2.3.2 TECNOLOGIA DEI GRASSI N.B I

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1 Capitolo TECNOLOGIA DEI GRASSI N.B I concetti proposti sulle slide, in linea di massima seguono l ordine e i contenuti del libro, ma!!!! Ci possono essere delle variazioni 1

2 1. I GRASSI NATURALI MISCELE DI TRIGLICERIDI I grassi naturali essendo miscele di trigliceridi non hanno un punto di fusione discreto, ma un intervallo di fusione. Viene definita punto di fusione la temperatura alla quale il grasso è tutto o quasi nella forma liquida Mentre il composto allo stato puro fonde a una precisa temperatura (punto di fusione), per il sistema contenente più sostanze grasse e diverse fra loro, la fusione avviene gradualmente e non a un unica temperatura, ma in un intervallo di temperature tanto più ampio quanto più le temperature di fusione dei singoli costituenti differiscono tra loro. 2

3 Le sostanze pure e le miscele Un po' di ripasso di chimica generale UNA SOSTANZA PURA È MATERIA COSTITUITA DA UN SOLO TIPO DI ATOMO O MOLECOLA (sostanza). MISCELA DETTO ANCHE MISCUGLIO È MATERIA COSTITUITA DA DUE O PIÙ SOSTANZE 3

4 Le proprietà delle sostanze pure Un po' di ripasso di chimica generale LA CARATTERISTICA PRINCIPALE DELLE SOSTANZE PURE È AVERE DELLE PROPRIETÀ CHIMICO-FISICHE SPECIFICHE Sono proprietà che si manifestano quando una sostanza interagisce con un altra sostanza. Alcune delle proprietà chimico-fisiche degli elementi, che sono sostanze pure, indicate nella tavola periodica. -Stato fisico ( solido, liquido, gas) -Colore -Sapore -Densità -Temperatura di fusione -Temperatura di ebollizione Prof. Vincenzo Leo - Chimica - ITA Emilio 4

5 Curve di fusione naftalene(sostanza pura) e cera(miscela) Solido Solido-Liquido (Sosta termica) Un po' di ripasso di chimica generale Liquido Temperatura di fusione Temperatura di fusione Qual è la differenza tra naftalene e cera? Riportando i valori di temperatura durante il riscaldamento di un solido si ottiene la curva di fusione. Si può notare che la temperatura di fusione del naftalene sostanza pura rimane costante nonostante si continui a fornire calore (Solido-Liquido). Nei passaggi di stato quando la temperatura rimane costante è chiamata sosta termica. Il calore fornito durante la fusione che non provoca aumento di temperatura della sostanza (caso naftalene) viene definito calore latente di fusione. Quando tutto il solido è passato allo stato fuso la temperatura inizia a salire (Liquido). Prof. Vincenzo Leo - Chimica - ITA Emilio 5

6 Obiettivi paragrafo 1: I grassi naturali miscele di trigliceridi 1-Perché i grassi naturali hanno punti di fusione diversi? 2-Qual è la differenza tra una miscela e una sostanza pura? 3-Che caratteristica hanno le sostanze pure? 4-Qual è la differenza tra una curva di fusione di una miscela e una sostanza pura? Prof. Vincenzo Leo - Chimica - ITA Emilio 6

7 2. LA STRUTTURA CRISTALLINA DEI GRASSI Se analizziamo la struttura dei grassi (attraverso cristallografia a raggi X)in forma solida noteremo che le molecole dei trigliceridi formano tra loro dei reticoli di legami che danno origine a delle strutture cristalline. Cosa sono le strutture cristalline? Sono strutture dotate di una particolare simmetria, dovuta alla formazione di legami tra atomi e molecole. Esempio di struttura cristallina I composti ionici contengono ioni di carica opposta che si attraggono, producendo un legame ionico, che da origine alla formazione di struttura con una particolare simmetria detta struttura cristallina. 7

8 La struttura cristallina dei grassi Gli acidi grassi saturi catene idrocarburiche lineari: ideali per la struttura cristallina nei grassi Legami tra molecole Legami all interno della molecola Le catene idrocarburiche degli acidi grassi formano tra loro legami di Van der Waals (legami di natura elettrostatica). 8

