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ESTUDIO DEL EFECTO DE LAS INTERACCIONES ENTRE CARBOXIMETILCELULOSA Y PROTEÍNA

DE LACTOSUERO EN LA FORMACIÓN, ESTABILIZACIÓN Y PROPIEDADES REOLÓGICAS

DE EMULSIONES MÚLTIPLES W1/O/W2

Consuelo Lobato Calleros a, Nancy Yared Hernández Marín a,E. Jaime Vernon Carterb

aUniversidad Autónoma Chapingo, bUniversidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa

•Consisten de pequeñas gotas de agua (W1)contenidas dentro de gotas más grandes de aceite(O) que se encuentran dispersas en una faseacuosa externa (W2).

• Contienen tres fases (W1,O, W2) y dos interfasesO-W, requiriéndose dos tipos distintos de agentesemulsificantes para su formación y estabilización:

- Emulsificantes de bajo peso molecular paraestabilizar las gotas internas de agua (emulsióninterna W1/O)

- Emulsificantes de bajo peso molecular o dealto peso molecular para estabilizar las gotasexternas de aceite (emulsión múltiple W1/O/W2).

IntroducciónEMULSIONES MÚLTIPLES  W1/O/W2

Fase dispersa

Fase Continua

InterfaseEMULSIÓN SENCILLA

ag

EMULSIÓN MÚLTIPLE AGUA EN ACEITE EN AGUA

AguaAgua Aceite

La composición y la estructura de laspelículas interfaciales de las EMdeterminan su: tamaño de gota,morfología, estabilidad, propiedadesviscoelásticas, procesos difusivos einteracción con el resto de loscomponentes de un alimento.

Algunas aplicaciones de interés de las EM son:(a) Protección de compuestos bioactivos de

carácter lipofílico e hidrofílico, los cualespueden ser liberados en un sitio específicocomo la boca, estómago o intestino delgado(Dickinson, 2011).

(b) Estructuración de alimentos reducidos en grasa(Lobato-Calleros et al., 2009).

(c) Encapsulamiento de bacterias probióticas(Pimentel-González et al., 2009).

Proteínas:+Agentes emulsificantes y estabilizantes (efectos electrostático yestérico).

Polisacáridos:+Agentes estabilizantes (control reológico de la fase continuamediante efectos espesante y gelante)

Avances en la estabilidad de EM se han logrado mediante lasustitución de emulsificantes de bajo peso molecular en lainterfase O-W2 por biopolímeros grado alimenticio, sobresaliendoproteínas y polisacáridos por su funcionalidad (Mun et al, 2010;Dickinson, 2011).

Bloques de carbohidratos (Hidrofílico)

Cadena de proteína (Lipofílico)

Aceite 

Agua 

Potencial de las propiedades de complejos proteína‐polisacárido formados vía interacciones electrostáticas:

+Incremento en hidrofilicidad+Películas interfaciales multilaminares ocombinadas+Incremento en propiedades estabilizanteselectro‐estéricas+Control de la vicoelasticidad de la faseacuosa externa

•Determinar la morfología, la estabilidad y las propiedades reológicasde emulsiones múltiples W1/O/W2 (EM), al usar complejos proteína delactosuero (WPC)-carboximetilcelulosa (CMC) como películasinterfaciales.

Objetivo

Materiales y métodos

Variaciones de EMRelación PWPC:PCMC (2:1 y 3:1),pHi (3.7, 4.0 y 4.3)Incorporación biopolímeros (MI y SE).

EM2:1, pH 3.7, MI EM2:1, pH 4.0, MI EM2:1, pH 4.3, MIEM3:1, pH 3.7, MI EM3:1, pH 4.0, MI EM3:1, pH 4.3, MIEM2:1, pH 3.7, SE EM2:1, pH 4.0, SE EM2:1, pH 4.3, SEEM3:1, pH 3.7, SE EM3:1, pH 4.0, SE EM3:1, pH 4.3, SE

Proceso de elaboración de las emulsiones múltiplesφ1 = 0.4 y la φ2= 0.3

Emulsión internaw1/o

Fase acuosa externa w2(agua + WPC + CMC)

Emulsión múltiple w1/o/w2

Fase acuosa interna w1

(agua + emulsificante

hidrofílico)

Etapa 1

Fase oleosa (aceite de canola +

emulsificantelipofílico)

Emulsión interna

w1/o

homogenización

Etapa 2

homogenización

Formulación de la emulsión interna (W1/O).

