia placentera para el consumidor y productos que cumplan con las expectativas. Por lo tanto, el análisis reológico es una herramienta importante para evaluar los alimentos y sus ingredientes constituyentes en todas las etapas del sistema alimentario, desde el procesamiento y la producción industrial hasta la cocina y el consumo en el hogar.

¿Qué es la reología y qué es un reómetro?

definición de reología

¿Cómo funciona un reómetro y qué mide un reómetro?

Reómetro vs viscosímetro

Tipos comunes de reómetros

- Reómetro rotacional

- Reómetro capilar

- Reómetro de cizallamiento dinámico

Problemas comunes en la reometría de alimentos

Medición de propiedades reológicas en la industria de alimentos y bebidas

Este artículo tiene como objetivo explicar qué es la reología, cómo se miden las propiedades reológicas y cómo se aplican a sus alimentos.

La reología es una rama de la física, específicamente de la mecánica de fluidos. Describe la deformación y el flujo de la materia: sólidos y fluidos (líquidos y gases) bajo la influencia de tensiones. En esencia, la caracterización reológica cuantifica la relación entre la deformación, el estrés impuesto, la viscosidad, el comportamiento de flujo, la elasticidad y la recuperación de una sustancia.1 En el procesamiento de alimentos, la reología es esencial ya que las propiedades de flujo determinan el comportamiento de los alimentos durante el procesamiento o la preparación. Además, la reología influye en los sabores y nutrientes liberados de los alimentos durante la masticación y la digestión. El análisis reológico imita lo que sucede cuando se manipula un material.2

Un reómetro es un instrumento que mide cómo fluye la materia en respuesta a las fuerzas aplicadas y cuantifica sus propiedades reológicas. Un reómetro extensional aplica tensión o tensión extensional, mientras que un reómetro rotacional controla y aplica tensión o tensión cortante.3

La reología estudia la relación entre el estrés (fuerza) y la deformación (deformación) de un material. El profesor Eugene C. Bingham acuñó el término en 1920 del griego ῥέω (rhéō) "flujo" y -λoγία (-logia) "estudio de". La reología responde a la pregunta: "¿Cómo responde un material a una fuerza?".4, 5

Fundamentalmente, un reómetro aplica o mide el par, el desplazamiento angular o la velocidad angular. Sin embargo, el usuario está más interesado en los parámetros reológicos, que se calculan de la siguiente manera:

Los experimentos reológicos se realizan aplicando una pequeña tensión a la muestra y midiendo la tensión desarrollada o aplicando una cantidad fija de tensión y midiendo la tensión desarrollada. Las mediciones de pequeñas deformaciones revelan la estructura de la materia a escalas tan pequeñas como el nanómetro y el micrómetro. Mientras tanto, las grandes deformaciones y tensiones pueden proporcionar información sobre el comportamiento viscoelástico no lineal y dependiente del tiempo, que son relevantes para el procesamiento y consumo de alimentos.6

Las pruebas con un reómetro se pueden realizar en modo rotatorio (corte) u oscilatorio, a diferencia de los viscosímetros, que solo miden en una condición de flujo. En las mediciones rotacionales, la geometría de medición gira continuamente en una dirección, lo que proporciona información sobre la viscosidad de la muestra. Cuando se realiza una prueba oscilatoria, la geometría de medición se mueve hacia adelante y hacia atrás y mide la viscoelasticidad de la materia (Figura 1).7

Como se mencionó antes, la reología se ocupa del flujo (característica de los líquidos) y la deformación (característica de los sólidos). La realidad, sin embargo, es un poco más compleja y algunas sustancias pueden exhibir una combinación de estos comportamientos (Figura 2). En general, los fluidos se pueden clasificar como newtonianos (su viscosidad es independiente de la velocidad de corte) y no newtonianos. Estos pueden clasificarse además como independientes del tiempo; su viscosidad depende de la velocidad de cizallamiento (adelgazamiento o engrosamiento por cizallamiento) o dependiente del tiempo si el historial de deformación también juega un papel (fluidos tixotrópicos). El tercer grupo consiste en fluidos viscoelásticos, que exhiben una combinación de comportamiento sólido y fluido. 4

