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Determinación  de  cafeína  en  bebidas  energizantes  por  el  método de adición estándar.   Cárdenas Camacho Michel Karina     Laboratorio  de  Análisis  Instrumental  I,  Facultad  de  Química  Ambiental,  Universidad  Santo  Tomás Seccional Bucaramanga.    1. Resumen​.  La  práctica  consistió  en  la  aplicación  del  método  de  adición  estándar  en  múltiples  puntos  y  se  hizo  a  partir  de  la  determinación  de  cafeína  en  dos  bebidas  energizantes  de  red  bull  y  Mr  Tea,  para  ello  se  utilizó  el  método  espectrofotométrico  de  absorción  de  ultravioleta  visible,  usando  para  este  caso  la  técnica  de  adición  de  patrón  de  las  disoluciones  a  diferentes  concentraciones.  La  concentración  de  cafeína  obtenida  en  el  red  bull  fue  de 102,8 ppm y la de Mr tea fue de 92,3 ppm, demostrando  su inconsistencia con la etiqueta del producto.  

2. Introducción  El fin de esta ​práctica fue aplicar el método de adición estándar, a partir de la determinación de la concentración de cafeína en dos bebidas energizantes, utilizando el método espectroscópico de absorción visible, así mismo comprobar la información nutricional de los productos en cuanto a la cafeína si coinciden o no. El método de adición estándar es una técnica de análisis cuantitativo que a menudo se utiliza cuando la muestra de interés tiene varios componentes que resultan ser efectos matriz, donde los componentes adicionales pueden reducir o aumentar la señal de absorbancia del analito, estos representan errores

 

significativos en los resultados del análisis. Este método consiste en la adición de cantidades conocidas y crecientes del analito a la propia muestra problema, la lectura y las correspondientes respuestas instrumentales y la posterior construcción de la recta se realiza por extrapolación de la recta de calibrado al punto del eje x, donde la respuesta es es cero se tiene que construir una recta de adiciones estándar por cada muestra analizada. La ecuación para determinar la concentración del analito por este método es: Cx =

(b*Cs) (m*V s)

​(1)

Donde ​b es el punto de corte en la serie de datos, ​Cs representa la concentración del

 

estándar, ​m ​es la pendiente de la pendiente de la gráfica (sensibilidad) y ​Vs es el volumen fijo de la muestra. En el método de adición estándar se utiliza en muestras complejas donde los efectos matriz son importantes, este método implica añadir uno o más incrementos de una solución estándar a una alícuota de muestra y el valor del volumen en la intersección de la línea recta con el eje ​x,​ es el volumen del reactivo estándar equivalente a la cantidad de analito de la muestra problema, esto se puede ver también en forma gráfica así: Gráfica 1: Curva de calibración entre la señal versus el volumen de analito.

analito​.

Dependiendo de esto se puede identificar las ecuaciones para hallar el intercepto en cada uno de los ejes, así: o x − intercepto = −CaV Vf o y − intercepto = kCaV Vf

m − pendiente = k

De acuerdo a esta gráfica el valor de los interceptos y la pendiente se calcula así: x − intercepto =

−CaV o Cs

​

​(2)

y − intercepto =

−kCaV o Cf

​(3)

m − pendiente =

kCs Vf

​(4)

Gráfica 2: Curva de calibración entre la señal del estándar y la concentración del

 

(​ 5) ​(6) ​(7)

La espectrofotometría es un método analítico utilizado para encontrar la cantidad de analito en una solución, este se basa a partir de la medición de cuanta luz absorbe una sustancia química a analizar, dependiendo de la concentración y composición de la solución este haz luminoso va a generar una señal, y dicha respuesta se va a basar en la absorbancia de la solución con lo cual viene identificado y a partir de ella se determina la concentración de la muestra analizada, basándose en la Ley de Beer-Lambert. Este método utiliza la luz en los rangos visible y adyacentes (el ultravioleta UV) cercano y el infrarrojo (IR) cercano. La espectrofotometría ultravioleta visible utiliza haces de radiación del espectro electromagnético en el rango UV de 180 a 380 nm y en el de luz visible de 380 a 780 nm.​ ​(Perez Guillermo, 2018)1​

 

Figura 2: Espectro Electromagnético visible.

