Entendiendo desde la teoría qué hacemos cuando clarificamos (coloideum misterium).

El siguiente artículo fue escrito por Mauricio Wagner, recopilando información de diferentes lados y tratando de dar claridad a un asunto que por lo general resulta muy turbio (hoy estoy tremendamente creativo...). Mauricio, siempre didáctico y polifuncional nos acerca este excelente informe, que para quesos como yo en asuntos químicos hasta pareciera estar escrito en castellano!

El presente es un pequeño trabajo de recopilación apuntando a entender como
funcionan los coloides y su aporte a la turbidez.

Para comprender el concepto de clarificación veamos previamente algunas
definiciones y conceptos teóricos los cuales trataremos de simplificar y usar las
expresiones matemáticas solo para ver como influye cada parámetro.
A mediados del siglo XIX, el ingles John Tyndall demostró que la dispersión de
la luz en la atmósfera era causada por las partículas en suspensión en el aire.
Este efecto lo utilizaremos para diferenciar, una disolución o solución verdadera
de una dispersión coloidal.

Cuando un rayo de luz que atraviesa un líquido con
partículas en suspensión invisibles al ojo, es dispersado, estamos en presencia
de un coloide. Si el rayo de luz no experimenta ninguna dispersión, el líquido es
una disolución o una solución verdadera.

Ejemplos de coloides:
Vino, Sidra, Cerveza, Licores, Jugos de frutas

Ejemplo de soluciones verdaderas:
Lavandina, Vinagre

Solución verdadera
En general las substancias iónicas que se disuelven en un solvente
están presentes como iones y las no-iónicas están presentes como moléculas.
Se considera que una sustancia está en una solución verdadera si la
misma está disuelta en iones individuales o moléculas cuyo tamaño es menor
que 0.001 micrones, un tamaño de partícula que tiende a no precipitar fuera de
la solución porque la fuerza de la gravedad es insignificante. Las partículas
están separadas unas de otras y cada una se mueve en forma más o menos
independiente en el solvente.

Todas las moléculas en una solución verdadera están en un constante
movimiento al azar.

Coloides y emulsiones
Los agregados de moléculas no disueltas forman coloides más bien que
soluciones verdaderas y tales agregados son raramente más pequeños que
0.001 micrón. Un coloide es un sistema en el cual diminutas partículas, en un
rango de tamaño desde 0,005 a 0.3 micrones de diámetro, se encuentran
dispersas en algún medio. Los agregados y el medio en el cual los mismos
están dispersos pueden ser gaseosos, líquidos o sólidos.
Un coloide formado por dos fases líquidas es llamado una emulsión.
Ejemplo: Mayonesa.

Las moléculas en un líquido están un constante movimiento errático, y
las partículas coloidales son constantemente bombardeadas y empujadas en
todas direcciones por las moléculas del líquido que las rodea.
Este movimiento hace que las partículas coloidales no sedimenten
debido a la leve fuerza que la gravedad ejerce sobre ellas. Ellas también
resisten el empuje gravitacional porque las cargas eléctricas sobre las partículas coloidales en un sistema dado son del mismo signo (positivo o negativo) y su mutua repulsión evita el efecto de sedimentación de la gravedad.

No obstante, hay una ligera tendencia en las partículas de un coloide
hacia la sedimentación en el fondo del recipiente.

Las partículas en un coloide pueden ser inducidas a precipitar por el
agregado de un compuesto químico que pueda llegar a neutralizar las cargas
eléctricas de las partículas en suspensión, eliminando las fuerzas de repulsión.
Los agregados más grandes de las partículas coloidales forman suspensiones o emulsiones que son inestables.

Esto significa que las partículas suspendidas pueden eventualmente separarse de la suspensión y decantar debido a la fuerza de la gravedad; partículas más grandes y densas precipitan más rápidamente. Las partículas con una menor gravedad específica
que el medio en el cual están dispersas pueden ascender y agregarse en la
superficie superior, por ejemplo aceite en agua, espuma que se forma en la olla
de cocción. Para mantener los agregados dispersos en una suspensión o
emulsión inestable el medio debe ser agitado continuamente.

Cuando el Ph de la solución es bajo la carga total es positiva (caso de la
cerveza), cuando el Ph es alto la carga total es negativa y cuando el Ph es
neutro la carga es neutra (llamado punto isoeléctrico). En el punto isoeléctrico
precipitan los coloides por falta de repulsión eléctrica, solo actúa la fuerza de la
gravedad.

En general los coloides no tienen un límite fijo de tamaño y se suelen
estudiar bajo un enfoque fisicoquímico desde el punto de vista de sus
propiedades. Un material coloidal puede tardar 755 días en sedimentar por
tanto es importante cambiar esta condición.

Un coloide no puede ser Clarificado por filtración debido al tamaño
de las partículas de tamaño inferior a 1 micrón.

