L’aspetto dei processi termomeccanici subiti dal fluido è pur importante ai fini della determinazione della reologia. Questi fluidi se subiscono degli sforzi di taglio cambiano la viscosità come già visto (liquidi non newtoniani), ma alcuni di essi la cambiano anche nel tempo.

Anche gli eventuali trattamenti termici variano in maniera talvolta in modo molto marcato la viscosità espressa da questi polimeri, alterando l’idrofilicità di alcune proteine e polisaccaridi. Ma tali comportamenti sono anche espressione di una cambiamento della frazione volumica, se vogliamo ragionare sempre nei termini dell’equazione di ​​ Krieger-Dougherty. E in effetti le molecole tendono ad occupare solitamente più spazio, motivo per cui molti addensanti e fibre hanno bisogno di essere “attivati” col calore.

Un modo empirico, da prendere con le pinze, ma spesso utile per avere un’idea di quale potrebbe essere il comportamento dei polimeri aggiunti, è quello di considerare il rispettivo peso molecolare (ancora meglio talvolta nelle schede tecniche si ha il dato della viscosità sotto certe condizioni).

Ad esempio un addensante ha in media un p.m. dell’ordine di 106, mentre alcune fibre vegetali variano tra 103 a 5x103 e quindi ci aspetteremo che il primo esplichi un’azione sulla viscosità molto più elevata, specie se capace di formare efficaci network.

Questo modo di procedere è alla base del WCI, water control index, introdotto da B. Tharp, con interessanti risvolti pratici testati sul campo.

Un’ultima considerazione sul legame tra diffusività e viscosità. Si sarebbe portati a credere che al crescere della viscosità diminuiscano alcuni fenomeni che riducono la shelf-life strutturale. Entro certi limiti questo discorso è valido, ma con delle riserve.

Il moto diffusivo molecolare attraverso un mezzo viscoso può essere descritto dall’equazione di Stokes-Einstein valida per bassi valori del numero di Reynolds, quindi in regimi laminari:

D=kT6πμrD= {kT} over {6*πμr}

 

Dove r è il raggio molecolare e kT l’energia termica del sistema, ossia il prodotto di Boltzmann. Chiaramente una molecola più grande si diffonde più lentamente in un mezzo con maggiore viscosità. Occorre precisare che nel computo del raggio molecolare bisogna considerare anche il volume di idratazione che molecole ioniche e polimeri si portano solitamente dietro attraverso la fase acquosa.

 

Comunque un aumento della viscosità del mezzo non è sempre detto che abbia degli effetti sulla diffusività. È stato visto ad esempio in uno studio che una soluzione di saccarosio, molecola relativamente piccola, essa non subirà particolari influenze cinetiche se aumentiamo la viscosità del mezzo con un addensante come la gomma xantano. Questo perché le molecole di zucchero saranno comunque libere di transitare negli spazi lasciati dal gel. Ciononostante è stato visto che in un sistema a forte concentrazione, quale è quello del gelato, c’è una buona correlazione tra viscosità e diffusività.

 

Un’ultima considerazione è da farsi riguardo l’influenza della temperatura, la cui diminuzione rallenta la diffusività. Questa equazione in effetti ci conferma, come vedremo la prossima volta, che in prossimità della transizione vetrosa Tg il flusso delle molecole rallenta in modo consistente, attuando quella che possiamo definire come una stabilizzazione termica.

 

Difatti la fase liquida della miscela durante la mantecazione e successivamente l’abbattimento si concentra sempre più. Subendo un raffreddamento veloce ed essendo la disposizione molecolare disordinata, e quindi non cristallina, essa si avvicina a un cambiamento di varie sue proprietà fisiche tra cui la più importante è una limitatissima mobilità molecolare.

Va però eventualmente messo in conto anche il rischio di un entanglemenent molecolare, irreversibile in situazioni di crioconcentrazioni spinte, infrequenti ma possibili.

 

Tale temperatura è proporzionale al peso molecolare della soluzione, ovvero un incremento di acqua nella miscela ne determina l’abbassamento aumentando la diffusività del soluto. Da questo si evince che l’uso di addensati non hanno un effetto significativo riguardo a questo parametro per la loro ridotta concentrazione, sebbene modifichino le proprietà meccaniche dello stato amorfo.

Si consideri la seguente equazione di Williams-Landel-Ferry (WLF) quando il gelato è in prossimità della Tg:

log10µµg=C1(TTg')C2+(TTg'){log} rsub {10} {µ} over {{µ} rsub {g}} = {{− C} rsub {1} left (T − {T} rsub {g} rsup {'} right )} over {{C} rsub {2} + left (T − {T} rsub {g} rsup {'} right )}

Dal grafico in alto si può vedere come man mano che la temperatura di riferimento si allontana dalla transizione vetrosa (in questo caso di 240°K, circa -33°C), la diffusività cresce rapidamente.

Così un gelato tenuto a temperature prossime alla Tg, ad esempio -30°C, esibirà una ricristallizzazione trascurabile. Lo stesso non si può dire alle temperature di conservazione più frequenti nelle gelaterie di -18°C.

Bene, siamo giunti al termine di questa indagine nel mondo dei polimeri con particolare applicazione nel settore del gelato. Abbiamo toccato alcuni aspetti e dato spero spunto per ulteriori approfondimenti in questo campo affascinante.

 

Il take-home message è ancora una volta la difficile prevedibilità di un sistema complesso come il gelato, e che ogni sua proprietà sensoriale è frutto di innumerevoli interazioni al livello di microstruttura. Un buon apparato teorico unitamente alla necessaria esperienza di laboratorio, ​​ quindi sembra essere il miglior approccio per un lavoro di successo.

 

 

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