El viscosímetro y su papel en la industria de alimentos y bebidas

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La viscosidad juega un papel decisivo en la ciencia de los alimentos y en la industria alimentaria. Este parámetro es crucial en el control de calidad y diseño de procesos, afectando operaciones como agitación y homogeneización, bombeo y envasado, entre otras.1 También es un factor fundamental que afecta el consumo de alimentos, siendo característico de la textura de los alimentos,2 jugando un papel importante en la percepción del sabor. e incluso tener implicaciones para la salud y la seguridad en procesos como la deglución y la digestión.3

Definición viscosa

¿Qué es un viscosímetro?

¿Cómo funciona un viscosímetro?

Tipos comunes de viscosímetros - Viscosímetros capilares y de copa de flujo (viscosímetros de orificio) - Viscosímetros de pistón descendente - Viscosímetros de bola descendente/viscosímetros de bola rodante - Viscosímetros rotacionales - Viscosímetros vibratorios y viscosímetros de oscilación - Otro tipo de instrumentos

Usos de la viscometría en la industria de alimentos y bebidas.

En este artículo, consideraremos qué es la viscosidad, cómo se mide y las aplicaciones de la viscometría en la industria de alimentos y bebidas.

Cuando se aplica una fuerza o tensión a un fluido, este fluye, lo que resulta en una fricción interna que resiste el flujo. Por tanto, la viscosidad se define como la fricción interna de un fluido, o en otras palabras, su capacidad para resistir el flujo.

Considerando un fluido como un número de capas laminares, la fórmula que describe la viscosidad es sencilla y se representa en centipois (cP) o Pascal segundos (Pa s):

El esfuerzo cortante es la fuerza por área necesaria para mover una capa laminar de fluido, mientras que la velocidad de corte es la relación de velocidad entre dos capas laminares de fluido. Esto sólo es válido para fluidos newtonianos, donde a una determinada temperatura, la viscosidad permanecería constante en función de los cambios en la velocidad de corte (por ejemplo, agua). Sin embargo, la mayoría de fluidos no se comportan de esta manera, denominándose no newtonianos, y se requieren diferentes consideraciones para medir su viscosidad. Para una comprensión más profunda de estos fenómenos y sus implicaciones, se recomienda lectura adicional.1

En términos prácticos, un fluido con mayor viscosidad fluiría más lentamente y parecería más espeso que un fluido con menor viscosidad (Figura 1). Esta propiedad depende en gran medida de las características intrínsecas de un material, como la composición molecular, la concentración de solutos, la organización estructural y la densidad. Además, la viscosidad no debe percibirse como un valor absoluto, sino más bien como una función de factores externos como la temperatura, el cizallamiento y la presión, todos los cuales afectan la viscosidad y, por tanto, las propiedades tecnológicas y organolépticas de un producto alimenticio.

Figura 1: Comparación de flujo de un fluido de alta viscosidad (izquierda) y un fluido de baja viscosidad (derecha) a la misma temperatura.

Un viscosímetro o viscosímetro es cualquier instrumento utilizado para medir la viscosidad de un fluido.4 Este tipo de instrumentos solo miden la viscosidad en una condición de flujo, a diferencia de otras clases de instrumentos que pueden determinar la viscosidad en diferentes condiciones de flujo, llamados reómetros. . Aunque los viscosímetros se consideran menos versátiles y precisos, son más baratos, portátiles, más fáciles de operar y proporcionan determinaciones más rápidas, lo que los convierte en la primera opción en aplicaciones de producción y control de calidad.5

