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Gli idrocolloidi presentano alcune caratteristiche di comportamento comuni, mentre altre sono differenti. Approfondire questi aspetti, ci aiuterà a capire che gli idrocolloidi vanno scelti e usati con un certo metodo. Prima di entrare nel dettaglio, facciamo una breve esposizione di concetti e termini che è utile conoscere quando si parla di idrocolloidi.
Partendo dalla definizione data dal regolamento (1333/2008) prima di tutto chiariamoci il termine “viscosità”. La viscosità è un termine che descrive la resistenza al flusso di un fluido, o ancora, la capacità del fluido di muoversi sotto taglio, come quando viene pompato, agitato, spruzzato ecc. Per un fluido a bassa viscosità, come l’acqua, è necessaria solo una forza relativamente piccola per indurre il flusso, mentre i fluidi a viscosità più elevata richiedono più forza per generare la stessa estensione del flusso. Per fare un semplice esempio, lo sciroppo di glucosio ha una viscosità molto più alta dell’acqua, infatti se infilassimo un cucchiaio in un barattolo di sciroppo e cercassimo di mescolarlo, ci servirebbe molta più forza rispetto a quella che dovremmo applicare se mescolassimo con lo stesso cucchiaio dell’acqua pura. La densità invece è la massa per unità di volume (Massa/Volume), quindi è il rapporto tra il peso di una sostanza e il suo volume, in altre parole è il peso di una sostanza per m³. Sia la densità che la viscosità diminuiscono con la temperatura, ma mentre la densità varia leggermente con la temperatura (ha una relazione lineare), la viscosità cambia rapidamente (relazione esponenziale). E’ diventato quasi un luogo comune pensare che i fluidi più viscosi, siano anche più pesanti, basterebbe osservare l’olio e dell’acqua per capire che non è così. Infatti la viscosità e la densità sono due fenomeni fisici che dipendono da aspetti completamente diversi.
*Densità e peso specifico molto spesso sono usati come sinonimi, ma in realtà c’è una certa differenza. La densità è la Massa divisa per il volume (V) di un materiale, mentre il Peso Specifico (Ps) è il peso (P) diviso il volume (V) di un materiale: Peso Specifico = M/V, mentre la Densità = P/V. Ma la massa e il peso sono due cose diverse. Mentre il peso è la forza di attrazione di un corpo verso il centro della terra, la massa è una proprietà intrinseca e corrisponde esattamente alla quantità di materia di un corpo. La massa non varia al variare del luogo in cui ci si trova, mentre il peso essendo una forza può cambiare in base alla forza con il quale un corpo viene attratto al suolo (forza di gravità) e visto che il peso è uguale alla massa moltiplicata per la forza di gravità espressa in grammi (Peso = Massa x forza di gravità), che mediamente sulla terra è 9,8 m/s2 , cioè 1 grammo, il Peso è uguale alla Massa moltiplicata per 1. Effettivamente, sulla Terra la densità e il peso specifico hanno il medesimo valore, ma se andassimo sulla luna dove la forza di gravità è circa 1,62 m/s2, la densità e il peso specifico sarebbero due valori ben diversi tra loro.
La viscosità è un termine che descrive la resistenza al flusso di un fluido, o ancora, la capacità del fluido di muoversi sotto taglio, come quando viene pompato, agitato, spruzzato ecc. Per un fluido a bassa viscosità, come l’acqua, è necessaria solo una forza relativamente piccola per indurre il flusso, mentre i fluidi a viscosità più elevata richiedono più forza per generare la stessa estensione del flusso. Per fare un semplice esempio, lo sciroppo ha una viscosità molto più alta dell’acqua: è necessaria più forza per muovere un cucchiaio attraverso un barattolo di sciroppo che in un barattolo d’acqua perché lo sciroppo è più resistente a scorrere intorno al cucchiaio. In termini pratici, i fluidi con una viscosità più elevata richiedono una maggiore quantità di forza per muoversi a una certa velocità. Questa resistenza è dovuta all’attrito prodotto dalle molecole del fluido e influenza sia la misura in cui un fluido si opporrà al movimento di un oggetto attraverso di esso sia la pressione richiesta per far muovere un fluido attraverso un tubo. La viscosità è influenzata da una serie di fattori, tra cui la dimensione e la forma delle molecole, le interazioni tra di esse e la temperatura.