El tipo particular de comportamiento exhibido por un material dado se puede identificar aplicando una deformación sinusoidal (deformación) y observando el valor del ángulo de fase. Un ángulo de fase (δ) (Figura 3, en verde) es el tiempo de retraso (diferencia) entre la aplicación de tensión a la muestra (línea continua azul en la Figura 3) y la obtención de un resultado medido (tensión, línea continua naranja en la Figura 3). El valor de δ = 0° denota un sólido elástico ideal, y el valor de δ = 90° indica un líquido viscoso ideal. Las sustancias viscoelásticas tienen valores entre 0° y 90° (Figura 4). 4, 8

Además de establecer el comportamiento general de la sustancia, se puede recopilar más información sobre sus propiedades reológicas. El módulo complejo G*, una medida de la resistencia a la deformación, se puede estimar realizando un barrido de amplitud en un modo de operación de tensión o deformación (Figura 4, gráfico a la izquierda). La deformación de la muestra se incrementa paso a paso de un punto de medición al siguiente mientras se mantiene la frecuencia en un valor constante. La rigidez de un material, el valor del módulo complejo dentro de la región de viscoelasticidad lineal (LVER), determina su blandura/rigidez, mientras que su límite elástico (límite de LVER) determina su resistencia/debilidad (Figura 4, gráfico a la derecha).

Un barrido de frecuencia proporciona más información sobre la estructura del líquido. Esta prueba se lleva a cabo en un rango de frecuencias de oscilación a una amplitud constante con valores de tensión o tensión dentro del LVER. Los barridos de frecuencia permiten la identificación de sólidos, líquidos o geles viscoelásticos (Figura 5) y la observación de cambios en los dos componentes del módulo complejo: módulo viscoso (G") y módulo elástico (G'). Las bajas frecuencias ilustran el comportamiento del material en un escala de tiempo larga, y las frecuencias altas representan la respuesta en una escala de tiempo corta9.

Para líquidos puramente viscosos, las mediciones de flujo con perfiles de viscosidad/cizallamiento se pueden realizar como barridos de velocidad de cizallamiento o barridos de tensión. En el primer modo, se simula el flujo forzado, como el bombeo, la mezcla, el llenado y la distribución. Por el contrario, el segundo modo ayuda a obtener datos en condiciones de flujo libre y mide la viscosidad de cizallamiento cero y el límite elástico. La acción capilar, el goteo, la sedimentación, la formación de crema, la flacidez y el hundimiento son ejemplos de flujo libre. La Figura 6 presenta curvas de flujo típicas para varios comportamientos de flujo que puede exhibir un fluido. Cuando cualquier esfuerzo aplicado inducirá el flujo, las curvas se encontrarán en el origen. Cuando los fluidos tienen un límite elástico, las curvas interceptan el eje de tensión en un valor distinto de cero, lo que significa que solo las cantidades apropiadas de tensión inducirán un flujo.10,11

Las propiedades reológicas de un material se miden en una geometría apropiada para la muestra y la prueba. Las geometrías de medición se pueden clasificar en dos grupos: absolutas o relativas. El primer grupo de geometrías permite el cálculo de parámetros reológicos en unidades absolutas independientes de la geometría. Cilindros concéntricos, placa-placa, cono-placa y cilindros concéntricos de doble espacio son ejemplos de geometrías de medición absolutas (Figura 7).12 Estos valores se pueden comparar independientemente de si, por ejemplo, la viscosidad de la miel se analizó en una placa-placa o Sistema de doble cilindro.

En el segundo grupo, las geometrías de medición relativas entregan valores específicos de la geometría; por lo tanto, los resultados solo se pueden comparar si se utiliza la misma geometría. Estos incluyen rotores de paletas, husillos, agitadores y geometrías con superficies pulidas con chorro de arena, perfiladas o dentadas. A diferencia de los viscosímetros, que normalmente solo tienen rotores de medición relativos, las pruebas rotacionales y oscilatorias con reómetros se pueden realizar con cualquiera de las geometrías mencionadas anteriormente. Es importante recordar que las geometrías de medición relativas a menudo dan como resultado un flujo de fluido no homogéneo. Como resultado, los valores de viscosidad no se pueden calcular y los resultados de las pruebas obtenidos con geometrías de medición relativas deben expresarse como mediciones relativas.1

