Monocapas de ácidos grasos I. Ácido esteárico sobre disoluciones acuosas de etanol

114 G asas y Acei es Monocapas de ácidos g asos. 1. Ácido es eá ico sob e disoluciones acuosas de e anol. Po J. M. Rod íguez Pa ino, J. de la Fuen e Fe ia y C. Gómez He e a Depa amen o de Ingenie ía Química. Facul ad de Química. Uni e sidad de Se illa. 41012 - Se illa (España) RESUMEN Monocapas de ácidos g asos. I. Acido es eá ico sob e di- soluciones acuosas de e anol. Se ha es udiado la es uc u a y es abilidad de monocapas de ácido es eá ico espa cidas sob e disoluciones acuosas que con ie- nen e anol. Las expe iencias se han ealizado en una iaalanza de supe icie come cial ipo Langmui y se ha ope ado en condiciones iso é micas. Las monocapas p esen an es uc u as de ipo sólida o de líquido condensado en unción de la concen ación de e anol en la subíase. La es uc u a que adop a la monocapa es p ác icamen e indepen- dien e de la empe a u a. La pé dida de moléculas de ácido es eá ico de la monocapa po disolución en la subíase se inc emen a a los alo es más ele ados de empe a u a y de concen ación de e anol. PALABRAS-CLAVE: Acido es eá ico Es abilidad de emulsión - Monocapa. Balanza de supe icie SUMMARY Monolaye s o a y acids. I. S ea ic acid on aqueous solu- ions o e hanol. The s uc u e and s abili y o a y acid monolaye s sp ead on aqueous solu ions wi h e hanol has been s udied. The expe imen s we e ca ied ou iso he mically using a comme cial Langmui balance (Lauda). Monolaye s exhibi solid o condensed liquid s uc u e depen- ding o he e hanol concen a ion in he subphase. Tempe a u e has no a signi ican in luence on he monolaye . S uc u e he e is a loss o s ea ic acid ilm h ough solu ion in o he adjacen subphase. This loss is inc eased wi h he empe a u e and e hanol concen a ion in he subphase. KEY-WORDS: Emulsion s abili y - Monolaye - S ea ic acid - Su ace balance. 1. INTRODUCCIÓN Las emulsiones alimen a ias son e modinámica- men e ines ables a causa de su ele ada á ea in e - acial. Pa a su conse ación empo al se equie e la inco po ación de p oduc os an i ílicos que con engan en una misma molécula, o en un mismo Ion, uncio- nes hid ó ilas y unciones hid ó obas (1-3). Un amplio po cen aje de es os adi i os alimen a ios lo cons i u- yen lípidos pola es, en e los que caben des aca a ios os olípidos, monoglicé icos y es e es de ácidos g asos de cadena la ga con policies (4-7). En la u ilización indus ial de un emulsionan e alimen a io y en las cualidades que con ie e al p o- duc o acabado, es necesa io conoce la es uc u a de la película de lípido en las in e ases acei e-agua o ai e-agua. En es os sis emas las in e acciones en e las moléculas que o man la monocapa se han ela- cionado con la iscosidad y elas icidad de la película supe icial (8) (9) y con la es abilidad de emulsiones y espumas (10-12). Además, se pueden es ablece elaciones en e la es abilidad de una emulsión y las ca ac e ís icas es uc u ales de las monocapas de lípidos en las in e ases acei e-agua y ai e-agua (6) (12-14), y ambién en e la o mación de monocapas condensadas y la asociación de los lípidos en el seno de las disoluciones (6) (15) (16). Es as dependencias son in e esan es ya que desde un pun o de is a expe imen al es más ácil es udia las monocapas de lípidos en la in e ase ai e-agua que en la in e ase acei e-agua (11) (12). Aunque se han p opues o nume osos modelos eó icos pa a explica las ca ac e ís icas de las monocapas en la in e ase ai e-agua, según las in e- acciones en e las moléculas (17-19), son necesa ios pos e io es desa ollos más elabo ados pa a lo cual ha de dispone se de nue os y más iables da os expe imen ales de monocapas espa cidas sob e medios acuosos de di e sas ca ac e ís icas supe i- ciales. Es o es especialmen e ú il pa a p edeci las o mulaciones óp imas de emulsiones y espumas (11). El obje i o de es e abajo ha consis ido en la de e minación de las ca ac e ís icas es uc u ales y de la es abilidad de monocapas de ácido es eá ico, cons i uyen e de es e es de ácidos g asos y policies u ilizados conip adi i os alimen a ios, espa cidas sob e disoluciones acuosas de e anol, en unción de la empe a u a y de la composición del medio acuoso. 