Caracterización de nanoestructuras con diferente geometría: uso potencial en alimentos

Abstract

ABSTRACT: Water is an essential constituent of many foods, so it is subject to physical and chemical interactions which modify some of the properties of the components which it interacts. Some cases of interest have one common factor, it is the water deposited in pores of nanometer size. The behavior of water confined in nanocavities differs from the macroscopic level. The objective of this work was to study the effect of surface nanostructure of a model food on the degradation of paprika and evaluate their thermodynamic stability mechanisms, in order to make inferences about food-related phenomena such as distribution of water molecules in the structural matrix, control mechanisms of the adsorbed water molecules, hysteresis, energy state of water molecules, types of water, etc; because the effect of nanostructured materials on water-surface interactions are not yet fully understood. The model food was made to encapsulate paprika oleoresin by coacervation with a nanostructured wall material (AA) and another one non nanostructured (AA). The water adsorption isotherms of the materials at three different temperatures (15, 25 and 35° C) were made by the gravimetric method. The adsorption isotherms were modeled with the equations of Langmuir, BET, GAB and D'Arcy-Watt. Structural analysis on the nanometer scale was performed using Chi Theory (X) and analysis of the t curve, the fractal dimension of surface was evaluated from water adsorption isotherm the fractal texture was evaluate from texture image, scanning electron microscopy and atomic force microscopy images. Thermodynamic method was used to predict the best storage conditions. Entropy-enthalpy mechanisms were determined based on the law of compensation. The red and yellow fractions of carotenoids were determined using a spectrophotometric method. Desorption isotherms were performed at 25° C in the capsules AA and NE to assess the phenomenon of hysteresis. The amount of unfrozen water was determined by differential scanning calorimetry. The t curve analysis and The Chi theory t Chi provided valuable information of the surface structure of materials, showing similarity to the information obtained from conventional analysis methods. In the adsorption isotherms of the two zeolites Langmuir models for valfor 100 and BET model for clinoptilolite were most appropriate to predict the shape of all isotherms. In the capsules the D‘Arcy-Watt model was appropriate to represent the experimental adsorption data. The fractal dimension of texture image and the surface fractal dimension obtained by adsorption showed similar trends in all materials analyzed. The degradation of carotenoids and color in AA and NE capsules was lower when the control mechanism was entropic (0 - 0.4 aw). The maximum color and carotenoid degradation was observed when the water adsorption mechanism was controlled by enthalpy for NE (aw> 0.4) and AA throughout the range aw analyzed. The carotenoid degradation rates were lower in water activities predicted by the minimum integral entropy (≈ 0.4 aw in NE and aw ≈ 0.1in AA). With the mesopore size distribution it was found that the greatest amount of mesopores caused a pronounced effect of the phenomenon of hysteresis. The amount of unfrozen water increased the aw range in which the control mechanism was entropic, while it remained constant in the range of water activities where the control mechanism was enthalpy. It is important to mention that the increase of unfrozen water coincided with the lowest carotenoid degradation.

RESUMEN: El agua es un constituyente esencial de muchos alimentos, por lo que se encuentra sujeta a interacciones fisicoquímicas las cuales modifican algunas de las propiedades de los componentes con los que interactúa. Algunos casos de interés tienen un factor común y es que el agua se encuentra en poros de tamaño nanométrico. El comportamiento del agua confinada en espacios nanométricos difiere del agua a nivel macroscópico. El objetivo general de este trabajo fue estudiar el efecto de la nanoestructura superficial, de un modelo alimentario, sobre la degradación de páprika y evaluar sus mecanismos de estabilidad termodinámica, con el fin de poder hacer inferencias acerca de fenómenos relacionados con los alimentos tales como la distribución de las moléculas de agua en la matriz estructural, mecanismos de control de las moléculas de agua adsorbidas, histéresis, estado energético de las moléculas de agua, tipos de agua, etc; debido a que el efecto de materiales nanoestructurados sobre las interacciones agua - superficie aún no han sido completamente entendidos. El modelo alimenticio se construyó al encapsular oleorresina de páprika por coacervación, con un material de pared nanoestructurado (NE) y otro no nanoestructurado (AA). Se realizaron isotermas de adsorción de agua de los materiales a tres temperaturas (15, 25 y 35°C) por el método gravimétrico. Las isotermas de adsorción se ajustaron con las ecuaciones de Langmuir, BET, GAB y D‘Arcy-Watt. El análisis estructural en la escala nanométrica se realizó utilizando la Teoría Chi (X) y el análisis de la curva t; a partir de las isotermas se calculó la dimensión fractal de superficie, mientras que la dimensión fractal de textura de imagen fue mediante imágenes obtenidas con microscopía electrónica de barrido y fuerza atómica. Se utilizó el método termodinámico para predecir las mejores condiciones de almacenamiento. Los mecanismos de control entropía-entalpía fueron realizados en base a la ley de compensación. Las fracciones roja y amarilla de carotenoides se determinaron a través de un método espectrofotométrico. Se realizaron isotermas de desorción a 25°C de las cápsulas AA y NE para evaluar el fenómeno de histéresis. La cantidad de agua no congelable se determinó por medio de calorimetría diferencial de barrido. El análisis de la curva t y la Teoría Chi (X) proporcionaron información valiosa de la estructura superficial de los materiales, mostrando similitud con la información obtenida de los métodos de análisis convencionales. En las isotermas de adsorción de las dos zeolitas los modelos de Langmuir, para valfor 100 y el de BET para clinoptilolita fueron los más apropiado para predecir la forma de todas las isotermas. En las cápsulas el modelo de D‘Arcy-Watt fue el más apropiado para representar los datos experimentales. La dimensión fractal de textura de imagen y la dimensión fractal de superficie presentaron tendencias similares en todos los materiales analizados. La degradación de carotenoides y de color en las cápsulas AA y NE fue menor cuando el mecanismo de control fue entrópico (0-0.4 aw). La máxima degradación de color y carotenoides se observó cuando el mecanismo de adsorción de agua fue controlado por entalpía, para NE (aw > 0.4) y para AA en todo el rango de aw analizado. Las velocidades de degradación de carotenoides fueron menores en las actividades de agua predichas por la mínima entropía integral (en NE ? 0.4 aw y en AA ? 0.1 aw). Con la distribución de tamaño de mesoporo se pudo comprobar que la mayor cantidad de mesoporos provocó un efecto más pronunciado del fenómeno de histéresis. La cantidad de agua no congelable incrementó en el rango de aw en el que el mecanismo de control fue entrópico, mientras que se mantuvo constante en el rango de actividades de agua donde el mecanismo de control fue entálpico. Cabe mencionar, que el incremento del agua no congelable coincidió con la menor degradación de carotenoides.