UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN

CUARTO SEMESTRE

LABORATORIO EXPERIMENTAL

MULTIDISCIPLINARIO I

Profesoras:

I.A. Edith Fuentes Romero

I.A. Patricia Muñoz Aguilar

GELES

INFORME SOBRE GENERALIDADES DE GELES.

EQUIPO 1

Integrantes:

Cruz Tenhjay Karina

Melo Cruz Stephanie

Pérez Márquez Aline Jazmín

Rincón Vázquez Ariadna Marina

Fecha de Entrega: lunes 2 de marzo 2015

GELES Los avances tecnológicos han permitido un aumento en el uso de hidrocoloides, debido a las múltiples ventajas que éstos ofrecen. Los hidrocoloides o gomas son grupo diverso de polímeros de cadena larga, se caracterizan por su propiedad de formar dispersiones y geles viscosos cuando se dispersan en agua. Gracias a que tienen un gran número de grupos hidroxilo y esto aumenta su afinidad para que se le unan moléculas de agua por la “prestación” de compuestos hidrófilos.

Su principal uso en alimentos es que tienen la capacidad de modificar la reología de los sistemas alimentarios (viscosidad, textura); estos tienen una amplia gama de propiedades funcionales en alimentos incluidos; engrosamiento, emulsionantes, estabilizantes, de recubrimiento y como gelificantes.

Gel Es un sistema semisólido que consta de una red (red tridimensional de polímeros) de sólidos dentro de la cual un líquido es atrapado. (Jan W.Cooch, 2011).

Gel Se define a un gel como un sistema difásico constituido por una red macromolecular

tridimensional sólida que retiene entre sus mallas una fase liquida (Multon J.L., 1988).

La capacidad de los alimentos para formar geles depende de su formación en las zonas de unión entre las moléculas de polímeros que restringe la expansión de la red. Por lo tanto la red continua que esta interconectada al material que abarca todo el volumen, se hincha con una alta proporción liquida. En efecto, las moléculas del polímero se agregan en una inmensa molécula con una tridimensional estructura que '' el líquido 'atrapa'. La versatilidad de construir geles funcionales es amplio en gran medida cuando se mezclan los geles formando diferentes estructuras basadas en sus diferentes fases que forman (Fig. 1)

Es esta estructura de la red y la relación que tiene con la fase liquida que da a los geles sus propiedades reológicas y su textura característica. Por otro lado las propiedades un gel pueden ser dramáticamente cambiadas por la adición de un segundo agente gelificante; La red se puede ver afectada por algunos parámetros, como la temperatura, la presencia de iones y la estructura del mismo gel puede afectar zonas de unión dentro de la red.

Condiciones para la formación de un gel.

La formación de gel es un proceso espontáneo de una simple dispersión de polímero, o la suspensión de partículas, y externamente condiciones controlables de la composición de la temperatura o la solución.

La formación de geles puede ser clasificado en términos generales como físicamente inducida (calor, presión) e inducido químicamente (ácido, iónica, enzimática) por reacciones de gelificación. En caso de geles de proteínas, la gelificación de proteínas requiere una fuerza impulsora para desplegar la estructura nativa de la proteína, seguido de un proceso de agregación originando una red tridimensional organizada de agregados o hebras de moléculas de entrecruzamiento unido por enlaces no covalentes o menos frecuentemente por enlaces covalentes. Las condiciones para formar un gel dependen principalmente de varios factores físico-químicos como por ejemplo:

Temperatura La gelificación inducida por calor es probablemente el más importante y el método más común para obtener geles. La gelificación es un proceso de dos pasos; una disociación de despliegue o de las moléculas debido a la energía de entrada se lleva a cabo en principio para exponer los sitios reactivos. El segundo paso es la asociación y la agregación de moléculas desplegadas para formar complejos de mayor peso molecular.

El primer paso puede ser reversible, mientras que la segunda es por lo general un proceso irreversible. Presumiblemente, los puentes disulfuro (-SS-) y las interacciones hidrofóbicas a menudo desempeñan un papel importante. La tasa global de reacción puede ser determinada; ya sea por el despliegue o por la reacción de agregación, dependiendo de la relación de las velocidades de reacción en un rango de temperatura en particular.