2. MATERIALES Y MÉTODO Las iso e mas (cu as p esión de espa cimien o, 71, en e al á ea po molécula de ácido es eá ico. A) se han ob enido en una balanza de supe icie come - (c) Consejo Supe io de In es igaciones Cien í icas Licencia C ea i e Commons 3.0 España (by-nc) h p://g asasyacei es. e is as.csic.es Vol. 42 Faso. 2 (1991), 114-120 115 cial ipo LangmuJ (Messge a e-We k D . R. Wobse KG, Modelo Filwaage FW-1 se ie CO3001, Lauda) equipada con un sis ema de medida con inuo y egis ado . La empe a u a de la bandeja que con ie- ne la monocapa y la subíase se man iene cons an e du an e cada ope ación median e un e mos a o (Lauda, Modelo K2R Elec onic), con una sensibilidad en el con ol de empe a u a de ± 0'01-0'03°C. Los p oduc os usados son de calidad analí ica y no han sido some idos a pu i icación pos e io : ácido es eá ico (Me ck, Ca . 800673) y e anol (Me ck, Ca . 971). El agua ue pu i icada median e una unidad de il ación Millipo e (Mille Q™). El ácido es eá ico ue espa cido sob e la sub ase p e ia disolución del mismo en benceno (Me ck, Ca . 1783). La ac i idad supe - icial de los componen es de la sub ase y del po ado del ácido es eá ico ue comp obada expe imen almen- e an es de egis a las iso e mas co espondien es. Al inicia cada expe iencia se calib a la balanza. La sus ancia o mado a de monocapa se espa ce sob e la sub ase median e una je inga mic omé ica y su masa se de e mina po pesada en balanza analí ica. En unción del núme o de moléculas de lípido espa - cidas se ija un alo en la unidad de con ol que ela i iza la supe icie ocupada po molécula, R. La elocidad de comp esión de la monocapa ue de 3'3 cm/min. Ambos pa áme os se man ienen cons an es du an e la ealización de cada ope ación. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. Monocapas de ácido es eá ico sob e agua desionizada Las expe iencias con ácido es eá ico se inician con el p oduc o espa cido sob e una sub ase cons i- uida po agua desionizada que se i á de e e encia pa a aquellos sis emas en los que en la sub ase se incluyan moléculas semejan es a las p esen es en o mulaciones alimen a ias. Los esul ados ob enidos e e idos a la in luencia de la empe a u a sob e las ca ac e ís icas de la monocapa se esumen en la igu a 1. Es obse able que: * La monocapa p esen a un polimo ismo ca ac e ís- 3 A (nm /molec.) Figu a 1 Iso e mas de comp esión p esión supe icial-á ea po molécula de ácido es eá ico. Sub ase: Agua desioni- zada. Tempe a u as. 1: 5°C, 2: 10°C, 3: 15°C, 4: 20- 40°C. ico de una es uc u a líquido condensada (LC) que se ans o ma en sólida (8) al disminui el á ea disponible pa a las moléculas que la cons i uye. * La p esión ca ac e ís ica (n*) a la que se p oduce la ansición LC::?S, depende de la empe a u a a la cual se ealiza la expe iencia. El alo de la p esión ca ac e ís ica se inc emen a al aumen a la empe- a u a, según se expone en la abla I. * La empe a u a no eje ce in luencia signi ica i a sob e las ca ac e ís icas es uc u ales de la monocapa, si bien su aumen o p oduce un desplazamien o de las iso e mas hacia mayo es solici udes de á ea. Es deci , la monocapa man iene sus es uc u as de sólido o de líquido condensado pe o ocupando mayo es á eas po molécula al inc emen a se la empe a u a. Los alo es del á ea po molécula en unción de la empe a u a deducidos po ex apola- ción de las iso e mas co espondien es a las monocapas con es uc u a sólida (A,jJ se incluyen en la abla I. * Las solici udes de á ea po las moléculas de la monocapa son independien es de la empe a u a pa a alo es supe io es a 20°C, lo cual puede a ibui se al aumen o de la solubilidad de la monocapa en la sub ase (pé dida de- moléculas de ácido es eá ico TABLA I A ea limi e y p esión ca ac e ís ica <Xe la ansician LC .