2​

(Elia Quirós Rosado, 2015)

Cada sustancia tiene su propio espectro de absorción, el cual es una curva que muestra la cantidad de energía radiante absorbida, la absorbancia, por la sustancia en cada longitud de onda del espectro electromagnético, es decir, a una determinada longitud de onda de la energía radiante, cada sustancia absorbe una cantidad de radiación que es distinta a la que absorbe otro compuesto. En esta región del espectro electromagnético, las moléculas se someten a transiciones electrónicas, es decir que la radiación producida por el equipo incide directamente con los electrones de los orbitales atómicos de la solución, este proceso se puede identificar como un proceso de dos etapas en la primera ocurre la excitación electrónica y en la otra la relajación que generalmente se presenta como la conversión entre la energía de excitación con el calor según la siguiente ecuación: M + hv→M * →M + C alor

​(1)

Esta técnica es complementaria de la espectrometría de fluorescencia, que trata con transiciones desde el estado excitado al estado basal, mientras que la espectrometría de absorción mide transiciones desde el estado basal al estado excitado otra manera en que ​la energía

 

puede liberarse es a través de procesos radiactivos o de conversiones internas en las moléculas del analito debido a la presencia de este en la luz. Químicamente la cafeína es un alcaloide del grupo de las xantinas, concretamente pertenece a la familia de las metilxantinas. Éstas se caracterizan por tener un sistema heterocíclico que contiene nitrógeno, poseer carácter básico y mostrar actividades biológicas muy intensas. Desde el punto de vista estructural, son derivados de la purina, más concretamente, provienen del anillo de la purina Página 2 de 9 que se forma a través de la condensación de una pirimidina con un imidazol. Las xantinas poseen una estructura cristalina y su fórmula molecular es C​3​H​4​N​2​ y su estructura es: Figura 4:Estructura molecular de la cafeína.

La ley de Lambert-Beer establece que la Absorbancia de una sustancia está directamente relacionada con las propiedades intrínsecas del analito, específicamente son su concentración y la longitud de la trayectoria del haz de radiación al atravesar la muestra, la expresión matemática es: A = log

I I0

​(2)

 

Donde ​I​0 representa la intensidad de la luz ​ incidente e ​I​ la intensidad de la luz que atraviesa la celda. También podemos expresar la absorbancia en función de la longitud de la cubeta y de la concentración de soluto. A=ℇ*∁*l

​(3)

Donde l es la longitud de la cubeta en cm, c representa la concentración de soluto en mol/l y ϵ es la absortividad molar (coeficiente de extinción molar) medido en l/mol.cm. Figura 2: Representación del haz de luz sobre la muestra

Por otro lado la transmitancia es la razón entre la luz monocromática transmitida (I) por una muestra y la energía o luz incidente (Io) sobre ella. Tanto la energía radiante incidente como la transmitida deben ser medidas a la misma longitud de onda, como se expresa en la ​fórmula 2​, además es posible determinar el porcentaje de transmitancia así: I IO

​(4) * 100% Las mediciones de absorbancia o transmitancia se hacen por comparación entre la muestra problema y un estándar arbitrario o blanco. Como la referencia debe poseer un porcentaje de transmitancia de 100%, esta es llamada referencia de 100%, o una absorbancia de cero. %T =

 

4. Materiales y Reactivos   -Cafeína comercial pura -Agua destilada -Espectrómetro UV-Visible (Agilent 8453) -2 cubetas de cuarzo para el UV-Vis -Balanza Analítica -Pipetas volumétricas de 10 y 15 mL -Vidrio de reloj -Micro espátula -Goteros -Balones aforados de 50 y 100mL -Vaso de precipitado de 250mL.   4. Metodología Para  poder  encontrar  la  concentración  de  cafeína  en  las  dos  bebidas  energizantes  se  utilizó  el  método  analítico  espectrometría  absorción  de  ultravioleta  visible  y  calibrado  de  adición  estándar  en  múltiples  puntos,este  método  se  basa  en  la  relación  que  existe  entre  la  absorción  de  luz  por  parte  de  un  compuesto  y  su concentración.  Cuando  se  hace  incidir  luz monocromática  (de  una  sola  longitud  de  onda)  sobre  un  medio  homogéneo,  una  parte  de  la  luz  incidente  es  absorbida  por  el  medio  y  otra  transmitida,  como  consecuencia  de  la  intensidad del rayo de luz.  4.1  Fundamento  y  funcionamiento  del  Espectrómetro Agilent 8453  El  equipo  utilizado  para  llevar  a  cabo  la  experiencia  fue  un  espectrómetro  de  Ultravioleta  Visible  Agilent  8453,  el  cual  consta  de  una  fuente  de  luz  “blanca”  caracterizada  por  un  espectro  de  emisión  continuo  en  un  intervalo  amplio  de  longitudes  de  onda  (en  nuestro  caso  190  nm-900  nm).  Un  monocromador  actúa  como  filtro  óptico  transmitiendo  un  haz de  luz  de longitud de onda fija λ e intensidad 

