Método corregido de determinación del contenido de grasa sólida por calorimetría diferencial de barrido

Transcripción

1 Método corregido de determinación del contenido de grasa sólida por calorimetría diferencial de barrido Dr. Jorge R. Wagner Dr. Andrés L. Márquez, Ing. M. Paula Pérez Laboratorio de Investigación en Funcionalidad y Tecnología de Alimentos (LIFTA). Departamento de Ciencia y Tecnología. Universidad Nacional de Quilmes. CONICET. Argentina

2 Rango y punto de fusión de grasas Las grasas comerciales son mezclas de triglicéridos mayoritariamente heteroácidos, por lo que presentan un rango de fusión más que un punto de fusión definido, haya o no formas polimórficas diferentes. RANGO DE FUSION: T inicial T final A temperaturas dentro del rango de fusión coexisten cristales de grasa (grasa sólida) y aceite (grasa fundida), por lo que la grasa adquiere un estado semisólido con plasticidad y consistencia dependiente de la temperatura.

3 Plasticidad de grasas La plasticidad se refiere a la propiedad de comportarse como sólidos, resistiendo la acción de pequeñas fuerzas, y a su vez fluir como un líquido cuando se someten a fuerzas de deformación superiores. Las grasas plásticas tienen un rango amplio de fusión. Por encima de una temperatura dada, no fluyen ni se desmoronan por la acción de su propio peso, aunque pueden ser fácilmente moldeadas. En el rango de fusión, según la temperatura y cantidad/tipo de cristales (grasa sólida), las grasas adquieren además de la plasticidad, diferentes propiedades reológicas (viscoelasticidad, untabilidad) que afectan las propiedades de los alimentos que las contienen (emulsiones, postres, panificados, etc.).

4 Curva de sólidos Es la representación del porcentaje (%p/p) de sólidos (cristales) en una grasa frente a la variación de la temperatura: Contenido de grasa sólida (SFC) vs T ºC. Define el comportamiento de fusión (fusibilidad) de un material graso en diferentes situaciones (refrigeración, temperatura ambiente, paladar, procesos tecnológicos) y es un dato valioso para el desarrollo de alimentos. Las grasas animales/vegetales, margarinas, mantecas y shortenings funden de manera diferente según su composición en triglicéridos, esto se determina con la confección de curva de sólidos. La confección de una curva de sólidos requiere medir el porcentaje de sólidos a distintas temperaturas, usualmente, 1, 15, 2, 25, 3, 35 y 4ºC.

5 Curva de sólidos típica de distintas grasas 7 Contenido de grasa sólida Manteca de cacao Aceite de coco Aceite de palma Grasa vacuna Grasa de cerdo Grasa láctea Temperatura ( C)

6 Contenido de grasa sólida (Solid fat content, SFC) Resonancia Magnética Nuclear pulsada (prmn) de baja resolución (Método oficial AOCS Cd-16-93) Calorimetría diferencial de barrido (DSC). Determinación del rango y entalpía de fusión. Para la determinación de SFC debe ser validado con el oficial (prmn). Otras técnicas para SFC: velocidad de ultrasonido Índice de grasa sólida (Solid fat index, SFI) Dilatometría (Método oficial AOCS Cd-1-57)

7 Contenido o Índice de grasa sólida Dilatometría RMN DSC Estático Datos discretos Varias medidas Lento Cálculos en base al volumen específico Principio: Ve grasa sólida es menor que Ve grasa fundida Estático Datos discretos Varias medidas Rápido Método oficial Valores calculados en base a masa Principio: diferencia en los tiempos de relajación de una señal entre sólido y líquido después de un pulso electromagnético. Dinámico Datos continuos Un único ensayo Método alternativo Rápido Amplio rango de temperatura Cálculos en base a Entalpía de fusión

8 Correlación entre SFC (RMN) y SFI (dilatometría) SFI (dilatometría) < SFC (RMN) Shortenings plásticos Mantecas duras Un SFC de 1 corresponde aproximadamente a un SFI 75-8

9 Métodos RMN: IUPAC y AOCS Ambas métodos incluyen la fusión total de la grasa (borrado de la historia térmica) a 1ªC y luego un enfriamiento hasta ºC antes de llevar la muestra a la temperarura de medida. Método IUPAC: el enfriamiento es rápido y directo hasta ºC y se equilibra a esta temperatura durante 6 min. Método AOCS: el enfriamiento es gradual porque es llevado a cabo en diferentes estadíos cortos con temperaturas intermedias

