Fisicoquímica de alimentos (Coloides) - Josefina Viades Trejo (2012) - Luis Henderson Torre

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FISICOQUÍMICA DE ALIMENTOS (1514) 
UNIDAD 4. 
COLOIDES. 
 
Mtra. Josefina Viades Trejo 
22 de marzo de 2012 
 
4.1. Definición y descripción de sistemas coloidales. 
4.1.1.Definición. 
¿Qué son los coloides? 
Son soluciones de macromoléculas o bien, dispersiones de moléculas 
pequeñas que forman agregados. Ejemplos: proteínas, hidratos de carbono 
(almidón, celulosa), polímeros sintéticos o naturales; dispersiones de azufre, 
KI, Au, óxido férrico etc. 
 
¿Importancia? 
Plásticos, gomas, papel, nubes, nieblas, pastas, geles, espumas, 
cromatografía, alimentos fármacos, emulsiones, gomas, 
 
4.1.2. Descripción. 
Su comportamiento está determinado por sus propiedades cinéticas, 
eléctricas, ópticas y superficiales. 
Fenómenos de transporte = Propiedades cinéticas → forma y tamaño 
 
Tamaño: intermedio entre soluciones típicas y mezclas: 
Soluciones →→→ coloides →→ mezclas 
0.1 – 1 mµ →→→ 1nm - 1µm →→→ Más de varias µ 
 
Forma: 
1. Corpusculares: Macromoléculas globulares (biopolímeros con 
interacciones entre cadenas laterales) 
a) esferas: a / b = 1 , emulsiones, latex (dispersiones de polímeros 
como gomas y plásticos en agua), aerosoles líquidos, casi 
esféricas proteínas globulares, soles de oro. 
b) Elipsoides: a / b ≠ 1 estas formas son irregulares y se manejan 
modelos. Prolatos (cigarro) a / b > 1 es más importante longitud 
que diámetro polinucleótidos y polipéptidos y Oblatos (esfera 
achatada) a / b < 1 suspensiones de óxido férrico y arcillas 
2. Cadenas estadísticas: Cambio continuo de forma en solución, polímeros 
sin interacciones entre cadenas laterales, celulosa, colágena de piel, 
tendones y huesos, queratina de uñas y pelo, miosina. 
 
 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Flexibilidad: 
Es la capacidad de rotación alrededor del enlace que une los átomos. 
1. Polímeros lineales: cambio constante de forma, flexibilidad perfecta. 
2. Polímeros ramificados: formas más rígidas, mínima flexibilidad. 
 
La flexibilidad es función de dos tipos de interacciones: 
1. Polímero-polímero: ovillo más apretado tiende a precipitar. 
2. Polímero-disolvente ovillo más desplegado. 
 
Solvatación: 
Es la tendencia a mojarse que tiene una partícula coloidal o un grupo 
funcional de una macromolécula. 
1. Coloides liófilos: solvatación completa. 
� Precipitados floculesntos 
� Geles 
2. Coloides liófobos: solvatación mínima 
 
Relación Área / Volumen
(superficie específica)
1 cm
A = 6 cm2
10-6 cm
A = 6 x 106 cm2
subdivisión
Sistemas bifásicos y microheterogéneos
 
 3 
4.2. Clasificación. 
1. Dispersiones coloidales: sustancias insolubles agrupadas en masas que 
contienen muchas moléculas individuales. Soles de Au, AgI, AS2O3, 
aceite en agua. Son termodinámicamente inestables. 
2. Soluciones macromoleculares: como soluciones acuosas de proteínas, 
polísacáridos o altos polímeros en solventes orgánicos (gomas, resinas, 
nylon). Termodinámicamente estables. 
3. Coloides de asociación: sustancias solubles de bajo peso molecular que a 
una concentración dada se asocian dando agregados coloidales, jabones, 
sulfonatos, alquil sulfatos superiores, sales de aminas 
 
4.3. Preparación. 
1. Liófilos se dispersan fácilmente. 
2. Liófobos requieren usar técnicas específicas según el coloide a preparar 
 
Existen dos métodos de preparación de coloides: Agregación (condensación) y 
Disgregación (dispersión) 
 
Condensación consta de 2 etapas: nucleación (formación de centros 
cristalinos) y crecimiento de cristales. Para lograr la nucleación se requiere un 
alto grado de sobresaturación de la solución. Las velocidades relativas de estas 
etapas determinan el grado de dispersión del sistema: 
 
Vel. de nucleación > vel.de crecimiento ⇒ alto grado de dispersión 
 
Existen 3 técnicas de preparación que corresponden a métodos de 
condensación: 
1. Sustitución de un buen disolvente por uno malo. 
2. Enfriar rápidamente 
3. Reacciones químicas en el seno del medio de dispersión. 
 