 

I​0  que  penetra  en  la  cubeta  de  análisis  donde  se  encuentra la muestra. Un detector  sensible  a  la  luz  mide  la intensidad del haz  a  la  salida I​f el cual ​analiza las transiciones  electrónicas  de  las moléculas a medida que  absorbe  la  luz  en  las  regiones  visible  del  espectro  electromagnético,  además  este  instrumento  permite  comparar  la  radiación  absorbida  o  transmitida  por  una  solución  que  contiene  una  cantidad  desconocida  de  soluto,  y  una  que  contiene  una  cantidad  conocida  de  la  misma  sustancia.  Todas  las  sustancias  pueden  absorber  energía  radiante.  El  vidrio,  utilizado  en  las  celdas  fue  de  cuarzo  por lo que es completamente  transparente,  este  absorbe  longitudes  de  onda  que  pertenecen  al  espectro  visible;  el  agua  absorbe  fuertemente  en  la  región  del  IR.  La  absorción  de  las  radiaciones  UV,  visibles  e  IR  depende  de  la  estructura  de  las  moléculas,  y  es  característica para cada  sustancia  química.​(Agilent  technologies,  2014)4 ​ Figura  3  :Espectrofotómetro  ultravioleta  visible  agilent  8453.

    5. Parte Experimental  La  práctica  consistió  en  la  determinación  de  la  concentración  de  cafeína  en  dos  bebidas  energizantes  bastante  reconocidas  en  el  mercado,  por  medio  de  un  análisis  espectrométrico.  Para  ello  primero  se  prepararon  soluciones  estándar  de  cafeína  comercial  una  a  140  ppm  para  el  análisis  del  red  Bulls  y  la  otra  a  60  ppm  para  el  análisis  del  Mr  tea  para  ello  se  pesó 

 

aproximadamente  0,007g  y  0,003g  de  este  reactivo  y  se  aforó en un matraz a 100 mL,  seguidamente  se  procedió  a  efectuar  el  calibrado  por  adición  estándar, para ello se  tomó  una  alícuota  de  1mL  la  muestra  de  red  Bull  con  una  variación  del volumen de  la  solución  estándar,  empezando  en  0,  y  aumentando  el  volumen  de  dos  en  dos  hasta completar los 12 ml, cada solución se  aforó  hasta 50 mL, lo mismo se realizó con  la  muestra  de  Mr  tea,  como  se  ve  en  la  siguiente tabla:  Tabla  1:  Patrones  de  adición  estándar

  Por  eso  una  vez  teniendo  las  disoluciones  se  procedió  a hacer un barrido en el equipo  partiendo  de  180  nm  hasta  300  nm pues se  conoce  que  el  espectro  de  absorción  de  la  cafeína  es  de  273  y  se  realizó  este  ajuste  fin  el  fin  de  optimizar  los  resultados.  La  matriz  para  cada  análisis  correspondió  a  la  muestra  a  1ml  de  la  muestra  a  analizar  diluidos  en  50  mL  de  agua,  por  lo  que  el  blanco  correspondiente  a  cada  una  fueron  esos.  6. Resultados y Discusión.  Para  calcular  la  concentración  de  cafeína  en  la  bebida  de  red  Bull  con  el  método  de  adición  estándar,  se  hicieron  7  muestras  para  el  calibrado  esto  con  el  fin  de  determinar  una  concentración  más  exacta  de  la  solución,  el  resultado  de  la  absorbancia  para  esta  muestra se evidencia  en la siguiente figura: 

 

Figura  3:  Gráfica  de  absorbancia  de  la  cafeína  en  el  red  bull  Vs  longitud  de  onda.

   Como  se  ve  en  la  gráfica,  esta  presenta  dos  picos,  lo  cual  indica  que  la cafeína se absorbe en  dos longitudes de onda, la absorbancia en la gráfica se refleja en las siguientes tablas.  Tabla  2:  absorbancia  en  el  pico  más alto,  con longitud de onda entre  205 y 206 nm​.