La viscosità delle soluzioni idrocolloidi è influenzata in modo significativo dalla massa molecolare dell’idrocolloide. La dipendenza dalla velocità di taglio della viscosità aumenta con l’aumentare della massa molecolare e la velocità di taglio alla quale si verifica l’assottigliamento del taglio si sposta su valori più bassi. Oltre agli effetti di massa molecolare, la dimensione idrodinamica delle molecole colloidali in soluzione è significativamente influenzata dalla struttura molecolare. Le molecole lineari e rigide hanno una dimensione idrodinamica maggiore rispetto ai colloidi altamente ramificati e altamente flessibili con la stessa massa molecolare e quindi danno origine a una viscosità molto più elevata. Anche gli idrocolloidi carichi hanno una viscosità maggiore rispetto a quelli non ionici a parità di massa molecolare perché le loro bobine molecolari sono espanse come conseguenza delle repulsioni di carica intramolecolari. L’aggiunta di elettrolita o la regolazione del pH per ridurre il grado di dissociazione dei gruppi carichi porta normalmente alla compattazione delle bobine e ad un calo significativo della viscosità.
La viscosità delle soluzioni idrocolloidali si misura con degli apparecchi chiamati “Viscosimetri”. Di viscosimetri ne esistono di vari tipi (tazze a efflusso, a caduta di sfera, a Capillare e viscosimetri rotazionali) e la scelta tra questi, dipende dal tipo di fluido da analizzare: per esempio se è Newtoniano o Non Newtoniano. Nel campo dei sistemi alimentari colloidali, il più utilizzato è senza ombra di dubbio il Viscosimetro Rotazionale, perchè più flessibile, e adatto per una vasta gamma di applicazioni. Il viscosimetro rotazionale, ha un albero motore al quale viene fissata la girante che verrà immersa nel fluido in misurazione. La girante, a seconda del fluido nel quale è immersa produce uno sforzo che viene (viscosità). Tutti i viscosimetri hanno giranti normate secondo il metodo Brookfield, che ne definisce i parametri costruttivi, per ottenere misure “identiche” tra viscosimetri anche di diversi costruttori.
Unità di Misura
L’unità di misura della Viscosità è un pò tortuosa, e può portare confusione. Cominciamo a dire che:
La viscosità dinamica si misura, nel Sistema Internazionale in Poiseuille (simbolo P1), mentre nel sistema centimetro-grammo-secondo (CGS), in Poise (P).
Ma non spaventiamoci perchè Poiseuille e Poise, sono corrispondenti. Cioè 1 Poiseuille è = a 1 Poise.
Adesso arriva il bello, perchè per ragioni storiche è sempre stato usato il sottomultiplo del Poise, cioè il centipoise (cP), che equivale al millipoiseuille (mPa), quindi → 1 cP = 1 mPa. Ma siccome il Poiseuille equivale a un pascal* per secondo, possiamo anche scrivere che :
1cP = 1mPa·s
Teniamolo a mente, ci può essere utile perchè molto spesso, sulle schede tecniche o sulla letteratura si possono incontrare entrambe.
*Il pascal (simbolo: Pa) è un’unità di misura derivata del sistema internazionale (S.I.), utilizzata per misurare lo sforzo e la pressione. È equivalente a un newton su metro quadrato.
Essendo la viscosità un valore dipendente dalla velocità del taglio (velocità di agitazione), dalla temperatura e dalla concentrazione dell’idrocolloide, non viene mai indicato come un valore assoluto. Per esempio, sulle schede tecniche degli idrocolloidi insieme al valore della Viscosità sono sempre indicate le condizioni nelle quali viene misurata: Temperatura (°C), di velocità (rpm) e la % di idrocolloide, usato.