9 La struttura cristallina dei grassi Acidi grassi insaturi catene idrocarburiche non lineari: un impedimento per la struttura cristallina nei grassi Nel caso in cui gli acidi grassi sono insaturi le catene idrocarburiche non sono lineari, per cui non vi è la possibilità tra le catene idrocarburiche di formare legami tra loro. In oltre la presenza di doppi legami non permette la rotazione delle catene idrocarburiche, che agevola la formazione legami elettrostatici tra le catene idrocarburiche. 9

10 La struttura cristallina dei grassi Se analizziamo (attraverso opportune strumentazioni) la struttura dei grassi in forma solida noteremo che le molecole dei trigliceridi formano tra loro tra loro dei reticoli di legami che danno origine a delle strutture cristalline. Strutture cristalline nei grassi Catene idrocarburiche Interazioni elettrostatiche tra le catene 10

11 La struttura cristallina dei grassi La stabilità dei cristalli Il cristallo α è il tipo meno ordinato -Si forma quando un lipide è raffreddato rapidamente -Il più alto stato di energia delle tre forme -punto di fusione più basso Il cristallo ß è il tipo più ordinato -Si forma con lento raffreddamento -Stato di energia più basso Il cristallo ß è meno ordinato del cristallo ß 11

12 Stato solido dei grassi e struttura cristallina In base a quanto detto circa i legami e le strutture cristalline dei grassi, è chiaro che la percentuale di acidi grassi insaturi determina o meno l esistenza delle strutture cristalline (a temperatura ambiente), che determina lo stato di aggregazione (solido, semisolido o liquido) del grasso. Per tale motivo i grassi animali, per lo più saturi si presentano in genere allo stato solido, mentre i grassi vegetali per lo più insaturi in genere si presentano liquidi. 12

13 Cristallizzazione dei grassi Approfondimento: Burro di cacao e cioccolato I suoi cristalli di burro di cacao presentano sei forme polimorfiche, ma solo uno (β-3) ha le caratteristiche ideali per il cioccolato (lucentezza e superficie liscia). Il processo di cristallizzazione avviene nella fase di temperaggio: il cioccolato liquido è lasciato raffreddare, per favorire l inizio della cristallizzazione e poi riscaldato ad una temperatura di poco inferiore a quella di fusione della forma desiderata, in modo da fondere tutte le altre forme non desiderate. Il tutto avviene in costante agitazione (concaggio). Nel cioccolato non ben temperato, o che ha subito sbalzi termici, avviene l affioramento del grasso in superficie. Il grasso del latte inibisce efficacemente questo fenomeno, e per questo viene aggiunto in piccole quantità anche al cioccolato fondente. 13

14 Obiettivi paragrafo 2: La struttura cristallina dei grassi 1-Cosa sono le strutture cristalline? 2-Cosa favorisce la presenza della struttura cristallina in un grasso? 3-Le diverse forme cristalline hanno caratteristiche diverse 4-Che importanza hanno le strutture cristalline nella produzione di cioccolato? 14

15 3.EMULSIONI L emulsione è il risultato della miscelazione di due liquidi immiscibili tra loro, che attraverso l energia meccanica si miscelano assumendo un aspetto visivamente omogeneo. In questo modo si forma una dispersione colloidale, più o meno stabile, di un fluido sotto forma di minutissime goccioline o bollicine (fase dispersa), in un altro fluido non miscibile (fase disperdente). L'emulsione è quindi un particolare "miscuglio meccanico" (o "miscela eterogenea"). La condizione di emulsione, però è uno stato metastabile, cioè ha una stabilità provvisoria, infatti i liquidi delle emulsioni tendono a ritornare nello stato iniziale. Le particelle della emulsioni vanno da 1µm a 50 µm. 1 µm = m 15

16 Le tipiche emulsioni Tipiche emulsioni sono i sistemi acqua in olio (A/O, dove l acqua è dispersa in olio), oppure olio in acqua (O/A, dove è l olio a essere disperso in acqua, come per esempio nella maionese). Sono emulsioni naturali, stabilizzate da proteine, il latte e il burro. Le emulsioni artificiali sono utilizzate in farmacia (olio di fegato di merluzzo emulsionato), in cosmesi (creme), nell industria dei detersivi, dei lubrificanti, delle vernici, degli insetticidi. Il gelato è un'emulsione di grassi, proteine, zucchero e aria in acqua. 16

17 Ricapitolando La condizione di emulsione è uno stato metastabile, cioè ha una stabilità provvisoria, infatti i liquidi delle emulsioni tendono a ritornare nello stato iniziale. Perché le emulsioni sono instabili? 17