Las determinaciones de viscosidad se pueden realizar basándose en varios métodos, donde el objeto de medición permanece estacionario y el fluido pasa a través de él, o el fluido está estacionario y el objeto de medición se mueve a través de él. En cualquier caso, las condiciones de flujo deben mantenerse en el régimen laminar.6 El movimiento relativo entre el fluido y las superficies del objeto de medición provoca resistencia, lo que permite medir la viscosidad. En función del movimiento relativo y la geometría del equipo, se pueden definir varios tipos de viscosímetro, así como sus precisiones y aplicaciones objetivo. Considerando las diferentes metodologías de viscometría, existen dos formas distintas de expresar la viscosidad, viscosidad absoluta o viscosidad cinemática. La viscosidad absoluta o dinámica se determina observando la resistencia del fluido a fluir bajo una fuerza externa controlada, mientras que la viscosidad cinemática se determina observando el flujo del fluido bajo la acción de la gravedad.1 Estas dos formas de expresar la viscosidad se pueden interconvertir considerando la densidad del fluido, multiplicando la viscosidad cinemática por la densidad del fluido para obtener la viscosidad absoluta, o dividiendo la viscosidad absoluta por la densidad para obtener la viscosidad cinemática.

El principio de funcionamiento de estos instrumentos se basa en la determinación del tiempo necesario para que un volumen estándar de fluido pase a través de un capilar. El diseño simple y el funcionamiento sencillo los convierten en buenas alternativas para mediciones rutinarias y control de calidad. Sin embargo, están limitados a líquidos de baja viscosidad sin partículas sólidas en suspensión, lo que restringe su utilización a bebidas e ingredientes líquidos. Una de las configuraciones más comunes es el capilar en forma de "U" del viscosímetro Ostwald presentado en la Figura 2A. Estos instrumentos generalmente se operan en un baño térmicamente estabilizado y después de llenar el bulbo superior con el fluido, se registra el tiempo necesario para que el fluido pase a través de las marcas y se multiplica por una constante del instrumento para determinar la viscosidad cinemática del fluido. .2 El tiempo que tarda el fluido en pasar a través del tubo capilar es directamente proporcional a la viscosidad dinámica e inversamente proporcional a la densidad del fluido. Otra configuración simple de un viscosímetro capilar es el viscosímetro de tipo copa de flujo u orificio (Figura 2B). Este equipo consta de un depósito y un orificio o capilar, y funciona determinando el tiempo que tarda el fluido en pasar a través del orificio.7 Estos instrumentos son baratos, fáciles de operar y versátiles, sin embargo no son precisos ya que no aseguran presión constante sobre el orificio.

Se pueden utilizar versiones presurizadas de viscosímetros capilares y de copa de flujo para mantener una presión constante durante la medición y operar bajo altas presiones, lo que permite su utilización para fluidos altamente viscosos. En tales casos, el fluido se mueve mediante la presión de un gas o mediante un pistón que puede ser accionado por un peso o un motor impulsor.

En la misma categoría de viscosímetros capilares, los viscosímetros de tubo (Figura 2C) utilizan un tubo horizontal alimentado por un tanque presurizado para determinar la viscosidad.2 En estos instrumentos, la presión se determina en diferentes posiciones a lo largo del tubo, y la caída de presión en un punto específico El caudal se utiliza para calcular la resistencia al flujo y, por tanto, la viscosidad. Los viscosímetros de tubo son especialmente adecuados para determinaciones en línea y se utilizan a menudo en instalaciones industriales.

El viscosímetro de pistón descendente utiliza un pistón para desplazar un fluido en un cilindro o recipiente. Una vez que el cilindro se llena con el fluido de prueba, el pistón cae bajo la acción de la gravedad, desplazando el fluido a través de los espacios entre el pistón y el cilindro (Figura 3), causando un efecto de corte.8 Al medir el tiempo de caída del pistón, se toma una muestra Se puede determinar la viscosidad. La capacidad de controlar las velocidades de corte, cambiando la masa del pistón, hace que este equipo sea adecuado para caracterizar fluidos involucrados en operaciones de alta velocidad de corte. Estos instrumentos también son fáciles de operar y mantener, lo que ofrece una larga vida útil. El principal inconveniente es que el rendimiento de muestras no homogéneas, como suspensiones de partículas, puede verse afectado.