Sol grosero de azufre: preparar una solución saturada de S en etanol o acetona 
y verter en agua hirviendo (dispersar sustancias parecidas a la cera) 
FeCl3 + H2O (hirviendo) → Fe2O3 (hidratado) 
AgNO3 + KI → AgI 
Na2S2O3 + HCl → S 
HAuCl4 + HCHO → Au 
Coloides macromoleculares (polímeros ⇒ polimerización) por los 
mecanismos de adición (mecanismo en cadena sin cambio químico, ej polim 
de vinilo) y de condensación (reacción entre grupos funcionales con pérdida 
 4 
de una molécula pequeña, generalmente agua, ej. Nylon 66 = hexametilen 
diamina + ac. Adípico) 
 
Un sistema mono disperso se logra mediante las técnicas de: 
1. Siembra de Zsigmondy (técnica 3) 
2. Erupción corta de nucleación homogénea (técnicas 1 y 2). 
 
La velocidad de crecimiento depende de 4 factores cantidad de material 
disponible (grado de sobresaturación), viscosidad del medio de dispersión, 
adsorción de impurezas, agregación partícula-partícula. 
 
4.4. Propiedades eléctricas. 
 
4.4.1. Teorías de la doble capa eléctrica. 
 
Origen de la carga: 
1. Adsorción: sílice coloidal iones 
–
OH. 
2. Ionización: proteínas a ambos lados del pH isoeléctrico. 
 
Los sistemas coloidales con carga, como cualquier electrolito común deben 
cumplir con las condiciones de electro neutralidad. El ión coloidal tiene una 
carga neta muchas veces mayor que la de los iones pequeños, por lo que 
requiere un exceso de contra-iones para lograr la electro neutralidad. Los co-
iones son los iones de igual signo que el coloide. 
 
Las teorías de la doble capa eléctrica tratan de la distribución de contra iones y 
co-iones en las proximidades de una superficie cargada que está en contacto 
con un medio. 
 
Cuando hay dos fases de diferente constitución química en contacto, se 
establece una diferencia de potencial entre las fases acompañada de separación 
de cargas. 
 
Para explicar las teorías sobre la estructura de la doble capa supongamos que 
una de las fases es un sólido y la otra una dispersión electrolítica. El sólido 
tiene una carga positiva y la solución una carga negativa equivalente; hay 
varias posibles distribuciones de la carga, que corresponden a diferentes 
valores de potencial: 
 
Doble capa de Helmholtz: La primera posibilidad es que la carga negativa se 
localice en un plano a una distancia pequeña δ a la cual el potencial es cero. 
 
 5 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Doble capa de Gouy-Chapman: No se equilibra la carga positiva a la distancia 
δ, sino que la carga negativa equivalente se distribuye de manera difusa por 
toda la solución. Esta doble capa se conoce como doble capa difusa. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Doble capa de Stern: La carga negativa no equilibra suficientemente a la 
carga positiva de la superficie a la distancia δ sin embargo el potencial baja 
casi a cero en esta región, mientras que el resto de la capa es difusa, esto es 
hay una combinación de capa compacta (fija) y difusa (móvil) 
 
 
 
ϕ 
x δ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
Contra iones y co iones 
distribuidos homogéneamente 
- 
 - 
- 
- 
 - 
- 
 - 
Doble capa eléctrica sólo tiene una 
parte fija o compacta 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
- 
 
+ 
- 
 
 - 
 
ϕ 
x δ 
- + 
 - + 
 - + - + 
 - + - 
 - + - + 
Doble capa eléctrica sólo tiene una parte 
difusa o móvil 
 6 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.5. Estabilidad de coloides. 
Como el área interfacial tiende a disminuir todos los sistemas son 
parcialmente inestables. 
Son coloides estables aquellos que tienen una agregación de partículas muy 
lenta. 
La atracción se debe a fuerzas atractivas de van der Waals entre los átomos de 
diferentes partículas. 
 