Presión Una alta presión ofrece un grado de libertad adicional en la modificación de las propiedades funcionales moleculares, una alta presión puede aplicarse como un proceso único o en combinación con otros, en particular con el aumento de las temperaturas. La alta presión generalmente favorece algunas reacciones, que conducen a una reducción del volumen general del sistema. La presión hace que el agua se disocie y el pH se vuelve más ácido bajo presión. Las diferencias existen en apariencia y en sus propiedades reológicas de los geles con el simple hecho de aplicar presión y calor

Fuerza iónica Los cationes monovalentes y divalentes, tales como sodio y calcio pueden aumentar la fuerza iónica del gel. La repulsión electrostática de fuerzas entre las moléculas se reducen o neutralizan y se puede producir la gelificación. La gelificación inducida por iónes ha sido reportado para la pre-desnaturalización de proteínas de suero de leche y en contraste con inducción térmicamente de gelificación, se llama gelificación en frío. Ahora bien la gelificación inducida fuerzas ionicas es de mayor importancia en geles de polisacáridos, por ejemplo, alginato, pectina, o carragenina

pH Los cambios en el pH debido a la adición de ácidos o fermentación microbiana pueden cambiar la carga neta de la molécula y por lo tanto alterar las fuerzas de atracción y repulsión entre las moléculas así como las interacciones entre las moléculas y el disolvente, es decir, propiedades de hidratación. Además, la solubilidad de las sales por cambios de pH puede contribuir a la formación de gel. El mecanismo de la formación de gel en medio ácido podría explicarse por la teoría de la agregación

Presencia de una enzima La gelificación inducida por enzimas se basa en la introducción de entrecruzamientos covalentes artificiales en las proteínas de los alimentos. Entre otras reacciones catalizadas por trans-glutaminasa (TG), peroxidasa, y polifenol oxidasa son adecuados para la reticulación de proteínas

Calidad Solvente La naturaleza y la presencia de un disolvente influye notablemente en la formación del gel, por ejemplo, una solución concentrada de azúcar es un mal disolvente para la pectina. Los enlaces de hidrógeno en las zonas de unión sólo puede ser formado en solución concentrada de azúcar, y por lo tanto, la gelificación se lleva a cabo sólo en este tipo de disolvente

Concentración del agente gelificante La formación del gel se produce sólo por encima de una concentración mínima crítica, C *, que es específico para cada hidrocoloide. La agarosa se forma geles a concentraciones tan bajas como 0,2%, mientras que para el almidón diluido, se requiere una concentración de ~ 15% antes para que se forme el gel (Aguilera y

Rademacher, 2004). Masa Molar Si la concentración del polímero está muy por encima de la concentración

crítica, el efecto de la masa molar es insignificante, pero si la concentración está en el

intervalo de los valores de C *, la masa molar es mayor, y más rápido es el proceso de gelificación.

Propiedades gelificantes El estado gel se puede considerar como intermedio entre el estado líquido, puesto que ciertos geles pueden tener hasta 99.9% de agua, y el estado sólido, su organización permite mantener su forma y resistir a ciertos constreñimientos. Antes de la gelificación, las moléculas del polímero forman una verdadera solución; la formación del gel implica, por consiguiente, la asociación de cadenas entre sí o de segmentos de cadenas entre ellas. Más precisamente, las diversas etapas de transición se pueden distinguir:

a) El estado solución, o el polímero en forma de solución; las macromoléculas no están organizadas unas respecto a las otras

b) El estado gel, aparece cuando las cadenas están suficientemente asociadas para formar una red o gel, desde luego elástico.

c) A medida que las cadenas se organizan entre sí el gel se transforma cada vez más rígido, lo que da lugar, en general al fenómeno de la sinéresis; el gel se contrae y exuda una parte de la fase liquida.

