Clase 3. Métodos para estudiar propiedades y transiciones

Análisis en los diferentes niveles estructurales
macroscópico
Clase 3.
Métodos para estudiar propiedades y
transiciones supramoleculares
microscópico
molecular
2012
Gran parte de los avances en ciencia y
tecnología de alimentos en los últimos
años se debe a la aplicación de conceptos
de química de polímeros y de materiales.
Existen similitudes entre el
comportamiento de polímeros sintéticos y
biopolímeros, lo que permite aplicar
relaciones conocidas para polímeros
sintéticos.
Ciencia de
Polímeros
Estructura
de
alimentos
Ciencia de
alimentos
Ciencia
de
Materiales
1
Polímeros cristalinos: fibras
Los materiales que componen los alimentos se
pueden encontrar en forma cristalina, o
formando soluciones acuosas, sobresaturadas o
sólidas.
Estas últimas se conocen como vidrios y
corresponden a un estado amorfo de la materia.
A su vez, muchas veces se presentan sistemas
parcialmente cristalinos.
Muchos polímeros cristalinos tienen cadenas o partes de ellas que
no están en forma ordenada, por lo tanto tienen dos fracciones:
una cristalina y otra amorfa.
Una fibra polimérica está formada por
polímeros cuyas cadenas se alínean
entre sí en el mismo eje.
Ej. celulosa
Las fibras siempre se componen de
polímeros con alto grado de
cristalización, como la celulosa, que se
empacan en un ordenamiento regular.
Sólidos amorfos y estado vítreo
¾La generación de sistemas vítreos puede ocurrir
durante la congelación o durante la deshidratación
de alimentos, dando lugar a la formación de sólidos
amorfos.
¾La fusión de sólidos cristalinos, seguida por un
enfriamiento rápido también genera estructuras
vítreas (ej. caramelos duros).
Polímeros parcialmente cristalinos
Ej. amilopectina, proteínas, gomas
¾Muchos materiales alimenticios existen por lo
tanto en un estado concentrado, de sólido amorfo
(no cristalino) con un orden molecular al azar,
parecido al de un líquido.
2
vidrios
¾El cambio en el estado físico que sufre un
material amorfo vítreo al pasar al estado de
líquido sobreenfriado se conoce como
transición vítrea.
SiO2 en su estado
cristalino: cuarzo
¾Esta transformación ocurre a cierta
temperatura, temperatura de transición
vítrea (Tg), que depende del contenido de agua
y de las características de cada sistema.
Vidrio (amorfo)
Vidrio común
Demasiado quebradizo
y muy alta Tm
Esquema de la formación de sólidos amorfos,
cristalinos o parcialmente cristalinos
1. Durante la congelación
soluto
Los vidrios dejan de comportarse
como sólidos amorfos cuando la
temperatura supera el valor de Tg,
temperatura de transición vítrea.
En este punto pierden la rigidez
que los caracteriza y se tornan
flexibles o gomosos.
agua
Congelado lento
Congelado rápido
matriz
amorfa
hielo
3
2. Durante la deshidratación
soluto
agua
Deshidratación
lenta
Variación de
Tg en función
del contenido
de agua para
glucosa y
maltosa.
Deshidratación
rápida
matriz
amorfa
Cristales de soluto
100
Repollo
Zanahoria
Tg, °C
50
Papa
Lact/Am/Lys
0
-50
-100
0
5
10
15
20
25
Conte nido de agua, %b.s.
30
Variación de
Tg en función
del contenido
de agua para
varios
vegetales
deshidratados.
control
Almacenada a
T>Tg
Colapso estructural por
almacenamiento de muestras de
maltosa liofilizadas a temperaturas
superiores a su Tg.
4
Diagramas de estado- crioconcentración
Al enfriar una solución inicialmente a la temperatura T y composición
C2 , en forma lenta para permanecer en equilibrio, disminuye la
temperatura y no hay cambio de fase, permaneciendo líquida hasta T1
que es la temperatura de cristalización correspondiente a esa
composición. Se forman los primeros cristales de hielo.
T
Si consideramos ahora una solución de composición C3 a la
temperatura T, podemos ver que es necesario enfriarla hasta T2
para que se formen los primeros cristales de hielo. En este
punto la solución no congelada de C3 será idéntica a la de C2
enfriada hasta T2. La diferencia entre ambas es la cantidad de
hielo formado.
