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UNALM Facultad de Industrias Alimentarias Análisis de Alimentos

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA FACULTAD DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS Departamento de Ingeniería de Alimentos y Productos Agropecuarios

INFORME N° 7: REFRACTOMETRÌA Integrantes: 20110451

Choque Villena, Melisa

20110415

Espadin Molero, Henry

20110422

Loyola Guevara, Katherine

20110474

Zela Ampuero, Raimundo

Mesa: 3

Profesora: Patricia Glorio Paulet

Curso: Análisis de Alimentos

La Molina, 27 de mayo del 2014

Práctica N°7: Refractometría -1-

UNALM Facultad de Industrias Alimentarias Análisis de Alimentos

I.

INTRODUCCIÓN

Se denomina refractometría, al método de calcular el índice de refracción (una propiedad física fundamental de cualquier sustancia) de una muestra para conocer su composición o pureza. Es una técnica analítica que consiste en la medida del índice de refracción de un líquido con objeto de investigar su composición si se trata de una disolución o de su pureza si es un compuesto único. La medida continua en una columna cromatrográfica puede indicar la composición o pureza. El fenómeno de la refracción está basado en el cambio de velocidad que experimenta la radiación electromagnética al pasar de un medio a otro, como consecuencia de su interacción con los átomos y moléculas del otro medio. Dicho cambio de velocidad se manifiesta en una variación en la dirección de propagación. La medida relativa de la variación entre dos medios tomando uno fijo como referencia se le conoce como índice de refracción n y en general está expresado con respecto al aire. El instrumento para medir n, es básicamente un sistema óptico que busca medir el ángulo que se ha desviado la radiación, utilizando para ello dos prismas: uno fijo de iluminación sobre el cual se deposita la muestra y uno móvil de refracción. Los prismas están rodeados de una corriente de agua termostatizada, ya que la temperatura es una de las variables que afecta a la medida. La refractometría es importante para identificar y caracterizar alimentos, por ejemplo grasas y aceites, además también es muy útil para comprobar la pureza de distintos alimentos y para la determinación cuantitativa del contenido de agua de la miel, o también para determinar el extracto de alimentos que esté formado por azúcar (sacarosa), como es el caso de miel, confituras, jarabe de almidón, zumos, etc. Debido a su gran importancia para conocer el porcentaje de sólidos, en esta práctica se tuvo como objetivo conocer el fundamento del uso del refractómetro y sus aplicaciones en la determinación del índice de refracción como un método de análisis en los alimentos.

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UNALM Facultad de Industrias Alimentarias Análisis de Alimentos II.

REVISIÓN DE LITERATURA:

2.1.

Fundamento

El fenómeno de la refracción está basado en el cambio de velocidad que experimenta la radiación electromagnética al pasar de un medio a otro, como consecuencia de su interacción con los átomos y moléculas del otro medio. Dicho cambio de velocidad se manifiesta en una variación en la dirección de propagación. (Garrido, 2003). La medida relativa de la variación entre dos medios tomando uno fijo como referencia se le conoce como índice de refracción n y en general está expresado con respecto al aire. El instrumento para medir n, es básicamente un sistema óptico que busca medir el ángulo que se ha desviado la radiación, utilizando para ello dos prismas: uno fijo de iluminación sobre el cual se deposita la muestra y uno móvil de refracción. Los prismas están rodeados de una corriente de agua termostatizada, ya que la temperatura es una de las variables que afecta a la medida (Magaril, 2003). Cuando la radiación electromagnética atraviesa un límite entre dos medios, cambia su velocidad de propagación. Si la radiación incidente no es perpendicular al límite, también cambia su dirección. El cociente entre la velocidad de propagación en el espacio libre (vacío) y la velocidad de propagación dentro de un medio se llama índice de refracción del medio. En este artículo se estudian métodos para la medición del índice de refracción en la región visible del espectro, aunque la mayoría de los métodos que se describen pueden emplearse también en las regiones infrarroja y ultravioleta cuando se usan detectores de radiación adecuados. Sólo se consideran aquí las sustancias homogéneas isótropas que son transparentes en este intervalo espectral. Las sustancias anisótropas o fuertemente absorbentes requieren métodos de medición especiales. Los aquí descritos exigen ciertas precauciones para evitar errores (Magaril, 2003). Según la ley de SNELLIUS, cuando una luz de longitud de onda λ pasa del vacío a otro medio, a la temperatura 0, se verifica que:

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(1) Donde: θλn = índice de refracción(número de refracción, cociente de refracción) c = velocidad de la luz en el vacío v = velocidad de la luz en el otro medio α= ángulo de incidencia β= ángulo de refracción Como el índice de refracción es característico para cada sustancia o mezcla de sustancias, puede aplicarse en el análisis cualitativo y cuantitativo de sustancias transparentes. No se comete gran error operando en el aire, en lugar del vacío (índice de refracción del aire frente al vacío: 10003).Para la medida de índices de refracción se hace uso de refractómetros. 2.2.

Equipos Refractómetros

Los aparatos de refactometria se basan en dos principios: refractómetros de ángulo límite o crítico y los refractómetros de desplazamiento de imagen. 2.2.1. Principio de los refractómetros de ángulo límite o crítico: Los refractómetros de ángulo crítico usan la luz reflejada por un prisma en contacto con la muestra. El haz de luz se enfoca de forma que entre al prisma con diferentes ángulos de incidencia progresivamente a través de la anchura del haz de luz. Alguna de esta luz se transmite al medio de la muestra pero el resto es reflejado. La reflexión se produce en el momento en que el ángulo de incidencia es mayor que el crítico. Cuando el RI de la muestra cambia a mayor o a menor, una porción del haz de luz será reflejada y la anchura del haz reflejado cambiara. El punto de cambio de refracción a reflexión es seguido por las fotocélulas. Al cambiar la anchura del haz de luz, más o menos luz entra en el deflector de medida causando un desequilibrio entre las fotocélulas.

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UNALM Facultad de Industrias Alimentarias Análisis de Alimentos El amplificador detecta el desequilibrio y re-posiciona un filtro corrector usando un sistema de servo-equilibrio hasta que las fotocélulas entren de nuevo en equilibrio. La posición del filtro corrector es la medida del ángulo critico y por consiguiente la medida del RI (Madrid, 1997). El rango de este instrumento está determinado por la selección del material del prisma y el espesor del filtro corrector. Este instrumento frecuentemente se instala en línea, montando el prisma en una tubería (sonda) e insertado esta sonda en la línea de proceso. Una importante ventaja de este tipo es que puede ser usado en muestras opacas, barros o muestras muy viscosas, las cuales presentan problemas a los refractómetros diferenciales de imagen. 2.2.1.1.

Métodos del ángulo límite

El método del ángulo límite para la reflexión total es el que se usa comúnmente y por ello se discute en primer lugar. Se describirán tres instrumentos típicos: los refractómetros de Pulfrich, de Abbe y de inmersión. a) Refractómetro de pulfrich El refractómetro de Pulfrich es útil para la medición del índice de refracción de muestras sólidas o líquidas. Con gran cuidado en el uso del instrumento y con los ajustes mejores posibles, se alcanza una precisión del orden de 1 x 10-4 en el índice de refracción. La diferencia del índice entre dos muestras cuyos índices difieren muy poco, se puede determinar con un error de ± 2x 10-5 (Weickert, 2006). El componente central de este instrumento es un bloque de vidrio, que ha de ser de excelente calidad, con dos superficies planas formando ángulo recto, una en el plano horizontal y otra en el vertical. La luz, ligeramente convergente, de un foco que da líneas espectrales netas, bien espaciadas, es incidente sobre la superficie horizontal. Los rayos que inciden casi en ángulo de 900 con la normal, esto es, casi paralelos a la superficie horizontal, se refractan en el bloque. Los rayos incidentes en ángulos mayores que 900 naturalmente no entran en el bloque por la superficie horizontal. Por lo tanto, los rayos refractados en ángulos menores que el ángulo límite, o iguales a esté, emergerán de la cara vertical del bloque de Pulfrich, mientras que no aparecerán los que inciden en ángulos mayores que el crítico (Gutierrez, 2006).