El estado del gel no puede ser definido por un equilibrio, puesto que evoluciona con el curso del tiempo. Esta inestabilidad, así como la reversibilidad de la mayoría de los geles, nos permite concluir que las fuerzas capaces de asociar las cadenas entre ellas disponen de suficiente libertad para permitir sus evoluciones, es decir hay un compromiso entre las asociaciones polímero-polímero y entre asociaciones polímero-solvente. Lo que significa que el gelificante debe tener ciertas propiedades físicas químicas comunes a las macromoléculas insolubles (interacciones entre polímeros preponderantes) y a las macromoléculas hidrosolubles (capacidad de solvatación). Estas propiedades dependen de sus estructuras.

Características de un gel

La formación del gel es básicamente una transformación de sol al estado de gel durante el cual la viscoelasticidad cambia abruptamente con un simultáneo desarrollo en las características sólidas. En otras palabras, hay un intercambio entre las fases continuas y discontinuas durante la formación del gel. Por lo tanto, hay una necesidad en la medición de la viscoelasticidad (propiedad reológica).

Por otro lado la medición de la dispersión de Rayleigh se puede emplear para estimar el tamaño de la partícula en la solución. Puede proporcionar información en los diversos procesos de agregación que ocurren durante la gelificación. Además, la dispersión de luz dinámica también se puede utilizar para estudiar la reología de la dispersión de la gelatina mediante la medición del coeficiente de difusión de las partículas en suspensión y la efectiva viscosidad del gel.

Agentes gelificantes

Son macromoléculas que se disuelven o dispersan fácilmente en el agua para producir un efecto gelificante.

Según su origen, se distinguen:

Las gomas de origen vegetal, esencialmente de naturaleza glucidica.

Las gomas de origen animal de naturaleza proteica como los caseinatos y gelatina (ver tabla 1).

Tabla 1.- Agentes Gelificantes en la industria alimentaria.

Tipo Composición

química Gelificación Aplicaciones

AGAR

Es un polisacárido obtenido de algas marinas que posee las propiedades funcionales de espesante y gelificante.

Agarosa: Contiene grupos sin sulfatos pero que proveen todo el poder gelificante. Está formada básicamente como un polímero lineal de unidades de agarobiosa, así como por monómeros de dextro y levo galactosa, lo que le confiere una fuerte resistencia a la hidrólisis enzimática.

La propiedad radica en la habilidad para formar geles reversibles; el gel se funde con calor y vuelve a su estado original con enfriamiento. Este ciclo puede ser repetido un indefinido número de veces, el gel conserva sus propiedades mecánicas extremadamente bien mientras no se use en condiciones ácidas (pH<4) o con agentes oxidantes. El proceso de gelificación de agar depende exclusivamente de la formación de puentes de hidrógeno.

* Se usa en concentraciones muy bajas en el producto final. * No es necesaria la presencia de iones para la gelificación. * La histéresis del gel, la diferencia entre las temperaturas de gelificación y de fusión es mucho mayor en el agar que en cualquier otro agente gelificante reversible, permitiendo tener soluciones líquidas a 40 °C antes de gelificar y manteniendo productos estables por arriba de los 80 °C. *El agar muestra sinergia con el azúcar, lo que incrementa la fuerza del gel en productos con altas concentraciones de azúcar.

ALGINATOS

Son producidos en la pared celular y los espacios intercelulares de algas pardas. Formalmente, son polímeros

de alto peso molecular con secciones rígidas y flexibles.

Son sales del ácido algínico y sus monómeros son el ácido β-D-manurónico y su epímero unidos por enlaces glucosídicos que forman una estructura lineal. Los más comunes son el alginato de sodio, de potasio, de calcio y de magnesio.

Tienen capacidad para formar

geles que gelifican a ambiente. Cuando se pone a reaccionar con el Ca2+, este se inserta dentro de las estructuras de ácido gulurónico como un huevo en su caja. Un gel de alginato se considera como una parte sólida y otra una solución; después de la gelificación, las moléculas de agua están físicamente atrapadas por la red de alginato pero son libres de migrar hacia algún otro lado.

En todos los productos en los que se usa el alginato, éste se emplea para controlar la forma del alimento. La cantidad de alginato necesaria es usualmente entre 1 y 2% del peso final del producto, algunos ejemplos son: aros de cebolla, tiras de pimiento, fresas para coctelería, trozos de carne para mascota, hamburguesas, entre otros.