La caratteristica principale che rende un fluido newtoniano è che la sua viscosità è la stessa indipendentemente dal taglio applicato, cioè quanto velocemente viene agitato o pompato. Quindi, un fluido è Newtoniano quando lo sforzo di taglio aumenta in proporzione diretta alla velocità di taglio. Quasi tutte le soluzioni zuccherine, compresi gli sciroppi di glucosio, sono fluidi newtoniani. Anche gli oli (grassi liquidi) appartengono alla categoria dei fluidi newtoniani.
In soluzioni semplici, in cui il materiale disciolto è a basso peso molecolare, si verificano limitate interazioni soluto-solvente, e il flusso è direttamente proporzionale alla forza applicata, quindi è newtoniano e la viscosità rimane costante al variare dello sforzo di taglio. Le soluzioni più complesse invece, come quelle colloidali, rispondono in modo non lineare alle sollecitazioni applicate. In questi casi, le molecole disciolte sono grandi, la tendenza a riassociarsi è elevata e il solvente deve esercitare una certa forza per mantenere l’idrocolloide in soluzione. Tali soluzioni sono classificate come non newtoniane perchè la viscosità cambia al variare dell’azione di taglio. I fluidi NON sono newtoniani quando, la loro viscosità apparente dipende dalla velocità di taglio.
Tutte le soluzioni colloidali di solito presentano “proprietà pseudoplastiche non newtoniane” (assottigliamento del taglio) e occasionalmente tixotropiche (dipendenti dal tempo).
La caratteristica principale che rende un fluido newtoniano è che la sua viscosità è la stessa indipendentemente da quanto taglio viene applicato, cioè quanto velocemente viene agitato o pompato. Quindi, è un fluido Newtoniano quando lo sforzo di taglio aumenta in proporzione diretta alla velocità di taglio. Quasi tutte le soluzioni zuccherine, compresi gli sciroppi di glucosio, sono fluidi newtoniani. Anche gli oli (grassi liquidi) appartengono alla categoria dei fluidi newtoniani.
In soluzioni semplici, in cui il materiale disciolto è a basso peso molecolare, non è associativo e si verificano limitate interazioni soluto-solvente, il flusso è direttamente proporzionale alla forza applicata, e si dice che il sistema sia newtoniano e la viscosità rimane costante al variare dello sforzo di taglio. Le soluzioni più complesse invece, come quelle colloidali, rispondono in modo non lineare alle sollecitazioni applicate. In questi casi, le molecole disciolte sono grandi, la tendenza a riassociarsi è elevata e il solvente deve esercitare una certa forza per mantenere l’idrocolloide in soluzione. Tali soluzioni sono classificate come non newtoniane e la viscosità cambia al variare dell’azione di taglio. I fluidi NON sono newtoniani quando, la loro viscosità apparente dipende dalla velocità di taglio. Tutte le soluzioni colloidali di solito presentano proprietà pseudoplastiche non newtoniane (assottigliamento del taglio) e occasionalmente tixotropiche (dipendenti dal tempo).
Pseudoplastico_un comportamento reologico che appare con una diminuzione della viscosità apparente all’aumentare della velocità di taglio è chiamato comportamento Pseudoplastico o Diradamento al taglio.
Tuttavia, se la forza applicata viene rimossa, la soluzione torna velocemente alla sua reologia originale. Fondamentalmente, questa proprietà reologica si verifica quando le molecole a catena lunga si orientano nella direzione del flusso. La figura sotto fornisce una semplificazione del fenomeno.
rotazionale Brookfield. A riposo o a basso taglio, le catene colloidali esistono in uno stato casuale. A taglio più alto, le catene casuali si allungano e si orientano nella direzione del flusso innescata dalla forza applicata dal mandrino che gira più velocemente. Man mano che l’allineamento della catena migliora, il mandrino gira più facilmente nella matrice, perché la resistenza al flusso della viscosità diminuisce. Quando lo strumento viene spento, il fluido ritrova subito lo stato casuale.