Agua destilada 37.8 ‐Emulsificante hidrofilico (EH) 2.1 ‐Carboxilmetilcelulosa®  0.1 ‐Aceite de canola (O) ‐ 51.5Emulsificante lipofilico (EL)  ‐ 8.5

EH: mono y diglicéridos esterificados con ácido diacetiltartárico; EL: Ricinoleato de propilénglicol.

W2: 1 ‐ 1.5 g WPC;  0.5 g CMC 

Caracterización de las emulsiones múltiples

Determinación de tamaño de gota:Diámetro volumétrico-superficial medio (D3,2) de las gotas de aceite - Mastersizer2000 (Malvern particle size analyzer series 2600)Diámetro lineal medio (D1,0) de las gotas de agua - microscopio óptico (OlympusBX45) y analizador de imágenes (Image J, versión 1.4).

Determinación de la tasa de coalescencia:A partir de D3,0. (28 días a 5± 1°C)

Comportamiento reológico:Pruebas oscilatorias dinámicas (reómetro MCR 301, geometría cono-plato, gap0.051 mm, 5°C)• Barridos de amplitud: 0.01 a 100 %• Barridos de frecuencia: 0.2 % deformación (RVL), 0.1 a 10 Hz frecuencia.• Curvas de flujo: tasas de corte 10-2 a 103 s-1

• Ajuste con modelos: Ley de la Potencia, Carreau, Carreau-Yasuda,Casson, Cross y Herschel-Bulkley.

Resultados

Valores de potencial Z de CMC y WPC como función de pH

La mayor diferencia de densidades de carga de diferente signo entre CMC y WPC se presentó en el rango devalores de pH 2.5 a 3.5; por tanto este rango de pH se identificó como el apropiado para mayor interacción entrelas moléculas de estos biopolímeros para la formación de complejos insolubles.

1 2 3 4 5 6 7 8

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

pH

CMC 0.5% WPC 2%

Pot

enci

al Z

(mV

)

pHi y relación PWPC: PCMC formación de complejos WPC-CMC

‐ Formación de complejos solubles WPC‐CMC(pH > 3.0 < 5.0)‐Formación de complejos insolubles ocoacervados WPC‐CMC (pH ≈ 3.0)‐ Disociación de los complejos insolubles WPC‐CMC en complejos solubles y/o moléculas sininteractuar (pH ≈ 2.0).

0123456789

10

2 3 4 5 6

Turbidez (cm

‐1)

pH

01:01

02:01

03:01

04:01

Morfología y tamaño de partícula de las EM

Diámetro lineal medio (D1,0) de las gotas de agua de la emulsión interna (W1/O) = 0.2 ±0.05 µm.

Diámetro volumétrico superficial medio (D3,2) de las gotas de aceite de la emulsiónmúltiple (W1/O/W2) = 2.6 μm (EM2:1, pH 4.3, MI) a 5.5 μm (EM2:1, pH 3.7, SE)

Las EM tipo se clasificó como tipo C (Garti, 1997).

1μm5μm

Tamaño de partícula y estabilidad de las EM

0

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

0 1 2 6 8 9 13 14 16 20 21 28

D 3,2 (u

m) 

Tíempo (días)

EM 1:2 PH 3.7 ME 

EM 1:2 PH 4 ME 

EM 1:2 PH 4.3 ME

EM 1:3 PH 3.7 ME 

EM 1:3 PH 4 ME 

EM 1:3 PH 4.3 ME 

EM 1:2 PH 3.7 SE 

EM 1:2 PH 4 SE

EM 1:2 PH 4.3 SE 

EM 1:3 PH 3.7 SE 

EM 1:3 PH 4 SE

EM 1:3 PH 4.3 SE 

Factor pHi PWPC:PCMCIncorporaciónbiopolímeros

3.7 4.0 4.3 2:1 3:1 MI SED3,2 inicial 

(μm) 3.8± 1.1b 3.1± 0.7 a 3.0± 0.4 a 3.7± 1.0b 2.9 ± 0.3 a 2.9±0.4a 3.7±1.0 b

D3,2 final(μm) 10.5±11.1b 6.2 ± 4.7 a 3.4±0.9 a 8.9 ± 9.9b 4.5±1.6 a 10.1± 9.2b 4.1 ± 0.9 a