Una bola que cae o un viscosímetro de bola rodante mide el tiempo de rodadura/caída de una bola a través de un fluido contenido en un tubo, ya que la gravedad actúa como fuerza impulsora.2 La inclinación puede variar desde una configuración vertical (entre 80° y 90°) , permitiendo la caída libre de la bola, denominándose así viscosímetro de bola descendente, o inclinado (entre 80° y 10°), denominado bola rodante. El tiempo necesario para que la bola descienda una distancia determinada es directamente proporcional a la viscosidad del fluido (Figura 4). Las variables involucradas en la medición son la densidad del fluido, la densidad de la bola, la duración y el tiempo del movimiento de la bola y su velocidad terminal. Estos instrumentos son muy adecuados para medir fluidos newtonianos, son fáciles de operar e incluso pueden improvisarse fácilmente en un laboratorio. El ajuste del ángulo permite ajustar los equipos según el rango de viscosidad, haciéndolos versátiles. Sin embargo, se limitan a muestras sin partículas y no se pueden utilizar en muestras opacas porque no se puede ver la bola.

Los viscosímetros rotacionales funcionan bajo el principio de una parte móvil rotacional, impulsada por un motor, en contacto con el fluido de prueba. Luego, el par sobre el eje giratorio se utiliza para determinar la resistencia al flujo del fluido y calcular la viscosidad dinámica. Debido a que estos instrumentos son operados por un motor, pueden funcionar bajo diferentes velocidades de corte. Esta característica les permite operar por debajo y por encima del rango de equipos basados ​​en gravedad, lo que permite medir una gama mucho más amplia de muestras.1 Además, permiten realizar mediciones de viscosidad para una muestra bajo diferentes velocidades de corte, lo que facilita la producción de curvas de viscosidad g, que son fundamentales para fluidos no newtonianos.

La variación más común de este tipo de equipo se llama viscosímetro Brookfield que opera bajo el principio de Searle9 (Figura 5). El motor acciona un eje dentro de la copa fija que contiene el fluido de prueba. La velocidad de rotación del husillo provoca una resistencia y, en consecuencia, un cierto par motor. Por tanto, el par necesario para superar las fuerzas viscosas del fluido ensayado es una medida de su viscosidad. Este sistema se puede utilizar tanto para alimentos newtonianos como no newtonianos y es el tipo de viscosímetro más común que se utiliza en el control de calidad debido a su versatilidad. El equipo opera a diferentes velocidades de rotación y se puede utilizar con diferentes husillos que tienen diferentes geometrías. Estos van desde discos, cilindros, conos de cilindros con diferentes diámetros y formas especiales, incluidos varios tipos de paletas y paletas, lo que permite al usuario elegir diferentes condiciones para diferentes tipos de muestras, como fluidos de baja viscosidad, alta viscosidad, partículas y gel. .

Otra geometría específica de los viscosímetros rotacionales son los sistemas de doble espacio, que están especialmente diseñados para medir fluidos de baja viscosidad. La copa es un cilindro concéntrico doble, como por ejemplo un anillo alargado, y el husillo tiene la forma de una copa inversa que gira en el hueco anular de la copa. Esta configuración maximiza el área de superficie en contacto con el fluido, por lo tanto, es capaz de detectar valores de torque bajos como los que generan típicamente las muestras de baja viscosidad.

Se puede utilizar un principio similar en geometrías de placas paralelas y de placas cónicas. En este tipo de geometrías, una placa o un cono gira sobre una muestra colocada sobre una placa fija (Figura 6). Estos sistemas funcionan con espacios estrechos entre la geometría móvil y la placa fija, por lo que sólo se requiere una pequeña cantidad de muestra. Sin embargo, el pequeño espacio limita la técnica a muestras sin partículas y, al estar abierta lateralmente, la muestra puede escapar a velocidades de rotación más altas, por la acción de un flujo turbulento y fuerzas centrífugas. Por otro lado, el espacio en forma de cuña causado por el cono da como resultado que se aplique una velocidad de corte constante en todo el espacio, lo que genera ventajas para la medición de valores absolutos de viscosidad.2