CARRAGENINA

Es un polisacárido proveniente de algas rojas, que producen carrageninas tipo kappa-I, kappa-II, iota y lambda.

Es una polisacárido lineal de alto peso molecular conformado por unidades repetitivas de galactosa y 3, 6-anhidrogalactosa, ambas sulfatadas y no sulfatadas, unidas mediante enlaces glucosídicos.

Estos polímeros son fuertemente aniónicos debido a la presencia de grupos sulfatos, lo cual facilita su interacción con moléculas catiónicas y anfotéricas, como las proteínas, a su vez, se caracterizan por ser solubles en agua, formando soluciones de alta viscosidad y/o geles, por lo que son ampliamente utilizadas en diversos productos dentro de la industria alimentaria

Al tener diversas propiedades, la carragenina es empleada en numerosos productos tales como: imitación de queso, glaseado para pasteles, comida para mascota, relleno para pay, cátsup, bebidas de frutas, entre otros.

PECTINA Las pectinas son ácidos pectínicos de elevado peso molecular que se dispersan en agua.

Algunos de los grupos carboxilo a lo largo de la cadena de ácido galacturónico están esterificados con metanol. Según el grado de esterificación, las pectinas se clasifican como pectinas de alto metoxilo o de bajo metoxilo. Los dos grupos tienen diferentes propiedades y gelifican bajo condiciones diferentes.

Un gel de pectina está constituido principalmente por agua retenida en una red tridimensional de moléculas de pectina. La pectina es hidrofílica debido al gran número de grupos hidroxilos polares y grupos carboxilo cargados en la molécula. Cuando la pectina se dispersa en agua, algunos de los grupos ácidos se ionizan y el agua se une tanto a los grupos cargados como a los polares de las moléculas. La carga negativa de las moléculas de pectina, unido a su atracción por el agua, las mantiene separadas pudiendo así formar un gel estable.

Se usan como gelificantes, espesantes y estabilizantes. Es mejor añadir pectina a jaleas y mermeladas para asegurarse de la formación de un gel.

Mecanismos de gelificación

Lo esencial de los conocimientos actuales reposa sobre los resultados de los estudios fisicoquímicos de

estos polímeros en estado sólido y al estado líquido o gelificado.

Gelificación por intermedio de dobles hélices Se limita a la descripción de gelificación de

carragenanos, pues la agarosa es menos empleada como gelificante alimentario. La estructura

helicoidal secundaria de las cadenas macromoleculares de los k y t-carragenanosestá inscrita en la

estructura primaria; a diferencia de las µ y λ carragenanos, los t y k-carragenanos poseen residuos de

3,6 anhidrogalactosa que, por el hecho de una unión trans con los residuos A(β-d galactosa 4-sulfato),

constituye el cebo de una formación de hélice. La existencia de la doble hélice propuesta inicialmente

por REES no puede ser formalmente demostrada, mas la mayor parte de las medidas son interpretadas

satisfactoriamente con esta hipótesis.

Tipos de Geles

Hidrogeles (acuosos): Son una red de cadenas de polímero hidrófilo, en forma coloidal, en la que el agua es el medio de dispersión. Los hidrogeles son muy absorbentes (que puede contener más de 99,9% de agua), y pueden ser polímeros naturales o sintéticos. Los hidrogeles también tienen un grado de flexibilidad muy similar al tejido natural, debido a su contenido de agua significativa.

Organogeles (orgánicos): Son similares a los hidrogeles, pero con un disolvente orgánico como medio dispersante en lugar de agua.

Xerogeles (sólidos): Son geles sólidos que han perdido o se les ha extraído el disolvente.

Geles hidrófilos o hidrogeles: constituidos por constituidos por agua, glicerina, u otros líquidos hidrofílicos.

Geles hidrófobos o Geles hidrófobos o lipogeles (oleogeles): constituidos por parafina líquida adicionada de polietileno o por aceites grasos gelificados

Geles monofásicos: el medio líquido lo constituye una sola fase o líquidos miscibles; agua una sola fase o líquidos miscibles; agua -alcohol, solución hidroalcohólica, aceite, etc.

