Es sabido que, además de las aplicaciones médicas, las siliconas tienen muchos otros usos. Se emplean en el hogar como adhesivos y sellantes; la grasa de silicona es un lubricante de motores; ciertas pinturas se mejoran con silicona para darles mejores propiedades mecánicas y hacer que resistan mejor los cambios térmicos; la silicona aumenta la eficiencia, durabilidad y rendimiento de los paneles solares; en muchos componentes electrónicos se usa por sus propiedades dieléctricas; en los aviones es muy útil en las juntas tóricas de los sistemas de combustibles y en otras partes del aparato; es un buen revestimiento hidrofóbico incluso en telas; se usa como disolvente en limpieza en seco; con caucho de silicona se hacen tetinas de biberones; en el ámbito del cuidado personal las siliconas pueden formar parte de la composición de acondicionadores del cabello, aditivos en desodorantes, cosméticos, lociones, protectores solares, fármacos de tratamientos de la piel… Y, gracias a que muchas siliconas son esencialmente no tóxicas dada su inercia química, también tienen usos culinarios. Así, se pueden aplicar a utensilios que van a estar en contacto con alimentos para que se vuelvan antiadherentes sin que les impartan sabor.
Este material se emplea en la cocina sobre todo en forma de aceite de silicona, llamado así por ser parecido a los aceites (estado físico, viscosidad, hidrofobicidad…). Existe un papel de aceite de silicona que está recubierto de capas de este compuesto para evitar que los alimentos se peguen a moldes y bandejas de hornear (fig. 7.6). Una gran ventaja sobre el papel de aluminio es que se puede introducir en el microondas.
¿Por qué esta silicona es líquida? En realidad, la mayoría de las siliconas pueden prepararse dentro de una amplia gama de viscosidades, desde líquidos a semisólidos gomosos. En el caso del polidimetilsiloxano, de fórmula general (CH3)SiO[(CH3)2SiO]nSi(CH)3, con n entre 0 y aproximadamente 5000, el material incluso puede obtenerse en fase de vapor si n es muy bajo (~5 o menos) y la temperatura es suficientemente alta[2]. Pero cuanta más longitud media tengan las cadenas, más viscoso será el polímero porque tendrá más tendencia a enmarañarse, lo que aumentará su resistencia a la deformación. Además, las fuerzas intermoleculares de Van der Waals se harán más grandes (como es sabido, estas aumentan con el peso molecular, y así, los hidrocarburos de pocos átomos de carbono son gaseosos; los de número medio, líquidos, y los de número alto, sólidos cerosos). En siloxanos que tienen otros sustituyentes distintos de –CH3, la naturaleza de estos restos también determina el estado físico. Por otro lado, estos polímeros tienden a ser más sólidos si se reticulan, es decir, si las cadenas se unen entre sí químicamente. En la figura 7.7 se pueden ver un polidimetilsiloxano semisólido, otro con consistencia de gel y un tercero líquido.
En realidad, el término aceite de silicona es muy vago, ya que, aunque en general se refiere a siliconas líquidas (es decir, de bajo peso molecular) de textura aceitosa, a veces también se incluyen en la categoría algunos materiales más parecidos a las grasas pesadas. Hay aceites de silicona a base de polidimetilsiloxano pero también de otros tipos de siloxanos, como los ciclosiloxanos (anillos de Si y O alternados, con sustituyentes alquílicos). En cualquier caso, el llamado aceite de polidimetilsiloxano es un aditivo en la industria alimentaria; su código es E900a. Su función es la de impedir la formación de espumas. Es, pues, un agente antiespumante o desespumante.
Son muchas las razones por las que se necesitan antiespumantes en la producción de alimentos. Un comestible es una mezcla química de proteínas, vitaminas, minerales, carbohidratos y grasas. Cualquier medio que contenga estas biomoléculas tiene una alta tendencia a la formación de espumas que pueden restar eficacia a los procesos de producción (lavados, mezclas, bombeos…) por desbordamientos, obstrucción de conductos, etc.
Por ejemplo, en la obtención de azúcar a partir de la remolacha se forma mucha espuma por la presencia de celulosa, lignina, proteínas, betaína (trimetilglicina), colina y especialmente el glucósido esteroideo saponina. Los procesos de fermentación para la producción de fármacos, levaduras o simplemente etanol también generan mucha espuma durante el crecimiento de los microorganismos y en la formación del producto final. El procesado de patatas o verduras requiere lavados previos muy espumosos debido a las proteínas, los compuestos nitrogenados diversos y el almidón que se encuentran en estos vegetales. El llenado y embotellado de bebidas alcohólicas, de café y zumos y la reconstitución de liofilizados son asimismo generadores de burbujas[4].
