8.2 Diagrammi di fase di equilibrio solido-liquido
Come presentato nel Capitolo 2, un diagramma di fase è uno strumento interessante usato per rappresentare l’equilibrio tra fasi diverse. È una sorta di mappa che, nel caso del LES, può fornire informazioni sulla fase solida e sulle temperature relative alle trasformazioni di ogni fase solida, dando indicazioni sul modo migliore per separare i composti da una miscela. Una classificazione generale dei diagrammi di fase può essere presentata per il LES secondo il numero di componenti nella miscela, le loro proprietà e la miscibilità. In un sistema binario, per esempio, è possibile trovare tre diversi tipi di diagrammi di fase, considerando la miscibilità dei componenti allo stato solido: (1) uno in cui i componenti sono immiscibili nella fase solida, come indicato in Fig. 8.1A; (2) un altro in cui i componenti sono completamente miscibili nella fase solida, come in Fig. 8.1B, e (3) un altro in cui i componenti sono parzialmente miscibili nella fase solida, come in Fig. 8.1C.
Si sa da molti anni che i diagrammi di fase più comuni dei sistemi grassi potrebbero essere divisi in tre categorie: il primo presenta un punto eutettico semplice, il secondo mostra la formazione di una soluzione solida, e il terzo la formazione di un composto dovuto a una reazione peritettonica.
Il primo tipo di diagramma di fase presenta un punto eutettico, Fig. 8.1A. Su questo diagramma di fase, la temperatura di fusione di un soluto A diminuisce con l’aggiunta di un solvente B, e la temperatura di fusione di un solvente B diminuisce con l’aggiunta di un soluto A. L’intercettazione di questi due profili di temperatura di fusione dà un valore minimo chiamato punto eutettico, in cui la miscela fonde ad una sola temperatura e composizione. Questo si osserva normalmente nel caso di miscele acquose di sali utilizzati nella formulazione degli alimenti, come i sistemi acqua-NaCl , e anche nel caso di miscele acquose di zuccheri, come saccarosio, glucosio o fruttosio , o miscele binarie di composti semplici, come acidi a piccola catena e alcoli . Essi presentano, in questo caso, due regioni eterogenee composte da un composto solido puro A mescolato con una fase liquida miscibile, e un composto solido puro B mescolato nella fase liquida miscibile. La definizione di queste due regioni è molto importante nella progettazione di processi di solubilizzazione o di evaporazione, poiché i diagrammi di fase forniscono i confini di saturazione delle miscele, proprietà chiave nella formulazione degli alimenti.
È importante menzionare che il punto eutettico è un punto invariante osservato in un diagramma di fase dovuto al verificarsi di una reazione eutettica. La reazione eutettica è una reazione reversibile in cui una fase liquida diventa due o più fasi solide durante il raffreddamento del sistema. Questa reazione avviene alla temperatura eutettica (Te) e a specifiche frazioni molari delle fasi liquide e solide.
In effetti, il cibo è un sistema complesso e, a volte, le interazioni chimiche stabilite in questo sistema possono portare al verificarsi di ciò che la letteratura chiama soluzione solida. In pratica, le due strutture cristalline sono talmente simili che la struttura cristallina non varia con i cambiamenti di composizione. Le soluzioni solide sono analoghe a ciò che accade in alcune miscele di metalli, le leghe. Significa che, in questo caso, la fase solida è composta da uno o più nuovi cristalli solidi, in cui i solidi A e B sono tali che si forma una struttura cristallina diversa. La formazione di una soluzione solida altera il comportamento del profilo di fusione dei sistemi, più precisamente l’inizio della temperatura di fusione. Per esempio, se la fase solida è composta da una sola lega, nel caso di una miscela binaria, il comportamento del diagramma di fase è tale quello presentato in Fig. 8.1B. Tuttavia, se si formano più leghe, una ricca in A e l’altra ricca in B, appaiono regioni più omogenee e il diagramma di fase può essere rappresentato dalla Fig. 8.1C. La linea che delimita i limiti della fase solida e della regione solido-liquido eterogenea è allora chiamata linea di solidus. Questo è un comportamento comune osservato nelle miscele di composti organici simili, come acidi grassi, alcoli grassi o TAG, in cui la lunghezza delle molecole promuove facilmente nuove conformazioni molecolari, portando alla formazione di diversi profili cristallini .
