El limoncello y la ciencia de las emulsiones Understand article
¿Cómo se puede hacer para que el aceite y el agua permanezcan mezclados? La curiosidad de un científico por un licor de limón ha revelado cómo hacer esto, y con algunas aplicaciones industriales prometedoras.
Jorge Royan/Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
El limoncello, el aromático licor italiano que se hace con limones, es cada vez más popular en todo el mundo. Este digestivo dulce y cítrico es un producto icónico de la cultura gastronómica, pero también es un sistema coloidal complejo compuesto de aceites esenciales, etanol, sacarosa y agua.
Como químico italiano en el Instituto Laue-Langevin (ILL)(ILL)w1, tenía curiosidad por descubrir lo que la tecnología avanzada del ILL podía revelar sobre este sistema complejo. Por eso, a principios de este año, mis colegas y yo solicitamos usar la línea de haz para llevar a cabo un pequeño estudio, y resulta que, además de ser delicioso, el limoncello tiene algunas características científicas especiales.
¿Qué es el limoncello?
En la receta tradicional de limoncello, el zumo cítrico (obtenido al rallar la parte externa de la cáscara de limón) se macera en alcohol (etanol) durante varias semanas. El zumo contiene la mayoría de los aceites esenciales de los limones, lo que produce el gusto y color característico del licor. Luego, el etanol y el extracto de limón se mezclan con un almíbar. Normalmente, el limoncello contiene alrededor de 30 % de alcohol y aproximadamente 20 % de sacarosa (azúcar) por volumen, pero como el limoncello a menudo es casero, el método de preparación y la composición final varía de una familia a otra.
Nicola Graf
Los aceites esenciales indispensables para el sabor del limoncello se encuentran en pequeñas bolsitas en la cáscara de las frutas cítricas, que estallan y liberan el fuerte aroma que notamos cuando pelamos la fruta. Esos aceites esenciales tienen una composición muy compleja: se han identificado más de 60 moléculas diferentes, y los principales componentes son una clase de moléculas orgánicas llamadas monoterpenos. En los limones, el compuesto más abundante es el limoneno (véase la figura 1).
El limoncello se hace mezclando dos soluciones: el extracto etanólico que contiene los aceites y la solución acuosa de sacarosa. Cada una de estas soluciones iniciales es completamente transparente; sin embargo, el limoncello es turbio, con una apariencia opaca y nebulosa. Los sistemas túrbidos abundan en la vida cotidiana: otros ejemplos incluyen los cristales de hielo en las nubes, las gotas de grasa en la leche y las algas en una laguna. Todos estos distintos sistemas contienen partículas o gotitas en la escala de cientos de nanómetros comparables a la longitud de onda de la luz visible. Son estas heterogeneidades (pequeñas cantidades de sólidos o líquidos suspendidas en un medio fluido) lo que les da a estos sistemas la apariencia turbia.
El efecto ouzo
¿A qué se debe la turbidez del limoncello? El agua y el etanol son completamente miscibles (uno se disuelve en el otro), al igual que el limoneno y el etanol, pero el limoneno y el agua son poco miscibles. En el limoncello, esta combinación de tres líquidos de forma espontánea produce una emulsión: una suspensión de gotitas de un líquido en otro. Sin embargo, esto solo pasa en algunos rangos específicos de composición (véase el recuadro de texto).
El fenómeno de la formación espontánea de la emulsión se llama «efecto ouzo», nombre que se debe a la famosa bebida mediterránea llamada ouzo que inmediatamente se vuelve turbia cuando se la mezcla con agua y forma una emulsión. De hecho, el ouzo es, desde una perspectiva científica, bastante parecido al limoncello, ya que está hecho de agua, etanol y el componente aromático anetol y, al igual que el limoneno, es altamente soluble en etanol pero poco soluble en agua.
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A diferencia de estos sistemas ouzo, las emulsiones típicas requieren un aporte de energía muy alto, como agitar y mezclar para hacer la emulsión que llamamos mayonesa. Otra diferencia muy importante entre los sistemas ouzo y las emulsiones clásicas es la ausencia de agentes estabilizadores. Por ejemplo, la mayonesa se prepara al emulsionar un aceite vegetal con el agua que contiene una yema de huevo. El proceso es largo y tedioso, y requiere una considerable cantidad de energía (agitar y mezclar vigorosamente) para hacer que los dos líquidos se mezclen y formen una emulsión. También se necesitan lecitina y proteínas de la yema de huevo para estabilizar la emulsión.