Ciertas muestras, sin embargo, no se pueden medir en geometrías absolutas; este suele ser el caso de las muestras que se separan o se deslizan sobre una superficie lisa (el llamado deslizamiento de pared). En situaciones como estas, se recomiendan geometrías de medición relativas para evitar resultados inexactos.13 Los husillos y paletas se utilizan cuando se analizan materiales pastosos que no fluyen de manera homogénea o contienen partículas grandes. alimentos comoyogur y muchos productos lácteos a menudo tienen una estructura rígida de gel tridimensional que puede destruirse cuando se utiliza un cilindro doble o un sistema placa-placa. Para estas muestras, por lo general es mejor seleccionar una paleta, ya quepuede sumergirse en muestras sensibles al cizallamiento sin cambiar significativamente su estructura,y además,se puede eliminar el deslizamiento de la pared.4

La Figura 7 ilustra las geometrías más comunes utilizadas en la ciencia de los alimentos y otros campos. La selección de geometría es crucial para obtener resultados correctos y depende en gran medida de la muestra y del tipo de reómetro. Generalmente, los cilindros concéntricos se utilizan para líquidos de viscosidad baja y media, cono-plato para líquidos de alta viscosidad, plato-plato para sólidos blandos y rotores de paletas para muestras gelatinosas y productos propensos a sedimentos.14

Figura 7: geometrías de medición de uso común para pruebas reológicas, el naranja pálido indica la ubicación de la muestra.

Tanto los viscosímetros como los reómetros se utilizan para medir la viscosidad. A menudo, los viscosímetros se utilizan para analizar elementos, procesos o producciones que requieren mediciones de flujo simples. Mientras tanto, el reómetro se puede utilizar para caracterizar el flujo, la deformación e incluso la pegajosidad de materiales newtonianos y no newtonianos. Un viscosímetro puede ser portátil para pruebas de campo o remotas, pero un reómetro es mucho más versátil y tiene parámetros de medición mucho más amplios. La tabla 1 resume las diferencias entre estos dos instrumentos15, 16.

Tabla 1: Diferencias entre un viscosímetro y un reómetro. 15, 16

Tipo de medida

viscosímetro

reómetro

viscosimetría

Curvas de flujo

Cizalla simple

Relajación del estrés

Curvas de flujo

Estrés de fluencia

tixotropía

Cizalla simple

Relajación del estrés

Arrastrarse

Oscilación

No aplica

Barrido de amplitud

Barrido de frecuencia

frecuencia única

Tipos de muestra

Líquidos

Fundidos de polímeros, soluciones de polímeros, emulsiones, suspensiones, geles, líquidos, sólidos blandos

Funcionalidad

Esta medida solo es aplicable a líquidos cuya viscosidad puede expresarse mediante un único valor

Capaz de medir líquidos newtonianos y materiales que no se pueden definir por un solo valor de viscosidad. Capaz de trabajar como un viscosímetro

Rango

Tasa de corte limitada

Amplio rango de velocidad de corte, tensión de corte y oscilación

Requisitos

Capaz de medir la viscosidad solo si el líquido sigue la ley de viscosidad de Newton

Puede realizar mediciones en diversas condiciones.

Solicitud

Se utiliza principalmente para monitorear la calidad y la consistencia de la producción en un entorno industrial

Se utiliza para realizar una evaluación reológica completa de una muestra, investigación y desarrollo y control de calidad.

La reometría rotacional implica encerrar la muestra entre dos superficies de una geometría de medición, una de las cuales se gira posteriormente. Los reómetros se pueden clasificar como controlados por velocidad o controlados por esfuerzo, según cómo se regule la rotación. Sin embargo, los instrumentos modernos pueden funcionar en cualquiera de estos modos. En el modo de velocidad controlada, se controla la velocidad de rotación, mientras que se registra el par. Para el modo de tensión controlada, se aplica un par específico y se registra la tasa de rotación subsiguiente.17, 18