10 Determinación del SFC (RMN) por ambos métodos a diferentes temperaturas (, 1, 21, 27, 33, 38 y 45ºC) sobre distintas muestras de grasas (Calsa, Lanús, Prov. Buenos Aires) Grasa Grasa bovina refinada (refined bovine fat) Estearina de grasa bovina (stearin of bovine fat) Oleina de grasa bovina (olein of bovine fat) Aceites de soja parcialmente hidrogenados de diferentes puntos de fusión ((Partially hydrogenated soybean oil: 25ºC, 36ºC y 42ºC Grasa vegetal bajo trans (Low trans vegetable fat) Nomenclatura RBF SBF OBF S25, S36 y S42 LTF

11 SFC (%) SFC (%) Tempertura (ºC) RBF OBF Tempertura (ºC) IUPAC AOCS) IUPAC AOCS SFC (%) SFC (%) Tempertura (ºC) SBF LTF IUPAC AOCS IUPAC AOCS Tempertura (ºC)

12 SFC (%) S25 IUPAC AOCS SFC (%) S36 IUPAC AOCS Tempertura (ºC) Tempertura (ºC) S42 SFC (%) IUPAC AOCS Tempertura (ºC)

13 Calorimetría diferencia de Barrido modulado (MDSC) Comportamiento térmico durante el enfriamientocalentamiento en barridos a velocidad constante Termogramas: Flujo de calor total (δq/δt, Heat flow) y de los flujos reversible e irreversible vs Temperatura Exotermas en cristalización (barrido de enfriamiento) Endotermas de fusión (barrido de calentamiento)

14 .8 MDSC de muestra grasa.6.4 Heat Flow (W/g) Exo Up Temperature ( C) Universal V4.5A TA Instruments Se debe llevar la grasa al menos a -6ºC, para cristalizar la totalidad de los triglicéridos y poder desde esa temperatura registrar el termograma total de fusión.

15 -.1 Heat flow, dq/dt Heat Flow (W/g, (W/g) mcal/s, mj/s) C 62.38(95.43)J/g 1.69 C C 33.5J/g C Exo Up Temperature ( C) Universal V4.5A TA In Temperature (ºC)

16 -.1 Determinación del contenido de grasa sólida por MDSC en base a valores H de fusión (método no corregido) H a: grasa fundida a T (2ºC) H b: grasa sólida Heat Flow (W/g) T inicial H total a T (2ºC) b T final SFC = x 1 H b (T) H total SFC E = T f T T f T EdT EdT Exo Up Temperature ( C) Universal V4.5A TA Instruments Los transiciones endotérmicas (picos) pueden ser: Fusión de dos formas cristalinas diferentes de la misma grasa Fusión de una mezcla de grasas de la misma forma polimórfica Cada pico puede incluir además la fusión solapada de cristales de TG de diferente o igual forma cristalina

17 st u e t SC Q u d H total = 95,63 J/g H 2ºC = 33,12 J/g Heat Flow (W/g) Exo Up Temperature ( C) Universal V4.5A TA Ins Contenido de grasa sólida, SFC (%) T ºC H (J/g) SFC (%) -5 95, ,51 99,8-3 94,92 99,2-2 92,67 96,9-1 85,36 89,3 72,65 76, 1 52,54 54,9 2 33,12 34,6 3 26,48 27,7 4 13,59 14,2 5,151, Temperatura ºC

18 Cómo se debe preparar la muestra grasa para el ensayo en MDSC? 1) Se debe borrar la historia térmica por fusión completa antes de realizar el estudio. 2) Se puede analizar inmediatamente la muestra? o se debe dejar cristalizar la grasa? Bajo que condiciones?

19 Se realizó un estudio del comportamiento térmico de las diferentes grasas, usando cápsulas de alumino herméticas empleando un MDSC Q-2 (TA Instruments). Las muestras fueron sometidas a un ciclo de enfriamientocalentamiento. 1º) Enfriamiento desde Tamb hasta -9ºC a una velocidad de 1ºC/min (con una isoterma de 1 min a esa temperatura) 2º) Calentamiento desde -9ºC hasta +8ºC a una velocidad de 5ºC/min. Las medidas fueron realizadas con una amplitud de modulación de ± 1ºC cada 6 seg. Márquez, Pérez, Wagner Solid Fat Content Estimation by Differential Scanning Calorimetry: Prior Treatment and Proposed Correction. J Am Oil Chem Soc (213) 9:

20 Tratamientos previos de las grasas Para borrar la historia térmica y uniformar la composición de las muestras, se ensayaron tres tratamientos diferentes : (1) Fusión total a 6ºC, mezclado, llenado de la cápsula con la grasa fundida e inmediatamente realizar el ensayo DSC; (2) Fusión parcial a 4ºC, mezclado, llenado de la cápsula e inmediatamente realizar el ensayo DSC; (3) Fusión total a 6ºC, mezclado, llenado de la cápsula, almacenamiento a 4ºC por 1 hora antes del ensayo DSC; (4) Fusión total a 6ºC, mezclado, llenado de la cápsula, almacenamiento a 4ºC por 1 día antes del ensayo DSC;