Coagulación y Floculación.
La clarificación artificial consiste en agregar determinadas sustancias en
estado coloidal, las cuales al coagular y flocular, arrastran por acción físico
química los compuestos coloidales.

La Coagulación y Floculación son dos procesos dentro de la etapa de
clarificación. Ambos procesos se pueden resumir como una etapa en la cual las
partículas se aglutinan en pequeñas masas llamadas flocs tal que su peso
específico supere a la del líquido y puedan precipitar.

La coagulación se refiere al proceso de desestabilización de las partículas
suspendidas de modo que se reduzcan las fuerzas de separación entre ellas.
La floculación tiene relación con los fenómenos de transporte dentro del líquido
para que las partículas hagan contacto. Esto implica la formación de puentes
químicos entre partículas de modo que se forme una malla de coágulos, la cual
sería tridimensional y porosa. Así se formaría, mediante el crecimiento de
partículas coaguladas, un floc suficientemente grande y pesado como para
sedimentar.

El término coágulo se refiere a las reacciones que suceden al agregar un
reactivo químico (coagulante) en el líquido, originando productos insolubles. La
coagulación comienza al agregar el coagulante al líquido y dura fracciones de
segundo.

Algunos coagulantes son: Carrageninas, Agar Agar, Gelatina, Bentonita
Modelos Teóricos de la Coagulación y de La Floculación.

Existen dos modelos de la coagulación. El modelo físico o de la doble capa,
basado en fuerzas electrostáticas de atracción y repulsión. El otro modelo es
químico, llamado "puente químico", que relaciona una dependencia entre el
coagulante y la superficie de los coloides.

Para la floculación existen también dos modelos. El primero es llamado
ortocinético, el cual es promovido por agitación externa principalmente
(Generación del Whirpool, remolino o fuerza centrífuga). Influye partículas de
tamaño superior al micrón y tiene relación con los gradientes de velocidad del
líquido. El segundo modelo se llama pericinético y se diferencia del primero en
que su fuente de agitación es interna. Principalmente importarán el movimiento
browniano y la sedimentación. Su efecto es principalmente sobre partículas de
tamaño inferior a 1 micrón.

Floculación.
La floculación es el proceso mediante el cual las moléculas ya desestabilizadas
entran en contacto, agrandando los flocs de modo de facilitar la precipitación.
La floculación puede presentarse mediante dos mecanismos: floculación
ortocinética y pericinética, según sea el tamaño de las partículas
desestabilizadas (en general todas las partículas se ven afectadas por ambos
mecanismos). Las partículas pequeñas (< 1um) están sometidas a floculación
pericinética, motivada por el movimiento browniano, mientras que las que
presentan un tamaño mayor, están afectadas principalmente por el gradiente
de velocidad del líquido, predominando en ella la floculación ortocinética.

Ley de Stokes
La ley de Stokes nos indica cual es la velocidad de sedimentación de una
partícula esférica en un medio líquido.
2 x (D – D0) x G x r2
V = -------------------------------
9 x ?
Donde D es la densidad de la partícula, D0 es la densidad del líquido, G es la
aceleración de la gravedad a la que está sometida la partícula, r es el radio de
la partícula esférica y ? es la viscosidad del líquido.

¿De que forma podemos aumentar la velocidad de precipitación de partículas?

1) Aumentando el tamaño de las partículas por el agregado de un
coagulante que forme flocs de mayor radio que la partícula original.
Observar que cuando “r” aumenta (en la fórmula) también aumenta
(cuadraticamente) la velocidad de precipitación.

2) Aumentando la aceleración por generación de un centrifugado o
remolino (Whirpool) vemos que aumenta el valor de G y esto hace que
también aumente la velocidad de precipitación.

3) Menormente podemos afectar la Velocidad de precipitación al aumentar
la Densidad de las partículas por variación de la densidad del floc al
agregar coagulante. La densidad del liquido y la viscosidad del mismo
son constantes para una elaboración dada.
Otra observación interesante que surge de esta fórmula es que cuanto mayor
es la densidad del líquido más dificultoso es hacer precipitar las partículas, por
lo cual las cervezas más alcohólicas pueden tener mayor turbidez presente si
no se actúa sobre el coloide. Igualmente, elaboraciones con mayor contenido
de proteínas (“mayor cuerpo”) harán líquidos más viscosos y por ende con
mayor dificultad para precipitar partículas.
De aquí podemos comprender que la clarificación (durante la etapa de cocción)
requiere un hervor violento para generar movimiento dentro de la masa del
mosto en cocción que permite que las partículas formen flocs mas grandes, y
esos coágulos precipiten (si su densidad es mayor que la del líquido) o
sobrenaden (si su densidad es menor que la del líquido).
Un coadyudante de este proceso es el remolino para aumentar la aceleración y
otro coadyudante es el agregado de un coagulante de cargas negativas para
compensar las cargas de la cerveza (Ph ácido, cargas positivas) y formar
nuevos flocs.