En la producción de alimentos son fundamentales las tecnologías de control de espuma, ya sean mecánicas o basadas en aditivos químicos. En este segundo caso hay que tener en cuenta que los antiespumantes empleados en procesos de lavado pueden acabar en las aguas residuales, por lo que a la hora de elegirlos hay que optar por los que no tengan efectos nocivos para el ambiente. Además, pueden quedar trazas, por lo que tienen que escogerse de modo que no sean perjudiciales para los consumidores. También deben evitarse antiespumantes volátiles si en el proceso existen etapas de calor (evaporación, ebullición) pues podrían ser tóxicos para los trabajadores. En los procesos de fermentación no deben ser metabolizados por los microorganismos pero tampoco ser tóxicos para ellos. Finalmente, no deben causar problemas en la extracción y purificación del producto final[5].
Teniendo en cuenta todo esto, la industria se ha decantado sobre todo por los aceites de silicona como componentes de los agentes antiespumantes, habiendo sustituido con ventaja a otros compuestos usados hace pocas décadas. Para comprender cómo funciona un antiespumante conviene entender primero que la espuma no es más que un conjunto de burbujas en íntimo contacto. Las burbujas se pueden deber a una reacción química que genera un gas o bien a una agitación que introduce aire en el líquido, entre otras causas. Inicialmente son invisibles debido a su pequeño tamaño, pero se van uniendo unas con otras (las grandes crecen a expensas de las pequeñas), aumentando el empuje. De esta manera, ascienden y pueden llegar a salir a la superficie. La fina capa de líquido esferoidal que delimita a una burbuja se llama lamela. A una primera capa de burbujas formada sobre la superficie se podrá agregar otra por debajo, que empujará a la primera hacia arriba, y así sucesivamente. Así se va formando la espuma. Esto es muy fácil de observar cuando se llena un vaso de cerveza.
La facilidad de formación de burbujas depende del valor de las fuerzas de cohesión entre las moléculas del líquido. En el seno del líquido, cada molécula reparte su fuerza de cohesión entre todas las moléculas que la rodean, pero en la superficie del líquido las moléculas no tienen vecinas por arriba y esto se traduce en un aumento de las fuerza cohesivas con las vecinas que están al lado y debajo (como se muestra en la figura 4.27-dcha.). Esto se traduce en la aparición de una tensión superficial, que es una medida de la fuerza necesaria para separar unas de otras las moléculas que se encuentran en la superficie de un líquido o, dicho de otro modo, para aumentar el área superficial del líquido. La tensión superficial es la responsable de que algunos insectos puedan caminar sobre el agua o de que un alfiler cuidadosamente depositado sobre ella no se hunda. Todo líquido tiene un valor de tensión superficial característico de su naturaleza. Así, la del agua es intermedio (casi 73 dinas/cm a 20 oC) comparada con la del mercurio (465 dinas/cm) y la del polidimetilsiloxano (entre 20 y 23 dinas/cm).
El agua pura no forma espumas estables, primero porque la alta cohesión entre sus moléculas dificulta la formación de burbujas en su interior; segundo, porque, aunque se formen pequeñas burbujas, tienen difícil crecer o unirse a otras debido a la tensión de la superficie de líquido que rodea a la burbuja; y tercero porque las lamelas de las burbujas que consiguen salir al exterior se evaporan rápidamente y el aire contenido dentro de las burbujas escapa (las burbujas explotan).
Ciertos compuestos llamados tensioactivos (o surfactantes) tienen la propiedad de disminuir la tensión superficial del agua (apartado 4.10). Los jabones y detergentes son tensioactivos; por lo tanto, facilitan la formación de burbujas. Además, hay compuestos que estabilizan a las lamelas, lo que favorece la estabilidad de una espuma. Un antiespumante debe actuar en sentido contrario: ha de desestabilizar la lamela, normalmente horadándola para permitir que el aire de su interior escape.
Un tensioactivo tiene una parte hidrofílica (polar: carboxilatos, sulfatos, sulfonatos, fosfatos, aminas, cadenas de polietilenglicol…) y una hidrofóbica (apolar: cadenas de alcanos, grasas, polímeros sintéticos…), como se ilustra en la figura 4.35 y puede verse en la 7.8 para dos tensioactivos muy habituales en productos de higiene personal (champú, jabón, pasta dental): el laurilsulfato de sodio y un éter derivado del mismo. El laurilsulfato o dodecilsulfato es la sal del ácido laurilsulfúrico, que recibe ese nombre porque es análogo al ácido láurico o dodecanoico (H3C–(CH2)10–COOH), aunque en vez de tener un grupo ácido carboxílico (–COOH) posee un grupo sulfúrico (–SO4H). Ambos compuestos son muy efectivos formadores de espuma.
Esta naturaleza anfifílica hace que las moléculas de detergente tiendan a acumularse en las superficies interfaciales aire/líquido, retardando la coalescencia (unión) de las burbujas y, por lo tanto, estabilizándolas. Se explica a continuación el mecanismo.