È anche noto che le biomolecole possono formare diverse strutture cristalline, a seconda della concentrazione e della temperatura della miscela . Oltre alle diverse strutture cristalline, è comune trovare in un sistema grasso un nuovo composto C formato da una reazione peritettonica. Possiamo confrontare questa reazione con una semplice reazione chimica. In una reazione chimica, il composto A reagisce con il composto B, in una stechiometria fissa, per formare un nuovo composto C. Negli studi sul LES, il processo che porta alla formazione di una nuova struttura cristallina è noto come reazione peritettica, e la nuova struttura cristallina formata è chiamata composto peritettico. In realtà, il composto peritettico non è un nuovo composto, proprio come quello che accade in una vera reazione chimica. Poiché si tratta di un fenomeno di fase solida, questo “nuovo” composto è la rappresentazione di un nuovo insieme cristallino che obbedisce a una composizione fissa e scompare dopo la temperatura di transizione (peritettonica). In realtà, la reazione peritettica è definita come una reazione isoterma che avviene tra due fasi, una liquida e una solida, che durante il processo di raffreddamento di un sistema binario formano una “nuova” fase solida. Il punto peritettonico è identificato dalla composizione peritettonica (xP) e dalla temperatura (TP).
La comparsa di questa nuova struttura altera il comportamento della temperatura di fusione del sistema e, di conseguenza, la forma del diagramma di fase. Due tipi di profili si verificano principalmente nei sistemi generali, essendo il primo più comunemente osservato nei sistemi alimentari valutati fino ad ora (Fig. 8.2). Il primo profilo, Fig. 8.2A, rappresenta una situazione in cui il composto peritettonico appare sotto una certa temperatura (linea di transizione peritettonica), stabilendo nuove regioni nel diagramma di fase cioè, composto peritettonico + liquido, composto peritettonico + solido A, e composto peritettonico + solido B. Questo è anche chiamato comportamento di fusione incongruente, ed è stato osservato nel caso di alcuni sistemi contenenti acidi grassi e alcoli grassi, secondo la letteratura . Se si forma un nuovo composto nel sistema, si stabilisce un secondo comportamento, chiamato anche comportamento di fusione congruente, come indicato in Fig. 8.2B. In questo caso, appaiono due semplici profili eutettici, e la temperatura di fusione e la composizione del composto peritettico, che in questo caso è, infatti, un nuovo composto, è determinata nel punto massimo del profilo. Nei sistemi alimentari organici, questo è più raro; tuttavia, può verificarsi, per esempio, in miscele di sali o miscele di sali con acqua (che porta alla comparsa di idrati), come cloruri di sodio, nitrati, citrati, o solfati, usati come additivi alimentari, o anche miscele di acidi grassi e alcoli grassi .
I diagrammi di fase presentati nelle figure 8.1 e 8.2 sono noti come i diagrammi di fase più comuni dei sistemi grassi. Negli ultimi anni, molte miscele grasse sono state studiate, e sono state mostrate alcune caratteristiche insospettate di tali sistemi. La più sorprendente è l’occorrenza della reazione metatettica osservata nei diagrammi di fase, formati da alcuni acidi grassi e alcune miscele binarie di alcol grassi.