La pregunta del millón
¿ Cuanto coagulante se debe agregar ?
Ojo, de lo hasta aquí visto, si nos pasamos convertiremos un coloide cargado
positivamente en otro cargado negativamente, y con una turbidez de nuevo
tipo.

Entonces, ¿Cual es la dosis de uso adecuada?
No existe un valor exacto, se trabaja por experimentación tomando muestras y
buscando el valor adecuado, pero podemos decir que el rango a usar está
entre los 0,5 y 2 gramos de principio activo / litro de solución a tratar en el caso
de uso de gelatina, carragenina y/o bentonita.
Experimentalmente se toman muestras y se las trata con dosis crecientes hasta
encontrar la que nos satisface.
No todas las soluciones se comportarán igual requiriendo diferentes dosis.

¿Porqué?
Porque aunque usemos la misma recetas, cada cocción / solución tiene sus
propias características, quizás en una la temperatura del macerado fue
ligeramente superior o inferior que la otra. El molido del grano o el grano mismo
(malteado) es diferente, el Ph del mashing fue diferente.
Esto hace que pueda cambiar la cantidad de coloides en solución y por ende la
dosis a usar. Claro está que en cocciones grandes puede minimizarse el efecto
este de cocción en cocción y es posible uniformizar la dosis luego de un par de
elaboraciones.

Uso de la Bentonita
La clarificación artificial o provocada, en contraposición a la clarificación
espontánea que se produce naturalmente en los vinos, tiene por objeto obtener
en tiempo breve la limpidez de los mismos.

La Bentonita es el clarificante de mayor difusión, debido a su bajo costo ya que
es totalmente inerte, inalterable, de fácil aplicación y notable acción
estabilizadora sobre el vino. Produce con el agua una masa de miscelas
electronegativas muy pequeñas, de enorme superficie específica (alrededor de
50.000 cm2 por gramo) y estructura esponjosa que le confiere un elevado
poder absorbente.

Cuando la Bentonita convenientemente preparada es incorporada al vino, la
floculación de los coágulos es rápida y la clarificación se lleva a cabo en poco
tiempo.

Los mismos criterios resultan aplicables para la clarificación de jugos de frutas
así como de otros licores y bebidas tales como cervezas, cidras, vinagres etc.
siempre y cuando la causa del enturbiamiento sea debida a partículas con
carga positiva.

¿Por qué la Bentonita tiene tanta difusión en la elaboración de vinos y está casi
ausente en la elaboración de cerveza?
Como clarificante es uno de los más baratos y es muy efectivo dado que
PRECIPITA totalmente, es decir no queda en suspensión, no deja rastros como
otros clarificantes. Pero su no uso en cerveza está ligado a que no discrimina a
la hora de clarificar, barriendo con los compuestos necesarios para aportar una
buena espuma. En cervezas del tipo Barley Wine, donde no se requiere tener
espuma dado su carácter “tipo vino” es aconsejable su uso.

Diferentes productos usados por la Asociación de Químicos Cerveceros
de USA mostraron:
Fueron estudiados los efectos de tratamientos que influyen en la estabilidad
coloidal de la cerveza, sobre proteínas promotoras de espuma, proteínas
promotoras de turbiedad y polifenoles.
Cerveza sin haber recibido tratamiento para turbiedad, fue tratada con
bentonita, silica gel y polivinilpoli-pirrolidona (PVPP).

La absorción con bentonita remueve ambas proteínas promotoras de turbiedad
y de espuma.

La absorción con silica gel remueve proteína promotoras de turbiedad, pero
casi sin tocar las proteínas promotoras de espuma. Esta especificidad resulta
porque la silica gel se enlaza a los residuos de prolina en la proteína; estos son
los mismos sitios donde los polifenoles se unen para crear turbiedad. Como
resultado, son afectadas solamente aquellas proteínas que puedan participar
en la formación de turbiedad.

El PVPP (conocido comercialmente como Polyclar) remueve aproximadamente
la mitad del polifenol promotor de turbiedad de cerveza, pero tiene poco efecto
en las proteínas promotoras de espuma ó turbiedad.
Clarificando con gelatina se reduce grandemente el nivel de proteínas
promotoras de turbiedad en la cerveza. Clarificando con ácido tanico se reduce
el nivel de proteínas promotoras de turbiedad y en altas proporciones de
adición, la concentracion de polifenoles promotores de turbiedad. Aspectos
téoricos del tratamiento enzimático para estabilización fueron considerados.

Puesto que fenilalanina y triptofano estan presentes en la hordeina pero no la
proteína-1 de transferencia de lípido de cebada, promotora de espuma, es
teorícamente posible que se pudiera encontrar una enzima que pudiera atacar
a la proteína promotora de turbiedad pero no a la proteína promotora de
espuma.