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UNALM Facultad de Industrias Alimentarias Análisis de Alimentos Para la medición de muestras sólidas con el refractómetro de Pulfrich, se saca la celda cilíndrica de la parte alta del bloque y se coloca la muestra sobre la superficie horizontal del bloque, con una fina capa de líquido entre las dos superficies. El líquido debe tener un índice de refracción algo mayor que el de la muestra y algo menor que el del bloque. La superficie de la muestra en el lado adyacente al bloque debe estar pulida y ser plana. La superficie de la muestra frente al foco luminoso debe ser transparente y formar aproximadamente ángulo de 900 con la superficie de contacto, aunque no es necesario que sea plana. La intersección de las dos superficies ha de ser afilada, y no biselada ni esmerilada (Garrido, 2003). En trabajos de precisión, la superficie plana de la muestra debe estar casi paralela a la del bloque de Pulfrich. Esto se determina por observación de las franjas de interferencia formadas por reflexiones entre estas dos superficies, que pueden verse directamente o mirando en la pupila de salida del anteojo con una lupa. Un tercio de franja por centímetro del área de contacto, cuando las franjas son perpendiculares al rayo de luz incidente, produce un error de 1x10-5 en el índice de refracción medido. La muestra se mueve sobre el bloque hasta que el ángulo de cuña quede dentro de los límites tolerables.(Barclay, 2006). El procedimiento para medir los ángulos de emergencia y para determinar el índice de refracción es el mismo para sólidos y líquidos. b) Refractómetro de abbe Este refractómetro, basado también en el principio del ángulo límite, está ideado para realizar la operación con comodidad y rapidez. Requiere sólo cantidades muy pequeñas de la muestra y da una precisión del orden de ±2 x l0-4. La escala está graduada directamente en índices de refracción para las líneas D a 20° C. En su forma usual se puede usar con luz de sodio o con luz blanca. Los modelos de alta precisión se limitan en general al uso de luz de sodio, aunque los fabricantes suministran tablas de corrección para las líneas C y F. En este instrumento, se mantiene una capa fina del líquido que se mide contra la hipotenusa del prisma de refracción P, mediante el prisma auxiliar P', cuya hipotenusa está finamente esmerilada. Se ilumina el prisma auxiliar y la luz que se difunde en la superficie esmerilada choca en ángulos diversos sobre el límite entre Práctica N°7: Refractometría -6-

UNALM Facultad de Industrias Alimentarias Análisis de Alimentos el líquido y el prisma principal. Esta luz entra en el prisma de refracción en ángulos que varían hasta el ángulo limite. Por consiguiente, cuando se mira con un anteojo la luz que emerge del prisma de refracción, se ve un campo dividido, que se halla en parte oscuro y en parte iluminado con una línea divisoria neta entre las dos porciones, igual que en el refractómetro de Pulfrich.

Figura 1: Refractómetro de Pulfrich. Fuente: Kirk et al (1976). El uso de luz blanca, que ordinariamente produce una franja coloreada en vez de un límite oscuro-brillante entre las dos partes del campo, se hace posible con el uso de dos prismas de Amici, A1 y A2, para compensar la dispersión relativa del prisma de refracción y de la muestra. Los prismas de Amici están ideados de modo que no se desvía la luz D del sodio, mientras que las longitudes de onda más largas se desvían hacia un lado y las más cortas hacia el otro. Colocando dos prismas de Amici idénticos en serie y girando uno con respecto al otro, se obtiene un intervalo de separación angular entre las longitudes de ondas largas y cortas, desde cero al doble de la separación producida por uno de los prismas solo. Así, con los dos prismas interpuestos entre el prisma de refracción y el anteojo, la adecuada orientación de los dos prismas compensa la dispersión relativa del prisma de refracción y de la muestra. Los prismas de Amici están ideados de modo que no se desvía la luz D del sodio, mientras que las longitudes de onda más