Los viscosímetros vibratorios funcionan midiendo la amortiguación de un resonador oscilante sumergido en el fluido de prueba, que vibra como un diapasón (Figura 7A). Un accionamiento electromagnético controla la vibración de las placas del sensor, y la energía involucrada en la resonancia se puede determinar midiendo la energía utilizada para mantener la vibración en una amplitud constante, ya que la amortiguación impuesta por el fluido es directamente proporcional a su viscosidad. Otra alternativa es determinar el tiempo de caída de la oscilación una vez que se corta la entrada de energía, ya que la caída también es directamente proporcional a la viscosidad del fluido.10

Los viscosímetros de oscilación utilizan una sola sonda (una esfera, varilla o placa) que vibra en contacto con el fluido de prueba (Figura 7B). Una superficie vibratoria en contacto con el fluido de prueba impone un esfuerzo cortante debido al movimiento de la superficie, por lo que la viscosidad se puede determinar midiendo la potencia necesaria para mantener una amplitud constante de oscilación.10

Los viscosímetros vibratorios y de oscilación ofrecen ventajas como una alta sensibilidad en una amplia gama de viscosidades (desde líquidos de baja viscosidad hasta fluidos semisólidos o que obstruyen), no tienen partes móviles y son fáciles de mantener. Esta característica convierte a este tipo de equipos en el estándar de oro para mediciones en línea en tuberías y tanques.

Figura 7: Diagrama de viscosímetros vibratorios (A) y oscilantes (B).

También existen viscosímetros imitativos que se basan en principios empíricos para imitar el flujo de alimentos fluidos no newtonianos en condiciones operativas. Este sencillo aparato normalmente proporciona una medición de un punto. Aunque tienen una sensibilidad y un rango operativo limitados, pueden resultar útiles en el control de calidad y en mediciones aproximadas. Un buen ejemplo de esta clase de equipo es el Consistómetro Bostwick (Figura 8), que comprende un compartimiento de muestra (a) con una compuerta operada por un gatillo de resorte (b). Una vez que se abre la compuerta, el fluido de prueba fluye sobre una rampa (c) que se encuentra en un ángulo específico. Después de un tiempo establecido, se registra la longitud recorrida por la muestra que fluye y es proporcional a la viscosidad del producto. Este equipo es fácil de operar, robusto y proporciona una determinación rápida y consistente, siendo particularmente adecuado para salsas, pastas, mermeladas y todo tipo de alimentos altamente viscosos y que contienen partículas.

Como se mencionó anteriormente, los viscosímetros suelen ser instrumentos fáciles de operar, brindan resultados rápidos e incluso pueden usarse en mediciones en línea. Sin embargo, para poder medir la viscosidad correctamente se deben considerar una serie de factores, a saber:

Por lo tanto, de acuerdo con las especificidades del producto que se está midiendo, se debe seleccionar el tipo de instrumento más adecuado.11

En el caso de los instrumentos de control de procesos, se instalan dentro de la instalación de la planta de procesamiento (por ejemplo, tanques o tuberías) con el fin de obtener datos del proceso en tiempo real. Para este tipo de aplicaciones se utilizan preferentemente viscosímetros de tipo tubo, vibratorios u oscilatorios.12 En cuanto a las mediciones de control de calidad, donde se toman muestras de forma aleatoria para validar las condiciones de procesamiento y los estándares de calidad de un producto, se utilizan viscosímetros rotacionales de tubo en “U”. A menudo se utilizan viscosímetros o consistómetros Bostwick. Estos instrumentos son la opción principal en estas aplicaciones, ya que son versátiles, pueden proporcionar mediciones para varios tipos de muestras y condiciones de procesamiento (por ejemplo, amplio rango de viscosidad y temperatura operativa) y pueden proporcionar rápidamente los datos necesarios en condiciones industriales. Si es necesario, se pueden limpiar rápidamente y adaptar a otras condiciones operativas, permitiendo medir varias muestras con diferentes especificidades en un corto período. Es este tipo de versatilidad y respuesta rápida lo que produce la mayor ventaja de los viscosímetros frente a los instrumentos más precisos como los reómetros.13