Estabilidad
Repulsión entre dobles
capas eléctricas
Solvatación
 
 
La repulsión entre dobles capas eléctricas depende del espesor (δ) de ladoble 
capa 
El valor de δ depende de la concentración y de la valencia de los contra iones 
Se define δ como la distancia respecto a la partícula cargada, para la cual el 
potencial disminuye l/e = 0.37 de su valor inicial 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
- 
 - 
- 
 - 
- 
 - 
 
ϕ 
x δ 
+ 
- 
- 
- 
- 
- 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
Doble capa eléctrica combinación de una 
parte compacta (fija) y difusa (móvil) 
 7 
El aumento de la concentración del contra ión produce compresión de la doble 
capa. 
El aumento de la valencia del contra ión produce compresión de la doble capa. 
 
4.5.1. Estabilidad de coloides liófobos. Regla de Schulze-Hardy. 
Floculan si se presenta una compresión de la doble capa 
eléctrica
Estabilidad de Coloides Liofóbicos
Estabilidad
Repulsión dobles
capas eléctricas
Solvatación
 
 
 
Los coloides liófobos requieren poseer carga para que opere la repulsión entre 
dobles capas eléctricas. 
 
 
 + electrolito = coloide estable 
Coloide liófobo 
 + exceso de electrolito = floculación 
 (debido a la compresión de la doble capa) 
 
Regla de Schulze-Hardy 
Schulze 1882 estableció que 
Diferentes electrolitos dan diferentes valores de floculación. 
El ión responsable de la floculación es el contra ión en exceso. 
El contra ión en exceso produce una compresión del espesor de la doble capa 
Hardy (1900.) 
El contra ión en exceso es responsable de la floculación. 
Su capacidad floculante depende de su valencia pero no de la naturaleza del 
contra ión. 
Valor de floculación = concentración de floculación rápida (Cfr). 
 8 
La Cfr es la concentración mínima con la cuál se consigue la floculación 
rápida. 
La Cfr es la misma para iones de igual valencia pero diferente para iones de 
valencia mayor o menor. 
Cfr del Ca
2+
 es ± 100 veces menor que la Cfr del Na
+
. 
Debido a la mayor influencia del calcio sobre el espesor de la doble capa 
 
La Regla de Schulze-Hardy se refiere a los dos efectos conjuntos (carga 
opuesta y valencia del contra-ión) sobre la estabilidad de un coloide liófobo. 
 
4.5.2. Estabilidad de coloides liófilos. 
 
No requieren la adición de electrolitos, son estables aun si el 
potencial zeta se reduce a cero.
Estabilidad de Coloides Liofílicos
Estabilidad
Repulsión dobles
capas eléctricas Solvatación
 
 
La adición de electrolito aunque no indispensable contribuye a la estabilidad. 
A pesar de que un exceso de electrolito comprime la doble capa, no se 
produce la coagulación salvo que el contra ión compita con el ión coloidal por 
el agua de hidratación. 
La capacidad coagulante no depende de la valencia pero si de la naturaleza del 
contra ión (su capacidad de hidratación) 
 
 
 
 
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Aniones:
citrato>tartrato>SO4 
2->acetato>Cl->NO-2>I
->CNS-
Cationes:
Li+>K+>Na+>NH4
+>Mg2+
El orden en ambas series depende de la estructura y 
tamaño del ión coagulante y es muy parecido al 
orden de hidratación de estos iones.
Serie Liotrópica o de Hoffmeister.
Precipitación salina.
 
 
 
4.6. Teoría DLVO (Deryaguin-Landau-Verwey-Overbeek). Estabilización 
electrostática. 
 
La estabilidad del coloide depende de la forma neta de la curva de energía de 
interacción del sistema, es decir la suma de la energía atractiva (van der 
Waals) y energía repulsiva (repulsión dobles capas) como una función de la 
distancia de separación entre partículas. 
 
Para un electrolito uno a uno de valencia z y concentración C0 la densidad de 
carga en exceso en un punto de la doble capa de potencial ψ es 
 











 Ψ+−




 Ψ−=
KT
e
KT
ze
zCe expexp0ρ 
 
Poisson relaciona el exceso de densidad con la variación del potencial 
respecto a la distancia 
 
ε
ρ
δ
δ e
x
−
=
Ψ
2
2
 
 
ε es la permisividad del medio, combinando las dos expresiones se tiene la 
ecuación de Poisson-Boltzman que muestra que el potencial en la doble capa 
disminuye de forma aproximadamente exponencial con la distancia. 
 