Una molécula de detergente que se halle en una superficie de agua tiene más baja energía (y por lo tanto es más estable) si la parte hidrofílica (cabeza) está sumergida en el agua y la parte hidrofóbica (cola) queda en contacto con el aire. La película de líquido o lamela de la burbuja tiene contacto con el aire exterior mediante su superficie exterior y con el aire interior mediante su superficie interior. Las moléculas de detergente se pueden colocar en ambas superficies. Las que se coloquen en la exterior formarán una capa con las colas hacia afuera de la lamela, y las que se coloquen en el interior tendrán sus colas hacia el interior de la lamela. Por eso, las colas siempre estarán en contacto con el aire. Se ilustra en la figura 7.9-izqda.-A.
De este modo, las moléculas de detergente forman una doble capa en la película lamelar. En medio de la doble capa quedan moléculas de agua que, por ser polares, mantienen fuerzas de interacción con las cabezas igualmente polares de las moléculas de detergente. La doble capa hace que la burbuja sea más estable. En la industria alimentaria esta doble capa la crean moléculas como las proteínas o los fosfolípidos, por ser anfifílicas. Esto explica la formación del merengue a partir de la clara de huevo.
La estabilidad la destruye el antiespumante. Este está constituido por un líquido transportador (por ejemplo, aceite de silicona, aunque también se usan aceites minerales, ácidos grasos o fluorocarburos), emulsionantes (agentes que ayudan a mezclar sustancias poco miscibles) y partículas hidrofóbicas de ceras, de sales metálicas (de Ca, Co, Zn, Cu, Pb, Al…) de ácidos monocarboxílicos, de poliurea, de poliamidas o, más comúnmente, de sílice pirogénica, que es una variedad de SiO2 muy finamente dividido.
La proporción de aceite de silicona en el antiespumante puede llegar al 90%. El emulsionante agregado en la formulación (3-6%) acelera el efecto y favorece que las gotitas de antiespumante que portan a las partículas hidrofóbicas lleguen también a las lamelas (figura 7.9-izqda.-B). El aceite de silicona (o cualquier otro transportador hidrofóbico) no se disuelve en agua, pero al tener una tensión superficial muy baja se rompe enseguida en pequeñas gotas y se dispersa en la disolución acuosa (efecto Marangoni, por el cual un líquido de cierta tensión superficial tiende a fluir hacia otro que la tenga más alta).
Tanto el aceite como los sólidos que lleva disueltos (1 – 3 %) contribuyen sinérgicamente, por diversos mecanismos, a desorganizar e incluso interrumpir la continuidad de la doble capa (figura 7.9-izqda.-C y, con más detalle, 7.9-dcha.), de manera que el agua se acaba evaporando en los puntos más débiles de la lamela y la burbuja se rompe (7.9-izqda.-D). Las partículas rugosas cumplen este cometido mejor que las esféricas.
Por lo tanto, un antiespumante debe tener baja tensión superficial para que se disperse bien en el líquido generador de espuma y además debe ser insoluble o en cierto modo incompatible con él. Si además tiene estabilidad térmica e inercia química (por ejemplo, resistencia a cambios de pH), es inmiscible con otros fluidos orgánicos y, en caso de que no se elimine completamente tras la elaboración del producto, no penetra a través de las membranas biológicas y no se metaboliza sino que se excreta sin cambios, se tiene el antiespumante ideal. El polidimetilsiloxano de peso molecular adecuado cumple estas especificaciones.
El aceite de polidimetilsiloxano puede usarse por sí solo como antiespumante, pero, como se ha dicho, es mejor añadirle partículas hidrofóbicas como sílice pirogénica. (Esta mezcla, por cierto, constituye el medicamento simeticona, que se prescribe para tratar el exceso de gases intestinales). Otra opción es hacer una emulsión de aproximadamente el 5% de aceite de silicona en agua o poliglicol (hasta el 85%), más el emulsificador y las partículas hidrofóbicas. Actualmente se usan derivados del polidimetilsiloxano en cuyas moléculas se incorporan sustituyentes de flúor, fenilo, vinilo, trifluoropropilo… o más complejos, como en ciertas fluorosiliconas. Lo que se busca es que el preparado tenga una alta hidrofobicidad y que la tensión superficial sea lo más baja posible. Siempre la presencia de partículas de SiO2 le confieren mayor eficacia. También puede contener otros fluidos de silicona modificada. En cualquier caso, los productos antiespumantes usados en la industria alimentaria deben cumplir estrictas especificaciones, ya que están en contacto con alimentos.
[1] Imágenes: varios sitios de Internet.
[2] B. Ludwig y J. L. Gray. Particuology 30 (2017) 92-101. https://doi.org/10.1016/j.partic.2016.05.010.
[3] Imagen: D. R. P. Silicone. https://www.mrsilicone.co.in/.
[4] M. Andriot(op. cit.).
[5] M. Andriot(op. cit.).
[6] Imagen adaptada de una presentación de BASF titulada “FoamStar® ED 2523”. https://www.slideshare.net/basf/foam-star-ed-2523-ecs.
[7] Imagen: BASF. Little helpers love great achievements – A practical guide to defoamers. https://insights.basf.com/files/PracticalGuide-Defoamers.pdf.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