La reazione metatettica è definita come una reazione isotermica reversibile di una miscela solida, che si trasforma in una diversa fase solida più una fase liquida durante il processo di raffreddamento di un sistema. In altre parole, la reazione metatectica consiste nella fusione di un campione durante una fase di raffreddamento, o nella cristallizzazione di un campione durante una fase di riscaldamento. Durante la fase di riscaldamento, in uno stretto intervallo di temperatura, il liquido e il solido, che sono stati generati dalla reazione peritettonica, sono ricristallizzati in una nuova fase solida, e proprio con l’aumento della temperatura, è iniziato un nuovo processo di fusione e la nuova fase solida formata inizia a fondere.
Fig. 8.3 mostra alcune immagini che confermano il verificarsi della reazione metatettica in un sistema formato da 1-esadecanolo (1)-1-dodecanolo (2). In queste immagini, il materiale solido è più scuro di quello liquido e ci dà l’impressione di rugosità. È possibile osservare dalla Fig. 8.3 l’aumento della quantità di materiale solido anche con l’aumento della temperatura. Osservando attentamente ogni immagine, a partire da 300,45 K, si notano pochi cristalli. L’aumento della temperatura a 301.05 K permette di notare l’aumento della quantità di cristalli nell’immagine a causa dell’intensificazione dell’aspetto di rugosità. Anche con l’aumento della temperatura a 301.65 K, la quantità di materiale solido è aumentata in modo tale che quasi tutta l’immagine presenta una caratteristica di rugosità che rimane nell’immagine fino a 304.15 K, anche se meno, indicando l’inizio del processo di fusione di nuovo.
La reazione metatectica in miscele binarie di sistemi grassi è stata presentata per la prima volta nel 2009 . Essa rivela la complessità dei sistemi alimentari, che è il risultato di complesse interazioni molecolari. Inoltre, a causa del verificarsi della reazione metatettica oltre alle reazioni eutettiche e peritettiche e anche la formazione di soluzioni solide, è possibile affermare che i diagrammi di fase dei composti grassi binari sono molto più complessi di quanto immaginato. La Fig. 8.4 mostra i diagrammi di fase del sistema acido caprico (1)-acido miristico (2) . Questo diagramma di fase ha 15 domini di equilibrio:
–
Cinque domini solidi monofasici che sono CM, CC, ChM, ChC, e Ci. CM e CC sono soluzioni solide ricche di acido miristico (M) e acido caprico (C), rispettivamente. ChM e ChC sono fasi solide originate da reazioni metatectiche, e Ci è una fase solida che contiene il composto formato dalla reazione peritectica;
–
Quattro domini solido-solidi che sono CM+Ci, CM+ChM, Ci+CC, e CC+ChC;
–
Cinque domini solido-liquido chiamati CM+l, ChM+l, Ci+l, CC+l, e ChC+l oltre la regione liquida sopra la linea del liquidus rappresentata da l.
Le linee tratteggiate in Fig. 8.4 indicano regioni di confine non identificate sperimentalmente ma che devono esistere perché il sistema deve obbedire alla regola della fase di Gibbs. Si osservi che ci sono regioni strette di SLE che rendono difficilmente possibile la separazione dell’acido caprico dall’acido miristico tramite processo di cristallizzazione. Inoltre, la Fig. 8.5 mostra immagini acquisite per alcune composizioni specifiche del sistema a temperatura ambiente, 298 K circa. È interessante notare che ogni regione solida monofasica o regione solida-solida presenta un’immagine diversa, indicando che la struttura cristallina formata in ogni regione è diversa .
Le miscele di alcol grassi hanno anche presentato un comportamento complesso solido-liquido. In generale, si possono trovare tre diversi diagrammi di fase: sistema eutettico semplice, come quelli trovati in Fig. 8.1A , sistema peritettico + metatettico, simile a quello osservato in Fig. 8.4 , e formazione di soluzione solida, come quelli trovati in Fig. 8.1B . Anche per i sistemi eutettici, il comportamento di soluzione solida può anche essere trovato per alcuni sistemi, rendendo la cristallizzazione un percorso difficile da seguire quando l’obiettivo è quello di purificare gli alcoli grassi.