 10
( )x
ze
KT
δ−




=Ψ exp
4
 
 
Al disminuir la distancia entre partículas las dobles capas comienzan a 
traslaparse los potenciales eléctricos de las dobles capas se vuelven aditivos 
incrementando la contribución eléctrica a la energía libre total por tanto hay 
repulsión debido a este aumento de energía total. 
 
La forma del potencial de traslape de las dobles capas también es 
aproximadamente exponencial respecto a la distancia de separación entre 
partículas H 
 
)exp(
64 0 H
KTC
Gelec δδ
−





=∆ 
 
Si se suma el potencial atractivo de van der Waals y el potencial repulsivo 
electrostático se tiene la expresión de del potencial total 
 
( )2
0
12
)exp(
64
H
A
H
KTC
G HT π
δ
δ
−





−





=∆ 
 
Donde AH es la constante de Hamaker para coloides. Resolviendo la ecuación 
anterior para diferentes concentraciones de un electrolito, se obtienen una 
serie de curvas, los máximos en estas curvas representan barreras energéticas 
impuestas por las dobles capas eléctricas, conforme la concentración del 
electrolito aumenta la altura de las barreras disminuye. 
 
 
 
 11
 
Se puede decir que las condiciones para una coagulación rápida (ccc) son 
cuando ∆GT=0 y (d∆GT/dH)=0 de modo que 
 
620
1
)(
zA
cccC
H
α 
 
La ecuación anterior concuerda con la regla de Schultze-Hardy predice 
relaciones de 1:0.016: 0.00014 para iones de valencia 1, 2 y 3 
respectivamente, además conforme AH aumenta la ccc de electrolitos con las 
mismas características eléctricas disminuye. 
 
4.7. Estabilización estérica. 
Un mecanismo de estabilización diferente al de la repulsión de dobles capas, 
es la presencia de un coloide liófilo adsorbido en la partícula que proporciona 
lo que se conoce como estabilización estérica o entrópica, hay divergencias 
en cuanto a que sea el mismo fenómeno la estabilización estérica que la 
entrópica. 
 
Al coloide se le conoce como coloide protector no requiere poseer carga 
eléctrica para ejercer su efecto pero si deben tener un carácter hidrófilo-
lipófilo y un peso molecular relativamente alto. El resultado neto es la 
formación de una capa adsorbida relativamente gruesa que impide un mayor 
acercamiento de partículas. 
 
Cuando dos partículas que tienen una capa adsorbida del coloide protector, se 
acercan y las capas se empiezan a inter penetrar se pueden producir dos 
efectos: 
a) Efecto osmótico debido al incremento en la concentración local de las 
especies adsorbidas entre las dos partículas. 
b) Efecto entrópico o de restricción de volumen porque las partículas que 
interaccionan pierden ciertos grados de libertad debido al 
abigarramiento. 
 
El efecto osmótico produce un efecto entálpico desfavorable por la 
desolvatación de las partículas al estar más densamente “empacadas”, el 
efecto entrópico produce un decremento de entropía. La disminución de 
entropía es un efecto desfavorable y para contrarrestarlo las partículas deben 
separarse para recuperar grados de libertad y el disolvente se mueve hacia 
ellas para resolvatarlas dando por resultado una barrera energética que retarda 
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el acercamiento de partículas proporcionando un mecanismo estabilizador 
muy efectivo. 
 
 
En un sistema estabilizado exclusivamente por un mecanismo estérico (sin 
intervención de cargas eléctricas), la energía neta de interacción está dada por 
la suma de las fuerzas atractivas de van der Waals y las interacciones estéricas 
repulsivas 
 
atraccionestericatotal GGG ∆−∆=∆ 
 
Los agentes poliméricos protectores o estabilizadores estéricos deben estar 
firmemente anclados en al menos un punto de la partícula o mejor a varios 
puntos. Si el anclaje es en un solo punto resultará en un sistema con un “cola 
que se mece libremente” proyectándose hacia la solución, si el anclaje 
involucra dos o más puntos se formarán varias “lazoso presillas” y algunas 
colas libres, aparentemente la primera situación provee una mayor 
estabilización debido al mayor alcance de las colas libres, sin embargo con los 
lazos al iniciarse la interpenetración habrá el doble de unidades afectadas por 
la restricción de volumen produciendo un efecto entrópico más fuerte, no es 
posible decir cual configuración es mejor además en un sistema dado ambas 
pueden estar presentes. 
 