áp s en unción de la empe a u a ae monocapas de acido es eá ico espa cidas sob e agua desionizada, T(2C) 10 15 20 40 1T^ ( M/m) 2 2 Aiim(^/^^1^C) O'142 22'0 0'176 23'5 0'186 24'0 0'197 24'0 0'197 (c) Consejo Supe io de In es igaciones Cien í icas Licencia C ea i e Commons 3.0 España (by-nc) h p://g asasyacei es. e is as.csic.es 116 G asas y Acei es po disolución en la subíase) debido al inc emen o de la empe a u a, o bien a una pé dida pa cial de la misma como consecuencia del a as e de las moléculas que o man la monocapa ocasionada po la e apo ación de la subíase a las empe a u as supe io es. Es con enien e eco da a al eíec o que el alo del pa áme o R que ela i iza la solici ud de á ea po molécula de ío ma au omá ica median e la unidad de con ol se man iene en un alo cons an e pa a cada expe iencia, independien emen- e de la empe a u a a la cual se ealiza la comp e- sión. A ( wi /molec.) 3.2. Monocapas de ácido es eá ico sob e disoluciones de e anol en la subíase El es udio de la in luencia de la concen ación de e anol en la subíase sob e las ca ac e ís icas de las monocapas de ácido es eá ico se ha ealizado en cinco disoluciones con concen aciones de e anol comp en- didas en e O'l y 2 mol/L. Disolución acuosa de e anol a 0'1 mol/L como sub- íase. Los esul ados ob enidos se ep esen an en la igu a 2. Pa a el análisis de los esul ados es con e- nien e indica que la p ime a iso e ma se egis a a 20°C, a con inuación se ealiza la expe iencia a la empe a u a de 40*^0 y, inalmen e, se e ec úan dis- in as comp esiones a 5°C. A pa i de las iso e mas egis adas se ob iene, po ex apolación del segmen- o ec o ca ac e ís ico de la es uc u a sólida de la monocapa, las á eas po molécula que se exponen en la abla II. De los esul ados ob enidos se deduce lo siguien e: * La monocapa posee es uc u a de líquido conden- sado que se ans o ma en sólida al aumen a la p esión de comp esión o disminui el á ea disponi- Figu a 2 Iso e mas de comp esión p esión supe íicial-á ea po molécula de ácido es eá ico. Subíase: Disolución acuo- sa de e anol de 0.1 mol/L. Tempe a u as. 1: 5°C, 2: 25-40°C. ble. La p esión ca ac e ís ica (TI*) a la cual se p oduce la ci ada ansición aumen a al inc emen a se la em- pe a u a desde 5°C has a 20°C. * La es uc u a y el á ea po molécula de la monocapa son independien es de la empe a u a cuando es a supe a los 20°C. La coincidencia de las iso e mas de comp esión que se ob ienen en el in e alo com- p endido en e 20 y 40°C puede debe se a la disolución del ácido es eá ico de la monocapa en la subíase en una p opo ción al que el p e isible aumen o del eque imien o de á ea con la empe- a u a se compense po la exis encia de menos mo- léculas en la supe icie. * Al educi se la empe a u a del sis ema de 20°C a 5°C disminuye el á ea ocupada po cada molécula, si bien se man iene la es uc u a de la monocapa. T as la ealización de comp esiones sucesi as a la ci ada empe a u a se obse a una disminución p o- g esi a del á ea po molécula ocupada po la mo- nocapa. El hecho de que la educción del á ea po TABLA II Solici ud es eá ico 0.1 mol/L. la Comp esión 2a comp esión ia comp esión 2a comp esión 3a comp esión 4a Comp esión 5a Comp esión de á ea po woléculdL de i ^nocapas de ácido espa cidas T(2C) 20 40 5 5 5 6 6 solD e disolución de e anol, A(nm2/mol«c) 0. £02 0. 