¿Por qué los sistemas ouzo son importantes fuera de la cocina? Algunos procesos industriales importantes se llevan a cabo en emulsiones, como la polimerización, en la que pequeñas moléculas (monómeros) se combinan para formar macromoléculas grandes, o polímeros. Aquí, a menudo se crean las emulsiones para que los reactivos se aproximen y que la reacción pueda proceder rápidamente. Si dichas emulsiones se forman espontáneamente (como en el caso del limoncello) y requieren muy poca o ninguna energía, esto obviamente hace que el proceso sea más eficiente y sostenible. Además, al finalizar debe recuperarse el polímero del medio de reacción, lo que muchas veces es el paso más difícil de todo el proceso. Sin embargo, si el sistema no tiene estabilizantes, la extracción del polímero y los catalizadores es más sencilla, ya que los componentes se pueden separar con facilidad cuando ya no existe la composición que forma la emulsión. Otra aplicación muy utilizada de las emulsiones es en los pesticidas, para permitir que estos productos que no son solubles en agua se diluyan y se esparzan en los campos. El uso de emulsiones del tipo ouzo además evitaría esparcir tensioactivos innecesarios, que suelen ser nocivos para el medio ambiente.
El limoncello a nivel micro
ILL, que se usó para el
estudio del limoncello
A Chezière/ILL
Como hemos mencionado, la manera en que el limoncello dispersa la luz es muy revelador sobre la estructura del líquido a nivel microscópico. Al usar radiación de menor longitud de onda, los rayos X y los haces de neutrones nos permiten ver con más detalle las estructuras y las interacciones dentro de este líquido a una menor escala.
Queríamos usar las instalaciones de dispersión de neutrones en el ILL para ver qué podíamos descubrir sobre el limoncello y, afortunadamente, nos asignaron un tiempo para usar el instrumento de dispersión de neutrones de bajo ángulo (SANS). El objetivo de nuestra investigación era descubrir a qué se debe la extraordinaria estabilidad del limoncello. Con este fin, estudiamos el licor bajo diferentes condiciones: al agregar agua al extracto etanólico, a diferentes temperaturas y con diferentes concentraciones de sacarosa (Chiappisi & Grillo, 2018). Los neutrones son sensibles a la composición isotópica del sistema, e interactúan en forma diferente con dos isótopos estables del hidrógeno: protio, 1H (hidrógeno normal), y deuterio (más raro), 2H. En la investigación, se extrajo el aceite esencial de un limón comprado en un mercado local (que contenía mayormente núcleos de protio), mientras que, en cambio, el etanol y el agua estaban enriquecidos con núcleos de deuterio.
El análisis reveló que en el limoncello el tamaño de las gotículas de la emulsión es siempre alrededor de 100 nanómetros de diámetro, independientemente del contenido de agua, azúcar o la temperatura. Estos resultados son sorprendentes: el tamaño típico de las gotículas de la emulsión en los sistemas ouzo son usualmente mucho más grandes, de varios cientos o incluso miles de nanómetros de tamaño (Grillo, 2003). Además, a diferencia del limoncello, el tamaño suele ser sensible a la composición o la temperatura del sistema.
Esto hace que, científicamente, el limoncello sea un líquido muy interesante. El pequeño tamaño de las gotas de aceite parece ser la causa de la excepcional estabilidad del limoncello en relación a los cambios de temperatura y composición, y a través del paso del tiempo. De hecho, el limoncello puede mantenerse en buen estado en la botella por años, ¡nada mal para un sistema metaestable! En cambio, en las bebidas como el pastis o el ouzo, tiende a haber separación de fases al cabo de unas horas de la preparación (por eso es que siempre se disuelve el pastis con agua en el vaso justo antes de consumirlo).
Aunque todavía no comprendemos totalmente por qué el limoncello se comporta de manera tan diferente a otras bebidas del tipo ouzo, ahora comprendemos mejor la ciencia de los sistemas autoemulsionantes y cómo diseñarlos para usarlos en futuros productos y procesos.
Los diagramas de fase y la estabilidad del limoncello
Los diagramas de fase constituyen un modo práctico de representar los estados físicos de sistemas de dos o más componentes bajo diferentes condiciones. Un tipo común de diagrama de fase muestra cómo una única sustancia (por ejemplo, el agua) cambia de estado entre el sólido, líquido y gaseoso bajo diferentes combinaciones de temperatura y presión (figura 2).