21 Termogramas MDSC de fusión de grasas Total heat flow ( ), reversible heat flow ( ), non-reversible heat flow ( ) RBF RBF Heat flow (W/g) endo.1 W/g Baseline Heat flow (W/g) endo.1 W/g Baseline Tratamiento previo (1) Fusión total a 6ºC, ensayo inmediato Temperature (ºC) RBF Temperature (ºC) LTF Heat flow (W/g) endo.1 W/g Heat flow (W/g) endo.1 W/g (4) Fusión total a 6ºC, almacenamiento a 4ºC por 1 día antes del ensayo Temperature (ºC) Temperature (ºC)

22 Condición elegida: (4) Fusión total a 6ºC, mezclado, llenado de la cápsula, almacenamiento a 4ºC por 1 día antes del ensayo DSC. La determinaron de las curvas de sólidos sobre las muestras así preparadas dieron: Solid fat content (%) Non-corrected DSC NMR - IUPAC NMR - AOCS Solid fat content (%) Non-corrected DSC NMR - IUPAC NMR - AOCS Temperature (ºC) Temperature (ºC)

23 Es correcto utilizar termogramas de Energía ( H) para analizar la cantidad de grasa sin fundir? La entalpía de fusión es independiente del tipo de grasa? Heat flow (W/g) endo.1 W/g S25 ( H = 63.7 J/g) S36 ( H = J/g) S42 ( H = J/g) Heat flow (W/g) endo.1 W/g OBF ( H = 7.53 J/g) SBF ( H = J/g) Temperature (ºC) Temperature (ºC)

24 La entalpía de fusión aumenta con el punto de fusión Melting enthalpy, H (J/g) Grasas Mezclas de triglicéridos Sunflower oil S25 OBF S42 S36 SBF Major melting peak temperature (ºC) Melting enthalpy, H (J/g) Triglicéridos puros (general. β) LLL OOO EEO EOE POP SOS EEE SSS PPP PSS SPP SPS PSP Melting point (ºC) H ( J / g) = T

25 -.2 47,8 J/g 47,8 J/g Heat Flow (W/g) ,7ºC Exo Up Temperature ( C) Universal V4.5A TA H a 11,7ºC: 5% del total Grasa fundida a 11.7ºC: >5% del total

26 Método DSC no corregido SFC calculado en base a termogramas de energía de fusión: SFC E = T f T T f T EdT EdT 1 E: energía de fusión en función de la temperatura T T : temperatura inicial de fusión T f : temperatura final de fusión. m ( g) = E ( J ) H ( J / g) Método DSC corregido SFC calculado en base a termogramas másicos de fusión: SFC m = T 1 m: masa no fundida a la temperatura T f T T T f mdt mdt

27 Perfiles de fusión en función de la temperatura, expresados en % Energía consumida y en % masa de grasa fundida 3, RBF 3, 3, LTF 3, Consumed energy (%) 2,5 2, 1,5 1,,5 2,5 2, 1,5 1,,5 Melted mass (%) Consumed energy (%) 2,5 2, 1,5 1,,5 2,5 2, 1,5 1,,5 Melted mass (%),,,, Temperature (ºC) Temperature (ºC)

28 Contenido de grasa sólida (SFC%) en función de la temperatura. Comparación entre método DSC corregido y no corregido y métodos RMN. Solid fat content (%) 8 RBF Non-corrected DSC Corrected DSC NMR - IUPAC NMR - AOCS Solid fat content (%) LTF Non-corrected DSC Corrected DSC NMR - IUPAC NMR - AOCS Temperature (ºC) Temperature (ºC)

29 Contenido de grasa sólida (%) Contenido de grasa sólida a 27ºC DSC no corregido DSC corregido RMN - IUPAC RMN - AOCS OB EB S25 S36 S42 Grasa

30 Conclusiones La técnica DSC como alternativa al método oficial RMN puede brindar datos mas confiables si se realiza la corrección adecuada por la diferencia existente en la entalpía de fusión de las grasas en función de su temperatura de fusión. El método DSC corregido emplean termogramas de masa fundida en vez de los típicos termogramas de entalpía de fusión. El empleo de DSC modulado permite elegir las condiciones adecuadas de preparación de la muestra antes del ensayo.

31 Se pueden obtener curvas SFC de una muestra grasa para un amplio rango de temperatura (-8 a +6ºC) a través de un único termograma, sin necesitar baños termostáticos a distintas temperaturas. Por el principio del método puede emplearse en muestras que contienen agua (emulsiones). A T>, el agua no interfiere en los termogramas de fusión. A T<, se resta el pico de fusión del hielo. El método MDSC corregido si es validado exhaustivamente en distintas grasas, puede ser propuesto como método oficial para la determinación del contenido de grasa sólida.

32 Muchas gracias a todos!! jorge.wagner@unq.edu. ar