Influencia de los factores de formación de complejos WPC‐CMC sobre el diámetro volumétrico‐superficial de las EM

Propiedades reológicas de las EM

Variación de los módulos de almacenamiento (G’) y de pérdida (G’’) de las EM como función de la deformación

0.1 1 10 1000.1

1

10

G´´

︵Pa

︶

Deformación ︵% ︶

0.1 1 10 1000.01

0.1

1

10

EM 1:2, pH 3.7, MI EM 1:2, pH 4.0, MI EM 1:2, pH 4.3, MI EM 1:3, pH 3.7, MI EM 1:3, pH 4.0, MI EM 1:3, pH 4.3, MI EM 1:2, pH 3.7, SE EM 1:2, pH 4.0, SE EM 1:2, pH 4.3, SE EM 1:3, pH 3.7, SE EM 1:3, pH 4.0, SE EM 1:3, pH 4.3, SE

Deformación ︵% ︶

G´

︵Pa

︶

Factor pHi PWPC:PCMC Incorporación3.7 4.0 4.3 2:1 3:1 MI SE

G’ (Pa) 0.6± 0.4a 1.0 ± 0.4b 3.0± 0.8c 1.9 ± 1.2b 1.2 ± 1.1a 1.3±1.0a 1.8 ± 1.4b

G’’ (Pa) 1.2± 0.7a 1.7 ± 0.6b 3.8± 1.1c 2.8 ± 1.4b 1.7 ± 1.3a 1.8 ± 1.1a 2.7 ±1.6b

Influencia de los factores de formación de complejos WPC‐CMC sobre la viscoelasticidad de las EM

0.01 0.1 1 10 1000.01

0.1

1

10 EM 1:2, pH 3.7, MI EM 1:2, pH 4.0, MI EM 1:2, pH 4.3, MI EM 1:3, pH 3.7, MI EM 1:3, pH 4.0, MI EM 1:3, pH 4.3, MI EM 1:2, pH 3.7, SE EM 1:2, pH 4.0, SE EM 1:2, pH 4.3, SE EM 1:3, pH 3.7, SE EM 1:3, pH 4.0, SE EM 1:3, pH 4.3, SE

Tasa de corte ︵1/s ︶

Visc

osid

ad

︵Pa.s

︶

Variación de la viscosidad aparente de las EM como función de la tasa de corte

Los datos de las curvas de flujo de lasemulsiones se ajustaron (R2 = 0.98) al modeloreológico de la Ley de la Potencia (Steffe,1996):

Donde:σ: esfuerzo cortante (Pa)γ : tasa de corte (s-1)K: índice de consistencia (Pa s n)n: índice de comportamiento de flujoη: viscosidad aparente (Pa).

Factor pHi PWPC:PCMC Incorporación 3.7 4.0 4.3 2:1 3:1 MI SE

K (Pa sn) 0.5± 0.4a 0.7 ± 0.3a 2.1± 0.5b 1.3 ± 0.8b 0.9 ± 0.8a 0.8±0.7a 1.3± 0.9b

n (adim) 0.8± 0.1c 0.7 ± 0.0b 0.6± 0.0a 0.6 ± 0.1a 0.7 ± 0.1b 0.7±0.1a 0.7 ±0.1a

Influencia de los factores de formación de complejos WPC‐CMC sobre los parámetros de flujo de las EM

La formación de complejos solubles e insolubles de WPC‐CMC ocurrió bajo valores depHi de 2.5 a 4.5 y relaciones PWPC: PCMC de 1:1 a 4:1.

El uso de complejos solubles WPC‐CMC como agentes emulsificantes/estabilizantes dela interfase (O‐W2) resultó en la formación de EM estables.

Variaciones en el pHi, relación PWPC: PCMC y método de incorporación de losbiopolímeros (SE y MI), resultaron en EM con distintas características de tamaño degota, estabilidad y propiedades reológicas; representando esto la posibilidad demodular las características de EM mediante variaciones de los factores que influyenen la formación y propiedades de los complejos biopoliméricos usados como agentesemulsificantes/estabilizantes.

CONCLUSIONES