T
solución
T1
U
Solución
+ hielo
Solución
+ soluto
Al seguir
enfriando hay
menos agua en la
solución, que se
concentra. En el
punto U tenemos
un mezcla de
cristales de hielo
y una solución de
comp. C3
solución
T2
Cuanto más
concentrada es
la solución
inicial, menos
cantidad de
hielo presente.
Solución
+ soluto
Solución
+ hielo
T
La realidad:
Muchas veces el equilibrio
termodinámico no se alcanza en
escalas de tiempo compatibles con los
experimentos, y los solutos no
cristalizan, dando lugar a una
prolongación de la curva AB.
En cierto punto, alcanzamos una T y
conc. de soluto donde la cristalización
de hielo está cinéticamente impedida,
y corresponde a la intersección con la
curva del vidrio.
A
B
Cu
a
rv
l
de
rio
vi d
Reid, 2006
5
Diagrama de estado suplementado para un sistema binario.
Solución
Temperatura, °C
Líquido
sobreenfriado
Hielo + solución
Vidrio
Hielo + líq. sobreenfriado
Concentración de soluto, %
• Temperatura de transisición vítrea (Tg)
• Fusión de hielo (Tm)
• Solubilidad (Tms)
¾Región comprendida entre Tm (equilibrio) y Tg:
El sistema se encuentra, con raras excepciones, en
un estado de no equlilibrio. La curva Tm define las
condiciones donde el solvente (agua) puede
cristalizar. Si la concentración de soluto supera la
concentración definida por el punto eutéctico en el
diagrama de fases, puede formarse un sólido
eutéctico (soluto y solvente) o bien el solvente
continúa
cristalizando
en
una
solución
sobresaturada. La primera situación ocurre con las
sales mientras que la segunda ocurre comúnmente
con azúcares, polímeros y comp. polioxhidrílicos.
Dichas curvas definen regiones
de estabilidad variable.
(adaptado de Fennema, 1996).
Región comprendida entre las curvas Tms y Tg:
Zona metaestable donde la cristalización de
solutos puede ocurrir. En condiciones de
temperatura y concentración cercanas a la curva
de solubilidad, la velocidad de cristalización
aumenta con la sobresaturación. Sin embargo,
cuando el sistema se acerca a la curva de Tg, ya
sea por concentración o congelación, la
viscosidad aumenta drásticamente y la velocidad
de cristalización disminuye debido a limitaciones
difusionales. A Tg, las restricciones en la
movilidad molecular del sistema son tales que
impiden la cristalización en escalas de tiempo
razonables. Cabe remarcar que éste es un estado
dinámico (restringido cinéticamente) y no un
estado de equilibrio.
¾ Región comprendida debajo de la curva de Tg:
El material se encuentra en estado vítreo, no es
una condición de equilibrio sino un estado
metaestable. En general, las reacciones o
procesos que dependen de la transferencia de
masa o de la difusión están restringidos o no
ocurren. La cristalización, por ej., no ocurre en
una escala de tiempo razonable.
6
Determinación de las temperaturas de transición
de fase y estado
Propiedades térmicas
Propiedades mecánicas
DTA : Análisis térmico diferencial
DSC: calorimetría diferencial de
barrido
MS espectroscopía
mecánica
TGA: análisis termogravimétrico
DMA análisis mecánico
dinámico
Propiedades eléctricas
DMTA análisis térmico
mecánico dinámico
DETA análisis térmico
dieléctrico
Propiedades espectroscópicas
DEA análisis diléctrico
RMN: resonancia magnética
nuclear
Conductividad
IR: infrarrojo
Técnicas microscópicas y
análisis de imágenes
Determinación de las temperaturas
de transición
DSC Differential Scanning Calorimetry
Horno
Muestra/
Referencia
Muestra
Sensor
Raman
RSE: resonancia de espín
electrónico
DSC Differential Scanning Calorimetry
Flujo de calor
hacia la muestra
Tm
Flujo de calor
hacia la referencia
TR
TC
Sensor
Tm - TR = dT
Tm = Temperatura de la muestra
TR = Temperatura de la referencia
TC = Temperatura de la celda
7
DSC
Exot. Differential Scanning
Calorimetry
2
1
mW
Transiciones entálpicas
Deflección inicial
0
-2
Agua, azúcares, lípidos
Fusión
Area = calor involucrado
Cristalización
-4
polioles,
Endot.