Geles bifásicos: constituidos por dos fases líquidas: constituidos por dos fases líquidas inmiscibles, formándose una estructura transparente con propiedades de semisólido.

Geles elásticos: Un gel típico elástico es típico elástico es el de gelatina.

Geles no elásticos: El gel no elástico más no elástico más conocido es el del ácido silícico o conocido es el del ácido silícico o gel de sílice.

Inorgánicos: como el magma de bentonita.

Orgánicos: –Naturales: como la goma arábiga y la gelatina como la goma arábiga y la gelatina

– Sintéticos: como la como la carboximetílcelulosa sódica e sódica e hidroxipropílcelulosa

Gel Físico

Presentan una red tridimensional formada por uniones que no son completamente estables, sino que están asociadas a una reacción de enlace no enlace que se puede dar en los dos sentidos. Generalmente, las uniones son del tipo Van der Waals, mucho más débiles que las uniones covalentes.

Gel químico

Son aquellos en los que la red está formada a través de enlaces covalentes. Este tipo de enlaces es muy fuerte y su ruptura conduce a la degradación del gel. Por este motivo, se dice que los geles químicos no son reversibles con la temperatura, una vez rotos los enlaces no se pueden volver a formar. Este tipo de enlaces da lugar a un proceso de gelificación fuerte.

Geles termorreversibles y termo-irreversibles

La agregación se produce principalmente por puentes de H, que se rompen fácilmente al calentar, las redes poliméricas son termorreversibles, es decir, los geles se forman por enfriamiento de una disolución y al calentar se vuelven a fundir.

El grado de desnaturalización que se requiere para que comience la agregación parece depender de la proteína, puesto que lo que se liberan durante la desnaturalización parcial son sobretodo grupos hidrófobos, predominan las interacciones hidrófobas intermoleculares, de ahí el carácter termoplástico (termoirreversible) de este tipo de geles, en contraposición con los geles termorreversibles por puentes de H. Los geles termoplásticos no se fluidifican por calentamiento, aunque se pueden ablandar o arrugar. Además de las interacciones hidrófobas, los puentes disulfuro formados a partir de los grupos tiol liberados contribuyen también a la red, del mismo modo que los enlaces iónicos intermoleculares entre proteínas con puntos isoeléctricos distintos en sistemas heterogéneos, por ejemplo, clara de huevo.

Estabilidad de geles

Los factores desencadenantes de la inestabilidad de un gel son: temperatura, cambios de pH, agitación violenta y electrólitos.

Los geles con el tiempo pierden su condición de tal y su estructura puede llegar a romperse. La estabilidad de un gel también depende de su correcta formulación.

Propiedades

Un gel puede perder agua por evaporación o por sinéresis, y ganarla por imbibición

La sinéresis se da porque durante la gelificación se producen tensiones en la estructura atómica del gel que finalizan reconfigurando su estructura tridimensional y exudando el agua excedente, lo que implica cambios dimensionales en la geometría de su masa.

La imbibición se produce si se guarda la impresión del agua, el gel la absorberá aumentando su volumen.

Con el tiempo el agua contenida en la estructura del gel, se evaporara de manera proporcional al tiempo transcurrido y la temperatura ambiente, disminuyendo la masa del gel.

La sinéresis se debe a un reacomodo físico de las macromoléculas que adquieren una estructura más estable y provocan un ajuste en la interacción soluto-solvente.

En lo que respecta al hinchamiento, la diferencia esencial entre los polímeros entrecruzados y no entrecruzados radica en que, en los primeros la entrada de disolvente no es capaz de separar las cadenas macromoleculares que forman el gel por estar covalentemente unidas, mientras que en los geles físicos el mecanismo de solvatación puede desenredar y separar unas de las otras a medida que progresa la entrada de disolvente en la red macromolecular. Esta entrada alcanza un límite o un grado máximo de hinchamiento ya que la estructura covalente no puede deformarse indefinidamente.

La apariencia externa que tiene un gel depende de su proporción liquido-sólido. En el caso de los polímeros entrecruzados, los geles mantienen su aspecto de sólidos elásticos. Pero en el caso de polímeros no entrecruzados, a medida que aumenta la proporción de líquido se va pasando desde dicho aspecto de sólido elástico al de líquido viscoso.