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UNALM Facultad de Industrias Alimentarias Análisis de Alimentos largas se desvían hacia un lado y las más cortas hacia el otro. Colocando dos prismas de Amici idénticos en serie y girando uno con respecto al otro, se obtiene un intervalo de separación angular entre las longitudes de ondas largas y cortas, desde cero al doble de la separación producida por uno de los prismas solo. Así, con los dos prismas interpuestos entre el prisma de refracción y el anteojo, la adecuada orientación de los dos prismas compensa la dispersión relativa del prisma de refracción y de la muestra y produce en el anteojo una línea divisoria neta e incolora entre las porciones oscura e iluminada del campo visual. La escala de rotación de estos prismas de Amici está graduada de modo que se puede obtener un valor aproximado de la dispersión de la muestra, por sus posiciones relativas, mientras la lectura en la escala principal da directamente el valor nD (Kirk et al, 1996). En el refractómetro de Abbe se miden las muestras sólidas quitando el prisma auxiliar y colocando la muestra con contra el prisma de refracción, con un liquido de contacto, como en el refractómetro de Pulfrich. Una ventaja peculiar del refractómetro de Abbe es que en esta forma puede medirse el índice de refracción de muestras opacas, aunque en este caso hay que tener el cuidado especial de evitar películas superficiales que tengan un índice diferente del de la muestra. c) Refractómetro de inmersión El principio del refractómetro de inmersión es el mismo que el de los aparatos de Pulfrich y Abbe. Su nombre proviene porque el prisma de refracción está sujeto rígidamente al objetivo del anteojo y se sumerge en el líquido cuyo índice de refracción se mide. Se hace la lectura de la posición de la línea divisoria entre las porciones oscura y brillante del campo sobre una escala en el plano focal del anteojo mientras el prisma está sumergido en el líquido. Las lecturas de la escala se transforman en los índices de refracción correspondientes mediante las tablas suministradas con el instrumento.(Garrido, 2003). El refractómetro de inmersión puede usarse, como el de Abbe, con luz blanca, aunque la compensación de la dispersión se hace por rotación de un solo prisma de Amici, que da un valor algo menos exacto para la dispersión. En algunos instrumentos especiales, ideados para una dispersión estrecha del intervalo del índice, la compensación se hace con un prisma fijo.

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UNALM Facultad de Industrias Alimentarias Análisis de Alimentos El refractómetro de inmersión es muy cómodo para la medición de numerosas muestras que varían poco en el índice de refracción. Su precisión es algo mayor que la del instrumento de Abbe ordinario, pero no es tan adaptable como éste o como el refractómetro de Pulfrich. En la actualidad la determinación directa para análisis, ha sido superada por la información obtenida por otras técnicas, no obstante es ampliamente utilizada como herramienta de los detectores de muchos aparatos modernos como cromatógrafos (Garrido, 2003). 2.2.2. Principio de los refractómetros de desplazamiento de imagen: Este tipo de refractómetros consiste en una lámpara de filamentos de tungsteno y un filtro mascara, una celda caudal de muestra con una célula interna sellada, de referencia un deflector separador de rayo y dos fotocélulas opuestas. La celda de referencia esta rellena con una solución que tiene un

valor del RI

aproximadamente a mitad de la escala de medida. El haz de luz pasa a través de toda la celda de medida, creando un ángulo de refracción solamente en la parte no perpendicular. La magnitud del ángulo de refracción creado es proporcional a la diferencia entre los valores de RI de la muestra y de la solución contenida en la celda de referencia, dando una medida diferencial ( Magaril, 2003). La parte detectora consiste en el deflector separador y dos fotocélulas, el circuito está diseñado para que el amplificador lea la relación de las señales de salida de las dos fotocélulas como medida del desplazamiento o refracción del haz de luz. Las irregularidades de las foto células, tales como diferentes superficies sensoras o distinto envejecimiento, limitan el sistema de relación en cuanto a la sensibilidad, lineal y rango de medida, por lo tanto, se suele usar un sistema de equilibrio y reposición de cero en el cual la relación de señales de salida citada, se usa para reposicionar el deflector a fin de equilibrar los rayos de luz de forma igual a ambas fotocélulas. La posición del deflector es proporcional a la medida de la variación del RI. La sensibilidad y el rango de medida para este diseño se modifican por el ángulo de la celda de referencia y la distancia entre la celda de medida y el sistema de detección. Usando espejos se puede mantener la unidad en unas dimensiones razonables, incluso con distancias de hasta un metro.(Garrido, 2003).

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UNALM Facultad de Industrias Alimentarias Análisis de Alimentos 2.3.

Aplicaciones: Existe una amplia aplicación en la industria alimenticia, esto es principalmente para medir las concentraciones de azúcar presentes en el producto a analizar. Se utiliza en el análisis cuantitativo de variadas soluciones Identificación de productos Determinación de la pureza de muestras Determinación de momentos dipolares Determinación de estructuras moleculares y pesos moleculares aproximados Se relacionan con la variación de la concentración de disoluciones.

III.