Il comportamento pseudoplastico degli idrocolloidi varia a seconda del loro peso molecolare (lunghezza della catena). A velocità di taglio molto basse, tutti si comportano come materiali newtoniani, ma all’aumentare della velocità di taglio, i tipi a basso peso molecolare sono meno pseudoplastici rispetto agli idrocolloidi a più alto peso molecolare.
Il comportamento pseudoplastico degli idrocolloidi varia a seconda del loro peso molecolare (lunghezza della catena). A velocità di taglio molto basse, tutti si comportano come materiali newtoniani, ma all’aumentare della velocità di taglio, i tipi a basso peso molecolare sono meno pseudoplastici rispetto agli idrocolloidi a più alto peso molecolare.
Tixotropico_il comportamento tixotropico è una caratteristica reologica di alcuni fluidi pseudoplastici. Praticamente, la tixotropia è un comportamento pseudoplastico, che dipende dal tempo. Una soluzione di colloide tixotropico, subisce una diminuzione della viscosità all’aumentare della forza di taglio (pseudoplastico), ma in questo caso, quando la forza di taglio viene rimossa, il fluido tixotropico non ritorna subito alla sua viscosità originale. Quindi un fluido pseudoplastico dopo la rimozione del taglio, ritorna immediatamente alla sua viscosità originale, mentre un comportamento pseudoplastico tixotropico, ci ritorna ma solo dopo un certo periodo di tempo.
Per comprendere ancora meglio i due fenomeni pseudoplastico e tixotropico vediamo ora cosa succede a livello microscopico nei due casi. In una soluzione colloidale pseudoplastica le catene dell’idrocolloide sono separate e indipendenti una dall’altra (maggiori dettagli gli vedremo più sotto nell’interazione idrocolloide-acqua). In questo caso sono i legami idrogeno che si formano tra queste catene che ingabbiano l’acqua del sistema aumentandone la viscosità. Durante il taglio, la viscosità diminuisce, perchè l’acqua è meno immobilizzata, ma la situazione delle catene rimane la stessa, rimangono sempre separate. Nel comportamento tixoplastico invece, le catene colloidali hanno creato una situazione diversa, si sono cioè aggregate tra loro per creare una rete che intrappola le molecole dell’acqua, quello che in termini comuni chiamiamo gel. In questo caso, il taglio rompe la struttura del gel, che a riposo per riorganizzarsi con la stessa rete, necessitano solo di più tempo. Un’altra differenza tra le soluzioni pseudoplastiche e quelle tixotropiche è che nelle prime la viscosità diminuisce quasi subito durante il taglio, mentre in quelle tixotropiche la diminuzione è più lenta perchè occorre più tempo ed energia per rompere la rete (gel).
Il fattore chiave responsabile della natura tixotropica di alcuni idrocolloidi è l’uniformità della sostituzione e/o la mancanza di sostituenti che causano regioni “insolubili” (un po’ idrofobiche) lungo la catena. Queste regioni insolubili o “centri gel” tendono a riassociarsi con il tempo, formando una rete o struttura tridimensionale che si traduce in un aumento della viscosità. L’agitazione rompe la struttura, ma non riesce a farlo in modo permanente.
Un esempio di idrocolloide pseudoplastico è per esempio il Guar, mentre lo Xantano presenta un comportamento anche tixotropico. Nella pratica, il comportamento tixotropico dello Xantano è utile per esempio nei topping che devono essere più fluidi quando devono essere versati. Un’altro comportamento tixotropico è visibile nelle glasse per le torte che devono essere abbastanza immobili quando vengono “versate” dal loro contenitore (taglio basso), ma più sottili quando devono essere distribuite sulle torte con un coltello (taglio più alto). Al termine della distribuzione (rimozione del taglio), la glassa deve tornare di nuovo immobile.