Muchos factores pueden influir en la calidad y estabilidad de los alimentos, y la viscosidad es definitivamente uno de los aspectos que recibe más atención durante el proceso de fabricación. En cuanto a la producción de alimentos, la viscosidad es un parámetro clave en la optimización de las condiciones de flujo, dimensionamiento de bombas, tuberías, consumo energético, reducción de residuos y en el control de la calidad del producto final.1,14

La viscosidad también es muy relevante en las etapas de formulación de productos alimenticios. Tomemos el ejemplo de los productos de panadería, en los que se mezclan varias fases (es decir, harina, agua, grasa, aire) hasta obtener una dispersión estable. Para mantener esa dispersión, evitar la separación de fases y retener aire durante el mezclado y horneado, el sistema debe mantener una viscosidad suficiente. El mismo principio se aplica a la preparación de espumas, emulsiones y suspensiones coloidales como salsas, sopas, natillas, etc.

El control de calidad es otra área donde a menudo se implementan determinaciones de viscosidad y son fundamentales para la industria alimentaria. Se pueden utilizar para controlar la calidad de los ingredientes, como jarabes, aceites y huevo líquido entre otros. Esto no solo valida su idoneidad para ser utilizados en los procesos, sino que también permite a los analistas predecir desviaciones y realizar correcciones en las formulaciones. Respecto al control del producto final, las determinaciones de viscosidad son métodos estándar para validar la calidad y estabilidad del producto y garantizar que cumplan con las especificaciones técnicas.

Pero la importancia de las determinaciones de la viscosidad en la industria alimentaria va mucho más allá de los modelos de producción clásicos y también es vital para contribuir a la revolución alimentaria en curso. Impulsados ​​por cambios ambientales, éticos y sociales, los patrones de producción y consumo se están redefiniendo. Los nuevos alimentos, como los análogos de la carne, tienen como objetivo reducir o trasladar el consumo de proteínas de fuentes animales a fuentes vegetales. El desarrollo de alternativas a la carne y análogos de la carne depende de técnicas innovadoras como la impresión 3D o la extrusión con alta humedad, utilizando ingredientes a base de proteínas, así como gomas y otros polímeros. El objetivo de estos procesos es crear la textura y consistencia adecuadas para emular la estructura de la carne. Se encontró que la viscosidad es un factor clave, definiendo el diseño de equipos, procesos y siendo un factor determinante en las propiedades finales de los alimentos desarrollados.15,16, 17

El diseño de nuevos alimentos también sigue la tendencia de proporcionar beneficios adicionales para la seguridad y la salud. Los productos alimenticios desarrollados para patologías específicas son hoy una realidad, y entre los casos más comunes se encuentran formulaciones dirigidas al control de la deglución en alimentos infantiles o en pacientes con disfagia.18 Se ha informado que un diseño racional basado en el control de la viscosidad a velocidades de corte específicas redujo la riesgo de asfixia.19 Otro área de actuación es la relación entre la tasa de vaciado del estómago y la saciedad, la digestión y el índice glucémico. De hecho, se ha establecido que la viscosidad de los alimentos juega un papel decisivo en el vaciamiento gástrico y, por tanto, el diseño de alimentos con viscosidad ajustada puede traer importantes implicaciones en la salud pública, ayudando potencialmente a controlar la diabetes y la obesidad.20

Por lo tanto, se puede concluir que la determinación de la viscosidad en alimentos y bebidas y sus ingredientes es crucial en el control de calidad y procesos, y también impacta el consumo, la experiencia sensorial, la seguridad y la salud de los consumidores. Las técnicas utilizadas para medir la viscosidad suelen ser simples y rápidas, pero una selección cuidadosa entre los diversos equipos y condiciones de prueba es fundamental para obtener mediciones de calidad. La selección estará determinada por el tipo de producto alimenticio y aplicación, y estará influenciada por la temperatura, la homogeneidad de la muestra, los cambios de fase y el tipo de flujo.

Referencias:

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