Interacciones con las proteínas

La existencia de acciones entre las proteínas y ciertos poliosidos gelificantes se puede emplear en provecho de numerosos sectores de la industria alimentaria. Así que se utilizan las interacciones carragenanos-proteínas de leche para preparar postres lácteos con una determinada textura. Se puede estabilizar igualmente algunas suspensiones de proteínas lácteas a pH vecino a 4. Es posible, además, precipitar proteínas en presencia de poliosidos iónicos en ciertas condiciones de pH.Los mecanismos implicados son, en general, de naturaleza electrostática, pero es posible converger en ciertos casos, con reticulaciones por medio de enlaces covalentes.

GELES EN LA INDUSTRIA ALIMENTICIA

En los alimentos la gelificación de componentes cumple muchas funciones, particularmente en

relación con la textura, la estabilidad y afectan en especial medida a las condiciones de procesado.

Su importancia es especialmente grande ya que la demanda de productos bajos en grasa ha

potenciado el desarrollo de alimentos donde esta se sustituye parcialmente por sistemas gelificados

en base acuosa con textura adecuada, actúan como pegamentos alimentarios.

Algunos alimentos en los que se encuentran están las mermeladas, jaleas, confituras, rellenos de

panificación, patés, pie, flan, natillas, yogures y malvaviscos.

Mermeladas: se utiliza como agente gelificante la pectina; es un producto pastoso obtenido

por la cocción de una o más frutas adecuadamente preparado con edulcorantes, sustancias

gelificantes y acidificantes naturales hasta obtener una consistencia característica.

Jaleas: es un gel comestible dulce o salado, obtenido mediante la adición de gelatina o

pectina. La jalea es diferente de las conservas y la mermelada porque no contiene trozos de

fruta. Se prepara hirviendo fruta en agua y dejando que la pectina se disuelva en esta. Luego,

se descarta la fruta y el jugo que queda se hierve con azúcar a altas temperaturas. Cuando el

líquido se enfría, se convierte en jalea.

Rellenos de panificación: sustancia o mezcla comestible con trozos de fruta usada para

llenar una cavidad en otro alimento.

Pates: preparación cocida confeccionada con un relleno. A los patés, una vez cocidos, se les

vierte gelatina a base de carne para que contenga a la masa una vez que el relleno -por

acción de la cocción-haya perdido volumen tras la evaporación de sus jugos. Además ésta

gelatina adicionada evacuará el aire de los huecos vacíos previniendo así la oxidación,

resecamiento y posible crecimiento microbiano.

Pie: postre hecho a base de cremas, leches, en ocasiones rellenos de frutas o queso, y un

agente gelificante, como la grenetina.

Flan: Postre elaborado con una preparación a base de yemas de huevo, azúcar y leche, a

veces aromatizada con vainilla, que se cuece y cuaja al baño; tiene una consistencia blanda y

temblorosa.

Natilla: crema elaborada con leche, yemas de huevo, azúcar y aromas como la vainilla o el

limón.

Yogures: es un producto lácteo obtenido mediante la fermentación bacteriana de la leche; la

elaboración de yogur requiere la introducción de bacterias ‘benignas’ específicas en la leche

bajo una temperatura y condiciones ambientales controladas.

Malvaviscos: Los malvaviscos (bombones, nubes o marshmallows) son unas golosinas o

dulces esponjosos, hechos a base de azúcar, gelatina, saborizantes y opcionalmente algún

colorante, presentados en forma de cilindros, círculos o cuadrados.

El malvavisco en una espuma gelificada en la que la fase dispersa corresponde a burbujas de aire y

la fase continua es un gel que está conformado por una red de macromoléculas como fase continua

y como fase dispersa por una solución formada por agua y azucares.

Aunque la fase continua de un alimento aireado puede ser liquido (espuma de cerveza), viscoelastica

(malvaviscos) o sólida (merengue) las burbujas se dispersan inicialmente en la mayor parte del

liquido de la solución.

La incorporación de aire en el bombón no es muy diferente de la del pan, las burbujas de aire son

más pequeñas, y son añadidas durante el batido.

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