Nicola Graf/Leonardo Chiappisi
En un sistema como el del limoncello, que contiene tres componentes (agua, etanol y aceite esencial), los diagramas de fase nos permiten representar las posibles composiciones dentro del sistema y las características físicas (como la solubilidad y la estabilidad) asociadas con cada composición. En la figura 3 se muestra un típico diagrama de fase de tres componentes. Aquí, cada uno de los componentes puros está representado con un vértice del triángulo principal, donde las escalas indican 100 % y 0 % para los dos componentes diferentes.
Nicola Graf/Leonardo Chiappisi
Como el ejemplo ilustra, puede leerse la composición de un punto dentro del diagrama de fase al dibujar tres líneas que comienzan en ese punto y terminan en cada eje (obsérvese la cuadrícula triangular que se usa para dibujar las líneas). En este caso, una muestra representada por el punto rojo P tiene una composición de 20 % agua, 70 % etanol y 10 % aceite esencial (m/m).
Con este diagrama de fase, podemos ver que el agua y el etanol son totalmente miscibles, al igual que el etanol y el aceite esencial. Sin embargo, la solubilidad del aceite esencial en agua es solo del 5 % m/m, y la solubilidad del agua en el aceite esencial es inferior al 10 %. El diagrama también muestra un área en la que los componentes se separan en al menos dos fases y no se mezclan (la región de la separación de fases). La pequeña «región ouzo metaestable» es donde la composición permite la formación espontánea de la emulsión, como en los sistemas ouzo. La separación de fases finalmente ocurre en esta región, pero la escala de tiempo puede ser muy larga porque el estado metaestable requiere energía para lograrla.
References
- Chiappisi L, Grillo I (2018) Looking into Limoncello: the structure of the Italian liquor revealed by small-angle neutron scattering. ACS Omega 3: 15407-15415. doi: 10.1021/acsomega.8b01858
- Grillo I (2003) Small-angle neutron scattering study of a world-wide known emulsion: Le Pastis. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 225: 153-160. doi: 10.1016/S0927-7757(03)00331-5
Web References
- w1 – Con sede en Grenoble, France, el ILL es un centro internacional de investigación a la vanguardia de la ciencia y la tecnología de neutrones.
Resources
- El estudio de la estructura microscópica del limoncello se llevó a cabo con el instrumento SANS D11 en el ILL. Puede aprender cómo funciona este instrumento en el sitio web del ILL.
- Puede consultar más información sobre la dispersión de neutrones en un artículo del ILL sobre un estudio que discute cómo algunas bacterias pueden vivir en entornos marinos. Consulte:
- Zaccai G (2018) Titanic and the iron-eating bacteria. Science in School 43: 8-11.
- Puede leer sobre cómo se utilizó el instrumento SANS para desarrollar un nuevo tensioactivo recuperable en el ILL. Consulte:
- Eastoe J et al. (2012) Magnetic science: developing a new surfactant. Science in School 25: 22-27.
Institutions
Review
La mayoría de los estudiantes saben que el aceite y el agua no se mezclan, y puede que hayan escuchado la palabra «emulsión» al ayudar a un familiar a pintar una habitación, pero a pesar de estos ejemplos de la vida real, muy pocos estudiantes se habrán preguntado cuál es la química detrás de estas experiencias Al alentar a los estudiantes a preguntarse lo que sucede a nivel macro e inspirarlos con la química del nivel micro, este artículo brinda una puerta de acceso a varios conceptos clave.
Además, el artículo provee la oportunidad de interpretar un diagrama de fase de tres componentes, lo que les permite a los estudiantes usar sus habilidades matemáticas para trazar conclusiones sobre las características físicas y demuestra que tales habilidades son esenciales para la investigación científica.
En la clase, se podrían utilizar las siguientes preguntas de comprensión:
- La molécula de limoneno tiene dos enantiómeros posibles. Identifica el átomo de carbono quiral.
- ¿Qué volumen de etanol esperarías que contenga 5 litros de limoncello?
- Los sistemas túrbidos contienen partículas en una escala comparable a la longitud de onda de la luz visible. ¿Cuál es el rango de longitud de onda de la luz visible?
- ¿Por qué la ciencia del limoncello podría resultar útil para diseñar sistemas autoemulsionantes?
- El diagrama de fase contiene una «región ouzo metaestable». ¿Qué significa el término «metaestable»?
Caroline Evans, directora de Química, Wellington College, Reino Unido