MATERIALES Y MÉTODOS

3.1.

Materiales: Muestra alimenticia: Jugo de naranja

Figura 2 Baguetas

Figura 3

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UNALM Facultad de Industrias Alimentarias Análisis de Alimentos Papel tissue

Figura 4 Refractómetro de mano

Figura 5

3.2.

Procedimiento:

El prisma fue limpiado con agua y papel tissue Se verificó que el refractómetro este bien calibrado, por ello se midió el índice de refracción del agua destilada a 20ºC, obteniéndose un valor de 1,3330 Después de verificar el refractómetro, se secócuidadosamente los prismas con papel tissue, sin restregarlos ya que esta acción los raya, lo que hace difícil la lectura del IR. Se colocaron dos gotas de la muestra, la cual fue lo suficientemente transparente `para que deje pasar la luz.

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Figura 6 3.2.1. Para el caso de pulpa, pasta, kétchup detomate: Se filtró utilizando un embudo y telas de algodón limpio y seco. Luego se colocó la tela en un soporte y sobre ella la muestra, después se recibió el filtrado en un erlenmeyer. En vez de filtrar también se puede centrifugar la muestra y utilizar el sobrenadante, tomar unas gotas y hacer la lectura. Si la lectura se hubiese realizado a una temperatura diferente

a 25ºC se

hubiesen hecho las correcciones según la tabla para pulpa y pasta de tomate. En el caso de productos que contienen sal como el kétchup, se debe conocer la cantidad para hacer las correcciones. Los resultados fueron expresados según la escala del aparato y tablas que relacionan el índice de refracción con el contenido de solidos totales. IV.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN:

Muestra Jugo de naranja

Grados BRIX 3.29

Kirk (1996) menciona que en la industria se establece el grado de concentración de los jugos de fruta a partir del índice de refracción. En la práctica se determinó el índice de refracción de varias muestras alimenticias, siendo el de nuestra mesa el juego de naranja.

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UNALM Facultad de Industrias Alimentarias Análisis de Alimentos Esta

determinación indirecta de azúcares por el refractómetro se usa más

comúnmente para el control rápido de fábrica. Los azúcares en disolución (a menudo referidos como “sólidos solubles”) se expresan en equivalentes de sacarosa. (Pearson, 1976) En el zumo, los componentes más abundantes son los azúcares y el ácido cítrico, que suman casi el total de los sólidos solubles. En la maduración, el contenido en azúcares aumenta y el de ácidos disminuye. Los sólidos solubles del zumo de los cítricos están formados, fundamentalmente, por los azúcares reductores y no reductores y por los ácidos (Gutiérrez, 2006). Los principales azúcares, en los zumos de naranja son: sacarosa, glucosa y fructosa, que suman alrededor del 75 % de los sólidos solubles totales, estando frecuentemente equilibrados los reductores y la sacarosa. También existen pequeñas cantidades de galactosa. Estos son también los azúcares de los zumos de pomelo y de limón. Durante el tratamiento y almacenamiento de los zumos se va hidrolizando la sacarosa en azúcares reductores: glucosa y fructosa (Gutiérrez, 2006). Según el CODEX ALIMENTARIOS (2010), el valor de los grados BRIX son muy bajos para la denominación de jugo de naranja. V.

CONCLUSIONES Los grados BRIX del zumo de naranja no cumplen con las establecidas por el CODEX. La mayor parte de los sólidos totales en el jugo de naranja están dados por la fructosa. El refractómetro de mano es un método de fácil aplicación en la industria alimentaria.

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UNALM Facultad de Industrias Alimentarias Análisis de Alimentos VI.

BIBLIOGRAFÍA BARCLAY,

L.

2006.

Método

moderno

de

análisis

de

alimentos:

Refractométrico. Primera Edición. CECSA. México D.F. GARRIDO, A. 2003. Aplicaciones al análisis de alimentos. Editrial Acribia, S.A. Zaragosa (España). GUTIÉRREZ, M. 2006. Evaluación sensorial de del Néctar de naranja. . Editrial Acribia, S.A. Zaragosa (España). HART, L. y FISHER, H. 1991. Análisis Moderno de los Alimentos. Editorial Acriba. Zaragoza. España. KIRK, R; SAWYER, R. y EGAN, H. 1996. Composición y Análisis de Alimentos de

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