 
 
 
 
Efecto del disolvente: El disolvente juega un papel muy importante en la 
efectividad del proceso de estabilización, si la naturaleza del disolvente 
cambia de modo que sea mejor disolvente para las unidades monoméricas que 
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se anclan o sea, para el polímero protector entonces las cadenas pueden estar 
más débilmente adsorbidas dificultando la floculación; en cambio si la 
naturaleza del disolvente se cambia en forma contraria del grosor de la capa 
adsorbida disminuye reduciendo la estabilidad. 
 
Efecto del peso molecular. Debe ser relativamente alto (mayor alcance de las 
colas libres = mayor espesor de la capa protectora) pero hasta un límite. Si el 
peso molecular es muy alto y además la molécula posee varios sitios de 
anclaje, puede unirse a más de una partícula manteniéndolas unidas en lugar 
de evitar su unión. Este efecto se conoce como sensibilización o floculación 
“puenteada”, especialmente en casos en que la concentración de partículas es 
mucho mayor que la del polímero protector. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.4.2. Fenómenos electrocinéticas y potencial zeta. 
El potencial es el trabajo necesario para mover una carga unitaria hacia un 
punto dado. 
 
En el vacío el trabajo es infinito porque la intensidad del campo eléctrico es 
constante e independiente de la distancia, pero en las soluciones los iones en el 
medio ejercen un efecto de pantalla que disminuye la intensidad del campo 
casi a cero a una distancia mínima respecto a la superficie por lo que el seno 
de la solución está lo suficientemente alejada para que el potencial sea cero. 
 
A medida que el ión cruza varias capas de solución el trabajo necesario 
correspondiente a cada una es el potencial en esa capa. 
 
Potencial de Gouy (ψ0) es el potencial que corresponde a la superficie cargada 
es una medida del potencial total de la doble capa. 
 
 
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Potencial de Stern (ψδ) es el potencial correspondiente al límite entre la parte 
difusa y la parte compacta de la doble capa. 
 
Potencial zeta o electrocinético (ξ) es el potencial en el plano de corte que 
separa la parte fija de la móvil pero dentro de la parte móvil. Es una medida 
del trabajo necesario para separar la parte difusa o móvil de la parte fija de la 
doble capa. 
 
 
Membranas de Filtración 
 
Membrana (Pared selectiva): Una fase intermedia que separa a dos fases y se 
opone al transporte de componentes químicos. 
Son en su mayoría procesos de flujo transversal que a diferencia de la 
filtración clásica (perpendicular) evita que se forme una “torta” de filtración. 
En alimentos es la tecnología más moderna para la clarificación, 
concentración, fraccionamiento (separación de componentes), desalación, 
purificación y para aumentar la seguridad de algunos productos sin recurrir a 
tratamientos térmicos. 
 
Hay dos factores que determinan la efectividad del proceso de filtración: 
 
Selectividad: se expresa mediante el factor de retención o separación. 
 
Productividad: se expresa mediante el flujo. 
 
Factores que afectan el transporte a través de la membrana: 
 
1. Estructura de la membrana 
2. Tamaño de las partículas de soluto. 
3. Adsorción en la interfase membrana-solución (limpieza de membrana) 
4. Diferencia de presión entre las fases separadas por la membrana. 
5. Diferencia de concentración entre las fases. 
 
Procesos de Filtración por Membrana. 
 
1. Microfiltración: 
Diferencia de presión 0.1 – 5 bar. 
Retiene partículas y bacterias. 
Tamaño de poro 0.2 a 5 µm 
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Aplicaciones: leche, zumos, algunos quesos (chedar, ricota), helados, leches 
fermentadas, cerveza, vino. 
 
2. Ultrafiltración: 
Diferencia de P 1 – 10 bar. 
Retiene partículas y macromoléculas 
Tamaño de poro 0.05 a 0.2 µm 
Aplicaciones: concentración de albúmina, gelatina, suero, elaboración de 
queso (recuperación de carbohidratos, vitaminas solubles y minerales) 
 
3. Electrodiálisis: 
Potencial eléctrico ~1 v/célula. 
Retiene sustancias no cargadas 
Aplicaciones: desalar suero, ingredientes básicos de aliños, la melaza de 
azúcar, obtención de ácido láctico, desacidificar jugos de frutas, obtención de 
sal de cocina a partir de agua de mar, eliminar ácido tartárico del vino.