-6
Almidón
gelatinización retrogradación
Proteínas
desnaturalización
130
132
134
136
138
140
142
144
C
0
1
2
3
4
5
6
7
min
agregación
Transiciones de fase de
un sólido amorfo
Τg onset
Δcp
Τg midpoint
Τg endsset
Temperatura
Flujo de calor
Flujo exotérmico de calor
Determinación de la temperatura de
transición vítrea por DSC
Región vítrea
TRANSICIÓN
VíTREA
Región
sobreenfriada
Formación de
cristales
Fusión de
cristales
Temperatura/tiempo
Calorimetría diferencial de barrido: Termograma típico de un
azúcar liofilizado (adaptado de Roos, 1992).
8
Tanque de N2 (g)
caudalímetro
DSC
Tanque de N2 (l)
9
Ejemplos. Algunas proteínas vegetales
^exo
^exo
Veget able Prot eins (1)
Desnaturalización de proteínas de clara de
huevo.
Egg White (2)
Conalbumin
and Lysozyme
reaction
Integral
-19.27 mJ
Spelt
trigo
trigo
espelta
espelta
Integral
normalis.
2
mW
13.03. 1998 10: 14:37
13.03. 1998 10: 14:32
Ovalbumin
reaction
-92.73 mJ
-17.17 Jg^-1
Integral
Soybean
soja
-47.93 mJ
1
mW
Wheat
trigo
Lupines
lupín
50
DEMO Vers ion
60
70
80
Integral
normalis.
-28.76 mJ
-4.23 Jg^-1
90
100
°C
60
METTLER TOLEDO STA Re Sy st em
DEMO Vers ion
Tratamiento térmico de proteínas de huevo a
80°C.
70
80
90
°C
METTLER TOLEDO STA Re Sy st em
Gelatinización de almidón
maíz
arroz
papa
trigo
10
Fusión/crist. de lípidos
Aceite vegetal
Cálculo del grado de cristalinidad a partir
de la cantidad de material fundido
(φ)
φ = ΔHm
ΔHT
Entalpía de fusión por
gramo de sólido
cristalino en la muestra
Entalpía de fusión por
gramo de sólido
cristalino total
Ej. Para evaluar la cinética de recristalización de
azúcares o retrogradación del almidón.
Para calcular grado de desnaturalización de
proteínas o de gelatinización de almidón es
1 − (φ )
11
exothermic heat flow (mW)
También se puede estudiar la cinética
de cristalización isotérmicamente.
1.5
sucrose
1.0
sucrose/salt
φ=1
0.5
φ=0
0.0
0
θ
m
φ = ΔΔH
H
ΔH
ΔHTT
Entalpía de
cristalización
al tiempo θ
10
20
30
40
50
Otros métodos complementarios para el estudio
de movilidad molecular y relación con
transiciones supramoleculares.
θ (min)
Entalpía de
cristalización
total
Ej. Para evaluar el efecto de algún aditivo
sobre la cinética de recristalización de
azúcares.
Análisis mecánico
Análisis dieléctrico
Relaxometría RMN
RX
IR
Microscopía
Análisis Mecánico Dinámico (DMA)
• Se aplica una perturbación oscilatoria a
un material y se mide la respuesta del
material en función de la temperatura o
la frecuencia.
• Las curvas de respuesta pueden mostrar
cambios en el módulo elástico o de
almacenamiento (G’ o E’), y el de pérdida
o viscoso (G” o E’’), y en la tangente de
pérdida tan δ.
Análisis Mecánico Dinámico (DMA)
• El método da información sobre
relajaciones sub-vítreas (β, γ) y aquellas
relacionadas con la transición vítrea
(relajaciones α).
12
Análisis Mecánico Dinámico (DMA)
Material elástico (sólido)
Respuesta en fase con la pert.
Fluido Newtoniano
Respuesta desfasada 90° con la pert.