202 0. 170 0, 150 0. 134 0, 134 0. 134 (c) Consejo Supe io de In es igaciones Cien í icas Licencia C ea i e Commons 3.0 España (by-nc) h p://g asasyacei es. e is as.csic.es Vol. 42 Faso. 2 (1991) 117 - '40 3 A (nm /molec.) Figu a 3 Iso e mas de comp esión p esión supe icial-á ea po molécula de ácido es eá ico. Subíase: Disolución acuosa de e anol de 0.2 mol/L. Tenipe a u as. 1: 5°C, 2: 100C, 3: 20°C, 4: 30°C, 5: 40°C. molécula ienda a un alo cons an e a pa i de la cua a comp esión a la que se some e la monocapa pa ece indica que la ci ada dependencia es á e- lacionada con la endencia del sis ema a alcanza las condiciones es aciona ias. La disminución del á ea ocupada po molécula a la empe a u a in e io es de di ícil jus i icación, si no se admi e la exis en- cia de una disolución p e ia de las moléculas de la monocapa a las mayo es empe a u as. Disolución acuosa de e anol a 0*2 mol/L como sub- íase. Las monocapas de ácido es eá ico espa cidas sob e una disolución 0'2 mol/L de e anol se ca ac e- ou • 40 20 0 ¡ TX V •3~- '^^"" O 0.1 0.2 0.3 A (nmVmolec.) Figu a 4 Iso e mas de comp esión p esión supe icial-á ea po molécula de ácido es eá ico. Sub ase: Disolución acuosa de e anol de 0.5 mol/L. Tempe a u as. 1: 5°C, 2: 10°C. 3: 25°C {p ime a comp esión), 4: 25°C (segunda comp esión). izan po posee una es uc u a y una solici ud de á ea po molécula que son independien es de la empe a- u a en el in e alo comp endido en e 5 y 40°C, según se deduce de las iso e mas egis adas en la igu a 3. Es os esul ados pa ecen con i ma las azones expues as en el apa ado co espondien e a la monocapa de ácido es eá ico espa cida sob e disolu- ción de e anol a O'l mol/L y some idas a comp esio- nes con inuas, a la empe a u a de 5°C. En e ec o, al ealiza se en es e caso las expe iencias en el o den indicado en la igu a, de empe a u as c ecien es, y anscu ido un pe íodo de iempo en e cada comp e- sión, las iso e mas egis adas a cada empe a u a son coinciden es. La independencia en e las iso e mas TABLAIII T TTc (2C) P esión de espa cidas ( M/m) colapso sob e 5 52^ de monocapas disolución 10 54'0 acuosa 20 44'4 de de acide e anol 25 35'2 es eá ico 0'2 mol/L. 40 '39'! TABLA IV P esión de es eá ico colapso y á ea ocupada po molécula de ácido espa cido concen ación 0'5 mo Iso e ma 1 2 3 4 T (2C) 5 20 25 25 sob e una 1/L en e anol, TTc (nM/m) 43'2 42'0 19^0 13'3 disolución acuosa de Aij^mCmn^/moléc. ) 25 25 — -- (c) Consejo Supe io de In es igaciones Cien í icas Licencia C ea i e Commons 3.0 España (by-nc) h p://g asasyacei es. e is as.csic.es 118 G asas y Acei es ob enidas y la empe a u a puede a ibui se a la disolución de las moléculas de la monocapa en la subíase, que se inc emen a al aumen a la empe a- u a. Un aumen o de empe a u a modi ica la p esión de colapso (nj de la monocapa, según se expone en la abla III. Es os esul ados son consis en es con la a i mación de exis encia de ines abilidad de la mono- capa po disolución, de sus moléculas en la subíase en las condiciones de expe imen ación. En e ec o, la exis encia de una ele ada p esión de colapso se ha asociado a un inc emen o de las ue zas de cohesión de Van de Waals en e las moléculas de la mono- capa (20) (21) un hecho que de e mina cuándo una molécula puede o ma una monocapa insoluble (22) (23). Disolución acuosa de e anoi a 0'5 mol/L como sub- íase. En la igu a 4 se esumen los esul ados ob eni- dos al comp imi una monocapa de ácido es eá ico espa cido sob e una disolución acuosa de e anoi de concen ación 0'5 mol/L. Su es uc u a es p ác ica- men e independien e de la empe a u a, exis iendo una ansición líquido condensadas? sólida al aumen a la p esión eje cida sob e la misma. En