I diagrammi di fase delle miscele binarie formate da TAG sono stati intensamente studiati. Tuttavia, non c’è un comportamento consensuale per queste miscele, poiché c’è un’enorme quantità di TAG da considerare per classificare i diagrammi di fase. In generale, tre tipi di diagrammi di fase possono verificarsi per le miscele di TAG: diagrammi di fase con formazione di soluzioni solide, Fig. 8.1B e C, diagrammi di fase con punto eutettico, come in Fig. 8.1A, e raramente, diagrammi di fase con punto peritettico, come in Fig. 8.2. Le soluzioni solide si verificano normalmente quando i due componenti hanno punti di fusione, volumi molecolari e polimorfi molto simili; un esempio sono i sistemi binari formati dagli acidi grassi 1-palmitoyl-3-stearoyl-2-oleoylglycerol (POS) e 1,3-distearoyl-2-oleoylglycerol (SOS). I diagrammi di fase eutettici si trovano normalmente per sistemi binari in cui i due componenti differiscono per volume molecolare, forma o polimorfo, ma hanno ancora punti di fusione simili. È il caso della maggior parte delle miscele binarie di TAG. Diagrammi di fase con punto peritettonico si verificano occasionalmente per sistemi di TAG saturi/insaturi come il sistema 1,3-dipalmitoyl-2-oleoylglycerol (POP) – 1-palmitoyl-2,3-dioleoylglycerol (POO). Una raccolta di sistemi binari TAG che presentano questi comportamenti distinti può essere trovata nel lavoro di Wesdorp et al.
I diagrammi di fase delle miscele binarie formate da TAG, trioleina e trilaurina, più acidi grassi o alcoli grassi sono stati pubblicati, e una sintesi dei diagrammi di fase sono presentati in Fig. 8.6. Tutti i diagrammi di fase sembrano essere di tipo eutettico semplice con la posizione del punto eutettico che dipende dal secondo composto della miscela, alcool grasso o acido grasso. In Fig. 8.6A, il punto eutettico si trova circa al 40 mol% di frazione di trioleina in un sistema binario formato da trioleina (1)-1-decanolo (2), circa 85 mol% di frazione di trioleina in una miscela con 1-dodecanolo, e vicino alla trioleina pura nelle miscele con 1-tetradecanolo , 1-esadecanolo, e 1-octadecanolo . Un comportamento simile si osserva nelle miscele binarie formate da trioleina con acidi grassi, come presentato in Fig. 8.6B. In questo caso, il punto eutettico si osserva circa al 70 mol% di frazione di trioleina in un sistema binario formato da trioleina (1)-acido caprico (2), circa al 90 mol% di frazione di trioleina in una miscela con acido laurico e vicino alla trioleina pura nelle miscele con acido miristico. La Fig. 8.6C e D mostra lo stesso andamento descritto in precedenza per i sistemi formati da trilaurina più alcoli grassi o acidi grassi, rispettivamente. Questo spostamento del punto eutettico verso l’alcol puro o il composto acido con l’aumento della sua catena di carbonio indica che la posizione del punto eutettico è legata alla dimensione della catena di carbonio dell’acido grasso o dell’alcol, essendo indipendente dal TAG presente nella miscela. Un confronto simile può essere fatto in termini di temperatura di fusione dell’acido grasso puro o dell’alcol, poiché l’aumento della catena di carbonio implica un aumento della temperatura di fusione dei composti saturi.
In relazione alla composizione eutettica dell’insieme dei dati formati da trilaurina e trioleina, è importante notare che anche se il comportamento osservato nei sistemi con trilaurina è molto simile a quello trovato nei sistemi con trioleina, i profili della composizione eutettica non sono gli stessi. Nel caso della trilaurina, il punto eutettico è verificato anche per miscele con 1-ottadecanolo o acido stearico, mentre nel set di dati della trioleina, il punto eutettico non si osserva nelle miscele binarie in cui il secondo composto ha più di 14 atomi di carbonio nella catena di carbonio. In altre parole, non solo la dimensione della molecola interferisce con la localizzazione del punto eutettico, ma anche la sua forma, che sembra facilitare l’interazione tra le due molecole.