 

De  acuerdo  a  las  tabla  2  y  3,  es  posible  hacer  las  gráficas  de  concentración  versus  absorbancia  esto  con  el  fin  de  ver  cuál  de  las  dos  gráficas  presenta  una  mejor  sensibilidad,  esto  se  puede  identificar  por  aquella  que  tenga  una  mejor  pendiente,  esto se puede ver en el siguiente gráfico:  Figura  4:  Gráfica  de  concentración  vs  absorbancia,  identificación  de  la  sensibilidad. 

Tabla  3:  absorbancia  en el pico más bajo,  con  longitud  de  onda  de  273  nm.​

 

 

 

 

De  acuerdo  a  esta  gráfica  se obtiene que la  curva  de  calibración  con  mejor  sensibilidad  es  la que representa los puntos  azules,  es  decir  la  que  está  a la longitud de  onda  de  205  nm,  ya  que  esta  tiene  una  mejor  pendiente  de  0,1457,  sobre  este  valor  se  va  a  trabajar  para  calcular  la  concentración  de  la  cafeína de acuerdo a la  ecuación 1​,como se ve a continuación: 

  Donde  se  obtuvo  un  valor  de  concentración  de  cafeína  para  el  red  bull  de  aproximadamente  102,8  mg  por  cada  litro. 

Para el análisis de cafeína en la bebida de Mr tea, se tiene la siguiente gráfica de absorbancia:  Figura 5 : Absorbancia de la cafeína en el Mr tea. 

  De  acuerdo  a  la  gráfica  anterior  se  obtiene  que las curvas de calibrado es: 

como  se  ve la figura anterior es posible ver  que  la  gráfica  con  mejor  sensibilidad  corresponde  a  la  que  representa  los  puntos  a  273  nm  que tiene color naranja ya que su  pendiente  es  de  0,0868.  Como  se  hizo  anteriormente  utilizando  la  ​ecuación  1  se  obtiene  que  la  concentración  de  cafeína  en  el Mr tea corresponde a: 

Figura  6:  ​Gráfica  de  absorbancia  vs  Volumen  de  patrón,  identificación  de  la  sensibilidad

 

 

  De  acuerdo  a  esto  se  dice  que  por  cada  litro  de  solución  se  encuentra  97,2  miligramos de cafeína.          

 

  7. Conclusiones    De  acuerdo  al  análisis  de  resultados  se  pudo  determinar  la  concentración  de  las  dos  muestras  de  bebidas  energizantes  por  medio  del  método  de  adición  estándar  en  m,  que  fue  muy  efectivo.  ya  que se obtuvo  que  la  concentración  de  cafeína  para  la  bebida  energizante  de  red  bull  fue  de  103  ppm  y  si  se  busca  en  la  información  de  la  etiqueta  de  este  producto  dice  que  una lata  de  250mL  contiene  80  mg  de  cafeína,  lo  que  indica  que  la  etiqueta  engaña  al  consumidor  ya  que  contiene  un  28%  más  de  cafeína,  y  esta  solución  en  cantidades  asi  de  elevadas  es  ​supremamente dañina para nuestro organismo ya que ​aumentar los niveles extracelulares de los neurotransmisores la noradrenalina y dopamina en la corteza prefrontal del cerebro, lo que explica buena parte de sus efectos pocos favorables en nuestro organismo ya que al consumirla se absorbe y pasa rápidamente hacia el cerebro. No se acumula en el torrente sanguíneo ni se almacena en el organismo. Sale del cuerpo en la orina muchas horas después de haber sido consumida. Para el análisis en el Mr tea se obtuvo que la concentración fue de 97,2 ppm esto para un litro, pero para la botella de 500ml se obtiene que es 48,2 ppm segun la informacion nutricional de este producto no se encuentra esta concentración, pero por sí solo según la OMS una planta de té contiene 11 mg de cafeína, cosa que de por sí ya debería estar incluido en el producto, y como se evidencio en el análisis la concentración es muy alta, aunque se cree que por ser una bebida supuestamente té se considera que si es buena, pero por el contrario se evidencia que en nocivo para nuestro organismo, por eso es

 

recomendable no tomar este tipo de bebidas. 8. Bibliografía 1 ​

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​

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