es as ci cuns an- cias la empe a u a incide sob e la p esión de colapso de la monocapa disminuyendo su alo al aumen a la empe a u a, según se mues a en los esul ados incluidos en la abla IV. Finalmen e, as la ealización de dos comp esiones consecu i as a la empe a u a de 25°C se educe la p esión de colapso. Los esul ados ep esen ados en la igu a 4 e- ue zan la idea de la impo ancia de la solubilidad de la monocapa. En e ec o, es obse able en es as ci cuns ancias que al aumen a la empe a u a se inc emen a la solubilidad de la monocapa man enién- dose su es uc u a. Es deci , la espe able expansión que la monocapa debe expe imen a con la empe a- u a se compensa con la exis encia de la disolución de algunas de sus moléculas y las iso e mas se egis an con idén ica solici ud de á ea po molécula, independien emen e de la empe a u a a la cual se ealiza la comp esión. Es a idea es coincidep e con los da os expues os en la abla IV sob e la dependen- cia en e empe a u a y la p esión de colapso. Po lo an o, la educción en la p esión de colapso, as comp esiones sucesi as a la empe a u a de 25°C puede se la consecuencia de la exis encia de un pe íodo ansi o io as un p oceso de disolución p e ia, un enómeno simila al discu ido p e iamen e al espa ci el mismo ácido g aso sob e disolución acuosa de e anoi de concen ación 0'1 M. Es e compo amien- o es semejan e al dé la mayo ía de las monocapas de lípidos espa cidas sob e agua en las cuales se ha comp obado la exis encia de disolución (24-26). Disolución acuosa de e anoi a 1 mol/L como subíase. La iso e ma de comp esión p esión supe icial-á ea de una monocapa de ácido es eá ico espa cida sob e disolución acuosa de e anoi de concen ación 1 mol/ L a la empe a u a de 20°C se ep esen a en la igu a 5. Al igual que ocu e con los esul ados expe imen- ales discu idos en apa ados an e io es, es lógico pensa en la exis encia de disolución de moléculas de la monocapa en la subíase de concen ación 1 mol/ L de e anoi. 3 60 50 40 30 20 10 0 h ^3 ••'2 1 su 1 '•! i> 1 :i 1 :l 1 1 •( 1 :( P 11 1 !i 1 :i 1 :i 1 »l 1-» 1 •* 1. X^^ J 0.1 0.2 0.3 . / 2, , V A (nm /molec.) Figu a 5 Iso e mas de comp esión p esión supe icial-á ea po molécula de ácido es eá ico a 20°C. Subíase: Diso- luciones acuosas de e anoi. 1: O mol/L, 2: 0.1 mol/ L, 3: 0.2 mol/L, 4: 0.5 mol/L, 5: 1 mol/L, 6: 2 mol/L Disolución acuosa de e anoi a 2 mol/L como subía- se. En la igu a 5 se incluye la iso e ma co espon- dien e a la p ime a comp esión ealizada sob e una monocapa de ácido es eá ico espa cido sob e una di- solución de e anoi en agua de concen ación 2 mol/ L en solu o. Es in e esan e des aca la signi ica i a educción en el á ea po molécula al compa a es a expe ien- cia con las discu idas en apa ados an e io es, e e- idas a disoluciones con meno con enido de e anoi en la subíase. Es a educción en la solici ud de á ea po molécula ha de a ibui se necesa iamen e a un (c) Consejo Supe io de In es igaciones Cien í icas Licencia C ea i e Commons 3.0 España (by-nc) h p://g asasyacei es. e is as.csic.es Vol. 42 Faso. 2 (1991) 119 p oceso de disolución de moléculas de la monocapa, incluso a las meno es empe a u as. En e ec o, de la misma iso e ma se obse a que la es uc u a de la monocapa es semejan e a la deducida de las expe- iencias comen adas en apa ados an e io es, con una de sólido o de líquido condensado, según la p esión eje cida sob e la monocapa. Pa a es as condiciones la in luencia de la empe a u a se conc e a en una educción de la p esión de colapso de la monocapa con el aumen o de empe a u a. TABLA V A ea ocupada po molécula de ácido es eá ico espa cida sob e una disolución de e anol-agua de concen ación 2 mol/L, T (2C) 20 25 30 35 40 i5 10 5 ^lim- lO^ínm^/TOléc. 