Comportamiento intermedio
(viscoelástico)
Amplitud
ángulo de pérdida
tiempo
13
TMA/SDTA Sección transversal
Distintas formas de pertubar la muestra
Enfriamiento por agua
Soporte de muestra
Sensor de temperatura del horno
Sensor de temperatura de la muestra
Generador de fuerza
Sistema de termostatización
14
Análisis Mecánico Dinámico (DMA)
Comportamiento en las proximidades de Tg
Análisis dieléctrico (DEA)
Análisis dieléctrico (DEA)
• Determina la capacidad del material
para almacenar carga eléctrica y
transferirla, en función de la
temperatura, tiempo y frecuencia.
• La muestra se coloca entre dos
electrodos y se somete a un campo
eléctrico alternante.
15
Análisis dieléctrico (DEA)
• Las mediciones brindan
información sobre la permitividad o
constante dieléctrica, ε’, el factor
de pérdida, ε”, y el factor disipativo
(tan δ) que corresponde a la relación
entre el factor de pérdida y la
permitividad.
Comportamiento de iones y dipolos
en un campo eléctrico
Los dipolos permanentes
existen en ausencia de un
campo eléctrico aplicado y
son debidos a diferencias de
electronegatividad en las
uniones químicas.
Los dipolos inducidos
aparecen al aplicar un campo
eléctrico que causa
redistribución de electrones.
Del análisis se obtienen:
ε’ permitividad (constante dieléctrica)
proporcional a la capacitancia
ε’’ factor de pérdida
proporcional a la conductancia
tan δ factor de disipación ε’’/ε’ tan (90 - θ)
σ Conductividad iónica (mhos/cm) deriva de la
medición de ε’’
ε’, ε’’ y tan δ son adimensionales
16
ε’
ε’ representa la cantidad de dipolos que se
alínean con el campo eléctrico y es muy baja en
el estado vítreo ya que las moléculas no pueden
moverse para alinearse.
ε’’ mide la cantidad de energía requerida para
alinear los dipolos o mover iones. La
conductancia no es significativa hasta que el
sistema no es fluido. Debajo de Tg representa la
energía requerida para alinear dipolos.
Comportamiento
en las
proximidades de Tg
Frecuencia: 1Hz;
Maltosa-11,6% agua
conteniendo distintas
proporciones de KCl
0, 52% KCl
Tg
0,052% KCl
0,0052% KCl
0, 52% KCl
ε’’
0,052% KCl
Tg
0,0052% KCl
Ejemplos de aplicación de DEA
DMA/DEA simultáneos
DIELECTRIC ANALYSIS OF FROZEN DOUGH
17
Relajación de la magnetización nuclear
Comprende los procesos por los cuales los núcleos
atómicos vuelven al estado de equilibrio luego de
haber sido excitados por el pulso de Rf
Los procesos de relajación ocurren
simultáneamente pero los podemos separar en
relajación longitudinal (espín-red) caracterizada
por un tiempo de relajación T1 y
relajación transversal (espín-espín) caracterizada
por un tiempo de relajación T2
La relajación longitudinal nos indica el proceso por
el cual el sistema va recuperando sus poblaciones
de equilibrio, o sea es a lo largo del eje z.
La relajación transversal o espín-espín es un proceso
de disminución exponencial de primer orden que se
caracteriza con un tiempo de relajación T2. Para
sólidos cristalinos o líquidos muy viscosos estos
tiempos son muy pequeños (10-4 s).
relajación longitudinal (espín-red) y
transversal (espín-espín)
z
Mz
Orden de
tiempos
T1
x
y
Componente de
rápida caída
μs
(señal del sólido)
z
x
y
Mxy
z
T2
Componente de caída
lenta
ms
(señal del agua)
x
y
18
Ejemplo de determinación de Tg mediante los
tiempos de relajación de 1H-RMN
Datos de Farroni y col., 2008
Resumen sobre la variación de los parámetros en las cercanías de Tg
G’
DSC
DMA
Comparación de los cuatro métodos para
determinar Tg
tg δ
Δcp
G’’
DEA
RMN
T1
tg δ
T2
ε’
ε’’
Tg
Tg
Temperatura
19
Difracción de
Rayos X
Para analizar
cristalinidad
o amorficidad
Método de
referencia
para analizar
materiales
cristalinos.
Ejemplo del empleo de difracción de Rayos X para
el seguimiento de la cristalización de lactosa en
suero lácteo.
Próxima clase: microscopía/IR
20