18 Perché le emulsioni sono instabili? La tensione superficiale un fenomeno interessante Per comprendere il motivo dell instabilità delle emulsioni dobbiamo comprendere il concetto di tensione superficiale. La tensione superficiale è una grandezza fisica che misura la forza di coesione che agisce sulle particelle poste alla superficie di un liquido. Infatti, mentre sulle particelle interne agiscono forze simmetriche in tutte le direzioni, sulle particelle superficiali agiranno forze laterali e forze dirette verso l interno. N.B le frecce indicano la direzione della forza Interfaccia: è la superficie esterna del liquido 18

19 Perché le emulsioni sono instabili? La tensione superficiale un fenomeno interessante: l acqua come una pellicola elastica Le molecole interne sono in equilibrio tra loro. Le molecole superficiali risultano caratterizzate da forze laterali e forze dirette verso l interno. Interfaccia: è la superficie esterna del liquido N.B le frecce indicano la direzione della forza Questa condizione fisica fa nascere una tensione sulla superficie del liquido, detta tensione superficiale che conferirà a quest ultima caratteristiche simili a quelle di una membrana elastica. Alcuni insetti, come il gerride e l idrometra, sono capaci di scivolare sulla superficie delle acque di uno stagno, grazie alla tensione superficiale. 19

20 Perché le emulsioni sono instabili? La tensione superficiale un fenomeno interessante: l acqua come una pellicola elastica 20

21 Perché le emulsioni sono instabili? La tensione superficiale un fenomeno interessante: le gocce d acqua Come abbiamo già detto le molecole più esterne di un liquido sono sottoposte a forze di attrazioni laterali e verso l interno che determinano la tensione superficiale. A causa della tensione superficiale il liquido tende ad assumere la forma che gli permette di avere la minore area superficiale, cioè la forma sferica. Questa è la ragione per cui i liquidi in natura tendono ad assumere una forma sferica. 21

22 Ricapitolando MEMBRANA ELASTICA. Tensione superficiale IL LIQUIDO TENDE AD ASSUMERE LA FORMA CHE GLI PERMETTE DI AVERE LA MINORE AREA SUPERFICIALE, CIOÈ LA FORMA SFERICA. 22

23 Perché le emulsioni sono instabili? La tensione superficiale un fenomeno interessante Una volta illustrato il fenomeno della tensione superficiale, possiamo comprendere perché un emulsione tende a rompersi. Come abbiamo già detto i liquidi tendono ad assumere la forma che gli permette di avere la minore area superficiale, cioè la forma sferica. Perché i liquidi tendono ad occupare la minore area superficiale? 1-Ad una minore area superficiale corrisponde minore energia superficiale 2-Ad una condizione di minore energia corrisponde una condizione di maggiore stabilità «In natura ogni sistema tende a portarsi allo stato con minor contenuto di energia». A questo punto risulta lecito chiederci, perché la natura tende allo stato di minore energia? In una condizione di minore energia corrisponde maggiore stabilità. 23

24 Perché le emulsioni sono instabili? La tensione superficiale un fenomeno interessante Se consideriamo che la formazione di emulsioni comporta un aumento della superficie del liquido, tra la fase dispersa e quella disperdente, possiamo dire che l azione di emulsionare va a contrastare la naturale tendenza della fase dispersa ad occupare la minore area superficiale possibile. In virtù di quanto detto, adesso possiamo comprendere il perché nell emulsione di olio in acqua l olio tende a riaggregarsi è a tornare nel suo stato originario. > area superficiale > tensione superficiale = maggiore energia del sistema < area superficiale < tensione superficiale = minore energia del sistema A parità di volume quali delle due situazioni ha la minore area superficiale? Quale dei due sistemi contiene meno energia? 24

25 Instabilità delle emulsioni Le fasi di riaggregazione dell emulsione Il ritorno dell emulsione dallo stato miscela omogenea a quello di miscela eterogenea, avviene dapprima con la riaggregazione delle particelle (flocculazione) e la fusione in agglomerati sempre più grandi (coalescenza), fino alla separazione della fase grassa da quella acquosa per affioramento(sedimentazione). Nel caso dell'olio in acqua si ha la sedimentazione dell'olio verso l'alto. EMULSIONE FLOCCULAZIONE COALESCENZA SEDIMENTAZIONE 25

26 Instabilità delle emulsioni Nel caso dell'olio in acqua si ha la sedimentazione dell'olio verso l'alto. C. gocce sufficientemente grandi da sedimentare B. goccioline che hanno attraversato la fase di coalescenza A. Goccioline che flocculano 26