4 i'4 1'4 1'6 3'2 2'0 2'0 2'0 p esión de colapso p óxima a los 50 mN/m, si bien es de des aca la exis encia, a es a empe a u a, de una mese a a la p esión de 32 mN/m que sepa a la exis encia de dos con igu aciones dis in as de la monocapa. Es posible, no obs an e que el egis o de esa mese a se deba a un solapamien o de las iso e - mas Co espondien es a la monocapa y a la subíase. Se ha comp obado expe imen almen e que pa a bajas solici udes de á ea po molécula, cuando ambas ba e as, la mó il y la de medición, es án p óximas, la subíase p esen a una ac i idad supe icial p opia (27). Las iso e mas co espondien es a las comp esio- nes ealizadas sob e la monocapa en el in e alo comp endido en e 5 y 40°C no se incluyen en la igu a debido a la p oximidad de sus egis os al eje de abscisas, si bien las solici udes de á ea po molécula deducidas po ex apolación de los mismos se expo- nen en la abla V, debido a que en el ci ado in e alo En la igu a 5 se ep esen an las iso e mas co espondien es a monocapas de ácido es eá ico espa cido sob e disoluciones alcohólicas con dis in as concen aciones de solu o a la empe a u a de 20°C. En es as ci cuns ancias: * la ans o mación sólido -*• líquido condensado se a o ece con el aumen o de la concen ación de e anol. * al aumen a la concen ación de e anol en la sub- íase se educe la p esión de colapso de la mono- capa, aunque el alo de á ea ocupada po cada molécula es p ác icamen e insensible a la ci ada a iación, según se expone en la abla VI. Los e- sul ados ob enidos con una concen ación 2 M de e anol en la subíase cons i uye una excepción en el compo amien o an es comen ado. En la igu a 6 se ep esen a la dependencia de la concen ación de e anol en la subíase y de la empe a u a sob e el á ea ocupado po cada molécula TABLA VI P esión de colapso y á ea ocupada po molécula de ácido es eá ico espa cida sob e disoluciones de e anol a 202C. E anol (mol/L) O TTg (nM/m) Aiimínní/moléc) 0'202 0'200 0'216 0'216 0'210 0'043 O'l 50 0'2 49 0'5 42 í 37'6 2 33 de empe a u as, la monocapa man iene una es uc- u a sólida. El o den de ealización de las comp esio- nes coinciden con el indicado en la ci ada abla. Dicusión global de esul ados con e anol como sub- íase. De las expe iencias ealizadas se deduce una p ác ica independencia en e las es uc u as de la monocapa y la empe a u a, cualquie a que sea la concen ación de e anol en la subíase. Dichas es uc- u as, según lo comen ado en los apa ados co es- pondien es son coinciden es con las con igu aciones de ácido es eá ico co espondien e a su es uc u a sólida. Según puede obse a se la in luencia de la concen ación de e anol en la subíase es cuan i a i- amen e supe io a la eje cida po la empe a u a. Además, y debido a que no es espe able que la es uc u a que adop an las moléculas de ácido es eá- ico en la monocapa sea más compac a que la exis- en e en su es uc u a c is alina (28), los alo es del á ea lími e de la monocapa in e io es al á ea ocupada po los á omos en dicho c is al son conco dan es con la opinión de exis encia de un p oceso de disolución (c) Consejo Supe io de In es igaciones Cien í icas Licencia C ea i e Commons 3.0 España (by-nc) h p://g asasyacei es. e is as.csic.es 120 G asas y Acei es A ea molecula del ácido es eá ico en su es uc u- a c is alina. 0.0 E anol {mi/I) Figu a 6 In luencia de la empe a u a y de la concen ación de e anol en la subíase sob e el á ea lími e de monocapas de ácido es eá ico. T (^C) CLAVE 5 • 10 • 15 * 20 o 30 A 40 0 de moléculas de ácido es eá ico de la monocapa en la subíase alcohólica, que se po encia a los alo es más al os de empe a u a y de concen ación de e anol en la subíase. BIBLIOGRAFÍA 1. Beche , P. 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