La formazione di una soluzione solida tra i composti della miscela può essere verificata dal diagramma di Tammann e da immagini ottiche, per esempio. In un diagramma di Tammann, l’entalpia di reazione eutettica o peritettica è tracciata rispetto alla composizione della miscela. Attraverso questo diagramma, gli intervalli di concentrazione delle regioni a due fasi associate ai punti eutettici o peritettici possono essere identificati. Ciò è possibile perché, in assenza di formazione di soluzioni solide, i valori entalpici di tali reazioni dovrebbero tendere a un valore entalpico di zero agli estremi del diagramma di fase. Inoltre, il valore entalpico più alto si raggiunge esattamente al punto di composizione eutettica o peritettica. La Fig. 8.7 presenta i diagrammi di Tammann per miscele binarie di trilaurina (1)-solvente (2), per diversi solventi (1-tetradecanolo, 1-esadecanolo, e 1-ottadecanolo). Questi diagrammi di Tammann mostrano la formazione di soluzione solida in una regione ricca di trilaurina nelle miscele con 1-tetradecanolo e 1-esadecanolo, Fig. 8.7A e B, rispettivamente. È possibile osservare che il valore di entalpia eutettica diminuisce a zero nelle miscele a 0,65 e 0,95 frazione mol di trilaurina per gli ultimi due sistemi, rispettivamente. Da ciò, è possibile concludere che la regione di soluzione solida formata nelle miscele binarie di trilaurina con alcoli grassi diminuisce con l’aumento della catena alcolica. Ancora una volta, la dimensione delle molecole sembra interferire sull’interazione delle molecole evitando la regione di formazione della soluzione solida.
I diagrammi di fase di alcuni 1,3-diacilgliceroli puri (1,3-DAGs) hanno presentato due comportamenti diversi: sistemi di fase eutettica e monotettica. Come definito e indicato in precedenza (Figg. 8.1 e 8.2), il comportamento eutettico è caratterizzato quando una fase liquida genera due fasi solide durante il raffreddamento del sistema. Infatti, un diagramma di fase monotettico è una variazione del diagramma di fase eutettico descritto in Fig. 8.1A, in cui il punto eutettico è molto vicino al composto puro. Così, si possono osservare solo tre regioni: una fase liquida, una fase solida e una regione bifasica. Nel caso di 1,3-DAG, i diagrammi di fase variano in funzione della differenza tra i punti di fusione dei due composti nelle miscele binarie, e tutti i sistemi binari presentano regioni di soluzione solida in almeno uno degli estremi dei diagrammi di fase. Inoltre, per gli 1,3-DAG, i sistemi monotettici sono quelli in cui la differenza dei punti di fusione tra i composti della miscela è superiore a 30 K e i sistemi eutettici quelli con differenza di punto di fusione inferiore a 30 K, come presentato in Fig. 8.8.
I diagrammi di fase delle miscele ternarie o multicomponenti di composti alimentari non sono così comuni come per le miscele binarie anche se una serie di dati ternari e pseudoternari possono essere trovati per acidi grassi, acidi grassi esteri etilici, TAG, così come per grassi e oli naturali .
Nel caso dei composti degli acidi grassi, un interessante esempio di diagramma di fase ternario è formato dalla miscela di acido linoleico (1)-acido miristico (2)-acido stearico (3) . Sebbene i diagrammi binari dell’acido miristico e dell’acido stearico siano molto complessi, presentando reazioni eutettiche, peritettiche e metatettiche (simili a quelle indicate in Fig. 8.4), il diagramma di fase ternario è più amichevole del previsto e non presenta molte transizioni solido-solido come si può osservare in Fig. 8.9.