Los reómetros capilares son la forma más simple de un reómetro. Permiten una medida del valor absoluto de la viscosidad de los fluidos newtonianos y, hasta cierto punto, de los líquidos descritos por la ecuación de la ley de potencia. Se mide la cantidad de tiempo requerida para que un volumen fijo del fluido de prueba pase a través de un tubo capilar. Los flujos de fluido pueden ser impulsados ​​por gravedad, gas presurizado o pistones. Se recomienda utilizar viscosímetros capilares solo para fluidos newtonianos conocidos, como soluciones diluidas y aceites vegetales. Solo es posible realizar pruebas de control de calidad limitadas en otros alimentos. Además, las muestras de alimentos deben ser homogéneas. Los sólidos en suspensión o las gotas pueden generar errores significativos si el tamaño de las partículas es lo suficientemente grande en comparación con el diámetro del tubo capilar. Finalmente, es importante evitar que las suspensiones se asienten o se separen durante el ensayo19, 20.

La reología dinámica utiliza los mismos tipos de geometrías que los reómetros rotatorios en su análisis. En este caso, la carga varía sinusoidalmente y se controla el esfuerzo cortante o la deformación. Además, la carga es lo suficientemente pequeña para evitar la destrucción del material. Como se mencionó anteriormente, estas pruebas identifican el comportamiento viscoelástico de una muestra. Los reómetros dinámicos o rotacionales no tienen tantas constricciones como los reómetros capilares. Si la geometría y los conjuntos de prueba se seleccionan correctamente, pueden medir casi cualquier material alimenticio. La mayoría de los reómetros pueden realizar pruebas rotacionales y oscilatorias.21, 22

Es posible malinterpretar las respuestas reológicas de las muestras debido a muchos artefactos de medición. La suavidad y la actividad biológica de los alimentos a menudo hacen que las mediciones reológicas sean más desafiantes. Las condiciones no ideales pueden dar lugar a una interpretación errónea de los resultados, como un aparente adelgazamiento y espesamiento por cizallamiento en los fluidos newtonianos.23

En general, y específicamente con la comida, evitar datos erróneos es una tarea desafiante. Un buen lugar para comenzar es determinando la ventana experimental. Para los sistemas biológicos blandos, el par mínimo que puede medir un instrumento es la limitación más crítica con respecto a la medición de las propiedades reológicas. La geometría también afecta los límites experimentales.24

Estos son algunos de los problemas más comunes que pueden conducir a mediciones y conclusiones incorrectas:

Muchos productos alimenticios son líquidos o sólidos simples, pero otros pueden ser suspensiones, emulsiones, espumas, geles de biopolímeros o mezclas. El uso de mediciones reológicas es particularmente importante cuando se desarrollan nuevos productos o ingredientes alternativos, como análogos a la carne o la leche.

La sensación en la boca, la textura, el gusto y el sabor de los análogos de la carne aún difieren de la carne real a pesar de los avances en la fabricación de fibras a base de plantas. Los especialistas en investigación y desarrollo pueden utilizar las propiedades reológicas de la proteína de origen vegetal para mejorar la aceptabilidad de dichos productos.27, 28 Otra información valiosa sobre los alimentos de origen animal y vegetal es el comportamiento de la grasa a diversas temperaturas.29 Un método para explorar este comportamiento mide el cambio en el ángulo de fase que puede revelar cambios reversibles e irreversibles que experimentará el queso (o el queso análogo) cuando se calienta.30, 31

Además, un análisis en profundidad de las características reológicas puede proporcionar información sobre la estabilidad y apariencia de los productos a base de almidón.32 La capacidad de recubrimiento y el comportamiento de drenaje son cruciales para el atractivo visual y sensorial de los glaseados, salsas y aderezos para alimentos. La adherencia de un material (capacidad de adherirse a los alimentos) resulta de una combinación de tres factores reológicos: límite elástico, viscosidad de cizallamiento cero y viscoelasticidad.33, 34

A pesar de un aumento en la demanda de alternativas a la leche, la aceptación del consumidor es baja debido a las diferencias en apariencia, sensación en la boca y comportamiento de almacenamiento. Del mismo modo, también se espera que los yogures sin grasa tengan una textura cremosa y sedosa.35, 36, 37

En conclusión, la reología es una herramienta poderosa que se puede utilizar para desarrollar nuevos alimentos o mejorar o controlar los productos existentes.

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