27 Sedimentazione: la legge di Stokes Se vogliamo favorire il processo di sedimentazione delle particelle di grasso non dobbiamo far altro che effettuare una centrifugazione. Legge che interpreta matematicamente il processo di sedimentazione prodotto con la centrifugazione la legge di Stokes. dove: - V è la velocità di sedimentazione; - r è il raggio della particella; - g è l'accelerazione di gravità (o accelerazione centrifuga); - µ, è la viscosità; - ApS è la differenza tra i pesi specifici del grasso e dell'acqua. 27

28 Sedimentazione: la legge di Stokes La velocità di sedimentazione delle particelle di grasso, dipende: -Dal raggio delle particelle di grasso (r): aumenta col quadrato del raggio delle particelle disperse. -Differenza tra i pesi specifici tra grasso e acqua (ApS): tanto maggiore quanto più grande è la differenza dei pesi specifici del grasso e dell'acqua. -Dalla viscosità (p): È tanto minore quanto maggiore è la viscosità del liquido disperdente. La viscosità si può poi eventualmente accrescere aumentando l'accelerazione di gravità g, mediante l'operazione di centrifugazione. 28

29 Sedimentazione: la centrifugazione Quali sono i processi industriali che utilizzano la centrifugazione e che quindi possono servirsi della legge di Stokes? La centrifugazione verticale è il sistema impiegato per separare l'olio dall'acqua. CENTRIFUGAZIONE 29

30 Il processo contrario alla scrematura l omogeneizzazione del latte 30

31 1-Cosa è un emulsione? Obiettivi capitolo 3: Emulsioni 2-Quali sono gli esempi di emulsione? 3-Perché le emulsioni sono instabili? 4-Quali fenomeni provoca la tensione superficiale? 5-Quali sono le fasi di riaggregazione dell emulsione? 6-secondo la legge di Stokes da cosa dipende la velocità di sedimentazione? 7-Quali sono i processi industriali che utilizzano la centrifugazione? 31

32 4.STABILITÀ DELLE EMULSIONI Fattori che influenzano la stabilità delle emulsioni: -Le dimensioni delle goccioline della fase dispersa -Strato di cristalli liquidi all interfaccia delle particelle -Viscosità delle fase disperdente -Differenza di tensione superficiale dei due liquidi -Agenti antiemulsionanti -Agenti emulsionanti 32

33 Stabilità delle emulsioni Le dimensioni delle goccioline della fase dispersa Le goccioline delle emulsioni, quando sono vicine alle dimensioni delle particelle colloidali ( nm), presentano uno spiccato addensamento di carica elettrostatica superficiale. La presenza di queste cariche sulla superficie delle goccioline costituisce una barriera elettrostatica che si oppone alla flocculazione e alla coalescenza. In oltre come abbiamo già detto la, relativamente alla legge di Stokes più il raggio delle particelle è piccolo più lenta è la sedimentazione. 33

34 Stabilità delle emulsioni Strato di cristalli liquidi all interfaccia delle particelle L'effetto emulsionante è sia quello di costituire una barriera meccanica alla coalescenza delle goccioline, sia quello di aumentare la viscosità dell'emulsione (i cristalli liquidi hanno una viscosità maggiore delle fasi liquide). Viscosità delle fase disperdente Quando la fase disperdente è molto viscosa, diminuisce la frequenza di flocculazione delle particelle disperse, che si muovono più lentamente. Differenza di tensione superficiale dei due liquidi Maggiore è la differenza di tensione superficiale minore sarà la miscibilità dei due liquidi. 34

35 Agenti antiemulsionanti Nelle operazioni industriali in cui si ha interesse a separare la fase oleosa da quella acquosa, si incorre in situazioni di emulsionamento persistente, si deve quindi cercare di rompere le emulsioni. A questo scopo vengono utilizzate le soluzioni saline. L'acqua contenente sali si emulsiona più difficilmente, in quanto acquisisce una maggiore tensione superficiale. 35

36 Agenti emulsionanti Nella produzione di molti alimenti risulta necessario stabilizzare le emulsioni attraverso l utilizzo di agenti emulsionanti per rendere gli alimenti più omogenei, digeribili, pregevoli dal punto di vista organolettico e più facilmente conservabili quindi stabili nel tempo. Gli agenti emulsionanti utilizzati a questo scopo, sono: -GOMME -TENSIOATTIVI 36