Sono stati determinati anche i diagrammi di fase ternari composti dai tre TAG più comuni presenti nel burro di cacao, POP, 1,3-distearoyl-2-oleoylglycerol (SOS), e 1-palmitoyl-2-oleoyl-3-stearoylglycerol (POS). Il burro di cacao, come menzionato prima, presenta una fase solida molto ricca in termini di struttura polimorfica, che conferisce un complesso profilo di fusione che porta ai prodotti finali alcune proprietà desiderate e anche quelle indesiderate, come il fat bloom. Poiché la maggior parte dei dati della letteratura mostra diagrammi di fase costruiti utilizzando la miscelazione di grassi naturali o frazioni di grasso, in questo studio è possibile osservare il profilo di fusione presentato per i tre TAG più comuni che sono cristallizzati nella forma più stabile. Il risultato di questo lavoro aiuta a cercare una possibile combinazione di TAG per formulare burro di cacao equivalente (CBE), ammorbidenti e miglioratori, una volta che le aree di miscela ternaria simili al profilo di fusione del burro di cacao, noto anche come contenuto di grasso solido (SFC) sono state accentuate, che sarà discusso nel caso studio.
Un altro sistema importante negli alimenti è il latte. I diagrammi di fase ternari sono stati utilizzati per comprendere le complesse interazioni tra le tre principali frazioni di grasso che si trovano nel latte: frazione ad alta fusione (HMF), frazione a media fusione (MMF) e frazione a bassa fusione (LMF). Il diagramma di fase di questo sistema mostra forti interazioni tra LMF e MMF e interazioni complesse delle tre frazioni di grassi del latte allo stesso tempo, il che sarebbe un problema durante la separazione di queste frazioni per cristallizzazione o filtrazione. Le forti interazioni tra le frazioni inducono la formazione di una soluzione solida parziale e, quindi, la conoscenza del diagramma di fase è essenziale nella lavorazione dei prodotti correlati per aiutare a evitare tale soluzione indesiderata.
Un’altra area interessante relativa all’industria alimentare che è stata chiamata attenzione riguarda i componenti minori dei sistemi alimentari, come tocoferoli, squalene, composti fenolici e fitosteroli, per esempio. L’interesse per questi composti è dovuto ai loro effetti benefici per la salute umana, che sono generalmente legati alla loro attività antiossidante. Inoltre, alcuni fitosteroli possono essere utilizzati come elemento strutturante o come agente gelificante della fase oleosa, conferendo loro fermezza, e, ancora una volta, il diagramma di fase è uno strumento necessario per comprendere il comportamento di fase di tali miscele. Studi sui diagrammi binari e ternari di olio di girasole, γ-orizanolo, β-sitosterolo mostrano che le miscele binarie di γ-orizanolo (1)-β-sitosterolo (2) possono formare soluzioni solide, similmente a quanto visto in Fig. 8.1C, e composti peritettici, con un comportamento vicino a quello presentato in Fig. 8.2B . Pertanto, questi fenomeni si vedono anche nel diagramma ternario composto da questa miscela binaria e olio alimentare.
Quindi, come osservato, i diagrammi di fase sono uno strumento estremamente utile e necessario per comprendere il comportamento di equilibrio di diversi composti. È attraverso di essi che i processi di separazione possono essere sviluppati e migliorati, ed è attraverso le informazioni contenute in essi che i prodotti possono essere progettati. Per esempio, il diagramma di fase binaria dei TAG sembra essere più semplice dei binari degli alcoli e degli acidi grassi, ma nonostante ciò, questi composti possono presentare alcune transizioni polimorfiche nella fase solida. D’altra parte, nei diagrammi di fase ternari, le complesse interazioni tra le molecole dei composti in fase solida, così come il loro polimorfismo, riflettono l’esistenza di un comportamento molto intricato che è una sfida da demistificare e riprodurre, come nel caso dei sostituti del burro di cacao e dei sistemi organogelatori.