37 Agenti emulsionanti GOMME -Gomme derivate dalle piante: Gomma di guar Gomma arabica -Gomme derivate da alghe marine: Agar Carragenine Alginati Agiscono sulla viscosità, diminuendo la frequenza e l'intensità delle collisioni, contribuendo a ritardare la flocculazione e la coalescenza. Perché le gomme vegetali hanno un azione emulsionante? La ragione è da ricercare nella loro struttura. Avendo una struttura ramificata intrappolano le particelle di grasso nella loro rete evitando la riaggregazione delle particelle. 37

38 Agenti emulsionanti TENSIOATTIVI I tensioattivi sono sostanze che hanno la proprietà di abbassare la tensione superficiale di un liquido, agevolando la miscibilità tra liquidi diversi. STRUTTURA GENERICA DI UN TENSIOATTIVO ALIMENTI CREME DI BELLEZZA 38

39 Agenti emulsionanti TENSIOATTIVI Perché i tensioattivi riducono la tensione superficiale e quindi aumentano la miscibilità? DISPOSIZIONE DELLE MOLECOLE DI TENSIOATTIVO ALL'INTERFASE Le molecole di tensioattivo si interpongono e si sostituiscono alle molecole di grasso all interfase, affacciando la parte idrofila delle loro molecole verso la fase acquosa e quella idrofobica verso la fase oleosa. Il risultato è un sensibile abbassamento della tensione interfacciale. Questo è l'effetto tipico delle sostanze chiamate tensioattive, in particolare i saponi. 39

40 Agenti emulsionanti TENSIOATTIVI Curiosità: come fa il sapone a pulire lo sporco? Lo sporco è grasso e non si scioglie in acqua perciò ci laviamo usando acqua e sapone. La parte idrofoba della molecola di sapone si lega allo sporco mentre quella idrofila resta rivolta all'esterno. Lo sporco viene così completamente circondato dalle parti idrofile e può essere lavato via dall'acqua. 40

41 Obiettivi paragrafo 4: Stabilità delle emulsioni 1-Quali fattori che influenzano la stabilità delle emulsioni? Quindi saper spiegare i vari fattori in dettaglio. 2-Quale tipi di agenti emulsionanti abbiamo illustrato, e qual è il loro meccanismo emulsionante? 3-Perché i tensioattivi riducono la tensione superficiale e quindi aumentano la miscibilità? 4-Come fa il sapone a pulire lo sporco? 41

42 5.DIGESTIONE DEI LIPIDI A differenza di altre biomolecole, i lipidi iniziano il loro percorso digestivo solo all inizio dell intestino tenue, cioè nel duodeno. Qui essi incontrano la bile e il succo pancreatico. La bile è prodotta dalla cistifellea, che contiene i sali biliari che favoriscono la digestione. 42

43 Digestione dei lipidi Come favoriscono la digestione i Sali biliari? I sali biliari emulsionano i trigliceridi formando con essi micelle di piccole dimensioni che favoriscono l attacco della lipasi pancreatica. Quest ultima è secreta dal pancreas, idrolizza il legame estere del trigliceride tra glicerina e acido grasso, e permettere l assorbimento intestinale. 43

44 Digestione dei lipidi Il trasporto dei lipidi (acidi grassi e colesterolo) nel organismo avviene attraverso dei complessi macromolecolari sferici dette lipoproteine plasmatiche, che trasportano i lipidi in modo specifico dal sangue verso i tessuti di deposito e altri organi, a seconda della lipoproteina. Queste lipoproteine sono classificate in base alla densità in: -Chilomicroni -Very Low Density Lipoproteins (VLDL) Lipoproteina plasmatica -Low Density Lipoproteins (LDL) -High Density Lipoproteins (HDL) 44

45 Obiettivi paragrafo 5: Digestione dei lipidi 1-Dove inizia la digestione dei lipidi? 2-Come favoriscono la digestione i Sali biliari? 3-Come avviene il trasporto dei lipidi in organi e tessuti? 45

46 6.FUNZIONI DEI LIPIDI NELL ORGANISMO -Il tessuto adiposo: una riserva di energia a lento utilizzo nella misura di 9 Kcal/g, attutisce gli sbalzi termici (shock absorber). -Sono i componenti strutturali, delle membrane cellulari; -Veicolano le vitamine liposolubili A, D, E e K, attraverso i chilomicroni. 46